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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft ein Solenoid, auch bekannt als elektromagnetischer Aktuator.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein typisches Solenoid umfasst ein stationäres Element, ein bewegliches Element und eine Feder, die zwischen dem stationären und dem beweglichen Element angeordnet ist. Das bewegliche Element ist gewöhnlich verbunden mit oder fester Bestandteil eines Druckstücks oder Stempels, der in Gestalt einer Abtriebswelle vorliegen kann, als Arbeitselement. Solche Solenoide können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise als Stromkreisunterbrecher, Schalter, Schnapper, usw. Das stationäre Element umfasst einen Permanentmagneten und eine Spule. Wenn die Spule nicht erregt ist, kann das bewegliche Element durch die magnetische Kraft, die von dem Permanentmagneten erzeugt wird, zusammen mit der Federkraft, die von der Feder erzeugt wird, in einer ausgefahrenen oder einer zurückgefahrenen Position gehalten werden. Wenn die Spule einen Stromstoß in eine Richtung empfängt, wird das bewegliche Element von der ausgefahrenen in die zurückgefahrene Position getrieben. Wenn die Spule einen Stromstoß in die umgekehrte Richtung empfängt, wird das bewegliche Element von der zurückgefahrenen in die ausgefahrene Position getrieben. Die ausgefahrene/zurückgefahrene Position kann beispielsweise der offenen oder geschlossenen Position eines Stromkreisunterbrechers entsprechen. Um das bewegliche Element fest in der ausgefahrenen oder zurückgefahrenen Position und insbesondere in der zurückgefahrenen Position zu halten, ist der Permanentmagnet gewöhnlich aus einem Material aus seltenen Erden hergestellt, um die magnetische Kraft zwischen dem Permanentmagneten und dem beweglichen Element zu erhöhen. Jedoch unterliegt ein Material aus seltenen Erden extremen Kostensteigerungen.
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Infolgedessen gibt es den Wunsch für ein verbessertes Solenoid, das eine erhöhte Anziehungskraft zwischen dem Permanentmagneten und dem beweglichen Element erzeugen kann, auch wenn kein Seltener-Erd-Magnet verwendet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Solenoid, umfassend: ein stationäres Element, das ein Gehäuse mit einer Endwand und einer Seitenwand, einen ersten Permanentmagneten, der an der Endwand angebracht ist, wenigstens einen zweiten Permanentmagneten, der an der Seitenwand angebracht ist, und einen Magnetflusskonzentrator aufweist, oder dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld, das von dem zweiten Permanentmagneten erzeugt wird, mit einem Magnet, das von dem ersten Permanentmagneten erzeugt wird, zu verstärken; ein bewegliches Element, das relativ zu dem stationären Element in eine Richtung zwischen der zurückgefahrenen und der ausgefahrenen Position bewegbar ist, wobei das bewegliche Element einen Kopf aufweist, der in das Gehäuse eingesetzt ist, wobei der Kopf aus einem magnetisch leitfähigen Material hergestellt ist; und eine Feder, die zwischen dem stationären Element und dem beweglichen Element angeordnet ist; wobei das stationäre Element weiter eine Spule umfasst, die den Kopf des beweglichen Elements umgibt.
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Vorzugsweise weist der Magnetflusskonzentrator einen ersten Abschnitt, der an dem ersten Permanentmagneten angebracht ist, und einen zweiten Abschnitt auf, der an dem zweiten Permanentmagneten angebracht ist.
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Vorzugsweise weist der erste Abschnitt einen Vorsprung auf, der in Richtung des Kopfes des beweglichen Elements hervorspringt.
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Vorzugsweise weist das stationäre Element weiter einen Spulenträger auf, der relativ zu dem Gehäuse fest angebracht ist, wobei die Spule auf den Spulenträger gewickelt ist und der Kopf des beweglichen Elements in den Spulenträger eingesetzt ist.
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Vorzugsweise ist die Feder eine Schraubenfeder, die von dem Spulenträger aufgenommen ist und ist an dem Kopf des beweglichen Elements und dem Vorsprung befestigt ist.
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Vorzugsweise wirkt das Gehäuse mit dem beweglichen Element so zusammen, dass ein Magnetflusspfad zwischen dem Permanentmagneten und dem beweglichen Element hergestellt ist.
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Vorzugsweise hat das Gehäuse eine zylindrische Bauform oder eine rechteckige Bauform.
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Vorzugsweise weist der zweite Magnet an zwei gegenüberliegenden Enden eine größere Dicke als in seiner Mitte auf.
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Vorzugsweise sind der erste und zweite Permanentmagnet aus Ferrit hergestellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden nur beispielhaft mit Bezug auf die Figuren und beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Figuren werden identische Vorrichtungen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur auftauchen, in allen Figuren, in denen sie auftauchen mit demselben Bezugszeichen bezeichnet. Abmessungen von Elementen und besondere Merkmale, die in den Figuren gezeigt sind, wurden im Allgemeinen wegen der Einfachheit und Klarheit der Darstellung gewählt und sind nicht zwingend maßstäblich gezeigt. Die Figuren sind unten aufgelistet.
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1 zeigt ein Solenoid gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Querschnittsansicht des Solenoids von 1;
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3 stellt ein Solenoid gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
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4 ist eine Schnittansicht des Solenoids aus 3;
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5 ist eine Unteransicht des Solenoids aus 3, wobei die Unterwand der Gehäuse und der erste Permanentmagnet entfernt worden sind, um die internen Bauelemente zu zeigen; und
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6 stellt die Verteilung des magnetischen Flusses in dem Solenoid dar.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 und 2 stellen ein Solenoid entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Solenoid umfasst ein stationäres Element 10 und ein bewegliches Element 30. Das stationäre Element 10 umfasst ein Gehäuse 12, einen ersten Permanentmagneten 14, einen zweiten Permanentmagneten 16, eine Spule 18 und einen Magnetflusskonzentrator.
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Das Gehäuse 12 hat eine zylindrische Bauform mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende. Der erste Permanentmagnet 14 hat eine Plattenbauform mit einem runden Äußeren. Der erste Permanentmagnet 14 ist an einer inneren Oberfläche einer inneren Endwand des Gehäuses 12 angebracht. Der erste Permanentmagnet 14 ist entlang der Achse des Gehäuses 12 magnetisiert, was der Bewegungsrichtung des beweglichen Elements entspricht. Der zweite Permanentmagnet 16 hat eine Ringform und ist an einer inneren Oberfläche der Seitenwand des Gehäuses 12 angebracht. Der zweite Permanentmagnet 16 ist entlang radialer Richtung des Gehäuses 12 magnetisiert. Der zweite Permanentmagnet 16 kann aus einem Ringmagneten oder mehreren aufgeteilten Magneten, die in einem Ring angeordnet sind, bestehen.
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Der Magnetflusskonzentrator ist aus einem magnetisch leitfähigen Material, wie z. B. weichmagnetischem Stahl, hergestellt und weist einen plattenförmigen ersten Abschnitt 20 und einen zylindrischen zweiten Abschnitt 22 auf, der sich axial von dem ersten Abschnitt 20 erstreckt. Der erste Abschnitt 20 ist an dem ersten Permanentmagneten 14 angebracht. Ein Vorsprung 21 ist in der Mitte des ersten Abschnitts 20 geformt, weshalb eine ringförmige Nut 23 zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Vorsprungs 21 und einer inneren Umfangsfläche des inneren Abschnitts 22 geformt ist. Die äußere Oberfläche des zweiten Abschnitts 22 ist an der inneren Oberfläche des zweiten Permanentmagneten 16 angebracht.
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Die Spule 18 hat eine Ringform und ist auf einen Spulenträger 19 gewickelt, der in die ringförmige Nut 23 eingesetzt ist und relativ zu dem Gehäuse 12 befestigt ist. Die Spule 18 ist dem zweiten Abschnitt 22 zugewandt.
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Das bewegliche Element 30 ist aus einem magnetisch leitfähigen Material hergestellt und weist einen Kopf 32 auf, der in den Spulenträger 19 von dem offenen Ende des Gehäuses 12 her eingesetzt ist. Der Kopf 32 hat einen Durchmesser, der im Wesentlichen derselbe wie der des Vorsprungs 21 ist. Eine Feder 24 ist zwischen dem stationären Element 10 und dem beweglichen Element 30 angeordnet. Insbesondere ist die Feder 24 eine Schraubenfeder, die um den Kopf 32 und den Vorsprung 21 gewickelt ist. Ein Ende der Feder 24 stößt gegen eine Abstufung 34, die an dem Ende des Kopfes 32 geformt ist, und das andere Ende stößt gegen eine innere Oberfläche der ringförmigen Nut 23 des ersten Abschnitts 20 des Magnetflusskonzentrators.
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Eine Abdeckung 26 ist an dem offenen Ende des Gehäuses 12 angebracht. Das bewegliche Element 30 erstreckt sich durch die Abdeckung 26 und ist zwischen der zurückgefahrenen und ausgefahrenen Position in eine Richtung F verschiebbar, die koaxial mit der Achse des Gehäuses ist. Wenn die Spule 18 nicht erregt ist, kann das bewegliche Element 30 in der zurückgefahrenen oder ausgefahrenen Position gehalten werden. In der zurückgefahrenen Position wird das bewegliche Element 30 durch den ersten und zweiten Permanentmagneten 14, 16 gehalten und der Kopf 32 des beweglichen Elements 30 ist nahe des Vorsprungs 21 und die Feder 24 ist zusammengedrückt. In der ausgefahrenen Position ist der Kopf 32 des beweglichen Elements 30 weg von dem Vorsprung 21 und die erste Feder 24 ist teilweise entspannt. Die von der Feder 24 erzeugte Federkraft ist im Wesentlichen gleich oder größer als die Anziehungskraft, die zwischen dem Kopf 32 und dem Vorsprung 21 erzeugt wird, plus eine Kraft aufgrund der Gravitation auf das bewegliche Element 30.
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Eine Anschlagvorrichtung kann verwendet werden, um das bewegliche Element 30 in der ausgefahrenen Position zu positionieren. Wenn die Spule 18 einen Stromstoß in eine erste Richtung empfängt, erzeugt sie ein Magnetfeld, das dazu führt, dass das bewegliche Element 30 elektromagnetisch von der zurückgefahrenen in die ausgefahrene Position getrieben wird. Wenn die Spule 18 einen Stromstoß in eine zweite Richtung entgegen der ersten Richtung empfängt, erzeugt sie ein Magnetfeld, das dazu führt, dass das bewegliche Element 30 elektromagnetisch von der ausgefahrenen Position in die zurückgefahrene Position getrieben wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird das Magnetfeld, das von dem zweiten Permanentmagneten 16 erzeugt wird, durch den Magnetflusskonzentrator mit Hilfe des Magnetfeldes, das von dem ersten Permanentmagneten 14 erzeugt wird, verstärkt, wie in 6 gezeigt. Daher ist die magnetische Flussdichte durch das bewegliche Element 30 stark erhöht, insbesondere wenn sich das bewegliche Element 30 in der zurückgefahrenen Position befindet. Daher können der erste Permanentmagnet 14 und der zweite Permanentmagnet 16 aus einem Ferritmagnetmaterial hergestellt sein, um so die Kosten des Solenoids zu verringern. Natürlich kann einer der beiden oder beide, der erste Permanentmagnet 14 oder der zweite Permanentmagnet 16 aus einem Selten-Erd-Magnet-Material hergestellt sein, wenn die Herstellungskosten keine Rolle spielen.
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Vorzugsweise sind das Gehäuse 12 und die Abdeckung 26 aus magnetisch leitfähigem Material hergestellt, um einen Rückweg für den magnetischen Fluss zwischen den Permanentmagneten 14, 16 und dem beweglichen Element 30 zu ermöglichen. Alternativ können das Gehäuse 12 und die Abdeckung 26 aus einem magnetisch nicht leitfähigem Material hergestellt sein und eine Magnetflussrückführungsplatte verwendet werden, um den Rückweg für den magnetischen Fluss zwischen den Permanentmagneten 14, 16 und dem beweglichen Element 30 zu schaffen. Die Abschnitte des Magnetflusskonzentrators 20, 22 können aus einem Stück geformt sein oder einzeln geformt sein und dann zusammen befestigt.
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Das Solenoid der vorliegenden Erfindung kann auf dem Gebiet der Stromkreisunterbrecher, elektromagnetischen Schalter, elektromagnetischen Ventile, Schnapper, usw. verwendet werden.
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Die 3 bis 5 veranschaulichen ein Solenoid entsprechend einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieses Solenoid ist ähnlich dem Solenoid der ersten Ausführungsform, die hierin oben stehend beschrieben ist. Bei dem Solenoid der zweiten Ausführungsform hat das Gehäuse 12 eine rechteckige Bauform und weist ein Paar von parallelen Endwänden 122, 123 und ein Paar von parallelen Seitenwänden 124 auf. Der Flusskonzentrator ist mit zwei bogenförmigen zweiten Abschnitten 22 geformt. Der zweite Permanentmagnet 16 weist zwei Magnete auf, die jeweils an inneren Oberflächen der Seitenwände 124 angebracht sind. Vorzugsweise sind die inneren Flächen der zweiten Magnete 16 bogenförmig und die äußeren Flächen der zweiten Magnete 16 flach. Daher hat der zweite Magnet 16 in seiner Magnetisierungsrichtung an zwei gegenüberliegenden Enden eine größere Dicke als in seiner Mitte. Diese Form des zweiten Magneten 16 nutzt den verfügbaren Platz innerhalb des Gehäuses 12 gut aus und erhöht so die Menge des magnetischen Flusses durch das bewegliche Element 30. Die äußeren Oberflächen des zweiten Abschnitts 22 des Magnetflusskonzentrators sind bogenförmig und jeweils an der inneren Oberfläche der zweiten Magnete 16 angebracht. Der Kopf 32 des beweglichen Elements 30 ragt durch ein Durchgangsloch hindurch, das an einer der Endwände 122 des Gehäuses 12 angeordnet ist, und in den Spulenträger 19. Das Solenoid der zweiten Ausführungsform ist geeignet für Anwendungen mit begrenztem/engem Raum.
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Verben wie „umfassen”, „aufweisen”, „enthalten” und „haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Veränderungen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
