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Dokumentenidentifikation DE10207828B4 07.10.2004
Titel Elektromagnetischer Hubmagnet
Anmelder Technische Universität Dresden, 01069 Dresden, DE
Erfinder Fechti, Jürgen, Dipl.-Ing., 37079 Göttingen, DE;
Roschke, Thomas, Dr.-Ing., 01477 Arnsdorf, DE
Vertreter Ilberg, Roland, Dipl.-Ing.; Weißfloh, Ingo, Dipl.-Ing. (FH) Patentanwälte, 01328 Dresden
DE-Anmeldedatum 25.02.2002
DE-Aktenzeichen 10207828
Offenlegungstag 11.09.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.10.2004
IPC-Hauptklasse H01F 7/122

Beschreibung[de]
Elektromagnetischer Hubmagnet

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Hubmagnet, bestehend aus mindestens einem, einen Stator und eine Erregerwicklung aufweisenden Magnetsystem zum Erzeugen eines elektromagnetischen Flusses und einem dem Magnetsystem gegenüberliegenden Anker, welcher auf ein Übertragungselement arbeitet und eine senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung polarisierte Dauermagnetanordnung für ein dauerhaftes Halten des Ankers ohne Bestromung der Erregerwicklung in mindestens einer seiner Endlagen trägt.

Ein Hubmagnet zeichnet sich durch große Haltekräfte in den stabilen Endlagen und durch große Umschaltkräfte zu Beginn des Umschaltvorganges bei minimaler Masse bzw. minimalem Volumen des Hubmagneten aus, sowie durch ein dauerhaftes, stromloses Halten des Ankers in mindestens einer von beiden Endlagen lediglich mit Hilfe eines oder mehrerer Dauermagnete, ohne das Einwirken einer Feder. Der Hubmagnet kann beispielsweise als Stell- oder Schaltmagnet eingesetzt werden.

Ein aus der DE 197 12 293 A1 bekannter elektromagnetischer Hubmagnet mit zwei zueinander beabstandeten und jeweils eine Erregerspule aufweisenden Elektromagnetsystemen, zwischen denen ein mit einem Stellschaft fest verbundener und durch die Magnetsysteme in zwei Schaltpositionen bewegbarer Anker angeordnet ist, nimmt im stromlosen Zustand eine stabile Position ein. Dazu sind u.a. zwei Federn, ein Magnetsystem mit einem in Bewegungsrichtung polarisierten Dauermagnet und ein Magnetsystem ohne Dauermagnet sowie zwei auf Wickelkörper gewickelte Spulen zum Schalten des Hubmagneten notwendig.

Mit dieser Anordnung können im stromlosen Zustand keine zwei stabilen Zustände eingenommen werden. Die eine stromlose stabile Position des Ankers wird durch einen im Stator befindlichen Dauermagneten und den beiden Federn sichergestellt. Die andere Position kann nur im bestromten Zustand der Spulen eingenommen werden. Bei Wegfallen des Haltestromes fällt der Anker mit Hilfe der zwei Federn automatisch wieder in seine Ausgangslage zurück. Ein dauerhaftes Halten des Ankers in der unstabilen Position verbraucht elektrische Energie. Die beiden Magnetsysteme sind nicht baugleich. Die zwei Federn, die auf Spulenträgern gewickelten Spulen und das Herausstehen des Stellelementes in Ruhelage auf der Seite des Dauermagneten hat sowohl ein größeres Bauvolumen und auch entsprechendes Gewicht zur Folge.

Des weiteren ist ein elektromagnetischer Hubmagnet von geringer Masse und Volumen bekannt, welcher in der Raumfahrt zum Einsatz kommt. Mit diesem Hubmagneten ist nur ein einziges Mal ein Schalten möglich, da der Anker durch eine mechanische Verriegelung, die auf dem Wege der Fernschaltung bedient und ohne menschlichen Eingriff nicht mehr aufgehoben werden kann, in seiner Position verharrt. Ein wiederholtes Schalten ist damit ausgeschlossen. Dieser Hubmagnet benötigt nur kurzzeitig einen hohen Stromimpuls zum einmaligen Schalten des Hubmagneten (N. Wavre „Design and performances of electromagnetic initiators for space mechanism – an alternative to pyrotechnic system." Proc. Fifth European Space Mechanism and Tribology Symposium, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 28–30 October 1992 (zgl. Esa SP -334, April 1993).

Ein gattungsgemäßer Hubmagnet ist in DE 195 09 195 A1 beschrieben. Der Hubmagnet ist dort Teil eines Gleichstromschützes, das ein magnetisches Polster zur Erzeugung von Abstoßungskräften und zur reibungslosen Lagerung des Magnetankers aufbaut. Hierfür sind zwei zusätzliche Permanentmagnetringe vorgesehen, von denen einer am Anker befestigt ist und einer gehäusefest. Die beiden Magnetringe sind so polarisiert und zueinander angeordnet, dass sie sich in beiden stromlosen Endlagen des Ankers abstoßen. Offensichtlich erzeugen die Kräfte durch diese magnetische Lagerung in der Führung des Ankers im Spulenkörper große Reibkräfte, die eine enge Tolerierung erfordern und kritisch für die Lebensdauer des Schützes sind. Außerdem erscheinen die Abfallspannung und die Vibrations- und Stosssicherheit als kritisch. Nicht zuletzt verteuern zwei Permanentmagnetringe das Schütz.

Aus DE 100 38 575 A1 ist eine elektromagnetische Stelleinrichtung für den Einsatz in Gaswechselventilen von Verbrennungsmotoren mit einem Anker bekannt, der zylindrische Polflächen aufweist, die von einem gehäusefesten Magnetkern mit einer oder zwei Spulen umschlossen ist. Der Anker kann rein weichmagnetisch sein oder Permanentmagnete enthalten. Der Hauptvorteil besteht darin, dass keine mechanische Überbestimmtheit im Zusammenspiel von Ventilanschlag am Ventilsitz und Ankeranschlag am Stator des Magneten auftreten kann, da der Arbeitsluftspalt radial angeordnet ist und der gehäusefeste Teil des Magneten hinter diesem Luftspalt in radialer Richtung liegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Hubmagnet so weiterzubilden, dass er kostengünstiger und funktionssicherer wird. Für den Schaltvorgang soll ein kurzer Stromimpuls und somit insgesamt ein geringer Energieverbrauch erforderlich sein. Der Hubmagnet soll bei verringertem Fertigungs- und Montageaufwand in Volumen und Masse minimiert und die magnetisch erzeugten Kräfte dabei maximiert werden. Der Hubmagnet soll weiterhin im stromlosen Zustand mindestens einen stabilen Zustand einnehmen und beliebig oft betätigbar sein. Es sollen sich Schaltzeiten kleiner als 10 ms erzielen lassen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung geben die abhängigen Ansprüche 2 bis 18 an.

Erfindungsgemäß besteht der elektromagnetische Hubmagnet aus mindestens einem, einen Stator und eine Erregerwicklung aufweisenden Magnetsystem zum Erzeugen eines elektromagnetischen Flusses und einem dem Magnetsystem gegenüberliegenden Anker, welcher auf ein Übertragungselement arbeitet und eine senkrecht („quer") zu seiner Bewegungsrichtung polarisierte Dauermagnetanordnung für ein dauerhaftes Halten des Ankers ohne Bestromung der Erregerwicklung in mindestens einer seiner Endlagen trägt, wobei sich der dauermagnetische Haltefluss über den Stator des Magnetsystems schließt. Die Dauermagnetanordnung ist bevorzugt zwecks Bündelung des magnetischen Flusses von Weicheisenelementen umgeben. Die magnetische Energie und Anordnung des Dauermagneten sorgt im Unterschied zu bekannten Hubmagneten mit vergleichbarer Masse für sehr große Haltekräfte.

Die aufgezeigte Lösung zeichnet sich durch ein besonders schnelles Umschalten (typisch < 10 ms) und durch eine einfache Bauweise aus. Zum Schalten ist nur ein kurzer Stromimpuls notwendig, so dass der Energieverbrauch dadurch äußerst gering ist. Da der Anker ein sehr kleines Trägheitsmoment aufweist und die verwendete Dauermagnetanordnung eine hohe Energiedichte besitzt, ist ein sehr schnelles Schalten des Hubmagneten möglich. Das erfindungsgemäße Einbringen mindestens eines Dauermagneten senkrecht zur Bewegungsrichtung in den Anker erlaubt es, zwei gegenüberliegende Magnetsysteme baugleich auszuführen. Es kann somit auf Dauermagnete in den Statoren oder auf eine zweite gehäusefeste Dauermagnetanordnung verzichtet werden. Mit Hilfe eines Stromimpulses von geeigneter Polarität und Größe wird der magnetische Fluss in der Dauermagnetanordnung kompensiert. Das Streufeld um den Anker vergrößert sich, so dass bei einem zweiten Magnetsystem bereits eine Kraftwirkung in Richtung der anderen Endlage erzeugt wird.

Schaltet man mit einem Stromimpuls gleichzeitig zwei Spulen, wobei die erste den magnetischen Fluss des Dauermagneten in der Haltelage kompensiert und die zweite den Magnetfluss des Dauermagneten in Richtung der anderen Endlage verstärkt, wird eine große Umschaltkraft erzeugt. Durch mindestens einen Dauermagneten im Anker wird ein stromloses Halten in der jeweiligen Endlage erreicht.

Die Haltekräfte des Hubmagneten lassen sich beträchtlich steigern, wenn Anker und Stator bzw. die beiden baugleichen Statoren beim Einsatz von zwei Magnetsystemen magnetisch voneinander getrennt ausgeführt sind. Das bedeutet für eine vorteilhafte Ausführung, dass das Stellelement bzw. die Stellstange und die Hülse nichtmagnetisch sind. Dadurch werden die stets vorhandenen magnetischen Streuflüsse minimiert und es fließt ein Großteil des von der Dauermagnetanordnung erzeugten magnetischen Flusses in das Magnetsystem, an dem der Anker anliegt.

Der magnetische Fluss des Dauermagneten wird konzentriert, indem in Magnetisierungsrichtung des Dauermagneten mindestens ein weichmagnetisches Teil angebracht wird. Da die Permeabilität des Dauermagneten nur geringfügig größer als die von Vakuum oder Luft, die Permeabilität von weichmagnetischen Material aber um ein Vielfaches größer und somit der magnetische Widerstand bedeutend geringer ist, verläuft der magnetische Fluss des Dauermagneten zum großen Teil durch dieses Material. So kann nach Belieben der magnetische Fluss gebündelt und in die gewünschte Richtung gelenkt werden, damit die beabsichtigte Wirkung erzielt wird.

Die Spulen werden körperlos gewickelt, wobei die Erregerwicklungen bei der Verwendung von Kupferlackdraht durch Klebstoff oder bei fachgerechter Verwendung von Backlackdraht durch Erhitzen mechanisch miteinander verbunden sind. Da zwischen Spule und Stator nur noch ein geringer Spalt ist, wird der in den Spulen erzeugte magnetische Fluss nahezu vollständig in das Magnetsystem eingeleitet. Das führt zur Verringerung von Masse und Volumen bei vergleichbaren Kräften gegenüber anderen Hubmagneten. Eine weitere Einsparung erreicht man, indem beim Umschalten die maximale Stromdichte in der Spule die üblichen Werte um ein Vielfaches überschreiten. Der Umschaltimpuls ist nur von kurzer Dauer und die maximale Schaltfrequenz wird begrenzt, so dass die Spule nicht thermisch überlastet wird. Auf diese Weise verkleinert sich das Volumen der erforderlichen Wicklungen erheblich und der Energieverbrauch wird auf ein Minimum reduziert.

Bei der Auslegung der Spulen und der Ansteuerelektronik ist sicherzustellen, dass die elektrisch erzeugten Feldstärken keine partielle Entmagnetisierung des im Anker angeordneten Dauermagneten verursachen.

Vorzugsweise wird als Material für den Dauermagneten hochkoerzitives Magnetmaterial wie z.B. Neodym-Eisen-Bor-Legierungen (Nd2Fe14B) verwendet, so dass auch hier eine Volumen- und Gewichtsersparnis gegenüber anderen Magnetmaterialien möglich ist.

Der Verzicht auf Federn erlaubt es, den gesamten Hubmagneten kleiner zu bauen, da dieses Volumen für die magnetischen Systeme genutzt werden kann. Darüber hinaus können die Gleitlager näher an der Ankerscheibe platziert werden, so dass ein Ende des Stellelements vollständig im Hubmagneten verbleibt. Es muss deshalb außerhalb des Hubmagneten kein weiterer Freiraum vorhanden sein.

Eine Kalibrierung der Haltekräfte und eine Reduzierung des Aufprallimpulses erfolgt mit mindestens einem nichtmagnetischen Dämpfungselement, welches an einer Stirnseite der Ankerscheibe angebracht ist. Diese Maßnahme verringert die Temperaturabhängigkeit der Kräfte des Hubmagneten, weil der magnetische Widerstand des Restluftspaltes zwischen Stator und Ankerscheibe dominiert und die temperaturbedingten Änderungen durch die weichmagnetischen Komponenten und insbesondere durch den Dauermagnet relativ dazu gering sind.

Eine weitere Vereinfachung des Hubmagneten wird durch den Einsatz von Klebverbindungen erreicht, wie z.B. das Einkleben der Spulen direkt in die Magnetgrundkörper, das Verkleben der Weicheisenteile des Ankers mit dem Dauermagnet und der Stellstange mit der Ankerscheibe sowie der Hülse mit den Statoren. Durch das Kleben entfallen aufwendige mechanische form- und kraftschlüssige Verbindungen, die zur Miniaturisierung des Hubmagneten beitragen.

Die gezielte Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie des Hubmagneten wird durch bekannte Methoden zur Kennlinienbeeinflussung erreicht.

Bei einer scheiben- bzw. ringförmigen Ausführung des Ankers entsteht, bedingt durch die großen Fertigungstoleranzen von Dauermagneten, ein Spalt zwischen Dauermagnet und Weicheisenring. Dieser Spalt erhöht die Verluste im Magnetkreis. Wenn eine individuelle Fertigung der Weicheisenringe passend zum jeweiligen Dauermagneten vermieden werden soll, kann der weichmagnetische Ring offen als Federring hergestellt werden, so dass dieser durch die Federkraft fest am Dauermagneten anliegt und der Spalt somit minimal ist.

Die bei Dauermagneten auftretende Fertigungstoleranz des Maßes parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers wird kompensiert, indem die den Dauermagneten in Magnetisierungsrichtung umgebenden Weicheisenteile in Bewegungsrichtung dem Dauermagneten vorstehen.

Das Führen des Ankers durch ein Stellelement erfolgt z.B. durch eine konzentrisch in beiden Statoren gelagerte Stange. Auf eine der Führungsstellen kann verzichtet werden, wenn die Führung so dimensioniert ist, dass die Stellstange nicht verklemmt. Dadurch wird eine Lagerstelle eingespart und der Montageaufwand verringert.

Der erfindungsgemäße Hubmagnet lässt sich vorteilhaft so weiterbilden, dass dieser in Volumen und Masse weiter verringert wird. Hierzu ist nur ein Magnetsystem und ein Anker mit einem Stellelement notwendig. Es kommt eine Feder hinzu, deren Kräfte Anker und Magnetsystem auseinander drücken. Die Haftkraft des Ankers ist jedoch größer als die Rückstellkraft der Feder, so dass der Anker am Magnetsystem anliegt. Durch einen geeigneten Umschaltimpuls drückt die Feder den Anker in die andere Endlage. Erfolgt nun ein entsprechender Umschaltimpuls entgegengesetzter Polarität und ausreichender Dauer, wird der Anker in die Ausgangsstellung zurückgeschaltet. Selbstverständlich kann die Federkraft auch von außen eingetragen werden, beispielsweise vom zu stellenden Aggregat.

Aus einem bistabilen Hubmagneten lässt sich auf einfache Weise ein monostabiler Hubmagnet bilden, indem die Feder bei angezogenem Anker die Haltekräfte des Dauermagneten ohne Unterstützung eines Umschaltimpulses überwindet. Der Umschaltimpuls ist dabei immer von gleicher Polarität. Die Dauer des Umschaltimpulses legt fest, wie lange der Anker in der unstabilen Position verharrt.

Ein Hubmagnet nach der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

Es zeigen:

1 einen Hubmagnet in einer stabilen Endlage „a" im Längsschnitt,

2 eine Feldliniendarstellung des Hubmagneten nach 1 bei ausgeschalteten Spulen 22, 32 in Endlage „a" mit resultierender Kraftwirkung F in Richtung der Endlage „a",

3 eine Feldliniendarstellung des Hubmagneten nach 1 bei eingeschalteter Spule 22 und ausgeschalteter Spule 32 in Endlage „a" mit resultierender Kraftwirkung F in Richtung der Endlage „b",

4 eine Feldliniendarstellung des Hubmagneten nach 1 bei eingeschalteten Spulen 22, 32 in Endlage „a" mit verstärkter resultierender Kraftwirkung F in Richtung der Endlage „b",

5 eine Feldliniendarstellung des Hubmagneten nach 1 bei eingeschalteten Spulen 22, 32 in Endlage „b" mit verstärkter resultierender Kraftwirkung F in Richtung der Endlage „a",

6 ein schematisches Schaltbild der Ansteuerschaltung des Hubmagneten nach 1,

7 eine Weiterbildung des Hubmagneten nach 1 mit einem Magnetsystem und

8 eine Weiterbildung des Hubmagneten nach 1 mit einem Gleitlager.

Der in 1 im Querschnitt dargestellte Hubmagnet besitzt eine nichtmagnetischen Gehäusehülse 1 und die Magnetsysteme 2 und 3, in welchen ein Anker 4 über ein Übertragungselement 41, im weiteren als Stellstange 41 bezeichnet, gelagert ist. Die Magnetsysteme 2 und 3 sind im Aufbau identisch.

Das Magnetsystem 2 besteht aus einer körperlos gewickelten Spule 22, einem den magnetischen Fluss leitenden Stator 21 und einem Gleitlager 23, in welchem die Stellstange 41 und damit indirekt der Anker 4 gelagert ist. Das Magnetsystem 3 besteht aus einer körperlos gewickelten Spule 32, einem den magnetischen Fluss leitenden Stator 31 und einem Gleitlager 33, in welchem die Stellstange 41 auf der anderen Seite gelagert ist. Die Stellstange 41 ist unmagnetisch und in den Gleitlagern 23, 33 gelagert. Der ringförmige Anker 4 besitzt eine Dauermagnetanordnung 44, welche vorzugsweise als radial magnetisierter Ringmagnet aus NbFeB ausgeführt ist, zwei den magnetischen Fluss leitenden Ringe 42, 43 und zwei nichtmagnetischen Dämpfungselemente 45, 46.

Die Elemente Stator 21 und Spule 22; Stator 31 und Spule 32; Hülse 1, Stator 21 und Stator 31; Stellelement 41 und Ring 42; Ring 42 und Dauermagnetanordnung 44; Dauermagnetanordnung 44 und Ring 43; Dämpfungselement 45, Ring 42, Ring 43 und Dauermagnet 44; sowie Dämpfungselement 46, Ring 42, Ring 43 und Dauermagnetanordnung 44 sind vorzugsweise durch Kleben miteinander verbunden.

Die weichmagnetischen Ringe 42, 43 konzentrieren den magnetischen Fluss. Zwischen den Ringen 42, 43 und der Dauermagnetanordnung 44 besteht ein Spalt, der minimiert wird, indem die Ringe 42, 43 in axialer Richtung geschlitzt und so beschaffen sind, dass die Ringe 42, 43 durch ihre Federwirkung eng an der Dauermagnetanordnung 44 anliegen.

Die Gehäusehülse 1 und das Stellelement 41 sind aus nichtmagnetischem Material, was zu einem großen magnetischen Widerstand führt, und reduzieren somit die Streuflüsse zum offenen Magnetsystem 3.

Wegen des zeitlich begrenzten Stromimpulses werden die Spulen 22, 32 übererregt und müssen nicht für Dauerbetrieb (100% ED) ausgelegt sein. Dadurch ergeben sich deutlich kleinere und leichtere Spulen 22, 32.

Der Hubmagnet muss so dimensioniert sein, dass dieser an die zu bewegende Last angepasst ist. Entsprechend ändern sich Masse, Volumen und die Schaltzeiten des Hubmagneten.

Die Dämpfungselmente 45, 46 dienen dazu, die Haltekraft des Hubmagneten zu verringern und den Aufprallimpuls zu dämpfen.

Für die 2 bis 5 ist der Hubmagnet nur im Halbschnitt dargestellt und es sind nur die Komponenten Stator 21, Spule 22, Stator 31, Spule 32, Ring 42, Ring 43 und Dauermagnetanordnung 44 eingezeichnet, die für den Magnetkreis von Bedeutung sind. Als Grundlage für die Feldlinienbilder dient der Hubmagnet aus 1 mit seinem Anker 4.

Im unbestromten Zustand nach 2 befindet sich der Anker 4 des Hubmagneten in der einen Endlage „a", wie sie zum Beispiel in 1 eingezeichnet ist. Die Dauermagnetanordnung 44 des Ankers 4 erzeugt einen magnetischen Fluss, der zum größten Teil über den Stator 21 zur Dauermagnetanordnung 44 wieder zurück fließt und dadurch den Anker 4 mit einer Kraftwirkung in dieser Endlage festhält. Ein sehr geringer magnetischer Fluss erstreckt sich über den Stator 31.

Ein geeigneter Stromimpuls erzeugt in der Spule 22 einen magnetischen Fluss gleicher Größe, siehe 3, der dem magnetischen Fluss der Dauermagnetanordnung 44 entgegengerichtet ist und diesen sowie die Haltekraft des Ankers 4 fast vollständig kompensiert. Herrührend von der Dauermagnetanordnung 44 wird der magnetische Fluss über den Stator 31 dadurch verstärkt. Gleichzeitig erregt der Stromimpuls auch die Spule 32 derart, siehe

4, dass ein magnetischer Fluss erzeugt wird, der dem magnetischen Fluss der Dauermagnetanordnung 44 gleichgerichtet überlagert ist. Es wird so eine Kraftwirkung F auf den Anker 4 ausgeübt, dass dieser in die zweite Endlage „b" (siehe 1) bewegt wird. Nur durch den magnetischen Fluss des Dauermagneten 44 wird der Anker in der zweiten Endlage „b" festgehalten. Ein Schalten in die erste Endlage „a" erfolgt nach dem eben beschriebenen Prinzip und wird erreicht, indem ein Stromimpuls von umgekehrter Polarität in die Spulen 22 und 32 eingespeist wird (siehe 5).

In 2 ist das magnetische Feld dargestellt, wie es sich bei ausgeschalteten Spulen 22, 32 und in 4 bei eingeschalteten Spulen 22, 32 ergibt, ohne dass der Anker 4 schon in die andere Endlage „b" bewegt ist.

Die Darstellung nach 3 soll lediglich zeigen, dass die Umschaltkraft bei eingeschalteter Spule 22 und ausgeschalteter Spule 32 geringer ist, als wenn beide Spulen 22, 32 eingeschaltet sind. Allerdings reicht selbst in diesem Fall die Kraft zum Umschalten des Magneten aus.

Die Ansteuerschaltung, die in 6 schematisch dargestellt ist, besteht aus einem Energiespeicher 7, der über einen Schalter mit der Schalterstellung S1 niederohmig an die Spannungsquelle U angekoppelt ist. In Reihe zum Energiespeicher 7 sind die Spulen 22, 32 angeordnet, durch die beim Aufladen des Energiespeichers 7 ein Ladestrom bzw. Stromimpuls fließt. Der Stromimpuls löst einen Schaltvorgang aus. Beide Spulen 22, 32 können sowohl in Reihe als auch parallel miteinander verschaltet sein, so dass die gewünschte Kraftwirkung erzeugt wird.

Ein weiterer Schaltvorgang wird ausgelöst, indem der Schalter in die Stellung S2 umgelegt wird. Der Energiespeicher 7 entlädt sich in Form eines Stromimpulses über die Spulen 22, 32. Dabei kehrt sich die Polarität an den Spulen 22, 32 um und der Anker wird in die erste Endlage geschaltet.

Soll die für manche Zwecke unerwünschte hohe Belastung der Spannungsquelle durch den anfänglich sehr hohen Ladestrom des Energiespeichers 7 vermieden werden, kann die Ladung des Energiespeichers 7 getrennt von der eigentlichen Steuerung des Hubmagneten ausgeführt und mit einer Strombegrenzung versehen werden. Der Hubmagnet wird dann in einer üblichen H-Brückenschaltung angeordnet und mit dem Energiespeicher 7 verbunden. Durch eine entsprechende Ansteuerung der H-Brücke kann die Stromrichtung durch den Hubmagnet gewählt werden.

Weitere Ausgestaltungsbeispiele illustriert die 7. Es ist ein Hubmagnet dargestellt, der nur ein Magnetsystem 2 und eine Feder 5 sowie ein Gehäusetopf 6 benötigt. Je nach Dimensionierung der Feder 5 ergibt sich ein mono- oder ein bistabiler Hubmagnet.

Der Anker 4 wird über das Gleitlager 23 im Magnetsystem 2 und über ein Gleitlager 33 im nichtmagnetischen Gehäusetopf 6 geführt. In der in 7 dargestellten Endlage „a" wird der Anker 2 durch die Dauermagnetanordnung 44 gehalten. Ein Schalten ist möglich, indem ein Stromimpuls in die Spule 22 eingeleitet wird, der den magnetischen Fluss der Dauermagnetanordnung 44 kompensiert. Die vorgespannte Feder 5 bewegt den Anker 4 in die zweite Endlage „b". Ist nun die Federkraft größer als die Anzugskraft des Ankers 4 zum Magnetsystem 2 bei unbestromter Spule, verharrt der Anker 4 in der zweiten Endlage „b" Bauerhaft, bis dieser durch einen Stromimpuls von umgekehrter Polarität wieder in die erste Endlage „a" bewegt wird. Der Hubmagnet ist bistabil.

Wenn aber die Federkraft in der Endlage „b" kleiner als die Anzugskraft der Dauermagnetanordnung 44 ist, so fällt der Anker 4 bei unbestromter Spule 22 in die stabile Endlage „a" zurück. Mit Hilfe der Bestromung der Spule 22 kann die Aufenthaltsdauer des Ankers in der Endlage „b" eingestellt werden. Dafür reicht ein geringerer Strom als zur Einleitung des Umschaltprozesses aus, wodurch die thermische Belastung des Hubmagneten gesenkt wird. Es existiert nur die eine stabile Endlage „a" . Die Endlage „b" ist nicht stabil und wird nur bei bestromter Erregerwicklung der Spule 22 eingenommen. Der beschriebene Hubmagnet verhält sich also monostabil, wie übliche elektromagnetische Hubmagnete ohne Permanentmagnete.

In 8 ist eine Weiterbildung des Hubmagneten dargestellt, indem der Anker 4 nur durch ein einziges Gleitlager 34 geführt wird. Dadurch verringert sich der Aufwand und es ergeben sich Vereinfachungen in Fertigung und Montage.


Anspruch[de]
  1. Elektromagnetischer Hubmagnet, bestehend aus mindestens einem, einen Stator (21 oder 31) und eine Erregerwicklung aufweisenden Magnetsystem (2 oder 3) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Flusses und einem dem Magnetsystem (2 oder 3) gegenüberliegenden Anker (4), welcher auf ein Übertragungselement arbeitet und eine senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung polarisierte Dauermagnetanordnung (44) für ein dauerhaftes Halten des Ankers (4) ohne Bestromung der Erregerwicklung in mindestens einer seiner Endlagen trägt, indem sich der dauermagnetische Haltefluss über den Stator (21 oder 31) des Magnetsystems (2 oder 3) schließt.
  2. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei axial zueinander beabstandete und vorzugsweise magnetisch getrennte Magnetsysteme (2, 3), zwischen denen der Anker (4) geführt ist.
  3. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) scheiben- oder ringförmig ist.
  4. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnetanordnung (44) des Ankers (4) in Magnetisierungsrichtung von mindestens einem weichmagnetischen Element n umgeben ist.
  5. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weichmagnetisches Element ein Ring (42, 43) ist und einen Ringspalt aufweist und sich federringartig an eine ringförmige, radial magnetisierte Dauermagnetanordnung (44) anlegt.
  6. Elektromagnetischer Hubmagnet nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen des Ankers (4) an einer oder beiden Seiten mit nichtmagnetischen Dämpfungselementen (45, 46) besetzt sind.
  7. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement eine nichtmagnetische Stellstange (41) ist.
  8. Elektromagnetischer Hubmagnet nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Magnetsysteme (2, 3), der Anker (4) und das Übertragungselement von einem nichtmagnetischen, hülsen- oder topfartigen Gehäuse gefasst sind.
  9. Elektromagnetischer Hubmagnet nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) mit dem Übertragungselement starr verbunden ist.
  10. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) und/oder das Übertragungselement an mindestens einer Stelle im Gehäuse (1) oder an mindestens einer Stelle im Stator (21, 31) mindestens eines Magnetsystems (2, 3) geführt sind.
  11. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Gleitlagerführung des Übertragungselements in mindestens einem Stator (21, 31).
  12. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule(n) (22, 32) körperlos gewickelt sind.
  13. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 1, 2 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule(n) (22, 32) volumenminimiert ausgelegt ist/sind und bei einem kurzzeitigen Umschaltimpuls die maximale Stromdichte der Erregerwicklung für Dauerbetrieb ausgelegte Werte um ein Vielfaches übersteigt.
  14. Elektromagnetischer Hubmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung von Bauteilen des Hubmagneten mindestens eine Klebverbindung realisiert ist.
  15. Elektromagnetischer Hubmagnet nach den Ansprüchen 2, 12 und/oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (22, 32) zueinander in Reihe oder parallel geschaltet sind und eine Ansteuerschaltung einen zeitlich begrenzten elektrischen Impuls mit wechselnder Polarität oder konstanter Polarität zum Schalten des Hubmagneten zur Verfügung stellt.
  16. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausbildung mit nur einem Magnetsystem (2) und einem federbeaufschlagtem Stellelement.
  17. Elektromagnetischer Hubmagnet nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine monostabile Ausbildung, indem eine Feder (5) so dimensioniert ist, dass sie bei offenem Magnetkreis und unbestromter Erregerwicklung zum Umschalten in die stabile Lage führt.
  18. Elektromagnetischer Hubmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gezielte Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie des Hubmagneten durch bekannte Methoden zur Kennlinienbeeinflussung erreicht wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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