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EP2686854A1 - Elektromagnetische aktuatorvorrichtung - Google Patents

Elektromagnetische aktuatorvorrichtung

Info

Publication number
EP2686854A1
EP2686854A1 EP12714978.9A EP12714978A EP2686854A1 EP 2686854 A1 EP2686854 A1 EP 2686854A1 EP 12714978 A EP12714978 A EP 12714978A EP 2686854 A1 EP2686854 A1 EP 2686854A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
permanent magnet
unit
yoke
flux
coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP12714978.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2686854B1 (de
Inventor
Raphael BORY
Jonas BOLL
Daniela HÄRTER
Robert STEYER
Philipp TERHORST
Thomas Schiepp
Markus Laufenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ETO Magnetic GmbH
Original Assignee
ETO Magnetic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ETO Magnetic GmbH filed Critical ETO Magnetic GmbH
Publication of EP2686854A1 publication Critical patent/EP2686854A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2686854B1 publication Critical patent/EP2686854B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/121—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position
    • H01F7/122—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638—Armatures not entering the winding
    • H01F7/1646—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic actuator device according to the main claim and to the independent claim 12.
  • a (typically cross-sectionally cylindrical) coil unit is provided on a stationary yoke unit so that it encloses a first yoke portion of the yoke unit and, when energized, introduces a magnetic flux into the yoke unit.
  • this coil magnetic flux then acts together with the anchor means, which in turn carry out the desired actuator or adjusting movement for an output-side adjusting partner.
  • the coil unit with the associated first yoke portion spaced from the air gap forming the second yoke portion provide, i. to provide the air gap completely outside the first yoke section.
  • Both genus-forming principles each have certain advantages, such as the first-mentioned approach by activating (energizing) the coil unit allows a targeted flow control in the formed by the yoke unit, typically having a plurality of branches magnetic flux circuit.
  • the coil efficiency of the coil unit is not optimal, also have such approaches the outsourced coil the problem possible, acting on the armature unit transverse forces by the Spulenmagnet- flow, ie forces (or force components), which do not extend (only) along the linear armature movement direction, but additionally cause a tendency to tilt and thus promote wear, which in particular a suitability of such devices lowers for a wear-resistant continuous operation.
  • the generic principle of the coil unit enclosed or sheathed armature unit is less affected by such shear forces, however, about, the possibilities, additional magnetic flux in the anchor unit (via the working air gap) are limited, and are primarily determined by the coil dimensions, by design. This in turn then disadvantages in terms of utilization of and / or adaptation to available space, possible thermal or winding losses or the like disadvantages.
  • the enclosing of the valve-effective anchor unit by means of the coil unit offers the problem of limited supply and discharge possibilities for a respective, to be influenced by the valve fluid.
  • the object of the present invention is therefore to improve an electromagnetic actuator device according to the preamble of the main claim or the independent claim 12 in view of a flexibilization of the magnetic flux in the stationary yoke unit, in particular to provide the possibility of such an electromagnetic actuator device (potentially under simultaneous efficiency optimization) to adapt to space limitations and / or to minimize possible wear.
  • permanent magnet means are magnetically connected in parallel with the coil unit so that an (additional) permanent magnet flux of the permanent magnet means can be passed through the first yoke section (on the coil unit) insofar, at least when the coil unit is deactivated magnetic short circuit of the permanent magnet means takes place.
  • a coil magnet flux flowing through the (preferably single) air gap of the coil unit is magnetically parallel and / or rectified superimposed with a permanent magnet flux flowing through the air gap, insofar as the permanent magnet flux (or flux) is energized at least when the coil unit is energized At least one component thereof) flows over the air gap, so that, in the case of such activation of the coil unit by energization, an at least partial magnetic flux shift of the permanent magnet flux from the first yoke portion (namely the continuous, air gap-free portion of the coil unit), in the with the (Arbeits -) air gap cooperating second yoke portion flows and according to this flux displacement or flux displacement leads to an influence on the control or switching behavior of the cooperating with the air gap armature unit.
  • the present invention according to the first aspect of the invention has the advantageous effect that, in response to the energization of the coil unit, the coil magnetic flux generated thereby effects the displacement or displacement of the permanent magnet flux of the permanent magnet means.
  • the coil magnetic flux generated by the coil gets the character of an opposing field to the permanent magnet and so far the permanent magnet flux efficient, potentially influence (flux to the coil magnetic flux), in the simplest case with respect to a respective branch on or off.
  • This effect according to the invention appears to be particularly interesting and practically useful if, as an alternative to a permanent energization of the coil unit, this activation takes place in a pulse-shaped manner such as continuing education. is provided according to, and then in response to this pulse-shaped activation (and already caused thereby displacement or reaction of the movement units involved of the actuator device) a mono- or bistable switching behavior is achieved. This is the case, for example, when, in response to the pulse-shaped energizing of the coil unit, an armature movement (which then displaces at least part of the permanent magnet flux into the air gap and thus increases the armature force) results in a closing of the air gap.
  • the anchor means a return device, such as in the form of a pressure or return spring assigned, against which the armature operates in the manner described above, can be by suitably setting about the spring force, the movement and / or switching behavior of the anchor unit influence further, such as deviating monostable design, in which case, after completion of the Bestromungsim- pulse, a sufficiently large-sized (spring) restoring force the armature unit against the force of the permanent magnet flux spends back to an initial position.
  • a return device such as in the form of a pressure or return spring assigned, against which the armature operates in the manner described above, can be by suitably setting about the spring force, the movement and / or switching behavior of the anchor unit influence further, such as deviating monostable design, in which case, after completion of the Bestromungsim- pulse, a sufficiently large-sized (spring) restoring force the armature unit against the force of the permanent magnet flux spends back to an initial position.
  • the permanent magnet means in the form of a single (preferably elongated and axially magnetized along the direction of extent) magnetic element, as well as to insert a plurality of such permanent magnet elements, which then engage suitable positions, in particular also at one opposite, with respect to the air gap and / or the coil unit, are provided, it is equally covered by the present invention to provide the anchor means in the form of a plurality suitably also independently guided or mounted anchor units, in which case the second yoke section according to the invention realizes correspondingly a plurality of areas or sections of the yoke unit.
  • an axial extension direction (again corresponding to a magnetization direction) of the permanent magnet means approximately parallel to a linear direction of movement of the (at least one) armature unit, again
  • an extension direction of the first yoke section (surrounded by the coil unit) parallel to these axes (or one of these) again and further development according to the coil unit with a coil axis or coil longitudinal axis so that an armature movement direction is parallel to the coil longitudinal axis.
  • this also makes it possible, in particular, to optimize the transverse force problem described above for the anchor means, namely by balancing respective (operational) magnetic flux components of the coil unit on the one hand and the permanent magnet flux components of the permanent magnet elements on the other can be brought that the adverse effects of lateral forces on the anchor means (a single anchor unit, potentially further training a plurality of anchor units) are minimized.
  • the respective flux-generating or magnetic flux reacting components by means of Flußleit- elements, more preferably at both ends to form a magnetic parallel circuit or a flux-conducting arrangement comprising at least two flux guide circuits to connect, wherein it has been found to be particularly preferred constructively and magnetically, such flux guide elements (which may be realized in particular as sections of the yoke unit, for example, one-piece, alternatively modular-like from predetermined assemblies), so provide that they perpendicular to a (linear) movement direction of the at least one anchor unit or perpendicular to a direction of magnetization of the at least one permanent magnet unit or rechtwin kelig to a longitudinal direction of the first yoke portion (thus perpendicular to an extension direction of the coil unit) extend.
  • Such a flux-conducting element which can furthermore preferably be provided at both ends of the mentioned magnetic components, can be configured as a flat module (for example as a plate) and / or can use a design which has at least one flat side, so that it can be conveniently used.
  • otherwise known magnetically flux-conducting sheets (which in turn can be conveniently stamped production technology and thus enable mass production suitability) stacked suitably suitable for the realization of the various sections of the yoke unit can be used.
  • pairs of coil units / permanent magnet units would then be suitable for aligning relative to the anchor means, suitably arcuately and / or circularly around the anchor means, again suitable and further preferably magnetically coupled via one or both attacking flux guides.
  • permanent magnet means according to the invention are used to influence the magnetic flux and behavior of an electromagnetic actuator device in which the coil unit at least partially surrounds the working air gap and / or the anchor means, ie no laterally outsourced arrangement as in the first aspect of the invention.
  • the coil unit is provided with a flux-conducting section of the yoke unit outside the first yoke section, for the purpose of forming at least one air-gap-free flux branch.
  • Permanentmag- In the context of this aspect of the invention, net means are connected magnetically parallel to the coil unit in such a way that in a de-energized state of the coil unit a permanent magnet flux of the permanent magnet means is guided via this flux-conducting section, so that the flux-conducting section acts as a magnetic short circuit for the permanent magnet means insofar as the coil unit is not activated becomes.
  • activation of the coil unit by the energization then effects an at least partial magnetic flux shift, in particular magnetic flux displacement, of the permanent magnet flux from the flux-conducting section of the yoke unit into the first yoke section (and thus across the air gap), with the result that then the anchor force is affected.
  • this aspect of the invention advantageously also makes it possible for a permanent magnet flux, which is additionally flux-conductively coupled into the system, to be influenced in response to an activation of the coil unit, in particular switched on or off, in particular with respect to the first yoke section and the armature unit.
  • the possibilities discussed at the outset apply geometrically to designing the respective magnetically active sections in one or more parts, wherein, for example, a preferred embodiment of the invention provides that the flux-conducting section (for guiding the permanent magnet flux in the currentless state of the coil unit) at least two mutually magnetically parallel Flußleit- branches forms, which may be preferably provided on the shell side adjacent the coil side, further preferably each other, based on the coil device, facing each other.
  • the flux-conducting section is designed as a section or region of a flux-conducting housing (in particular housing shell) of the actuator device, wherein this housing shell surrounds the coil unit on the shell side according to the development and the permeability nentmagnetsch either on or in the housing shell to achieve the described flux guide are provided; It is particularly advantageous if, for example, a magnetization direction of the permanent magnet means is parallel to a direction of movement of the armature means, so that in this case, in a typical sleeve or cylindrical housing, a direction of extension and magnetization direction of the permanent magnet means also parallel to an axial direction Sleeve or of the cylinder runs.
  • the permanent magnet means in turn further education in the described relative orientation, are placed outside on a (closed) housing portion of the housing shell, so that in that case then the lateral (short-circuit) magnetic flux can flow in the currentless state of the coil unit ; an alternative embodiment could provide that the (elongated) permanent magnet means in a suitably sized and end-flow-coupled coupling (slot or opening) of the housing shell are provided.
  • the possibilities provided for further development are to connect the permanent magnet means and the first yoke section (with the coil unit) via flux guide regions or flux guide elements which extend at right angles to the respective directions of extension, these flux guide elements, in turn, being flat as a component of the yoke unit and / or can be realized by means of individual sheets or sheet stacks suitable for mass production.
  • the result of the present invention in both aspects of the invention is a surprisingly high-performance, highly flexible system of coil unit, anchoring means and permanent magnet unit, which combines the possibility of optimized mechanical arrangement and / or space utilization with magnetic flux optimization for assembly dimensioning, loss minimization (related approximately to the coil unit ) and preventing Desired possible transverse forces related to the anchor unit, so that so far, a wear optimization is possible.
  • Fig. 6, 7 a variant for the realization of Figure 1 and divergent leadership of the permanent magnet flux.
  • FIG. 15 shows a concrete, perspectively shown and constructional-mechanical realization of the first aspect of the invention with an arrangement of a coil unit and a pair of permanent magnets, which are connected on both sides by flat flux-guiding means;
  • FIGS. 13 to 15 a schematic topography representation of a construction variant to FIGS. 13 to 15 with two paired spools len permanent magnet pairs, both sides adjacent to the armature unit;
  • FIG. 21 further arrangements with coil permanent magnet pairs in a circular-circumferential assignment to a central armature unit;
  • FIGS. 22, 23 asymmetrical variants in the assignment of permanent magnets and coil analogous to the configurations of FIGS. 18 to 21;
  • FIGS. 24, 25 are schematic illustrations for illustrating the second aspect of the invention with the coil unit or the air gap surrounding the coil device;
  • the apparatus shown schematically in FIG. 1 and analogous to the functional components in FIG. 2 has an electromagnetic actuator device, which armature means 10, axially (ie upward in the respective plane of the figure) movable to a yoke section 12 (second yoke section in the sense of Invention) movably guided.
  • armature means 10 axially (ie upward in the respective plane of the figure) movable to a yoke section 12 (second yoke section in the sense of Invention) movably guided.
  • a (preferably single) corresponding to a distance between the armature and yoke variable air gap 14 is formed, over which, as a working air gap, a magnetic flux is guided so far as to make a force on the anchor unit 10 for driving the same.
  • the yoke section 12 is part of a (stationary, ie immovably held or fixed) yoke unit, essentially consisting of a yoke section 18 (first yoke section in the sense of the invention, also referred to as a coil core) assigned to a coil 16 provided in an adjacent branch. Furthermore, a permanent magnet unit 20 is held in an opposite branch of the yoke unit 18, wherein flux conducting sections 22, 24, in the illustrated example on both sides of the permanent magnet unit 20 and on both sides of the coil unit 16 (or of the associated yoke section) connect the flux-conducting components, in the illustrated embodiment approximately in the center cause a magnetic flux connection to the yoke portion 12 and, as indicated in Figs.
  • an opening 26 for passing the anchor unit 10 (and so far for introducing a magnetic flux in the armature unit for the air gap 14 and the yoke 10) offer.
  • the stationary yoke unit are to achieve a compact arrangement, the respective longitudinal or movement axes of the components involved adjacent to each other and aligned in parallel: A coil longitudinal axis, defined by the extension direction of the yoke portion 18, parallel to the extension direction (and magnetization direction) of the elongated permanent magnet element 20, parallel to this, an extension direction and direction of movement of the armature unit 10.
  • FIG. 3 illustrates a flow profile in the arrangement shown only schematically in FIGS. 1 and 2 in the de-energized state of the coil unit 16, wherein the arrowhead 28 merely illustrates the (permanent) magnetic flux produced by the permanent magnet unit 20. Since the air gap 14 is opened in the arrangement of FIGS. 1 to 4, so far as the yoke section 18 offers an increased magnetic flux resistance, as shown by arrow arrangement 28 in Fig. 3 illustrates virtually the entire permanent magnet flux in this anchor position state over the Jochab mustard 18, so that so far a magnetic short circuit of the permanent magnet unit 20 via the first yoke portion 18 (core portion) of the coil unit 16 takes place. If, as shown in FIG.
  • the coil 16 is energized, a coil magnetic field is produced, which causes the coil magnet flux shown on the basis of the arrow 30 to be clear.
  • the coil unit is polarized such that a magnetic flux flowing in the yoke section 18 is directed opposite the direction of the permanent magnet (in section 18) so that not only the (further) entry of the permanent magnet flux 28 into the yoke section 18 is prevented by the action of the coil magnetic flux 30, but rather This permanent magnet flux (also illustrated in FIG. 4 by the reference numeral 28 as an arrowhead) is displaced into the armature unit 10 or the second yoke section 12.
  • the permanent magnet unit 20 opposes the coil magnet flux 30 with greater resistance than the sequence of armature unit 10, air gap 14 and yoke section (stator) 12, the coil magnet flux 30, insofar as this magnetic flux circuit is closed, is also displaced into this central arm.
  • both the coil magnetic flux 30 and the permanent magnet flux 28, as shown in FIG thus, caused by energizing the coil unit 16 that a common, superimposed and added magnetic flux acts on the armature unit and drives it (for closing the air gap 14).
  • Figures 6, 7 reverses the arrangement of branches adjacent to the permanent magnet means; here, the yoke portion 18 associated with the coil unit is provided for forming a magnetic flux circuit (in the manner of a short circuit) axially adjacent to the permanent magnet unit 20; the yoke section 18 then adjacent to the axially aligned and movable arrangement of stationary yoke section 12 and axially movable armature unit 10th
  • a permanent magnet flux 34 flows through the yoke section 18, so far leaving the armature and yoke section 12 together with the air gap 14 outside the flow path.
  • Activation of the coil unit 16 then causes, analogously to the above-described embodiment, adding or superimposing permanent and coil magnetic flux in the air gap branch, thus moves the armature unit to close the air gap, so that, after renewed deactivation of the coil unit, the bistable situation of Fig. 7 is formed.
  • the branch formed from the yoke section 12 and armature unit 10 has a reduced magnetic resistance compared to the open air gap of FIG. 6, a permanent magnet flux component 35 also flows through this branch, dividing the permanent magnet flux of the permanent magnet 20 in this respect. Nevertheless, a relatively larger, significant flow component still flows through the yoke section 18.
  • FIGS. 8 to 10 illustrates a variant of the invention in which a permanent magnet unit is operated with a plurality of armature units cooperating with a stationary yoke section via a respective working air gap.
  • the armature units 40 and 42 provided on both sides of the yoke unit 18 and the associated coil unit 16 with associated air gaps 44 and 46 to stationary yoke sections 48 and 50, the magnetic flux branches thus formed so that, for example by a shorter gap distance 46 with respect to the gap distance 44, the branch 42, 46, 50 opposite the branch 40, 44, 48 has a lower magnetic resistance, so that although in the deactivated state of Fig.
  • both Anchor branches remain flowless, each but then the energizing of the coil 16, analogous to the above-described effect, the displacement and flux concentration of both the permanent magnet flux 52, as well as caused by the coil activation Spulenmagnet Weges 54 primarily via the right armature arm takes place, thus over the shorter air gap 46.
  • FIGS. 8 to 10 demonstrates how a sequence of a drive of the respective anchor units can be established or achieved by suitably designing respective flow guide circuits or flow control branches, for example by suitable cross-sectional dimensioning of the flow-conducting yoke sections and / or configuration of the air gaps described embodiment such that the armature unit 42 is moved first and only then the armature unit 40th
  • FIGS. 11, 12 supplements the variant of FIGS. 8 to 10 by a second permanent magnet unit 21 which, according to the principle illustration, is provided opposite the permanent magnet unit 21 at the other end, first generates its own permanent magnet flux 58 and, as compared to FIG 10 and 11, in response to the closing of the air gap 46 (or saturation thereafter in the associated flow-conducting components 42, 50) of this permanent magnet flux 58, together with a component of the coil magnetic flux 56 (analogous to FIG. 10) is superimposed with respect to the working air gap 44 insofar, in the sense of the invention principle, a switched flux amplification and thus influencing effected.
  • a second permanent magnet unit 21 which, according to the principle illustration, is provided opposite the permanent magnet unit 21 at the other end, first generates its own permanent magnet flux 58 and, as compared to FIG 10 and 11, in response to the closing of the air gap 46 (or saturation thereafter in the associated flow-conducting components 42, 50) of this permanent magnet flux 58, together with a component of the coil magnetic flux
  • Figs. 13 to 15 describe another embodiment of the present invention.
  • the perspective view such as just the yoke sections 22, 24 (as the end connecting the respective components involved sections) suitably from a stack of typically punched transformer plates or the like. can be realized and so combine the otherwise known favorable eddy current reduction effects with advantageous Flußleitmaschine and good suitability for a preferred mass production suitable production.
  • FIGS. 13 to 15 also illustrate how, by suitably positioning the coil unit or a pair of permanent magnets relative to the movable armature unit, potentially disadvantageous gravitational components on the armature unit can be reduced (as is typically the case with laterally displaced coil-armature combinations) would be expected and can lead to wear or reduction in service life).
  • FIGS. 13 to 15 show the pure permanent magnet flux
  • FIG. 15 illustrates the superposed permanent and coil magnetic flux
  • FIG. 14 shows the pure permanent magnet flux
  • FIG. 15 illustrates the superposed permanent and coil magnetic flux
  • FIG. 15 shows how along the flux guide stack 22 and 24, respectively, a permanent magnet short-circuit flux (FIG ) takes place outside of the working air gap, while, as illustrated in Fig. 15, by a two- or all-side flow entry in the direction of the anchor unit 10 (which with a hidden in the figures shown stationary yoke under Forming the working air gap cooperates), as a balance or a balance of the aligned in the plane of the respective flux guide elements 22 and 24 force components, based on an axial direction of movement of the armature unit, takes place.
  • FIGS. 16 to 23 illustrate, as by an arrangement of respective permanent magnets (in plurality) with suitable, for example in pairs, associated coil units (including one yoke portion associated with a coil for short-circuiting the associated permanent magnetic flux in the de-energized state of the respective coil ), numerous configuration and adaptation options exist on a particular embodiment and provide for a transverse force minimization in virtually all coils.
  • FIG. 16 the schematic plan view of an arrangement according to FIG. 16, FIG. 17 (in which both sides of a central armature unit 60 respectively a coil permanent magnet pair consisting of a permanent magnet rod 62 or 64 and an associated coil unit 66 or 68, in each case again consisting of a yoke portion and associated winding, as in the currentless in Fig.
  • the present invention is not limited to the orders shown, nor numbers (2 or 3) of permanent magnet and coil pairs; Rather, this system can be arbitrarily adapted and duplicated or multiplied, in particular, the number of respective coil units (with associated yoke section) does not have to match the number of permanent magnets, such as the variants of Figs. 22 and 23 illustrate.
  • an elongated, axially magnetized permanent magnet unit 20 is provided on both sides and at both ends connected by flux-conducting sections 20, respectively, and a yoke section adjacent to each other at the other end and directly adjacent to the coil 80 and 82.
  • a yoke section 80 and 82 which are realized in the manner to be described below by a suitable housing of the electromagnetic actuator
  • armature unit 10 acting as a stator yoke section 12th and provided therebetween air gap 14 is provided.
  • a permanent magnet flux 84 runs in accordance with the arrows shown, namely in the center of gravity through the proximal yoke section 82 and, with a reduced flux component (further away and insofar with somewhat higher magnetic resistance) through the distal yoke section 80th
  • FIG. 26 shows a first constructional embodiment in an axially partially cutaway state
  • FIG. 27 shows the permanent magnet flux in this arrangement
  • FIG. 28 shows a resulting magnetic flux curve with additional energization 26:
  • the housing is realized like a bow, such that an external permanent magnet 20 (a double-sided attacking pair 20, 21) is connected via the flux conducting sections 22, 24 to the yoke sections 80 or 82, which are realized in the illustrated embodiment, portions of the housing.
  • the reference numerals selected in FIGS. 26 to 31 correspond to those of FIGS. 24 and 25. It is shown that when the coil unit (FIG.
  • FIGS. 29 to 31 shows how the permanent magnet 20, instead of being placed on the cylindrical actuator housing from outside via a bracket arrangement, is inserted in a longitudinal slot 90 of this housing, in which case for realizing the permanent-magnetic short-circuit function in the non-energized state (FIG. 30), the permanent magnet flux runs over the slot adjacent housing sections, while in the energized state of the coil unit and as shown in FIG. 31, here again then the flux displacement and superposition with the coil magnetic flux he follows.
  • the described second aspect of the invention has the advantage that the housing (or any externally ansitzende, flux-conducting bracket) can be realized comparatively thin;
  • the displacement of the permanent magnetic field alone already produces a relatively high magnetic flux above the working air gap, so that the overall magnetic flux in large parts of the housing can be small and correspondingly allows only small magnetically effective flow cross sections.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit einer einen ersten Jochabschnitt einer stationären Jocheinheit umschließenden und durch Bestromung aktivierbaren Spuleneinheit und relativ zur Jocheinheit bewegbar geführten, mit einem abtriebsseitigen Stellpartner zusammenwirkenden und zum Ausführen einer Stellbewegung antreibbaren Ankermitteln, die mit mindestens einem zweiten Jochabschnitt der Jocheinheit unter Ausbildung eines außerhalb des ersten Jochabschnitts liegenden Luftspalts für einen durch die aktivierte Spuleneinheit erzeugten Magnetfluss zusammenwirken. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Permanentmagnetmittel so magnetisch parallel zu der Spuleneinheit geschaltet sind, dass ein Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel durch den ersten Jochabschnitt erfolgen kann, ein über den Luftspalt fließender Spulenmagnetfluss der Spuleneinheit magnetisch parallel und/oder gleichgerichtet überlagert mit einem über den Luftspalt fließenden Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel ist, und eine Aktivierung der Spuleneinheit durch Bestromung eine zumindest teilweise Magnetflussverschiebung, insbesondere Magnetflussverdrängung, des Permanentmagnetflusses der Permanentmagnetmittel aus dem ersten Jochabschnitt in den zweiten Jochabschnitt bewirkt.

Description

Elektromagnetische Aktuatorvorrichtunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Hauptanspruch sowie nach dem unabhängigen Patentanspruch 12.
Bei derartigen Vorrichtungen ist an einer stationären Jocheinheit eine (typischerweise querschnittlich zylindrische) Spuleneinheit so vorgesehen, dass sie einen ersten Jochabschnitt der Jocheinheit umschließt und bei Bestromung einen Magnetfluss in die Jocheinheit einträgt. Über einen (Arbeits-) Luftspalt wirkt dann dieser Spulenmagnetfluss zusammen mit den Ankermitteln, welche wiederum die gewünschte Aktuator- bzw. Stellbewegung für einen abtriebsseitigen Stellpartner durchführen. Dabei ist es einerseits als gattungsbildend vorausgesetzt, dass in der Art einer lateral ausgelagerten Spule, die Spuleneinheit mit dem zugehörigen ersten Jochabschnitt beabstandet von dem den Luftspalt bildenden zweiten Jochabschnitt vorzusehen, d.h. den Luftspalt vollständig außerhalb des ersten Jochabschnitts vorzusehen. Während diesbezüglich von anmelderinternem, unveröffentlichtem Stand der Technik ausgegangen wird, ist es andererseits, wiederum gattungsbildend, als bekannt vorauszusetzen, dass die Spuleneinheit den (Arbeits-) Luftspalt zumindest teil- bzw. abschnittsweise umschließt (und insoweit auch unmittelbar mit den Ankermitteln zusammenwirkt), was dem Funktionsbetrieb typischer,
axial entlang der linearen Ankerbewegungsrichtung vorgesehener elektromagnetischer Stellglieder entspricht.
Beide gattungsbildenden Prinzipien weisen jeweils gewisse Vorteile auf, so ermöglicht etwa der erstgenannte Ansatz durch das Aktivieren (Bestromen) der Spuleneinheit eine gezielte Flussbeeinflussung im durch die Jocheinheit gebildeten, typischerweise mehrere Zweige aufweisenden Magnetflusskreis. Dagegen ist hier potentiell nachteilig festzustellen, dass der Spulenwirkungsgrad der Spuleneinheit (durch das Entstehen unerwünschter Streufelder) nicht optimal ist, zudem weisen derartige Ansätze der ausgelagerten Spule das Problem möglicher, auf die Ankereinheit wirkender Querkräfte durch den Spulenmagnet- fluss auf, d.h. Kräfte (bzw. Kraftkomponenten), welche sich nicht (nur) entlang der linearen Ankerbewegungsrichtung erstrecken, sondern zusätzlich eine Verkippneigung bewirken und insoweit Verschleiß fördern, was insbesondere eine Eignung derartiger Vorrichtungen für einen verschleißarmen Dauerbetrieb herabsetzt.
Dagegen ist das gattungsbildende Prinzip der von der Spuleneinheit umschlossenen bzw. ummantelten Ankereinheit weniger betroffen von derartigen Querkräften, allerdings sind etwa, konstruktionsbedingt, die Möglichkeiten, zusätzlichen Magnetfluss in die Ankereinheit (über den Arbeitsluftspalt) einzutragen, begrenzt und sind primär durch die Spulenabmessungen bestimmt. Hieraus entstehen dann wiederum Nachteile im Hinblick auf eine Ausnutzung von und/oder Anpassung an zur Verfügung stehende Bauräume, mögliche thermische bzw. Wicklungsverluste oder dergleichen Nachteile. Zusätzlich bietet etwa bei einer Nutzung einer derartigen elektromagnetischen Aktuatorvorrichtung zur Ventilsteuerung das Umschließen der insoweit ventilwirksamen Ankereinheit mittels der Spuleneinheit das Problem begrenzter Zu- und Ableitungsmöglichkeiten für ein jeweiliges, durch das Ventil zu beeinflussendes Fluid.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bzw. des unabhängigen Patentanspruchs 12 im Hinblick auf eine Flexibilisierung des magnetischen Flusses in der stationären Jocheinheit zu verbessern, insbesondere die Möglichkeit zu schaffen, eine derartige elektromagnetische Aktuatorvorrichtung (potentiell unter gleichzeitiger Wirkungsgrad-Optimierung) an Bauraumbeschränkungen anzupassen und/oder möglichen Verschleiß zu minimieren.
Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie des unabhängigen Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise und gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Permanentmagnetmittel so magnetisch parallel zu der Spuleneinheit geschaltet, dass ein (zusätzlicher) Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel durch den ersten Jochabschnitt (auf der Spuleneinheit) erfolgen kann, insoweit, zumindest bei deaktivierter Spuleneinheit, ein magnetischer Kurzschluss der Permanentmagnetmittel erfolgt. Gleichzeitig ist erfindungsgemäß eingerichtet, dass ein über den (bevorzugt einzigen) Luftspalt fließender Spulenmagnetfluss der Spuleneinheit magnetisch parallel und/oder gleichgerichtet überlagert mit einem über den Luftspalt fließenden Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel ist, insoweit erreicht wird, dass zumindest bei Bestromung der Spuleneinheit der Permanentmagnetfluss (bzw. zumindest eine Komponente desselben) über den Luftspalt fließt, sodass, im Fall einer solchen Aktivierung der Spuleneinheit durch Bestromung, eine zumindest teilweise Magnetflussverschiebung des Permanentmagnetflusses aus dem ersten Jochabschnitt (nämlich dem durchgehenden, luftspaltfreien Abschnitt der Spuleneinheit), in den mit dem (Arbeits-) Luftspalt zusammenwirkenden zweiten Jochabschnitt fließt und entsprechend dieser Flussverlagerung bzw. Flussverdrängung zu einer Beeinflussung des Stell- bzw. Schaltverhaltens der mit dem Luftspalt zusammenwirkenden Ankereinheit führt.
Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung gemäß dem ersten, hauptan- spruchsgemäßen Erfindungsaspekt bewirkt vorteilhaft, dass als Reaktion auf die Bestromung der Spuleneinheit der dadurch erzeugte Spulenmagnetfluss die Verlagerung bzw. Verdrängung des Permanentmagnetflusses der Permanentmagnetmittel bewirkt. Damit bekommt der von der Spule erzeugte Spulenmagnetfluss den Charakter eines Gegenfeldes zum Permanentmagneten und kann insoweit den Permanentmagnetfluss effizient, potentiell (zu dem Spulenmagnetfluss) flussverstärkend beeinflussen, im einfachsten Fall im Hinblick auf einen jeweiligen Zweig ein- bzw. ausschalten.
Besonders interessant und praktisch nutzbringend erscheint diese erfindungsgemäße Wirkung, wenn, alternativ zu einer dauerhaften Bestromung der Spuleneinheit, diese Aktivierung lediglich impulsförmig erfolgt, wie weiterbildungs- gemäß vorgesehen ist, und dann als Reaktion auf diese impulsförmige Aktivierung (und eine bereits dadurch hervorgerufene Verschiebung bzw. Reaktion der beteiligten Bewegungseinheiten der Aktuatorvorrichtung) ein mono- oder bistabiles Schaltverhalten erreicht wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn als Reaktion auf das impulsförmige Bestromen der Spuleneinheit eine daraufhin bewirkte Ankerbewegung (welche dann geeignet zumindest einen Teil des Permanentmagnetflusses in den Luftspalt verdrängt und insoweit die Ankerkraft erhöht) zu einem Schließen des Luftspaltes führt. Dies kann dann vorteilhaft bewirken, dass in diesem Schaltzustand der Permanentmagnetfluss (etwa aufgrund eines niedrigeren magnetischen Widerstands des zweiten Jochabschnitts mit reduziertem oder geschlossenem Luftspalt) primär durch diesen zweiten Jochabschnitt fließt, insoweit dann diese den Luftspalt schließende Ankerposition stabil durch Wirkung der Permanentmagnetmittel gehalten wird, ohne dass etwa eine weitere, fortgesetzte Bestromung der Spuleneinheit erfolgen muss. Mithin ist eine Bistabilität der Vorrichtung erreicht.
Wird dann wiederum in Weiterbildung der Erfindung den Ankermitteln eine Rücksteilvorrichtung, etwa in Form einer Druck- bzw. Rückstellfeder, zugeordnet, gegen welche der Anker in der vorstehend betriebenen Weise arbeitet, lässt sich durch geeignetes Einrichten etwa der Federkraft das Bewegungsund/oder Schaltverhalten der Ankereinheit weiter beeinflussen, etwa abweichend monostabil gestalten, wobei dann, nach Beenden des Bestromungsim- pulses, eine hinreichend groß bemessene (Feder-) Rückstellkraft die Ankereinheit gegen die Kraftwirkung des Permanentmagnetflusses zurück in eine Ausgangslage verbringt.
Wiederum ergänzend oder alternativ kann, in ansonsten bekannter Weise, durch das Einstellen eines wirksamen Abstandes für die Ankereinheit bzw. den Luftspalt (z.B. durch den Einsatz geeigneter nicht-magnetischer Antihaft- bzw. Antikleb-Scheiben am zweiten Jochabschnitt) das Haft- und Bewegungsverhalten beeinflusst werden, indem nämlich etwa ein derartiger unmagnetischer Abstandshalter den Luftspalt zwischen Anker und Joch vergrößert. Bei all diesen Realisierungsformen ist es sowohl von der Erfindung umfasst und im Rahmen geeigneter Auslegungen möglich, die Permanentmagnetmittel in Form eines einzelnen (bevorzugt langgestreckt ausgebildeten und entlang der Erstreckungsrichtung axial magnetisierten) Magnetelements auszubilden, als auch eine Mehrzahl von derartigen Permanentmagnetelementen einzusetzen, welche dann an geeigneten Positionen, insbesondere auch an einer gegenüberliegend, bezogen auf den Luftspalt und/oder die Spuleneinheit, vorgesehen sind, gleichermaßen ist es von der vorliegenden Erfindung umfasst, die Ankermittel in Form einer Mehrzahl geeignet auch unabhängig voneinander geführter bzw. gelagerter Ankereinheiten vorzusehen, wobei dann der erfindungsgemäße zweite Jochabschnitt entsprechend mehrere Bereiche bzw. Abschnitte der Jocheinheit realisiert.
Auch ist es, wiederum unter Gesichtspunkten einer Anpassung an jeweilige Einsatzgebiete, vorteilhaft und sinnvoll, jedoch nicht beschränkend, vorgesehen, eine axiale Erstreckungsrichtung (wiederum entsprechend einer Magnetisierungsrichtung) der Permanentmagnetmittel in etwa achsparallel zu einer linearen Bewegungsrichtung der (mindestens einen) Ankereinheit vorzusehen, wiederum weiterbildungsgemäß eine Erstreckungsrichtung des (von der Spuleneinheit umgebenen) ersten Jochabschnitts parallel zu diesen Achsen (bzw. einer von diesen) auszugestalten, wiederum weiterbildungsgemäß und vorteilhaft die Spuleneinheit mit einer Spulenachse oder Spulenlängsachse so einzurichten, dass eine Ankerbewegungsrichtung parallel zur Spulenlängsachse erfolgt. All diese Weiterbildungen sind auch unabhängig voneinander mit Vorteil im Rahmen der Erfindung einzusetzen.
Insbesondere vor dem Hintergrund der sich stellenden Aufgabe, eine Mehrzahl von Ankereinheiten mittels einer gemeinsamen Spuleneinheit zu betätigen, ist es weiterbildungsgemäß vorgesehen und bevorzugt, die jeweiligen zugehörigen zweiten Jochabschnitte dieser Ankereinheiten geeignet benachbart und/oder umfangsmäßig verteilt, bezogen auf die Spuleneinheit, vorzusehen, um insoweit geometrische bzw. Raumvorteile realisieren zu können. Diese Flexibilität gilt ergänzend oder alternativ weiterbildungsgemäß auch für die Möglichkeit, die erfindungsgemäßen Permanentmagnetmittel in Form einer Mehrzahl von einzelnen Permanentmagnetelementen verteilt und/oder an vorbestimmten Positionen relativ zur Spuleneinheit und/oder zur mindestens einen Ankereinheit (bzw. der jeweils zugehörigen Ankerabschnitte) zu positionieren. Damit lässt sich dann ergänzend und vorteilhaft, neben einer (Einbau-) Raumoptimierung, insbesondere auch die vorstehend beschriebene Querkraftproblematik auf die Ankermittel optimieren, indem nämlich jeweilige (Betriebs-) Magnetflusskomponenten der Spuleneinheit einerseits sowie der Permanentmagnetflusskomponenten der Permanentmagnetelemente andererseits so flussmäßig zueinander in ein Gleichgewicht gebracht werden, dass die nachteiligen Querkrafteffekte auf die Ankermittel (einer einzelnen Ankereinheit, potentiell weiterbildungsgemäß auch eine Mehrzahl von Ankereinheiten) minimiert sind.
Besonders vorteilhaft im Rahmen derartiger bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung ist es, die jeweiligen flusserzeugenden bzw. auf Magnetfluss reagierenden Komponenten (Spuleneinheit mit erstem Jochabschnitt, Ankermittel mit zweitem Jochabschnitt und Luftspalt, Permanentmagnetmittel) mittels Flussleit- elementen, weiter bevorzugt jeweils beidends unter Ausbildung einer magnetischen Parallelschaltung bzw. einer flussleitenden Anordnung aus mindestens zwei Flussleitkreisen, zu verbinden, wobei es sich konstruktiv und magnetisch als besonders bevorzugt herausgestellt hat, derartige Flussleitelemente (welche insbesondere auch als Abschnitte der z.B. einstückigen, alternativ baukastenartig aus vorbestimmten Baugruppen zusammengesetzten Jocheinheit realisiert sein können), so vorzusehen, dass sie rechtwinkelig zu einer (linearen) Bewegungsrichtung der mindestens einen Ankereinheit bzw. rechtwinkelig zu einer Magnetisierungsrichtung der mindestens einen Permanentmagneteinheit bzw. rechtwinkelig zu einer Längsrichtung des ersten Jochabschnitts (damit rechtwinkelig zu einer Erstreckungsrichtung der Spuleneinheit) verlaufen. Geeignet kann ein derartiges Flussleitelement, welches weiter bevorzugt beidends der genannten magnetischen Komponenten vorgesehen werden kann, als flache Baugruppe (etwa als Plättchen) auszugestalten, und/oder eine Ausbildung zu benutzen, welche mindestens eine Flachseite besitzt, sodass günstig etwa an- sonsten bekannte magnetisch flussleitende Bleche (welche wiederum fertigungstechnisch günstig gestanzt werden können und damit Großserientauglichkeit ermöglichen) geeignet gestapelt zur Realisierung der verschiedenen Abschnitte der Jocheinheit verwendet werden können.
In der weiteren Optimierung der vorliegenden Erfindung, insbesondere bei einer Mehrzahl vorgesehener (Einzel-) Magnetelemente und Einzelspulen der Spulenvorrichtung, ist es beispielsweise möglich, zur Realisierung des vorbeschriebenen Erfindungsprinzips Permanentmagneteinheit und Spuleneinheit zueinander paarweise anzuordnen, so dass, bezogen auf ein derartiges Paar, jeweils der Permanentmagnetfluss durch den ersten Jochabschnitt der zugehörigen Spuleneinheit fließen kann, während dann eine Bestromung der jeweiligen Spuleneinheiten in der erfindungsgemäßen Weise den Permanentmagnetfluss zur Beeinflussung der Ankerbewegung in den mindestens einen zweiten Jochabschnitt für eine oder mehrere Ankereinheiten verdrängt. Im Rahmen von Optimierungen für eine jeweilige Anordnungsgeometrie (bzw. in Abhängigkeit von jeweiligen Einbaubedingungen) wären dann wiederum weiterbildungsgemäß derartige Paare von Spuleneinheiten/Permanentmagneteinheiten geeignet relativ zu den Ankermitteln auszurichten, etwa geeignet bogen- und/oder kreisförmig um die Ankermittel, wiederum geeignet und weiter bevorzugt über ein- oder beidends angreifende Flussleitelemente magnetisch angekoppelt.
Gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt, insoweit entsprechend der Lösung gemäß unabhängigem Anspruch 12, werden erfindungsgemäße Permanentmagnetmittel benutzt, um das magnetische Fluss- und Stellverhalten einer e- lektromagnetischen Aktuatorvorrichtung zu beeinflussen, bei welcher die Spuleneinheit den Arbeitsluftspalt und/oder die Ankermittel zumindest teilweise umschließt, also keine lateral ausgelagerte Anordnung wie im ersten Erfindungsaspekt vorliegt.
Gleichwohl ist auch hier der Spuleneinheit ein flussleitender Abschnitt der Jocheinheit außerhalb des ersten Jochabschnitts vorgesehen, zum Ausbilden mindestens eines luftspaltfreien magnetischen Flusszweiges. Permanentmag- netmittel sind im Rahmen dieses Erfindungsaspekts so magnetisch parallel zu der Spuleneinheit geschaltet, dass in einem unbestromten Zustand der Spuleneinheit ein Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel über diesen flussleitenden Abschnitt geführt wird, sodass insoweit der flussleitende Abschnitt als magnetischer Kurzschluss für die Permanentmagnetmittel wirkt, wenn die Spuleneinheit nicht aktiviert wird.
Dem vorliegenden, übergreifenden Erfindungsgedanken folgend, bewirkt dann jedoch eine Aktivierung der Spuleneinheit durch die Bestromung eine zumindest teilweise Magnetflussverschiebung, insbesondere Magnetflussverdrängung, des Permanentmagnetflusses aus dem flussleitenden Abschnitt der Jocheinheit in den ersten Jochabschnitt (und damit über den Luftspalt) mit der Folge, dass dadurch dann die Ankerkraft beeinflusst wird. Insoweit ermöglicht damit auch dieser Erfindungsaspekt vorteilhaft, dass als Reaktion auf eine Aktivierung der Spuleneinheit gezielt ein Permanentmagnetfluss, der zusätzlich flussleitend in das System eingekoppelt wird, beeinflusst, insbesondere bezogen auf den ersten Jochabschnitt und die Ankereinheit, an- bzw. abgeschaltet wird.
Auch bei diesem Erfindungsaspekt gelten die eingangs diskutierten Möglichkeiten, geometrisch die jeweiligen magnetisch wirksamen Abschnitte ein- oder mehrteilig auszugestalten, wobei etwa eine bevorzugte Realisierungsform der Erfindung vorsieht, dass der erfindungsgemäße flussleitende Abschnitt (für das Führen des Permanentmagnetflusses im unbestromten Zustand der Spuleneinheit) mindestens zwei zueinander magnetisch parallel verlaufende Flussleit- zweige ausbildet, die etwa bevorzugt der Spulenvorrichtung mantelseitig benachbart vorgesehen sein können, weiter bevorzugt einander, bezogen auf die Spulenvorrichtung, gegenüberstehen.
In besonders bevorzugter Weise ist der flussleitende Abschnitt zu dem etwa als Abschnitt oder Bereich eines flussleitenden Gehäuses (insbesondere Gehäuseschale) der Aktuatorvorrichtung ausgebildet, wobei diese Gehäuseschale die Spuleneinheit weiterbildungsgemäß mantelseitig umschließt und die Perma- nentmagnetmittel entweder an oder in der Gehäuseschale zum Erreichen der beschriebenen Flussführung vorgesehen sind; vorteilhaft ist es besonders, wenn etwa eine Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnetmittel parallel zu einer Bewegungsrichtung der Ankermittel verläuft, sodass in diesem Fall dann, bei einem typischen hülsen- bzw. zylinderförmigen Gehäuse, eine Erstre- ckungsrichtung und Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnetmittel auch parallel zu einer axialen Richtung der Hülse bzw. des Zylinders verläuft.
Ergänzend oder alternativ ist es möglich, dass die Permanentmagnetmittel, wiederum weiterbildungsgemäß in der beschriebenen Relativausrichtung, außen auf einem (geschlossenen) Gehäuseabschnitt der Gehäuseschale aufgesetzt sind, sodass insoweit dann wiederum der laterale (Kurzschluss-) Magnet- fluss bei unbestromtem Zustand der Spuleneinheit fließen kann; eine alternative Realisierungsform könnte vorsehen, dass die (langgestreckten) Permanentmagnetmittel in einer geeignet bemessenen und endseitig flussleitend angekoppelten Ausnehmung (Schlitz oder Durchbruch) der Gehäuseschale vorgesehen sind.
Auch für diesen Erfindungsaspekt gelten die weiterbildungsgemäß vorgesehenen Möglichkeiten, die Permanentmagnetmittel und den ersten Jochabschnitt (mit der Spuleneinheit) über geeignet rechtwinkelig zu den jeweiligen Erstre- ckungsrichtungen verlaufende Flussleitbereiche bzw. Flussleitelemente zu verbinden, wobei diese Flussleitelemente wiederum, als Bestandteil der Jocheinheit, weiterbildungsgemäß flach und/oder mithilfe von Einzelblechen oder Blechstapeln großserientauglich realisiert sein können.
Im Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung beider Erfindungsaspekte ein überraschend leistungsfähiges, hochgradig flexibles System von Spuleneinheit, Ankermitteln und Permanentmagneteinheit, welches die Möglichkeit einer optimierten mechanischen Anordnung und/oder Bauraumausnutzung kombiniert mit magnetischer Flussoptimierung zur Baugruppendimensionierung, Ver- lustminimierung (bezogen etwa auf die Spuleneinheit) und das Verhindern un- erwünschter möglicher Querkräfte bezogen auf die Ankereinheit, sodass insoweit auch eine Verschleißoptimierung ermöglicht ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in: ein schematisches Schaubild zum Verdeutlichen der wesentlichen Funktionskomponenten des ersten Erfindungsaspektes und deren Zusammenwirken untereinander;
Fig. 2
bis Fig. 5: das Zusammenwirken der Funktionskomponenten gemäß Fig. 1 im Bestromungsbetrieb zum Erreichen einer Bistabilität;
Fig. 6, 7: eine Variante zur Realisierung der Fig. 1 und abweichender Führung des Permanentmagnetflusses;
Fig. 8
bis Fig.12 weitere Varianten des ersten Erfindungsaspekts mit einer Mehrzahl von Ankereinheiten bzw. einer Mehrzahl von Einzel- Permanentmagnetelementen im Rahmen einer durch Flussleitmit- tel verbundenen Parallelanordnung;
Fig. 13
bis Fig. 15: eine konkrete, perspektivisch gezeigte und konstruktivmechanische Realisierung des ersten Erfindungsaspekts mit einer Anordnung aus einer Spuleneinheit und einem Paar von Permanentmagneten, welche beidseits durch flache Flussleitmittel verbunden sind;
Fig. 16, 17: eine schematische Topografiedarstellung einer Konstruktionsvariante zu den Fig. 13 bis 15 mit zwei paarweise angeordneten Spu- len-Permanentmagnetpaaren, beidseits benachbart der Ankereinheit;
Fig. 18
bis Fig. 21 : weitere Anordnungen mit Spulen-Permanentmagnet-Paaren in kreisförmig-umfangsmäßiger Zuordnung zu einer mittleren Ankereinheit;
Fig. 22, 23: unsymmetrische Varianten in der Zuordnung von Permanentmagneten und Spule analog den Konfigurationen der Fig. 18 bis 21 ;
Fig. 24, 25: Prinzipdarstellungen zum Verdeutlichen des zweiten Erfindungsaspekts mit die Ankereinheit bzw. den Luftspalt umschließender Spulenvorrichtung;
Fig. 26
bis Fig. 31 : verschiedene konstruktive Varianten der Zuordnung von Permanentmagnetmittel zu einem Gehäusemantel (als flussleitendem Abschnitt) sowie darin bei unbestromter bzw. bestromter Spule erzeugten Magnetflüssen.
Anhand der Fig. 1 bis 5 wird das allgemeine konstruktive und magnetische Prinzip samt einem möglichen (z.B. bistabilen) Betriebsmodus der vorliegenden Erfindung beschrieben. So weist die in Fig. 1 schematisch und in der Fig. 2 analog mit den Funktionskomponenten gezeigte Vorrichtung eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung auf, welche Ankermittel 10, axial (d.h. in der jeweiligen Figurenebene aufwärts gerichtet) bewegbar zu einem Jochabschnitt 12 (zweiter Jochabschnitt im Sinne der Erfindung) bewegbar geführt aufweist. Zwischen den Ankermitteln 10 und dem Jochabschnitt 12 ist ein (bevorzugt einziger) entsprechend einem Abstand zwischen Anker und Joch veränderlicher Luftspalt 14 gebildet, über welchen, als Arbeitsluftspalt, ein Magnetfluss geführt wird, um insoweit einen Krafteintrag auf die Ankereinheit 10 zum Antreiben derselben vorzunehmen. Der Jochabschnitt 12 ist Bestandteil einer (stationären, d.h. unbeweglich gehaltenen bzw. befestigten) Jocheinheit, im Wesentlichen bestehend auf einem einer in einem benachbarten Zweig vorgesehenen Spule 16 zugeordneten Jochabschnitt 18 (erster Jochabschnitt im Sinne der Erfindung, auch als Spulenkern bezeichnet). Ferner wird eine Permanentmagneteinheit 20 in einem gegenüberliegenden Zweig der Jocheinheit 18 gehalten, wobei Flussleitabschnitte 22, 24, im dargestellten Beispiel beidseits der Permanentmagneteinheit 20 sowie beidseits der Spuleneinheit 16 (bzw. des zugehörigen Jochabschnitts) die flussleitenden Komponenten verbinden, im dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa mittig eine Magnetflussverbindung zum Jochabschnitt 12 bewirken und, wie in den Fig. 2 bis 5 angedeutet, einen Durchbruch 26 zum Hindurchführen der Ankereinheit 10 (und insoweit zum Eintragen eines Magnetflusses in die Ankereinheit für den Luftspalt 14 bzw. den Jochabschnitt 10) anbieten. Bei dieser Konfiguration der stationären Jocheinheit sind dabei, zum Erreichen einer kompakten Anordnung, die jeweiligen Längs- bzw. Bewegungsachsen der beteiligten Komponenten zueinander benachbart und parallel ausgerichtet: Eine Spulenlängsachse, definiert durch die Erstreckungsrichtung des Jochabschnitts 18, verläuft parallel zur Erstreckungsrichtung (und Magnetisierungsrichtung) des langgestreckt ausgebildeten Permanentmagnetelements 20, parallel dazu eine Erstreckungsrichtung und Bewegungsrichtung der Ankereinheit 10.
Die Fig. 3 verdeutlicht einen Flussverlauf in der in den Fig. 1 bzw. Fig. 2 lediglich schematisch gezeigten Anordnung in unbestromtem Zustand der Spuleneinheit 16, wobei die Pfeilschaar 28 lediglich den durch die Permanentmagneteinheit 20 hervorgerufenen (Permanent-) Magnetfluss verdeutlicht. Da in der Anordnung der Fig. 1 bis 4 der Luftspalt 14 geöffnet ist, insoweit gegenüber dem Jochabschnitt 18 einen erhöhten magnetischen Flusswiderstand anbietet, verläuft, wie gemäß Pfeilanordnung 28 in Fig. 3 verdeutlicht, praktisch der gesamte Permanentmagnetfluss in diesem Anker-Positionszustand über den Jochabschnitt 18, so dass insoweit ein magnetischer Kurzschluss der Permanentmagneteinheit 20 über den ersten Jochabschnitt 18 (Kernabschnitt) der Spuleneinheit 16 erfolgt. Wird dann, wie in Fig. 4 gezeigt, die Spule 16 bestromt, entsteht ein Spulenmagnetfeld, welches den anhand der Pfeilschaar 30 verdeutlichten Spulenmag- netfluss hervorruft. Die Spuleneinheit ist so gepolt, dass ein im Jochabschnitt 18 fließender Magnetfluss der Richtung des Permanentmagneten (im Abschnitt 18) entgegengerichtet ist, so dass durch Wirkung des Spulenmagnetflusses 30 nicht nur das (weitere) Eintreten des Permanentmagnetflusses 28 in den Jochabschnitt 18 verhindert wird, vielmehr wird dieser Permanentmagnetfluss (auch in der Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 28 als Pfeilschaar illustriert) in die Ankereinheit 10 bzw. den zweiten Jochabschnitt 12 verdrängt. Da zudem die Permanentmagneteinheit 20 dem Spulenmagnetfluss 30 einen größeren Widerstand entgegensetzt, als die Abfolge aus Ankereinheit 10, Luftspalt 14 und Jochabschnitt (Stator) 12, wird auch der Spulenmagnetfluss 30, insoweit zum Schließen dieses Magnetflusskreises, in diesen mittleren Zweig verdrängt.
Im Ergebnis verlaufen, wie in der Fig. 4 anhand der parallel zueinander gerichteten Magnetflüsse durch die Ankereinheit und über den Luftspalt verdeutlicht, sowohl der Spulenmagnetfluss 30, als auch der Permanentmagnetfluss 28, miteinander antriebswirksam über den Arbeitsluftspalt, addieren sich entsprechend in ihrer Wirkung und bewirken so, ursächlich durch Bestromen der Spuleneinheit 16, dass ein gemeinsamer, überlagerter und addierter Magnetfluss auf die Ankereinheit wirkt und diese (zum Schließen des Luftspalts 14) antreibt.
Das Ergebnis dieses Antriebsprozesses zeigt die Darstellung der Fig. 5, bei wiederum deaktivierter Spuleneinheit (so dass, wie die vorstehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 bis 5 erkennen lässt, bereits eine temporäre, z.B. impulsförmige Bestromung der Spuleneinheit 16 ausreicht, um die Ankereinheit 10 in einem ersten, entfernten bzw. geöffneten Zustand zu einem zweiten, den Luftspalt schließenden Anschlagzustand (Fig. 5) zu bewegen. Erkennbar ist zudem, dass der nunmehr durch die Abfolge Ankereinheit 10 - Jochabschnitt 12 fließende Permanentmagnetfluss 28 für eine stabile Anschlagposition der Ankereinheit 10 am Jochabschnitt 12 sorgt (während praktisch kein Permanentmagnetfluss, oder lediglich nur noch eine vernachlässigbare Komponente des Permanentmagnetflusses, über den der Spuleneinheit 16 zugeordneten Jochabschnitt 18 fließt, da die nunmehr geschlossene Ankerposition einen niedrigeren magnetischen Flusswiderstand anbietet).
Gezeigt ist damit eine bistabile Betriebsweise der elektromagnetischen Aktua- torvorrichtung, welche in den gezeigten Ankerpositionen jeweils stromlos stabil ist. Gleichzeitig wäre es bei der gezeigten Konfiguration notwendig, wiederum eine Rückstellung der Ankereinheit 10 aus der unteren Anschlagposition der Fig. 5 in die geöffnete Position (Fig. 2 bis 4) zu bringen; dies kann, in den Figuren nicht näher gezeigt, etwa über einen äußeren Krafteintrag erfolgen, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit einer Ventilhubverstellung von Nockenwellen od.dgl. bekannt ist, ergänzend oder alternativ über das Vorsehen einer Feder od.dgl. Kraftspeicher, gegen welche etwa die Ankereinheit 10 arbeitet, und welche dann, bei Beendigung der Bestromung der Spule 16, die Ankereinheit in eine obere, den Luftspalt öffnende Position zurückführt.
Auch wäre es, etwa zum Reduzieren einer möglichen Rückstell kraft des Ankers, möglich, die Spuleneinheit 16 geeignet temporär umgekehrt zu bestro- men.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 6, 7 kehrt die Anordnung der den Permanentmagnetmitteln benachbarten Zweige um; hier ist der der Spuleneinheit zugeordnete (erste) Jochabschnitt 18 zum Ausbilden eines magnetischen Flusskreises (in der Art eines Kurzschlusskreises) axial benachbart der Permanentmagneteinheit 20 vorgesehen; dem Jochabschnitt 18 dann benachbart die axial zueinander ausgerichtete und bewegbare Anordnung aus stationärem Jochabschnitt 12 bzw. axial bewegbarer Ankereinheit 10.
Wie die Permanentmagnetflussillustration der Fig. 6 (bei deaktivierter Spuleneinheit) zeigt, fließt ein Permanentmagnetfluss 34 durch den Jochabschnitt 18, lässt insoweit den aus Anker und Jochabschnitt 12 gebildeten Zweig samt Luftspalt 14 außerhalb des Flussverlaufs. Eine Aktivierung der Spuleneinheit 16 bewirkt dann, analog zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, dass Addieren bzw. Überlagern von Permanent- und Spulenmagnetfluss im Luftspaltzweig, bewegt mithin die Ankereinheit zum Schließen des Luftspaltes, so dass, nach erneutem Deaktivieren der Spuleneinheit, die bistabile Situation der Fig. 7 entsteht. Da jedoch aufgrund des geschlossenen Luftspalts der aus Jochabschnitt 12 und Ankereinheit 10 gebildete Zweig einen gegenüber dem geöffneten Luftspalt der Fig. 6 verringerten magnetischen Widerstand aufweist, fließt insoweit eine Permanentmagnetflusskomponente 35 auch durch diesen Zweig, teilt insoweit den Permanentmagnetfluss des Permanentmagneten 20 auf. Gleichwohl fließt ein relativ größerer, signifikanter Flussanteil nach wie vor durch den Jochabschnitt 18.
Im Ergebnis führt dies dann dazu, dass, im Vergleich zur Situation der Fig. 5 beim zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel, geringere Rückstellkräfte erforderlich sind, um die Ankereinheit 10 aus der Stellposition der Fig. 7 vom zugehörigen Jochabschnitt 12 zu lösen. Wenn dann zusätzlich noch ein ansonsten bekanntes Distanz- bzw. Antiklebelement aus nicht magnetischem Material an der Stirn- bzw. Kontaktseite des Jochelements 12 in Richtung auf die Ankereinheit 10 verwendet wird, kann durch die dadurch erreichte wirksame Luftspaltvergrößerung (im Anschlagzustand) die Haltekraft (Fig. 7) weiter minimiert werden, so dass für jeweilige Anwendungsfälle geeignete Konfigurations- und Auslegungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 bis 10 verdeutlicht eine Variante der Erfindung, bei welcher eine Permanentmagneteinheit mit einer Mehrzahl von über einen jeweiligen Arbeitsluftspalt mit einem stationären Jochabschnitt zusammenwirkenden Ankereinheiten betrieben werden. Dabei sind, vgl. die beidseits der Jocheinheit 18 bzw. der zugehörigen Spuleneinheit 16 vorgesehenen Ankereinheiten 40 bzw. 42 mit zugehörigen Luftspalten 44 bzw. 46 zu stationären Jochabschnitten 48 bzw. 50, die dadurch gebildeten Magnetflusszweige so ausgestaltet, dass, etwa durch einen kürzeren Spaltabstand 46 gegenüber dem Spaltabstand 44, der Zweig 42, 46, 50 gegenüber dem Zweig 40, 44, 48 einen geringeren magnetischen Widerstand aufweist, so dass zwar im deaktivierten Zustand der Fig. 8, bei welchem lediglich der Permanentmagnetfluss (Pfeilschar 52) durch den Jochabschnitt 18 führt, beide Ankerzweige flusslos bleiben, je- doch dann das Bestromen der Spule 16, analog zum vorbeschriebenen Effekt, die Verdrängung und Flusskonzentration sowohl des Permanentmagnetflusses 52, als auch des durch die Spulenaktivierung bewirkten Spulenmagnetflusses 54 primär über den rechtsseitigen Ankerzweig erfolgt, mithin über den kürzeren Luftspalt 46. Dies führt dazu, dass zuerst der rechtsseitige Luftspalt 46 durch die entsprechend auf die Ankereinheit 42 wirkende Kraft geschlossen wird.
Gerät dann, durch entsprechende Dimensionierung des flusswirksamen Querschnitts des aus den Einheiten 42, 50 gebildeten Zweiges, dieser durch das Ansteigen des Magnetflusses in eine magnetische Sättigung, erfolgt wiederum, wie in Fig. 10 gezeigt, eine (teilweise) Verlagerung des Flusses in den aus Ankereinheit 40, Luftspalt 44 und Jocheinheit 48 gebildeten Zweig, wie durch die Pfeilschaar 56 gezeigt; dieser Fluss speist sich im Wesentlichen aus Komponenten des Spulenmagnetflusses, welcher, durch den beschriebenen Sättigungseffekt im Zweig 42, 50, nur noch begrenzt über diesen Zweig verläuft und primär dann in den linksseitigen Zweig 40, 48 verdrängt ist. Ergebnis ist, dass daraufhin auch der Luftspalt 44 geschlossen wird.
Damit demonstriert das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 bis 10, wie durch geeignete Auslegung jeweiliger Flussleitkreise bzw. Flussleitzweige, etwa durch geeignete Querschnittsdimensionierung der flussleitenden Jochabschnitte und/oder Ausgestaltung der Luftspalte, eine Abfolge eines Antriebs der jeweiligen Ankereinheiten eingerichtet bzw. erreicht werden kann, im beschriebenen Ausführungsbeispiel etwa dergestalt, dass die Ankereinheit 42 zuerst bewegt wird und erst daraufhin die Ankereinheit 40.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 1 , 12 ergänzt die Variante der Fig. 8 bis 10 um eine zweite Permanentmagneteinheit 21 , welche, gemäß Prinzipdarstellung, anderenends gegenüberliegend der Permanentmagneteinheit 21 vorgesehen ist, zunächst einen eigenen Permanentmagnetfluss 58 erzeugt und wie, im Vergleich der Fig. 10 und 1 1 erkennbar ist, als Reaktion auf das Schließen des Luftspalts 46 (bzw. eine darauf erfolgende Sättigung in den zugehörigen flussleitenden Komponenten 42, 50) dieser Permanentmagnetfluss 58, zusammen mit einer Komponente des Spulenmagnetflusses 56 (analog zur Fig. 10) sich im Hinblick auf den Arbeitsluftspalt 44 überlagert, insoweit, im Sinne des Erfindungsprinzips, eine geschaltete Flussverstärkung und damit Beeinflussung bewirkt.
Die Fig. 13 bis 15 beschreiben ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; im Gegensatz zu den vorbeschriebenen Realisierungsformen, welche in der Darstellung eher schematisch waren, liegt mit diesen Darstellungen ein typisches Beispiel vor, wie die jeweiligen flussleitenden bzw. an der Realisierung der schematisch dargestellten Funktionalität beteiligten Komponenten ausgestaltet sein können. So zeigt etwa die Perspektivdarstellung, wie gerade die Jochabschnitte 22, 24 (als endseitig die jeweils beteiligten Komponenten verbindenden Abschnitte) geeignet aus einem Stapel von typischerweise zu stanzenden Transformatorenblechen od.dgl. realisiert sein können und so die ansonsten bekannten günstigen Wirbelstrom-Minderungseffekte kombinieren mit vorteilhafter Flussleitfähigkeit und guter Eignung für eine bevorzugt großserientaugliche Fertigung.
Die Ausführungsbeispiele der Fig. 13 bis 15 verdeutlichen zudem, wie durch geeignete Positionierung der Spuleneinheit bzw. eines Paares von Permanentmagneten relativ zu der beweglichen Ankereinheit, potentiell nachteilige Schwerkraftkomponenten auf die Ankereinheit vermindert werden können (wie dies typischerweise bei lateral ausgelagerten Spulen-Ankerkombinationen ansonsten zu erwarten wäre und zu Verschleiß bzw. Standzeitminderung führen kann).
So zeigt etwa die Perspektivdarstellung der Fig. 13 bis 15 (wobei die Fig. 14 den reinen Permanentmagnetfluss, die Fig. 15 den überlagerten Permanent- und Spulenmagnetfluss verdeutlicht), wie entlang der Flussleitblechstapel 22 bzw. 24 ein Permanentmagnet-Kurzschlussfluss (Fig. 14) außerhalb des Arbeitsluftspalts erfolgt, während, wie in Fig. 15 verdeutlicht, durch einen beid- bzw. allseitigen Flusseintrag in Richtung auf die Ankereinheit 10 (welche mit einem in den Figuren verdeckt dargestellten stationären Jochabschnitt unter Ausbildung des Arbeitsluftspalts zusammenwirkt), wie eine Balance bzw. ein Ausgleich der in der Ebene der jeweiligen Flussleitblechelemente 22 bzw. 24 ausgerichteten Kraftkomponenten, bezogen auf eine axiale Bewegungsrichtung der Ankereinheit, erfolgt.
Analog zu den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen (etwa die Prinzipdarstellung der Fig. 4 im Vergleich zur Fig. 3) erfolgt im umbestromten Zustand der Spule (Fig. 14) der Permanentmagnetfluss durch den der Spule 16 zugeordneten Jochabschnitt 18, während im bestromten Zustand der Spule (Fig. 15) das Spulenmagnetfeld eine Flussverlagerung bzw. Verdrängung vom Permanent- und Spulenmagnetfeld durch den Arbeitsluftspalt hindurch bewirkt. Zur Verdeutlichung der prinzipiellen Gemeinsamkeiten wurden in die Fig. 14 und 15 zu dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen äquivalente Bezugszeichen eingetragen.
Die Ausführungsbeispiele der Fig. 16 bis 23 verdeutlichen, wie durch eine Anordnung von jeweiligen Dauermagneten (in Mehrzahl) mit geeignet, z.B. paarweise, zugeordneten Spuleneinheiten (samt jeweils einem einer Spule zugehörigen Jochabschnitt zum Kurzschließen des zugehörigen Permanent- magnetflussen im unbestromten Zustand der jeweiligen Spule), zahlreiche Kon- figurations- und Adaptionsmöglichkeiten an einem jeweiligen Ausführungsfall bestehen und für eine Querkraftminimierung in praktisch allen Spulen sorgen: So verdeutlichen etwa die schematische Draufsicht auf eine Anordnung gemäß Fig. 16, Fig. 17 (bei welcher beidseits einer zentralen Ankereinheit 60 jeweils ein Spulen-Permanentmagnetpaar bestehend aus einem Permanentmagnetstab 62 bzw. 64 sowie einer zugehörigen Spuleneinheit 66 bzw. 68, jeweils wiederum bestehend aus einem Jochabschnitt und zugehöriger Wicklung, wie in der in Fig. 16 gezeigten unbestromten Form jeglichen Permanentmagnetein- fluss, durch Kurzschluss über einen jeweiliger Spulen-Jochabschnitt, vom Anker ferngehalten wird, während in der in der Fig. 17 gezeigten Bestromungssituati- on der beiden Spuleneinheiten 66 bzw. 68 die vorstehend beschriebene Verlagerung der Permanentmagnetflüsse der Permanentmagneteinheiten 64 bzw. 62 auf die Ankereinheit (bzw. den axial dazu ausgerichteten Luftspalt, in den Fig. nicht gezeigt), erfolgt.
Weitere Varianten, analog zu dieser Vorgehensweise, ergeben sich aus den Paarkonfigurationen der Fig. 18 (unbestromt) bzw. 21 (analoge Topologie, jedoch bestromt), weiter variiert in Form der Topologien der nur unbestromt gezeigten Fig. 19 bzw. 20. Dabei symbolisieren die schwarzen, ausgefüllten Kreise bzw. Quadrate jeweilige Permanentmagneten 70, welche, analog der Darstellung der Fig. 16, 17, sich axial in einer Richtung senkrecht zur Figurenebene erstrecken, während die weiß ausgefüllten Kreise 72 jeweils einen sich dazu parallel erstreckenden Jochabschnitt samt diesen umgebender Spulenwicklung symbolisieren, unter Andeutung der jeweiligen Permanentmagnetflüsse und, im Fall der Fig. 21 , im bestromten Zustand.
Dabei ist die vorliegende Erfindung weder auf die gezeigten Ordnungen, noch Anzahlen (2 oder 3) von Permanentmagnet- und Spulenpaaren beschränkt; vielmehr lässt sich diese Systematik beliebig anpassen und duplizieren bzw. multiplizieren, wobei insbesondere auch die Anzahl jeweiliger Spuleneinheiten (mit zugehörigem Jochabschnitt) nicht mit der Anzahl der Dauermagnete übereinstimmen muss, wie etwa die Varianten der Fig. 22 und 23 verdeutlichen. Allerdings ist es im Rahmen bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung günstig, wenn die Anordnung der Permanentmagnete und der Spulen relativ zur Ankereinheit symmetrisch ist (weiter bevorzugt radialsymmetrisch), so dass vor dem Hintergrund einer beabsichtigten Querkraftoptimierung hier Vorteile realisiert werden können.
Bei der Ausführungsform der Fig. 22 ist es diesbezüglich sinnvoll, wenn alle drei Magnetquellen (d.h. das Paar der Permanentmagneten 70 sowie die Spuleneinheit 72) bei der gezeigten Anordnung eine gleiche Magnetfeldstärke liefern, um keine Querkräfte auf die Ankereinheit wirken zu lassen. Bei der Anordnung der Fig. 23, bei welcher das Paar der Permanentmagneten einander gegenüberliegend bezogen auf die mittige Ankerachse angeordnet ist, muss durch die Bestromung der Spule 72 lediglich der Permanentmagnetfluss aus dem zuge- hörigen Spulen-Jochabschnitt verdrängt werden, um in der vorliegenden erfindungsgemäßen Weise eine Axialkraft durch die Permanentmagnete zu erzeugen. Wiederum ist vorteilhaft die Querkraft durch die symmetrische Anordnung minimiert.
Anhand der Fig. 24 bis 31 wird nachfolgend ein weiterer Erfindungsaspekt mit Ausführungsbeispielen beschrieben; hier wird, alternativ zum vorbeschriebenen ersten Erfindungsaspekt, der Anker-Luftspalt-Statorzweig selbst mit einer Spule ummantelt, wobei dieser Erfindungsaspekt, im Zusammenwirken mit einer lateral ausgelagerten Permanentmagneteinheit, in vorteilhafter Weise den Spulenwirkungsgrad erhöht.
Das entsprechende Prinzip samt Magnetflussverlauf zeigt die Gegenüberstellung der Fig. 24 bzw. 25: Wiederum beidseits und beidends verbunden durch flussleitende Abschnitte 22 bzw. 24 ist endseitig eine langgestreckte, axial mag- netisierte Permanentmagneteinheit 20 vorgesehen, anderenends sowie unmittelbar der Spule benachbart jeweils ein Jochabschnitt 80 bzw. 82. Zwischen den Jochabschnitten 80 bzw. 82 (welche in der nachfolgend zu beschreibenden Weise durch ein geeignetes Gehäuse der elektromagnetischen Stellvorrichtung realisiert werden) ist, von einer Wicklung 16 ummantelt, eine Kombination bestehend aus Ankereinheit 10, als Stator wirkendem Jochabschnitt 12 sowie dazwischen vorgesehenem Luftspalt 14 vorgesehen.
Im umbestromten Zustand der Spuleneinheit 16 gemäß Fig. 24 verläuft dabei ein Permanentmagnetfluss 84 entsprechend den gezeigten Pfeilen, nämlich im Schwerpunkt durch den proximalen Jochabschnitt 82 und, mit einer reduzierten Flusskomponente (da weiter entfernt und insoweit mit etwas höherem magnetischem Widerstand) durch den distalen Jochabschnitt 80.
Die Bestromung der Spuleneinheit 16, wie in Fig. 25 schematisch gezeigt, führt dann zu einem resultierenden Flussverlauf dergestalt, dass, überlagert mit dem nunmehr in den Ankerzweig sowie über den Luftspalt 14 verdrängten Permanentmagnetfluss 84, zusätzlich ein Spulenmagnetfluss 86 addierend und über- lagert verläuft, so dass im Sinne der vorliegenden Erfindung hier in optimierter Weise ein Krafteintrag auf die Ankereinheit 10 erfolgt.
Die Fig. 26 bis 31 verdeutlichen Realisierungsmöglichkeiten dieses Prinzips in der praktischen Umsetzung, wobei die Fig. 26 ein erstes konstruktives Ausführungsbeispiel im axial teilweise aufgeschnittenen Zustand zeigt, Fig. 27 den Permanentmagnetfluss in dieser Anordnung und Fig. 28 einen resultierenden magnetischen Flussverlauf bei zusätzlicher Bestromung der Spuleneinheit bei der konstruktiven Realisierung gemäß Fig. 26: In diesem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse bügelartig realisiert, dergestalt, dass ein außenliegender Permanentmagnet 20 (eines beidseitig angreifenden Paares 20, 21 ) über die Fluss- leitabschnitte 22, 24 angebunden ist an die Jochabschnitte 80 bzw. 82, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel über Abschnitte des Gehäuses realisiert sind. Zur weiteren Illustration entsprechen die in den Fig. 26 bis 31 gewählten Bezugszeichen denen der Fig. 24 bzw. 25. Es zeigt sich, dass bei Bestromung der Spuleneinheit (Fig. 28) der Permanentmagnetfluss 84 (im Vergleich zur Fig. 27, bei welcher im unbestromten Zustand lediglich ein permanentmagnetischer Kurzschluss über die Gehäusewand 82 statt findet), verdrängt wird in die bewegungswirksame Abfolge von Ankereinheit 10, Luftspalt 14 und Stator- Jochabschnitt 12.
Als Variante zur Ausführungsform der Fig. 26 bis 28 zeigt das Ausführungsbeispiel der Fig. 29 bis 31 , wie der Permanentmagnet 20, anstatt von außen über eine Bügelanordnung auf das zylindrische Aktuatorgehäuse aufgesetzt zu sein, in einen Längsschlitz 90 dieses Gehäuses eingebracht ist, wobei dann, zur Realisierung der permanentmagnetischen Kurzschlussfunktion im nicht- bestromten Zustand (Fig. 30), der Permanentmagnetfluss über dem Schlitz benachbarte Gehäuseabschnitte verläuft, während im Bestromungszustand der Spuleneinheit und gemäß Darstellung in Fig. 31 , auch hier wiederum dann die Flussverdrängung und Überlagerung mit dem Spulenmagnetfluss erfolgt.
All diese Ausführungsbeispiele weisen den Vorteil (gegenüber dem vorbeschriebenen Erfindungsaspekt) auf, dass die Spule über ihren gesamten Um- fang von einem magnetisch leitenden Gehäuse ummantelt ist, was entsprechend unerwünschte Streufelder verringert. Durch die gezeigten Varianten der Integration des Permanentmagneten in das Gehäuse, entweder im Rahmen einer von außen aufgesetzten Anordnung gemäß Fig. 26, alternativ einer mittels Schlitz in das Gehäuse eingesetzten Variante, lässt sich gleichwohl der Vorteil des geschlossenen Gehäuses erhalten. Dabei ist es sinnvoll, durch den Elektromagneten (Spuleneinheit mit Jochabschnitt) eine hohe Magnetflussdichte im Gehäuse zu erzeugen, so dass sich das elektromagnetische Feld nicht nur lokal auf einer Gehäuseseite ausbreitet (und dann der Permanentmagnetfluss an einer Gehäuseseite erhalten bliebe). Auch bietet der beschriebene zweite Erfindungsaspekt den Vorteil, dass sich das Gehäuse (bzw. etwaige von außen ansitzende, flussleitende Bügel) vergleichsweise dünn realisieren lassen; allein durch das Verdrängen des Permanentmagnetfeldes entsteht bereits ein relativ hoher Magnetfluss über dem Arbeitsluftspalt, so dass der Gesamt-Magnetfluss in großen Teilen des Gehäuses gering sein kann und entsprechend nur geringe magnetisch wirksame Flussquerschnitte ermöglicht.
Während sich zudem dieses erfinderische Prinzip mit lediglich einem Permanentmagnetelement realisieren lässt (wie etwa im Ausführungsbeispiel der Fig. 29), ist es etwa, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 26 mit dem beidseits ansitzenden Permanentmagneten, möglich, mehrere Magneten geeignet vorzusehen und so wiederum auf die Anordnung an jeweils vorgesehene Anwendungsbedingungen anpassen zu können.

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit
einer einen ersten Jochabschnitt (18) einer stationären Jocheinheit umschließenden und durch Bestromung aktivierbaren Spuleneinheit (16) und relativ zur Jocheinheit bewegbar geführten, mit einem abtriebsseiti- gen Stellpartner zusammenwirkenden und zum Ausführen einer Stellbewegung antreibbaren Ankermitteln (10), die mit mindestens einem zweiten Jochabschnitt (12) der Jocheinheit unter Ausbildung eines außerhalb des ersten Jochabschnitts liegenden Luftspalts (14) für einen durch die aktivierte Spuleneinheit erzeugten Magnetfluss zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass
Permanentmagnetmittel (20) so magnetisch parallel zu der Spuleneinheit geschaltet sind, dass ein Permanentmagnetfluss (28, 34) der Permanentmagnetmittel durch den ersten Jochabschnitt erfolgen kann, ein über den Luftspalt fließender Spulenmagnetfluss (30) der Spuleneinheit magnetisch parallel und/oder gleichgerichtet überlagert mit einem über den Luftspalt fließenden Permanentmagnetfluss (28) der Permanentmagnetmittel ist,
und eine Aktivierung der Spuleneinheit durch Bestromung eine zumindest teilweise Magnetflussverschiebung, insbesondere Magnetflussverdrängung, des Permanentmagnetflusses der Permanentmagnetmittel aus dem ersten Jochabschnitt in den zweiten Jochabschnitt bewirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung der Spuleneinheit zum Bewirken der Magnetflussverschiebung dauerhaft oder impulsförmig eingerichtet ist und bei der impulsförmigen Aktivierung eine stromlos mono- oder bistabile Positionierung der Ankermittel in jeweiligen Endpositionen bewirkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Jochabschnitt für eine zugehörige mindestens eine Ankereinheit der Ankermittel einem Außenmantel der Spuleneinheit benachbart vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Erstreckungsrichtung des zumindest abschnittsweise langgestreckt ausgebildeten ersten Jochabschnitts parallel zu einer linearen Bewegungsrichtung mindestens einer Ankereinheit der Ankermittel und/oder parallel zu einer Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnetmittel ausgerichtet ist,
oder die Bewegungsrichtung und/oder die Magnetisierungsrichtung bezogen auf die axiale Erstreckungsrichtung um einen Winkel von nicht mehr als 10°, bevorzugt von nicht mehr als 5°, verkippt oder geneigt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einem Außenmantel der Spuleneinheit benachbart mindestens zwei (48, 50) der zweiten Jochabschnitte zum Zusammenwirken mit zwei Ankereinheiten (40, 42) der Ankermittel so vorgesehen sind, dass die Ankereinheiten, bezogen auf eine axiale Erstreckungsrichtung des ersten Jochabschnitts, einseitig, beidseitig und/oder um einen Umfang der Spuleneinheit bevorzugt gleichmäßig herum verteilt angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel eine Mehrzahl von magnetisch zueinander parallel geschalteten und/oder gepolten Permanentmagneteinheiten (20, 21 ) aufweisen, welche bevorzugt sich entlang einer Perma- nentmagnetisierungsrichtung langgestreckt erstreckend ausgebildet und weiter bevorzugt unter magnetischer Zwischenschaltung des ersten Jochabschnitts und/oder des mindestens einen zweiten Jochabschnitts voneinander beabstandet angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Jochabschnitt, der mindestens eine zweite Jochabschnitt und die mindestens eine Permanentmagneteinheit aufweisenden Per- manentmagnetmittel jeweils beidends durch Flussleitelemente (22, 24) und/oder Flussleitabschnitte der Jocheinheit als magnetische Parallelschaltung und/oder flussleitende Anordnung mit mindestens zwei Fluss- leitkreisen miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitelemente und/oder Flussleitabschnitte sich rechtwinklig zu einer linearen Bewegungsrichtung der mindestens einen Ankereinheit und/oder zu einer Magnetisierungsrichtung der mindestens einen Permanentmagneteinheit und/oder zu einer Längsrichtung des ersten Jochabschnitts erstreckend ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 , 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel (62, 64, 70), bezogen auf den zweiten Jochabschnitt, der Spuleneinheit gegenüberliegend so angeordnet sind, dass eine auf die Ankereinheit durch die aktivierte Spuleneinheit in einer zur Bewegungslängsachse der Ankereinheit geneigte Kraft, insbesondere Querkraft oder Querkraftkomponente, kompensiert oder verringert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Permanentmagneteinheiten (62, 64, 70) der Permanentmagnetmittel, insbesondere in Form von voneinander beabstandet und entlang einer jeweiligen Magnetisierungsrichtung zueinander parallel angeordneten Einzelmagneten, abschnittsweise um- fangsseitig und/oder bogenartig um die Ankermittel herum vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Permanentmagneteinheiten (62, 64, 70) mit einer oder einer Mehrzahl von Einzelspule/n (66, 68, 70) der Spuleneinheit, insbesondere paarweise, mit der Spuleneinheit zusammenwirkend um die Ankermittel herum angeordnet ist.
12. Elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit
einer einen ersten Jochabschnitt (12) einer stationären Jocheinheit umschließenden und durch Bestromung aktivierbaren Spuleneinheit (16) und relativ zur Jocheinheit bewegbar geführten, mit einem abtriebsseiti- gen Stellpartner zusammenwirkenden, zum Ausführen einer Stellbewegung antreibbaren und von der Spuleneinheit zumindest teilweise umschlossenen Ankermitteln (10), die mit dem ersten Jochabschnitt der Jocheinheit unter Ausbildung eines Luftspalts (14) für einen durch die aktivierte Spuleneinheit erzeugten Magnetfluss zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass
der Spuleneinheit ein flussleitender Abschnitt (80, 82) der Jocheinheit außerhalb der ersten Jochabschnitts zum Ausbilden mindestens eines luftspaltfreien magnetischen Flusszweiges zugeordnet ist,
Permanentmagnetmittel (20) so magnetisch parallel zu der Spuleneinheit geschaltet sind, dass in einem unbestromten Zustand der Spuleneinheit ein Permanentmagnetfluss der Permanentmagnetmittel über den flussleitenden Abschnitt, insbesondere in der Art eines magnetischen Kurzschlusses, geführt wird,
und eine Aktivierung der Spuleneinheit durch die Bestromung eine zumindest teilweise Magnetflussverschiebung, insbesondere Magnetflussverdrängung, des Permanentmagnetflusses aus dem flussleitenden Abschnitt der Jocheinheit in den ersten Jochabschnitt sowie über den Luftspalt bewirkt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der flussleitende Abschnitt (80, 82) zwei zueinander magnetisch parallel verlaufende Flussleitzweige ausbildet, die jeweils der Spulenvorrichtung man- telseitig benachbart vorgesehen sind, insbesondere einander, bezogen auf die Spulenvorrichtung, gegenüberstehend angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der flussleitende Abschnitt als Abschnitt einer flussleitenden Gehäuse- schale der Aktuatorvorrichtung ausgebildet ist, die die Spuleneinheit mantelseitig umschließt, wobei die Permanentmagnetmittel an und/oder in der Gehäuseschale vorgesehen und bevorzugt so ausgerichtet sind, dass eine Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnetmittel parallel zu einer Bewegungsrichtung der Ankermittel verläuft.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel zum Zusammenwirken mit dem flussleitenden Abschnitt über flussleitende Verbindungsmittel außen auf der Gehäuseschale aufsitzen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel zum Zusammenwirken mit dem flussleitenden Abschnitt in einer/m insbesondere langgestreckten und/oder schlitzförmigen Ausnehmung (90) und/oder Durchbruch in der Gehäuseschale aufgenommen sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel eine Mehrzahl (20, 21 ) von bevorzugt entlang ihrer Magnetisierungsrichtung zueinander parallel ausgerichteten Permanentmagneteinheiten aufweist, die weiter bevorzugt voneinander beabstandet und jeweiligen Flussleitzweigen zugeordnet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass den ersten Jochabschnitt und die Permanentmagnetmittel jeweils beidends verbindende flussleitende Abschnitte (22, 24) der Jocheinheit flach ausgebildet sind oder eine Flachseite aufweisen und bevorzugt mittels einer Anordnung, insbesondere Schichtung, aus Blechen realisiert sind.
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