DE10131155B4

DE10131155B4 - Elektromagnetisches Stellglied

Info

Publication number: DE10131155B4
Application number: DE10131155A
Authority: DE
Inventors: Hisashi Yawara Yajima; Kazuya Yawara Tamura
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: KR100442676B1; TW526629B; CN1334636A; US6667677B2; JP2002101631A; JP4734766B2; DE10131155A1; CN1257600C; KR20020008021A; US20020008601A1

Abstract

Elektromagnetisches Stellglied (1A) mit
einer ringförmigen Erregerspule (10),
einem Hauptjoch (12), das einen Umfang der Erregerspule (10) umgibt und einen Abschnitt aufweist, an dem ein Paar polarer Zähne (12a, 12b) an axial gegenüberliegenden Endabschnitten einer zentralen Öffnung (11) der Erregerspule (10) so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind,
einem zylindrischen Permanentmagneten (13), der in der zentralen Öffnung (11) der Erregerspule (10) so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung der zentralen Öffnung (11) bewegbar ist, und der in einer Radialrichtung mit einem Nordpol und einem Südpol polarisiert ist, und
einem zylindrischen hinteren Joch (14), das koaxial mit dem zylindrischen Permanentmagneten (13) an einer der Erregerspule (10) gegenüberliegenden Seite durch den Permanentmagneten (13) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Stellglied (Actuator) zum Bewegen und Positionieren eines Objektes mit zufriedenstellender Ansprechgeschwindigkeit.

Herkömmlicherweise wird ein elektromagnetischer Solenoid (Actuator), bei dem eine Spannung auf eine Erregerspule aufgebracht wird, um durch eine Magnetkraft eine Linearbewegung auf einen beweglichen Kern zu übertragen, als Hin- und Herbewegungsvorrichtung zur magnetischen Bewegung eines Objektes verwendet. Obwohl der Aufbau dieses elektromagnetischen Solenoids einfach ist, umfasst der elektromagnetische Solenoid einen Kern innerhalb der Spule. Daher ist es schwierig, das elektrische Ansprechverhalten zu verbessern. Vor allem, weil kein Schub erzeugt werden kann, wenn kein Strom durchgeführt wird, sind die Verwendungsbereiche des elektromagnetischen Solenoiden begrenzt.

Zur Lösung dieser Probleme wird beim Starten oder Positionieren in einem nicht erregten Zustand durch Verwendung einer Feder eine große Spannung aufgebracht. Dadurch wird der Aufbau kompliziert und die Zahl der Teile vergrößert.

Aus der DE 40 12 832 C2 ist ferner ein Magnetventil mit einer Spule und einem die Spule umgebenden Joch bekannt, welches auf einer dem Ventilgehäuse zugewandten Seite Vorsprünge aufweist. In einer zentralen Öffnung des Ventilgehäuses ist ferner ein zylindrischer Permanentmagnet in axialer Richtung bewegbar angeordnet und durch Erregung der Spule antreibbar. Allerdings ist der Magnetantrieb vollständig außerhalb des Ventilgehäuses angeordnet, so dass der magnetische Fluss zwischen dem Permanentmagneten und dem Joch nach Erregung der Spule nicht optimal und das Ansprechverhalten des Magnetventils verschlechtert ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetisches Stellglied zur Erzeugung eines konstanten Schubes in kurzer Zeit mit zufriedenstellendem Ansprechverhalten zu schaffen, ohne beim Starten eine große Spannung aufbringen zu müssen.

Ein bewegliches Element in dem elektromagnetischen Stellglied soll einfach in einem nicht erregten Zustand gehalten werden.

Das elektromagnetische Stellglied soll von geringer Größe und preiswert sein und lediglich eine geringe Teilezahl umfassen, was dadurch erreicht wird, dass ein zylindrischer Permanentmagnet verwendet wird, der in Radialrichtung polarisiert ist.

Die Aufgabe wird mit der Erfindung durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2 und 4 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung umfasst ein erstes elektromagnetisches Stellglied eine ringförmige Erregerspule, ein Hauptjoch, das einen Umfang der Erregerspule umgibt und ein Paar von polaren Zähnen aufweist, die einander zugewandt an axial gegenüberliegenden Endabschnitten einer zentralen Öffnung der Erregerspule angeordnet sind, und einen zylindrischen Permanentmagneten, der in der zentralen Öffnung der Erregerspule so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung der zentralen Öffnung beweglich ist, und der in einer Radialrichtung mit einem Nordpol und einem Südpol polarisiert ist, wobei ein zylindrisches hinteres Joch koaxial mit dem zylindrischen Permanentmagneten an einer der Erregerspule gegenüberliegenden Seite durch den Permanentmagneten vorgesehen ist.

Ein zweites elektromagnetisches Stellglied gemäß der Erfindung umfasst eine ringförmige Erregerspule, ein Hauptjoch, das einen Umfang der Erregerspule umgibt und ein Paar polarer Zähne aufweist, die einander zugewandt an axial gegenüberliegenden Endabschnitten eines äußeren Umfangs der Erregerspule angeordnet sind, und einen zylindrischen Permanentmagneten, der an einer äußeren Umfangsseite der Erregerspule so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung der Spule beweglich ist, und der in einer Radialrichtung mit einem Nordpol und einem Südpol polarisiert ist.

Bei dem ersten und dem zweiten elektromagnetischen Stellglied wird bei einer Erregung der Erregerspule entsprechend der Stromrichtung der eine polare Zahn des Hauptjoches zum Nordpol, während der andere polare Zahn zum Südpol wird. Wenn die in diesen polaren Zähnen erzeugten magnetischen Pole und ein magnetischer Pol des Permanentmagneten an einer den polaren Zähnen zugewandten Seite unterschiedlich voneinander sind, wirkt eine Anziehungskraft zwischen ihnen. Sind die Pole gleich, werden sie voneinander abgestoßen. Dadurch werden diese Kräfte zu einem Axialschub, der auf den Permanentmagneten wirkt, so dass sich der Permanentmagnet in der Axialrichtung in der zentralen Öffnung der Spule oder außerhalb der Spule bewegt. Wird die Erregerspule in umgekehrter Richtung erregt, sind die magnetischen Pole, das heißt der an den beiden polaren Zähnen des Hauptjoches erzeugte Nordpol und der Südpol umgekehrt wie bei dem oben beschriebenen Fall. Als Folge hiervon wird auch der auf den Permanentmagnet wirkende Schub umgekehrt, und der Permanentmagnet bewegt sich in der entgegengesetzten Richtung.

Mit der Erfindung ist es vorteilhafterweise möglich, einen konstanten Schub in kurzer Zeit mit zufriedenstellender Ansprechempfindlichkeit zu generieren, ohne beim Starten eine große Spannung aufbringen zu müssen.

Gemäß dem zweiten Stellglied kann ein zylindrisches hinteres Joch, das koaxial mit dem zylindrischen Permanentmagneten angeordnet ist, an einer der Erregerspule gegenüberliegenden Seite durch den Permanentmagneten vorgesehen sein, das heißt innerhalb des Permanentmagneten in dem ersten elektrischen Stellglied und außerhalb des Permanentmagneten im zweiten elektromagnetischen Stellglied. Durch diesen Aufbau ist es möglich, die magnetische Reluktanz zu reduzieren und den Schub und die magnetische Haftkraft des Permanentmagneten weiter zu erhöhen, da ein sich von dem einen polaren Zahn durch den Permanentmagneten und das hintere Joch zu dem anderen polaren Zahn erstreckender magnetischer Weg ausgebildet wird.

Wird das hintere Joch so ausgebildet, dass es eine Dicke aufweist, die durch eine magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten magnetisch gesättigt wird, kann der Permanentmagnet durch eine Magnetkraft in einer neutralen Position gehalten werden, wenn die Erregerspule nicht mit Strom versorgt ist. Wenn das hintere Joch eine solche Dicke aufweist, dass es durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten nicht magnetisch gesättigt wird, kann der Permanentmagnet durch die Magnetkraft an zwei Positionen gehalten werden, nämlich einem vorderen Bewegungsende oder einem hinteren Bewegungsende, wenn die Erregerspule nicht mit Strom versorgt ist.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein elektromagnetisches Stellglied eine ringförmige Erregerspule, ein ringförmiges Hauptjoch, das einen Umfang der Erregerspule umgibt, und einen Abschnitt aufweist, an dem ein Paar von polaren Zähnen so angeordnet ist, dass sie einander an axial gegenüberliegenden Endabschnittes einer zentralen Öffnung der Erregerspule zugewandt sind, eine Abdeckung und eine Kappe, die an axial gegenüberliegenden Endabschnitten des Hauptjoches angebracht sind, um mit dem Hauptjoch ein Gehäuse zu bilden, eine Magnetkammer, die in dem Gehäuse ausgebildet ist und einen äußeren Umfang aufweist, der von der Erre gerspule und dem Paar polarer Zähne umgeben wird, einen Permanentmagneten. in zylindrischer Form, der mit einem Nordpol und einem Südpol in einer Radialrichtung polarisiert ist und in der Magnetkammer innerhalb der Erregerspule und der polaren Zähne so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung des Gehäuses bewegbar ist, einen Magnethalter zum Halten des Permanentmagneten, der mit dem Permanentmagneten bewegbar ist, und eine Abtriebswelle, die durch einen zentralen Abschnitt der Magnetkammer hindurchtritt, um in Axialrichtung des Gehäuses zu gleiten und die mit dem Magnethalter verbunden ist.

Das hintere zylindrische Joch kann fest an dem Gehäuse angebracht sein, wobei es konzentrisch mit dem Permanentmagneten innerhalb des Permanentmagneten angeordnet ist.

Der Magnethalter kann durch eine Feder in Rückwärtsrichtung zurückgedrückt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher beschrieben.
1 ist ein schematischer Schnitt durch ein erstes elektromagnetisches Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematischer Schnitt durch ein zweites elektromagnetisches Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Schnitt zur Erläuterung eines Schaltvorgangs bei einem Beispiel des ersten elektromagnetischen Stellgliedes.
4 ist Schnitt zur Erläuterung eines Schaltvorgangs bei einem anderen Beispiel des ersten elektromagnetischen Stellgliedes.
5 ist ein Diagramm, das Betriebseigenschaften im nicht erregten Zustand bei Gegenwart oder Abwesenheit des hinteren Joches darstellt.
6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Abstand zwischen polaren Zähnen und dem Schub im nicht erregten Zustand darstellt.
7 ist ein Diagramm, das die Betriebseigenschaften während eines Hubes darstellt, wenn der Schub im nicht erregten Zustand minimiert wird.
8 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform mit dem elektromagnetischen Stellglied gemäß 1, wobei unterschiedliche Betriebszustände in der oberen und unteren Hälfte dargestellt sind.
1 zeigt ein erstes elektromagnetisches Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung. Das erste elektromagnetische Stellglied 1A umfasst eine ringförmige Erregerspule 10, ein ringförmiges Hauptjoch, das einen Umfang der Erregerspule umgibt und einen Abschnitt aufweist, an dem zylindrische polare Zähne 12a und 12b an gegenüberliegenden Endabschnitten einer zentralen Öffnung 11 der Erregerspule 10 einander zugewandt sind, einen zylindrischen Permanentmagneten 13, der in der zentralen Öffnung 11 der Erregerspule so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung der Öffnung bewegbar ist, und der in einer Radialrichtung mit einem Nordpol und einem Südpol polarisiert ist, und ein zylindrisches hinteres Joch 14 innerhalb des Permanentmagneten 13. Das Hauptjoch 12 und das hintere Joch 14 bestehen jeweils aus magnetischem Material.
Eine bevorzugte Länge des zylindrischen Permanentmagneten ist eine Länge, bei der eine Lücke zwischen den beiden polaren Zähnen 12a und 12b abgedeckt wird, und insbesondere eine Länge, bei der ein Ende des Permanentmagneten 13 ein Bewegungsende in der zentralen Öffnung 11 der Erregerspule erreicht, wenn das andere Ende des Permanentmagneten 13 den gegenüberliegenden polaren Zahn teilweise überlappt oder nahe dem polaren Zahn angeordnet ist. Das hintere Joch 14 muss nicht vorgesehen sein. Ist das hintere Joch aber vorgesehen, so weist es vorzugsweise eine Länge auf, bei der ein Großteil des Permanentmagneten 13 abgedeckt wird, wenn der Permanentmagnet 13 in Bewegung ist.
Andererseits umfasst ein zweites magnetisch bewegbares elektromagnetisches Stellglied 1B gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in 2 dargestellt ist, eine ringförmige Erregerspule 20, ein ringförmiges Hauptjoch 22, das einen Umfang der Erregerspule umgibt und einen Abschnitt aufweist, an dem zylindrische polare Zähne 22a und 22b so angeordnet sind, dass sie einander an axial gegenüberliegenden Endabschnitten eines äußeren Umfangs der Erregerspule 20 zugewandt sind, einen zylindrischen Permanentmagneten 23, der außerhalb der Erregerspule 20 so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung der Spule bewegbar ist, und der in einer Radialrichtung mit einem Nordpol und Südpol polarisiert ist, und ein zylindrisches hinteres Joch 24, das außerhalb des Permanentmagneten 23 angeordnet ist. Die Längen des Permanentmagneten 23 und hinteren Joches 24 und dergleichen sind ähnlich denen bei dem oben beschriebenen ersten elektromagnetischen Stellglied 1A.
Da das zweite elektromagnetische Stellglied 1B sich von dem ersten elektromagnetischen Stellglied 1A gemäß 1 lediglich in der Anordnung der Erregerspule, dem Permanentmagneten und dem hinteren Joch unterscheidet, und hinsichtlich der Funktion im wesentlichen kein Unterschied zwischen den Stellgliedern 1A und 1B besteht, wird nachfolgend nur der Betrieb des ersten elektromagnetischen Stellgliedes 1A gemäss 1 erläutert. Entsprechendes gilt dann für das zweite elektromagnetische Stellglied 1B.
Bei dem ersten elektromagnetischen Stellglied 1A gemäß 1 ist der Permanentmagnet 13 in Radialrichtung so polarisiert, dass eine Außenseite des Permanentmagneten 13 den Südpol bildet und eine Innenseite den Nordpol. Wird die Erregerspule 10 in einer in 1 mit Symbolen bezeichneten Richtung in diesem Zustand mit Strom versorgt (erregt), wird der eine polare Zahn 12a des Hauptjoches aufgrund dieser Stromrichtung der Nordpol und der andere polare Zahn 12b der Südpol. Daher wirkt eine Anziehungskraft zwischen dem Nordpol, der in dem polaren Zahn 12a generiert wird, und dem Südpol an einer äußeren Fläche des Permanentmagneten 13, der dem Nordpol zugewandt ist. Zwischen dem Südpol, der in dem polaren Zahn 12b generiert wird, und dem Südpol des Permanentmagneten wirkt eine Abstoßung. Diese Kräfte erzeugen somit einen axialen Schub in dem Permanentmagneten 13 und dieser bewegt sich durch den Schub in der zentralen Öffnung 11 der Spule axial (in 1 nach rechts).
Wird die Erregerspule 10 in entgegengesetzter Richtung mit Strom versorgt (erregt), werden die magnetischen Pole des Nordpols und des Südpols in den bei den polaren Zähnen 12a und 12b des Hauptjoches 12 in umgekehrter Weise generiert, als bei dem oben beschriebenen Fall. Als Folge hiervon, wird die Richtung des in dem Permanentmagneten 13 erzeugten Schubes ebenfalls umgekehrt (in 1 nach links) und der Permanentmagnet 13 bewegt sich in einer Richtung, die der oben beschriebenen Richtung entgegengesetzt ist.
Wird das hintere Joch 14 vorgesehen, so werden die magnetische Reluktanz und dergleichen des magnetischen Pfades durch die magnetischen Eigenschaften, die Anordnung und dergleichen des magnetischen Joches 14 angepasst, um dadurch den Schub und die magnetische Haftkraft des Permanentmagneten 13 einzustellen, da ein sich von dem polaren Zahn an der Nordpolseite des Hauptjoches 12 durch den Permanentmagneten 13 zu dem hinteren Joch und durch einen äußeren Raum bis zu dem anderen polaren Zahn erstreckender magnetischer Pfad gebildet wird.
Andererseits ändert sich eine Halteposition des Permanentmagneten 13, wenn die Erregerspule 10 nicht erregt wird, in Abhängigkeit von der Gegenwart oder Abwesenheit des hinteren Joches 14, den magnetischen Sättigungseigenschaften des hinteren Joches 14 und dergleichen. Dies wird nachfolgend beschrieben.
Wird das hintere Joch 14 nicht vorgesehen oder ist das hintere Joch 14 nur dünnwandig ausgeführt, so dass das hintere Joch 14 durch eine magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 13 magnetisch gesättigt wird, wird der Permanentmagnet 13 in einer neutralen Position gehalten, wenn die Erregerspule 10 nicht betätigt wird. Wird die Erregung der Erregerspule 10 in einem Zustand unterbrochen, in dem die Erregerspule 10 erregt war und der Permanentmagnet 13 vorwärts zu einem Hubende an der Seite des polaren Zahnes 12a bewegt wurde, wird der magnetische Fluss Φ b, der durch den magnetischen Pfad Sb tritt, größer als der magnetische Fluss Φ a, der durch den mag netischen Pfad Sa tritt, wobei der magnetische Fluss durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 13 erzeugt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass an diesem vorderen Bewegungsende (vgl. 3) die magnetische Reluktanz des magnetischen Pfades Sa an dem polaren Zahn 12a kleiner ist, als die magnetische Reluktanz eines magnetischen Pfades Sb an der Seite des polaren Zahnes 12b. Als Folge hiervon wird der Permanentmagnet 13 angezogen und bewegt sich zu dem polaren Zahn 12b. Wenn sich dann der Permanentmagnet 13 zu der neutralen Position bewegt, weil die magnetischen Reluktanzen in den magnetischen Pfaden Sa und Sb einander gleich werden und ein Gleichgewicht zwischen den magnetischen Flüssen Φa und Φb erreicht wird, hält der Permanentmagnet 13 an der neutralen Position an. Wird dagegen die Erregung der Erregerspule 10 in einem Zustand unterbrochen, in dem der Permanentmagnet 13 zu einem hinteren Bewegungshubende an der Seite des polaren Zahns 12b bewegt wurde, so wird der Permanentmagnet 13 angezogen und bewegt sich zu dem polaren Zahn 12b in einer dem oben beschriebenen Fall entgegengesetzten Weise. Wenn sich der Permanentmagnet 13 zu der neutralen Position bewegt, hält der Permanentmagnet 13 dort an und wird in dieser Position gehalten.
Ist also ein anzutreibendes Objekt mit dem Permanentmagnet 13 verbunden und wird die Erregerspule 10 in einer normalen (vorwärts) oder entgegengesetzten (rückwärts) Richtung erregt, um den Permanentmagneten 13 vorwärts oder rückwärts zu bewegen, und wird dann die Stromzufuhr (Erregung) unterbrochen, kann das Objekt an der neutralen Position des Permanentmagneten 13 positioniert werden. Dieser Aufbau ist äquivalent zu der Anordnung von mechanischen Rückführfedern an gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagnetes 13. Somit ist der Aufbau effizient, wenn er dazu verwendet wird, den Permanentmagneten 13 kontinuierlich hin- und hergehend anzutreiben, da das Umschalten des Permanentmagneten 13 durch ein Resonanzphänomen gefördert wird.
Ist das hintere Joch 14 so dick, dass das hintere Joch 14 durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 13 nicht magnetisch gesättigt wird, wird der Permanentmagnet 13 an zwei Positionen, d. h. dem vorderen Bewegungsende oder dem hinteren Bewegungsende, gehalten, wenn die Erregerspule 10 nicht mit Strom versorgt (erregt) wird. Wird die Erregung der Erregerspule 10 in einem Zustand unterbrochen, in dem die Erregerspule 10 erregt war und der Permanentmagnet 13 vorwärts zu einem Hubende an der Seite des polaren Zahns 12a bewegt wurde, so wird der von dem Permanentmagneten 13 generierte magnetische Fluss in einen magnetischen Fluss Φa, der sich von dem Nordpol durch das hintere Joch 14 und den polaren Zahn 12a zu dem Südpol erstreckt, einen magnetischen Fluss Φb, der sich von dem Nordpol durch das hintere Joch und den polaren Zahn 12b zu dem Südpol erstreckt, und einen magnetischen Fluss Φc, der sich von dem Nordpol durch das hintere Joch 14, den polaren Zahn 12b, das Hauptjoch 12 und den polaren Zahn 12a zu dem Südpol erstreckt, aufgeteilt, wie es in 4 dargestellt ist. Somit ist der magnetische Fluss, der durch den polaren Zahn 12a hindurchtritt und den Südpol erreicht gleich Φa + Φc, was größer ist als Φb, der durch den polaren Zahn 12b hindurchtritt und den Südpol erreicht. Als Folge hiervon wird der Permanentmagnet 13 an dem vorderen Bewegungsende gehalten, wobei er zu dem polaren Zahn 12a hin angezogen wird. Dies gilt auch für einen Fall der Unterbrechung der Erregung der Erregerspule 10 in einem Zustand, in dem der Permanentmagnet 13 zu dem Hubende auf der Seite des polaren Zahnes 12b bewegt wurde. In diesem Fall wird der Permanentmagnet 13 an dem hinteren Bewegungsende gehalten, wobei er zu dem polaren Zahn 12b hin angezogen wird.
Ist also ein anzuziehendes Objekt mit dem Permanentmagneten 13 verbunden und wird die Erregerspule 10 in einer Vorwärts- oder Rückwärtstichtung mit Strom versorgt, um den Permanentmagneten 13 vorwärts oder rückwärts zu bewegen, und wird dann die Stromzufuhr unterbrochen, kann das Objekt zu verlässig an zwei Positionen, nämlich dem vorderen Bewegungsende und dem hinteren Bewegungsende, positioniert werden.
5 zeigt die Beziehung zwischen einer Betriebsposition des Permanentmagneten 13 und der Größe und Richtung der von der magnetomotorischen Kraft des Permanentmagneten 13 selbst erzeugten Schubes. In 5 betrifft die Kurve m einen Fall, bei dem kein hinteres Joch 14 vorgesehen ist, oder bei dem das hintere Joch 14 so dünnwandig ist, dass es durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 13 magnetisch gesättigt wird. Die Kurve n betrifft einen Fall, bei dem das hintere Joch 14 so dick ist, dass es durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 13 nicht magnetisch gesättigt werden kann.
Die Kurve m zeigt, dass ein Schub in einer negativen Richtung (Rückwärtsrichtung) auf den Permanentmagnet 13 wirkt, wenn der Permanentmagnet 13 an dem in 3 gezeigten vorderen Bewegungsende ist, während der Schub in einer positiven Richtung (Vorwärtsrichtung) auf den Permanentmagneten 13 wirkt, wenn der Permanentmagnet 13 an dem hinteren Bewegungsende ist. Somit ergibt sich, dass der Permanentmagnet 13 zu der neutralen Position bewegt und in der neutralen Position gehalten wird, egal ob er an dem vorderen Bewegungsende oder dem hinteren Bewegungsende ist.
Die Kurve n zeigt, dass ein Schub in positiver Richtung (Vorwärtsrichtung) auf den Permanentmagnet 13 wirkt, wenn der Permanentmagnet 13 an dem vorderen Bewegungsende gemäß 4 ist, während ein Schub in negativer Richtung (Rückwärtsrichtung) auf den Permanentmagnet 13 wirkt, wenn der Permanentmagnet 13 an dem hinteren Bewegungsende ist. Somit ergibt sich, dass der Permanentmagnet 13 an den jeweiligen Positionen gehalten wird. In diesem Fall wirkt der Schub nicht in ähnlicher Weise auf den Permanentmagneten, wenn der Permanentmagnet in der neutralen Position ist.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Größe des Schubes, der auf den Permanentmagnet 13 wirkt, wenn die Erregerspule 10 nicht mit Strom versorgt ist, beliebig eingestellt werden, indem das Material und die Dicke des hinteren Joches 14, ein Zwischenraum zwischen dem Paar polarer Zähne 12a und 12b, die Länge des Permanentmagneten 13 und dergleichen geändert wird. Als Beispiel hierfür zeigt 6 den Einfluss des Abstands zwischen dem Paar polarer Zähne auf die Schubeigenschaften. Aus 6 ergibt sich, dass der Schub sich reduziert, wenn sich der Abstand zwischen den polaren Zähnen verringert. Es ist auch möglich, den auf den Permanentmagneten wirkenden Schub während des ganzes Hubes des Permanentmagneten zu minimieren, wie es in 7 gezeigt ist. In diesem Fall ist es möglich, den Permanentmagneten und das Objekt und dergleichen, das auf dem Permanentmagnet gehalten wird, an einer beliebigen Position zu stoppen und zu halten. Da das elektromagnetische Stellglied eine gute Steuerbarkeit aufweist, kann das Stellglied für einen Steuermotor und dergleichen verwendet werden.
8 zeigt eine Ausführungsform, bei der das erste elektromagnetische Stellglied 1A gemäß 1 verwendet wird.
Dieses elektromagnetische Stellglied umfasst eine ringförmige Erregerspule 30, die durch eine Wicklung 32 auf einem Spulenkörper 31 gebildet wird, und ein ringförmiges Hauptjoch 33, das einen Umfang der Erregerspule 30 umgibt. Das Hauptjoch 33 wird durch ein äußeres Joch 34, in dem ein äußerer Rohrabschnitt 34a, der auch als eine Außenwand eines Gehäuses dient, und ein polarer Zahn 34b miteinander integriert sind, und ein Bodenjoch 35 in im Schnitt L-förmiger Gestalt mit dem äußeren polaren Zahn 35a gebildet. Das äußere Joch 34 und das Bodenjoch 35 sind aneinander so angebracht, dass die polaren Zähne 35a und 34b in dem Paar an gegenüberliegenden Endabschnitten einer zentralen Öffnung der Erregerspule 30 so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, wobei das äußere Joch 34 und das Bodenjoch 35 miteinander beispielsweise durch Schrauben verbunden sind.
Eine Abdeckung 37 ist an einer axialen Endseite des Hauptjoches 33 über eine Schraube 38 angebracht, und eine Kappe 39 ist an der anderen Endseite des Hauptjoches 33 über einen C-förmigen Schnappring 40 angebracht. Das Gehäuse 41 wird durch das Hauptjoch 33, die Abdeckung 37 und die Kappe 39 gebildet. In dem Gehäuse 41 ist eine Magnetkammer 42, deren äußerer Umfang von der Erregerspule umgeben wird, und das Paar polarer Zähne 35a und 34b ausgebildet. In der Magnetkammer 42 ist eine hohle Abtriebswelle 45 vorgesehen, die durch die Mitte der Magnetkammer 42 hindurchtritt und in einer Axialrichtung gleiten kann. Ein zylindrischer Magnethalter 46 ist um die Welle 45 angebracht, um sich mit der Welle 45 zu bewegen. Ein zylindrischer Permanentmagnet 47 ist an einer äußeren Umfangsfläche des Magnethalters 46 so angebracht, dass er der Erregerspule 30 und dem Paar polarer Zähne 35a und 34b innerhalb der Spule 30 und den polaren Zähnen 35a und 34b zugewandt ist.
Der Permanentmagnet 47 ist Radialrichtung mit dem Nordpol und dem Südpol polarisiert und weist eine solche Länge auf, dass eine Lücke zwischen den beiden polaren Zähnen 35a und 34b des Hauptjoches 33 von dem Permanentmagnet 47 abgedeckt wird, und dass ein Ende des Permanentmagneten 47 ein Bewegungsende in der zentralen Öffnung der Erregerspule 30 erreicht, wenn das andere Ende des Permanentmagneten 47 den gegenüberliegenden polaren Zahn teilweise überlappt oder nahe dem polaren Zahn angeordnet ist.
Wie es durch eine gestrichelte Linie in 8 dargestellt ist, kann in dem Permanentmagneten 47 ein zylindrisches hinteres Joch 48 koaxial mit dem Permanentmagnet 47 angeordnet sein, wobei das hintere Joch 48 an der Kappe 39 befestigt ist. Ist das hintere Joch 48 vorgesehen, so hat es vorzugsweise eine solche Länge, dass es dem Permanentmagneten 47 immer dann zugewandt ist, wenn der Permanentmagnet 47 in Bewegung ist. Wie oben beschrieben wurde, kann das hintere Joch 48 auch entfallen.
In 8 ist ein Lager 50 an der Abdeckung 37 zum gleitenden Halten der Welle 45 angebracht. Dämpfer 51 und 52 an der Abdeckung 37 und der Kappe 39 vorgesehen, um den Magnethalter 46 in gedämpfter Weise an den Hubenden anzuhalten. Eine Gewindeöffnung 53 ist zur Festziehung des elektromagnetischen Stellgliedes an einem festgelegten Ort vorgesehen. Eine Rückführfeder 55 ist zur Rückführung der Welle 45 zu einer Rückkehrposition in einem nicht betätigten Zustand vorgesehen.
Das elektromagnetische Stellglied wird zum Tragen des Objektes und dergleichen verwendet, indem das Objekt mit der Welle 45 verbunden wird. In einem Betriebszustand, in dem die Welle 45 an dem linken Ende angeordnet ist, wie es in der unteren Hälfte von 8 dargestellt ist, wird, wenn die Erregerspule 30 mit Strom versorgt und ein solcher Strom durchgeführt wird, dass der eine polare Zahn 35a der Nordpol und der andere polare Zahn 34b der Südpol wird. Eine Anziehungskraft wirkt zwischen dem Nordpol, der in dem polaren Zahn 35a generiert wurde, und dem Südpol an der äußeren Seite des Permanentmagneten 47. Eine Abstoßung wirkt zwischen dem Südpol, der in dem polaren Zahn 34b generiert wurde, und dem Südpol des Permanentmagneten. Diese Kräfte wirken als axiale Schubkräfte auf den Permanentmagnet 47, und der Permanentmagnet 47 bewegt sich mit der Welle 45 vorwärts zu dem rechten Ende, wie es in der oberen Hälfte von 8 dargestellt ist.
Wird ein Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Erregerspule 30 geführt, wenn der Permanentmagnet 47 an dem vorderen Bewegungsende angeordnet ist, werden magnetische Pole in dem oben beschriebenen Fall umgekehrter Weise in den beiden polaren Zähnen 35a und 34b generiert. Dadurch bewegen sich der Permanentmagnet 47 und die Welle 45 schnell rückwärts zu dem Rückführende durch die Resultierende des Schubes aufgrund der Magnetkraft und einer zurückdrückenden Kraft der Rückführfeder 55. Selbst wenn die Erregung der Erregerspule 30 an dem vorderen Bewegungsende unterbrochen wird, bewegen sich der Permanentmagnet 47 und die Welle 45 aufgrund der Rückdrückkraft der Feder 55 zu dem hinteren Bewegungsende, das in der unteren Hälfte von 8 gezeigt ist.
Ist die Rückführfeder 55 vorgesehen, kann der Permanentmagnet 47, wie oben beschrieben wurde, in zwei Positionen, nämlich dem vorderen Bewegungsende und dem hinteren Bewegungsende geschaltet werden. Ist die Feder 55 nicht vorgesehen, werden entsprechend den Bedingungen, wie Gegenwart oder Abwesenheit des hinteren Joches 48, und wenn das hintere Joch 48 durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 47 magnetisch gesättigt ist, unterschiedliche Schaltvorgänge durchgeführt, nämlich das Durchführen eines Stromes in Rückwärtsrichtung durch die Erregerspule 30 oder Unterbrechung der Stromzufuhr an den beiden Hubenden. Da diese Schaltvorgänge im wesentlichen dem mit Bezug auf das erste elektromagnetische Stellglied 1A beschriebenen Fall ähnlich sind, wird auf eine erneute Beschreibung verzichtet.
Da der radial polarisierte Permanentmagnet 47 bei dem elektromagnetischen Stellglied verwendet wird, ist eine seitliche Last, die auf einen beweglichen Abschnitt mit der Welle 45, dem Magnethalter 46 und dem beweglichen Magnet 47 wirkt, gering. Daher kann das Lager 50 zum Halten der Welle 45 ein einfaches Lager sein und eine Kostenreduzierung und Verbesserung der Haltbarkeit aufgrund der geringen seitlichen Last kann erwartet werden.
Da die Zahl der Elemente aus Eisen, die in der Erregerspule 30 vorgesehen sind, bei dem elektromagnetischen Stellglied reduziert werden kann, kann auch die Induktivität der Erregerspule verringert werden. Somit ist das Anstei gen des Stromes zufriedenstellend, wenn eine Stufenspannung auf die Spule aufgebracht wird, die elektrische Ansprechempfindlichkeit kann verbessert werden, und als Folge hiervon kann ein konstanter Schub in kurzer Zeit (nur wenige Millisekunden) generiert werden.
Bei dem oben beschriebenen elektromagnetischen Stellglied gemäß der Erfindung ist es durch einfache Mittel, bei denen der in Radialrichtung polarisierte zylindrische Permanentmagnet verwendet wird, möglich, einen konstanten Schub in kurzer Zeit mit zufriedenstellendem Ansprechverhalten zu generieren, ohne beim Starten eine große Spannung aufbringen zu müssen, wie es bei dem herkömmlichen elektromagnetischen Solenoid erforderlich ist. Außerdem ist es durch Verwendung des Permanentmagneten möglich, dass Objekt im nicht erregten Zustand zuverlässig an der gewünschten Betriebsposition zu halten, die Zahl der Teile und damit die Kosten können reduziert und die Haltbarkeit kann verbessert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellglied ist es möglich, einen größeren Schub zu erzeugen, als bei einem herkömmlichen elektromagnetischen Solenoid gleicher äußerer Dimensionen. Andererseits ist es möglich, die Größe zu verringern, wenn der gleiche Schub erzeugt werden soll.

Claims

Elektromagnetisches Stellglied (1A) mit einer ringförmigen Erregerspule (10), einem Hauptjoch (12), das einen Umfang der Erregerspule (10) umgibt und einen Abschnitt aufweist, an dem ein Paar polarer Zähne (12a, 12b) an axial gegenüberliegenden Endabschnitten einer zentralen Öffnung (11) der Erregerspule (10) so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, einem zylindrischen Permanentmagneten (13), der in der zentralen Öffnung (11) der Erregerspule (10) so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung der zentralen Öffnung (11) bewegbar ist, und der in einer Radialrichtung mit einem Nordpol und einem Südpol polarisiert ist, und einem zylindrischen hinteren Joch (14), das koaxial mit dem zylindrischen Permanentmagneten (13) an einer der Erregerspule (10) gegenüberliegenden Seite durch den Permanentmagneten (13) vorgesehen ist.
Elektromagnetisches Stellglied (1B) mit einer ringförmigen Erregerspule (20), einem Hauptjoch (22), das einen Umfang der Erregerspule (20) umgibt und einen Abschnitt aufweist, an dem ein Paar polarer Zähne (22a, 22b) an axial gegenüberliegenden Endabschnitten eines äußeren Umfangs der Erregerspule (20) so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, und einem zylindrischen Permanentmagneten (23), der an einer äußeren Umfangsseite der Erregerspule (20) so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung der Spule (20) bewegbar ist, und der in einer Radialrichtung mit einem Nordpol und einem Südpol polarisiert ist.
Elektromagnetisches Stellglied nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein zylindrisches hinteres Joch (24), das koaxial mit den zylindrischen Permanentmagneten (23) an einer der Erregerspule (20) gegenüberliegenden Seite durch den Permanentmagneten (23) vorgesehen ist.
Elektromagnetisches Stellglied mit einer ringförmigen Erregerspule (30), einem ringförmigen Hauptjoch (34), das einen Umfang der Erregerspule (30) umgibt und einen Abschnitt aufweist, an dem ein Paar polarer Zähne (34b, 35a) an axial gegenüberliegenden Endabschnitten einer mittleren Öffnung (11) der Erregerspule (30) so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, einer Abdeckung (37) und einer Kappe (39), die an axial gegenüberliegenden Endabschnitten des Hauptjoches (34) angebracht sind, so dass sie mit dem Hauptjoch (34) ein Gehäuse bilden, einer Magnetkammer (42), die in dem Gehäuse ausgebildet und deren äußerer Umfang von der Erregerspule (30) und dem Paar polarer Zähne (34b, 35a) umgeben wird, einem Permanentmagneten (47) in zylindrischer Form, der in einer Radialrichtung mit einem Nordpol und einem Südpol polarisiert ist und der in der Magnet kammer (42) innerhalb der Erregerspule (30) und der polaren Zähne (34b, 35a) so angeordnet ist, dass er in einer Axialrichtung des Gehäuses bewegbar ist, einem Magnethalter (46) zum Halten des Permanentmagneten (47), wobei der Magnethalter (46) mit dem Permanentmagneten (47) bewegbar ist, und einer Abtriebswelle (45), die durch einen zentralen Abschnitt der Magnetkammer (42) hindurchtritt, so dass sie in Axialrichtung des Gehäuses gleiten kann, und die mit dem Magnethalter (46) verbunden ist.
Elektromagnetisches Stellglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische hintere Joch (48) an dem Gehäuse so befestigt ist, dass es konzentrisch mit dem Permanentmagneten (47) innerhalb des Permanentmagneten (47) angeordnet ist.
Elektromagnetisches Stellglied nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (46) durch eine Feder (55) in Rückwärtsrichtung zurückgedrückt wird.
Elektromagnetisches Stellglied, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Joch (14, 24) eine solche Dicke aufweist, dass es durch eine magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten (13, 23) magnetisch gesättigt werden kann, so dass der Permanentmagnet (13, 23) durch eine Magnetkraft in einer neutralen Position gehalten wird, wenn die Erregerspule (10, 20) nicht erregt wird.
Elektromagnetisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Joch (14, 24) eine solche Dicke aufweist, dass es durch eine magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten (13, 23) nicht magnetisch gesättigt wird, so dass der Permanentmagnet (13, 23) an zwei Posi tionen, nämlich einem vorderen Bewegungsende oder einem hinteren Bewegungsende, durch eine Magnetkraft gehalten wird, wenn die Erregerspule (10, 20) nicht erregt wird.