WO2008055863A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer definierten kraft - Google Patents

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WO2008055863A1
WO2008055863A1 PCT/EP2007/061864 EP2007061864W WO2008055863A1 WO 2008055863 A1 WO2008055863 A1 WO 2008055863A1 EP 2007061864 W EP2007061864 W EP 2007061864W WO 2008055863 A1 WO2008055863 A1 WO 2008055863A1
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WO
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permanent magnet
displacement
sections
force
stroke
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Application number
PCT/EP2007/061864
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Burger
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F6/00—Magnetic springs; Fluid magnetic springs, i.e. magnetic spring combined with a fluid
    • F16F6/005—Magnetic springs; Fluid magnetic springs, i.e. magnetic spring combined with a fluid using permanent magnets only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type

Definitions

  • the invention relates to a device for generating a defined force
  • springs have the disadvantage that only a progressive force characteristic can be represented with them, that is to say that the force they generate changes in proportion to the spring travel.
  • Pneumatic cylinders have constant force characteristics, but require an external power supply, such as a compressor.
  • springs and pneumatic cylinders are not maintenance-free, but are subject to wear due to aging and friction. In the case of pneumatic cylinders, the problem of hysteresis in the force characteristic also occurs due to the friction.
  • the device for generating a defined force comprises a permanent magnet and a feedback device, which is configured in such a way or interacts with the permanent magnet in such a way that forms magnetic inference.
  • the permanent magnet is mounted displaceably in a displacement direction relative to the return device by a limited stroke distance and magnetized transversely to the direction of displacement.
  • the remindInstituteinrich- direction has in the direction of displacement at least two sections with different magnetic resistance and is designed such that the permanent magnet during displacement over at least a portion of the stroke length at least two of the portions of the return device overlap.
  • the permanent magnet Due to the overlap of the permanent magnet with the sections acts on the permanent magnet, a defined force, which is directed parallel to the direction of displacement and urges him in a preferred position along the stroke.
  • the permanent magnet is namely always striving to occupy a preferred position along the stroke relative to the return element, in which the magnetic resistance is minimal or the magnetic flux is maximum. If the permanent magnet is forcibly moved away from this position, it moves automatically in the free state back into this preferred position.
  • a defined force which urges him to the preferred position.
  • This force can be transmitted to a body coupled to the device according to the invention.
  • the force generation is contactless, wear-free, long-term stable and hysteresis-free.
  • the Kraftwegline along the stroke length can be set very variable depending on the design of the return device. An auxiliary energy, such as is necessary for pneumatic cylinders, is not required.
  • the different magnetic resistance of the sections is realized by using materials with different magnetic resistance.
  • one of the sections may be stainless steel and the other section may be iron. sen.
  • stainless steels have a significantly greater magnetic resistance or a lower magnetic flux than iron, so that the permanent magnet would always move in the free state in the direction of the section of iron.
  • the different magnetic resistance of the sections is realized in that the sections of the permanent magnet are spaced at different distances.
  • the air gaps between the permanent magnet and the sections of the return device are of different widths, so that alone result in the different magnetic resistances.
  • the sections may be made of the same or different materials.
  • the sections may be designed such that when moving over the stroke either a constant force or a force variable over the stroke distance acts on the permanent magnet, which is directed parallel to the displacement direction.
  • the permanent magnet are cuboid and the feedback device is formed as a hollow cuboid, which peripherally surrounds the permanent magnet.
  • the permanent magnet can be moved within the return device, in the direction of displacement, but is rotatably disposed within the return device.
  • the permanent magnet is cylindrical, and the return device has the shape of a hollow cylinder, which radially encloses the permanent magnet.
  • the permanent magnet can be moved within the return device simultaneously in the direction of displacement and rotated about its longitudinal axis. This is advantageous if the coupled to the device body is not only linearly displaceable but also rotatably mounted.
  • Figures IA and IB are schematic cross-sectional views of a first embodiment of the device
  • Figures 2A and 2B are schematic cross-sectional views of a second embodiment of the device
  • Figs. 3A and 3B are cross-sectional views taken along section line X-X in Fig. 1A;
  • Figures 4 to 6 are schematic representations of further embodiments of the device and the associated force characteristics.
  • FIGS. 1A and 1B show a cross section of a first exemplary embodiment of a device 1 for generating a defined force.
  • the device 1 comprises a housing 2 designed as an elongated hollow body, and a permanent magnet 3 arranged in the housing 2.
  • the permanent magnet 3 is displaceably mounted in a direction of displacement (arrow A) relative to the housing 2 by a stroke distance ⁇ Z.
  • the permanent magnet 3 is magnetized transversely to the displacement direction, ie it has at least one north pole (marked with N) and a south pole (marked with S), which are oriented transversely to the direction of displacement.
  • the housing 2 has two end elements 4, which terminate the housing 2 at both ends and the stroke distance .DELTA.Z be limits.
  • the terminating elements 4 have two openings 5, which are penetrated by guide rods 6 fastened to the permanent magnet 3. As a result, the permanent magnet 3 is guided during displacement. A body 7, to which the movement of the permanent magnet 3 is to be transmitted, can be fastened to a guide rod 6.
  • the housing 2 has a return device 8 which extends in the direction of displacement and surrounds the permanent magnet 3 in the direction of displacement, and which cooperates with the permanent magnet 3 and is arranged such that a magnetic inference forms between the north pole and the south pole.
  • the return device 8 has in the direction of displacement two sections 9 with different magnetic resistance.
  • the different magnetic resistance is realized here by the fact that the sections 9 have different materials.
  • one section 9 is made of stainless steel and the other section 9 made of iron, which has a lower magnetic resistance than stainless steel.
  • the permanent magnet 3 and the return device 8 are dimensioned such that the permanent magnet 3 during displacement over the entire stroke length .DELTA.Z simultaneously at least partially overlaps both sections 9 of the return device 8.
  • the portion 9 having the higher magnetic resistance is provided in the left part of the device 1. Furthermore, the stroke distance .DELTA.Z is limited by the termination elements 4 on both sides such that the permanent magnet 3 at the right and left stop of the stroke distance .DELTA.Z each at least partially overlaps both sections 9. Due to the different magnetic resistances of the sections 9 acts on the permanent magnet 3 over the entire stroke ⁇ Z a defined force F, which is directed parallel to the direction of displacement and the permanent magnet 3 in the direction of the portion with the lower magnetic resistance or with the higher magnetic flux urges. In the exemplary embodiment of FIGS. 1A and 1B, this is the right-hand section 9.
  • the permanent magnet 3 is forcibly forced into the section 9 with the greater magnetic resistance (left-hand section 9 of the return device 8 in the exemplary embodiment), as shown in FIG , it moves in the free state due to the acting force F automatically back towards the right portion 9 with lower magnetic resistance, as shown in Fig. IA.
  • FIGS. 2A and 2B show a second embodiment of the device 1 as a cross-sectional view.
  • This embodiment corresponds in principle to the construction of the first exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1A and 1B.
  • the different magnetic resistance in the two sections 9 of the return device 8 in the second exemplary embodiment is realized in that the distances D 1 and D 2 between the permanent magnet 3 and the two sections are different in size perpendicular to the displacement direction.
  • the air gap Dl between the permanent magnet 3 and the right section 9 of the return device 8 is significantly smaller than the air gap D2 between the permanent magnet 3 and the left section 9 of the return device 8.
  • the magnetic resistance in the right section 9 is less than in This also acts in this embodiment on the permanent magnet 3, a defined force F, which urges him in the free state in the direction of the right portion 9.
  • the return device 8 and the permanent magnet 3 are dimensioned such that the permanent magnet 3 overlaps both sections 9 when the terminating elements 4 are reached. This overlap ensures that the defined force F acts on the permanent magnet 3 over the entire stroke length .DELTA.Z. If the permanent magnet 3 were completely immersed in a section 9 without overlapping the other section 9, would be the force acting on him F in the direction of displacement equal to zero.
  • FIGS. 3A and 3B show two exemplary embodiments for cross-sectional views along the section line X-X in FIG. 1A.
  • the return device 8 can be designed as a hollow body with a rectangular or square cross-section, the permanent magnet 3 being designed as an elongated cuboid.
  • the return device 8 peripherally surrounds the permanent magnet 3.
  • This embodiment of the device only allows a linear displacement of the permanent magnet 3 over the stroke distance .DELTA.Z, whereas a rotation of the permanent magnet 3 within the return device 8 is not possible.
  • the return device 8 is U-shaped and surrounds the cuboid permanent magnet 3 only partially. This embodiment is characterized by a high energy density and an inexpensive production.
  • the permanent magnet 3 in the embodiment shown in Figure 3B in which the return device 8 and the housing 2 are designed as a hollow cylinder and the permanent magnet 3 as an elongated solid cylinder, both a linear displacement along the direction of displacement and a rotation within the Execute the return device 8.
  • the body 7 coupled to the device 1 should perform both a linear displacement and a rotation.
  • Hubumble ⁇ Z can be realized.
  • FIGS. 4 to 6 respectively associated force characteristics shown schematically. It should be noted that in the diagrams a positive force F means a direction of force from left to right and a negative force F means a direction of force from right to left.
  • the return device 8 comprises two sections 9.
  • the right and left sections 9 of the return device 8 are made of the same material. However, the distance between the left portion 9 and the permanent magnet 3 is greater than the distance between the right portion 9 and the permanent magnet 3. The two portions 9 are therefore separated by a step. Within the sections 9, however, the distance to the permanent magnet 3 is constant. The permanent magnet 3 and the sections 9 are formed so that the
  • Permanent magnet 3 overlaps both sections 9 only over part of the stroke distance .DELTA.Z.
  • a constant force F which urges the permanent magnet 3 in the direction of the right section 9, acts on the permanent magnet 3 in the region of the stroke ⁇ Z in which the permanent magnet 3 overlaps at sections 9.
  • the force F is equal to zero.
  • the return device 8 has three sections 9 in the direction of displacement, each of which has a different magnetic resistance. Also in this embodiment, this is realized by different distances of the permanent magnet 3 to the respective sections 9 of the return device 8. The distance between the left and right section 9 is greater than the distance at the middle section 9.
  • the permanent magnet 3 is dimensioned such that it overlaps at least two of the three sections 9 over the entire stroke length .DELTA.Z. This results in the force curve shown in Figure 5. Is the permanent magnet 3 at the left end of the stroke distance .DELTA.Z, so it overlaps the left and the central portion 9 of the return device 8.
  • the return device 8 comprises two sections 9, wherein the left section 9 shown in FIG. 6 has a constant distance D1 to the permanent magnet 3 and the right section 9 shown in FIG. 6 has a linearly increasing distance from left to right relative to the permanent magnet 3 has. It is clear from the force characteristic curve that the force F acting on the permanent magnet 3 decreases with a displacement of the permanent magnet 3 from the left end to the right end of the stroke distance ⁇ Z. This can be explained by the fact that in the right section 9 the magnetic flux decreases with increasing distance and the magnetic resistance increases.
  • the body 7 is connected to the permanent magnet 3 via the guide rods 6, so that the force F or the movement of the permanent magnet 3 is transmitted to the body 7.
  • the body 7 may also be firmly connected to the housing 2.
  • the permanent magnet 3 with only one pole pair mag- but it can also be magnetised with several pool pairs.
  • the device 1 depending on the configuration of the sections 9 of the return flow device, different force characteristics can be generated.
  • the force F is created by the different magnetic resistance and the different magnetic flux of the sections 9 of the specially constructed magnetic yoke circuit.
  • the device 1 can be adapted individually to each application, so that a reproducible, exact and defined force characteristic can be represented for each application.
  • the device 1 Compared to pneumatic cylinders and springs, the device 1 has the advantage that it is wear-free, long-term stable and hysteresis-free.
  • the device 1 is used everywhere where springs or pneumatic cylinders are used.

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung einer definierten Kraft F umfasst einen Permanentmagneten (3) und eine Rückschlusseinrichtung (8), welche derart mit dem Permanentmagneten (3) zusammenwirkt, dass sich ein magnetischer Rückschluss bildet, wobei der Permanentmagnet (3) in einer Verschieberichtung relativ zur Rückschlusseinrichtung (8) um eine Hubstrecke (ΔZ) verschiebbar gelagert ist und quer zur Verschieberichtung magnetisiert ist, und die Rückschlusseinrichtung (8) in Verschieberichtung zumindest zwei Abschnitte (9) mit unterschiedlichem magnetischen Widerstand aufweist und derart ausgebildet ist, dass der Permanentmagnet (3) entlang zumindest eines Teils der Hubstrecke (ΔZ) gleichzeitig mit zumindest zwei Abschnitten (9) der Rückschlusseinrichtung (8) überlappt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Kraft
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Kraft
In der Technik gibt es Bedarf an Vorrichtungen, welche auf einen beweglichen Körper über eine begrenzte Hubstrecke eine Kraft ausüben, die den Körper beispielsweise in eine bestimmte Richtung bzw. Lage drängt. Als eine solche Vorrichtung finden Federn (Spiralfeder, Gasdruckfedern) und Pneumatikzylinder Anwendung.
Federn weisen jedoch den Nachteil auf, dass mit ihnen nur eine progressive Kraftkennlinie darstellbar ist, d.h., dass sich die von ihnen erzeugte Kraft proportional zum Federweg ändert. Pneumatikzylinder weisen hingegen konstante Kraftkennlinien auf, bedürfen jedoch einer externen Energiezufuhr, wie beispielsweise eines Kompressors. Ferner sind Federn und Pneumatikzylinder nicht wartungsfrei, sondern unterliegen dem Verschleiß durch Alterung und Reibung. Bei Pneumatikzylinder tritt aufgrund der Reibung auch noch das Problem einer Hysterese in der Kraftkennlinie auf.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine langzeitstabile Vorrichtung zu liefern, mit der ohne externe Energiezufuhr eine definierte Kraftkennlinie erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Kraft gemäß Anspruch 1 umfasst einen Permanentmagneten und eine Rückschlusseinrichtung, welche derart ausgestaltet ist bzw. derart mit dem Permanentmagneten zusammenwirkt, dass sich ein- magnetischer Rückschluss bildet. Der Permanentmagnet ist in einer Verschieberichtung relativ zur Rückschlusseinrichtung um eine begrenzte Hubstrecke verschiebbar gelagert und quer zur Verschieberichtung magnetisiert . Die Rückschlusseinrich- tung weist in Verschieberichtung zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlichem magnetischem Widerstand auf und ist derart ausgebildet, dass der Permanentmagnet beim Verschieben über zumindest einen Teil der Hubstrecke gleichzeitig zumindest zwei der Abschnitte der Rückschlusseinrichtung überlap- pen.
Aufgrund der Überlappung des Permanentmagneten mit den Abschnitten wirkt auf den Permanentmagneten eine definierte Kraft, welche parallel zur Verschieberichtung gerichtet ist und ihn in eine Vorzugslage entlang der Hubstrecke drängt. Der Permanentmagnet ist nämlich immer bestrebt, entlang der Hubstrecke eine Vorzugslage relativ zum Rückschlusselement einzunehmen, in der der magnetische Widerstand minimal bzw. der magnetische Fluss maximal ist. Wird der Permanentmagnet zwangsweise aus dieser Lage wegbewegt, so bewegt er sich im freien Zustand selbsttätig zurück in diese Vorzugslage. Je nach Ausbildung der Rückschlusseinrichtung wirkt dabei auf den Permanentmagneten eine definierte Kraft, welche ihn in die Vorzugslage drängt. Diese Kraft ist auf einen mit der er- findungsgemäßen Vorrichtung gekoppelten Körper übertragbar. Die Krafterzeugung ist berührungslos, verschleißfrei, lang- zeitstabil und hysteresefrei. Ferner kann die Kraftweglinie entlang der Hubstrecke je nach Ausbildung der Rückschlusseinrichtung sehr variabel eingestellt werden. Eine Hilfsenergie, wie sie beispielsweise bei Pneumatikzylindern notwendig ist, ist nicht erforderlich.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 2 wird der unterschiedliche magnetische Widerstand der Abschnitte durch Verwendung von Materialien mit unterschiedlichem magnetischem Widerstand realisiert. Beispielsweise kann einer der Abschnitte Edelstahl und der andere Abschnitt Eisen aufwei- sen. Dabei weist Edelstahle einen erheblich größeren magnetischen Widerstand bzw. einen geringeren magnetischen Fluss auf als Eisen, sodass sich der Permanentmagnet im freien Zustand immer in Richtung des Abschnitts aus Eisen bewegen würde.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 3 wird der unterschiedliche magnetische Widerstand der Abschnitte dadurch realisiert, dass die Abschnitte von dem Permanentmagneten unterschiedlich weit beabstandet sind. Dadurch sind die Luftspalte zwischen dem Permanentmagnet und den Abschnitten der Rückschlusseinrichtung unterschiedlich weit, so dass sich alleine dadurch die unterschiedlichen magnetischen Widerstände ergeben. Bei dieser Ausgestaltung können die Abschnitte aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
In den Ausgestaltungen gemäß der Ansprüche 4 und 5 können die Abschnitte derart ausgebildet sein, dass auf dem Permanentmagneten bei Verschieben über die Hubstrecke entweder eine konstante oder eine über die Hubstrecke variable Kraft wirkt, welche parallel zur Verschieberichtung gerichtet ist. Anhand dieser Ausgestaltungen wird deutlich, dass die von der Vorrichtung auf einen mit ihr gekoppelten Körper wirkende Kraft je nach den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung individu- eil darstellbar ist.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 6 sind der Permanentmagnet quaderförmig und die Rückschlusseinrichtung als Hohlquader ausgebildet, welche den Permanentmagneten peripher umgibt. In dieser Ausgestaltung kann der Permanentmagnet innerhalb der Rückschlusseinrichtung, in Verschieberichtung bewegt werden, ist jedoch drehfest innerhalb der Rückschlusseinrichtung angeordnet .
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 7 ist der Permanentmagnet zylinderförmig ausgebildet, und die Rückschlusseinrichtung weist die Form eines Hohlzylinders auf, welcher den Permanentmagneten radial umschließt. Bei dieser Ausgestaltung kann der Permanentmagnet innerhalb der Rückschlusseinrichtung gleichzeitig in Verschieberichtung bewegt und um seine Längsachse rotiert werden. Dies ist dann von Vorteil, wenn der mit der Vorrichtung gekoppelte Körper nicht nur linear verschiebbar sondern auch rotierbar gelagert ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Vorrichtung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
Figuren IA und IB schematische Querschnittsansichten eines ersten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung;
Figuren 2A und 2B schematische Querschnittsansichten eines zweiten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung;
Figuren 3A und 3B Querschnittsansichten entlang der Schnittlinie X-X in Figur IA;
Figuren 4 bis 6 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der Vorrichtung sowie der zugehörigen Kraftkennlinien .
In den Figuren IA und IB ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer definierten Kraft im Querschnitt dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein als lang gestreckter Hohlkörper ausgebildetes Gehäuse 2, sowie einen in dem Gehäuse 2 angeordneten Permanentmagneten 3. Der Permanentmagnet 3 ist in einer Verschieberichtung (Pfeil A) relativ zum Gehäuse 2 um eine Hubstrecke ΔZ verschiebbar gelagert. Der Permanentmagnet 3 ist quer zur Verschieberichtung magnetisiert, d.h. er weist mindestens einen Nordpol (mit N gekennzeichnet) und einen Südpol (mit S gekennzeichnet) auf, welche quer zur Verschieberichtung orientiert sind. Das Gehäuse 2 weist zwei Abschlusselemente 4 auf, welche das Gehäuse 2 an beiden Enden abschließen und die Hubstrecke ΔZ be- grenzen. Die Abschlusselemente 4 weisen zwei Öffnungen 5 auf, welche von am Permanentmagnet 3 befestigten Führungsstangen 6 durchdrungen werden. Dadurch wird der Permanentmagnet 3 beim Verschieben geführt. An einer Führungsstange 6 kann ein Kör- per 7 befestigt sein, auf welchen die Bewegung des Permanentmagneten 3 übertragen werden soll.
Das Gehäuse 2 weist eine Rückschlusseinrichtung 8 auf, welche sich in Verschieberichtung erstreckt und den Permanentmagne- ten 3 in Verschieberichtung umgibt, und welche derart mit dem Permanentmagneten 3 zusammenwirkt und derart angeordnet ist, dass sich ein magnetischer Rückschluss zwischen dem Nordpol und dem Südpol ausbildet. Die Rückschlusseinrichtung 8 weist in Verschieberichtung zwei Abschnitte 9 mit unterschiedlichem magnetischen Widerstand auf. Der unterschiedliche magnetische Widerstand ist hier dadurch realisiert, dass die Abschnitte 9 unterschiedliche Materialien aufweisen. So ist beispielsweise ein Abschnitt 9 aus Edelstahl gefertigt und der andere Abschnitt 9 aus Eisen, welches einen geringeren magnetischen Widerstand aufweist als Edelstahl. Der Permanentmagnet 3 und die Rückschlusseinrichtung 8 sind derart dimensioniert, dass der Permanentmagnet 3 beim Verschieben über die gesamte Hubstrecke ΔZ gleichzeitig beide Abschnitte 9 der Rückschlusseinrichtung 8 zumindest teilweise überlappt.
In dem in den Figuren IA und IB dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt 9 mit dem höheren magnetischen Widerstand im linken Teil der Vorrichtung 1 vorgesehen. Ferner ist die Hubstrecke ΔZ durch die Abschlusselemente 4 auf beiden Seiten derart begrenzt, dass der Permanentmagnet 3 am rechten und linken Anschlag der Hubstrecke ΔZ jeweils zumindest teilweise beide Abschnitte 9 überlappt. Durch die unterschiedlichen magnetischen Widerstände der Abschnitte 9 wirkt auf den Permanentmagneten 3 über die gesamte Hubstrecke ΔZ eine definierte Kraft F, welche parallel zur Verschieberichtung gerichtet ist und dem Permanentmagneten 3 in Richtung des Abschnittes mit dem geringeren magnetischen Widerstand bzw. mit dem höheren magnetischen Fluss drängt. Im Ausführungsbeispiel der Figuren IA und IB ist dies der rechte Abschnitt 9. Wird der Permanentmagnet 3, wie in Fig. IB dargestellt, zwangsweise in den Abschnitt 9 mit dem größeren mag- netischen Widerstand (im Ausführungsbeispiel der linke Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8) gedrängt, so bewegt er sich im freien Zustand aufgrund der wirkenden Kraft F selbsttätig wieder in Richtung des rechten Abschnitts 9 mit geringerem magnetischen Widerstand zurück, wie es in Fig. IA dargestellt ist.
In den Figuren 2A und 2B ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 als Querschnittsansicht dargestellt. Dies Ausführungsbeispiel entspricht prinzipiell dem Aufbau des in Figur IA und IB dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Jedoch wird der unterschiedliche magnetische Widerstand in den beiden Abschnitten 9 der Rückschlusseinrichtung 8 im zweiten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass die Abstände Dl und D2 zwischen dem Permanentmagnet 3 und den bei- den Abschnitten senkrecht zur Verschieberichtung unterschiedlich groß ist. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist der Luftspalt Dl zwischen dem Permanentmagneten 3 und dem rechten Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8 deutlich geringer als der Luftspalt D2 zwischen dem Permanentmagneten 3 und dem linken Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8. Somit ist der magnetische Widerstand im rechten Abschnitt 9 geringer als im linken Abschnitt 9. Dadurch wirkt auch in diesem Ausführungsbeispiel auf den Permanentmagneten 3 eine definierte Kraft F, welche ihn im freien Zustand in Richtung des rechten Abschnitts 9 drängt. Auch hier sind die Rückschlusseinrichtung 8 und der Permanentmagnet 3 derart dimensioniert, dass der Permanentmagnet 3 bei Erreichen der Abschlusselemente 4 jeweils beide Abschnitte 9 überlappt. Durch diese Überlappung wird sichergestellt, dass auf den Permanentmagneten 3 über die gesamte Hubstrecke ΔZ die definierte Kraft F wirkt. Würde der Permanentmagnet 3 vollständig in einen Abschnitt 9 eintauchen, ohne den anderen Abschnitt 9 noch zu überlappen, wäre die auf ihn wirkende Kraft F in Verschieberichtung gleich Null.
In den Figuren 3A und 3B sind zwei Ausführungsbeispiele für Querschnittsansichten entlang der Schnittlinie X-X in Figur IA dargestellt.
Gemäß der Figur 3A kann die Rückschlusseinrichtung 8 als Hohlkörper mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt ausgebildet sein, wobei der Permanentmagnet 3 als lang gestreckter Quader ausgeführt ist. Die Rückschlusseinrichtung 8 umgibt den Permanentmagneten 3 peripher. Diese Ausführung der Vorrichtung erlaubt lediglich eine lineare Verschiebung des Permanentmagneten 3 über die Hubstrecke ΔZ, wogegen eine Ro- tation des Permanentmagneten 3 innerhalb der Rückschlusseinrichtung 8 nicht möglich ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Rückschlusseinrichtung 8 U-förmig ausgebildet ist und den quaderförmigen Permanentmagneten 3 nur teilweise umgibt. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch eine hohe Ener- giedichte und eine preiswerte Herstellung aus.
Dagegen kann der Permanentmagnet 3 bei dem in Figur 3B dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Rückschlusseinrichtung 8 bzw. das Gehäuse 2 als Hohlzylinder und der Permanent- magnet 3 als lang gestreckter Vollzylinder ausgebildet sind, sowohl eine lineare Verschiebung entlang der Verschieberichtung sowie eine Rotation innerhalb der Rückschlusseinrichtung 8 ausführen. Dies ist dann von Vorteil, wenn der mit der Vorrichtung 1 gekoppelte Körper 7 sowohl eine lineare Verschie- bung als auch eine Rotation durchführen soll.
Anhand der Figuren 4 bis 6 sollen weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 1 erläutert werden. Dabei soll deutlich werden, wie durch geeignete geometrische Ausgestaltung der Abschnitte 9 individuelle Kraftkennlinien entlang der
Hubstrecke ΔZ realisiert werden können. Zur weiteren Erläuterung sind in den Figuren 4 bis 6 jeweils zugehörigen Kraft- kennlinien schematisch dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass in den Diagrammen eine positive Kraft F eine Kraftrichtung von Links nach Rechts und eine negative Kraft F eine Kraftrichtung von Rechts nach Links bedeutet.
In dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Rückschlusseinrichtung 8 zwei Abschnitte 9. Der rechte und linke Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8 bestehen aus dem gleichen Material. Jedoch ist der Abstand zwischen dem linken Abschnitt 9 und dem Permanentmagneten 3 größer als der Abstand zwischen dem rechten Abschnitt 9 und dem Permanentmagneten 3. Die beiden Abschnitte 9 sind daher durch eine Stufe getrennt. Innerhalb der Abschnitte 9 ist der Abstand zum Permanentmagneten 3 jedoch konstant. Der Permanentmagnet 3 und die Abschnitte 9 sind dabei so ausgebildet, dass der
Permanentmagnet 3 nur über einen Teil der Hubstrecke ΔZ beide Abschnitte 9 überlappt. Wie in der Kraftkennlinie dargestellt ist, wirkt auf den Permanentmagneten 3 in dem Bereich der Hubstrecke ΔZ, in dem der Permanentmagnet 3 bei Ab- schnitte 9 überlappt, ein konstante Kraft F, welche den Permanentmagneten 3 in Richtung des rechten Abschnitts 9 drängt. In den Bereichen der Hubstrecke ΔZ, in denen der Permanentmagnet 3 nur einen Abschnitt 9 überlappt ist die Kraft F gleich Null.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 5 weist die Rückschlusseinrichtung 8 in Verschieberichtung drei Abschnitte 9 auf, welche jeweils einen unterschiedlichen magnetischen Widerstand aufweisen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird dies durch unterschiedlich große Abstände des Permanentmagneten 3 zu den jeweiligen Abschnitten 9 der Rückschlusseinrichtung 8 realisiert. Dabei ist der Abstand beim linken und rechten Abschnitt 9 größer als der Abstand beim mittleren Abschnitt 9. Der Permanentmagnet 3 ist dabei so bemessen, dass er über die gesamte Hubstrecke ΔZ zumindest zwei der drei Abschnitte 9 überlappt. Dadurch ergibt sich der in Figur 5 dargestellte Kraftverlauf. Befindet sich der Permanentmagnet 3 am linken Ende der Hubstrecke ΔZ, so überlappt er den linken und den mittleren Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8. In diesem Zustand wirkt auf den Permanentmagneten 3 eine nahezu konstante Kraft F, welche ihn aufgrund des dort herr- sehenden höheren magnetischen Flusses bzw. des geringeren magnetischen Widerstands in Richtung des mittleren Abschnitts 9 drängt. Beim weiteren Verschieben überlappt der Permanentmagnet 3 drei Abschnitte 9, wobei die auf dem Permanentmagneten 3 wirkende Kraft F gegen Null absinkt und danach einen Vorzeichenwechsel erfährt. Dies bedeutet, dass der Permanentmagnet 3 in die entgegengesetzte Richtung gedrängt wird. Dies geschieht aufgrund des größeren magnetischen Flusses bzw. des geringeren magnetischen Widerstands im mittleren Abschnitt 9 im Vergleich zum rechten Abschnitt 9 der Rückschlusseinrich- tung 8.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 umfasst die Rückschlusseinrichtung 8 zwei Abschnitte 9, wobei der in Figur 6 dargestellte linke Abschnitt 9 einen konstanten Abstand Dl zum Permanentmagneten 3 aufweist und der in Figur 6 dargestellte rechte Abschnitt 9 einen von Links nach Rechts linear zunehmenden Abstand zum Permanentmagneten 3 aufweist. Anhand der Kraftkennlinie wird deutlich, dass die auf den Permanentmagneten 3 wirkende Kraft F bei einer Verschiebung des Perma- nentmagneten 3 vom linken Ende zum rechten Ende der Hubstrecke ΔZ abnimmt. Dies ist dadurch zu erklären, dass im rechten Abschnitt 9 mit zunehmendem Abstand der magnetische Fluss abnimmt und der magnetische Widerstand zunimmt.
In den Ausführungsbeispielen ist der Körper 7 über die Führungsstangen 6 mit dem Permanentmagneten 3 verbunden, sodass die Kraft F bzw. die Bewegung des Permanentmagneten 3 auf den Körper 7 übertragen wird. Im Falle, dass das Gehäuse 2 mit der Rückschlusseinrichtung 8 der bewegte Teil ist und der Permanentmagnet 3 örtlich fixiert ist, kann der Körper 7 auch mit dem Gehäuse 2 fest verbunden sein. In den Ausführungsbeispielen ist der Permanentmagnet 3 mit nur einem Polpaar mag- netisiert, jedoch kann er auch mit mehreren Poolpaaren magne- tisiert sein.
Anhand der obigen Ausführungsbeispiele wird deutlich, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, je nach Ausgestaltung der Abschnitte 9 der Rückflusseinrichtung, verschiedene Kraftkennlinien erzeugbar sind. Die Kraft F entsteht durch den unterschiedlichen magnetischen Widerstand und den unterschiedlichen magnetischen Fluss der Abschnitte 9 des speziell aufgebauten magnetischen Rückschlusskreises. Dadurch kann die Vorrichtung 1 an jede Anwendung individuell ange- passt werden, so dass für jede Anwendung eine reproduzierbare, exakte und definierte Kraftkennlinie darstellbar ist. Gegenüber Pneumatikzylindern und Federn bietet die Vorrichtung 1 den Vorteil, dass sie verschleißfrei, langzeitstabil und hysteresefrei ist. Wogegen bei Pneumatikzylindern im Allgemeinen nur Kennlinien mit konstanter Federkraft und bei Federn im Allgemeinen nur progressive Kennlinien erzeugt werden können, ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mög- lieh, beliebige Kraftkennlinien darzustellen. Ferner ist zur Erzeugung der Kraft keinerlei Hilfsenergie nötig.
Als Anwendungsgebiete kommen alle technischen Gebiete vor, in denen definierte Kräfte auf Körper 7, wie beispielsweise Bau- teile, Aktuatoren, Funktionselemente wirken sollen. Insbesondere findet die Vorrichtung 1 überall dort Anwendung, wo auch Federn oder Pneumatikzylinder Verwendung finden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung einer definierten Kraft F, mit - einem Permanentmagneten (3) , einer Rückschlusseinrichtung (8), welche derart mit dem Permanentmagneten (3) zusammenwirkt, dass sich ein magnetischer Rückschluss bildet, wobei - der Permanentmagnet (3) in einer Verschieberichtung relativ zur Rückschlusseinrichtung (8) um eine Hubstrecke (ΔZ) verschiebbar gelagert ist und quer zur Verschieberichtung magnetisiert ist, und die Rückschlusseinrichtung (8) in Verschieberichtung zu- mindest zwei Abschnitte (9) mit unterschiedlichem magnetischen Widerstand aufweist und derart ausgebildet ist, dass der Permanentmagnet (3) entlang zumindest eines Teils der Hubstrecke (ΔZ) gleichzeitig mit zumindest zwei Abschnitten (9) der Rückschlusseinrichtung (8) ü- berlappt.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Abschnitte
(9) Materialien mit unterschiedlichem magnetischen Widerstand aufweisen.
3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Abschnitte (9) von dem Permanentmagneten (3) unterschiedlich weit beabstandet sind.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abschnitte (9) derart ausgebildet sind, dass auf den Permanentmagneten (3) beim Verschieben über die Hubstrecke (ΔZ) eine konstante Kraft (F) wirkt, welche parallel zur Verschieberichtung gerichtet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abschnitte (9) derart ausgebildet sind, dass auf den Permanentmagneten (3) beim Verschieben über die Hubstrecke (ΔZ) eine Kraft (F) wirkt, welche über die Hubstrecke (ΔZ) variiert und parallel zur Verschieberichtung gerichtet ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Permanentmagnet (3) quaderförmig ausgebildet ist und die Rückschlusseinrichtung (8) die Form eines Hohlquaders aufweist, welcher den Permanentmagneten (3) peri- pher umgibt.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Permanentmagnet (3) zylinderförmig ausgebildet ist und die Rückschlusseinrichtung (8) die Form eines Hohl- Zylinders aufweist, welcher den Permanentmagneten (3) radial umschließt.
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