WO2010031587A2

WO2010031587A2 - Läufer für einen linearaktuator, linearaktuator, system mit einem linearaktuator und verwendung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2010031587A2
Application number: PCT/EP2009/006837
Authority: WO
Inventors: Jürgen Gräf; Michael Scherello
Original assignee: Umc Universal Motor Corporation Gmbh
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2010-03-25
Also published as: WO2010031587A3

Abstract

Läufer (10) für einen Linearaktuator (12), wobei der Läufer (10) eine Längserstreckung (L), die parallel zu einer Hubrichtung (X) des Linearaktuators (12) verläuft, und mindestens zwei Magnete aufweist, die entlang der Längserstreckung (L) versetzt mit unterschiedlichen magnetischen Orientierungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (14) in einem Formelement (16) mit einem Formoberteil (18) und einem Formunterteil (20) angeordnet sind, wobei das Formelement (16) derart ausgebildet ist, dass die Magnete (14) mindestens in Bezug auf die Richtung (X) der Längserstreckung (L) formschlüssig und/oder kraftschlüssig in mindestens einer Ausnehmung (24) im Formelement (16) fixiert sind und wobei Formoberteil (18) und Formunterteil (20) jeweils einstückig aus einem gleichen Material oder einer gleichen Materialzusammensetzung gefertigt sind. Die Erfindung betrifft außerdem einen Linearaktuator (12), insbesondere einen Lineargenerator, mit einem derartigen Läufer (10) und ein System (80) mit einem solchen Linearaktuator (12) und einer Brennkraftmaschine (52). Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung einer Brennkraftmaschine (52), insbesondere einer Freikolbenmaschine, für die mechanische Betätigung eines derartigen Läufers (10).

Description

Läufer für einen Linearaktuator. Linearaktuator. System mit einem Linearaktuator und Verwendung einer Brennkraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer für einen Linearaktuator, wobei der Läufer eine Längserstreckung, die parallel zu einer Hubrichtung des Linearaktuators verläuft, und mindestens zwei Magnete aufweist, die entlang der Längserstreckung versetzt mit unterschiedlichen magnetischen Orientierungen angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft ferner einen Linearaktuator, insbesondere einen Lineargenerator, mit einem Läufer sowie ein System mit einem solchen Linearaktuator. Schließlich betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Freikolbenmaschine, für die mechanische Betätigung eines Läufers. Aus der DE 102 19 549 ist ein System bekannt, das eine Brennkraftmaschine und einen Linearaktuator mit einem Läufer aufweist.

Läufer für einen Linearaktuator sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. Der Aufbau eines derartigen Läufers unterscheidet sich grundlegend vom Aufbau eines Drehankers, wie er bspw. bei einer Gleichstrommaschine anzutreffen ist. Während der Drehanker rotiert, um die Magnetpole an den Induktionswicklungen vorbeizuführen, führt der Läufer bei einem Linearaktuator die Magnete im Wesentlichen geradlinig an den Induktionswicklungen vorbei.

Aufgrund seiner rotierenden Bewegung kann ein Drehanker fortlaufend mit der gleichen Rotationsrichtung drehen. Bei einem Linearaktuator ist es hingegen in der Regel so, dass sich der Läufer zwischen zwei Umkehrpunkten in alternierenden Richtungen hin- und herbewegt.

Während sich bei einem Gleichstromgenerator mit Drehanker eine erhöhte Stromabgabe relativ einfach durch eine Erhöhung der Drehzahl erzielen lässt, ergeben sich bei einem Läufer für einen Linearaktuator bei steigender Geschwindigkeit aufgrund der alternierenden Bewegungsrichtung besondere Anforderungen aufgrund der immer größer werdenden Beschleunigungskräfte, insbesondere an den Umkehrpunkten.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Läufer für einen Linearaktuator aufzuzeigen. Dabei soll insbesondere ein Läufer aufgezeigt werden, der auch eingesetzt werden kann, wenn an den Umkehrpunkten der Linearbewegung große Beschleunigungskräfte sowie Vibrationen entlang aller Richtungen im Raum auftreten. Dabei soll der Läufer ferner insbesondere die Möglichkeit bieten, die Magnete des Läufers vor korrosionsfördernden Umgebungsbedingungen zu schützen und die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien, darunter insbesondere die Ausdehnungskoeffizienten, zu kompensieren. Schließlich soll sich der Läufer insbesondere kostengünstig in großen Stückzahlen fertigen lassen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung einen entsprechenden verbesserten Linear- aktuator und ein verbessertes System mit einer Brennkraftmaschine und mit einem Linearaktuator aufzuzeigen. Schließlich soll auch eine verbesserte Verwendung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Freikolbenmaschine, für die mechanische Betätigung eines Läufers aufgezeigt werden.

Diese Aufgaben werden nach einem Aspekt der Erfindung durch einen Läufer der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Magnete in einem Formelement mit einem Formoberteil und einem Formunterteil angeordnet sind, wobei das Formelement derart ausgebildet ist, dass die Magnete mindestens in Bezug auf die Richtung der Längserstreckung formschlüssig und/oder kraftschlüssig in mindestens einer Ausnehmung im Formelement fixiert sind und wobei Formoberteil und Formunterteil jeweils einstückig aus einem gleichen Material oder einer gleichen Materialzusammensetzung gefertigt sind.

Auf diese Weise kann auf einfache Weise eine dauerhafte Fixierung und Positionierung der Magnete vorgenommen werden, sowohl relativ zueinander als auch relativ zum Läufer. Insbesondere besteht eine große Gestaltungsfreiheit bezüglich der Formgebung der Magnete, da sich mit einem entsprechend ausgestalteten Formelement auch unregelmäßig geformte Magnete fixieren lassen. Dabei ist das Formelement insbesondere derart ausgebildet, dass sich eine Fixierung der Magnete bereits durch einen Formschluss einstellt.

Außerdem kann das Formelement in vorteilhafter Weise einen Schutz für die Magnete gegenüber korrosionsfördernden bzw. -auslösenden Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel einem Abgas, bieten. Da das Formelement die Abdichtung der Magnete gegenüber korrosionsfördernden Einflüssen bildet, können die Magnete ohne die sonst erforderliche Schutzbeschichtung hergestellt werden. Dies reduziert die Kosten bei der Fertigung und vereinfacht die Herstellung. Ein derartiger Läufer ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Längserstreckung der einzelnen Magnete größer oder gleich der Höhenerstreckung der Magnete ist. Unter der Höhenerstreckung soll die Richtung verstanden werden, die mit dem Abstand zwischen den Magneten und den zugehörigen Induktionswicklungen bzw. Wicklungspaketen zusammenfällt. Dabei ist die Höhenerstreckung insbesondere senkrecht zur Längserstreckung.

Ferner soll noch für eine vereinfachte Orientierung die Quererstreckung eingeführt werden, entlang derer alle Punkte eines Magneten den gleichen Abstand zur Induktionswicklung bzw. zum Wicklungspaket haben. Die Quererstreckung steht insbesondere senkrecht zur Längserstreckung. Insbesondere stehen die Längserstreckung, die Quererstreckung und die Höhenerstreckung jeweils paarweise senkrecht zueinander. Die drei Erstreckungen spannen dann insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem auf.

Der Läufer ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Indifferenzzone bzw. Indifferenzebene der Magnete nicht senkrecht zur Längserstreckung verläuft, insbesondere wenn sie in etwa der durch Längserstreckung und Quererstreckung aufgespannten Ebene entspricht.

Der Läufer ist ferner gerade dann vorteilhaft, wenn sein Querschnitt nicht kreisförmig und insbesondere nicht oval ist. Der Läufer ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Querschnitt senkrecht zur Längserstreckung ein Vieleck ist, insbesondere ein Viereck aufweist oder ein Viereck bildet.

Das Formelement kann vorteilhafterweise derart ausgestaltet sein, dass die Magnete außerdem in Richtung der Höhenerstreckung und/oder in Richtung der Quererstreckung formschlüssig und/oder kraftschlüssig fixiert sind. Die Fixierung erfolgt dabei bevorzugt unmittelbar durch das Formelement, das heißt abgesehen von möglichen Maßnahmen für einen Toleranzausgleich, sind über das Formelement hinaus keine weiteren Elemente notwendig, um den sicheren Sitz der Magnete zu gewährleisten. Die Magnete sind bevorzugt jeweils als Parallelepiped ausgebildet, insbesondere als Quader. Dabei ist insbesondere die Höhenerstreckung kleiner als die Längserstreckung und die Längserstreckung kleiner als die Quererstreckung.

Der Läufer kann bevorzugt dünn ausgestaltet werden, das heißt, betrachtet man ein kartesisches Koordinatensystem, ist die Quererstreckung größer als die Höhenerstreckung, bevorzugt mindestens doppelt so groß, besonders bevorzugt mindestens viermal so groß und insbesondere mindestens achtmal so groß.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass unter dem Begriff des Linearaktuators sowohl Linearmotoren und Lineargeneratoren als auch alternierende und kombinierte Betriebsweisen von Linearmotor/Lineargenerator verstanden werden. Insbesondere soll unter einem Linearaktuator eine Vorrichtung verstanden werden, die entweder vollständig oder zumindest teilweise als Lineargenerator betrieben wird. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn der Linearaktuator ausschließlich als Lineargenerator betrieben wird.

Die Trennung in ein Formoberteil und Formunterteil bietet unter anderem den Vorteil einer vereinfachten Fertigung. So lassen sich insbesondere die Magnete in das Formunterteil einlegen und dann durch Aufsetzen des Formoberteils im Formelement einschließen. Das gegenseitige Befestigen von Formoberteil und Formunterteil kann durch Rastelemente oder Verriegelungselemente erfolgen. Man kann sowohl das Formoberteil als auch das Formunterteil jeweils als eine Schale für die Magnete verstehen, so dass man auch von einer Verschalung der Läufermagnete sprechen kann.

Da Form oberteil und Formunterteil jeweils einstückig aus einem gleichen Material oder einer gleichen Materialzusammensetzung gefertigt sind, verfügt der Läufer über eine besonders gute Dauerfestigkeit. Im Gegensatz zu anderen Läufern im Stand der Technik, die mehrstückige Bauteile und/oder Bauteile aus mehreren Materialen oder Materialzusammensetzungen aufweisen, sind das Formoberteil und Formunterteil gemäß der Erfindung von ihrer äußeren Lauffläche bis hin zu der mindestens einen Ausnehmung, in der die Magnete sitzen, einstückig gefertigt. Ein so gefertigter Läufer kann während seiner Lebensdauer mehr als 1 Milliarde Last- bzw. Biegewechsel aushalten. Formoberteil und Formunterteil können - jedes für sich einstückig und aus einem Material - aus zwei verschiedenen Materialien oder Materialzusammensetzungen gefertigt sein. Es ist aber bevorzugt, wenn Formoberteil und Formunterteil aus dem gleichen Material oder Materialzusammensetzung gefertigt sind.

Die mindestens eine Ausnehmung ermöglicht eine besonders einfache formschlüssige Fixierung der Magnete. Während es grundsätzlich denkbar ist, die Magnete nur kraftschlüssig zu fixieren, indem man sie bspw. zwischen Formoberteil und Formunterteil einklemmt, kann mittels der mindestens einen Ausnehmung bei geringeren Spannkräften zwischen Formoberteil und Formunterteil immer noch eine gute Fixierung der Magnete erzielt werden. Bevorzugt weist das Formelement mehrere Ausnehmungen auf, so dass jeder Magnet für sich alleine in einer eigenen Ausnehmung angeordnet ist. Damit ist die Aufgabe vollständig gelöst.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Teilung des Formelements in Formoberteil und Formunterteil entlang einer gedachten neutralen Faser des Formelements.

Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders gute Dauerstabilität des Läufers. Da auf die gedachte neutrale Faser eines hypothetisch einstückigen Formelements bei einer Kraftbeaufschlagung keine Dehn- oder Stauchkräfte auftreten, ist eine Teilung entlang der gedachten neutralen Faser in Formoberteil und Formunterteil besonders vorteilhaft. Selbst wenn man annimmt, dass bei einer Teilung Formoberteil und Formunterteil jeweils wieder eine eigene neutrale Faser ausbilden, treten bei einer Teilung entlang der gedachten neutralen Faser eines hypothetisch einstückigen Formelements geringere Dehnungen und Stauchungen im Läufer auf. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausnehmung insbesondere durch einen ersten Ausnehmungsteil im Formoberteil und einen zweiten Ausnehmungsteil im Formunterteil gebildet.

Die Fixierung ist besonders vorteilhaft und kann zudem symmetrisch ausgeführt werden, wenn sich die Ausnehmung aus dem ersten Ausnehmungsteil und dem zweiten Ausnehmungsteil zusammensetzt. Dadurch wird es insbesondere ermöglicht, Formoberteil und Formunterteil gleichartig auszugestalten, so dass bei der Herstellung des Formelements nicht von vornherein zwischen Formoberteil und Formunterteil unterschieden werden muss.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausnehmung mindestens einen Abschnitt an ihrer Innenseite auf, der nicht parallel zu einer Oberfläche des Magneten ausgebildet ist, die dem Abschnitt zugewandt ist.

Diese Ausgestaltung bietet eine vorteilhafte Möglichkeit, geometrische Toleranzen zu berücksichtigen, die bei der Fertigung der Magnete und/oder des Formoberteils/Formunterteils auftreten. Dazu wird die Ausnehmung mit ihrem schrägen Abschnitt insbesondere so ausgebildet, dass sich ihr Querschnitt in Richtung auf den Boden der Ausnehmung verringert. Dabei ist der Querschnitt der Ausnehmung insbesondere zunächst etwas größer als es für den Magneten erforderlich wäre und wird dann in Richtung auf den Boden etwas kleiner als es für den Magneten erforderlich wäre.

Dadurch stellt sich auch bei toleranzbehafteten Abmaßen des Magneten eine Stelle ein, an der der Magnet an der Innenseite der Ausnehmung sicher anliegt. Im Zusammenspiel vom Formoberteil und Formunterteil wird der Magnet dann in der Ausnehmung eingeklemmt, auch wenn der Magnet vom theoretisch gewünschten Maß abweicht und/oder nicht plan auf dem Boden der Ausnehmung zu liegen kommt. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn mindestens zwei Wände der Ausnehmung nicht parallel zur entsprechenden Oberfläche des Magneten ausgebildet sind. Die Ausnehmung kann dabei insbesondere konisch ausgeführt sein. Die hier beschriebene Ausgestaltung wird in den Ausführungsbeispielen noch weiter verdeutlicht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Magneten und einer Innenseite des Formelements eine elastische Schicht angeordnet.

Diese Schicht stellt eine weitere vorteilhafte Möglichkeit dar, geometrische Toleranzen der Magneten und des Formelements und thermische Einflüsse auf diese Bauteile auszugleichen. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die elastische Schicht eine Silikonschicht ist. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die elastische Schicht gleichzeitig wie eine Korrosionsschutzschicht für die Magnete wirkt. In diesem Fall können die Anforderungen an die Dichtheit zwischen Formoberteil und Formunterteil verringert werden.

Die Schicht kann während der Fertigung eingelegt werden. Es ist bevorzugt, wenn die Schicht auf die Magnete aufgebracht wird. Besonders bevorzugt wird die Schicht auf die Innenseiten von Formoberteil und Formunterteil aufgebracht, insbesondere im Spritzverfahren oder Spritzguss verfahren.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnete schräg zur Längsersteckung angeordnet.

Bei dieser Ausgestaltung werden die üblicherweise auftretenden Rastkräfte reduziert, da bezogen auf die Längserstreckung nicht ein plötzlicher Übergang, sondern ein gleitender Übergang zwischen den Magneten entsteht. Betrachtet man die Quererstreckung des Läufers an verschiedenen Stellen der Längserstreckung, so stellt man bei dieser Ausgestaltung fest, dass zumindest an bestimmten Stellen zwei oder mehr Magnete von der Quererstreckung erfasst werden. Dies stellt gewissermaßen ein Vermischen der Magnete entlang der Längserstreckung dar, was zu der genannten Verringerung der Rastkräfte führt. Im Gegensatz dazu, bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wenn die Magnete senkrecht zur Längserstreckung ausgerichtet sind, erfasst die Quererstreckung des Läufers an beliebigen Punkten der Längserstreckung immer nur einen Magneten.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Formoberteil und das Formunterteil mittels druckausübender Verbindungselemente gegeneinander gepresst.

Dies ermöglicht eine besonders dauerhafte und vibrationsbeständige Verbindung von Formoberteil und Formunterteil, die insbesondere auch lösbar ausgestaltet werden kann. Als Verbindungselemente kommen bevorzugt Nieten zum Einsatz. Es ist aber insbesondere bevorzugt, wenn die Teile miteinander verschraubt werden, insbesondere im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Läufers und/oder in mindestens zwei Reihen parallel zur Längserstreckung des Läufers.

Für eine Reduzierung von Wirbelströmen werden bevorzugt nichtleitende Verbindungselemente verwendet, dabei insbesondere Keramiknieten bzw. -schrauben. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn Bohrungen, die der Verbindung von Formoberteil und Formunterteil dienen, gleichzeitig zur Befestigung weiterer Elemente, wie zum Beispiel einer oder mehrerer Linearführungen dienen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Magnet in einer Quererstreckung quer zur Längserstreckung des Läufers in Teilmagnete segmentiert.

Mittels dieser Ausgestaltung kann der Wirkungsgrad eines Linearaktuators verbessert werden, bei dem ein derartiger Läufer verwendet wird. Ein entscheidender Punkt für den Wirkungsgrad eines Linearaktuators ist die Reduzierung thermischer Einflüsse. Diese entstehen im Läufer unter anderem durch thermische Strahlung von außen als auch durch im Läufer induzierte Wirbelströme. Eine Segmentierung der Magnete kann das Auftreten von Wirbelströmen verringern. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind auf einer Oberfläche des Formelements Strukturen für eine Strömungsverwirbelung ausgebildet, insbesondere Schlitze, die schräg zur Längserstreckung ausgebildet sind.

Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Kühlung des Läufers. Die Strukturen sind an mindestens einer Seite des Läufers ausgebildet, die im eingebauten Zustand einem Wicklungspaket eines Linearaktuators zugeordnet ist. Mit anderen Worten sind die Strukturen dem Luftspalt zwischen Läufer und Stator zugewandt. Bei der Bewegung des Läufers entstehen Verwirbelungen im Luftspalt, die eine Kühlung des Läufers bewirken.

Die Strukturen sind insbesondere als Schlitze ausgebildet, die sich in einem Winkel von 20° bis 70°, bevorzugt von 30° bis 60° und insbesondere bevorzugt von 40° bis 50° zur Längserstreckung des Läufers erstrecken. Dabei sind insbesondere eine Vielzahl von Schlitzen in etwa parallel zueinander an beiden Seiten von Formoberteil und Formunterteil ausgebildet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind am Formelement Kühlrippen ausgebildet.

Auch diese Ausgestaltung ermöglicht eine Kühlung des Läufers. Sie kann in vorteilhafterweise mit den zuvor beschriebenen Strukturierung der Oberfläche des Läufers kombiniert werden. Bevorzugt erstrecken sich Aussparungen, die die Kühlrippen erzeugen, entlang der gesamten Dicke (Y-Achse) des Läufers.

Es ist bevorzugt, wenn in dem Formelement Aussparungen für eine Gewichtsreduzierung ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, den Läufer mit glatten äußeren Laufflächen auszubilden und dennoch das Gewicht gering zu halten. Dies wird anhand der Ausfuhrungsbeispiele noch näher erläutert. Es ist außerdem bevorzugt, wenn das Formelement mindestens eines der Materialien aus der Gruppe gebildet aus Keramik, Aluminium, Kunststoff, kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) aufweist oder daraus besteht. Die vorgeschlagenen Materialien sind insbesondere im Hinblick auf Stabilität und magnetische Eigenschaften vorteilhaft. Ein Formelement aus Keramik wird insbesondere mittels Trockenpressen, Heißpressen oder Spritzguss gefertigt. Bei einem Formelement aus Aluminium wird bevorzugt Druckguss verwendet. Kunststoffe können bevorzugt sein, da sie eine gewünschte elektrische Isolation bei besonders günstigen Materialkosten bieten.

Die Aufgabe wird außerdem durch einen Linearaktuator, insbesondere einen Lineargenerator, mit einem zuvor beschriebenen Läufer gelöst.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn dem Läufer an einer Unterseite und/oder an einer Oberseite jeweils ein Wicklungspaket zugeordnet ist. Insbesondere bevorzugt ist der Läufer zwischen einem oberen und einem unteren Wicklungspaket des Linearaktua- tors angeordnet. Außerdem können auch mehrere Wicklungspakete dem Läufer zugeordnet werden.

Die Aufgabe wird ferner auch durch ein System mit einem zuvor beschriebenen Linearaktuator und einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Freikolbenmaschine, gelöst, wobei der Läufer des Linearaktuators mechanisch mit einem Kolben der Brennkraftmaschine gekoppelt ist.

Schließlich wird die Erfindung auch durch die Verwendung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Freikolbenmaschine für die mechanische Betätigung eines zuvor beschriebenen Läufers gelöst.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind näher in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Läufers in Explosionsdarstellung;

Fig. 2 das erste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im zusammengefügten Zustand;

Fig. 3 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ohne das Formoberteil;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Läufers mit schräg eingesetzten Magneten;

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt des Formelements gemäß Fig. 1 mit eingesetztem Magneten;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines Linearaktuators;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Systems mit einem Linearaktuator und einer Brennkraftmaschine;

Fig. 8 einen Schnitt durch einen Linearaktuator;

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform eines Läufers mit einer anderen Orientierung der Magnete; und

Fig. 10 eine vierte Ausführungsform eines Läufers mit einer Strukturierung der Oberfläche. Fig. 1 zeigt ein erste Ausführungsbeispiel eines Läufers 10 für einen Linearaktuator 12 (siehe Fig. 6). Der Läufer hat eine Längserstreckung L, die parallel zu einer Hubrichtung X des Linearaktuators 12 verläuft. Der Läufer 10 weist mehrere Magnete 14 auf, die entlang der Längserstreckung L versetzt mit unterschiedlichen magnetischen Orientierungen angeordnet sind. Dies wird unter anderem noch in der Fig. 3 weiter verdeutlicht.

Die Magnete 14 sind in einem Formelement 16 angeordnet, das aus einem Formoberteil 18 und einem Form unterteil 20 besteht. Das Formoberteil 18 und das Formunterteil 20 sind hier sowohl hinsichtlich der geometrischen Ausgestaltung als auch ihrer Materialzusammensetzung gleich und jeweils einstückig ausgebildet. Als Material wurde hier Aluminium gewählt, das mittels Druckguss geformt wurde. Es können aber auch vorteilhafterweise Keramik und glasfaserverstärkter Kunststoff bzw. Kombinationen der genannten Materialien verwendet werden.

Die Teilung des Formelements 16 in Formoberteil 18 und Formunterteil 20 verläuft entlang einer gedachten neutralen Faser 22 (siehe Fig. 2), die gegeben wäre, wenn das Formelement 16 - hypothetisch - einstückig gefertigt wäre.

Das Formelement 16 weist mindestens eine Ausnehmung 24 für die Aufnahme eines Magneten 14 auf, hier sind es vierzehn Aufnahmen 24 für die insgesamt vierzehn Magnete 14, wobei die Ausnehmung 24 durch einen ersten Ausnehmungsteil 26 (hier verdeckt, mittels gestrichelter Linie angedeutet) im Formoberteil 18 und einen zweiten Ausnehmungsteil 28 im Formunterteil 20 gebildet ist. Die Anordnung der Magnete 14 wird noch im Hinblick auf die Figuren 3 und 5 näher erläutert.

Die Ausnehmungsteile 26, 28 weisen an ihrer Deckenfläche (hier verdeckt) im oberen Formoberteil 18 und/oder an ihrer Bodenfläche im Formunterteil 20 eine elastische Schicht 30 auf. Diese elastische Schicht 30 ist aus Silikon gefertigt bzw. weist Silikon auf und dient dem Niveauausgleich bzw. dem Ausgleich von geometrischen Toleranzen. Außerdem kann die elastische Schicht 30 als schützende Beschichtung für die Magnete 14 dienen und diese vor einer Korrosion schützen. Die elastische Schicht 30 kann mittels eines Spritzverfahrens oder Spritzgussverfahrens aufgebracht werden. Je nach Herstellungsverfahren kann es dabei auch vorteilhaft sein, die elastische Schicht direkt auf die Magnete 14 aufzubringen.

Für eine Verringerung der Wirbelströme sind die Magnete in einer Quererstreckung Q (parallel zur Z-Achse) quer zur Längserstreckung L des Läufers 10 in Teilmagnete 32 segmentiert. Diese Situation ist hier lediglich symbolisch für einen der Magnete 14 dargestellt.

Ferner ist zu erkennen, dass das Formelement 16 eine Vielzahl von Aussparungen 34 für eine Gewichtsreduzierung aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Außenseiten des Läufers 10 plan ausgeführt werden können, ohne dass der Teil des Formelements 16, der nicht die Magnete 14 aufnimmt, aus vollem Material ausgeführt sein muss. Dies ermöglicht eine Gewichtsreduzierung.

Die Längserstreckung L verläuft parallel zur X-Achse, die Quererstreckung Q verläuft parallel zur Z-Achse und eine Höhenerstreckung des Läufers 10 bzw. der Magnete 14 verläuft parallel zur Y-Achse.

In der Fig. 2 ist der Läufer 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in zusammengefügter Form dargestellt. Zusätzlich sind hier auch Linearführungen 40 gezeigt, die mit dem Formunterteil 20 bei einer vorteilhaften Ausgestaltung einstückig ausgeführt sein können. Das Formelement 16 weist eine Vielzahl von Löchern 48 auf, in die eine Vielzahl von druckausübenden Verbindungselementen 42, hier in der Ausführung als zwei Schrauben symbolisch dargestellt, eingesetzt werden. Indem die Schrauben mit ihrem Gewinde in das Formunterteil 20 eingreifen und mit ihrem Schraubenkopf gegen das Formoberteil 18 drücken, entsteht ein fester Verbund zwischen Formoberteil 18 und Formunterteil 20. In vorteilhafter Weise können auch Nieten die druckausübenden Verbindungselemente 42 darstellen. Es soll nun noch auf zwei weitere Besonderheiten des Läufers 10 eingegangen werden. Zum einen sind am Formelement 16 beidseitig Stege 44 angeordnet. An diesen Stegen 44 können in vorteilhafter Weise Messstreifen (nicht gezeigt) angeordnet werden, um die Position des Läufers 10 bezogen auf den Linearaktuator 12 ermitteln zu können. Außerdem ist am Formelement 16 ein Verbindungsbereich 46 ausgebildet, der eine mechanische Kopplung mit einem Kolben 50 einer Brennkraftmaschine 52 (siehe Fig. 7) ermöglicht.

In der Fig. 3 ist für eine bessere Übersichtlichkeit das Formunterteil 20 mit den eingelegten Magneten 14 gezeigt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Magnete 14 entlang der Längserstreckung L versetzt mit unterschiedlichen magnetischen Orientierungen angeordnet sind. Die Magnete sind dabei alternierend um 180° gedreht angeordnet. Die Indifferenzzone bzw. Indifferenzebene der Magnete 14 liegt hier in der XZ-Ebene.

In Fig. 4 ist das Formunterteil 20' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Während die Magnete 14 gemäß Fig. 3 senkrecht zur Längserstreckung L angeordnet waren, sind die Magnete 14 gemäß Fig. 4 nun schräg zur Längserstreckung L angeordnet. Durch die schräge Anordnung der Magnete 14 werden die Rastkräfte, die im Zusammenhang mit dem Linearaktuator 12 entstehen, verringert. Ansonsten gelten alle Erläuterungen, die im Hinblick auf Figuren 1 bis 3 gemacht wurden.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil des Läufers 10. Hierbei ist zu erkennen, dass die Ausnehmung 24 bzw. das erste Ausnehmungsteil 26 und das zweite Ausnehmungsteil 28 jeweils Abschnitte 60 an der Innenseite aufweisen, die nicht parallel zu einer Oberfläche 62 des Magneten ausgebildet sind, die dem jeweiligen Abschnitt 60 zugewandt ist.

Um den Vorteil dieser Ausgestaltung zu verdeutlichen, wird der Magnet 14 in einer leicht gekippten Position gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Magnet 14 trotz eines gewissen Übermaß in Richtung der X-Achse und eines gewissen Untermaß in Richtung der Y-Achse fest in der Ausnehmung 24 sitzt. Zusätzlich kann auch hier eine elastische Schicht 30 verwendet werden, um einen weiteren Toleranzausgleich zu schaffen, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten besser zu kompensieren und einen dauerhaften Sitz auch bei kontinuierlichen Vibrationen zu gewährleisten.

In Fig. 6 ist ein Linearaktuator 12 gezeigt, der einen zuvor beschriebenen Läufer 10 verwendet. Der Linearaktuator 12 ist lediglich symbolisch dargestellt und weist neben dem Läufer 10 eine erste Induktionskammer 70 und eine zweite Induktionskammer 72 mit dem jeweiligen ersten und zweiten elektrischen Anschluss 74, 76 auf. Durch die alternierende Bewegung des Läufers 10 entlang der X-Achse, wird in jeder der Induktionskammern 70, 72 ein Strom erzeugt, der über den jeweiligen Anschluss 74, 76 abgeführt werden kann. Die Linearführungen 40 stellen sicher, dass der Läufer 10 sowohl bezogen auf die Y-Achse als auch auf die Z- Achse korrekt positioniert gehalten wird.

In der Fig. 7 ist ein System 80 mit einem Linearaktuator 12 gemäß Fig. 6 und einer Brennkraftmaschine 52, insbesondere einer Freikolbenmaschine, dargestellt. Der Läufer 10 des Linearaktuators 12 ist mechanisch mit einem Kolben 50 der Brennkraftmaschine 52 gekoppelt. Die Brennkraftmaschine 52 ist hier vereinfacht mit einem Zylinder 54 dargestellt, in dem der Kolben 50 läuft. Dabei bilden Kolben 50 und Zylinder 54 einerseits einen Brennraum 56 aus, in dem die Verbrennung stattfindet. Andererseits bilden sie eine Gasfeder 58 aus, die unter anderem auch die Rückführung des Kolbens 50 für den nächsten Verbrennungszyklus unterstützt oder bewirkt.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 52 bewegt sich der Kolben 50 alternierend im Wesentlichen entlang der X-Achse. Aufgrund der mechanischen Kopplung zwischen dem Kolben 50 und dem Läufer 10 bewegt der Läufer 10 alternierend entlang der X- Achse zwischen den Induktionskammern 70, 72 und deren jeweiligem Wicklungspaket 82, 84. Auf diese Weise kann die Energie, die in der Brennkraftmaschine 52 im Wege einer Verbrennung explosiv freigesetzt wird, in elektrische Energie umgewandelt werden, die an den Anschlüssen 74, 76 abgegriffen werden kann.

Der Läufer 10 des Linearaktuators 12 kann außerdem an seinem anderen Ende 78 bezogen auf die Längserstreckung L mit einem weiteren Element mechanisch gekoppelt sein, bei dem es sich insbesondere um eine weitere Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) und besonders bevorzugt um eine Gasfeder (nicht gezeigt) handelt.

Abschließend ist in der Fig. 8 die Ausgestaltung des ersten und zweiten Wicklungspakets 82, 84 im Zusammenspiel mit den Magneten 14 dargestellt. Bei jedem Wicklungspaket 82, 84 sind in einem magnetisch leitenden Kern Wicklungen 90, 92 eingelegt, hier bei einer dreiphasigen Ausgestaltung. Die erste und zweite Wicklung 90, 92 sind dabei derart verlegt, dass sich bezogen auf die Quererstreckung Q des Läufers 10 alternierende Stromrichtungen einstellen, die mit den üblichen Symbolen "Kreuz" und "Punkt" dargestellt sind. Ferner sind in der Figur die alternierenden unterschiedlichen magnetischen Orientierungen der Magnete 14 dargestellt. Durch die Bewegung der Magnete 14 relativ zu den Wicklungen 90, 92 wird in bekannter Weise ein Strom in den Wicklungspaketen 82, 84 erzeugt.

Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Läufers 10 mit einer anderen Orientierung der Magnete 14, die hier durch Flussleitelemente 94 entlang der X-Achse voneinander beabstandet sind. Die Indifferenzzone der Magnete 14 liegt hier im Wesentlichen in der YZ-Ebene. Bei einer Betrachtung in Y-Richtung liegen daher an Ober- und Unterseite des Formelements 16 derselbe Pol vor. Die Nord-Süd-Orietierung der Magnete 14 alterniert bezogen auf die Längserstreckung L

Dies führt zu einer gegenläufigen Ausbildung der Feldlinien, bezüglich zweier gegenüberliegender Zähne im Stator (siehe Fig. 8) eines Linearaktuators, in den der Läufer 10 eingebaut wird. Diese Eigenschaft führt dazu, dass der Strom, betrachtet man die Darstellung gemäß Fig. 8, nicht in dieselbe Richtung fließen muss. Dadurch können die Wicklungen im Wicklungspaket statt wie bisher in der XZ-Ebene nun in der YZ- Ebene gewickelt werden.

Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Läufers 10, der im Hinblick auf eine verbesserte Kühlung ausgebildet wurde. Dazu sind zum einen eine Vielzahl von Schlitzen 96 auf der Oberfläche des Läufers 10 ausgebildet, die in etwa im 45° Winkel zur Längserstreckung L bzw. zur X-Achse verlaufen. Die Schlitze 96 verlaufen hier spiegelsymmetrisch zur X-Achse, könnten aber auch punktsymmetrisch zu einem gedachten Mittelpunkt der Oberfläche des Läufers 10 liegen.

Damit zeigt die Erfindung insgesamt einen Läufer auf, der auf einfache Weise die Positionierung der Magnete im Läufer sicherstellt. Außerdem können die Magnete im Formelement gekapselt werden und dadurch vor Umgebungseinflüssen geschützt werden. Aufgrund der guten Fixierung der Magnete kann der Läufer dauerhaft im Zusammenhang mit einer Brennkraftmaschine für die Stromerzeugung eingesetzt werden. Der vorgeschlagene Linearaktuator und das vorgeschlagene System lassen sich zudem verhältnismäßig günstig fertigen.

Claims

Patentansprüche

1. Läufer (10) für einen Linearaktuator (12), wobei der Läufer (10) eine Längserstreckung (L), die parallel zu einer Hubrichtung (X) des Linearaktuators (12) verläuft, und mindestens zwei Magnete (14) aufweist, die entlang der Längserstreckung (L) versetzt mit unterschiedlichen magnetischen Orientierungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (14) in einem Formelement (16) mit einem Formoberteil (18) und einem Formunterteil (20) angeordnet sind, wobei das Formelement (16) derart ausgebildet ist, dass die Magnete (14) mindestens in Bezug auf die Richtung (X) der Längserstreckung (L) formschlüssig und/oder kraftschlüssig in mindestens einer Ausnehmung (24) im Formelement (16) fixiert sind und wobei Formoberteil (18) und Formunterteil (20) jeweils einstückig aus einem gleichen Material oder einer gleichen Materialzusammensetzung gefertigt sind.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung des Formelements (16) in Formoberteil (18) und Formunterteil (20) entlang einer gedachten neutralen Faser (22) des Formelements (16) verläuft.

3. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (24) insbesondere durch einen ersten Ausnehmungsteil (26) im Formoberteil (18) und einen zweiten Ausnehmungs- teil (28) im Formunterteil (20) gebildet ist.

4. Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (24) mindestens einen Abschnitt (60) an ihrer Innenseite aufweist, der nicht parallel zu einer Oberfläche (62) des Magneten (14) ausgebildet ist, die dem Abschnitt (60) zugewandt ist.

5. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Magneten (14) und einer Innenseite des Formelements (16) eine elastische Schicht (30) angeordnet ist.

6. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (14) schräg zur Längsersteckung (L) angeordnet sind.

7. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formoberteil (18) und das Form unterteil (20) mittels druckausübender Verbindungselemente (42) gegeneinander gepresst sind.

8. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Magnet (14) in einer Quererstreckung (Q) quer zur Längserstreckung (L) des Läufers (10) in Teilmagnete (32) segmentiert ist.

9. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche des Formelements (16) Strukturen für eine Strö- mungsverwirbelung ausgebildet sind, insbesondere Schlitze (94), die schräg zur Längserstreckung (L) ausgebildet sind.

10. Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Formelement (16) Kühlrippen (98) ausgebildet sind.

11. Linearaktuator (12), insbesondere Lineargenerator, mit einem Läufer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

12. Linearaktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Läufer (10) an einer Unterseite und/oder an einer Oberseite jeweils ein Wicklungspaket (82, 84) zugeordnet ist.

13. System (80) mit einem Linearaktuator (12) nach Anspruch 11 oder 12 und einer Brennkraftmaschine (52), insbesondere einer Freikolbenmaschine, wobei der Läufer (10) des Linearaktuators (12) mechanisch mit einem Kolben (50) der Brennkraftmaschine (52) gekoppelt ist.

14. Verwendung einer Brennkraftmaschine (52), insbesondere einer Freikolbenmaschine, für die mechanische Betätigung eines Läufers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.