WO2024003121A1 - Bistable actuator with a central yoke - Google Patents

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WO2024003121A1
WO2024003121A1 PCT/EP2023/067615 EP2023067615W WO2024003121A1 WO 2024003121 A1 WO2024003121 A1 WO 2024003121A1 EP 2023067615 W EP2023067615 W EP 2023067615W WO 2024003121 A1 WO2024003121 A1 WO 2024003121A1
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WO
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actuator
magnetic
flux guide
permanent magnet
magnet armature
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PCT/EP2023/067615
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Inventor
Michael Werner
Original Assignee
Rapa Automotive Gmbh & Co. Kg
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    • H01F2007/1669—Armatures actuated by current pulse, e.g. bistable actuators

Definitions

  • the present invention relates to a bistable actuator and a switching valve, in particular a pneumatic valve, and a shock absorber.
  • a PWM-controlled push/hold control is often used in order to achieve sufficiently high switching forces and short switching times on the one hand (“push” operation) and to realize corresponding leakage requirements or permanent closing forces on the other side (hold).
  • This electrical control also takes into account the highly non-linear force characteristic (force (current, stroke)) of the electromagnetic drive.
  • bistable actuators which keep the end positions (for example the "open” and “closed” positions of a switching valve) completely de-energized can.
  • bistable actuators generally use permanent magnets for this purpose.
  • the existing bistable concepts are often energetically inefficient and therefore require a lot of installation space and/or material costs. For example, they require two independent coils (spatially separate active circuits) and therefore increased amounts of copper.
  • Some actuators require mechanical springs to secure the end positions after the power is switched off or to support switching when the position is reversed, which is energetically unfavorable because the spring forces have to be compensated for with larger permanent magnets.
  • Drive systems based on Lorentz forces are often unsuitable for switching applications because the force characteristics are significantly smaller for the same size than with reluctance-based drives.
  • the object of the invention is to provide an actuator that is more energy-, space- and cost-efficient than known actuators, as well as a corresponding switching valve and a shock absorber.
  • the actuator or magnetic actuator according to the invention comprises a magnet armature that can be moved between a first and a second end position, in which the magnet armature remains without current (for example after reaching the respective end position). These are therefore stable end positions without current or a bistable actuator.
  • the magnet armature is the magnetic part of an actuating element of the actuator, which in the simplest case forms the movable or movable part of the actuator and, for example, includes the magnet armature and one or more non-magnetic components, such as a plunger or an adjusting rod.
  • the actuator further comprises a fixed, soft magnetic, in particular ferromagnetic (magnetic) flux guide element arrangement for forming a first and a second magnetic circuit in the actuator according to the invention. Both magnetic circuits flow through the magnet armature at the same time. The magnet armature is therefore part of both magnetic circuits (at every point along the travel path, between both end positions). Accordingly, both magnetic circuits are changed by moving the magnet armature.
  • the magnetic flux resistance of the first magnetic circuit is usually minimal or the magnetic conductivity is maximum (based on different positions of the magnet armature along the travel distance between the two end positions).
  • the magnetic flux resistance of the second magnetic circuit is generally minimal.
  • Both magnetic circuits are flowed through in opposite directions, which means that the direction of rotation of the magnetic field lines of the two magnetic circuits is in opposite directions (at least in the case of no current).
  • the closed field lines (through the flux guide element arrangement and the magnet armature) run clockwise in one of the magnetic circuits (in a radial cross section through the actuator along the actuator axis) and counterclockwise in the other magnetic circuit.
  • Each magnetic circuit preferably has at least one permanent magnet.
  • the (fixed and soft magnetic) flux guide element arrangement further comprises a flux guide section common to both magnetic circuits, through which both magnetic circuits or the flux lines of both magnetic circuits flow together (at least in the de-energized case) and which is also fixed and comprises or consists of soft magnetic material.
  • the flux lines of both opposing magnetic circuits run in the same direction in the common flux guide section, that is, they point in the same or essentially in the same direction and / or are directed in the same direction or in the same direction, and point, for example, towards the magnet armature or away from the magnet armature .
  • the flux lines of both magnetic circuits preferably run parallel or essentially parallel in the common flux-guiding section (that is, apart from, for example, the edge regions of the common flux-guiding section).
  • the (fixed) common flow control section is also referred to as a fixed yoke or middle yoke.
  • the magnet armature moves in a straight line or linearly and axially, that is, along a longitudinal axis of the actuator, which is referred to below as the actuator longitudinal axis or actuator axis. It is then a linear actuator.
  • the inventive provision of two magnetic circuits with a common flux guide section makes it possible to create two stable end positions of the magnet armature without current, thereby realizing relatively high holding forces without having to provide mechanical springs, for example. This minimizes the forces required to switch the actuator and thus reduces the necessary installation space, the amount of material used and the energy required during operation.
  • the first magnetic circuit is an active magnetic circuit and/or the second magnetic circuit is a passive magnetic circuit.
  • the first magnetic circuit encloses or its flux-conducting sections of the flux-conducting element arrangement enclose an (electro-magnetically) active element, in particular a magnetic coil, which is designed to (at least) control the magnetic flux in the first, active magnetic circuit, usually by energizing the magnetic coil , to influence.
  • the second magnetic circuit or its flux-conducting sections of the flux-conducting element arrangement do not enclose a magnetic coil and/or an electromagnetically active or electromagnetically magnetic flux-generating element.
  • the passive magnetic circuit encloses a cavity.
  • the entire actuator has exactly one magnetic coil, which surrounds the first, active magnetic circuit or its flux-guiding sections of the flux-guiding element arrangement.
  • the magnetic coil (or the active element) is (structurally) enclosed by (exactly) those flux guiding sections of the fixed flux guiding element arrangement which create the first magnetic circuit (that is, in the simplest case, flow lines of the first magnetic circuit flow through it), i.e. also by that, for example common river control section.
  • Energizing the coil then allows control of at least the magnetic flux in the first magnetic circuit.
  • the magnetic flux of the second magnetic circuit is usually also influenced to at least a lesser extent.
  • the magnetic flux generated by the first permanent magnet is weakened or strengthened in the first, active magnetic circuit. If the magnet armature is in the first end position and is to be switched to the second end position, the magnetic flux in the first magnetic circuit is reduced by the current supply to the coil and thus the holding force in the first end position is reduced until the attractive forces of the second magnetic circuit move in the direction of the second End position predominates (negative holding force) and the magnet armature moves to the second end position.
  • the current supply is switched off again, for example, when the second end position is reached.
  • the magnet armature remains in the second end position even without or after switching off the current, since the second magnetic circuit is closed there or the magnetic conductivity of the second magnetic circuit is maximized and the attractive force on the magnet armature generated by the second magnetic circuit is greater than the force of the opened, first magnetic circuit directed in the direction of the first end position. This results in a resulting holding force that holds the magnet armature in the second end position.
  • the magnetic flux and thus the magnetic force in the first magnetic circuit is increased by the current supply to the coil and at the same time the resulting holding force in the second end position is reduced until the attractive forces of the first Magnetic circuit in the direction of the first end position predominate (negative holding force) and the magnet armature moves into the first end position.
  • the current supply is switched off again, for example, when the first end position is reached.
  • the magnet armature remains in the first end position even without or after switching off the current, since the first magnetic circuit is closed there or the magnetic conductivity of the first magnetic circuit is maximized and the attractive force on the magnet armature generated by the first magnetic circuit is greater than the force of the opened, second magnetic circuit directed in the direction of the second end position. This results in a resulting holding force that holds the magnet armature in the first end position.
  • the passive magnetic circuit therefore makes the use of a mechanical return spring unnecessary and allows the material and installation space requirements to be minimized to provide the desired holding forces in the end positions and to generate the forces necessary for switching the actuator.
  • the passive magnetic circuit makes the provision of a second magnetic coil unnecessary, which also saves material costs, for example for the copper of the coil winding of a second coil.
  • the common flux guide section generally encloses the magnet armature (in a cross section through the actuator axis) and is preferably rotationally or rotationally symmetrical about the actuator axis (with an n-fold rotational symmetry with n > 1 and integer, for example 2, 3, 4, 6, 8, 12) and/or as a (cylindrical) ring, in particular as a one-piece or continuous (cylindrical) ring made of a homogeneous material and/or as an independent, separate component within the flow guide element arrangement.
  • the common flow guide section can also be designed in several pieces, for example from a large number of preferably identical ring segments, which preferably directly border one another, but can also be spaced apart if necessary.
  • the (radial) inside of the ring is preferably a cylindrical surface, which means that the surface normal at every point is also a radial ray to or from the actuator axis.
  • the ring preferably also has flat axial end faces or end faces and/or a (radial) outside, which is also a cylindrical surface, so that the ring is a cylindrical or cylindrical ring.
  • the common flux guide section is preferably arranged radially between the magnet armature and an outer section of the flux guide element arrangement, in particular a concentric pipe section.
  • the common flux guide section additionally has a constant axial thickness between the magnet armature and the outer section, i.e. over its entire radial extent, and particularly preferably has flat axial end faces.
  • the (axial) thickness or the axial dimension of the common flux guide section is, for example depending on the desired force characteristic, smaller, equal to or greater than a stroke of the magnet armature and is, for example, in the range between 50% and 200% of the stroke and / or is, for example 50%, 80%, 100%, 120%, 150% or 200% of the stroke, whereby each of the stated values can also represent an upper or lower limit of the stated value range.
  • the common flux guide section is preferably spaced from the magnet armature (only) by a radial gap, which can be filled with a non-magnetic material.
  • the common flux guide section is arranged magnetically immediately adjacent to the magnet armature, that is, without any other magnetically relevant, intermediate components.
  • the radial gap is preferably in the range between 0.1 mm and 1.5 mm and/or is, for example, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.8, 0.9, 1 ,0, 1.1, 1.2, 1.3 or 1.5 mm, whereby each of the values mentioned can also represent an upper or lower limit of the value range mentioned.
  • the common flow guide section abuts directly, that is to say preferentially without a gap or distance, preferably over the entire radial or cylindrical outside on the outer (tube) section of the flow guide element arrangement.
  • the two magnetic circuits preferably flow through the common flux guide section radially or essentially radially (at least in the case of no current and apart from, for example, the edge regions of the common flux guide section).
  • the common flux guide section correspondingly directs the flux lines radially out of the magnet armature or into the magnet armature and thus magnetically connects the magnet armature to the outer (tube) section of the flux guide element arrangement.
  • each of the two magnetic circuits preferably has at least one (integrated) permanent magnet for magnetically acting on the respective magnetic circuit. It is conceivable that these permanent magnets are each arranged in the fixed flux guide element arrangement.
  • a permanent magnet arrangement is a cylindrical ring or a cylindrical disk, in particular a one-piece or continuous ring/disc made of a homogeneous material.
  • a permanent magnet arrangement can also be designed in several pieces, for example from a large number of preferably identical ring or disk segments, which preferably directly border one another, but can also be spaced apart from one another if necessary.
  • a preferably constant (axial) thickness or the axial dimension of the first and/or second permanent magnet arrangement is, for example, in the range between 1.0 and 3.0 mm and/or is, for example, 1.0, 1.5, 2.0, 2 .5 or 3.0 mm, whereby each of the stated values can also represent an upper or lower limit of the stated value range.
  • the first and second permanent magnet arrangements are each opposite and axially magnetized, so that the same poles of the permanent magnet arrangements (along the actuator axis) face each other.
  • the permanent magnet arrangements are axially spaced, preferably by a soft magnetic anchor or carrier element.
  • this axially intermediate anchor element is a cylindrical ring or a cylindrical disk, in particular a one-piece ge(r) or continuous ring/disc made of a homogeneous, soft magnetic material.
  • a permanent magnet arrangement can also be designed in several pieces, for example consisting of a large number of preferably identical ring or disk segments, which preferably directly border one another and/or are firmly connected to one another, but can also be spaced apart from one another if necessary.
  • the axial thickness of the anchor element is preferably equal to or greater than the stroke of the magnet armature and/or equal to or greater than the axial thickness of the common flux guide section and is, for example, in the range between 100% and 300% of the stroke and/or is, for example, 100%, 125 %, 200% or 300% of the stroke, whereby each of the stated values can also represent an upper or lower limit of the stated value range.
  • the radial outside of the armature element is also the radially outermost side of the magnet armature and/or the anchor element forms the radially outermost element of the magnet armature.
  • the radial outer sides of the permanent magnet arrangements are preferably arranged flush with or further inside than the radial outer side of the anchor element in the radial direction.
  • the radial gap of the actuator is measured between the armature element of the magnet armature and the common flux guide section.
  • the permanent magnet arrangements directly adjoin the anchor element and are arranged, for example, on (the two) mutually pointing away axial flat end faces of the anchor element.
  • the anchor element of the magnet armature and the common flux guide section are at least partially opposite each other at every point in the travel path of the magnet armature.
  • the one cylindrical (radial) inside of the common flux guide section is preferably arranged at least partially radially opposite the anchor element of the common flux guide section along the entire stroke of the magnet armature and/or is only spaced apart by the radial gap.
  • Center planes of the permanent magnet arrangements are preferably located over the entire stroke of the magnet armature, that is, over the entire travel distance of the actuator and thus in both end positions, each exclusively on different axial sides of a center plane of the common flux guide section.
  • a center plane of the first permanent magnet arrangement is located in both end positions (that is, over the entire stroke of the magnet armature or over the entire travel distance of the actuator) on a first side of a center plane of the common flux guide section and a center plane of the second permanent magnet arrangement is located in both end positions a second side of the center plane of the common flow control section, different from the first side.
  • the axial end faces/surfaces of the permanent magnet arrangements also form the axial end faces/surfaces of the magnet armature.
  • the intermediate anchor element forms, for example, the only soft magnetic component of the magnet armature and/or no further components are arranged on the axial end face/surface of the permanent magnet arrangements facing away from the intermediate anchor element.
  • the magnet armature preferably consists of the two permanent magnet arrangements and the intermediate soft magnetic armature element and thus, in the simplest case, of exactly three one-piece components.
  • This first variant has the advantage that the magnetic flux of the permanent magnet arrangements is used with maximum efficiency for the respective magnetic circuits and the volume and strength of the permanent magnet arrangements can be minimized accordingly.
  • a soft magnetic, preferably disc-shaped or ring-shaped further element or shielding element is arranged on the axial end face/surface of the first and/or second permanent magnet arrangement facing away from the intermediate anchor element.
  • the shielding element preferably covers the entire axial end face of the respective permanent magnet arrangement or at least 90%, 70% or 50% of this area and is preferably formed in one piece.
  • the shielding element may shield the magnetic flux generated by the respective permanent magnet arrangement somewhat and thus reduces the magnetic flux in the respective magnetic circuit (for example in the case of no current).
  • this also shields the permanent magnet arrangement itself from external magnetic fluxes, in particular from the magnetic flux generated by a coil of the actuator (see also below), so that as a result, lower local flux densities occur on the permanent magnet arrangement itself and advantageously an irreversible demagnetization of the Permanent magnet arrangement can be avoided.
  • This then makes it possible to choose a lower and more cost-effective demagnetization or temperature class for the permanent magnet arrangement in the second variant (compared to the first variant or the variant without a shielding element).
  • Such a shielding element is preferably provided (only) for the first permanent magnet arrangement or in the active magnetic circuit.
  • the axial end face/surface of the second permanent magnet arrangement also forms the axial end face/surface of the magnet armature and is accordingly exposed without a shielding element.
  • This variant takes into account the fact that the coil on the second permanent magnet arrangement (the passive magnetic circuit) generates a lower magnetic flux than on the first permanent magnet arrangement (the active magnetic circuit). This variant minimizes the weight and component costs of the magnet armature and at the same time offers good or sufficient protection against irreversible demagnetization.
  • a preferably constant (axial) thickness of the shielding element is preferably less than or equal to an axial thickness of the respective permanent magnet arrangement and is, for example, in the range between 50% and 100% of the thickness of the respective permanent magnet arrangement and/or is, for example, 50%, 70%, 80% , 90% or 100% of the thickness of the respective permanent magnet arrangement, whereby each of the values mentioned can also represent an upper or lower limit of the value range mentioned.
  • the thickness of the shielding element is, for example, in the range between 0.5 and 1.5 mm and/or is, for example, 1.5, 1.0 or 1.5 mm, with each of the values mentioned also being an upper or lower limit of the value range mentioned can represent.
  • the shielding element covers the entire surface of the respective (for example first) permanent magnet arrangement, that is, the entire end face of the permanent magnet arrangement.
  • the shielding element can contain (continuous) recesses or can consist of several (non-connected) components, in particular cylindrical rings. exist, wherein the shielding element (or its components) overlap at least the inner edge and the outer edge of the permanent magnet arrangement (in the axial direction). This protects the radial edge areas of the permanent magnet arrangement (on the inside and outside diameter) that are particularly at risk of irreversible demagnetization and at the same time minimizes the moving mass.
  • the shielding element and the anchor element are preferably structurally and/or magnetically directly or indirectly connected to one another and/or fastened to one another - via (exactly or at least) a connecting element (different from the permanent magnet arrangement).
  • a connecting element different from the permanent magnet arrangement.
  • the shielding element and the anchor element directly border one another or border one or more soft magnetic or non-magnetic components and are firmly and/or magnetically connected to one another.
  • an additional (one-piece, cylindrical or ring-shaped) connecting element made of a soft magnetic material is provided, to which the anchor element and the shielding element (area) directly adjoins or abuts, so that the magnetic flux between the shielding element and the anchor element is favored and / or the magnetic resistance between the shielding element and the anchor element is reduced.
  • fastening means can be provided on or in the anchor element, the connecting element and/or the shielding element.
  • the connecting element is a ring component which has the same thickness as the permanent magnet arrangement and is arranged, for example, on the inside of the permanent magnet arrangement.
  • Ferromagnetic iron and/or iron oxide-based alloys and materials are preferably used as the material for the soft magnetic elements of the actuator (anchor element, shielding element, connecting element, etc.).
  • the material for the permanent magnet arrangement is, for example, "N40SH” (NdFeB magnets with 40 MGOe energy and the temperature or demagnetization class "SH" (150° C)) or materials with the temperature class “UH” (180°C), “EH” (200°C) or “AH” (220°C).
  • N40SH NdFeB magnets with 40 MGOe energy and the temperature or demagnetization class "SH" (150° C)
  • AH AH
  • the actuator preferably has a higher holding force in the first end position than in the second end position.
  • the first permanent magnet arrangement preferably at least partially opposes the common flux guide section in the first end position in the radial direction and only the intermediate anchor element in the second end position.
  • the first and second axial end faces of the magnet armature are each designed as first and second flat end faces and / or the flux guide element arrangement has a flux guide section in the form of a first yoke with a flat end face, which in the first end position is separated from the first end face of the magnet armature by a first axial gap is spaced, and / or a flux guide section in the form of a second yoke with a flat end face, which is spaced in the second end position from the second end face of the magnet armature by a second axial gap.
  • the first and second yokes are each part of the first and second magnetic circuits, respectively, and the first and second yokes lead the flux lines axially out of the magnet armature or towards the magnet armature.
  • a yoke preferably covers the entire axial end face of the magnet armature or the respective permanent magnet arrangement or at least 90%, 70% or 50% of the area of the axial end face of the magnet armature or the respective permanent magnet arrangement.
  • the axial gaps in the respective end positions of the movable magnet armature are as small as possible. They are preferably each less than 1.5 mm and/or are, for example, less than 0.5, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3 or 1, 5mm.
  • the first and second axial gaps are different or the same size.
  • the actuator is preferably designed to be rotationally or rotationally symmetrical about the actuator axis (with an n-fold rotational symmetry with n > 1 and integers, for example 2, 3, 4, 6, 8, 12).
  • the invention further comprises a switching valve, preferably a pneumatic valve, with an actuator as described above.
  • the switching valve is preferably closed when the magnet armature of the actuator is in the first end position, and opened when the magnet armature of the actuator is in the second end position. This ensures a high holding force in the closed valve position, so that leakage requirements can also be met, for example.
  • the switching valve is preferably designed as a seat valve and/or as a 2/2 valve.
  • the invention further comprises a shock absorber with exactly or at least one switching valve according to the invention, which preferably opens and closes or switches on an air chamber in the shock absorber, the air chamber preferably creating an additional volume for an air spring or an air spring volume of the shock absorber.
  • the present invention further develops the bistable electromagnetic actuator concept with compression spring reset/safety and replaces the energetically unfavorable return spring with a second, purely passive magnetic circuit.
  • the active bidirectional drive can be significantly reduced in terms of installation space and material costs (in particular the amount of copper and the permanent magnet volume), since the energetically unfavorable return spring no longer needs to be additionally compensated for in the magnetically closed or, in this case, first end position (“clamping energy compensation”).
  • the restoring force of the passive magnetic circuit is much smaller compared to the restoring force of a mechanical spring in the first end position, since the restoring forces of the passive magnetic circuit decrease when the magnet armature is moved towards the first end position, while the restoring forces of a mechanical spring decrease when the magnet armature is displaced increase towards the corresponding (magnetically closed) end position.
  • the two permanent magnets used to create the two magnetic circuits are installed in the magnet armature in order to create a bidirectionally polarized element or a bidirectionally polarized magnet armature, whereby the installation space required for the magnet armature can be optimally utilized in terms of material technology.
  • the inventive combination of active and passive magnetic circuits, each with a permanent magnet in the magnet armature, also results in a significantly smaller actuator due to the material saved (compared to known bistable concepts).
  • the actuator is also significantly cheaper because the drive components can be designed to be simpler (simple magnetic rings/discs or a larger number of tool-related parts). Nevertheless, the structurally smaller drive according to the invention meets the same requirements and, for example, achieves the same holding forces.
  • both magnetic circuits can be designed largely independently of one another and thus, for example, the holding forces in the end positions can be specifically adapted to the respective application.
  • An important design parameter here is the strength of the permanent magnets in the magnet armature, which largely determines the holding forces in the end stops or end positions.
  • the axial position of the common flux guide section or the middle yoke (middle magnetic flux return element) also significantly shifts the force ratios in the first and second magnetic circuits.
  • the magnetic field or magnetic flux electrically generated by the coil can, depending on the orientation and position of the permanent magnet arrangement in the magnetic circuit, lead to strong demagnetizing effects (directed in the opposite direction to the impressed magnetization direction of the permanent magnet arrangement ) Magnetic fields or flux densities at the location of the permanent magnet arrangement. These can irreversibly damage the magnetic polarization J of the permanent magnets in the permanent magnet arrangement depending on its temperature and the strength of the external magnetic flux applied (irreversible or spontaneous demagnetization). This makes the actuator partially ineffective and, in the worst case, unusable.
  • the critical function value at which this so-called “spontaneous” or irreversible demagnetization occurs is known to be the coercive field strength of the polarization, which is strongly dependent on the temperature.
  • the actuator In order to protect the permanent magnet arrangement from such demagnetization, the actuator must be designed so that the permanent magnet material does not experience such a strong demagnetizing field, which in turn depends on the material used for the permanent magnet arrangement. If this is not possible or not provided for in the valve (for example in the first variant mentioned above; without a shielding element), permanent magnets with a specially resistant material mixture must be used with regard to the coercive field strength of the polarization. However, such special material mixtures are associated with high costs.
  • temperature class This material classes are usually identified by special letter identifiers behind the energy classification of the permanent magnets. These terms are often referred to as “temperature class” because they describe the temperature up to which a typical permanent magnet can be used (passively) without experiencing spontaneous demagnetization. However, no additional demagnetizing fields are taken into account, so this “temperature class” can only be seen as an indication.
  • the permanent magnets are exposed to high demagnetizing fields, which also pose a risk of up to 120 ° C due to the typically high operating temperatures of the actuators (e.g. in valves and shock absorbers). of spontaneous demagnetization.
  • a shielding element that is, for the first variant, at least "N40SH” magnets (NdFeB magnets with 40 MGOe energy and the temperature/demagnetization class "SH”) are preferably used in order to function as intended at least at room temperature.
  • this higher material category up to around 150°C may not be enough to protect the magnets at 120°C.
  • the permanent magnets are structurally protected against demagnetization with the help of the shielding element and, if necessary, the connecting element.
  • the shielding element is, as mentioned, a soft or ferromagnetic element in the form of a ring or a plate (eg a stamped iron plate, in particular tool-free), which is attached at least in front of the permanent magnet arrangement of the active magnetic circuit.
  • a connecting element as described above is preferably provided between the anchor element and the shielding element. With this structure, the more cost-effective temperature class “H” is preferably used.
  • Figures 1A and 1B show schematic, radial cross sections through a first exemplary embodiment of the actuator according to the invention
  • Figures 2A and 2B show schematic, radial cross sections through a second exemplary embodiment of the actuator according to the invention.
  • Figure 3 shows an exemplary embodiment of a switching valve according to the invention.
  • FIG. 1A and 1B show a radial cross-sectional view through a first exemplary embodiment of the actuator 10 according to the invention, starting from the actuator axis 20.
  • the actuator 10 comprises an actuator which can be moved linearly along the actuator axis 20 and comprises a plunger 30 and a magnet armature 40.
  • the magnet armature 40 consists of a first annular permanent magnet 41 and a second disk-shaped permanent magnet 42, each of which has an axial and opposite magnetization , so that a bidirectionally magnetized component results.
  • the magnet armature 40 also includes an intermediate anchor or carrier element 43 made of a soft magnetic material.
  • the actuator 10 further comprises a fixed flow guide element arrangement 50 with a first yoke 51, a second yoke 52, an outer tube section 53 and a central yoke 54, all of which are made of soft magnetic material.
  • the middle yoke 54 is a ring component.
  • first magnetic circuit 81 This creates (in the de-energized case) a first magnetic circuit 81, the flux lines of which run through the first permanent magnet 41, the first yoke 51, the outer tube section 53, the middle yoke 54 and the anchor element 43.
  • second magnetic circuit 82 is created, the flux lines of which run through the second permanent magnet 42, the second yoke 52, the outer tube section 53, the middle yoke 54 and the anchor element 43.
  • the actuator 10 includes a magnetic coil 60, which is surrounded by the first magnetic circuit 81, which is referred to as the active magnetic circuit.
  • the magnet armature 40 is in the first end position, so that the axial end face of the magnet armature 40 formed by the first permanent magnet 41 is spaced from the first yoke 51 by a first axial gap 71. Accordingly, the first magnetic circuit is closed or its magnetic conductivity is maximized, which is indicated by the round arrow in the first magnetic circuit 81.
  • the magnet armature 40 is in the second end position, so that the axial end face of the magnet armature 40 formed by the second permanent magnet 42 is spaced from the second yoke 52 by a second axial gap 72. Accordingly, the second magnetic circuit is closed or its magnetic conductivity is maximized, which is indicated by the round arrow in the second magnetic circuit 82.
  • the magnet armature 40 can then be moved between the first and second end positions.
  • the current supply is, for example, a current pulse of 10 amperes (which, with 100 coil turns, corresponds to a total current supply of 1000 ampere turns) with a duration of between 300 and 800 milliseconds.
  • the coil 60 is energized in such a way that the magnetic flux in the first magnetic circuit is weakened, so that the holding force in the first end position is overcome and the magnet armature moves into the second end position.
  • FIGS. 2A and 2B A second exemplary embodiment of the actuator 10 is shown in FIGS. 2A and 2B. This differs from the first exemplary embodiment in that an additional shielding element 44 is provided in the magnet armature 40 on the end face of the first permanent magnet 41 facing away from the armature element 43. In the exemplary embodiment shown, the annular shielding element 44 covers the entire axial end face of the first permanent magnet 41.
  • the first permanent magnet 41 On the radial inside of the first permanent magnet 41 there is an optional soft magnetic element (connecting element 45), which magnetically connects the shielding element 44 to the anchor element 43.
  • the shielding element 44 optionally in conjunction with the soft magnetic connecting element 45, the first permanent magnet 41 is, so to speak, "buried” in soft magnetic material and is thereby shielded in particular from the magnetic field of the coil 60, so that on the first permanent magnet 41, in comparison with the first exemplary embodiment, only less local magnetic field strengths occur. Accordingly, this embodiment is less critical to irreversible demagnetization of the permanent magnet 41 and therefore allows the use of permanent magnets that are less stable to irreversible demagnetization, that is, permanent magnets with a lower temperature and/or demagnetization class.
  • a shielding element 44 is also provided on the end face of the second permanent magnet 42 facing away from the anchor element 43.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a pneumatic switching valve 100 is shown in FIG. This includes the actuator 10, on whose tappet 20 a valve body 101 is permanently mounted. In the first end position of the actuator 10, the valve body 101 closes a valve seat 102 of the valve 100. In the state shown in FIG. 3, the actuator 10 is in the second end position in which the switching valve is open.

Abstract

The invention relates to an actuator (10) having a magnet armature (40), which can be moved between a first and a second stable end position, and having a flux guiding element arrangement (50) for forming a first and a second magnetic circuit (81, 82), the two magnetic circuits flowing through the magnet armature and current flowing through the two magnetic circuits in opposite directions, and the flux guiding element arrangement having a common flux guiding section (54) through which the two magnetic circuits flow together. The invention also relates to a switching valve (100) and to a shock absorber.

Description

BISTABILER AKTUATOR MIT MITTENJOCH BISTABLE ACTUATOR WITH CENTER YOKE
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bistabilen Aktuator sowie ein Schaltventil, insbesondere ein Pneumatikventil, und einen Stoßdämpfer. The present invention relates to a bistable actuator and a switching valve, in particular a pneumatic valve, and a shock absorber.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Bei elektromagnetischen Aktuatoren für Schaltventile (z.B. für pneumatische Anwendungen wie Luftfedern in Stoßdämpfern) und ähnliche Zwecke wird häufig eine PWM-geregelte Push/Hold Ansteuerung verwendet, um ausreichend hohe Schaltkräfte und kurze Schaltzeiten auf der einen Seite (,,Push“-Betrieb) und entsprechende Leckageanforderungen oder dauerhafte Schließkräfte auf der anderen Seite (Hold) zu realisieren. Diese elektrische Ansteuerung trägt auch der stark nichtlinearen Kraftkennlinie (Kraft(Strom,Hub)) des elektromagnetischen Antriebs Rechnung. For electromagnetic actuators for switching valves (e.g. for pneumatic applications such as air springs in shock absorbers) and similar purposes, a PWM-controlled push/hold control is often used in order to achieve sufficiently high switching forces and short switching times on the one hand ("push" operation) and to realize corresponding leakage requirements or permanent closing forces on the other side (hold). This electrical control also takes into account the highly non-linear force characteristic (force (current, stroke)) of the electromagnetic drive.
Im Hinblick auf die steigenden Anforderungen an immer geringeren Bauraum, Materialkosten und Energieverbrauch, bis hin zum völlig energieloses Halten der Endpositionen, sind sogenannte bistabile Aktuatoren bekannt, welche die Endlagen (beispielsweise die Positionen "offen" und "geschlossen" eines Schaltventils) völlig stromlos halten können. Derartige bistabile Aktuatoren verwenden hierzu in der Regel Permanentmagnete. In view of the increasing requirements for ever smaller installation space, material costs and energy consumption, right up to the completely energy-free holding of the end positions, so-called bistable actuators are known, which keep the end positions (for example the "open" and "closed" positions of a switching valve) completely de-energized can. Such bistable actuators generally use permanent magnets for this purpose.
Die existierenden bistabilen Konzepte sind jedoch häufig energetisch ineffizient und fallen deshalb Bauraum- und/oder Materialkosten-intensiv aus. Beispielsweise benötigen sie zwei unabhängige Spulen (räumlich getrennte aktive Kreise) und damit erhöhte Kupfermengen. Manche Aktuatoren benötigen mechanische Federn zur Sicherung der Endlagen nach Abschaltung des Stromes oder zur Schaltunterstützung bei Positionsumkehr, was energetisch ungünstig ist, weil die Federkräfte mit größeren Permanentmagneten kompensiert werden müssen. Antriebssysteme auf Basis von Lorentzkräften wiederum sind für Schaltanwendungen häufig ungeeignet, weil die Kraftkennlinien bei gleicher Baugröße deutlich kleiner sind als bei reluktanzbasierten Antrieben. However, the existing bistable concepts are often energetically inefficient and therefore require a lot of installation space and/or material costs. For example, they require two independent coils (spatially separate active circuits) and therefore increased amounts of copper. Some actuators require mechanical springs to secure the end positions after the power is switched off or to support switching when the position is reversed, which is energetically unfavorable because the spring forces have to be compensated for with larger permanent magnets. Drive systems based on Lorentz forces, on the other hand, are often unsuitable for switching applications because the force characteristics are significantly smaller for the same size than with reluctance-based drives.
Das am Weitesten verbreitete Konzept ist ein bistabiler Magnetkreis mit starkem Permanentmagneten zur Sicherung der einen Endlage. Eine bidirektionale Spule in Verbindung mit einer Rückstellfeder, welche die andere Endlage sichert, ermöglicht dann ein Schalten zwischen den beiden stabilen Positionen. Diese Bauform hat allerdings den Nachteil, dass die Rückstellfeder im geschlossenen Zustand des Magnetkreises gespannt ist. Damit muss der Permanentmagnet im geschlossenen Zustand neben den angestrebten Aktuatorschließkräften auch die (gespannte) Rückstellfeder komplett kompensieren (sogenannte "Spannenergiekompensation"). Dadurch muss dieser deutlich größer dimensioniert werden, als er sein müsste, um (nur) die eigentlich erforderliche Haltekraft bereitzustellen. Da dieser Permanentmagnet aber weiterhin in Reihe im aktiven Magnetkreis eingebunden werden muss, damit er mit dem Spulenstrom beeinflusst (geschwächt oder unterstützt) werden kann, muss aufgrund seiner geringen Permeabilität auch eine erheblich größere notwendige Durchflutung und damit mehr Kupfer eingesetzt werden. Insgesamt ist in dem resultierenden Aktuator somit viel Material erforderlich, um an den beiden Endlagen die gewünschten Haltekräfte zu realisieren. The most widespread concept is a bistable magnetic circuit with a strong permanent magnet to secure one end position. A bidirectional coil in conjunction with a The return spring, which secures the other end position, then enables switching between the two stable positions. However, this design has the disadvantage that the return spring is tensioned when the magnetic circuit is closed. In the closed state, the permanent magnet must therefore completely compensate for the (tensioned) return spring in addition to the desired actuator closing forces (so-called "clamping energy compensation"). This means that it has to be dimensioned significantly larger than it would have to be in order to provide (only) the actually required holding force. However, since this permanent magnet must still be integrated in series in the active magnetic circuit so that it can be influenced (weakened or supported) with the coil current, due to its low permeability, a significantly larger necessary flow and therefore more copper must be used. Overall, a lot of material is required in the resulting actuator in order to achieve the desired holding forces at the two end positions.
Alternative Konzepte mit zwei Spulen und einem Magneten haben den offensichtlichen Nachteil den doppelten Bedarf an Kupfer und Platz zu benötigen. Alternative concepts with two coils and one magnet have the obvious disadvantage of requiring twice the amount of copper and space.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es einen Aktuator anzugeben, der energie-, bauraum- und kosteneffizienter als bekannte Aktuatoren ist, sowie ein entsprechendes Schaltventil und einen Stoßdämpfer. The object of the invention is to provide an actuator that is more energy-, space- and cost-efficient than known actuators, as well as a corresponding switching valve and a shock absorber.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Aktuator, ein Schaltventil und einen Stoßdämpfer mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben. The task is solved by an actuator, a switching valve and a shock absorber with the features of the independent claims. Preferred refinements and further developments are specified in the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Aktuator bzw. Magnetaktuator umfasst einen zwischen einer ersten und einer zweiten Endlage verfahrbaren Magnetanker, in denen der Magnetanker (beispielsweise nach dem Erreichen der jeweiligen Endlage) ohne Bestromung verbleibt. Es handelt sich somit um unbestromt stabile Endlagen bzw. um einen bistabilen Aktuator. Dabei ist der Magnetanker der magnetische Teil eines Stellelements des Aktuators, welches im einfachsten Fall den verfahrbaren bzw. beweglichen Teil des Aktuators bildet und beispielsweise den Magnetanker und ein oder mehrere nicht-magnetische Bauteile, wie beispielsweise einen Stößel oder eine Stellstange, umfasst. Erfindungsgemäß umfasst der Aktuator weiterhin eine feststehende, weichmagnetische, insbesondere ferromagnetische (Magnet-)Flussleitelementanordnung zur Ausbildung eines ersten und eines zweiten Magnetkreises in dem erfindungsgemäßen Aktuator. Beide Magnetkreise durchfließen zugleich den Magnetanker. Der Magnetanker ist somit (an jeder Stelle der Verfahrstrecke, zwischen beiden Endlagen) Teil beider Magnetkreise. Entsprechend werden beide Magnetkreise durch ein Verfahren des Magnetanker verändert. The actuator or magnetic actuator according to the invention comprises a magnet armature that can be moved between a first and a second end position, in which the magnet armature remains without current (for example after reaching the respective end position). These are therefore stable end positions without current or a bistable actuator. The magnet armature is the magnetic part of an actuating element of the actuator, which in the simplest case forms the movable or movable part of the actuator and, for example, includes the magnet armature and one or more non-magnetic components, such as a plunger or an adjusting rod. According to the invention, the actuator further comprises a fixed, soft magnetic, in particular ferromagnetic (magnetic) flux guide element arrangement for forming a first and a second magnetic circuit in the actuator according to the invention. Both magnetic circuits flow through the magnet armature at the same time. The magnet armature is therefore part of both magnetic circuits (at every point along the travel path, between both end positions). Accordingly, both magnetic circuits are changed by moving the magnet armature.
In der ersten Endlage ist in der Regel der magnetische Flusswiderstand des ersten Magnetkreises minimal bzw. die magnetische Leitfähigkeit maximal (bezogen auf unterschiedliche Positionen des Magnetankers entlang der Verfahrs trecke zwischen beiden Endlagen). Ebenso ist in der zweiten Endlage in der Regel der magnetische Flusswiderstand des zweiten Magnetkreises minimal. Beide Magnetkreise werden gegensinnig durchflossen, das heißt die Umlaufsrichtung der Magnetfeldlinien der beiden Magnetkreise ist (zumindest im unbestromten Fall) gegenläufig. Mit anderen Worten verlaufen (in einem radialen Querschnitt durch den Aktuator entlang der Aktuatorachse) in einem der Magnetkreise die geschlossenen Feldlinien (durch die Flussleitelementanordnung und den Magnetanker) im Uhrzeigersinn und in dem anderen Magnetkreis im Gegenuhrzeigersinn. Dabei weist bevorzugt jeder Magnetkreis zumindest einen Permanentmagnet auf. In the first end position, the magnetic flux resistance of the first magnetic circuit is usually minimal or the magnetic conductivity is maximum (based on different positions of the magnet armature along the travel distance between the two end positions). Likewise, in the second end position, the magnetic flux resistance of the second magnetic circuit is generally minimal. Both magnetic circuits are flowed through in opposite directions, which means that the direction of rotation of the magnetic field lines of the two magnetic circuits is in opposite directions (at least in the case of no current). In other words, the closed field lines (through the flux guide element arrangement and the magnet armature) run clockwise in one of the magnetic circuits (in a radial cross section through the actuator along the actuator axis) and counterclockwise in the other magnetic circuit. Each magnetic circuit preferably has at least one permanent magnet.
Erfindungsgemäß umfasst die (feststehende und weichmagnetische) Flussleitelementanordnung weiterhin einen beiden Magnetkreisen gemeinsamen Flussleitabschnitt, der von beiden Magnetkreisen bzw. von den Flusslinien beider Magnetkreise (zumindest im unbestromten Fall) gemeinsam durchflossen wird und ebenfalls feststehend ist und weichmagnetisches Material umfasst bzw. daraus besteht. Die Flusslinien von beiden gegensinnigen Magnetkreisen verlaufen im gemeinsamen Flussleitabschnitt gleichsinnig, das heißt sie zeigen dort in die gleiche bzw. im Wesentlichen in die gleiche Richtung und/oder sind gleich gerichtet bzw. gleichläufig, und zeigen beispielsweise auf den Magnetanker zu oder von dem Magnetanker weg. Bevorzugt verlaufen die Flusslinien beider Magnetkreise in dem gemeinsamen Flussleitabschnitt parallel oder im Wesentlichen parallel (das heißt abgesehen von beispielsweise den Randbereichen des gemeinsamen Flussleitabschnitts). Entsprechend grenzen die Magnetkreise bzw. die Flusslinien der Magnetkreise (in dem gemeinsamen Flussleitabschnitt) unmittelbar aneinander. Der (feststehende) gemeinsamen Flussleitabschnitt wird auch als feststehendes Joch oder Mittenjoch bezeichnet. Der Magnetanker verfährt im einfachsten Fall geradlinig bzw. linear und axial, das heißt entlang einer Längsachse des Aktuators, die im Folgenden als Aktuatorlängsachse bzw. Aktuatorachse bezeichnet wird. Es handelt sich dann entsprechend um einen Linearaktuator. According to the invention, the (fixed and soft magnetic) flux guide element arrangement further comprises a flux guide section common to both magnetic circuits, through which both magnetic circuits or the flux lines of both magnetic circuits flow together (at least in the de-energized case) and which is also fixed and comprises or consists of soft magnetic material. The flux lines of both opposing magnetic circuits run in the same direction in the common flux guide section, that is, they point in the same or essentially in the same direction and / or are directed in the same direction or in the same direction, and point, for example, towards the magnet armature or away from the magnet armature . The flux lines of both magnetic circuits preferably run parallel or essentially parallel in the common flux-guiding section (that is, apart from, for example, the edge regions of the common flux-guiding section). Accordingly, the magnetic circuits or the flux lines of the magnetic circuits (in the common flux guide section) directly border one another. The (fixed) common flow control section is also referred to as a fixed yoke or middle yoke. In the simplest case, the magnet armature moves in a straight line or linearly and axially, that is, along a longitudinal axis of the actuator, which is referred to below as the actuator longitudinal axis or actuator axis. It is then a linear actuator.
Das erfindungsgemäße Vorsehen von zwei Magnetkreisen mit einem gemeinsamen Flussleitabschnitt gestattet es zwei unbestromt stabile Endlagen des Magnetankers zu schaffen, hierbei relativ hohe Haltekräfte zu realisieren, ohne beispielsweise mechanische Federn vorsehen zu müssen. Dies minimiert die für das Schalten des Aktuators notwendigen Kräfte und reduziert somit den notwendigen Bauraum, den Materialaufwand und den Energiebedarf im Betrieb. The inventive provision of two magnetic circuits with a common flux guide section makes it possible to create two stable end positions of the magnet armature without current, thereby realizing relatively high holding forces without having to provide mechanical springs, for example. This minimizes the forces required to switch the actuator and thus reduces the necessary installation space, the amount of material used and the energy required during operation.
Bevorzugt ist (genau bzw. nur) der erste Magnetkreis ein aktiver Magnetkreis und/oder der zweite Magnetkreis ein passiver Magnetkreis. Der erste Magnetkreis umschließt bzw. dessen Flussleitabschnitte der Flussleitelementanordnung umschließen ein (elektro-magnetisch) aktives Element, insbesondere eine Magnetspule, das/die dazu eingerichtet ist, (zumindest) den Magnetfluss in dem ersten, aktiven Magnetkreis, in der Regel durch Bestromung der Magnetspule, zu beeinflussen. Dagegen umschließt der zweite Magnetkreis bzw. dessen Flussleitabschnitte der Flussleitelementanordnung keine Magnetspule und/oder kein elektro-magnetisch aktives bzw. elektro-magnetisch Magnetfluss-erzeugendes Element. Im einfachsten Fall umschließt der passive Magnetkreis einen Hohlraum. Preferably (exactly or only) the first magnetic circuit is an active magnetic circuit and/or the second magnetic circuit is a passive magnetic circuit. The first magnetic circuit encloses or its flux-conducting sections of the flux-conducting element arrangement enclose an (electro-magnetically) active element, in particular a magnetic coil, which is designed to (at least) control the magnetic flux in the first, active magnetic circuit, usually by energizing the magnetic coil , to influence. In contrast, the second magnetic circuit or its flux-conducting sections of the flux-conducting element arrangement do not enclose a magnetic coil and/or an electromagnetically active or electromagnetically magnetic flux-generating element. In the simplest case, the passive magnetic circuit encloses a cavity.
Bevorzugt weist der gesamte Aktuator genau eine Magnetspule auf, die der erste, aktive Magnetkreis umschließt bzw. dessen Flussleitabschnitte der Flussleitelementanordnung. Preferably, the entire actuator has exactly one magnetic coil, which surrounds the first, active magnetic circuit or its flux-guiding sections of the flux-guiding element arrangement.
Dabei wird die Magnetspule (bzw. das aktive Element) von (genau) denjenigen Flussleitabschnitten der feststehenden Flussleitelementanordnung (baulich) umschlossen, die den ersten Magnetkreis schaffen (das heißt im einfachsten Fall von Flusslinien des ersten Magnetkreises durchflossen werden), also beispielsweise auch von dem gemeinsam Flussleitabschnitt. The magnetic coil (or the active element) is (structurally) enclosed by (exactly) those flux guiding sections of the fixed flux guiding element arrangement which create the first magnetic circuit (that is, in the simplest case, flow lines of the first magnetic circuit flow through it), i.e. also by that, for example common river control section.
Die Bestromung der Spule gestattet dann die Steuerung zumindest des Magnetflusses in dem ersten Magnetkreis. Durch die unmittelbare Nachbarschaft beider Magnetkreise an bzw. über den gemeinsamen Flussleitabschnitt wird in der Regel allerdings auch der Magnetfluss des zweite Magnetkreises in zumindest geringerem Ausmaße beeinflusst. Je nach Stromrichtung wird der von dem ersten Permanentmagneten erzeugte Magnetfluss im ersten, aktiven Magnetkreis geschwächt oder gestärkt. Befindet sich der Magnetanker in der ersten Endlage und soll in die zweite Endlage geschaltet werden, so wird der Magnetfluss im ersten Magnetkreis durch die Bestromung der Spule verringert und somit die Haltekraft in der ersten Endlage reduziert, bis die Anziehungskräfte des zweiten Magnetkreises in Richtung der zweiten Endlage überwiegen (negative Haltekraft) und der Magnetanker in die zweite Endlage verfährt. Die Bestromung wird beispielsweise bei Erreichen der zweiten Endlage wieder abgeschaltet. Der Magnetanker verbleibt auch ohne bzw. nach dem Abschalten der Bestromung in der zweiten Endlage, da dort der zweite Magnetkreis geschlossen ist bzw. die magnetische Leitfähigkeit des zweiten Magnetkreises maximiert wird und die anziehende, durch den zweiten Magnetkreis erzeugte Kraft auf den Magnetanker größer ist als die in Richtung der ersten Endlage gerichtete Kraft des geöffneten, ersten Magnetkreises. Somit ergibt sich eine resultierende Haltekraft, die den Magnetanker in der zweiten Endlage hält. Energizing the coil then allows control of at least the magnetic flux in the first magnetic circuit. However, due to the immediate proximity of both magnetic circuits on or via the common flux guide section, the magnetic flux of the second magnetic circuit is usually also influenced to at least a lesser extent. Depending on the direction of the current, the magnetic flux generated by the first permanent magnet is weakened or strengthened in the first, active magnetic circuit. If the magnet armature is in the first end position and is to be switched to the second end position, the magnetic flux in the first magnetic circuit is reduced by the current supply to the coil and thus the holding force in the first end position is reduced until the attractive forces of the second magnetic circuit move in the direction of the second End position predominates (negative holding force) and the magnet armature moves to the second end position. The current supply is switched off again, for example, when the second end position is reached. The magnet armature remains in the second end position even without or after switching off the current, since the second magnetic circuit is closed there or the magnetic conductivity of the second magnetic circuit is maximized and the attractive force on the magnet armature generated by the second magnetic circuit is greater than the force of the opened, first magnetic circuit directed in the direction of the first end position. This results in a resulting holding force that holds the magnet armature in the second end position.
Befindet sich der Magnetanker in der zweiten Endlage und soll in die erste Endlage geschaltet werden, so wird der Magnetfluss und damit die Magnetkraft im ersten Magnetkreis durch die Bestromung der Spule erhöht und gleichzeitig die resultierende Haltekraft in der zweiten Endlage reduziert, bis die Anziehungskräfte des ersten Magnetkreises in Richtung der ersten Endlage überwiegen (negative Haltekraft) und der Magnetanker in die erste Endlage verfährt. Die Bestromung wird beispielsweise bei Erreichen der ersten Endlage wieder abgeschaltet. Der Magnetanker verbleibt auch ohne bzw. nach dem Abschalten der Bestromung in der ersten Endlage, da dort der erste Magnetkreis geschlossen ist bzw. die magnetische Leitfähigkeit des ersten Magnetkreises maximiert wird und die anziehende, durch den ersten Magnetkreis erzeugte Kraft auf den Magnetanker größer ist als die in Richtung der zweiten Endlage gerichtete Kraft des geöffneten, zweiten Magnetkreises. Somit ergibt sich eine resultierende Haltekraft, die den Magnetanker in der ersten Endlage hält. If the magnet armature is in the second end position and is to be switched to the first end position, the magnetic flux and thus the magnetic force in the first magnetic circuit is increased by the current supply to the coil and at the same time the resulting holding force in the second end position is reduced until the attractive forces of the first Magnetic circuit in the direction of the first end position predominate (negative holding force) and the magnet armature moves into the first end position. The current supply is switched off again, for example, when the first end position is reached. The magnet armature remains in the first end position even without or after switching off the current, since the first magnetic circuit is closed there or the magnetic conductivity of the first magnetic circuit is maximized and the attractive force on the magnet armature generated by the first magnetic circuit is greater than the force of the opened, second magnetic circuit directed in the direction of the second end position. This results in a resulting holding force that holds the magnet armature in the first end position.
Der passive Magnetkreis macht die Verwendung einer mechanischen Rückstellfeder somit überflüssig, gestattet eine Minimierung des Material- und Bauraumaufwands zum Bereitstellen der gewünschten Haltekräfte in den Endlagen und zur Erzeugung der für das Schalten des Aktuators notwendigen Kräfte. Zudem macht der passive Magnetkreis das Vorsehen einer zweiten Magnetspule überflüssig, womit auch hier Materialkosten, beispielsweise für das Kupfer der Spulenwicklung einer zweiten Spule, eingespart werden. The passive magnetic circuit therefore makes the use of a mechanical return spring unnecessary and allows the material and installation space requirements to be minimized to provide the desired holding forces in the end positions and to generate the forces necessary for switching the actuator. In addition, the passive magnetic circuit makes the provision of a second magnetic coil unnecessary, which also saves material costs, for example for the copper of the coil winding of a second coil.
Der gemeinsame Flussleitabschnitt umschließt (in einem Querschnitt durch die Aktuatorachse) in der Regel den Magnetanker und ist bevorzugt um die Aktuatorachse rotations- oder drehsymmetrisch (mit einer n-zähligen Drehsymmtrie mit n > 1 und ganzzahlig, beispielsweise 2, 3, 4, 6, 8, 12) und/oder als (zylindrischer) Ring ausgebildet, insbesondere als einstückiger bzw. durchgehender (zylindrischer) Ring aus einem homogenen Material und/oder als eigenständiges, separates Bauteil innerhalb der Flussleitelementanordnung. Alternativ kann der gemeinsame Flussleitabschnitt auch mehrstückig ausgebildet sein, beispielsweise aus einer Vielzahl von bevorzugt identischen Ringsegmenten, die bevorzugt unmittelbar aneinander grenzen, gegebenenfalls aber auch beabstandet sein können. Dabei ist die (radiale) Innenseite des Rings bevorzugt eine Zylinderfläche, das heißt Oberflächennormale ist an jeder Stelle zugleich auch ein Radialstrahl der bzw. zur Aktuatorachse. Weiterhin weist der Ring bevorzugt auch ebene axiale Stirnseiten bzw. Stirnflächen und/oder eine (radiale) Außenseite auf, die ebenfalls eine Zylinderfläche ist, so dass der Ring ein zylindrischer bzw. zylinderförmiger Ring ist. The common flux guide section generally encloses the magnet armature (in a cross section through the actuator axis) and is preferably rotationally or rotationally symmetrical about the actuator axis (with an n-fold rotational symmetry with n > 1 and integer, for example 2, 3, 4, 6, 8, 12) and/or as a (cylindrical) ring, in particular as a one-piece or continuous (cylindrical) ring made of a homogeneous material and/or as an independent, separate component within the flow guide element arrangement. Alternatively, the common flow guide section can also be designed in several pieces, for example from a large number of preferably identical ring segments, which preferably directly border one another, but can also be spaced apart if necessary. The (radial) inside of the ring is preferably a cylindrical surface, which means that the surface normal at every point is also a radial ray to or from the actuator axis. Furthermore, the ring preferably also has flat axial end faces or end faces and/or a (radial) outside, which is also a cylindrical surface, so that the ring is a cylindrical or cylindrical ring.
Der gemeinsame Flussleitabschnitt ist bevorzugt radial zwischen dem Magnetanker und einem äußeren Abschnitt der Flussleitelementanordnung, insbesondere einem konzentrischen Rohrabschnitt, angeordnet. The common flux guide section is preferably arranged radially between the magnet armature and an outer section of the flux guide element arrangement, in particular a concentric pipe section.
Bevorzugt weist der gemeinsame Flussleitabschnitt zusätzlich zwischen Magnetanker und dem äußeren Abschnitt durchgehend, das heißt über seine gesamte radiale Ausdehnung, eine gleichbleibende axiale Dicke auf und dabei besonders bevorzugt ebene axiale Stirnseiten. Die (axiale) Dicke bzw. die axiale Abmessung des gemeinsamen Flussleitabschnitts ist, beispielsweise in Abhängigkeit der gewünschten Kraftkennlinie, kleiner, gleich oder größer als ein Hub des Magnetankers und liegt beispielsweise im Bereich zwischen 50% und 200% des Hubs und/oder beträgt beispielsweise 50%, 80%, 100%, 120%, 150% oder 200% des Hubs, wobei jeder der genannten Werte auch eine Ober- oder Untergrenze des genannten Wertebereichs darstellen kann. Der Hub des Magnetankers liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 5,0 mm und/oder beträgt beispielsweise 0,5, 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0 oder 5,0 mm, wobei jeder der genannten Werte auch eine Ober- oder Untergrenze des genannten Wertebereichs darstellen kann. Preferably, the common flux guide section additionally has a constant axial thickness between the magnet armature and the outer section, i.e. over its entire radial extent, and particularly preferably has flat axial end faces. The (axial) thickness or the axial dimension of the common flux guide section is, for example depending on the desired force characteristic, smaller, equal to or greater than a stroke of the magnet armature and is, for example, in the range between 50% and 200% of the stroke and / or is, for example 50%, 80%, 100%, 120%, 150% or 200% of the stroke, whereby each of the stated values can also represent an upper or lower limit of the stated value range. The stroke of the magnet armature is, for example, in the range between 0.5 mm and 5.0 mm and/or is, for example, 0.5, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 or 5.0 mm, whereby each of the stated values can also represent an upper or lower limit of the stated value range.
Der gemeinsame Flussleitabschnitt ist bevorzugt von dem Magnetanker (nur) durch einen Radialspalt beabstandet, der mit einem nicht-magnetischen Material gefüllt sein kann. Der gemeinsame Flussleitabschnitt ist entsprechend dem Magnetanker magnetisch unmittelbar benachbart angeordnet, das heißt ohne weitere magnetisch relevante, zwischenliegende Bauteile. Der Radialspalt liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,5 mm und/oder beträgt beispielsweise 0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3 oder 1,5 mm, wobei jeder der genannten Werte auch eine Ober- oder Untergrenze des genannten Wertebereichs darstellen kann. Auf seiner Außenseite stößt der gemeinsame Flussleitabschnitt dagegen unmittelbar, das heißt bevorzugt ohne Spalt oder Abstand, bevorzugt über der gesamten radialen bzw. zylindrischen Außenseite an den äußeren (Rohr-)Abschnitt der Flussleitelementanordnung. The common flux guide section is preferably spaced from the magnet armature (only) by a radial gap, which can be filled with a non-magnetic material. The common flux guide section is arranged magnetically immediately adjacent to the magnet armature, that is, without any other magnetically relevant, intermediate components. The radial gap is preferably in the range between 0.1 mm and 1.5 mm and/or is, for example, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.8, 0.9, 1 ,0, 1.1, 1.2, 1.3 or 1.5 mm, whereby each of the values mentioned can also represent an upper or lower limit of the value range mentioned. On its outside, the common flow guide section abuts directly, that is to say preferentially without a gap or distance, preferably over the entire radial or cylindrical outside on the outer (tube) section of the flow guide element arrangement.
Der gemeinsame Flussleitabschnitt wird von beiden Magnetkreisen bevorzugt radial bzw. im Wesentlichen radial (zumindest im unbestromten Fall und abgesehen von beispielsweise den Randbereichen des gemeinsamen Flussleitabschnitts) durchflossen. Der gemeinsame Flussleitabschnitt leitet entsprechend die Flusslinien radial aus dem Magnetanker aus bzw. in den Magnetanker ein und verbindet somit magnetisch den Magnetanker mit dem äußerem (Rohr-)Abschnitt der Flussleitelementanordnung. The two magnetic circuits preferably flow through the common flux guide section radially or essentially radially (at least in the case of no current and apart from, for example, the edge regions of the common flux guide section). The common flux guide section correspondingly directs the flux lines radially out of the magnet armature or into the magnet armature and thus magnetically connects the magnet armature to the outer (tube) section of the flux guide element arrangement.
Wie bereits erwähnt weist bevorzugt jeder der beiden Magnetkreise zumindest einen (integrierten) Permanentmagneten zur magnetischen Beaufschlagung des jeweiligen Magnetkreises auf. Es ist denkbar, dass diese Permanentmagneten jeweils in der feststehenden Flussleitelementanordnung angeordnet sind. As already mentioned, each of the two magnetic circuits preferably has at least one (integrated) permanent magnet for magnetically acting on the respective magnetic circuit. It is conceivable that these permanent magnets are each arranged in the fixed flux guide element arrangement.
Bevorzugt sind sie jedoch auf dem Magnetanker angeordnet, so dass allgemein der Magnetanker eine erste und eine zweite Permanentmagnetanordnung, jeweils für den ersten und den zweiten Magnetkreis, aufweist. Eine Permanentmagnetanordnung ist im einfachsten Fall ein zylindrischer Ring oder eine zylindrische Scheibe, insbesondere ein(e) einstückige(r) bzw. durchgehende^) Ring/Scheibe aus einem homogenen Material. Alternativ kann eine Permanentmagnetanordnung auch mehrstückig ausgebildet sein, beispielsweise aus einer Vielzahl von bevorzugt identischen Ring- oder Scheibensegmenten, die bevorzugt unmittelbar aneinander grenzen, gegebenenfalls aber auch voneinander beabstandet sein können. Eine bevorzugt gleichbleibende (axiale) Dicke bzw. die axiale Abmessung der ersten und/oder zweiten Permanentmagnetanordnung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1,0 und 3,0 mm und/oder beträgt beispielsweise 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 oder 3,0 mm, wobei jeder der genannten Werte auch eine Ober- oder Untergrenze des genannten Wertebereichs darstellen kann. However, they are preferably arranged on the magnet armature, so that the magnet armature generally has a first and a second permanent magnet arrangement, each for the first and the second magnetic circuit. In the simplest case, a permanent magnet arrangement is a cylindrical ring or a cylindrical disk, in particular a one-piece or continuous ring/disc made of a homogeneous material. Alternatively, a permanent magnet arrangement can also be designed in several pieces, for example from a large number of preferably identical ring or disk segments, which preferably directly border one another, but can also be spaced apart from one another if necessary. A preferably constant (axial) thickness or the axial dimension of the first and/or second permanent magnet arrangement is, for example, in the range between 1.0 and 3.0 mm and/or is, for example, 1.0, 1.5, 2.0, 2 .5 or 3.0 mm, whereby each of the stated values can also represent an upper or lower limit of the stated value range.
Dabei sind erste und zweite Permanentmagnetanordnung jeweils gegenläufig bzw. entgegengesetzt und axial magnetisiert, so dass sich entsprechend gleiche Pole der Permanentmagnetanordnungen (entlang der Aktuatorachse) gegenüberstehen. The first and second permanent magnet arrangements are each opposite and axially magnetized, so that the same poles of the permanent magnet arrangements (along the actuator axis) face each other.
Die Permanentmagnetanordnungen sind axial beabstandet, bevorzugt durch ein weichmagnetisches Anker- bzw. Trägerelement. Dieses axial zwischenliegende Ankerelement ist im einfachsten Fall ein zylindrischer Ring oder eine zylindrische Scheibe, insbesondere ein(e) einstücki- ge(r) bzw. durchgehende(r) Ring/Scheibe aus einem homogenen, weichmagnetischen Material. Alternativ kann eine Permanentmagnetanordnung auch mehrstückig ausgebildet sein, beispielsweise aus einer Vielzahl von bevorzugt identischen Ring- oder Scheibensegmenten bestehen, die bevorzugt unmittelbar aneinander grenzen und/oder fest miteinander verbunden sind, gegebenenfalls aber auch voneinander beabstandet sein können. The permanent magnet arrangements are axially spaced, preferably by a soft magnetic anchor or carrier element. In the simplest case, this axially intermediate anchor element is a cylindrical ring or a cylindrical disk, in particular a one-piece ge(r) or continuous ring/disc made of a homogeneous, soft magnetic material. Alternatively, a permanent magnet arrangement can also be designed in several pieces, for example consisting of a large number of preferably identical ring or disk segments, which preferably directly border one another and/or are firmly connected to one another, but can also be spaced apart from one another if necessary.
Die axiale Dicke des Ankerelements ist bevorzugt gleich oder größer als der Hub des Magnetankers und/oder gleich oder größer als die axiale Dicke des gemeinsamen Flussleitabschnitts und liegt beispielsweise im Bereich zwischen 100% und 300% des Hubs und/oder beträgt beispielsweise 100%, 125%, 200% oder 300% des Hubs, wobei jeder der genannten Werte auch eine Ober- oder Untergrenze des genannten Wertebereichs darstellen kann. The axial thickness of the anchor element is preferably equal to or greater than the stroke of the magnet armature and/or equal to or greater than the axial thickness of the common flux guide section and is, for example, in the range between 100% and 300% of the stroke and/or is, for example, 100%, 125 %, 200% or 300% of the stroke, whereby each of the stated values can also represent an upper or lower limit of the stated value range.
Bevorzugt ist die radiale Außenseite des Ankerelements zugleich die radial am weitesten außen liegende Seite des Magnetankers und/oder das Ankerelement bildet das radial am weitesten außen liegende Element des Magnetankers. Die radialen Außenseiten der Permanentmagnetan- ordnungen sind entsprechend bevorzugt in radialer Richtung bündig mit oder weiter innen liegend als die radiale Außenseite des Ankerelements angeordnet. Der Radialspalt des Aktuators bemisst sich vorliegend zwischen dem Ankerelement des Magnetankers und dem gemeinsamen Flussleitabschnitt. Preferably, the radial outside of the armature element is also the radially outermost side of the magnet armature and/or the anchor element forms the radially outermost element of the magnet armature. The radial outer sides of the permanent magnet arrangements are preferably arranged flush with or further inside than the radial outer side of the anchor element in the radial direction. In the present case, the radial gap of the actuator is measured between the armature element of the magnet armature and the common flux guide section.
Bevorzugt grenzen die Permanentmagnetanordnungen unmittelbar an das Ankerelement an und sind beispielsweise auf (den beiden) voneinander wegweisenden axialen ebenen Stirnflächen des Ankerelements angeordnet. Preferably, the permanent magnet arrangements directly adjoin the anchor element and are arranged, for example, on (the two) mutually pointing away axial flat end faces of the anchor element.
Bevorzugt stehen sich das Ankerelement des Magnetankers und der gemeinsame Flussleitabschnitt an jeder Stelle des Verfahrwegs des Magnetankers zumindest teilweise gegenüber. Entsprechend ist bevorzugt die/eine eine zylindrische (radiale) Innenseite des gemeinsamen Flussleitabschnitts entlang des gesamten Hubs des Magnetankers zumindest teilweise dem Ankerelement des gemeinsamen Flussleitabschnitt radial gegenüberliegend angeordnet und/oder nur durch den Radialspalt beabstandet. Preferably, the anchor element of the magnet armature and the common flux guide section are at least partially opposite each other at every point in the travel path of the magnet armature. Accordingly, the one cylindrical (radial) inside of the common flux guide section is preferably arranged at least partially radially opposite the anchor element of the common flux guide section along the entire stroke of the magnet armature and/or is only spaced apart by the radial gap.
Bevorzugt befinden sich Mittenebenen der Permanentmagnetanordnungen (die auf der Aktuatorachse senkrecht stehen) über dem gesamten Hub des Magnetankers, das heißt über der gesamten Verfahr strecke des Aktuators und somit in beiden Endlagen, jeweils ausschließlich auf verschiedenen axialen Seiten einer Mittenebene des gemeinsamen Flussleitabschnitts. Mit anderen Worten befindet sich eine Mittenebene der ersten Permanentmagnetanordnung in beiden Endlagen (das heißt über dem gesamten Hub des Magnetankers bzw. über der gesamten Verfahrstrecke des Aktuators) auf einer ersten Seite einer Mittenebene des gemeinsamen Flussleitabschnitts und eine Mittenebene der zweiten Permanentmagnetanordnung befindet sich in beiden Endlagen auf einer zweiten, von ersten Seite verschiedenen, Seite der Mittenebene des gemeinsamen Flussleitabschnitts. Beim Verfahren des Magnetankers überfahren die Mittenebenen der Permanentmagnetanordnungen die Mittenebene des gemeinsamen Flussleitabschnitts somit an keiner Stelle des Verfahrwegs. Center planes of the permanent magnet arrangements (which are perpendicular to the actuator axis) are preferably located over the entire stroke of the magnet armature, that is, over the entire travel distance of the actuator and thus in both end positions, each exclusively on different axial sides of a center plane of the common flux guide section. With others In words, a center plane of the first permanent magnet arrangement is located in both end positions (that is, over the entire stroke of the magnet armature or over the entire travel distance of the actuator) on a first side of a center plane of the common flux guide section and a center plane of the second permanent magnet arrangement is located in both end positions a second side of the center plane of the common flow control section, different from the first side. When moving the magnet armature, the center planes of the permanent magnet arrangements do not pass over the center plane of the common flux guide section at any point along the travel path.
Dies gewährleistet entlang des gesamten Hubs, das heißt an jeder Stelle der Verfahrstrecke, hohe Stellkräfte. This ensures high actuating forces along the entire stroke, i.e. at every point along the travel path.
In einer ersten bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Aktuators bilden die (von dem zwischenliegenden Ankerelement abgewandten) axialen Stirnseiten/flächen der Permanentmagnetanordnungen zugleich die axiale Stirnseiten/-flächen des Magnetankers. Das zwischenliegende Ankerelement bildet dabei beispielsweise das einzige weichmagnetische Bauteil des Magnetankers und/oder es sind keine weiteren Bauteile auf der von dem zwischenliegenden Ankerelement abgewandten axialen Stirnseite/fläche der Permanentmagnetanordnungen angeordnet. Bevorzugt besteht der Magnetanker in dieser Variante aus den beiden Permanentmagnetanordnungen und dem zwischenliegenden weichmagnetischen Ankerelement und somit im einfachsten Fall aus genau drei einstückigen Bauteilen. In a first preferred variant of the actuator according to the invention, the axial end faces/surfaces of the permanent magnet arrangements (facing away from the intermediate armature element) also form the axial end faces/surfaces of the magnet armature. The intermediate anchor element forms, for example, the only soft magnetic component of the magnet armature and/or no further components are arranged on the axial end face/surface of the permanent magnet arrangements facing away from the intermediate anchor element. In this variant, the magnet armature preferably consists of the two permanent magnet arrangements and the intermediate soft magnetic armature element and thus, in the simplest case, of exactly three one-piece components.
Diese erste Variante hat den Vorteil, dass der magnetische Fluss der Permanentmagnetanordnungen mit maximialer Effizienz für die jeweiligen Magnetkreise genutzt wird und entsprechend das Volumen und die Stärke der Permanentmagnetanordnungen minimiert werden können. This first variant has the advantage that the magnetic flux of the permanent magnet arrangements is used with maximum efficiency for the respective magnetic circuits and the volume and strength of the permanent magnet arrangements can be minimized accordingly.
In einer zweiten bevorzugten Variante ist auf der von dem zwischenliegenden Ankerelement abgewandten axialen Stirnseite/-fläche von erster und/oder zweiter Permanentmagnetanordnung ein weichmagnetisches, bevorzugt scheiben- oder ringförmiges weiteres Element bzw. Abschirmelement angeordnet. Das Abschirmelement deckt bevorzugt die gesamte axiale Stirnseite der jeweiligen Permanentmagnetanordnung ab oder wenigstens 90%, 70% oder 50% dieser Fläche und ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Das Abschirmelement schirmt zwar gegebenenfalls den von der jeweiligen Permanentmagnetanordnung erzeugten Magnetfluss etwas ab und reduziert somit (etwa im unbestromten Fall) den Magnetfluss in dem jeweiligen Magnetkreis. Allerdings wird dadurch auch die Permanentmagnetanordnung selbst gegenüber äußeren Magnetflüssen abgeschirmt, insbesondere gegenüber dem von einer Spule des Aktuators (siehe hierzu auch weiter unten) erzeugten Magnetfluss, so dass im Ergebnis an der Permanentmagnetanordnung selbst, geringere lokale Flussdichten aufbeten und mit Vorteil eine irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagnetanordnung vermieden werden kann. Dies gestattet es dann in der zweiten Variante (im Vergleich mit der ersten Variante bzw. der Variante ohne Abschirmelement) eine geringere und kostengünstigere Entmagnetisierungs- bzw. Temperaturklasse für die Permanentmagnetanordnung zu wählen. In a second preferred variant, a soft magnetic, preferably disc-shaped or ring-shaped further element or shielding element is arranged on the axial end face/surface of the first and/or second permanent magnet arrangement facing away from the intermediate anchor element. The shielding element preferably covers the entire axial end face of the respective permanent magnet arrangement or at least 90%, 70% or 50% of this area and is preferably formed in one piece. The shielding element may shield the magnetic flux generated by the respective permanent magnet arrangement somewhat and thus reduces the magnetic flux in the respective magnetic circuit (for example in the case of no current). However, this also shields the permanent magnet arrangement itself from external magnetic fluxes, in particular from the magnetic flux generated by a coil of the actuator (see also below), so that as a result, lower local flux densities occur on the permanent magnet arrangement itself and advantageously an irreversible demagnetization of the Permanent magnet arrangement can be avoided. This then makes it possible to choose a lower and more cost-effective demagnetization or temperature class for the permanent magnet arrangement in the second variant (compared to the first variant or the variant without a shielding element).
Bevorzugt ist ein derartiges Abschirmelement genau (nur) für die erste Permanentmagnetanordnung bzw. in dem aktiven Magnetkreis vorgesehen. Dagegen bildet die axiale Stirnseite/-fläche der zweiten Permanentmagnetanordnung zugleich die axiale Stirnseite/-fläche des Magnetankers und liegt entsprechend ohne Abschirmelement frei. Diese Variante trägt der Tatsache Rechnung, dass die Spule an der zweiten Permanentmagnetanordnung (des passiven Magnetkreises) einen geringeren Magnetfluss erzeugt als an der ersten Permanentmagnetanordnung (des aktiven Magnetkreises). Diese Variante minimiert das Gewicht und den Bauteil- Aufwand des Magnetankers und bietet zugleich einen guten bzw. ausreichenden Schutz vor irreversibler Entmagnetisierung. Such a shielding element is preferably provided (only) for the first permanent magnet arrangement or in the active magnetic circuit. In contrast, the axial end face/surface of the second permanent magnet arrangement also forms the axial end face/surface of the magnet armature and is accordingly exposed without a shielding element. This variant takes into account the fact that the coil on the second permanent magnet arrangement (the passive magnetic circuit) generates a lower magnetic flux than on the first permanent magnet arrangement (the active magnetic circuit). This variant minimizes the weight and component costs of the magnet armature and at the same time offers good or sufficient protection against irreversible demagnetization.
Eine bevorzugt gleichbleibende (axiale) Dicke des Abschirmelements ist bevorzugt kleiner oder gleich als eine axiale Dicke der jeweiligen Permanentmagnetanordnung und liegt beispielsweise im Bereich zwischen 50% und 100% der Dicke der jeweiligen Permanentmagnetanordnung und/oder beträgt beispielsweise 50%, 70%, 80%, 90% oder 100% der Dicke der jeweiligen Permanentmagnetanordnung, wobei jeder der genannten Werte auch eine Ober- oder Untergrenze des genannten Wertebereichs darstellen kann. Entsprechend liegt die Dicke des Abschirmelements beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 und 1,5 mm und/oder beträgt beispielsweise 1,5, 1,0 oder 1,5 mm, wobei jeder der genannten Werte auch eine Ober- oder Untergrenze des genannten Wertebereichs darstellen kann. A preferably constant (axial) thickness of the shielding element is preferably less than or equal to an axial thickness of the respective permanent magnet arrangement and is, for example, in the range between 50% and 100% of the thickness of the respective permanent magnet arrangement and/or is, for example, 50%, 70%, 80% , 90% or 100% of the thickness of the respective permanent magnet arrangement, whereby each of the values mentioned can also represent an upper or lower limit of the value range mentioned. Accordingly, the thickness of the shielding element is, for example, in the range between 0.5 and 1.5 mm and/or is, for example, 1.5, 1.0 or 1.5 mm, with each of the values mentioned also being an upper or lower limit of the value range mentioned can represent.
Im einfachsten Fall deckt das Abschirmelement die jeweilige (beispielsweise erste) Permanentmagnetanordnung vollflächig ab, das heißt die gesamte Stirnfläche der Permanentmagnetanordnung. Alternativ kann das Abschirmelement (durchgehende) Aussparungen enthalten oder auch aus mehreren (nicht zusammenhängenden) Bauelementen, insbesondere zylindrischen Ringen, bestehen, wobei das Abschirmelement (oder dessen Bauelemente) zumindest den inneren Rand und den äußeren Rand der Permanentmagnetanordnung (in axialer Richtung) überlappen. Damit werden die bezüglich irreversibler Entmagnetisierung besonders gefährdeten radialen Randbereiche der Permanentmagnetanordnung (am Innen- und Außendurchmesser) geschützt und zugleich die bewegliche Masse minimiert. In the simplest case, the shielding element covers the entire surface of the respective (for example first) permanent magnet arrangement, that is, the entire end face of the permanent magnet arrangement. Alternatively, the shielding element can contain (continuous) recesses or can consist of several (non-connected) components, in particular cylindrical rings. exist, wherein the shielding element (or its components) overlap at least the inner edge and the outer edge of the permanent magnet arrangement (in the axial direction). This protects the radial edge areas of the permanent magnet arrangement (on the inside and outside diameter) that are particularly at risk of irreversible demagnetization and at the same time minimizes the moving mass.
In der zweiten Variante sind bevorzugt das Abschirmelement und das Ankerelement baulich und/oder magnetisch unmittelbar oder mittelbar - über (genau oder zumindest) ein (von der Permanentmagnetanordnung verschiedenes) Verbindungselement - miteinander verbunden und/oder aneinander befestigt. Das heißt das Abschirmelement und das Ankerelement grenzen unmittelbar aneinander oder grenzen an eines oder mehrere weichmagnetische oder nichtmagnetische Bauteile und sind miteinander fest und/oder magnetisch verbunden. Beispielsweise ist ein zusätzliches (einstückiges, Zylinder- bzw. ringförmiges) Verbindungselement aus einem weichmagnetischen Material vorgesehen, an welches das Ankerelement und das Abschirmelement (flächig) unmittelbar angrenzt bzw. anstößt, so dass der Magnetfluss zwischen Abschirmelement und Ankerelement begünstigt wird und/oder der magnetische Widerstand zwischen Abschirmelement und Ankerelement verringert wird. Zusätzlich oder alternativ können Befestigungsmittel an oder in dem Ankerelement, dem Verbindungselement und/oder dem Abschirmelement vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Verbindungselement ein Ringbauteil, das die gleiche Dicke wie die Permanentmagnetanordnung aufweist und beispielsweise an der Innenseite der Permanentmagnetanordnung angeordnet ist. Dadurch wird die Permanentmagnetanordnung sozusagen in weichmagnetischem Material "vergraben" und der von einer Spule erzeugte (schadhafte) Magnetfluss kann teilweise um die Permanentmagnetanordnung herum geleitet, die Permanentmagnetanordnung dadurch abgeschirmt und eine irreversible Entmagnetisierung vermieden werden. In the second variant, the shielding element and the anchor element are preferably structurally and/or magnetically directly or indirectly connected to one another and/or fastened to one another - via (exactly or at least) a connecting element (different from the permanent magnet arrangement). This means that the shielding element and the anchor element directly border one another or border one or more soft magnetic or non-magnetic components and are firmly and/or magnetically connected to one another. For example, an additional (one-piece, cylindrical or ring-shaped) connecting element made of a soft magnetic material is provided, to which the anchor element and the shielding element (area) directly adjoins or abuts, so that the magnetic flux between the shielding element and the anchor element is favored and / or the magnetic resistance between the shielding element and the anchor element is reduced. Additionally or alternatively, fastening means can be provided on or in the anchor element, the connecting element and/or the shielding element. Preferably, the connecting element is a ring component which has the same thickness as the permanent magnet arrangement and is arranged, for example, on the inside of the permanent magnet arrangement. As a result, the permanent magnet arrangement is, so to speak, "buried" in soft magnetic material and the (damaged) magnetic flux generated by a coil can be partially directed around the permanent magnet arrangement, thereby shielding the permanent magnet arrangement and irreversible demagnetization can be avoided.
Als Material für die weichmagnetischen Elemente des Aktuators (Ankerelement, Abschirmelement, Verbindungselement, etc.) werden bevorzugt ferromagnetische eisen- und/oder eisen- oxidbasierte Legierungen und Materialien, wie beispielsweise Stähle oder Ferrite verwendet. Ferromagnetic iron and/or iron oxide-based alloys and materials, such as steels or ferrites, are preferably used as the material for the soft magnetic elements of the actuator (anchor element, shielding element, connecting element, etc.).
In der ersten Variante (das heißt in der Variante ohne Abschirmelement bzw. mit freiliegender Stirnseite der Permanentmagnetanordnung) wird als Material für die Permanentmagnetanordnung beispielsweise "N40SH" (NdFeB Magneten mit 40 MGOe Energie und der Temperatur- bzw. Entmagnetisierungsklasse „SH“ (150°C)) verwendet oder Materialien mit der Temperaturklasse „UH“ (180°C), „EH“ (200°C) oder „AH“ (220°C). Derartige Materialien können auch in der zweiten Variante (das heißt in der Variante mit Abschirmelement) verwendet werden. Bevorzugt werden bei Vorhandensein eines Abschirmelements jedoch Materialien mit Temperatur- bzw. Entmagnetisierungsklasse "H" (120°C oder weniger) verwendet. In the first variant (i.e. in the variant without a shielding element or with an exposed end face of the permanent magnet arrangement), the material for the permanent magnet arrangement is, for example, "N40SH" (NdFeB magnets with 40 MGOe energy and the temperature or demagnetization class "SH" (150° C)) or materials with the temperature class “UH” (180°C), “EH” (200°C) or “AH” (220°C). Such materials can also be used in the second variant (i.e. in the variant with a shielding element) can be used. However, if a shielding element is present, materials with a temperature or demagnetization class "H" (120 ° C or less) are preferably used.
In dem Aktuator stehen eine Vielzahl von Ausgestaltungsparametern zur Verfügung, um die Haltekräfte an den Endlagen gesondert einzustellen. In der Regel besteht auch Bedarf an unterschiedlich starken Haltekräften in den Endlagen, beispielsweise für eine offene und eine geschlossene Position eines Schaltventils, da in der geschlossenen Position beispielsweise noch Leckage -Anforderungen erfüllt werden müssen. Bevorzugt weist der Aktuator in der ersten Endlage eine höhere Haltekraft als in der zweiten Endlage auf. Dazu steht dem gemeinsamen Flussleitabschnitt in der ersten Endlage in radialer Richtung bevorzugt die erste Permanentmagnetanordnung zumindest teilweise gegenüber und in der zweiten Endlage ausschließlich das zwischenliegende Ankerelement. A large number of design parameters are available in the actuator in order to separately adjust the holding forces at the end positions. As a rule, there is also a need for holding forces of different strengths in the end positions, for example for an open and a closed position of a switching valve, since, for example, leakage requirements still have to be met in the closed position. The actuator preferably has a higher holding force in the first end position than in the second end position. For this purpose, the first permanent magnet arrangement preferably at least partially opposes the common flux guide section in the first end position in the radial direction and only the intermediate anchor element in the second end position.
Es ist vorteilhaft in der ersten Endlage des Aktuators eine höhere Haltekraft vorzusehen, da der Magnetfluss im ersten Magnetkreis durch die Magnetspule des Aktuators mit geringeren Strömen bzw. Stromdurchflutungen beeinflusst werden kann. It is advantageous to provide a higher holding force in the first end position of the actuator, since the magnetic flux in the first magnetic circuit can be influenced by the magnetic coil of the actuator with lower currents or current flows.
Bevorzugt sind die ersten und zweiten axialen Stirnseiten des Magnetankers jeweils als erste und zweite ebene Stirnflächen ausgebildet und/oder die Flussleitelementanordnung weist einen Flussleitabschnitt in Form eines ersten Jochs mit einer ebenen Stirnfläche auf, die in der ersten Endlage von der ersten Stirnfläche des Magnetankers durch einen ersten Axialspalt beabstandet ist, und/oder einen Flussleitabschnitt in Form eines zweiten Jochs mit einer ebenen Stirnfläche, die in der zweiten Endlage von der zweiten Stirnfläche des Magnetankers durch einen zweiten Axialspalt beabstandet ist. Dabei ist das erste und das zweite Joch jeweils Teil des ersten bzw. des zweiten Magnetkreises und erstes und zweites Joch führen die Flusslinien axial aus dem Magnetanker ab bzw. zu dem Magnetanker hin. Preferably, the first and second axial end faces of the magnet armature are each designed as first and second flat end faces and / or the flux guide element arrangement has a flux guide section in the form of a first yoke with a flat end face, which in the first end position is separated from the first end face of the magnet armature by a first axial gap is spaced, and / or a flux guide section in the form of a second yoke with a flat end face, which is spaced in the second end position from the second end face of the magnet armature by a second axial gap. The first and second yokes are each part of the first and second magnetic circuits, respectively, and the first and second yokes lead the flux lines axially out of the magnet armature or towards the magnet armature.
Ein Joch deckt bevorzugt jeweils die gesamte axiale Stirnseite des Magnetankers oder der jeweiligen Permanentmagnetanordnung ab oder wenigstens 90%, 70% oder 50% der Fläche der axialen Stirnseite des Magnetankers oder der jeweiligen Permanentmagnetanordnung. Die Axialspalte in den jeweiligen Endlagen des verschiebbaren Magnetankers sind möglichst klein. Sie liegen bevorzugt jeweils unter 1,5 mm und/oder betragen beispielsweise weniger als 0,5, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3 oder 1,5 mm. Dabei sind erster und zweiter Axialspalt verschieden oder gleich groß. Weiterhin ist der Aktuator bevorzugt um die Aktuatorachse rotations- oder drehsymmetrisch (mit einer n-zähligen Drehsymmtrie mit n > 1 und ganzzahlig, beispielsweise 2, 3, 4, 6, 8, 12) ausgebildet. A yoke preferably covers the entire axial end face of the magnet armature or the respective permanent magnet arrangement or at least 90%, 70% or 50% of the area of the axial end face of the magnet armature or the respective permanent magnet arrangement. The axial gaps in the respective end positions of the movable magnet armature are as small as possible. They are preferably each less than 1.5 mm and/or are, for example, less than 0.5, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3 or 1, 5mm. The first and second axial gaps are different or the same size. Furthermore, the actuator is preferably designed to be rotationally or rotationally symmetrical about the actuator axis (with an n-fold rotational symmetry with n > 1 and integers, for example 2, 3, 4, 6, 8, 12).
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Schaltventil, bevorzugt ein Pneumatikventil, mit einem wie oben beschriebenen Aktuator. Das Schaltventil ist bevorzugt geschlossen, wenn sich der Magnetanker des Aktuators in der ersten Endlage befindet, und geöffnet, wenn sich der Magnetanker des Aktuators in der zweiten Endlage befindet. Dies stellt eine hohe Haltekraft in der geschlossenen Ventilposition sicher, so dass beispielsweise auch Leckageanforderungen erfüllt werden können. Bevorzugt ist das Schaltventil als Sitzventil und/oder als 2/2-Ventil ausgebildet. The invention further comprises a switching valve, preferably a pneumatic valve, with an actuator as described above. The switching valve is preferably closed when the magnet armature of the actuator is in the first end position, and opened when the magnet armature of the actuator is in the second end position. This ensures a high holding force in the closed valve position, so that leakage requirements can also be met, for example. The switching valve is preferably designed as a seat valve and/or as a 2/2 valve.
Die Erfindung umfasst weiterhin einen Stoßdämpfer mit genau oder zumindest einem erfindungsgemäßen Schaltventil, das bevorzugt in dem Stoßdämpfer eine Luftkammer öffnet und schließt bzw. zuschaltet, wobei die Luftkammer bevorzugt ein Zusatzvolumen für eine Luftfeder bzw. ein Luftfedervolumen des Stoßdämpfers schafft. The invention further comprises a shock absorber with exactly or at least one switching valve according to the invention, which preferably opens and closes or switches on an air chamber in the shock absorber, the air chamber preferably creating an additional volume for an air spring or an air spring volume of the shock absorber.
Zusammenfassend entwickelt die vorliegende Erfindung das bistabile elektromagnetische Aktuatorkonzept mit Druckfederrückstellung/-sicherung weiter und ersetzt dazu die energetisch ungünstige Rückstellfeder mit einem zweiten, rein passiven Magnetkreis. Dadurch kann der aktive bidirektionale Antrieb hinsichtlich Bauraum und Materialaufwand erheblich reduziert werden (insbesondere die Kupfermenge und das Permanentmagnetvolumen), da die energetisch ungünstige Rückstellfeder nicht länger in der magnetisch geschlossenen bzw. vorliegend ersten Endlage zusätzlich kompensiert werden muss („Spannenergiekompensation“). Die Rückstellkraft des passiven Magnetkreises ist im Vergleich zu der Rückstellkraft einer mechanischen Feder in der ersten Endlage viel kleiner, da die Rückstellkräfte des passiven Magnetkreises bei einer Verschiebung des Magnetankers in Richtung der ersten Endlage abnehmen, während die Rückstellkräfte einer mechanischen Feder bei einer Verschiebung des Magnetankers in Richtung der entsprechenden (magnetisch geschlossenen) Endlage zunehmen. Die zur Schaffung der beiden Magnetkreise verwendeten zwei Permanentmagnete werden in der vorliegenden Erfindung im Magnetanker verbaut, um so ein bidirektional polarisiertes Element bzw. einen bidirektional polarisierten Magnetanker zu schaffen, wodurch der für den Magnetanker notwendige Bauraum materialtechnisch optimal ausgenutzt werden kann. Aus der erfindungsgemäßen Kombination von aktivem und passivem Magnetkreis mit jeweils einem Permanentmagneten im Magnetanker resultiert aufgrund des (gegenüber bekannten bistabilen Konzepten) eingesparten Materials auch ein erheblich kleinerer Aktuator. Der Aktuator wird darüberhinaus auch erheblich günstiger, da die Antriebsbauteile konstruktiv einfacher gestaltet werden können (einfache Magnetringe/-scheiben bzw. eine größere Anzahl werkzeugfallender Teile). Dennoch erfüllt der erfindungsgemäße, baulich kleinere Antrieb die gleichen Anforderungen und erzielt beispielsweise die gleichen Haltekräfte. In summary, the present invention further develops the bistable electromagnetic actuator concept with compression spring reset/safety and replaces the energetically unfavorable return spring with a second, purely passive magnetic circuit. As a result, the active bidirectional drive can be significantly reduced in terms of installation space and material costs (in particular the amount of copper and the permanent magnet volume), since the energetically unfavorable return spring no longer needs to be additionally compensated for in the magnetically closed or, in this case, first end position (“clamping energy compensation”). The restoring force of the passive magnetic circuit is much smaller compared to the restoring force of a mechanical spring in the first end position, since the restoring forces of the passive magnetic circuit decrease when the magnet armature is moved towards the first end position, while the restoring forces of a mechanical spring decrease when the magnet armature is displaced increase towards the corresponding (magnetically closed) end position. In the present invention, the two permanent magnets used to create the two magnetic circuits are installed in the magnet armature in order to create a bidirectionally polarized element or a bidirectionally polarized magnet armature, whereby the installation space required for the magnet armature can be optimally utilized in terms of material technology. The inventive combination of active and passive magnetic circuits, each with a permanent magnet in the magnet armature, also results in a significantly smaller actuator due to the material saved (compared to known bistable concepts). The actuator is also significantly cheaper because the drive components can be designed to be simpler (simple magnetic rings/discs or a larger number of tool-related parts). Nevertheless, the structurally smaller drive according to the invention meets the same requirements and, for example, achieves the same holding forces.
Zudem können beide Magnetkreise (erster Magnetkreis bzw. aktiver Schaltmagnetkreis einerseits und zweiter Magnetkreis bzw. magnetisch passiver "Rückhaltekreis" andererseits) weitgehend unabhängig voneinander ausgelegt werden und damit beispielsweise die Haltekräfte in den Endlagen an die jeweilige Anwendung gezielt angepasst werden. Ein wichtiger Designparameter ist hierbei die Stärke der Permanentmagneten im Magnetanker, welche maßgeblich die Haltekräfte in den Endanschlägen bzw. Endlagen bestimmt. Auch die axiale Position des gemeinsamen Flussleitabschnitts bzw. des Mittenjochs (mittleres Magnetfluss-Rückschlusselement) verschiebt die Kraftverhältnisse in erstem und zweitem Magnetkreis stark. In addition, both magnetic circuits (first magnetic circuit or active switching magnetic circuit on the one hand and second magnetic circuit or magnetically passive "retention circuit" on the other) can be designed largely independently of one another and thus, for example, the holding forces in the end positions can be specifically adapted to the respective application. An important design parameter here is the strength of the permanent magnets in the magnet armature, which largely determines the holding forces in the end stops or end positions. The axial position of the common flux guide section or the middle yoke (middle magnetic flux return element) also significantly shifts the force ratios in the first and second magnetic circuits.
Allgemein können in polarisierten bzw. magnetisierten, elektromagnetischen Systemen, wie dem vorliegenden Aktuator mit integrierten Permanentmagnetanordnungen, das mit der Spule elektrisch erzeugte Magnetfeld bzw. der Magnetfluss je nach Ausrichtung und Lage der Permanentmagnetanordnung im Magnetkreis zu starken entmagnetisierenden (der eingeprägten Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnetanordnung entgegen gerichteten) Magnetfeldern bzw. Flussdichten an der Stelle der Permanentmagnetanordnung führen. Diese können die magnetische Polarisation J der Permanentmagneten in der Permanentmagnetanordnung abhängig von seiner Temperatur und von der Stärke des aufgebrachten, äußeren Magnetflusses irreversibel schädigen (irreversible bzw. spontane Entmagnetisierung). Dadurch wird der Aktuator teilweise unwirksam und schlimmstenfalls unbrauchbar. Der kritische Funktionswert, bei dem diese sogenannte "spontane" bzw. irreversible Entmagnetisierung auftritt, ist bekanntermaßen die Koer- zitivfeldstärke der Polarisation, die stark von der Temperatur abhängig ist. Um die Permanentmagnetanordnung vor einer derartigen Entmagnetisierung zu schützen, muss der Aktuator so ausgelegt werden, dass das Permanentmagnet-Material kein solch starkes entmagnetisierendes Feld erfährt, was wiederum vom für die Permanentmagnetanordnung verwendeten Material abhängt. Ist dies im Ventil nicht möglich oder nicht vorgesehen (beispielsweise in der oben genannten ersten Variante; ohne Abschirmelement), müssen Permanentmagneten mit speziell widerstandsfähiger Materialmischung hinsichtlich der Koerzitivfeldstärke der Polarisation verwendet werden. Derartige spezielle Materialmischungen sind jedoch mit hohen Kosten verbunden. In general, in polarized or magnetized electromagnetic systems, such as the present actuator with integrated permanent magnet arrangements, the magnetic field or magnetic flux electrically generated by the coil can, depending on the orientation and position of the permanent magnet arrangement in the magnetic circuit, lead to strong demagnetizing effects (directed in the opposite direction to the impressed magnetization direction of the permanent magnet arrangement ) Magnetic fields or flux densities at the location of the permanent magnet arrangement. These can irreversibly damage the magnetic polarization J of the permanent magnets in the permanent magnet arrangement depending on its temperature and the strength of the external magnetic flux applied (irreversible or spontaneous demagnetization). This makes the actuator partially ineffective and, in the worst case, unusable. The critical function value at which this so-called “spontaneous” or irreversible demagnetization occurs is known to be the coercive field strength of the polarization, which is strongly dependent on the temperature. In order to protect the permanent magnet arrangement from such demagnetization, the actuator must be designed so that the permanent magnet material does not experience such a strong demagnetizing field, which in turn depends on the material used for the permanent magnet arrangement. If this is not possible or not provided for in the valve (for example in the first variant mentioned above; without a shielding element), permanent magnets with a specially resistant material mixture must be used with regard to the coercive field strength of the polarization. However, such special material mixtures are associated with high costs.
Gekennzeichnet sind diese Materialklassen in der Regel durch spezielle Buchstabenkennungen hinter der Energieklassifizierung der Permanentmagneten. Diese Bezeichnungen werden häufig auch als „Temperaturklasse“ bezeichnet, weil sie beschreiben, bis zu welcher Temperatur ein typischer Permanentmagnet (passiv) eingesetzt werden kann, ohne spontane Entmagnetisierung zu erfahren. Dabei werden aber keine zusätzlichen entmagnetisierenden Felder berücksichtigt, so dass diese „Temperaturklasse“ nur als Indiz gesehen werden kann. These material classes are usually identified by special letter identifiers behind the energy classification of the permanent magnets. These terms are often referred to as “temperature class” because they describe the temperature up to which a typical permanent magnet can be used (passively) without experiencing spontaneous demagnetization. However, no additional demagnetizing fields are taken into account, so this “temperature class” can only be seen as an indication.
Wie erwähnt sind in der oben genannten ersten Variante (ohne Abschirmelement bzw. mit freiliegender Stirnfläche der Permanentmagnetanordnung) die Permanentmagneten hohen entmagnetisierenden Feldern ausgesetzt, die auch aufgrund der typischerweise hohen Einsatztemperaturen der Aktuatoren (etwa in Ventilen und Stoßdämpfern) bis zu 120°C das Risiko einer spontanen Entmagnetisierung bergen. Ohne Verwendung eines Abschirmelements, das heißt für die erste Variante, werden daher bevorzugt mindestens "N40SH"-Magneten (NdFeB Magneten mit 40 MGOe Energie und der Temperatur/Entmagnetisierungsklasse „SH“) verwendet, um zumindest bei Raumtemperatur bestimmungsgemäß zu funktionieren. Auch diese schon gehobene Materialkategorie (bis etwa 150°C) reicht gegebenenfalls jedoch nicht aus, um die Magneten bei 120°C zu schützen. Bei derart hohen Temperaturen und maximaler Bestromung der Spule (1000 Amperewindungen) kann es in der Permanentmagnetanordnung des aktiven Magnetkreises zu erheblicher (fast vollständiger) irreversibler Entmagnetisierung kommen. Daher werden bevorzugt zumindest in der ersten Variante (ohne Abschirmelement) noch höhere Temperaturklassen für die Permanentmagnete wie „UH“ (180°C), „EH“ (200°C) oder „AH“ (220°C) verwendet. As mentioned, in the above-mentioned first variant (without a shielding element or with an exposed end face of the permanent magnet arrangement), the permanent magnets are exposed to high demagnetizing fields, which also pose a risk of up to 120 ° C due to the typically high operating temperatures of the actuators (e.g. in valves and shock absorbers). of spontaneous demagnetization. Without using a shielding element, that is, for the first variant, at least "N40SH" magnets (NdFeB magnets with 40 MGOe energy and the temperature/demagnetization class "SH") are preferably used in order to function as intended at least at room temperature. However, even this higher material category (up to around 150°C) may not be enough to protect the magnets at 120°C. At such high temperatures and maximum coil current (1000 ampere turns), significant (almost complete) irreversible demagnetization can occur in the permanent magnet arrangement of the active magnetic circuit. Therefore, at least in the first variant (without shielding element), even higher temperature classes are preferably used for the permanent magnets such as “UH” (180°C), “EH” (200°C) or “AH” (220°C).
In der zweiten Variante werden die Permanentmagneten mit Hilfe des Abschirmelements und gegebenenfalls des Verbindungselements konstruktiv vor Entmagnetisierung geschützt. Dies gestattet es, ein günstigeres Material mit einer geringeren Temperaturklasse für die Permanentmagnetanordnung zu verwenden, da ein Teil des aufgeprägten, von der Spule erzeugten Magnetflusses um den Magneten herumgeführt wird und so die Wirkung der entmagnetisierenden Felder abgeschwächt ist. Das Abschirmelement ist, wie erwähnt ein weich- oder ferromagnetisches Element in Form eines Rings oder einer Platte (z.B. eine gestanzte Eisenplatte, insbesondere werkzeugfallend), das zumindest vor der Permanentmagnetanordnung des aktiven Magnetkreises angebracht ist. Bevorzugt ist ein wie oben beschriebenes Verbindungselement zwischen Ankerelement und Abschirmelement vorgesehen. Bei diesem Aufbau wird bevorzugt die kostengünstigere Temperaturklasse "H" verwendet. In the second variant, the permanent magnets are structurally protected against demagnetization with the help of the shielding element and, if necessary, the connecting element. This makes it possible to use a cheaper material with a lower temperature class for the permanent magnet arrangement, since part of the impressed magnetic flux generated by the coil is guided around the magnet and the effect of the demagnetizing fields is thus weakened. The shielding element is, as mentioned, a soft or ferromagnetic element in the form of a ring or a plate (eg a stamped iron plate, in particular tool-free), which is attached at least in front of the permanent magnet arrangement of the active magnetic circuit. A connecting element as described above is preferably provided between the anchor element and the shielding element. With this structure, the more cost-effective temperature class “H” is preferably used.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind lediglich schematische Darstellungen und die Erfindung ist nicht auf die speziellen, dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. The invention is described below with reference to the accompanying drawings. The drawings are merely schematic representations and the invention is not limited to the specific embodiments shown.
Figuren 1A und 1B zeigen schematische, radiale Querschnitte durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktuators, Figures 1A and 1B show schematic, radial cross sections through a first exemplary embodiment of the actuator according to the invention,
Figuren 2A und 2B zeigen schematische, radiale Querschnitte durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktuators, und Figures 2A and 2B show schematic, radial cross sections through a second exemplary embodiment of the actuator according to the invention, and
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltventils. Figure 3 shows an exemplary embodiment of a switching valve according to the invention.
FIGURENBESCHREIBUNG FIGURE DESCRIPTION
In den Figuren 1A und 1B ist ausgehend von der Aktuatorachse 20 eine radiale Querschnittsansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktuators 10 dargestellt. Der Aktuator 10 umfasst ein entlang der Aktuatorachse 20 linear verfahrbares Stellglied umfassend einen Stößel 30 und einen Magnetanker 40. Der Magnetanker 40 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem ersten ringförmigen Permanentmagneten 41 und einem zweiten scheibenförmigen Permanentmagneten 42, die jeweils eine axiale und gegenläufige Magnetisierung aufweisen, so dass sich ein bidirektional magnetisiertes Bauelement ergibt. Der Magnetanker 40 umfasst zudem ein zwischenliegendes Anker- bzw. Trägerelement 43 aus einem weichmagnetischen Material. 1A and 1B show a radial cross-sectional view through a first exemplary embodiment of the actuator 10 according to the invention, starting from the actuator axis 20. The actuator 10 comprises an actuator which can be moved linearly along the actuator axis 20 and comprises a plunger 30 and a magnet armature 40. In the exemplary embodiment shown, the magnet armature 40 consists of a first annular permanent magnet 41 and a second disk-shaped permanent magnet 42, each of which has an axial and opposite magnetization , so that a bidirectionally magnetized component results. The magnet armature 40 also includes an intermediate anchor or carrier element 43 made of a soft magnetic material.
Der Aktuator 10 umfasst weiterhin eine feststehende Flussleitelementanordnung 50 mit einem ersten Joch 51, einem zweiten Joch 52, einem äußeren Rohrabschnitt 53 sowie einem Mitten- joch 54, die sämtlich aus weichmagnetischem Material bestehen. Dabei ist das Mittenjoch 54 ein Ringbauteil. The actuator 10 further comprises a fixed flow guide element arrangement 50 with a first yoke 51, a second yoke 52, an outer tube section 53 and a central yoke 54, all of which are made of soft magnetic material. The middle yoke 54 is a ring component.
Dadurch wird (im unbestromten Fall) ein erster Magnetkreis 81 geschaffen, dessen Flusslinien durch den ersten Permanentmagneten 41, das erste Joch 51, den äußeren Rohrabschnitt 53, das Mittenjoch 54 und das Ankerelement 43 verlaufen. Ebenso wird ein zweiter Magnetkreis 82 geschaffen, dessen Flusslinien durch den zweiten Permanentmagneten 42, das zweite Joch 52, den äußeren Rohrabschnitt 53, das Mittenjoch 54 und das Ankerelement 43 verlaufen. This creates (in the de-energized case) a first magnetic circuit 81, the flux lines of which run through the first permanent magnet 41, the first yoke 51, the outer tube section 53, the middle yoke 54 and the anchor element 43. Likewise, a second magnetic circuit 82 is created, the flux lines of which run through the second permanent magnet 42, the second yoke 52, the outer tube section 53, the middle yoke 54 and the anchor element 43.
Weiterhin umfasst der Aktuator 10 eine Magnetspule 60, die von dem ersten Magnetkreis 81 umschlossen wird, der als aktiver Magnetkreis bezeichnet wird. Furthermore, the actuator 10 includes a magnetic coil 60, which is surrounded by the first magnetic circuit 81, which is referred to as the active magnetic circuit.
In Figur 1A befindet sich der Magnetanker 40 in der erste Endlage, so dass die von dem ersten Permanentmagneten 41 gebildete axiale Stirnfläche des Magnetankers 40 durch einen ersten Axialspalt 71 von dem ersten Joch 51 beabstandet ist. Entsprechend ist der erste Magnetkreis geschlossen bzw. dessen magnetische Leitfähigkeit maximiert, was durch den Rundpfeil im ersten Magnetkreis 81 angedeutet ist. In Figure 1A, the magnet armature 40 is in the first end position, so that the axial end face of the magnet armature 40 formed by the first permanent magnet 41 is spaced from the first yoke 51 by a first axial gap 71. Accordingly, the first magnetic circuit is closed or its magnetic conductivity is maximized, which is indicated by the round arrow in the first magnetic circuit 81.
In Figur 1B befindet sich der Magnetanker 40 in der zweite Endlage, so dass die von dem zweiten Permanentmagneten 42 gebildete axiale Stirnfläche des Magnetankers 40 durch einen zweiten Axialspalt 72 von dem zweiten Joch 52 beabstandet ist. Entsprechend ist der zweite Magnetkreis geschlossen bzw. dessen magnetische Leitfähigkeit maximiert, was durch den Rundpfeil im zweiten Magnetkreis 82 angedeutet ist. In Figure 1B, the magnet armature 40 is in the second end position, so that the axial end face of the magnet armature 40 formed by the second permanent magnet 42 is spaced from the second yoke 52 by a second axial gap 72. Accordingly, the second magnetic circuit is closed or its magnetic conductivity is maximized, which is indicated by the round arrow in the second magnetic circuit 82.
Durch eine kurzzeitige Bestromung der Spule 60 kann dann der Magnetanker 40 zwischen der ersten und zweiten Endlage verfahren werden. Die Bestromung ist beispielsweise ein Strompuls mit 10 Ampere (was bei 100 Spulen Windungen einer Gesamtbestromung von 1000 Ampere Windungen entspricht) mit einer Dauer zwischen 300 und 800 Millisekunden. Zum Schalten von der ersten in die zweite Endlage wird die Spule 60 derart bestromt, dass der Magnetfluss in dem ersten Magnetkreis geschwächt wird, so dass die Haltekraft in der ersten Endlage überwunden wird und der Magnetanker in die zweite Endlage verfährt. Umgekehrt wird beim Schalten zwischen der zweiten Endlage und der ersten Endlage die Spule 60 umgekehrt bestromt, so dass der erste Magnetkreis unterstützt wird, bis die Haltekraft in der zweiten Endlage überwunden wird und der Magnetanker in die erste Endlage verfährt. In den Figuren 2A und 2B ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Aktuators 10 dargestellt. Dieses unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch das Vorsehen eines zusätzlichen Abschirmelements 44 im Magnetanker 40 auf der von dem Ankerelement 43 abgewandten Stirnfläche des ersten Permanentmagneten 41. Das ringförmige Abschirmelement 44 deckt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die gesamte axiale Stirnfläche des ersten Permanentmagneten 41 ab. Zusätzlich befindet sich auf der radialen Innenseite des ersten Permanentmagneten 41 ein optionales weichmagnetisches Element (Verbindungselement 45), welches das Abschirmelement 44 mit dem Ankerelement 43 magnetisch verbindet. Durch das Abschirmelement 44 gegebenenfalls in Verbindung mit dem weichmagnetischen Verbindungselement 45 wird der erste Permanentmagnet 41 sozusagen in weichmagnetischem Material "vergraben" und dadurch insbesondere gegenüber dem Magnetfeld der Spule 60 abgeschirmt, so dass an dem ersten Permanentmagneten 41 im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel nur geringere lokale magnetische Feldstärken auftreten. Entsprechend ist dieses Ausführungsbeispiel weniger kritisch gegenüber einer irreversiblen Entmagnetisierung des Permanentmagneten 41 und gestattet daher die Verwendung von Permanentmagneten, die weniger stabil gegenüber einer irreversiblen Entmagnetisierung sind, das heißt Permanentmagneten mit einer niedrigeren Temperatur- und/oder Entmagnetisierungsklasse. By briefly energizing the coil 60, the magnet armature 40 can then be moved between the first and second end positions. The current supply is, for example, a current pulse of 10 amperes (which, with 100 coil turns, corresponds to a total current supply of 1000 ampere turns) with a duration of between 300 and 800 milliseconds. To switch from the first to the second end position, the coil 60 is energized in such a way that the magnetic flux in the first magnetic circuit is weakened, so that the holding force in the first end position is overcome and the magnet armature moves into the second end position. Conversely, when switching between the second end position and the first end position, the coil 60 is energized in reverse, so that the first magnetic circuit is supported until the holding force in the second end position is overcome and the magnet armature moves into the first end position. A second exemplary embodiment of the actuator 10 is shown in FIGS. 2A and 2B. This differs from the first exemplary embodiment in that an additional shielding element 44 is provided in the magnet armature 40 on the end face of the first permanent magnet 41 facing away from the armature element 43. In the exemplary embodiment shown, the annular shielding element 44 covers the entire axial end face of the first permanent magnet 41. In addition, on the radial inside of the first permanent magnet 41 there is an optional soft magnetic element (connecting element 45), which magnetically connects the shielding element 44 to the anchor element 43. Through the shielding element 44, optionally in conjunction with the soft magnetic connecting element 45, the first permanent magnet 41 is, so to speak, "buried" in soft magnetic material and is thereby shielded in particular from the magnetic field of the coil 60, so that on the first permanent magnet 41, in comparison with the first exemplary embodiment, only less local magnetic field strengths occur. Accordingly, this embodiment is less critical to irreversible demagnetization of the permanent magnet 41 and therefore allows the use of permanent magnets that are less stable to irreversible demagnetization, that is, permanent magnets with a lower temperature and/or demagnetization class.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Abschirmelement 44 auch auf der von dem Ankerelement 43 abgewandten Stirnseite des zweiten Permanentmagneten 42 vorgesehen. In an exemplary embodiment, not shown, a shielding element 44 is also provided on the end face of the second permanent magnet 42 facing away from the anchor element 43.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines pneumatischen Schaltventils 100 dargestellt. Dieses umfasst den Aktuator 10, auf dessen Stößel 20 ein Ventilkörper 101 fest montiert ist. In der ersten Endlage des Aktuators 10 schließt der Ventilkörper 101 einen Ventilsitz 102 des Ventils 100. In dem in Figur 3 dargestellten Zustand befindet sich der Aktuator 10 in der zweiten Endlage, in der das Schaltventil geöffnet ist. An exemplary embodiment of a pneumatic switching valve 100 is shown in FIG. This includes the actuator 10, on whose tappet 20 a valve body 101 is permanently mounted. In the first end position of the actuator 10, the valve body 101 closes a valve seat 102 of the valve 100. In the state shown in FIG. 3, the actuator 10 is in the second end position in which the switching valve is open.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE SYMBOL LIST
10 Aktuator 10 actuator
20 Aktuatorachse 20 actuator axis
30 Stößel 30 pestles
40 Magnetanker 40 magnetic anchors
41 erster Permanentmagnet 41 first permanent magnet
42 zweiter Permanentmagnet 42 second permanent magnet
43 Ankerelement, Trägerelement 43 anchor element, support element
44 Abschirmelement 44 shielding element
45 V erbindungselement 45 connecting element
50 feststehende Flussleitelementanordnung50 fixed flow guide element arrangement
51 erstes Joch 51 first yoke
52 zweites Joch 52 second yoke
53 äußerer Rohrabschnitt 53 outer pipe section
54 Mittenjoch 54 Mittenjoch
60 Magnetspule 60 solenoid coil
71 erster Axialspalt 71 first axial gap
72 zweiter Axialspalt 72 second axial gap
81 erster Magnetkreis 81 first magnetic circuit
82 zweiter Magnetkreis 82 second magnetic circuit
100 Schaltventil 100 switching valve
101 Ventilkörper 101 valve body
102 Ventilsitz 102 valve seat

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Aktuator (10) mit einem Magnetanker (40), der zwischen einer ersten und einer zweiten stabilen Endlage verfahrbar ist, und mit einer Flussleitelementanordnung (50) zur Ausbildung eines ersten und eines zweiten Magnetkreises (81, 82), wobei beide Magnetkreise den Magnetanker durchfließen und gegensinnig durchflossen sind, und wobei die Flussleitelementanordnung einen gemeinsamen Flussleitabschnitt (54) aufweist, der von beiden Magnetkreisen gemeinsam durchflossen wird. 1. Actuator (10) with a magnet armature (40), which can be moved between a first and a second stable end position, and with a flux guide element arrangement (50) for forming a first and a second magnetic circuit (81, 82), both magnetic circuits Magnet armatures flow through and flow through in opposite directions, and wherein the flux guide element arrangement has a common flux guide section (54) through which both magnetic circuits flow together.
2. Aktuator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 2. Actuator (10) according to claim 1, characterized in
- dass der erste Magnetkreis (81) ein aktiver Magnetkreis ist, und/oder - that the first magnetic circuit (81) is an active magnetic circuit, and/or
- dass der zweite Magnetkreis (82) ein passiver Magnetkreis ist, und/oder - that the second magnetic circuit (82) is a passive magnetic circuit, and/or
- dass der Aktuator genau eine Magnetspule (60) umfasst, die innerhalb des ersten Magnetkreises angeordnet ist, - that the actuator comprises exactly one magnetic coil (60) which is arranged within the first magnetic circuit,
3. Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 3. Actuator (10) according to one of the preceding claims, characterized in
- dass der gemeinsame Flussleitabschnitt (54) um eine Aktuatorachse (20) rotations- oder drehsymmetrisch und/oder als eigenständiges Bauteil und/oder als Ring, insbesondere als einstückiger, mehrstückiger und/oder zylindrischer Ring ausgebildet ist, und/oder - that the common flow guide section (54) is designed to be rotationally or rotationally symmetrical about an actuator axis (20) and/or as an independent component and/or as a ring, in particular as a one-piece, multi-piece and/or cylindrical ring, and/or
- dass der gemeinsame Flussleitabschnitt zwischen Magnetanker (40) und einem äußeren Abschnitt (53) der Flussleitelementanordnung (50) angeordnet ist, und/oder - that the common flux guide section is arranged between the magnet armature (40) and an outer section (53) of the flux guide element arrangement (50), and/or
- dass der gemeinsame Flussleitabschnitt von dem Magnetanker durch einen Radialspalt beabstandet ist. - That the common flux guide section is spaced from the magnet armature by a radial gap.
4. Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 4. Actuator (10) according to one of the preceding claims, characterized in
- dass in dem gemeinsamen Flussleitabschnitt (54) Flusslinien der Magnetkreise (81, 82) zumindest im Wesentlichen radial verlaufen, und/oder - that in the common flux guide section (54) flux lines of the magnetic circuits (81, 82) run at least essentially radially, and/or
- dass der gemeinsame Flussleitabschnitt den Magnetanker (40) mit dem äußeren Abschnitt (53) der Flussleitelementanordnung (50) magnetisch verbindet. - that the common flux guide section magnetically connects the magnet armature (40) to the outer section (53) of the flux guide element arrangement (50).
5. Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (40) 5. Actuator (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnet armature (40)
- eine erste und eine zweite Permanentmagnetanordnung (41, 42) aufweist, die jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind, und/oder - ein weichmagnetisches, zwischenliegendes Ankerelement (43) umfasst, so dass die Permanentmagnetanordnungen durch das Ankerelement beabstandet sind, dessen axiale Dicke bevorzugt größer als der Hub des Magnetankers und/oder größer als die axiale Dicke des gemeinsamen Flussleitabschnitts ist, wobei besonders bevorzugt die Permanentmagnetanordnungen unmittelbar an das Ankerelement angrenzen. - has a first and a second permanent magnet arrangement (41, 42), each of which is magnetized in opposite directions, and/or - a soft magnetic, intermediate armature element (43), so that the permanent magnet arrangements are spaced apart by the armature element, the axial thickness of which is preferably greater than the stroke of the magnet armature and / or greater than the axial thickness of the common flux guide section, with particularly preferably the permanent magnet arrangements directly adjoin the anchor element.
6. Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet 6. Actuator (10) according to one of the preceding claims, characterized
- dass eine radiale Innenseite des gemeinsamen Flussleitabschnitts (54) entlang des gesamten Hubs des Aktuators zumindest teilweise einer radialen Außenseite des Ankerelements (43) gegenübersteht, und/oder - that a radial inside of the common flow guide section (54) faces at least partially a radial outside of the anchor element (43) along the entire stroke of the actuator, and/or
- dass Mittenebenen der Permanentmagnetanordnungen (41, 42) sich in beiden Endlagen jeweils ausschließlich auf verschiedenen axialen Seiten einer Mittenebene des gemeinsamen Flussleitabschnitts befinden. - That center planes of the permanent magnet arrangements (41, 42) are located in both end positions exclusively on different axial sides of a center plane of the common flux guide section.
7. Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 7. Actuator (10) according to one of the preceding claims, characterized in
- dass die Permanentmagnetanordnungen (41, 42) die axialen Stirnseiten/flächen des Magnetankers (40) bilden und/oder dass das zwischenliegende Ankerelement (43) das einzige weichmagnetische Bauteil des Magnetankers bildet, oder - that the permanent magnet arrangements (41, 42) form the axial end faces/surfaces of the magnet armature (40) and/or that the intermediate anchor element (43) forms the only soft magnetic component of the magnet armature, or
- dass auf der von dem zwischenliegenden Ankerelement abgewandten axialen Stirnseite/-fläche von erster und/oder zweiter Permanentmagnetanordnung ein weichmagnetisches Abschirmelement (44) angeordnet ist, das bevorzugt die gesamte axiale Stirnseite der jeweiligen Permanentmagnetanordnung abdeckt, wobei besonders bevorzugt das Abschirmelement und das Ankerelement magnetisch und/oder fest miteinander verbunden (45) sind. - that on the axial end face/surface of the first and/or second permanent magnet arrangement facing away from the intermediate anchor element, a soft magnetic shielding element (44) is arranged, which preferably covers the entire axial end face of the respective permanent magnet arrangement, particularly preferably the shielding element and the anchor element being magnetic and/or are firmly connected (45) to one another.
8. Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet 8. Actuator (10) according to one of the preceding claims, characterized
- dass der Aktuator in der ersten Endlage eine höhere Haltekraft als in der zweiten Endlage aufweist, und/oder - that the actuator has a higher holding force in the first end position than in the second end position, and / or
- dass dem gemeinsamen Flussleitabschnitt (54) in der ersten Endlage die erste Permanentmagnetanordnung (41) zumindest teilweise gegenübersteht und in der zweiten Endlage ausschließlich das Ankerelement (43) dem gemeinsamen Flussleitabschnitt gegenübersteht. - that the first permanent magnet arrangement (41) at least partially opposes the common flux guide section (54) in the first end position and in the second end position only the anchor element (43) faces the common flux guide section.
9. Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet - dass die ersten und zweiten axialen Stirnseiten des Magnetankers (40) jeweils als erste und zweite ebene Stirnflächen ausgebildet sind und/oder 9. Actuator (10) according to one of the preceding claims, characterized - that the first and second axial end faces of the magnet armature (40) are each designed as first and second flat end faces and/or
- dass die Flussleitelementanordnung (50) einen Flussleitabschnitt in Form eines ersten Jochs (51) mit einer ebenen Stirnfläche aufweist, die in der ersten Endlage von der ersten Stirnfläche des Magnetankers durch einen ersten Axialspalt (71) beabstandet ist und/oder - that the flux guide element arrangement (50) has a flux guide section in the form of a first yoke (51) with a flat end face which, in the first end position, is spaced from the first end face of the magnet armature by a first axial gap (71) and/or
- dass die Flussleitelementanordnung einen Flussleitabschnitt in Form eines zweiten Jochs (52) mit einer ebenen Stirnfläche aufweist, die in der zweiten Endlage von der zweiten Stirnfläche des Magnetankers durch einen zweiten Axialspalt (72) beabstandet ist. - that the flux guide element arrangement has a flux guide section in the form of a second yoke (52) with a flat end face, which in the second end position is spaced from the second end face of the magnet armature by a second axial gap (72).
10. Schaltventil (100) umfassend einen Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltventil bevorzugt 10. Switching valve (100) comprising an actuator (10) according to one of the preceding claims, wherein the switching valve is preferred
- geschlossen ist, wenn sich der Magnetanker des Aktuators in der ersten Endlage befindet, und- is closed when the magnet armature of the actuator is in the first end position, and
- geöffnet ist, wenn sich der Magnetanker des Aktuators in der zweiten Endlage befindet. - is open when the magnet armature of the actuator is in the second end position.
11. Schaltventil (100) nach Anspruch 10, das als Sitzventil und/oder als 2/2-Ventil ausgebildet ist. 11. Switching valve (100) according to claim 10, which is designed as a seat valve and / or as a 2/2 valve.
12. Stoßdämpfer umfassend wenigstens ein Schaltventil (100) nach Anspruch 10 oder 11, welches bevorzugt eine Luftkammer schaltet, die bevorzugt ein Zusatzvolumen für eine Luftfeder schafft. 12. Shock absorber comprising at least one switching valve (100) according to claim 10 or 11, which preferably switches an air chamber, which preferably creates an additional volume for an air spring.
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