WO2005066982A1 - Elektromagnetischer linearantrieb - Google Patents

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WO2005066982A1
WO2005066982A1 PCT/DE2005/000033 DE2005000033W WO2005066982A1 WO 2005066982 A1 WO2005066982 A1 WO 2005066982A1 DE 2005000033 W DE2005000033 W DE 2005000033W WO 2005066982 A1 WO2005066982 A1 WO 2005066982A1
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stator
linear drive
electromagnetic linear
air gap
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PCT/DE2005/000033
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Carsten Protze
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01F7/1615—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic linear drive with a stator and an armature which can be moved relative to the stator, an air gap being formed between the stator and the armature at least during a relative movement between a surface of the armature and a surface of the stator.
  • Such an electromagnetic linear drive is known, for example, from German published application DE 195 09 195 AI.
  • an armature is guided within a coil. When the coil is energized, the armature is moved due to the acting magnetic forces.
  • the armature has a pole plate which limits the movement of the armature.
  • An air gap is formed between the pole plate and the fixed stator. The air gap is essentially perpendicular to the direction of movement of the armature.
  • the stroke of such electromagnetic linear drives can only be increased to a limited extent. If the air gap is greatly enlarged, the magnetic flux can only be controlled to a limited extent and the magnetic circuit has a large magnetic resistance. This reduces the force acting on the armature of the electromagnetic linear drive.
  • a compromise between a large stroke and the force effect on the armature, which increases with the stroke, can be found.
  • the invention is based on the object of designing an electromagnetic linear drive of the type mentioned in such a way that a sufficient force effect on the armature can be generated even when the stroke of the armature is increased.
  • the object is achieved in an electromagnetic linear drive of the type mentioned at the outset in that the air gap is arranged at least partially at an angle to the direction of the relative movement.
  • the magnetic flux emanating from an electromagnet or permanent magnet must be conducted through the air gap.
  • a movement is generated in that the magnetic flux always propagates along the path with the least magnetic resistance. Due to the inclined position of the air gap, an increased stroke of the armature can be achieved compared to an air gap which is arranged perpendicular to the direction of movement of the armature, with the same length of the effective distance of the gap to be bridged by the magnetic flux. Only those portions of the magnetic flux that emerge or enter the armature parallel to the direction of movement and bridge the air gap contribute to the generation of a force effect.
  • the oblique arrangement of the air gap which Escape of the electromagnetic flow available surfaces of the armature or the stator enlarged.
  • the surface of the armature and the surface of the stator are aligned parallel to one another.
  • Surfaces aligned in parallel can be, for example, plane-parallel surfaces or spatially shaped surfaces.
  • Parallel aligned, spatially shaped surfaces are, for example, opposing spherical sections or opposing pyramids or cones. Such uniformly designed surfaces are easy to manufacture industrially and, in cooperation with the oblique air gap, increase the stroke of the armature.
  • the surfaces of the stator or the armature have partial surfaces whose surface normals are different from one another.
  • a particularly simple embodiment variant is, for example, to design an anchor as a cuboid and to form the surface facing the air gap at one end by means of two inclined slopes.
  • an opposite contour should be formed on the corresponding surface of the stator.
  • this shape can also be used to fix the armature in a certain position in an end position.
  • a further advantageous embodiment of the invention can provide that different partial surfaces have different slopes with respect to the direction of the relative movement of the stator and armature.
  • Different zones can be used to selectively form individual zones in which a particularly high density of the magnetic flux can be achieved.
  • two partial surfaces are formed by an armature (or stator) being provided with tapered slopes. The magnetic flux is divided as evenly as possible between the two inclined partial surfaces.
  • An advantageous further embodiment can provide that the surfaces are stepped and the steps are delimited by interpolated envelope surfaces, which are arranged obliquely to the direction of the relative movement.
  • a gradation of the surfaces is easy to produce from a manufacturing point of view.
  • Different step shapes can be provided for the steps.
  • these steps can be designed as sawtooth, tilted sawtooth, as right-angled steps or as curved steps.
  • the stepped surfaces are in turn delimited by an interpolated enveloping surface, that is to say that with a further abstraction of the stages, an enveloping surface which is oriented obliquely to the direction of the relative movement can be found.
  • the steps have first sections, on which there are a first position of stator and armature to each other, touching the surfaces of the stator and armature.
  • first sections from which surfaces of the stator and armature touch in a first position, a self-holding function of the electromagnetic linear drive can be generated.
  • permanent magnets which generate a magnetic flux are arranged on the electromagnetic linear drive. This magnetic flux can then be closed over the contacting surfaces of the stator and armature (the first sections), so that the stator and armature are held together.
  • the size of the contact surfaces of the first portions can be regulated independently of the permanent magnets caused by the holding force between the armature and stator '.
  • the steps have second sections, on which an intermediate space is formed between the surfaces of the stator and armature in the first position of the stator and armature.
  • gaps between the stator and the armature specifically creates areas in portions of the surfaces between which an air gap is formed, which have a high magnetic resistance.
  • This resistance is higher than, for example, the magnetic resistance of an iron core, which is provided for guiding and guiding a magnetic flux.
  • the gaps allow the magnetic flux to be directed into the first sections. As a result, the holding force that emanates from permanent magnets, for example, is used more effectively.
  • the gaps prevent the occurrence of wanted scattering of the magnetic flux. This is particularly necessary in order to force the magnetic flux to emerge from the surfaces as vertically as possible, since only the perpendicular portions of the magnetic flux can produce desired force effects.
  • the first sections are surfaces which are arranged essentially perpendicular to the direction of the relative movement.
  • a vertical alignment of the first sections to the direction of the relative movement of the stator and armature makes it possible to produce a compact design of the linear drive. It is thus possible to guide the field lines in the area of the air gap as parallel as possible to the direction of the relative movement and to allow them to pass through the first sections in a targeted manner.
  • Such a gradation can be designed spatially, so that, for example, shapes are designed in the manner of a step pyramid or a tapered cylinder. However, it can also be provided that the steps are arranged only along one plane.
  • the steps in turn can be delimited by interpolated envelope surfaces, which are arranged obliquely to the direction of the relative movement.
  • the enveloping surfaces can in turn be formed from a plurality of partial enveloping surfaces which are arranged at an angle to one another, so that, for example, essentially V-shaped or W-shaped stepped surfaces are produced in a sectional plane.
  • the invention is shown schematically in one drawing using an exemplary embodiment and is described in more detail below.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an electromagnetic linear drive
  • Figure 2 shows a second embodiment of an electromagnetic linear drive
  • Figure 3 shows a third embodiment of an electromagnetic linear drive.
  • FIG. 1 The basic structure of an electromagnetic linear drive is first explained with reference to FIG. 1.
  • the design variants shown in FIGS. 2 and 3 essentially correspond to the structure shown in FIG. 1. Differences can be seen in the design of the air gap.
  • FIG. 1 shows a first electromagnetic linear drive 1.
  • the first electromagnetic linear drive 1 is shown in a switch-on and a switch-off position.
  • the first electromagnetic linear drive 1 has a stator 2.
  • the stator 2 has a core 3, which consists of a ferrite material.
  • the stator 2 has an electrical winding 4.
  • An electrical current can be applied to the electrical winding 4, so that a magnetic field surrounds the electrical winding 4. This magnetic field is largely conducted within the core 3 of the stator 2.
  • the core 3 is referred to as Three-legged core, with a first leg 5a and a second leg 5b engaging around the coil outside the winding 4.
  • a third leg 5c partially penetrates into the interior of the electrical winding 4. This is not absolutely necessary for the function of the electromagnetic linear drive 1.
  • the first, second and third legs 5a, 5b, 5c are connected to one another at a first end face of the electrical winding 4.
  • a pole piece is formed on each of the first and second legs 5a, 5b.
  • Permanent magnets ⁇ a, ⁇ b are arranged on the pole pieces.
  • a recess is formed between the permanent magnets ⁇ a, 6b.
  • An anchor 7 is slidably mounted within this recess.
  • the armature 7 is displaceable along its direction of insertion.
  • the direction of insertion is shown in the figures by a dash-dotted line 8.
  • the insertion direction corresponds to the direction of the relative movement between the fixed stator 2 and the movable armature 7.
  • the third leg 5c belonging to the stator 2 has a surface.
  • the armature 7 has a surface.
  • An air gap 9 is formed between the surfaces of the armature 7 and the stator 2.
  • the air gap 9 is arranged obliquely to the direction of the relative movement between the stator 2 and the armature 7.
  • the switched-on position that is to say the surfaces of the stator 2 and armature 7, which delimit the air gap 9, touch, holding forces are generated by the permanent magnets ⁇ a, ⁇ b.
  • the magnetic flux emanating from the permanent magnets ⁇ a, 6b passes through the electrical winding 4 and forms self-contained field lines over the first leg 5a and the third leg 5c or over the second leg 5b and the third leg 5c.
  • the armature 7 When trying to move armature 7 out of the on position (the first position of stator 2 and armature 7 to each other), the armature 7 is drawn back into the electrical winding 4 due to the magnetic flux emanating from the permanent magnets ⁇ a, 6b. In order to push the armature 7 out of the first position, the electrical winding 4 must be energized. The first step is to build up a magnetic field in order to overcome the magnetic field generated by the permanent magnets. With an increased current supply to the electrical winding 4, the magnetic field emanating from the permanent magnets 6a, 6b is neutralized and finally the armature 7 is pressed out of the first position. An air gap 9 is formed between the surfaces of the stator 2 and the armature 7.
  • an enlarged stroke can be generated while maintaining the force effect. At the same time they become the entry and exit for the magnetic Field lines available surfaces of the stator 2 and the armature 7 enlarged by the inclination of the air gap 9.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the air gap in a second electromagnetic linear drive 1 a.
  • the basic structure and the mode of operation of the first electromagnetic linear drive 1 and the second electromagnetic linear drive 1 a are the same. Only the air gap 9a is designed in a modified form. Modules with the same effect are therefore designated with the same reference symbols. Switching the second electromagnetic linear drive 1 a on and off corresponds to the above description. Therefore, only the structure of the air gap 9a of the second electromagnetic linear drive la is discussed below.
  • the air gap 9a of the second electromagnetic linear drive la has a first partial surface 10 and a second partial surface 11.
  • the partial surfaces 10, 11 are arranged at an acute angle to one another and are arranged on the armature 7.
  • Counter surfaces 10a, 11b corresponding to the partial surfaces 10, 11 are arranged on the stator 2.
  • the surface normals of both the partial surfaces 10, 11 and the counter surfaces 10a, 11b are each different from one another. Only the mutually assigned surface normals of the partial surface 10 and the associated counter Surface 10a and the partial surface 11 and the associated counter surface 11b are the same. This means that the subareas assigned to one another are aligned parallel to one another. Even with such a configuration of the air gap 9a, an increase in the stroke B compared to the magnetically effective distance A is achieved.
  • the acute-angled alignment of the partial surfaces relative to one another causes the armature 7 to be centered relative to the stator 2 when a first position of the stator 2 and armature 7 is in relation to one another.
  • FIG. 1c Another embodiment of a third electromagnetic linear drive 1c is shown in FIG.
  • the air gap 9c is formed by stepped surfaces.
  • the steps have first sections 12, which are arranged substantially perpendicular to the direction of movement of the relative movement of stator 2 and armature 7.
  • the first sections 12 are connected to one another via second sections 13.
  • the switch-on position the first sections 12 touch.
  • an intermediate space 14 is formed between second sections 13 of the steps.
  • the spaces 14 are filled with air, for example.
  • the spaces 14 represent a section with an increased magnetic resistance.
  • the magnetic fluxes emanating from the permanent magnets ⁇ a, ⁇ b are conducted through the contacting surface in the first sections 12. Since the first sections 12 lie perpendicular to the direction of the relative movement between armature 7 and stator 2, the magnetic flux can pass through the first sections 12 almost vertically and free of unnecessary deflections. Since only those for the generation of forces Components of the magnetic flux acting perpendicular to the exit surface of the magnetic flux are effective, an almost maximum force effect can be generated between the stator 2 and the armature 7.
  • the magnetic flux emanating from the electrical winding 4 when energized is aligned parallel / antiparallel to the fluxes shown in the figures.

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Abstract

Ein elektromagnetischer Linearantrieb weist einen Stator (2) und einen Anker (7) auf. Zwischen dem Stator (2) und dem Anker (7) ist eine Relativbewegung erzeugbar. Zumindest während einer Relativbewegung ist zwischen einer Oberfläche des Ankers (7) und des Stators (2) ein Luftspalt (9,9a,9b) ausgebildet. Der Luftspalt (9, 9a,9b) ist schräg zur Richtung der Relativbewegung angeordnet.

Description

Beschreibung
Elektromagnetischer Linearantrieb
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Linearantrieb mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator bewegbaren Anker, wobei zwischen dem Stator und dem Anker zumindest während einer Relativbewegung zwischen einer Oberfläche des Ankers und einer Oberfläche des Stators ein Luftspalt ausgebildet ist.
Ein derartiger elektromagnetischer Linearantrieb ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 09 195 AI bekannt. Bei dem bekannten elektromagnetischen Linearantrieb ist ein Anker innerhalb einer Spule geführt. Bei einer Bestromung der Spule wird der Anker aufgrund der wirkenden Magnetkräfte bewegt. Der Anker weist eine Polplatte auf, welche die Bewegung des Ankers begrenzt. Zwischen der Polplatte und dem feststehenden Stator ist ein Luftspalt gebildet. Der Luftspalt liegt im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers.
Der Hub derartiger elektromagnetischer Linearantriebe ist nur in begrenztem Maße vergrößerbar. Bei einer starken Vergrößerung des Luftspaltes ist eine Lenkung des magnetischen Flusses nur noch in einem eingeschränkten Umfange möglich und der magnetische Kreis weist einen großen magnetischen Widerstand auf. Dadurch vermindert sich die Kraftwirkung auf den Anker des elektromagnetischen Linearantriebes. Bei einer konstruktiven Ausgestaltung eines elektromagnetischen Linearantriebes der bekannten Art ist daher ein Kompromiss zwischen einem großen Hub und der mit zunehmenden Hub annehmenden Kraftwirkung auf den Anker zu finden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Linearantrieb der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auch bei einer Vergrößerung des Hubes des Ankers eine ausreichende Kraftwirkung auf den Anker erzeugbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem elektromagnetischen Linearantrieb der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Luftspalt zumindest teilweise schräg zur Richtung der Relativbewegung angeordnet ist.
Um zwischen dem Anker und dem Stator eine Kraftwirkung zu erzeugen, ist der von einem Elektromagneten oder Permanentmagneten ausgehende magnetische Fluss durch den Luftspalt hindurch zu leiten. Bei einem Reluktanzantrieb wird eine Bewegung dadurch erzeugt, dass sich der magnetische Fluss stets längs des Weges mit dem geringsten magnetischen Widerstand ausbreitet. Durch die Schrägstellung des Luftspaltes kann verglichen mit einem Luftspalt, welcher senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers angeordnet ist, bei einer gleichen Länge des durch den magnetischen Fluss zu überbrückenden wirksamen Abstandes des Spaltes ein vergrößerter Hub des Ankers realisiert werden. Zur Erzeugung einer Kraftwirkung tragen nur diejenigen Anteile des magnetischen Flusses bei, die parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers aus diesem aus- bzw. eintreten und den Luftspalt überbrücken. Zusätzlich werden durch die schräge Anordnung des Luftspaltes, die zum Einbzw. Austreten des elektromagnetischen Flusses zur Verfügung stehenden Oberflächen des Ankers bzw. des Stators vergrößert. Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die 0- berfläche des Ankers und die Oberfläche des Stators zueinander parallel ausgerichtet sind. Parallel ausgerichtete Oberflächen können beispielsweise planparallele Oberflächen oder auch räumlich ausgeformte 0- berflachen sein. Parallel ausgerichtete, räumlich ausgeformte Oberflächen sind beispielsweise gegengleiche Kugelabschnitte oder gegengleiche Pyramiden bzw. Konusse. Solche gleichmäßig gestalteten Oberflächen sind industriell leicht zu fertigen und bewirken im Zusammenwirken mit dem schrägen Luftspalt eine Vergrößerung des Hubes des Ankers.
Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die 0- berflächen des Stators beziehungsweise des Ankers Teilflächen aufweisen, deren Flächennormalen verschieden voneinander sind.
Derartige Teilflächen ermöglichen es, die zum Ein- bzw. Austreten des magnetischen Flusses bereitstehende Oberfläche des Stators bzw. des Ankers zu vergrößern, ohne selbst das Bauvolumen zu erhöhen. Eine besonders einfache Ausgestaltungsvariante ist es beispielsweise, einen Anker als Quader auszugestalten und an einem Ende die dem Luftspalt zugesandte Oberfläche durch zwei aufeinander zulaufende Schrägen zu bilden. Um die Wirksamkeit der so gebildeten Teilflächen zu erhöhen, sollte an der entsprechende Oberfläche des Stators eine gegengleiche Kontur angeformt sein. Neben der Vergrößerung der Oberflächen für die Führung des magnetischen Flusses kann diese Ausformung auch dazu genutzt werden, den Anker in einer Endlage in einer bestimmten Position zu fixieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass verschiedene Teilflächen unterschiedliche Steilheiten bezüglich der Richtung der Relativbewegung von Stator und Anker aufweisen. Durch eine Aufteilung der Oberflächen des Stators bzw. des Ankers in mehrere Teilflächen, die wiederum unterschiedliche Steilheiten aufweisen, ist es möglich, den magnetischen Fluss innerhalb des Stators und des Ankers, insbesondere an den 0- berflächen, an welchen der magnetische Fluss aus dem Stator bzw. dem Anker aus- bzw. eintritt, und durch den Luftspalt geführt ist, besser zu lenken. Durch verschiedene Steilheiten können gezielt einzelne Zonen ausgebildet werden, in denen eine besonders hohe Dichte des magnetischen Flusses erzielbar ist. In einem einfachen Falle kann es so vorgesehen sein, dass zwei Teilflächen gebildet sind, indem ein Anker (oder Stator) mit spitz zulaufenden Schrägen versehen ist. Der magnetische Fluss wird auf die beiden schrägen Teilflächen möglichst gleichmäßig aufgeteilt.
Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Oberflächen gestuft sind und die Stufen von interpolierten Hüllflächen begrenzt sind, welche schräg zur Richtung der Relativbewegung angeordnet sind.
Eine Stufung der Oberflächen ist fertigungstechnisch leicht zu erzeugen. Für die Stufen können dabei verschiedene Stufenformen vorgesehen sein. So können diese Stufen beispielsweise als Sägezahn, verkippter Sägezahn, als rechtwinklige Abstufungen oder auch als bogenförmige Stufen ausgebildet sein. Die gestuften Oberflächen sind wiederum von einer interpolierten Hüllfläche begrenzt, das heißt, bei einer weiteren Abstraktion der Stufen lässt sich wiederum eine schräg zur Richtung der Relativbewegung ausgerichtete Hüllfläche finden.
Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Stufen erste Abschnitte aufweisen, an welchen sich in einer ersten Lage von Stator und Anker zueinander, die Oberflächen von Stator und Anker berühren.
Durch die Ausgestaltung erster Abschnitte, aus welchen sich Oberflächen von Stator und Anker in einer ersten Lage berühren, kann eine Selbsthaltefunktion des elektromagnetischen Linearantriebes erzeugt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass an dem elektromagnetischen Linearantrieb Permanentmagnete angeordnet sind, welche einen magnetischen Fluss erzeugen. Dieser magnetische Fluss kann dann über die sich berührenden Oberflächen von Stator und Anker (die ersten Abschnitte) geschlossen werden, so dass Stator und Anker aneinander gehalten sind. Durch eine Variation der Größe der Berührungsflächen der ersten Abschnitte kann unabhängig von der durch die Dauermagnete bewirkten Haltekraft zwischen Anker und Stator' reguliert werden.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Stufen zweite Abschnitte aufweisen, an welchen sich in der ersten Lage von Stator und Anker zueinander zwischen den Oberflächen von Stator und Anker ein Zwischenraum ausbildet.
Durch die Ausbildung von Zwischenräumen zwischen dem Stator und dem Anker werden gezielt in Abschnitten der Oberflächen, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist, Bereiche geschaffen, die einen hohen magnetischen Widerstand aufweisen. Dieser Widerstand ist höher als beispielsweise der magnetische Widerstand eines Eisenkerns, der zur Lenkung und Führung eines magnetischen Flusses vorgesehen ist. Die Zwischenräume gestatten es, den magnetischen Fluss gezielt in die ersten Abschnitte zu lenken. Dadurch wird die Haltekraft, die beispielsweise von Permanentmagneten ausgeht, effektiver genutzt. Die Zwischenräume verhindern ein Auftreten von uner- wünschten Streuungen des magnetischen Flusses. Dies ist insbesondere notwendig, um ein möglichst senkrechtes Austreten des Magnetflusses aus den Oberflächen zu erzwingen, da lediglich die senkrechten Anteile des magnetischen Flusses erwünschte Kraftwirkungen erzeugen können.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die ersten Abschnitte Flächen sind, welche im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Relativbewegung angeordnet sind.
Eine senkrechte Ausrichtung der ersten Abschnitte zur Richtung der Relativbewegung von Stator und Anker gestattet es, eine kompakte Bauform des Linearantriebes zu erzeugen. Somit ist es möglich, die Feldlinien im Bereich des Luftspaltes möglichst parallel zur Richtung der Relativbewegung zu führen und diese gezielt durch die ersten Abschnitte hindurchtreten zu lassen. Dies ergibt insbesondere dann Vorteile, wenn die ersten Abschnitte stufenartig zueinander angeordnet sind und die ersten Abschnitte über zweite Abschnitte der Stufen verbunden sind, die wiederum Flächen ausbilden, in denen der Richtungsvektor der Relativbewegung liegt. Eine derartige Stufung kann dabei räumlich ausgestaltet sein, so dass beispielsweise Formen nach Art einer Stufenpyramide oder eines sich stufig verjüngenden Zylinders ausgeführt sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Stufen lediglich längs einer Ebene angeordnet sind. Die Stufen wiederum können dabei von interpolierten Hüllflächen begrenzt sein, die schräg zur Richtung der Relativbewegung angeordnet sind. Die Hüllflächen können dabei wiederum aus mehreren Teilhüllflächen gebildet sein, die zueinander schräg stehend angeordnet sind, so dass in einer Schnittebene beispielsweise im Wesentlichen v-förmig oder w-förmig gestufte Oberflächen entstehen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung schematisch gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigt die
Figur 1 eine erste Ausgestaltungsvariante eines elektromagnetischen Linearantriebs, die
Figur 2 eine zweite Ausgestaltungsvariante eines elektromagnetischen Linearantriebs und die
Figur 3 eine dritte Ausgestaltungsvariante eines elektromagnetischen Linearantriebs.
Anhand der Figur 1 wird zunächst der prinzipielle Aufbau eines elektromagnetischen Linearantriebs erläutert. Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausgestaltungsvarianten entsprechen im Wesentlichen dem in der Figur 1 dargestellten Aufbau. Unterschiede sind jeweils in der Ausgestaltung des Luftspaltes zu erkennen.
Die Figur 1 zeigt einen ersten elektromagnetischen Linearantrieb 1. Der erste elektromagnetische Linearantrieb 1 ist jeweils in einer Einschalt- und in einer Ausschaltstellung dargestellt. Der erste elektromagnetische Linearantrieb 1 weist einen Stator 2 auf. Der Stator 2 weist einen Kern 3 auf, welcher aus einem Ferritmaterial besteht. Weiterhin weist der Stator 2 eine elektrische Wicklung 4 auf. Die elektrische Wicklung 4 ist mit einem elektrischen Strom beaufschlagbar, so dass ein Magnetfeld die elektrische Wicklung 4 umgibt. Dieses Magnetfeld wird zu großen Teilen innerhalb des Kernes 3 des Stators 2 geleitet. Der Kern 3 ist als so genannter Dreischenkelkern ausgeführt, wobei ein erster Schenkel 5a und ein zweiter Schenkel 5b die Spule außerhalb der Wicklung 4 umgreift. Ein dritter Schenkel 5c dringt teilweise in das Innere der elektrischen Wicklung 4 ein. Dies ist für die Funktion des elektromagnetischen Linearantriebes 1 nicht zwingend notwendig. An einem ersten stirnseitigen Ende der elektrischen Wicklung 4 sind der erste, der zweite und der dritte Schenkel 5a, 5b, 5c miteinander verbunden. An dem zweiten stirnseitigen Ende der elektrischen Wicklung 4 ist an dem ersten und dem zweiten Schenkel 5a, 5b jeweils ein Polschuh ausgebildet. An den Polschuhen sind Dauermagnete βa, βb angeordnet. Zwischen den Dauermagneten βa, 6b ist eine Ausnehmung gebildet. Innerhalb dieser Ausnehmung ist ein Anker 7 verschiebbar gelagert. Der Anker 7 ist längs seiner Einschubrichtung verschiebbar. Die Einschubrichtung ist in den Figuren durch eine strichpunktierte Linie 8 gezeigt. Die Einschubrichtung entspricht der Richtung der Relativbewegung zwischen dem feststehenden Stator 2 und dem bewegbaren Anker 7. Der zum Stator 2 gehörige dritte Schenkel 5c weist eine Oberfläche auf. Weiterhin weist der Anker 7 eine Oberfläche auf. Zwischen den Oberflächen des Ankers 7 und des Stators 2 ist ein Luftspalt 9 ausgebildet. Der Luftspalt 9 ist schräg zur Richtung der Relativbewegung zwischen dem Stator 2 und dem Anker 7 angeordnet. In der Einschaltstellung, das heißt, die Oberflächen von Stator 2 und Anker 7, welche den Luftspalt 9 begrenzen, berühren sich, werden durch die Dauermagnete βa,βb Haltekräfte erzeugt. Der von den Dauermagneten βa,6b ausgehende magnetische Fluss durchsetzt die elektrische Wicklung 4 und bildet jeweils über dem ersten Schenkel 5a und dem dritten Schenkel 5c bzw. über dem zweiten Schenkel 5b und dem dritten Schenkel 5c in sich geschlossene Feldlinien aus. Bei einem Versuch des Herausbewegens des Ankers 7 aus der Einschaltposition (der ersten Lage von Stator 2 und Anker 7 zueinander) wird der Anker 7 aufgrund des von den Dauermagneten βa, 6b ausgehenden magnetischen Flusses wieder in die e- lektrische Wicklung 4 hineingezogen. Um den Anker 7 aus der ersten Lage herauszudrücken, ist die elektrische Wicklung 4 zu bestromen. Zunächst ist dazu der Aufbau eines Magnetfeldes um das von den Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld zu überwinden. Mit einer erhöhten Bestromung der elektrischen Wicklung 4 wird das von den Permanentmagneten 6a,6b ausgehende magnetische Feld neutralisiert und schließlich wird der Anker 7 aus der ersten Lage herausgedrückt. Zwischen den Oberflächen des Stators 2 und des Ankers 7 bildet sich ein Luftspalt 9 aus. In einer zweiten Lage berühren sich den Luftspalt 9 begrenzenden Oberflächen von Stator 2 und Anker 7 nicht. In der Figur 1 ist symbolisch der Verlauf der von den Dauermagneten βa, βb ausgehenden magnetischen Flusses dargestellt. Die für eine Bewegung wirksamen Feldlinien treten senkrecht aus der Oberfläche des Stators 2 und des Ankers 7 aus. Das heißt, im Bereich des Luftspaltes 9 verlaufen die Feldlinien schräg zur Bewegungsrichtung des Ankers 7. Durch die Schrägstellung des Luftspaltes 9 ist der für die magnetischen Feldlinien wirksame Abstand A der Oberflächen des Ankers 7 bzw. des Stators 2 kleiner als der durch den Anker 7 bewirkte Hub B. Zur Erzeugung einer Kraftwirkung auf den Anker 7 ist der Abstand A zu berücksichtigen. Mit einer beliebigen Vergrößerung des Abstandes A nimmt auch die Kraftwirkung auf den Anker 7 ab. Durch eine Schrägstellung des Luftspaltes 9 wird der Hub B gegenüber dem wirksamen Abstand A vergrößert.
Verglichen mit einem senkrecht zur Bewegungsrichtung eines Ankers angeordneten Luftspalt, bei dem der magnetisch wirksame Abstand A gleich dem Hub B ist, kann unter Beibehaltung der Kraftwirkung ein vergrößerter Hub erzeugt werden. Gleichzeitig werden die zum Ein- bzw. Austritt für die magnetischen Feldlinien zur Verfügung stehenden Oberflächen des Stators 2 bzw. des Ankers 7 durch die Schrägstellung des Luftspaltes 9 vergrößert .
Um ein Einschalten, das heißt, ein Bewegen des Ankers 7 in das Innere der elektrischen Wicklung 4 zu erzeugen, ist die elektrische Wicklung 4 entsprechend zu bestromen. Diese Bewegung wird bei einer entsprechenden Polung der Dauermagnete 6a, βb durch die von den Dauermagneten 6a,βb ausgehenden magnetischen Kräfte unterstützt.
Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Luftspaltes bei einem zweiten elektromagnetischen Linearantrieb la. Die prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise des ersten elektromagnetischen Linearantriebes 1 und des zweiten elektromagnetischen Linearantriebes la sind gleich. Lediglich der Luftspaltes 9a ist in einer abgewandelten Form ausgebildet. Wirkungsgleiche Baugruppen werden daher mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Ein- bzw. Ausschalten des zweiten elektromagnetischen Linearantriebs la entspricht der vorstehenden Beschreibung. Daher wird im Folgenden lediglich auf den Aufbau des Luftspaltes 9a des zweiten elektromagnetischen Linearantriebs la eingegangen.
Der Luftspalt 9a des zweiten elektromagnetischen Linearantriebes la weist eine erste Teilfläche 10 und eine zweite Teilfläche 11 auf. Die Teilflächen 10, 11 sind spitzwinklig zueinander angeordnet und sind am Anker 7 angeordnet. An dem Stator 2 sind den Teilflächen 10, 11 entsprechende Gegenflächen 10a, 11b angeordnet. Die Flächennormalen sowohl der Teilflächen 10, 11 sowie der Gegenflächen 10a, 11b sind jeweils verschieden voneinander. Lediglich die einander zugeordneten Flächennormalen der Teilfläche 10 und der zugeordneten Gegen- fläche 10a sowie der Teilfläche 11 sowie der zugeordneten Gegenfläche 11b sind gleich. Das heißt, die einander zugeordneten Teilflächen sind parallel zueinander ausgerichtet. Auch bei einer derartigen Ausgestaltung des Luftspaltes 9a wird eine Vergrößerung des Hubes B gegenüber den magnetisch wirksamen Abstand A erzielt. Die spitzwinklige Ausrichtung der Teilflächen zueinander bewirkt eine Zentrierung des Ankers 7 gegenüber dem Stator 2 bei der Einnahme einer ersten Lage von Stator 2 und Anker 7 zueinander.
Eine weitere Ausgestaltung eines dritten elektromagnetischen Linearantriebes lc ist in der Figur 3 dargestellt. Bei dem dritten elektromagnetischen Linearantrieb lc ist der Luftspalt 9c durch gestufte Oberflächen gebildet. Die Stufen weisen erste Abschnitte 12 auf, welche im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Relativbewegung von Stator 2 und Anker 7 angeordnet sind. Die ersten Abschnitte 12 sind über zweite Abschnitte 13 miteinander verbunden. In einer ersten Lage von Stator 2 und Anker 7 zueinander (der Einschaltposition) berühren sich die ersten Abschnitte 12. In der ersten Lage von Stator 2 und Anker 7 zueinander ist zwischen zweiten Abschnitten 13 der Stufen ein Zwischenraum 14 gebildet. Die Zwischenräume 14 sind beispielsweise mit Luft gefüllt. Die Zwischenräume 14 stellen einen Abschnitt mit einem erhöhten magnetischen Widerstand dar. Dadurch werden die von den Dauermagneten βa,βb (und auch die von einer bestromten elektrischen Wicklung 4) ausgehenden magnetischen Flüsse durch die sich berührende Oberfläche in den ersten Abschnitten 12 hindurchgeleitet. Da die ersten Abschnitte 12 senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zwischen Anker 7 und Stator 2 liegen, kann der magnetische Fluss nahezu senkrecht und frei von unnötigen Umlenkungen durch die ersten Abschnitte 12 hindurchtreten. Da für die Erzeugung von Kräften jeweils nur die senkrecht zur Austrittfläche des magnetischen Flusses wirkende Komponenten des magnetischen Flusses wirksam sind, kann so eine nahezu maximale Kraftwirkung zwischen dem Stator 2 und dem Anker 7 erzeugt werden. Der von der elektrischen Wicklung 4 bei einer Bestromung ausgehende magnetische Fluss ist parallel/antiparallel zu dem in den Figuren dargestellten Flüssen ausgerichtet.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromagnetischer Linearantrieb (1) mit einem Stator (2) und einem relativ zu dem Stator (2) bewegbaren Anker (7), wobei zwischen dem Stator (2) und dem Anker (7) zumindest während einer Relativbewegung zwischen einer Oberfläche des Ankers (7) und einer Oberfläche des Stators (2) ein Luftspalt (9, 9a, 9b) ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Luftspalt (9, 9a, 9b) zumindest teilweise schräg zur Richtung der Relativbewegung angeordnet ist.
2. Elektromagnetischer Linearantrieb (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Oberfläche des Ankers (7) und die Oberfläche des Stators (2) zueinander parallel ausgerichtet sind.
3. Elektromagnetischer Linearantrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Oberflächen des Stators (2) beziehungsweise des Ankers (7) Teilflächen (10, 11) aufweisen, deren Flächennormalen verschieden voneinander sind.
4. Elektromagnetischer Linearantrieb (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass verschiedene Teilflächen (10, 11) unterschiedliche Steilheiten bezüglich der Richtung der Relativbewegung von Stator (2) und Anker (7) aufweisen.
5. Elektromagnetischer Linearantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Oberflächen gestuft sind und die Stufen von interpolierten Hüllflächen begrenzt sind, welche schräg zur Richtung der Relativbewegung angeordnet sind.
6. Elektromagnetischer Linearantrieb (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Stufen erste Abschnitte (12) aufweisen, an welchen sich in einer ersten Lage von Stator (2) und Anker (7) zueinander, die Oberflächen von Stator (2) und Anker (7) berühren.
7. Elektromagnetischer Linearantrieb (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Stufen zweite Abschnitte (13) aufweisen, an welchen sich in der ersten Lage von Stator (2) und Anker (7) zueinander zwischen den Oberflächen von Stator (2) und Anker (7) ein Zwischenraum (14) ausbildet.
8. Elektromagnetischer Linearantrieb (1) nach Anspruch β oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die ersten Abschnitte (12) Flächen sind, welche im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Relativbewegung angeordnet sind.
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