DE-102021124654-B4 - Elektromagnetischer Hub- und/oder Haft-Aktor

Abstract

Aktor, der als Hub- und/oder Haftmagnet für einen Anker ausgebildet ist, mit wenigstens einem äußeren magnetisch leitfähigen Gehäuse (2) und einem inneren Kern (3), wobei wenigstens ein Teil (5) des inneren Kerns (3) entlang einer Bewegungsachse (6) senkrecht zu einer vorderen Begrenzungsebene (7), die durch Stirnflächen des äußeren Gehäuses (2) aufgespannt wird, die während des Einsatzes des Aktors zum anzuziehenden Anker (4) gerichtet sind, beweglich ausgebildet ist und eine magnetische Flussführung durch das äußere magnetisch leitfähige Gehäuse (2) und den inneren Kern (3) so erfolgt, dass der beweglich ausgebildete Teil (5) alleine durch eine Bestromung des Aktors aufgrund einer elektromagnetischen Reluktanzkraft (11) in eine vordere Endlage bewegbar ist, in der er über die vordere Begrenzungsebene (7) übersteht und sich näher am Anker befindet als in einer Ruhelage, in der keine Reluktanzkraft auf den beweglich ausgebildeten Teil wirkt.

Inventors

• Bernd Gundelsweiler
• Manuel Mauch

Assignees

• UNIVERSITÄT STUTTGART, KÖRPERSCHAFT DES ÖFFENTLICHEN RECHTS

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20210923

Priority Date

20210430

Claims (8)

1. Aktor, der als Hub- und/oder Haftmagnet für einen Anker ausgebildet ist, mit wenigstens einem äußeren magnetisch leitfähigen Gehäuse (2) und einem inneren Kern (3), wobei wenigstens ein Teil (5) des inneren Kerns (3) entlang einer Bewegungsachse (6) senkrecht zu einer vorderen Begrenzungsebene (7), die durch Stirnflächen des äußeren Gehäuses (2) aufgespannt wird, die während des Einsatzes des Aktors zum anzuziehenden Anker (4) gerichtet sind, beweglich ausgebildet ist und eine magnetische Flussführung durch das äußere magnetisch leitfähige Gehäuse (2) und den inneren Kern (3) so erfolgt, dass der beweglich ausgebildete Teil (5) alleine durch eine Bestromung des Aktors aufgrund einer elektromagnetischen Reluktanzkraft (11) in eine vordere Endlage bewegbar ist, in der er über die vordere Begrenzungsebene (7) übersteht und sich näher am Anker befindet als in einer Ruhelage, in der keine Reluktanzkraft auf den beweglich ausgebildeten Teil wirkt.
2. Aktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass zwischen einer hinteren Stirnseite des beweglich ausgebildeten Teils (5), die vom Anker (4) weg gerichtet ist, und einem hinteren Abschnitt des äußeren magnetisch leitfähigen Gehäuses (2) oder des inneren Kerns (3) ein Abstandshalter (8) aus einem nicht ferromagnetischen Material angeordnet ist, der einer magnetischen Anziehung des beweglich ausgebildeten Teils (5) entgegenwirkt.
3. Aktor nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass der Abstandshalter (8) eine Dicke aufweist, die zwischen 100 µm und 1 mm liegt.
4. Aktor nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass der Abstandshalter (8) aus einem Material gebildet ist, das eine Geräuschdämpfung eines Schaltvorgangs des Aktors erzielt.
5. Aktor nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass zwischen der hinteren Stirnseite des beweglich ausgebildeten Teils (5) und dem hinteren Abschnitt des äußeren magnetisch leitfähigen Gehäuses (2) oder des inneren Kerns (3) ein Dämpfungselement angeordnet ist, das eine Geräuschdämpfung eines Schaltvorgangs des Aktors erzielt.
6. Aktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass zwischen einer hinteren Stirnseite des beweglich ausgebildeten Teils (5), die vom Anker (4) weg gerichtet ist, und einem hinteren Abschnitt des äußeren magnetisch leitfähigen Gehäuses (2) oder des inneren Kerns (3) ein Dämpfungselement angeordnet ist, das eine Geräuschdämpfung eines Schaltvorgangs des Aktors erzielt.
7. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet , dass das äußere magnetisch leitfähige Gehäuse (2) und der innere Kern (3) mit dem beweglich ausgebildeten Teil (5) so dimensioniert und angeordnet sind, dass die vordere Endlage eine Gleichgewichtsposition ist, bei der sich bei einer bestimmungsgemäßen Bestromung des Aktors eine auf den beweglich ausgebildeten Teil (5) wirkende Gewichtskraft (10) und die durch die Bestromung auf den beweglich ausgebildeten Teil (5) wirkende elektromagnetische Reluktanzkraft (11) das Gleichgewicht halten.
8. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet , dass sich der beweglich ausgebildete Teil (5) in einem Querschnitt senkrecht zur Bewegungsachse (6) über den Umfang des inneren Kerns (3) erstreckt.

Description

Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor, der als Hub- und/oder Haftmagnet ausgebildet ist. Die konstruktiven Elemente eines derartigen Aktors sind der bewegliche Anker, ein äußeres magnetisch leitfähiges Gehäuse, ein innerer Kern / Pol und eine Spule. Durch ihren einfachen und hocheffizienten Aufbau stellt diese Form von Aktoren im Aufbau als Elektromagnet eines der ältesten Antriebselemente dar und ist in vielen Anwendungsbereichen wie z.B. dem Maschinenbau, der Fahrzeugtechnik und der Automatisierungstechnik im Einsatz. Als Antriebselement für begrenzte rotatorische und lineare Bewegungen meist mit kleiner Leistungsaufnahme, wandelt ein elektromagnetischer Aktor die eingebrachte elektrische Energie zuerst über die Spule in magnetische Energie um, bevor aus dieser eine Wandlung in mechanische Bewegungsenergie in Form von Kraft bzw. Drehmoment auf Grenzflächen erfolgt. Je nach Einsatz- und Aufgabengebiet können diese Aktoren unter anderem nach der Art der Kraftwirkung in Zug-, Stoß-, Dreh-, Schwing- und Halte- bzw. Haftmagnete unterteilt werden, die lineare / schwenkende oder drehende Bewegungen ausführen können. Unter einem Zug- bzw. Stoßmagneten versteht man allgemein einen Hubmagneten, der lineare Bewegungen ausführt. Ein Hubmagnet weist einen größeren Stellbereich (bis einige mm) mit einer charakteristischen und ggf. einstellbaren Kraft-Weg-Kennlinie auf. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall, z.B. beim Einsatz des Magneten zur Betätigung eines Ventils, ist zur Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie oftmals eine Anpassung / Optimierung des magnetischen Kreises und/oder eine Steuerung oder Regelung erforderlich. Die Bestromung des Hubmagneten kann analog oder getaktet erfolgen. Hauptaufgabe eines Haftmagneten hingegen ist das Halten bzw. Fixieren magnetisierbarer Werkstücke oder Gegenstände, die in diesem Fall als Anker dienen. Durch die erzeugte magnetische Haftkraft wird ferromagnetisches Material magnetisiert und mit hoher Kraft durch das generierte Magnetfeld festgehalten. Die Kraftwirkung ist dabei auf eine sehr kurze Distanz eingeschränkt und durch eine stark nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie gekennzeichnet. Für diese Aufgabe ist es nicht erforderlich, dass der Elektromagnet einen großen Stellweg abdecken muss. Es genügt die Anziehung aus geringer Entfernung mit einer bis zum Anschlagpunkt stark nichtlinear anwachsenden Haltekraft mit abnehmendem Luftspalt. Stand der Technik Wird ein Haftmagnet mit Strom beaufschlagt und durch das erzeugte Magnetfeld ein Anker (mit magnetisierbarem Anteil) angezogen, ist dieser Vorgang häufig mit einem unerwünschten Schließgeräusch verbunden. 1 zeigt hierzu in schematischer Darstellung ein elektromagnetisches Haftmagnetsystem, das ein äußeres Gehäuse 2 und einen inneren Kern 3 aufweist, die einen äußeren und inneren Pol des Elektromagneten bilden. Wird mit diesem Elektromagneten ein zu haltendes Bauteil in Form einer Ankerplatte 4 durch Beaufschlagung der Spule 1 mit einem Strom und daraus resultierender Kraft angezogen, so entsteht ein unerwünschtes Schließgeräusch beim Auftreffen der Ankerplatte 4 auf die Pole des Elektromagneten, wie dies in 1 angedeutet ist. Ein ähnlich problematisches Verhalten hinsichtlich Geräuschentwicklung weisen Hubmagnete auf, bei welchen der Anker bzw. die Ankerplatte 4 Teil des beweglichen Systems der Elektromagneten ist. Bei Schalten / Bewegen des Ankers von der Hubanfangs- in die Hubendlage tritt ebenfalls eine unerwünschte Geräuschentwicklung auf. Diese Schließgeräusche sind insofern problematisch, dass sie in vielen Fällen als störend empfunden werden und gegen die Lastenheftforderung des Kunden verstoßen und idealerweise vermieden bzw. auf eine minimale Geräuschentwicklung hin optimiert werden müssen. Zur Geräuschminimierung beim Schalten eines Elektromagneten ist es bekannt, zusätzliche Bauteile in den Luftspalt wie beispielsweise Dämpfungselemente ausgeführt als Dämpfungsringe oder Ähnliches zur Reduzierung des Schaltgeräusches einzusetzen, wie dies beispielsweise in der DE 36 32 475 A1 vorgeschlagen wird. Dabei wird der Hub des Magneten verkürzt und die Bewegungsenergie in Richtung Hubende verringert. Weitere gängige technische Lösungen werden in Form von nichtmagnetischen Anti-Klebescheiben realisiert, die ebenfalls zu einer Hubverkürzung bei verringertem Stirnwandanstieg der Anzugskraft führen. Für den jeweils umzusetzenden Schalt- oder Haftvorgang muss ein Anwender in der Regel entscheiden, ob Eigenschaften eines Hub- oder eines Haftmagneten gefordert bzw. geeignet sind. Ein Hubmagnet ermöglicht die Gestaltung bzw. Anpassung der Kraft-Weg-Kennlinie bezüglich der zurückzulegenden Hubstrecke. Linearisierungen und stromproportionales Kraft- bzw. Hubverhalten sind möglich und über entsprechende Gestaltung des magnetischen Kreises und Ansteuerung des Magneten zu realisieren. Kritisch ist hierbei jeweils die Hubanfangslage, da hier das Kraftniveau über einem für die Durchführung d