EP3191695A1 - Elektromagnetische stellvorrichtung - Google Patents

Elektromagnetische stellvorrichtung

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EP3191695A1
EP3191695A1 EP15777610.5A EP15777610A EP3191695A1 EP 3191695 A1 EP3191695 A1 EP 3191695A1 EP 15777610 A EP15777610 A EP 15777610A EP 3191695 A1 EP3191695 A1 EP 3191695A1
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EP
European Patent Office
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permanent magnets
coil
axial direction
actuating
adjusting device
Prior art date
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EP15777610.5A
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Dieter Maisch
Hartmut Weber
Bernhard Schatz
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Hilite Germany GmbH
Original Assignee
Hilite Germany GmbH
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Publication date
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Publication of EP3191695B1 publication Critical patent/EP3191695B1/de
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    • F01L2820/03—Auxiliary actuators
    • F01L2820/031—Electromagnets

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic actuating device, in particular for actuating tasks on an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the engagement surface typically forms the distal end of an anchor unit of the respective actuator unit.
  • the engagement surface In parallel to each other driven engagement surfaces of adjacent actuator units respective seated thereon ram units therefore act eccentrically and with their engagement side faces with the engagement surfaces, whereby a compact arrangement of axially parallel plunger units is carried out, and thus - according to predetermined setting or use conditions - minimum axial distances of the plunger units can be realized to each other.
  • a disadvantage of this solution is that it comes through the eccentric force to tilting moments that lead to increased friction and wear and must be taken over an additional component. Further, an actuator is required for operation for each plunger. In the event of damage, the plungers could unintentionally be actuated simultaneously.
  • each actuator pin is associated with a permanent magnet, wherein the permanent magnets are oppositely poled aligned and a magnetic coil means by electrical Umpolung generates a reversing with the Bestromungsraum magnetic field. Again, the force is applied to the actuator pins due to the small space eccentric.
  • DE 10 201 1 009 327 A1 describes an electromagnetic actuator with eccentric force. Permanent magnets are each assigned to a polar body.
  • DE 10 2009 006 061 A1 discloses an actuating device with two actuating actuators. The actuation actuators are designed as double actuators, each having an armature and a stator unit. The anchor units each comprise an actuating pin, which in addition to the magnetic force by means of spring means is actuated. Permanent magnets connect the actuating pins with centering elements by means of magnetic force.
  • An object of the invention is to provide an electromagnetic actuator with a plurality of actuator elements, which is inexpensive and robust to manufacture with a compact design and low lateral distance of actuators.
  • An electromagnetic positioning device with an actuator unit and an actuating unit acting in an axial direction wherein the actuator unit has a coil producing a magnetic field with a pole core arranged inside the coil. At least two permanent magnets are then arranged on an end face of the pole core in the axial direction, can be applied to these and designed to be displaceable in the axial direction, wherein the permanent magnets of the coil are independently drivable. Furthermore, the permanent magnets are differently polarized in the axial direction and can be driven by energizing the coil, so that when the coil is energized, at least one of two or more permanent magnets moves in the axial direction opposite to the other permanent magnets.
  • the Actuator is arranged in the axial direction subsequent to the actuator unit, wherein the actuating unit comprises at least two actuating elements, which are actuated in the axial direction.
  • each actuating element of the actuating unit is assigned to one of the permanent magnets and actuated by it in the axial direction.
  • the actuator unit and the actuating unit are arranged in a common housing of the adjusting device.
  • the actuating elements and the respective permanent magnet are arranged concentrically, so that a force is applied centrally to the actuating elements, which are arranged rotatably in the housing.
  • actuators are rotatable, wear, for example, when rolling in engagement grooves can be minimized.
  • the electromagnetic actuating device comprises a plurality of permanent magnets, which can be used in particular also at locations with limited installation space and in particular in systems with a small distance of the actuators.
  • the electromagnetic adjusting device comprises a current-carrying coil which is arranged in a housing and has a pole core in the interior for focusing the generated magnetic field.
  • the magnetic field of one coil acts on a plurality of, at least two permanent magnets which actuate actuating elements of an actuating unit.
  • the actuator is an integral part of the actuator.
  • the permanent magnets are attracted or repelled by the magnetic field of the coil. In this way, the permanent magnets, when energizing the coil and generating the magnetic field in the coil, moves and thereby also actuate the actuators of the actuator unit.
  • An adjusting device can independently control two actuating elements.
  • the solution according to the invention requires few components for driving two rams. This results in a saving of space and weight, since each set of components coil, pole core and permanent magnet omitted and a small housing can be used
  • the selection of the controlled actuating element is carried out according to an advantageous embodiment in a simple manner in that the coil has a single winding and the permanent magnets are each driven by reversing and energizing the coil.
  • the selection takes place in that the coil has two windings on a bobbin with different flow directions, wherein a winding is associated with a permanent magnet and the permanent magnets are each driven by energizing the associated winding.
  • a winding is associated with a permanent magnet and the permanent magnets are each driven by energizing the associated winding.
  • the actuating elements are designed as plungers. Conceivable according to the invention, however, other forms of actuators.
  • the actuators may themselves be magnetized or small permanent magnets may be provided with approximately the diameter of the actuators integrated into the actuator.
  • the permanent magnets are arranged as ring magnets on a peripheral shoulder of the actuating elements and provided fixed thereto.
  • the ring magnets are preferably each between two Disc elements of a magnetically conductive material arranged on the shoulder, wherein at least the disc facing the disc element is attached to the actuating element. It results in a simple attachment of the magnets on the actuators.
  • the permanent magnets each comprise a magnetically non-conductive ring element, which can be fastened to the disk elements, the permanent magnets are particularly insensitive to impact and damage with the associated disadvantageous consequences can be ruled out.
  • the permanent magnets are immersed in paragraphs of the housing and each can be applied to a bottom of paragraphs.
  • the magnetic force can then be used in the extended position of the respective actuating element as a holding force and it results in each case a bistable position.
  • the pole core is disposed within the coil and extends at its end associated with the actuating elements in the axial direction almost to one end of the coil, wherein the housing in the axial direction directly adjoins the coil.
  • a particularly high magnetic force can be achieved because the magnetic field lines are introduced approximately perpendicular to the axial direction of the pole core in the housing.
  • FIG. 1 shows a section through a de-energized adjusting device after a
  • Embodiment of the invention wherein the permanent magnets are arranged at the end of the actuating elements within the coil;
  • FIG. 2 shows a section through an energized adjusting device according to a further embodiment of the invention, in which the permanent magnets are arranged at the end of the actuating elements and bear against the end face of the pole core outside the coil.
  • Fig. 3 shows a section through a de-energized adjusting device according to a further embodiment of the invention in the starting position
  • FIG. 4 shows a section through an actuating element of the adjusting device according to FIG.
  • FIG. 1 shows a section through a de-energized adjusting device 10 according to a first embodiment of the invention.
  • the electromagnetic adjusting device 10 comprises an actuator unit 44 and an actuating unit 46 acting in an axial direction L.
  • the actuator unit 44 has a cylindrical, magnetic field generating coil 12 with a pole core 13 arranged inside the coil.
  • Two actuator elements 14, 16 are then arranged on an end face 48 of the pole core 13 in the axial direction L, wherein an actuator element 14, 16 each formed as a permanent magnet 15, 17, or more Gleichpolpolte permanent magnet elements.
  • the coil 12 drives both actuator elements 14, 16.
  • the actuating unit 46 is arranged in the axial direction L subsequent to the actuator unit 44, wherein the actuating unit 46 comprises two actuating elements in the form of plungers 22, 24 which are slidably mounted in bores 32, 34 of the actuating unit 46 in the axial direction L.
  • the plungers 22, 24 of the actuating unit 46 are each associated with one of the actuator elements 14, 16 and the respective actuator elements 14, 16 actuates its associated plunger 22, 24 in the axial direction L. Due to the design of the actuators 22, 24 as a plunger For example, the actuating unit 46 may also be referred to as a ram unit.
  • the shape of the actuators is not limited to a plunger shape.
  • the actuator unit 44 and the plunger unit 46 are arranged in a common housing 26 of the adjusting device, which favors the compact design of the adjusting device 10.
  • the coil 12 is a cylindrical toroidal coil. In the de-energized state, the coil 12, whose coil wires are perpendicular to the plane of representation, no magnetic field. If the coil 12 is energized via the terminals 36, 38, a magnetic field builds up around the coil 12, wherein the field lines again run perpendicular to the coil wires and thus extend in the sectional plane parallel to the display plane. The magnetic field also acts at the location of the actuator elements 14, 16 and thus the permanent magnets 15, 17. Thus occurs an interaction, attractive or repulsive type, between the magnetic field of the coil 12 and the magnetic fields of the permanent magnets 15, 17, which is a movement of the actuator 14, 16 causes.
  • the actuating elements 22, 24 may themselves be magnetized or may be provided as small permanent magnets 15, 17 with approximately the diameter of the actuating elements 22, 24 integrated in the actuating element 22, 24.
  • the Permanent magnets 15, 17 arranged in this embodiment within the coil 12.
  • the permanent magnets 15, 17, which constitute the actuator elements 14, 16, are arranged at the end of the actuating elements 22, 24 and immerse with the actuating elements 22, 24 in an area inside the coil 12.
  • Distances 40, 42 between the permanent magnets 15, 17 and the pole core 13 can be so minimal when the permanent magnets 15, 17 abut the end face 48 of the pole core 13.
  • the actuators 22, 24 are also either magnetized over a portion of their length or are provided with small permanent magnets 15, 17 of approximately the diameter of the actuators 22, 24 at the end of the actuators 22, 24 are arranged.
  • This example represents a very compact and cost-efficient design of the actuators 22, 24, as it is also used in the embodiment in Figure 1.
  • Figure 2 dive the Permanent magnets 15, 17, however, not in the interior of the coil 12, since this interior is filled in this case with the pole core 13.
  • the distance 40, 42 between the permanent magnets 15, 17 and the end face 48 of the pole core 13 can only reduce to zero, so that the permanent magnets 15, 17 abut the pole core 13.
  • FIG. 3 shows a section through a third exemplary embodiment.
  • the permanent magnets 15, 17 are arranged here as ring magnets on a circumferential shoulder 18, 20 of the actuating elements 22, 24 and secured thereto.
  • the actuator 22 is shown in Figure 4 cut in an enlarged view.
  • the actuating element 24 is of identical design, wherein, as described, the polarity of the permanent magnet 17 is reversed.
  • the ring magnet 15 between two disc elements 28, 30 of a magnetically conductive material on the shoulder 18, 20 is arranged.
  • the disk element 18 facing the shoulder 18 is provided annularly and, like the permanent magnet 15, is centered by a central projection 50 and fastened to the actuating element 22, for example by laser welding or gluing.
  • each of a magnetically non-conductive Ring element 56, 58 comprises, they are particularly impact-resistant by such encapsulation and damage with the associated adverse consequences can be excluded.
  • the ring element 56, 58 can also be fastened to the disc elements 28, 30 in a simple and reliable manner by means of laser welding or gluing.
  • the pole core 13 is arranged in this embodiment, only within the coil 12 and the bobbin 60 and extends at its the actuators 22, 24 associated end in the axial direction almost to one end of the coil 12.
  • the housing 26 connects in the axial direction directly to the coil 12 and the bobbin 60, so that a particularly high magnetic force can be achieved because the magnetic field lines approximately perpendicular to the axial direction L are introduced from the pole core 13 in the housing 26.
  • the arrangement of the pole core 13 to the housing 26 is crucial, since an air gap between the pole core 13 and the housing 26 has a very strong influence on the force level of the adjusting device 10.
  • the housing 26 is integrally formed in the area of the actuating unit 46 and additionally comprises the coil 12 on its outer side.
  • the bobbin 60 forms on a side facing away from the actuating unit 46 has a bottom 72 which is sealed to the housing 26.
  • the permanent magnets 15, 17 are further immersed in paragraphs 62, 64 of the housing 26 and each at a bottom 66, 68 of the paragraphs 62, 64 can be applied.
  • the magnetic force can also be used in the extended position of the respective actuating element 22, 24 as a holding force and it results in each case a bistable position.
  • the actuating elements 22, 24 are rotatably arranged in the housing 26, so that Wear, for example, when rolling in engagement grooves can be minimized.
  • the invention is not limited to two actuators. Thus, the arrangement of more than two - for example, four or six - actuators is conceivable.
  • the selection of the controlled actuating element 22, 24 is effected as described in a simple manner in that the coil 12 has a single winding and the permanent magnets 15, 17 are respectively controlled by reversing and energizing the coil 12.
  • the coil 12 on the bobbin 60 also have two windings with different flow directions, whereby the magnetic field builds up in each case in different directions.
  • a different effect on the permanent magnets 15, 17 is applied, so that they can be actuated in each case by energizing the associated winding.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung (10) mit einer Aktuatoreinheit (44) und einer in einer axialen Richtung (L) wirkenden Betätigungseinheit (46), wobei die Aktuatoreinheit (44) eine ein Magnetfeld erzeugende Spule (12) mit einem innerhalb der Spule (12) angeordneten Polkern (13) aufweist, wenigstens zwei Permanentmagnete (15,17) anschließend an eine Stirnseite (48) des Polkerns (13) in axialer Richtung (L) angeordnet, an diese anlegbar sowie in axialer Richtung (L) verschiebbar ausgeführt sind, wobei die Permanentmagnete (15, 17) von der Spule (12) unabhängig voneinander antreibbar sind, die Permanentmagnete (15, 17) in axialer Richtung unterschiedlich gepolt und durch Bestromen der Spule (12) jeweils ansteuerbar sind, so dass bei Bestromung der Spule (12) wenigstens einer von zwei oder mehreren Permanentmagneten (15, 17) sich in der axialen Richtung (L) entgegengesetzt zu den anderen Permanentmagneten (15, 17) bewegt, die Betätigungseinheit (46) in axialer Richtung (L) anschließend an die Aktuatoreinheit (44) angeordnet ist, wobei die Betätigungseinheit (46) wenigstens zwei Betätigungselemente (22, 24) umfasst, welche in axialer Richtung (L) betätigbar sind, wobei jedes Betätigungselement (22, 24) der Betätigungseinheit (46) jeweils einem der Permanentmagnete (15, 17) zugeordnet ist und von diesem in axialer Richtung (L) betätigt wird, die Aktuatoreinheit (44) und die Betätigungseinheit (46) in einem gemeinsamen Gehäuse (26) der Stellvorrichtung angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die Betätigungselemente (22, 24) und der jeweilige Permanentmagnet (15, 17) konzentrisch angeordnet, so dass eine Krafteinwirkung auf die Betätigungselemente (22, 24) zentrisch erfolgt, welche drehbar im Gehäuse (26) angeordnet sind.

Description

Elektromagnetische Stellvorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung, insbesondere für Stellaufgaben an einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
Aufgrund begrenzten Einbauraums an einem Einsatzort besteht häufig die Notwendigkeit, mit einer Mehrzahl von typischerweise selektiv, d. h. unabhängig voneinander ansteuerbaren Stößeleinheiten für eine jeweilige Stellaufgabe eine Stellvorrichtung hinreichend kompakt zu realisieren. So ist einerseits eine hinreichende elektromagnetische Funktionalität gewährleistet, etwa im Hinblick auf notwendigen Stellhub der Stößeleinheiten sowie Reaktions- bzw. Schaltzeit, andererseits liegt keine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung - mechanisch oder elektromagnetisch - vor. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Stellaufgaben, welche eine Mehrzahl von Aktuatoreinheiten benötigen, mit Hilfe einzelner, unabhängig voneinander befestigter bzw. vorgesehener Aktuatoreinheiten zu realisieren, wobei dies zu erhöhtem Konfigurations- bzw. Montageaufwand führt und üblicherweise die Kompaktheit der Gesamtanordnung nur begrenzt ist.
Dieses Problem wird dadurch verschärft, dass häufig die vorgesehene Einsatzumgebung, welche einen Eingriff einer Mehrzahl von Stößeleinheiten erfordert, vorgibt, dass die Stößeleinheiten einander eng benachbart und häufig lediglich einen vorbestimmten Maximalabstand voneinander beabstandet sein dürfen. Dies ist jedoch häufig mit einzelnen, individuell befestigten Aktuatoreinheiten nicht oder nur mit Einschränkungen lösbar. Aus der DE 10 2007 028 600 B4 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung bekannt, bei der eine Mehrzahl von beispielsweise drei Aktuatoreinheiten mit entsprechend drei Stößeleinheiten in einem gemeinsamen, hohlzylindrischen Gehäuse vorgesehen ist. Dabei erfolgt der Antrieb der langgestreckten zylindrischen, metallischen Stößeleinheiten dadurch, dass die Stößeleinheiten auf einer Eingriffsfläche einer jeweiligen zugeordneten Aktuatoreinheit aufsitzen und beispielsweise dort mittels Magnetwirkung haften. Dabei bildet die Eingriffsfläche typischerweise das distale Ende einer Ankereinheit der betreffenden Aktuatoreinheit. Bei parallel zueinander angetriebenen Eingriffsflächen benachbarter Aktuatoreinheiten wirken jeweilige darauf aufsitzende Stößeleinheiten daher exzentrisch und mit ihren eingriffsseitigen Stirnflächen mit den Eingriffsflächen zusammen, womit eine kompakte Anordnung der achsparallel zueinander geführten Stößeleinheiten erfolgt, und mithin - entsprechend vorgegebenen Stell- bzw. Einsatzbedingungen - minimale Achsenabstände der Stößeleinheiten zueinander realisiert werden können.
Nachteilig wirkt sich bei dieser Lösung aus, dass es durch die exzentrische Krafteinwirkung zu Kippmomenten kommt, die zu einer erhöhten Reibung und Verschleiß führen und über ein zusätzliches Bauteil aufgenommen werden müssen. Weiter wird zur Betätigung für jeden Stößel ein Aktuator benötigt. Im Schadensfall könnten ungewollt die Stößel gleichzeitig betätigt werden.
Aus der DE 10 2009 015 486 A1 ist weiter ein elektromagnetischer Aktuator bekannt, bei dem jedem Aktuatorstift ein Permanentmagnet zugeordnet ist, wobei die Permanentmagnete entgegengesetzt zueinander gepolt ausgerichtet sind und eine Magnetspuleneinrichtung durch elektrische Umpolung ein sich mit der Bestromungsrichtung umkehrendes Magnetfeld erzeugt. Auch hier erfolgt die Krafteinleitung auf die Aktuatorstifte aufgrund des geringen Bauraumes exzentrisch. Ebenso die DE 10 201 1 009 327 A1 beschreibt eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit exzentrischer Krafteinwirkung. Permanentmagnete sind dabei jeweils einem Polkörper zugeordnet. Ferner ist aus der DE 10 2009 006 061 A1 eine Betätigungseinrichtung mit zwei Betätigungsaktuatoren bekannt. Die Betätigungsaktuatoren sind als Doppelaktuator mit jeweils einer Anker- und eine Statoreinheit ausgebildet. Die Ankereinheiten umfassen jeweils einen Betätigungspin, welcher zusätzlich zur Magnetkraft mittels Federmitteln betätigbar ist. Permanentmagnete verbinden mittels Magnetkraft die Betätigungspins mit Zentrierelementen.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer Mehrzahl von Aktuatorelementen, zu schaffen, welche bei kompakter Bauweise und geringem lateralen Abstand von Betätigungselementen kostengünstig und robust zu fertigen ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 .
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer Aktuatoreinheit und einer in einer axialen Richtung wirkenden Betätigungseinheit vorgeschlagen, wobei die Aktuatoreinheit eine ein Magnetfeld erzeugende Spule mit einem innerhalb der Spule angeordneten Polkern aufweist. Wenigstens zwei Permanentmagnete sind anschließend an eine Stirnseite des Polkerns in axialer Richtung angeordnet, an diese anlegbar sowie in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt, wobei die Permanentmagnete von der Spule unabhängig voneinander antreibbar sind. Weiter sind die Permanentmagnete in axialer Richtung unterschiedlich gepolt und durch Bestromen der Spule jeweils ansteuerbar, so dass bei Bestromung der Spule wenigstens einer von zwei oder mehreren Permanentmagneten sich in der axialen Richtung entgegengesetzt zu den anderen Permanentmagneten bewegt. Die Betätigungseinheit ist in axialer Richtung anschließend an die Aktuatoreinheit angeordnet, wobei die Betätigungseinheit wenigstens zwei Betätigungselemente umfasst, welche in axialer Richtung betätigbar sind. Dabei wird jedes Betätigungselement der Betätigungseinheit jeweils einem der Permanentmagnete zugeordnet ist-und von diesem in axialer Richtung betätigt. Die Aktuatoreinheit und die Betätigungseinheit sind in einem gemeinsamen Gehäuse der Stellvorrichtung angeordnet.
Erfindungsgemäß sind die Betätigungselemente und der jeweilige Permanentmagnet konzentrisch angeordnet, so dass eine Krafteinwirkung auf die Betätigungselemente zentrisch erfolgt, welche drehbar im Gehäuse angeordnet sind. Hierdurch werden eine exzentrische Beaufschlagung und der damit erhöhte Verschleiß ausgeschlossen, ohne dass auf eine Bauraum-optimierte Stellvorrichtung und einen minimalen Achsabstand der Betätigungselemente verzichtet werden muss. Auch kostenintensive Führungsmaßnahmen können entfallen.
Da die Betätigungselemente drehbar ausgeführt sind, kann ein Verschleiß beispielsweise beim Abrollen in Eingriffsnuten minimiert werden.
Die erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Permanentmagneten, welche insbesondere auch an Einsatzorten mit beschränktem Einbauraum sowie insbesondere bei Systemen mit geringem Abstand der Betätigungselemente eingesetzt werden können.
Die elektromagnetische Stellvorrichtung umfasst dabei eine stromdurchflossene Spule welche in einem Gehäuse angeordnet ist und im Inneren einen Polkern zur Fokussierung des erzeugten Magnetfelds aufweist. Das Magnetfeld der einen Spule wirkt auf mehrere, wenigstens zwei Permanentmagnete, welche Betätigungselemente einer Betätigungseinheit betätigen. Die Betätigungseinheit ist integraler Bestandteil der Stellvorrichtung. Je nach Polung der Permanentmagnete und Polung des in der Spule erzeugten Magnetfelds werden die Permanentmagnete von dem Magnetfeld der Spule angezogen oder abgestoßen. Auf diese Weise werden die Permanentmagnete, beim Bestromen der Spule und Erzeugen des Magnetfelds in der Spule, bewegt und betätigen dadurch auch die Betätigungselemente der Betätigungseinheit. In einer Ausgangsstellung halten die Pernnanentnnagnete die Betatigungselemente durch die Magnetkraft auf dem Polkern fest. Zusätzlich können die Betätigungselemente durch eine Gegenkraft, beispielsweise eine Federkraft, in einer Ausgangslage gehalten werden. Diese Haltekräfte werden beim Bestromen der Spule durch das erzeugte Magnetfeld erst überwunden, bevor sich die Permanentmagnete auf Grund des Magnetfelds in Bewegung setzen. Mit der Bewegung der Betätigungselemente können Stellelemente, beispielsweise an oder in einer Brenn kraftmasch ine eines Kraftfahrzeugs, betätigt werden. Eine mechanische Rückstellung ist insbesondere vorteilhaft, wenn in ausgefahrener Stellung der Betätigungselemente ebenfalls die Permanentmagnetkräfte als Haltekräfte genutzt werden.
Eine Stellvorrichtung kann unabhängig voneinander zwei Betätigungselemente ansteuern. Die erfindungsgemäße Lösung erfordert wenige Bauteile zum Ansteuern von zwei Stößeln. Damit ergibt sich eine Einsparung an Bauraum und Gewicht, da jeweils ein Satz der Bauteile Spule, Polkern und Permanentmagnet wegfallen und ein kleines Gehäuse genutzt werden kann
Bei einem Schadensfall, beispielsweise einem Kurzschluss, ist es nicht möglich, dass beide Betätigungselemente einer Stellvorrichtung betätigt werden. Beim Stand der Technik können alle Aktuatoreinheiten im Gehäuse und damit alle Stößel gleichzeitig betätigt werden.
Die Auswahl des angesteuerten Betätigungselementes erfolgt gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in einfacher Weise dadurch, dass die Spule eine einzige Wicklung aufweist und die Permanentmagnete durch Umpolen und Bestromen der Spule jeweils ansteuerbar sind.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Auswahl dadurch, dass die Spule auf einem Spulenkörper zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Durchströmungsrichtungen aufweist, wobei eine Wicklung jeweils einem Permanentmagneten zugeordnet ist und die Permanentmagnete jeweils durch Bestromen der zugeordneten Wicklung ansteuerbar sind. Durch entsprechenden Anschluss der beiden Spulenwicklungen wird erreicht, dass die beiden Spulenwicklungen beim Bestromen unterschiedliche Durchströmungsrichtungen aufweisen. Damit werden, abhängig welche Wicklung durchströmt wird, unterschiedlich wirkende Magnetfelder aufgebaut und somit wird dieselbe Wirkung erzielt, wie beim Umpolen der Spule. Die beiden + Pole der Spulenwicklungen werden auf Dauerplus gelegt und können idealerweise an denselben Steckerpin verbunden werden. Die beiden anderen Enden der Doppelwicklung werden getrennt über jeweils einen Schalter mit der Masse verbunden. Über den jeweiligen Schalter kann nun die entsprechende Spulenwindung bestromt werden.
Weiter ergibt sich eine Erhöhung der Funktionssicherheit dadurch, dass bei einer Störung der Ansteuerung bzw. Stromführung immer nur ein Betätigungselement betätigt werden kann. Der Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ist günstig, da eine geringere Reibung im System und geringere bewegte Massen vorhanden sind, auf Grund der Tatsache, dass pro Betätigungselement nur ein Permanentmagnetsegment bewegt wird. Dadurch sind außerdem höhere Beschleunigungen und damit kürzere Schaltzeiten möglich.
Vorzugsweise sind die Betätigungselemente als Stößel ausgebildet. Denkbar sind gemäß der Erfindung aber auch andere Formen der Betätigungselemente.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen können auch die Betätigungselemente selbst magnetisiert werden oder kleine Permanentmagnete mit ungefähr dem Durchmesser der Betätigungselemente in das Betätigungselement integriert vorgesehen sein.
Vorzugsweise sind die Permanentmagnete als Ringmagnete auf einem umlaufenden Absatz der Betätigungselemente angeordnet und an diesem befestigt vorgesehen.
Zur verlustfreien Anordnung sind die Ringmagnete vorzugsweise jeweils zwischen zwei Scheibenelementen aus einem magnetisch leitenden Werkstoff auf dem Absatz angeordnet, wobei wenigstens das dem Absatz zugewandte Scheibenelement an dem Betätigungselement befestigt ist. Es ergibt es eine einfache Befestigung der Magnete auf den Betätigungselementen.
Sind die Permanentmagnete jeweils von einem magnetisch nicht leitenden Ringelement umfasst, welches an den Scheibenelementen befestigbar ist, sind die Permanentmagnete besonders stoßunempfindlich und eine Beschädigung mit den einhergehenden nachteiligen Folgen kann ausgeschlossen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Permanentmagnete in Absätze des Gehäuses eintauchbar und jeweils an einem Boden der Absätze anlegbar. Wie weiter oben schon erwähnt, kann die Magnetkraft dann auch in ausgefahrener Stellung des jeweiligen Betätigungselementes als Haltekraft genutzt werden und es ergibt sich jeweils eine bistabile Stellung.
Vorzugsweise ist der Polkern innerhalb der Spule angeordnet und erstreckt sich an seinem den Betätigungselementen zugeordneten Ende in axialer Richtung nahezu bis zu einem Ende der Spule, wobei sich das Gehäuse in axialer Richtung unmittelbar an die Spule anschließt. Dadurch kann eine besonders hohe Magnetkraft erzielt werden, da die Magnetfeldlinien annähernd senkrecht zur axialen Richtung von dem Polkern in das Gehäuse eingeleitet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine unbestromte Stellvorrichtung nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Permanentmagnete am Ende der Betätigungselemente innerhalb der Spule angeordnet sind;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine unbestromte Stellvorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Permanentmagnete am Ende der Betätigungselemente angeordnet sind und stirnseitig am Polkern außerhalb der Spule anliegen;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine unbestromte Stellvorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in Ausgangsstellung und
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Betätigungselement der Stellvorrichtung gemäß
Fig. 3.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine unbestromte Stellvorrichtung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektromagnetische Stellvorrichtung 10 umfasst eine Aktuatoreinheit 44 und eine in einer axialen Richtung L wirkende Betätigungseinheit 46. Die Aktuatoreinheit 44 weist eine zylinderförmig ausgebildete, ein Magnetfeld erzeugende Spule 12 mit einem innerhalb der Spule angeordneten Polkern 13 auf. Zwei Aktuatorelemente 14, 16 sind anschließend an eine Stirnseite 48 des Polkerns 13 in axialer Richtung L angeordnet, wobei ein Aktuatorelement 14, 16 jeweils als ein Permanentmagnet 15, 17, oder mehrere gleichgepolte Permanentmagnetelemente ausgebildet ist. Die Spule 12 treibt beide Aktuatorelemente 14, 16 an. Die Betätigungseinheit 46 ist in axialer Richtung L anschließend an die Aktuatoreinheit 44 angeordnet, wobei die Betätigungseinheit 46 zwei Betätigungselemente in Form von Stößeln 22, 24 umfasst, welche in Bohrungen 32, 34 der Betätigungseinheit 46 in der axialen Richtung L verschiebbar gelagert sind. Die Stößel 22, 24 der Betätigungseinheit 46 sind jeweils einem der Aktuatorelemente 14, 16 zugeordnet und das jeweilige der Aktuatorelemente 14, 16 betätigt den ihm zugeordneten der Stößel 22, 24 in der axialen Richtung L. Aufgrund der Ausführung der Betätigungselemente 22, 24 als Stößel kann die Betätigungseinheit 46 auch als Stößeleinheit bezeichnet werden. Die Form der Betätigungselemente ist jedoch nicht auf eine Stößelform begrenzt.
Die Aktuatoreinheit 44 und die Stößeleinheit 46 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 26 der Stellvorrichtung angeordnet, was die kompakte Bauform der Stellvorrichtung 10 begünstigt.
Die Spule 12 ist eine zylinderförmige Ringspule. Im unbestromten Zustand weist die Spule 12, deren Spulendrähte senkrecht zu der Darstellungsebene verlaufen, kein Magnetfeld auf. Wird die Spule 12 über die Anschlüsse 36, 38 bestromt, so baut sich um die Spule 12 ein Magnetfeld auf, wobei die Feldlinien wiederum senkrecht zu den Spulendrähten verlaufen und so in der Schnittebene parallel zur Darstellungsebene verlaufen. Das Magnetfeld wirkt auch am Ort der Aktuatorelemente 14, 16 und damit der Permanentmagnete 15, 17. Damit tritt eine Wechselwirkung, anziehender oder abstoßender Art, zwischen dem Magnetfeld der Spule 12 und den Magnetfeldern der Permanentmagnete 15, 17 auf, welches eine Bewegung der Aktuatorelemente 14, 16 bewirkt.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel können die Betätigungselemente 22, 24 selbst magnetisiert werden oder als kleine Permanentmagnete 15, 17 mit ungefähr dem Durchmesser der Betätigungselemente 22, 24 in das Betätigungselement 22, 24 integriert vorgesehen sein. Um den Einbauraum zu verringern, sind die Permanentmagnete 15, 17 in dieser Ausführung innerhalb der Spule 12 angeordnet. Die Permanentmagnete 15, 17, die die Aktuatorelemente 14, 16 darstellen, sind am Ende der Betätigungselemente 22, 24 angeordnet und tauchen mit den Betätigungselementen 22, 24 in einen Bereich im Inneren der Spule 12 ein. Abstände 40, 42 zwischen den Permanentmagneten 15, 17 und dem Polkern 13 kann so minimal werden, wenn die Permanentmagnete 15, 17 an der Stirnseite 48 des Polkerns 13 anliegen.
Bei Bestromung der Spule 12 wird je nach Polung der Bestromung einer der Permanentmagnete 15, 17 abgestoßen und der andere der beiden Permanentmagnete 17, 15 angezogen. Auf diese Weise werden die Betätigungselemente 22, 24 in der Betätigungseinheit 46 durch ein Rückschlusselement 70, welches als Platte oder Scheibe aus magnetischem Material ausgeführt ist, in axialer Richtung L bewegt. In Figur 1 sind die beiden Permanentmagnete 15, 17 im unbestromten Zustand der Spule 12 in einem mittleren Abstand 40, 42 zwischen Permanentmagneten 15, 17 und der Stirnseite 48 des Polkerns 13 dargestellt.
Da die Betätigungselemente 22, 24 und der jeweilige Permanentmagnet 15, 17 konzentrisch angeordnet sind, erfolgt eine Krafteinwirkung auf die Betätigungselemente 22, 24 zentrisch. Hierdurch können eine exzentrische Beaufschlagung und der damit erhöhte Verschleiß ausgeschlossen werden, ohne dass auf eine Bauraum-optimierte Stellvorrichtung und einen minimalen Achsabstand der Betätigungselemente 22 ,24 verzichtet werden muss. Auch kostenintensive Führungsmaßnahmen, um einem Kippmoment entgegnen zu können, entfallen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in Figur 2 dargestellt ist, sind die Betätigungselemente 22, 24 ebenfalls entweder über einen Bereich ihrer Länge selbst magnetisiert oder mit kleinen Permanentmagneten 15, 17 mit ungefähr dem Durchmesser der Betätigungselemente 22, 24 versehen, die am Ende der Betätigungselemente 22, 24 angeordnet sind. Dieses Beispiel stellt eine sehr kompakte und kosteneffiziente Ausführung der Betätigungselemente 22, 24, wie sie ebenfalls bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 verwendet wird, dar. In Figur 2 tauchen die Permanentmagnete 15, 17 jedoch nicht in den Innenraum der Spule 12 ein, da dieser Innenraum in diesem Fall mit dem Polkern 13 ausgefüllt ist. Der Abstand 40, 42 zwischen Permanentmagneten 15, 17 und der Stirnseite 48 des Polkerns 13 kann sich lediglich bis auf Null verringern, sodass die Permanentmagnete 15, 17 am Polkern 13 anliegen. Wird die Spule 12 bestromt, so wird je nach Polung der Bestromung einer der Permanentmagnete 15, 17 abgestoßen und der andere der beiden Permanentmagnete 17, 15 angezogen. Auf diese Weise erfahren die Betätigungselemente 22, 24 in der Betätigungseinheit 46 auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine vorteilhafte zentrische Krafteinleitung und werden in axialer Richtung L bewegt, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel auf eine weitere Führung der Betätigungselemente 22, 24 außer den Bohrungen 32, 34 der Betätigungseinheit 46 verzichtet wurde. In Figur 2 sind die beiden Permanentmagnete 15, 17 im unbestromten Zustand der Spule 12 in einem Abstand 40, 42 zwischen Permanentmagneten 15, 17 und der Stirnseite 48 des Polkerns 13 von Null dargestellt, da im unbestromten Zustand der Aktuatoreinheit 44 die Permanentmagnete 15, 17 von dem Polkern 13, der beispielsweise aus Stahl ausgeführt sein kann, angezogen werden.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Permanentmagnete 15, 17 hierbei als Ringmagnete auf einem umlaufenden Absatz 18, 20 der Betätigungselemente 22, 24 angeordnet und an diesem befestigt vorgesehen. Das Betätigungselement 22 ist in Figur 4 in vergrößerter Darstellung geschnitten gezeigt. Das Betätigungselement 24 ist baugleich vorgesehen, wobei wie beschrieben die Polung des Permanentmagneten 17 umgekehrt ist.
Es ist ersichtlich, dass der Ringmagnet 15 zwischen zwei Scheibenelementen 28, 30 aus einem magnetisch leitenden Werkstoff auf dem Absatz 18, 20 angeordnet ist. Das dem Absatz 18 zugewandte Scheibenelement ist dabei ringförmig vorgesehen und wird wie der Permanentmagnet 15 von einem mittigen Vorsprung 50 zentriert und an dem Betätigungselement 22 beispielsweise durch Laser-Schweißen oder Kleben befestigt.
Sind die Permanentmagnete 15, 17 jeweils von einem magnetisch nicht leitenden Ringelement 56, 58 umfasst, sind sie durch eine derartige Kapselung besonders stoßunempfindlich und eine Beschädigung mit den einhergehenden nachteiligen Folgen kann ausgeschlossen werden. Auch das Ringelement 56, 58 kann in einfacher und sicherer Weise jeweils mittels Laser-Schweißen oder Kleben an den Scheibenelementen 28, 30 befestigt sein.
Insgesamt ergibt sich eine einfache und sichere Befestigung der Magnete 15, 17 auf den Betätigungselementen 22, 24. Der Polkern 13 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich innerhalb der Spule 12 bzw. dessen Spulenkörper 60 angeordnet und erstreckt sich an seinem den Betätigungselementen 22, 24 zugeordneten Ende in axialer Richtung nahezu bis zu einem Ende der Spule 12. Das Gehäuse 26 schließt sich dabei in axialer Richtung unmittelbar an die Spule 12 bzw. den Spulenkörper 60 an, so dass eine besonders hohe Magnetkraft erzielt werden, da die Magnetfeldlinien annähernd senkrecht zur axialen Richtung L von dem Polkern 13 in das Gehäuse 26 eingeleitet werden.
Dabei ist die Anordnung des Polkerns 13 zum Gehäuse 26 entscheidend, da ein Luftspalt zwischen dem Polkern 13 und dem Gehäuse 26 sehr starken Einfluss auf das Kraftniveaus der Stellvorrichtung 10 hat.
Wie Figur 3 weiter zu entnehmen ist, ist das Gehäuse 26 im Bereich der Betätigungseinheit 46 einteilig ausgebildet und umfasst zusätzlich die Spule 12 an ihrer Außenseite. Der Spulenkörper 60 bildet an einem der Betätigungseinheit 46 abgewandten Ende einen Boden 72, welcher mit dem Gehäuse 26 abgedichtet verbunden ist.
Die Permanentmagnete 15, 17 sind ferner in Absätze 62, 64 des Gehäuses 26 eintauchbar und jeweils an einem Boden 66, 68 der Absätze 62, 64 anlegbar. Hierdurch kann die Magnetkraft auch in ausgefahrener Stellung des jeweiligen Betätigungselementes 22, 24 als Haltekraft genutzt werden und es ergibt sich jeweils eine bistabile Stellung.
Die Betätigungselemente 22, 24 sind drehbar in dem Gehäuse 26 angeordnet, so dass ein Verschleiß beispielsweise beim Abrollen in Eingriffsnuten minimiert werden kann. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf zwei Betätigungselemente begrenzt. So ist auch die Anordnung von mehr als zwei - beispielsweise vier oder sechs - Betätigungselementen denkbar.
Die Auswahl des angesteuerten Betätigungselementes 22, 24 erfolgt wie beschrieben in einfacher Weise dadurch, dass die Spule 12 eine einzige Wicklung aufweist und die Permanentmagnete 15, 17 durch Umpolen und Bestromen der Spule 12 jeweils entsprechend ansteuerbar sind.
Alternativ kann die Spule 12 auf dem Spulenkörper 60 auch zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Durchströmungsrichtungen aufweisen, wodurch sich das Magnetfeld jeweils in unterschiedlicher Richtung aufbaut. Dabei wird eine unterschiedliche Wirkung auf die Permanentmagneten 15, 17 ausgeübt, so dass diese jeweils durch Bestromen der zugeordneten Wicklung betätigbar sind.
Es sind weitere Varianten möglich, die durch Kombination der hier aufgeführten Merkmale entstehen können, jedoch nicht alle dargestellt sind.
Bezugszeichenliste Stellvorrichtung
Spule
Pol kern
Aktuatorelement
Permanentmagnet
Aktuatorelement
Permanentmagnet
Absatz
Absatz
Betätigungselement
Betätigungselement
Gehäuse
Scheibenelement
Scheibenelement
Bohrung Stößel
Bohrung Stößel
Anschluss Spule
Anschluss Spule
Abstand Aktuatorelement - Polkern
Abstand Aktuatorelement - Polkern
Aktuatoreinheit
Betätigungseinheit
Stirnseite Pol kern Vorsprung
Vorsprung
Ringelement
Ringelement
Spulenkörper Rückschlusselement Boden

Claims

Ansprüche
Elektromagnetische Stellvorrichtung (10) mit einer Aktuatoreinheit (44) und einer in einer axialen Richtung (L) wirkenden Betätigungseinheit (46), wobei
- die Aktuatoreinheit (44) eine ein Magnetfeld erzeugende Spule (12) mit einem innerhalb der Spule (12) angeordneten Polkern (13) aufweist,
- wenigstens zwei Permanentmagnete (15,17) anschließend an eine Stirnseite
(48) des Polkerns (13) in axialer Richtung (L) angeordnet, an diese anlegbar sowie in axialer Richtung (L) verschiebbar ausgeführt sind, wobei die Permanentmagnete (15,17) von der Spule (12) unabhängig voneinander antreibbar sind,
- die Permanentmagnete (15,17) in axialer Richtung unterschiedlich gepolt und durch Bestromen der Spule (12) jeweils ansteuerbar sind, so dass bei Bestromung der Spule (12) wenigstens einer von zwei oder mehreren Permanentmagneten (15, 17) sich in der axialen Richtung (L) entgegengesetzt zu den anderen Permanentmagneten (15, 17) bewegt,
- die Betätigungseinheit (46) in axialer Richtung (L) anschließend an die
Aktuatoreinheit (44) angeordnet ist, wobei die Betätigungseinheit (46) wenigstens zwei Betätigungselemente (22, 24) umfasst, welche in axialer Richtung (L) betätigbar sind, wobei jedes Betätigungselement (22, 24) der Betätigungseinheit (46) jeweils einem der Permanentmagnete (15,17) zugeordnet ist und von diesem in axialer Richtung (L) betätigt wird,
- die Aktuatoreinheit (44) und die Betätigungseinheit (46) in einem gemeinsamen
Gehäuse (26) der Stellvorrichtung angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselemente (22, 24) und der jeweilige Permanentmagnet (15, 17) konzentrisch angeordnet sind, so dass eine Krafteinwirkung auf die Betätigungselemente (22, 24) zentrisch erfolgt, welche drehbar im Gehäuse (26) angeordnet sind.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) eine einzige Wicklung aufweist und die Permanentmagnete (15,17) durch Umpolen und Bestromen der Spule (12) jeweils ansteuerbar sind. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) auf einem Spulenkörper (60) zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Durchströmungsrichtungen aufweist, wobei eine Wicklung jeweils einem Permanentmagneten (15, 17) zugeordnet ist und die Permanentmagnete (15,17) jeweils durch Bestromen der zugeordneten Wicklung ansteuerbar sind.
Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselemente (22, 24) magnetisiert sind.
Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (15, 17) in den Betätigungselementen (22, 24) integriert vorgesehen sind.
Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (15, 17) als Ringmagnete auf einem umlaufenden Absatz (18, 20) der Betätigungselemente (22, 24) angeordnet und an diesem befestigt vorgesehen sind.
Stellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringmagnete jeweils zwischen zwei Scheibenelementen (28, 30) aus einem magnetisch leitenden Werkstoff auf dem Absatz (18, 20) angeordnet sind, wobei wenigstens das dem Absatz (18, 20) zugewandte Scheibenelement (28) an dem Betätigungselement (22, 24) befestigt ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (15, 17) jeweils von einem magnetisch nicht leitenden Ringelement (56, 58) umfasst sind, welches an den Scheibenelementen (28, 30) befestigbar ist.
Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (15, 17) in Absätze (62, 64) des Gehäuses (26) eintauchbar und jeweils an einem Boden (66, 68) der Absätze (62, 64) anlegbar sind.
Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (13) innerhalb der Spule (12) angeordnet ist und an seinem den Betätigungselementen (22, 24) zugeordneten Ende sich in axialer Richtung nahezu bis zu einem Ende der Spule (12) erstreckt und sich das Gehäuse (26) in axialer Richtung unmittelbar an die Spule (12) anschließt.
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