WO2021197545A1 - Elektromagnetische stellvorrichtung und deren verwendung - Google Patents

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WO2021197545A1
WO2021197545A1 PCT/DE2021/100305 DE2021100305W WO2021197545A1 WO 2021197545 A1 WO2021197545 A1 WO 2021197545A1 DE 2021100305 W DE2021100305 W DE 2021100305W WO 2021197545 A1 WO2021197545 A1 WO 2021197545A1
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coil
adjusting device
mobile structure
spindle
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Axel Fischer
Rolf ERTELT
Frank Wolff
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Alfred Jäger GmbH
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    • H01F2007/1669—Armatures actuated by current pulse, e.g. bistable actuators

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic actuating device with a housing, two spaced apart ferromagnetic pole shoes firmly connected to the housing and a mobile structure that can be moved along an axis in the housing between two end positions, is arranged between the pole shoes and includes at least one magnet system.
  • the invention also relates to the use of an electromagnetic actuating device with a motor spindle.
  • an electromagnetically operating control device with two spaced apart magnet systems each having an excitation coil is known, between which an armature disk firmly connected to a company is arranged.
  • the armature disk is located between two oppositely acting springs and can be moved into two switching positions by the magnet systems.
  • One of the magnet systems is assigned a permanent magnet, polarized in the direction of movement of the armature, which stabilizes the armature in a switching position in the de-energized state. If the armature is to be held in the other switching position, a permanent power supply is required.
  • EP 0568028 A1 an electromagnetic linear motor consisting of an armature, two inner pole pieces, two outer pole pieces, two permanent magnets and a coil, the armature with the inner pole pieces and the outer pole pieces being an air gap system of four axially variable magnetic Forms air gaps that are the same size in the middle position.
  • the permanent magnets stabilize the armature in the middle position when the coil is de-energized.
  • the pole shoes are half-shell-shaped and form with the half-shell-shaped permanent magnets, two permanently polarized magnet systems.
  • An electromagnetic lifting magnet for achieving high holding forces in the stable end positions is known from DE 10207828 B4. It consists of a stator with two axially spaced apart magnet systems, each of which has an excitation winding for generating an electromagnetic flux. An armature is guided between the two magnet systems and carries a permanent magnet arrangement, polarized perpendicular to its direction of movement, for holding the armature permanently without energizing the exciter winding. The permanent magnet arrangement lies between the two excitation windings, which impairs its effectiveness as a result of leakage flux. In addition, the mostly brittle material of the permanent magnet arrangement can suffer from sudden movement of the armature.
  • US 2016/0293310 A1 describes an electromagnetic actuating device that can generate a symmetrical bidirectional force.
  • the device comprises a housing made of a ferromagnetic material and a shaft made of a magnetically inert material which is moveable along an axis within the housing.
  • permanent magnets and an electromagnetic coil are arranged on a central part of the shaft on opposite inner end walls of the housing.
  • an electrical actuator which comprises a core and a cylindrical shell which is arranged around the core and defines an annular space therebetween, in which there is in turn a coil.
  • a DC amplifier transmits an excitation signal in response to a desired position signal.
  • the coil is designed to receive the excitation signal and, in response, generate a magnetic field proportional to the magnitude of the excitation signal causing movement of the coil or core relative to the other.
  • DE 102013 102400 A1 discloses an electromagnetic actuating device with a housing and an armature which can be moved between two end positions in the housing and which has two armature disks arranged at a distance from one another and an armature shaft.
  • two annular arrangements of permanent magnets polarized radially in the same direction to the axis are arranged between the armature disks, an annular coil which can be connected to a power source being arranged between the two permanent magnets.
  • the armature can be held in two end positions without energizing a coil and, by energizing the coil, can be moved from one end position it has assumed into the opposite end position.
  • the invention is based on the object of creating an electromagnetic Stellvor direction of the type mentioned, which is stable in both end positions without excitation with electricity and can absorb high holding forces at least in one end position.
  • the adjusting device should continue to be simple and inexpensive to manufacture.
  • the electromagnetic actuator comprises a housing, two spaced apart ferromagnetic pole pieces firmly connected to the housing, a mobile structure which can be moved along an axis in the housing between two end positions, is arranged between the pole pieces and comprises at least one magnet system is connected to a shaft axially displaceable in the housing, the magnet system being radially inner and radially outer pole bodies made of a material that conducts the magnetic flux, at least one arrangement of one or more radially polarized ones relative to the axis Includes permanent magnets and a ring-shaped coil that can be connected to a power source and forms an air gap system with axially variable air gaps with the pole pieces, the mobile structure being able to be held in each of the two end positions without energizing the coil and by energizing the coil from a respective end position to the opposite end position is movable.
  • the invention has the advantage over the prior art that the mobile structure can be held in both end positions without energizing the coil. If the mobile structure is to be moved into the opposite end position, the coil is energized. This enables the actuating device to be switched on and off quickly and easily. Furthermore, the use of only one coil contributes to low manufacturing costs and small size. Furthermore, the mobile structure with the magnetic components is securely embedded in the housing and thus protected from dynamic stress.
  • the permanent magnet can consist of individual magnets arranged in a ring, or it can also be designed in the form of a ring magnet.
  • the design of the shape of the permanent magnets or the permanent magnet is free - shapes such as ring-shaped, angular or the like are possible.
  • magnets made of sensitive magnetic materials, for example composite materials can be used, which enable high polarization values and field strengths.
  • the magnet system has an annular arrangement of permanent magnets which are radially polarized in the same direction and which are arranged on both sides of the coil.
  • the magnet system and the coil are designed to be rotationally symmetrical.
  • the magnet system has radially inner and radially outer pole bodies made of a material that conducts the magnetic flux.
  • the advantageous arrangement of the permanent magnets between pole bodies and immediately adjacent to the pole pieces enables high holding forces when the coil is not energized with current.
  • the magnet or magnets and the coil are arranged between pole bodies made of soft magnetic material, which, for example, can have the shape of rings.
  • the axial thickness of the pole shoes is preferably the same, but can also be different in order to achieve different holding forces in the two end positions.
  • the shaft is guided in slide bearings that are present in the pole pieces.
  • the housing of the actuating device which also forms the chamber in which the components of the actuating devices are present, is preferably made of a non-magnetic material in order to avoid scattering of the magnetic flux and to concentrate the flux on the mobile structure.
  • a particularly advantageous use of the adjusting device according to the invention comprises a motor spindle with a previously explained adjusting device which contains an electric motor in a spindle housing and a spindle that can be rotated by this and has a tool holder for a tool for workpiece machining, the spindle being designed as a hollow shaft and in their longitudinal bore a jig for Having clamping a tool or a tool holder, wherein the housing of the adjusting device is attached directly or indirectly to the spindle housing, and wherein the mobile structure can be brought into operative connection with an element of the clamping device that is axially displaceable in a longitudinal bore of the spindle and transmits a force and a movement the clamping device can move into a release position, which can be done in an advantageous embodiment with the assistance of a spring arranged around the shaft of the mobile structure or its plunger.
  • the present disclosure thus also includes the combination of a disclosed electrical actuating device with a motor spindle.
  • the adjusting device By using the adjusting device in a motor spindle, complex and often disadvantageous adjusting devices driven with pneumatic or hydraulic energy, which have since been customary for actuating tool clamping devices in motor spindles, can be dispensed with.
  • the aid of the adjusting device according to the invention with a suitable size and acceptable weight, sufficiently high adjusting forces can be achieved in order to compress the spring clamping sets of such tool clamping devices and to release the clamping device.
  • the holding forces required to hold the tool clamping device in the release position can also be generated with the aid of the permanent magnets, so that the coil only has to be actuated briefly to release the tool clamping device and to return to the clamping position. This means that quick changeover times can also be achieved.
  • a spring is arranged around the plunger so that the mobile structure can be moved into an end position against the spring force.
  • the spring can, depending on the design, the adjusting device Support when loosening the clamping device or when returning to the clamping position. This enables shorter changeover times.
  • the use according to the invention enables, in particular, motor spindles which require only one drive energy, namely electrical current, for clamping and releasing the tool and for driving the tool for performing machining operations.
  • the adjusting device can advantageously be attached directly to the motor spindle.
  • the adjusting device can in particular have means, such as, for example, bores or screw connections, which enable a quick and reversible connection to a motor spindle.
  • the invention also includes designs in which the actuating movement and actuating force is transmitted to the motor spindle by a mechanical transmission system, e.g. push-pull cable, or by a hydraulic transmission system, whereby the weight of the motor spindle can be kept small.
  • the adjusting device according to the invention can be used for various applications, such as clamping workpieces, quickly switching electrical contacts or for generating compressed air. Applications such as B., but not conclusively, workpiece clamps or table locks are possible.
  • Figure 1 shows a cross section through a preferred electromagnetic adjusting device
  • FIG. 2 is a schematic representation of a motor spindle with an electrical adjusting device
  • FIG. 3 shows the field lines when the coil is energized to generate an actuating force in a first direction
  • FIG. 4 shows the field lines when the coil is de-energized and the position is permanently magnetically held according to FIG. 3;
  • the electromagnetic actuating device shown in FIG. 1 comprises a pot-shaped housing 1.
  • the housing 1 can be designed in one piece or in several pieces and can comprise, for example, a cover and base that can be connected to a base body.
  • an armature mounted movably in the direction of the axis, which is composed of a shaft 2 and a mobile structure 3 fixedly connected to it, which are arranged between two rotationally symmetrical pole pieces 4, 5 fixedly connected to the housing 1.
  • the pole shoes 4, 5 have parallel side surfaces and have bores that accommodate a slide bearing for linear guidance of the shaft 2.
  • the front pole piece 4 can be fastened to the housing base by means of screw connections, for example.
  • the rear pole shoe 5 can, for example, be fixed in the housing 1 between a shoulder and a circumferential edge of the housing 1.
  • the mobile structure 3 is arranged in the space between the pole pieces 4, 5.
  • the mobile structure 3 can have an inner, annular pole body 6 and, at a radial distance therefrom, an outer, annular pole body 7.
  • the pole bodies 6, 7 can also be constructed in several parts.
  • a coil 8 In the space between the two pole bodies 6, 7 there is a coil 8 with at least one turn and a permanent magnet 9, 10 on each side of the coil 8.
  • the two permanent magnets 9, 10 are radial in the same direction and thus transverse to the direction of movement of the Armature polarizes and in one embodiment form, in particular with the pole bodies 6, 7 and the pole pieces 4, 5, a magnet system.
  • the permanent magnets 9, 10 are annular around the Pole body 6 arranged and can be designed as ring magnets or as an arrangement of co-polarized individual magnets. Other designs of the permanent magnets 9, 10, such as, for example, angular permanent magnets, are also possible.
  • the pole bodies 6, 7 and the permanent magnets 9, 10 can be firmly connected to one another.
  • the permanent magnets 9, 10 can also be arranged adjacent to one another on one side of the coil 8, or formed by a single permanent magnet of appropriate strength, for example a ring magnet.
  • An axially variable air gap L1, L2 of an air gap system is located between the mobile structure 3 and the pole shoes 4, 5.
  • the two pole bodies 6, 7 and the pole shoes 4, 5 consist of a material that conducts the magnetic flux well, in particular a soft magnetic material.
  • the shaft 2 can also consist of a magnetic flux-conducting material, but it is preferably made of a non-magnetic material in order to counteract a scattering of the flux.
  • the housing 1 is also made of non-magnetic material.
  • the mobile structure 3 can be held in its two end positions by the magnetic force of the permanent magnets 9, 10 with a comparatively high force.
  • the middle position of the mobile structure 3 with air gaps L1, L2 of the same size is unstable.
  • the coil 8 is briefly excited with a current, the direction of the current determining the direction of movement of the mobile structure 3.
  • FIG. 1 a preferred embodiment of the electrical actuating device is shown, in which the shaft 2 in the form of a tappet 11 protrudes through a cover 12 which is connected to the housing 1.
  • the lid 12 can over Screw connections or be connected to the housing 1 via an internal thread present in the housing.
  • Shank 2 and tappet 11 can be designed in one piece or in several pieces. The same applies to the shaft 2, which can also be made in one piece or in several parts.
  • a spring 13 can be arranged around the plunger 11, which spring is supported on a shoulder 14 in the cover 12 and on a circumferential edge 15 on the plunger 11.
  • the mobile structure 3 is moved in one direction or the other or in one or the other end position against the spring force of the spring 13, the spring 13 supporting the movement of the mobile structure 3 in the opposite end position.
  • the spring 13 can be designed as a tension or compression spring.
  • a bore 16 can be provided in the housing 1.
  • the electrical adjusting device can be used, for example, when changing a tool on a motor spindle 17, as shown schematically in FIG. This is only an exemplary use of the device, which is shown as an example.
  • the Stellvorrich device can be attached to an end of a spindle housing 19 facing away from a conical bore 18 for receiving a tool holder with the aid of the cover 12.
  • the end of the shaft 2 protruding from the cover can, in the form of the plunger 11, engage in a longitudinal bore in a spindle 20 and, in the retracted position of the mobile structure 3 in the housing 1, an end face of an element of a clamping device 22, in particular a plunger 21 of the clamping device 22 face each other at a small distance.
  • the tool holder can be tensioned by the tensioning device 22, for example with the aid of the force of cup springs.
  • the mobile structure 3 is held in the retracted position by the magnet system of permanent magnet 9 and pole piece 4 without the coil 8 being energized.
  • the coil 8 is excited with a current, by means of which, as shown in FIG will.
  • the shaft 2 with the plunger 11 is moved downward against the force of the disc springs so far that, for example, a clamping pin of a tool cone of the tool holder engaging in the conical bore 18 can be released by the clamping device 22 and the tool cone can be released.
  • the tool holder and the tool attached to it can be removed manually or automatically in this way.
  • the tool cone can either be attached directly to a machining tool or to the tool holder.
  • the coil 8 is de-energized and the release position of the tensioning device 22 is held against the force of the disc springs without energizing the coil 8 solely by the permanent magnets 9, 10, as shown in FIG. 3.
  • the coil 8 is energized in the opposite direction in order to clamp a new tool and, as shown in FIG. 4, the mobile structure 3 with the ram 11 is moved back.
  • the clamping spigot of the new tool is gripped by the clamping device 22 and clamped in the receptacle of the spindle 20.
  • the spring 13 can support the movement of the mobile structure 3. That is, if the spring 13 is designed as a compression spring, the mobile structure 3 is moved against the spring force of the spring 13 in the direction of the rear pole piece 5 and with the support of the spring force in the direction of the front pole piece 4.
  • the spring 13 can also be designed as a tension spring (not shown), so that the movement of the mobile structure 3 is supported in the opposite direction.
  • Figures 3 to 5 show the field lines of the magnetic flux in different operating states of the adjusting device. Shown here is in each case half the axial section of the parts conducting the magnetic flux.
  • the coil 8 is excited with a current of such a direction that it generates a coil field in the same direction as the field of the permanent magnets 9, 10. Both fields complement each other and produce a strong electromagnetic flux, which is deflected by the permanent magnet 9 and passed over the pole piece 4.
  • the field of the permanent magnets 9, 10 is weakened in the direction of the pole shoes 5.
  • a strong force acts on the mobile structure 3 in the direction of the arrow F, by means of which the mobile structure 3 is moved into the left end position.
  • Figure 4 shows the left end position of the mobile structure 3 after de-energization of the coil 8.
  • the permanent magnet 9 generates a strong field that the pole piece
  • the field of the permanent magnet 9 is additionally reinforced by part of the field of the permanent magnet 10. The one through the right pole piece
  • FIG. 5 shows the course of the magnetic flux when the coil 8 is excited with a current from the opposite direction in order to move the mobile structure in the opposite direction.
  • the coil field strengthens the field of the permanent magnet 9 and weakens the field of the permanent magnet 10 and the permanent magnet 10 directs the common flux from the coil 8 and the flux of the permanent magnet 9 to the pole piece 5, so that the mobile structure 3 is moved into the right end position.

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Abstract

Bei einer elektromagnetischen Stellvorrichtung mit einem Gehäuse (1) sind zwei in einem Abstand voneinander angeordnete, mit dem Gehäuse fest verbundene ferromagnetische Polschuhe (4, 5) und eine längs einer Achse in dem Gehäuse (1) zwischen zwei Endstellungen bewegbaren, zwischen den Polschuhen (4, 5) angeordneten und mindestens ein Magnetsystem umfassenden mobilen Struktur (3) vorgesehen. Die mobile Struktur (3) ist mit einem im Gehäuse (1) axial verschiebbaren Schaft (2) verbunden. Das Magnetsystem umfasst wenigstens eine Anordnung eines oder mehrerer zur Achse radial polarisierter Permanentmagnete (9, 10) und eine an eine Stromquelle anschließbare, ringförmige Spule (8) und bildet mit den Polschuhen (4, 5) ein Luftspaltsystem mit axial veränderlichen Luftspalten (L1, L2). Hierbei ist die mobile Struktur (3) ohne Erregung der Spule (8) in jeder der beiden Endstellungen festhaltbar und durch Erregung der Spule (8) aus einer jeweils eingenommenen Endstellung in die entgegengesetzte Endstellung bewegbar.

Description

ELEKTROMAGNETISCHE STELLVORRICHTUNG UND DEREN
VERWENDUNG
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem Gehäuse, zwei in einem Abstand voneinander angeordnete, mit dem Gehäuse fest verbundene ferromagnetische Polschuhe und einer längs einer Achse in dem Gehäuse zwischen zwei Endstellungen bewegbaren, zwischen den Polschuhen angeordneten und mindestens ein Magnetsystem umfassenden mobilen Struktur. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung mit einer Motorspindel.
Aus DE 197 12293 A1 ist eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung mit zwei zueinander beabstandeten und jeweils eine Erregerspule aufweisenden Magnetsystemen bekannt, zwischen denen eine mit einem Stellschaft fest verbundene Ankerscheibe angeordnet ist. Die Ankerscheibe befindet sich zwischen zwei entgegengesetzt wirkenden Federn und ist durch die Magnetsysteme in zwei Schaltpositionen bewegbar. Einem der Magnetsysteme ist ein in Bewegungsrichtung des Ankers polarisierter Permanentmagnet zugeordnet, der den Anker in unbestromtem Zustand in einer Schaltposition stabilisiert. Soll der Anker in der anderen Schaltposition gehalten werden, so ist dauerhaft Bestromung erforderlich.
Es ist weiterhin aus EP 0568028 A1 ein elektromagnetischer Linearmotor bestehend aus einem Anker, zwei inneren Polschuhen, zwei äußeren Polschuhen, zwei Permanentmagneten sowie einer Spule bekannt, wobei der Anker mit den inneren Polschuhen und den äußeren Polschuhen ein Luftspaltsystem aus vier in axialer Richtung veränderbaren magnetischen Luftspalten bildet, die in der Mittelstellung gleich groß sind. Die Permanentmagnete stabilisieren den Anker bei stromloser Spule in der Mittelstellung. Die Polschuhe sind halbschalenförmig ausgebildet und bilden mit den halbschalenförmigen Permanentmagneten zwei fest gepolte Magnetsysteme.
Ein elektromagnetischer Hubmagnet zur Erzielung hoher Haltekräfte in den stabilen Endlagen ist aus DE 10207828 B4 bekannt. Er besteht aus einem Stator mit zwei axial voneinander beabstandeten Magnetsystemen, die jeweils eine Erregerwicklung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Flusses aufweisen. Zwischen den beiden Magnetsystemen ist ein Anker geführt, der eine senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung polarisierte Dauermagnetanordnung zum dauerhaften Halten des Ankers ohne Bestromung der Erregerwicklung trägt. Die Dauermagnetanordnung liegt hierbei zwischen den beiden Erregerwicklungen, wodurch ihre Effektivität infolge von Streufluss beeinträchtigt wird. Außerdem kann das meist spröde Material der Dauermagnetanordnung durch stoßartige Bewegung des Ankers leiden.
US 2016 / 0293310 A1 beschreibt eine elektromagnetische Stellvorrichtung, die eine symmetrische bidirektionale Kraft erzeugen kann. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse aus einem ferromagnetischen Material und eine Welle aus einem magnetisch inerten Material, die entlang einer Achse innerhalb des Gehäuses beweglich vorliegt. In einem Aktuatortyp sind an gegenüberliegenden inneren Stirnwänden des Gehäuses Dauermagnete und eine elektromagnetische Spule an einem zentralen Teil der Welle angeordnet.
Aus US 5257014 A1 ist ein elektrischer Aktuator bekannt, der einen Kern und eine zylindrische Schale umfasst, die um den Kern herum angeordnet ist und einen Ringraum dazwischen definiert, in dem wiederum eine Spule vorliegt.
Ein Gleichstromverstärker überträgt ein Erregungssignal in Reaktion auf ein gewünschtes Positionssignal. Die Spule ist so ausgelegt, dass sie das Erregungssignal empfängt und als Reaktion darauf ein Magnetfeld erzeugt, das proportional zur Größe des Erregungssignals ist und eine Bewegung der Spule oder des Kerns relativ zum anderen verursacht. DE 102013 102400 A1 offenbart eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse zwischen zwei Endstellungen bewegbaren Anker, der zwei in einem Abstand voneinander angeordnete Ankerscheiben und einen Ankerschaft aufweist. In dem Gehäuse sind zwei ringförmige Anordnungen von zur Achse radial gleichsinnig polarisierten Permanentmagneten zwischen den Ankerscheiben angeordnet, wobei zwischen den beiden Permanentmagneten eine an eine Stromquelle anschließbare, ringförmigen Spule angeordnet ist. Der Anker ist ohne Erregung einer Spule in zwei Endstellungen festhaltbar und durch Erregung der Spule aus einer jeweils eingenommenen Endstellung in die entgegengesetzte Endstellung bewegbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Stellvor richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die in beiden Endstellungen ohne Erregung mit Strom stabil ist und zumindest in einer Endstellung hohe Haltekräfte aufnehmen kann. Die Stellvorrichtung soll weiterhin einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Stellvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Nach der Erfindung umfasst die elektromagnetische Stellvorrichtung ein Gehäuse, zwei in einem Abstand voneinander angeordnete, mit dem Gehäuse fest verbundene ferromagnetische Polschuhe, einer längs einer Achse in dem Gehäuse zwischen zwei Endstellungen bewegbaren, zwischen den Polschuhen angeordneten und mindestens ein Magnetsystem umfassenden mobilen Struktur, die mit einem im Gehäuse axial verschiebbaren Schaft verbunden ist, wobei das Magnetsystem radial innere und radial äußere Polkörper aus einem den magnetischen Fluss leitenden Material, wenigstens eine Anordnung eines oder mehrerer zur Achse radial polarisierter Permanentmagnete und eine an eine Stromquelle anschließbare, ringförmige Spule umfasst und mit den Polschuhen ein Luftspaltsystem mit axial veränderlichen Luftspalten bildet, wobei die mobile Struktur ohne Erregung der Spule in jeder der beiden Endstellungen festhaltbar ist und durch Erregung der Spule aus einer jeweils eingenommenen Endstellung in die entgegengesetzte Endstellung bewegbar ist.
Die Erfindung hat den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass die mobile Struktur in beiden Endstellungen ohne Erregung der Spule festhaltbar ist. Soll die mobile Struktur in die entgegengesetzte Endstellung bewegt werden, wird die Spule bestromt. Hierdurch ist eine einfache und schnelle Schaltung der Stellvorrichtung möglich. Weiterhin trägt die Verwendung nur einer Spule zu niedrigen Herstellkosten und geringer Baugröße bei. Ferner ist die mobile Struktur mit den magnetischen Bestandteilen sicher im Gehäuse eingebettet und dadurch vor dynamischer Beanspruchung geschützt.
Der Permanentmagnet kann bei einer Ausgestaltung der Stellvorrichtung aus ringförmig angeordneten Einzelmagneten bestehen oder auch in Form eines Ringmagneten ausgebildet sein. Die Gestaltung der Form der Permanentmagnete oder des Permanentmagnets ist frei - Formen wie zum Beispiel ringförmig, eckig oder dergleichen sind möglich. Weiterhin können Magnete aus empfindlichen Magnetwerkstoffen, beispielsweise Verbundwerkstoffen, verwendet werden, die hohe Polarisationswerte und Feldstärken ermöglichen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Magnetsystem eine ringförmige Anordnung von gleichsinnig radial polarisierten Permanentmagneten aufweist, die auf beiden Seiten der Spule angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das Magnetsystem und die Spule rotationssymmetrisch ausgebildet. Hiervon abweichende Gestaltungen sind aber ebenfalls möglich. Das Magnetsystem weist radial innere und radial äußere Polkörper aus einem den magnetischen Fluss leitenden Material auf. Die vorteilhafte Anordnung der Permanentmagnete zwischen Polkörpern und unmittelbar benachbart den Polschuhen ermöglicht hohe Haltekräfte, wenn die Spule nicht mit Strom erregt ist. Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind der Magnet oder die Magnete und die Spule zwischen Polkörpern aus weichmagnetischem Material angeordnet, welche zum Beispiel die Form von Ringen haben können. Die axiale Dicke der Polschuhe ist vorzugsweise gleich, kann aber auch unterschiedlich sein, um verschiedene Haltekräfte in den beiden Endlagen zu erzielen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Schaft in Gleitlagern geführt ist, die in den Polschuhen vorliegen.
Das Gehäuse der Stellvorrichtung, das auch die Kammer bildet, in der die Bestandteile der Stellvorrichtungen vorliegen, besteht nach der Erfindung vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material, um eine Streuung des magnetischen Flusses zu vermeiden und den Fluss auf die mobile Struktur zu konzentrieren.
Es ist bevorzugt, dass zwischen Gehäuse und äußerem Polkörper ein Luftspalt vorliegt. Hierdurch wird verhindert, dass es zwischen mobiler Struktur und Gehäuse zu Reibung kommt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass hier Gleitbuchsen oder sonstige Mittel vorliegen, die eine Bewegung der mobilen Struktur im Gehäuse unterstützen.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Stellvorrichtung nach der Erfindung umfasst eine Motorspindel mit einer zuvor erläuterten Stellvorrichtung, die in einem Spindelgehäuse einen Elektromotor und eine von diesem drehend antreibbare Spindel mit einer Werkzeugaufnahme für ein Werkzeug zur Werkstückbearbeitung enthält, wobei die Spindel als Hohlwelle ausgebildet ist und in ihrer Längsbohrung eine Spannvorrichtung zum Festspannen eines Werkzeugs oder eines Werkzeughalters aufweist, wobei das Gehäuse der Stellvorrichtung an dem Spindelgehäuse direkt oder indirekt befestigt ist, und wobei die mobile Struktur mit einem in einer Längsbohrung der Spindel axial verschiebbaren Element der Spannvorrichtung eine Kraft und eine Bewegung übertragend in Wirkverbindung bringbar ist und die Spann vorrichtung in eine Lösestellung bewegen kann, was in einer vorteilhaften Ausgestaltung unter Mitwirkung einer um den Schaft der mobilen Struktur bzw. deren Stößel angeordneten Feder erfolgen kann. Die gegenständliche Offenbarung umfasst somit auch die Kombination einer offenbarten elektrischen Stellvorrichtung mit einer Motorspindel. Die beschriebenen Vorteile der elektrischen Stellvorrichtung sind analog auf die Verwendung bzw. Kombination anzuwenden.
Durch die Verwendung der Stellvorrichtung in einer Motorspindel können aufwendige und vielfach als nachteilig angesehene, mit pneumatischer oder hydraulischer Energie angetriebene Stellvorrichtungen entfallen, die seither zur Betätigung von Werkzeugspannvorrichtungen in Motorspindeln üblich sind. Mit Hilfe der Stellvorrichtung nach der Erfindung lassen sich bei geeigneter Baugröße und akzeptablem Gewicht ausreichend hohe Stellkräfte erzielen, um die Federspannsätze solcher Werkzeugspannvorrichtungen zusammen zu drücken und die Spannvorrichtung zu lösen. Mit der Vorrichtung nach der Erfindung können außerdem die Haltekräfte, die zum Halten der Werkzeugspannvorrichtung in der Lösestellung erforderlich sind, mit Hilfe der Permanentmagnete erzeugt werden, so dass die Spule nur zum Lösen der Werkzeugspannvorrichtung und zum Zurückkehren in die Spannstellung kurzzeitig betätigt werden muss. Hierdurch sind auch schnelle Wechselzeiten erreichbar.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Feder um den Stößel angeordnet ist, so dass die mobile Struktur entgegen der Federkraft in eine Endstellung bewegbar ist. Die Feder kann, je nach Ausgestaltung, die Stellvorrichtung beim Lösen der Spannvorrichtung oder beim Zurückkehren in die Spannstellung unterstützen. Hierdurch sind kürzere Wechselzeiten möglich.
Die erfindungsgemäße Verwendung ermöglicht insbesondere Motorspindeln, die zum Spannen und Entspannen des Werkzeugs und zum Antrieb des Werkzeugs für die Durchführung von Bearbeitungsvorgängen nur eine Antriebsenergie, nämlich elektrischen Strom, benötigen.
Die Stellvorrichtung kann vorteilhafterweise unmittelbar an der Motorspindel angebracht werden. Hierfür kann die Stellvorrichtung insbesondere Mittel, wie beispielsweise Bohrungen oder Schraubverbindungen aufweisen, die eine schnelle und reversible Verbindung mit einer Motorspindel ermöglichen. Die Erfindung schließt aber auch Ausführungen ein, bei denen die Stellbewegung und Stellkraft durch ein mechanisches Übertragungssystem, z.B. Zug-Druck- Kabel, oder durch ein hydraulisches Übertragungssystem an die Motorspindel übertragen wird, wodurch das Gewicht der Motorspindel klein gehalten werden kann.
Neben der Verwendung mit einer Motorspindel kann die erfindungsgemäße Stellvorrichtung für verschiedene Anwendungen verwendet werden, wie z.B. dem Spannen von Werkstücken, dem schnellen Schalten von elektrischen Kontakten oder für die Erzeugung von Druckluft. Ferner sind Anwendungen wie z. B., jedoch nicht abschließend, Werkstückspanner oder Tischverriegelungen möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen
Figur 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte elektromagnetische Stellvorrichtung,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Motorspindel mit elektrischer Stellvorrichtung, Figur 3 eine Darstellung der Feldlinien bei bestromter Spule zur Erzeugung einer Stellkraft in einer ersten Richtung,
Figur 4 eine Darstellung der Feldlinien bei unbestromter Spule und permanentmagnetisch gehaltener Stellung gemäß Figur 3 und Figur 5 eine Darstellung der Feldlinien bei umgekehrt bestromter Spule zur Erzeugung einer Stellkraft in einer zweiten Richtung.
Die in Figur 1 gezeigte elektromagnetische Stellvorrichtung umfasst ein topfför miges Gehäuse 1. Das Gehäuse 1 kann einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein und beispielsweise einen mit einem Grundkörper verbindbaren Deckel und Boden umfassen. In dem Gehäuse 1 befindet sich ein in Richtung der Achse beweglich gelagerter Anker, der aus einem Schaft 2 und einer fest mit diesem verbundenen mobilen Struktur 3 zusammengesetzt ist, die zwischen zwei rotationssymmetrischen und mit dem Gehäuse 1 fest verbundenen Polschuhen 4, 5 angeordnet sind. Die Polschuhe 4, 5 haben parallele Seitenflächen und weisen Bohrungen auf, die ein Gleitlager zur linearen Führung des Schafts 2 beherbergen. Der vorderer Polschuh 4 kann beispielsweise mittels Schraubverbindungen an dem Gehäuseboden befestigt sein. Der hintere Polschuh 5 kann beispielsweise im Gehäuse 1 zwischen einem Absatz und einem umlaufenden Rand des Gehäuses 1 festgelegt sein.
In dem Zwischenraum zwischen den Polschuhen 4, 5 ist die mobile Struktur 3 angeordnet. Die mobile Struktur 3 kann in einer Ausgestaltung einen inneren, ringförmigen Polkörper 6 und in einem radialen Abstand von diesem einen äußeren, ringförmigen Polkörper 7 aufweisen. Die Polkörper 6, 7 können auch mehrteilig aufgebaut sein. In dem Raum zwischen den beiden Polkörpern 6, 7 befindet sich eine wenigstens eine Windung aufweisende Spule 8 und an beiden Seiten der Spule 8 jeweils ein Permanentmagnet 9, 10. Die beiden Permanentmagnete 9, 10 sind in gleicher Richtung radial und damit quer zur Bewegungsrichtung des Ankers polarisiert und bilden in einer Ausgestaltung insbesondere mit den Polkörpern 6, 7 und den Polschuhen 4, 5 ein Magnetsystem. Die Permanentmagnete 9, 10 sind ringförmig um den Polkörper 6 angeordnet und können als Ringmagnete oder auch als eine Anordnung von gleichsinnig polarisierten Einzelmagneten ausgebildet sein. Andere Gestaltungen der Permanentmagnete 9, 10, wie zum Beispiel eckige Permanentmagnete, sind ebenfalls möglich. Die Polkörper 6, 7 und die Permanentmagnete 9, 10 können fest miteinander verbunden sein.
Anstelle der zur Spule 8 symmetrischen Anordnung der Permanentmagnete 9, 10 können diese auch nebeneinander auf einer Seite der Spule 8 benachbart, angeordnet oder durch einen einzigen Permanentmagnet entsprechender Stärke, beispielsweise einen Ringmagnet, gebildet sein.
Zwischen der mobilen Struktur 3 und den Polschuhen 4, 5 befindet sich jeweils ein axial veränderlicher Luftspalt L1 , L2 eines Luftspaltsystems.
Die beiden Polkörper 6, 7 und die Polschuhe 4, 5 bestehen aus einem den magnetischen Fluss gut leitenden, insbesondere weichmagnetischen Material. Der Schaft 2 kann ebenfalls aus magnetischen Fluss leitendem Material bestehen, vorzugsweise besteht er jedoch aus nicht magnetischem Material, um einer Streuung des Flusses entgegen zu wirken. Das Gehäuse 1 besteht ebenfalls aus nicht magnetischem Material.
Bei der beschriebenen elektromagnetischen Stellvorrichtung kann die mobile Struktur 3 in ihren beiden Endstellungen durch die Magnetkraft der Permanentmagnete 9, 10 mit vergleichsweise hoher Kraft gehalten werden.
Die Mittelstellung der mobilen Struktur 3 mit gleich großen Luftspalten L1, L2 ist instabil. Um die mobile Struktur 3 in die eine oder andere Endstellung zu bewegen, wird die Spule 8 kurzzeitig mit einem Strom erregt, wobei die Stromrichtung die Bewegungsrichtung der mobilen Struktur 3 bestimmt.
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der elektrischen Stellvorrichtung dargestellt, bei der der Schaft 2 in Gestalt eines Stößels 11 einen Deckel 12 durchragt, der mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Der Deckel 12 kann über Verschraubungen oder über ein im Gehäuse vorliegendes Innengewinde mit dem Gehäuse 1 verbunden sein. Schaft 2 und Stößel 11 können einteilig oder mehrteilig gestaltet sein. Das gleiche gilt für den Schaft 2, der ebenfalls einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein kann.
Durch eine Bewegung der mobilen Struktur 3 bewegt sich der Stößel 11 in die entsprechende Richtung. Um den Stößel 11 kann eine Feder 13 angeordnet sein, die sich an einem Absatz 14 im Deckel 12 und an einem umlaufenden Rand 15 am Stößel 11 abstützt. Je nach Ausgestaltung der Feder wird die mobile Struktur 3 in die eine oder die andere Richtung bzw. in die eine oder andere Endstellung gegen die Federkraft der Feder 13 bewegt, wobei die Feder 13 die Bewegung der mobilen Struktur 3 in die entgegengesetzte Endstellung unterstützt. Die Feder 13 kann als Zug- oder Druckfeder ausgestaltet sein.
Um eine Stromversorgung der Spule 8 sicherzustellen, kann eine Bohrung 16 im Gehäuse 1 vorgesehen sein.
Die elektrische Stellvorrichtung kann beispielsweise beim Wechsel eines Werkzeuges bei einer Motorspindel 17 zum Einsatz kommen, wie schematisch in Figur 2 gezeigt. Hierbei handelt es sich nur um eine beispielhafte Verwendung der Vorrichtung, die exemplarisch dargestellt ist. Die Stellvorrich tung kann hierbei an einem von einer Kegelbohrung 18 zur Aufnahme eines Werkzeughalters abgekehrten Ende eines Spindelgehäuses 19 mit Hilfe des Deckels 12 befestigt sein. Das aus dem Deckel herausragende Ende des Schafts 2 kann in Gestalt des Stößels 11 in eine Längsbohrung in einer Spindel 20 eingreifen und in der in das Gehäuse 1 zurückgezogenen Stellung der mobilen Struktur 3 einer Stirnfläche eines Elements einer Spannvorrichtung 22, insbesondere eines Stößels 21 der Spannvorrichtung 22 mit geringem Abstand gegenüber stehen. In dieser beschriebenen Stellung der Stellvorrichtung kann der Werkzeughalter durch die Spannvorrichtung 22 zum Beispiel mit Hilfe der Kraft von Tellerfedern gespannt sein. Die mobile Struktur 3 ist ohne Erregung der Spule 8 durch das Magnetsystem aus Permanentmagnet 9 und Polschuh 4 in der zurückgezogenen Stellung gehalten.
Soll der Werkzeughalter mit einem daran befestigten Werkzeug gewechselt werden, so wird nach dem Stillsetzen der Spindel 20 die Spule 8 mit einem Strom erregt, durch den, wie in Figur 3 gezeigt, die mobile Struktur 3 in die aus dem Gehäuse 1 weiter herausgefahrene Stellung bewegt wird. Hierbei wird der Schaft 2 mit dem Stößel 11 entgegen der Kraft der Tellerfedern soweit nach unten bewegt, dass zum Beispiel ein in der Kegelbohrung 18 eingreifender Spannzapfen eines Werkzeugkegels des Werkzeughalters von der Spannvorrichtung 22 freigegeben und der Werkzeugkegel gelöst werden kann. Der Werkzeughalter und das daran befestigte Werkzeug können auf diese Weise von Hand oder automatisch entnommen werden. Der Werkzeugkegel kann entweder unmittelbar an einem Bearbeitungswerkzeug oder an dem Werkzeughalter angebracht sein.
Nach dem Lösen der Spannvorrichtung 22 wird die Spule 8 stromlos geschaltet und die Lösestellung der Spannvorrichtung 22 ohne Erregung der Spule 8 allein durch die Permanentmagnete 9, 10 wie in Figur 3 gezeigt, entgegen der Kraft der Tellerfedern gehalten.
Nach dem Einsetzen des neuen Werkzeugs in die Aufnahme der Spindel 20 wird zum Spannen eines neuen Werkzeugs die Spule 8 umgekehrt erregt und, wie in Figur 4 gezeigt, die mobile Struktur 3 mit dem Stößel 11 zurückbewegt. Mit Hilfe der Tellerfedern wird dabei der Spannzapfen des neuen Werkzeugs von der Spannvorrichtung 22 gegriffen und in Aufnahme der Spindel 20 festgespannt. Je nach Ausgestaltung der Feder 13, kann diese die Bewegung der mobilen Struktur 3 unterstützen. Das heißt, ist die Feder 13 als Druckfeder ausgestaltet, wird die mobile Struktur 3 entgegen der Federkraft der Feder 13 in Richtung des hinteren Polschuhs 5 und mit Unterstützung der Federkraft in Richtung des vorderen Polschuhs 4 bewegt. Die Feder 13 kann jedoch auch als Zugfeder ausgestaltet sein (nicht dargestellt), so dass die Bewegung der mobilen Struktur 3 entgegengesetzt unterstützt wird.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen die Feldlinien des magnetischen Flusses bei verschiedenen Betriebszuständen der Stellvorrichtung. Gezeigt ist hierbei jeweils der halbe Axialschnitt der den magnetischen Fluss leitenden Teile.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel ist die Spule 8 mit einem Strom von solcher Richtung erregt, dass er ein mit dem Feld der Permanentmagneten 9, 10 gleichsinniges Spulenfeld erzeugt. Beide Felder ergänzen sich und rufen einen starken elektromagnetischen Fluss hervor, der durch den Permanentmagneten 9 abgelenkt über den Polschuh 4 geleitet wird. Das Feld der Permanentmagnete 9, 10 wird in Richtung der Polschuhe 5 geschwächt. Auf die mobile Struktur 3 wirkt hierdurch eine starke Kraft in Richtung des Pfeils F, durch die die mobile Struktur 3 in die linke Endstellung bewegt wird.
Figur 4 zeigt die linke Endstellung der mobilen Struktur 3 nach Aberregung der Spule 8. Der Permanentmagnet 9 erzeugt ein starkes Feld, das den Polschuh
4 erfasst und die mobile Struktur 3 mit einer Kraft F in der Endstellung hält.
Das Feld des Permanentmagneten 9 wird zusätzlich durch einen Teil des Feldes des Permanentmagneten 10 verstärkt. Der durch den rechte Polschuh
5 geleitete Fluss des Permanentmagneten 10 ist durch den hier großen Luftspalt L2 stark geschwächt und daher kaum wirksam.
Figur 5 zeigt den Verlauf des magnetischen Flusses bei Erregung der Spule 8 mit einem Strom von umgekehrter Richtung, um die mobile Struktur in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Nun verstärkt das Spulenfeld das Feld des Permanentmagneten 9 und schwächt das Feld des Permanentmagneten 10 und der Permanentmagnet 10 lenkt den gemeinsamen Fluss von Spule 8 und Fluss des Permanentmagnets 9 zum Polschuh 5, so dass die mobile Struktur 3 in die rechte Endstellung bewegt wird.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem Gehäuse (1 ), zwei in einem Abstand voneinander angeordnete, mit dem Gehäuse fest verbundene ferromagnetische Polschuhe (4, 5), einer längs einer Achse in dem Gehäuse (1) zwischen zwei Endstellungen bewegbaren, zwischen den Polschuhen (4, 5) angeordneten und mindestens ein Magnetsystem umfassenden mobilen Struktur (3), die mit einem im Gehäuse (1) axial verschiebbaren Schaft (2) verbunden ist, wobei das Magnetsystem radial innere und radial äußere Polkörper (6, 7) aus einem den magnetischen Fluss leitenden Material, wenigstens eine Anordnung eines oder mehrerer zur Achse radial polarisierter Permanentmagnete (9, 10) und eine an eine Stromquelle anschließbare, ringförmige Spule (8) umfasst und mit den Polschuhen (4, 5) ein Luftspaltsystem mit axial veränderlichen Luftspalten (L1, L2) bildet, wobei die mobile Struktur (3) ohne Erregung der Spule (8) in jeder der beiden Endstellungen festhaltbar ist und durch Erregung der Spule (8) aus einer jeweils eingenommenen Endstellung in die entgegengesetzte Endstellung bewegbar ist.
2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem eine ringförmige Anordnung von gleichsinnig radial polarisierten Permanentmagneten (9, 10) aufweist, die auf beiden Seiten der Spule (8) angeordnet sind.
3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem und die Spule (8) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
4. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innerer Polkörper (6) in Form eines Rings sich innerhalb des Permanentmagnets oder der Permanentmagnete (9, 10) und der Spule (8) erstreckt.
5. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial äußerer Polkörper (7) den Permanentmagnet oder die Permanentmagnete (9, 10) und die Spule (8) ringförmig umgibt.
6. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Dicke der Polschuhe (4, 5) verschieden ist.
7. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (2) in Gleitlagern geführt ist, die in den Polschuhen (4, 5) vorliegen.
8. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus nicht magnetischem Material besteht.
9. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gehäuse (1) und äußerem Polkörper (7) ein Luftspalt vorliegt.
10. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (13) direkt oder indirekt auf den Schaft (2) derart einwirkt, dass die Bewegung der mobilen Struktur (3) in eine der Entstellungen entgegen der Federkraft der Feder erfolgt.
11. Verwendung einer Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Motorspindel (17), die in einem Spindelgehäuse (19) einen Elektromotor und eine von diesem drehend antreibbare Spindel (20) mit einer Werkzeugaufnahme für ein Werkzeug zur Werkstückbear beitung enthält, wobei die Spindel (20) als Hohlwelle ausgebildet ist und in ihrer Längsbohrung eine Spannvorrichtung (22) zum Festspannen eines Werkzeugs oder eines Werkzeughalters aufweist, wobei das Gehäuse (1 ) der Stellvorrichtung an dem Spindelgehäuse (19) direkt oder indirekt befestigt ist, und wobei die mobile Struktur (3) mit einem in einer Längsbohrung der Spindel (20) axial verschiebbaren Element (21 ) der Spannvorrichtung (22) eine Kraft und eine Bewegung übertragend in Wirkverbindung bringbar ist und die Spannvorrichtung (22) in eine Lösestellung bewegen kann.
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