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WO2012041550A1 - Aktor - Google Patents

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Publication number
WO2012041550A1
WO2012041550A1 PCT/EP2011/061940 EP2011061940W WO2012041550A1 WO 2012041550 A1 WO2012041550 A1 WO 2012041550A1 EP 2011061940 W EP2011061940 W EP 2011061940W WO 2012041550 A1 WO2012041550 A1 WO 2012041550A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
guide element
coil
actuator
magnet
longitudinal axis
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/061940
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Genderjahn
Peter-Michael Marienfeld
Hans-Jürgen KARKOSCH
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.)
ContiTech Vibration Control GmbH
Original Assignee
ContiTech Vibration Control 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 ContiTech Vibration Control GmbH filed Critical ContiTech Vibration Control GmbH
Priority to CN201190000766.XU priority Critical patent/CN203588789U/zh
Publication of WO2012041550A1 publication Critical patent/WO2012041550A1/de
Priority to US13/854,870 priority patent/US9172277B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/02—Details of the magnetic circuit characterised by the magnetic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/08—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid using a permanent magnet
    • F16K31/082—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid using a permanent magnet using a electromagnet and a permanent magnet
    • 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
    • H01F7/066—Electromagnets with movable winding
    • 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
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J7/00—Details not provided for in the preceding groups and common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J7/14—Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the vessel
    • H01J7/16—Means for permitting pumping during operation of the tube or lamp
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/08—Cores, Yokes, or armatures made from powder

Definitions

  • the invention relates to an actuator with an electrically conductive coil having a
  • Such an actuator is known for example from DE 198 39 464 C2.
  • the first guide element and the second guide element usually consist of a ferromagnetic material see high permeability.
  • Such actuators include a vibratory mass-spring system that is excited to vibrate when an alternating current is driven through the turns of the electrically conductive coil.
  • the at least one magnet has a magnetization whose
  • Magnetization direction is ideally perpendicular to the longitudinal axis of the coil. If the coil is now flowed through by a current, a Lorentz force acts in the direction of the longitudinal axis of the coil. As described in DE 198 39 464 C2, arises by the interaction of the exiting from the collar-like projections of the first guide element magnetic field lines and the second guide element or the Magnetization of the magnet, which is advantageously also made of a material of high permeability, another force acting in the same direction as the Lorentz force described. Since the magnetic field lines are guided in certain directions by the first and the second guide element, both components are called guide element in the present case.
  • either the coil with the first guide element or the magnet with the second guide element is resiliently mounted, while the respective other assembly is mounted statically. If the coil now flows through a current, it comes through the forces mentioned to a shift of the spring-mounted assembly and thus to a movement of the actuator. In this way, for example, valves can be opened or closed. If the coil flows through an alternating current instead of the direct current, the direction of the acting forces turns with the current flow direction. In this way, the spring-mounted assembly is set in vibration. By skillful choice of amplitude, frequency and phase of the applied alternating current, the oscillation of the actuator can be controlled very accurately. In this way, for example
  • Excitation force based on the necessary construction volume is relatively low.
  • the usable frequency range in which the actuator can be operated with alternating current subject to restrictions.
  • the first natural frequency of the system which is the lowest frequency at which the actuator can be operated, can not be shifted toward lower frequencies.
  • the work area is limited in the higher frequency range due to the small coil space and the associated use of coils with a small wire diameter.
  • both the first and the second guide element of the actuator as a layer package of many thin layers of ferromagnetic see sheets with form high permeability.
  • electric sheets or iron sheets are suitable, which are separated by thin insulating layers. In this way, ring currents can arise around the magnetic field lines only in the order of magnitude of the thickness of these sheets.
  • the invention is therefore the object of further developing a generic actuator so that increases the fixed excitation forces at a fixed volume, or at fixed excitation force, the volume can be significantly reduced.
  • the invention solves the stated object with a generic actuator, wherein the first guide element and / or the second guide element of a soft magnetic Powder composite exists.
  • Powder composite materials so-called soft magnetic composites (SMC)
  • SMC soft magnetic composites
  • the individual grains of the powder are electrically insulated from each other by thin layers of, for example, a synthetic resin.
  • soft magnetic powder composite material as at least one of the two
  • the magnetic field and thus the achievable excitation force is significantly increased.
  • the smaller component thickness of the first and / or second guide element can also be used to reduce the required volume of construction with the same coil geometry and the same wire cross section and thus the same exciter force.
  • the working range of the actuator can be shifted towards higher frequencies.
  • soft magnetic composite materials so-called soft magnetic composites (SMC) also offers the advantage that the production in the SMC.
  • the soft magnetic powder composite materials are made of a powder of a high permeability material and the individual powder grains are mutually electrically insulated by a thin insulating layer, the magnetic properties of the first and / or second conductive elements are further improved and the magnetic losses further reduced , This is compared to the benefits that the small component size and the associated small component volume provides, but only a minor effect.
  • the first guide element and / or the second guide element in its central region in the radial direction with respect to the longitudinal axis to an extent which is less than three millimeters, preferably less than two millimeters.
  • the wall thickness of the respective guide element in this area can consequently be partially more than halved. This creates additional space that can either be used to measures that increase the excitation force, or can be saved as space for the finished actuator.
  • the sheathing of the coil can be provided with plastic or the like, without restrictions on the number of turns and wire diameter must be accepted.
  • the collar-like projections of the first guide element have, in a preferred embodiment of the present invention, an extension d in the axial direction with respect to the longitudinal axis.
  • the collar-like projections of the second guide element have an extension D in an axial direction with respect to the longitudinal axis, wherein it has proven to be particularly advantageous if the expansion ratio d / D is between 0.6 and 0.8. This achieves optimal magnetic rigidity.
  • the actuator shows a linear operating behavior, as long as the maximum deflection of the spring-mounted assembly, so either the first guide element with the coil or the magnet with the second guide element is less than ⁇ d / 2 along the longitudinal axis of the coil.
  • both the first guide element and the second guide element consist of a soft magnetic powder composite material.
  • the at least one magnet is arranged annularly around the coil.
  • the entire lateral surface of the coil can be used for the interaction with the at least one magnet, so that the excitation force achieved is maximized in this respect.
  • the second guide element is arranged annularly around the at least one magnet and consists of several parts, in particular two
  • the ring-shaped arranged around the at least one magnet second guide element may be a rotationally symmetrical configuration about the longitudinal axis of the coil
  • the first guide element is in the coil and forms the core of the coil. It is preferably also rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis of the coil.
  • the second guide element is arranged on the outside of the actuator and forms the jacket of the actuator.
  • the coil may be arranged in an annular manner around the at least one magnet.
  • the first guide element is then arranged annularly around the coil and consists of several parts, in particular two half shells.
  • the second guide element together with the magnet forms the core of the coil and of the actuator.
  • the first guide element forms as the extreme of the components described here, the jacket of the actuator.
  • the actuator functions and the advantages of the present invention are fully realized.
  • the production of the shell in several parts, in particular of two identical or symmetrical half-shells made of the powder composite material simplifies manufacturing, reduces manufacturing costs and facilitates assembly. This makes it possible to clamp the coil or the at least one magnet between the two half-shells, so that a secure hold in the system is realized. Thus, an additional complex gluing or the like is unnecessary, causing the
  • the at least one magnet in axial direction with respect to the longitudinal axis has a greater extent than the coil.
  • the collar-like projections of the first guide element project beyond the at least one magnet in the axial direction by 1 mm to 3 mm, preferably by 2 mm. This also applies preferably on both sides in the longitudinal direction of the coil. With the aforementioned dimensions, a linear actuator behavior can be ensured in the mentioned deflection range of the spring-mounted component group.
  • first guide element and / or the second guide element has or have at least one projection in an axial direction with respect to the longitudinal axis L.
  • the projection is or are integrally formed with it or with them.
  • projections which are formed as part of the guide element or the guide elements, can be dispensed with further components that would otherwise be manufactured separately or bought and assembled in separate steps.
  • These separate components may, for example, spacer elements, spacer elements or the like, which are conventionally provided between the guide element and, for example, housing or spring in order to set a defined distance between the guide element and, for example, the housing or the spring. for example, to prevent a magnetic return flow from the guide element via the housing material or to ensure a desired vibration path of the spring.
  • these separate components may for example be clamping elements, which are conventionally provided on the guide element, for example, to support a spring which is to be clamped in relation to the longitudinal axis L axial direction, for example by a further clamping element on the guide element.
  • clamping elements which are conventionally provided on the guide element, for example, to support a spring which is to be clamped in relation to the longitudinal axis L axial direction, for example by a further clamping element on the guide element.
  • the first and second guide element can be manufactured, e.g. formed by SMC powder (sintered) that the required contour of the guide element or the
  • Guide elements including projection or projections in a manufacturing step is formed. For this purpose, only once, e.g. the manufacturing form of the guide elements are designed accordingly. In return, numerous costs for separate parts and assembly steps can be saved. If a spacing element on each side of the second guide element is replaced on each side by projections on both sides of the actuator, and also one spacer element on each side of the first guide element, then altogether four separate components and the corresponding assembly steps can be dispensed with.
  • the projection is formed with respect to the longitudinal axis L radial direction back from the end face of the first and or or second guide element.
  • the projection or the projections in radial direction relative to the longitudinal axis L direction of the air gap formed between the coil and the magnet or the first and second guide element are formed spaced.
  • the projections do not extend into the region of the pole faces of the guide elements. This ensures that the projections, the same soft magnetic
  • Powder composite material as the guide element or the guide elements not or contribute as little as possible to the magnetic reflux and so the system behavior is not influenced by the one-piece design of the projection or the projections or as little as possible.
  • the coil and the first guide element or the at least one magnet and the second guide element is resiliently mounted on at least one multi-arm disc spring.
  • Leaf springs compensated in terms of stiffness, linearity and fatigue strength. Actuators of the prior art also have a very high magnetic stiffness along the longitudinal axis of the coil. To compensate for this magnetic stiffness a very high spring stiffness is necessary. This is detrimental to the fatigue properties as well as the lower resonant frequency of the system. The superposition of the magnetic rigidity and the spring stiffness results in the overall rigidity of the system. So that the operating behavior of the actuator is linear within the maximum deflection, the total actuator stiffness must also be linear.
  • a multi-arm disc spring makes it possible to achieve linear behavior, high fatigue strength and ideal stress distribution within the spring.
  • the transverse stiffness occurring perpendicular to the longitudinal axis of the coil, which is caused by the magnetic attraction forces, can be recorded, and the magnetic stiffness along the longitudinal axis can be compensated.
  • the thickness of the disc in a multi-armed disc spring by changing the thickness of the disc
  • Spring stiffness for the relevant deflection range can be realized easily, quickly and reliably. Fatigue properties are not adversely affected.
  • the modularity of the overall system with respect to the change of the first natural frequency can also be realized by an uncomplicated spring exchange. An optimal spring material is also not magnetic and corrosion protected.
  • Natural frequency are shifted to low frequencies and also the maximum achievable exciter force can be raised.
  • Expansion ratio d / D for example, on the one hand, the magnetic rigidity can be reduced. On the other hand, however, this can also reduce the necessary rigidity of the leaf springs used, whereby the first natural frequency of the system is shifted towards lower frequencies.
  • An actuator according to an exemplary embodiment of the present invention consequently results in an increase in the force density, that is to say a greater excitation force in relation to the required construction volume. It is possible to equip the coil with a larger number of turns with a constant volume of construction, whereby the excitation force achieved can be increased. Alternatively or additionally, a larger
  • Wire cross-section can be selected, whereby the frequency range in which the actuator can be operated, can be moved to high frequencies.
  • the maximum permissible coil current is increased by the larger wire cross section.
  • Fig. L a is a schematic cross section through an actuator according to
  • Fig. Lb is a schematic cross section through an actuator according to
  • Fig. 2 is a plan view of a disc spring for use in
  • Figure la shows a schematic cross section through an actuator 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the actuator 1 comprises a coil 2, which is wound around a first guide element 4 and has a longitudinal axis L.
  • the first guide element 4 projects beyond the coil 2 in an axial direction with respect to the longitudinal axis L on both sides and has collar-like projections 6 there. This collar-like
  • Projections 6 have an extension d in an axial direction with respect to the longitudinal axis L.
  • the coil 2 with the first guide element 4 located therein is arranged between two magnets 8. This one has one
  • the magnets 8 are ideally magnetized homogeneously and have a magnetization direction which, as shown in FIG. 1 a, is optimally perpendicular to the longitudinal axis L.
  • the magnet 8 is arranged in a ring around the coil 2 and the first guide element 4 located therein.
  • Each magnet 8 is on the side facing away from the coil 2 and on two sides lying in relation to the longitudinal axis L axial direction of a second guide element 10th covered. In the embodiment shown in Figure la, this overlap on the said pages is complete, which is not necessary for the invention.
  • the second guide element 10 projects beyond the magnet 8 in an axial direction in the form of collar-like projections 7 with respect to the longitudinal axis L and has an extension D in this area.
  • Extension D less than 1, in particular between 0.6 and 0.8.
  • the coil 2 and the first guide element 4 located therein are spring-mounted via springs 16.
  • the magnet 8 may be resiliently mounted with the second guide element 10.
  • the first guide element 4 and / or the second guide element 10 consists of a soft magnetic powder composite material.
  • the extent a of the second guide element, which is shown in FIG. 1 a is in particular less than 3 mm, particularly preferably less than 2 mm. In this way, the space required for the actuator 1 space can be significantly reduced. Also due to the small space requirement of a soft conductive powder composite material consisting of the first guide element 4, the space required for the actuator 1 is reduced.
  • the magnet 8 surrounded by the respective second guide element 10 can be arranged further away from the coil 2 and the first guide element 4 located radially in relation to the longitudinal axis L due to the very small extent a of the second guide element 10 , whereby, the space available for the coil 2 is increased, so that, for example, a wire with a larger cross-section or a larger number of turns or even a combination of both can be used.
  • the frequency range in which the actuator can be operated increases and increases the maximum achievable excitation force.
  • the at least one magnet 8 can also be arranged on the inside and the coil 2 on the outside in the actuator.
  • the at least one magnet 8 is located inside the coil 2, but remains away from the turns of the coil 2 in the radial direction with respect to the longitudinal axis L of the coil.
  • Figure lb shows a schematic cross section through an actuator 1 according to a second embodiment of the present invention.
  • the elements of FIG. 1a correspond to those of FIG. 1b.
  • the representation of Figure lb further elements.
  • a component 4a is provided in each case between the first guide element 4 and the respective spring 16 in an axial direction with respect to the longitudinal axis L.
  • This component 4a distances the one side of the spring 16 in an axial direction with respect to the longitudinal axis L by a defined distance from the respective collar-like projection 6 of the first guide element 4 and can therefore be referred to as a spacer 4a or spacer 4a.
  • FIG. 1b has a component 10a in the axial direction with respect to the longitudinal axis L, in each case between the second guide element 10 and a respective outer housing element.
  • This component 10a causes in relation to the longitudinal axis L axial direction a defined distance between the second
  • Guide element 10 and the housing member can also be referred to as a spacer 10a or spacer element 10a.
  • spacer 10a spacer element 10a
  • spacers 4a, 10a are formed as separate components. This requires the installation of the actuator 1 corresponding
  • the four spacer elements 4a, 10a on both sides of the first and second guide element 4, 10 provided before the two springs 16 can be mounted on this.
  • These spacer elements 4a, 10a are formed with respect to the longitudinal axis L radial direction such that they have the largest possible distance to the respective end faces 12, 14 of the two guide elements 4, 10, the magnetic flux and thus the system behavior of the actuator 1 not or to influence as little as possible.
  • these spacer elements 4a, 10a can be dispensed with, since the first guide element 4 or second guide element 10 and the two adjacent thereto
  • Spacer elements 4a and 10a are integrally formed.
  • first guide element 4 and the second guide element 10 in respect to the longitudinal axis L axial direction in each case projections 4a, 10a, which are dimensioned such that they replace the spacer elements 4a, 10a.
  • the projections 4a, 10a of the first and second guide elements 4, 10 are designed such that they allow a defined vibration path without affecting the magnetic flux between the guide elements 4, 10, the coil 2 and the magnet 8 and an optimal clamping of the spring 16 allow.
  • FIG. 2 shows the plan view of a disc spring 18 which can be used in an actuator.
  • a multi-arm disc spring 18 is suitable for the resilient mounting of, for example, the coil 2 and the first guide element 4.
  • the longitudinal axis L of the coil 2 extends in the embodiment shown in Figure 2 out of the plane.
  • Such a disc spring 18 is capable of absorbing the transverse stiffnesses occurring in the radial direction with respect to the longitudinal axis L, which are caused by the magnetic attraction forces. In particular, by the interaction between the
  • a disc spring 18 is also able to compensate for the magnetic rigidity in respect to the longitudinal axis L axial direction.
  • the disc spring 18 shown in Figure 2 in a plan view has three spring arms 20 which are arranged at an interval of 120 ° at an outer edge 22 of the disc spring 18.
  • the spring arms 20 extend from the outer edge 22 of the disc spring 18 to a central disc 24 on which the component to be stored is stored.
  • the spring arms 20 initially pass clockwise past the central disk 24, in order then to change the direction in a turn 26 and to approach the center disk 24.
  • the spring arms 20 can initially also run counterclockwise, the disc spring 18 are thus executed mirrored.
  • the piercing point of the longitudinal axis L of the coil 2 forms the center of the
  • Disc spring 18 The advantage of the design shown in Figure 2 is that the design can be easily scaled for larger and smaller actuators 1. In this case, the scaling size, to which all other dimensions are related, the outer diameter dA of the disc spring 18. The following dimensions are always given in units of this outer diameter dA. To be particularly advantageous has been found when the following dimensions and distances are met.
  • An inner radius ri of the turn 26 is advantageously 0.08 times the outer diameter dA.
  • the outer radius r 2 of the turn 26 is advantageously 0.19 times the outer diameter dA.
  • Transition radius r 3 of the curvature, with which the spring arm 20 merges into the outer edge 22 of the disc spring 18, is advantageously 0, 16 times the outer diameter dA.
  • the center of an internal curvature of a turn 26 of a first Spring arm 20 is shifted in a plan view by 0.16 outer diameter dA to the right and 0.14 outer diameter dA down.
  • the center point of an outer radius r 2 of a second spring arm 20 is displaced downwards by 0.18 outer diameter dA and by 0.04 outer diameter dA.
  • the center of the curvature with the transition radius r 3 of the third spring arm 20 is at the same time to 0, 11th
  • Each spring arm 20 has between the turn 26 and the outer edge 22 of the
  • Disc spring 18 advantageously over a linear range of constant width b.
  • This width b is advantageously 0.11 outer diameter dA.
  • the length of the straight portion of the spring arm 20 is on the inside, so on the side of the spring arm 20, which faces the central disc 24, 0.43 outer diameter dA.
  • the angle oc between the straight region of a first spring arm 20 and the adjacent spring arm 20 is advantageously 11.9 °.
  • Wood disc spring 18 in axial direction with respect to the longitudinal direction L.

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Abstract

Ein Aktor (1) mit einer elektrisch leitenden Spule (2), die eine Längsachse L und eine Mehrzahl von Windungen aufweist, und wenigstens einem Magneten (8), der von den Windungen der Spule (2) in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung beabstandet angeordnet ist, wobei die Spule (2) auf einer dem Magneten (8) abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines ersten Leitelements (4) und der wenigstens eine Magnet (8) auf einer den Windungen der Spule (2) abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines zweiten Leitelements (10) zumindest teilweise überdeckt wird, wobei das erste Leitelement (4) die Spule (2) und das zweite Leitelement (10) den wenigstens einen Magneten (8) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung überragen und dort jeweils kragenartige Vorsprünge aufweisen (6, 7) zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Leitelement (4) und/oder das zweite Leitelement (10) aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht.

Description

Beschreibung
Aktor
Die Erfindung betrifft einen Aktor mit einer elektrisch leitenden Spule, die eine
Längsachse und eine Mehrzahl von Windungen aufweist, und wenigstens einem Magneten, der von den Windungen der Spule in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung beabstandet angeordnet ist, wobei die Spule auf einer dem Magneten abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines ersten Leitelements und der wenigstens eine Magnet auf einer den Windungen der Spule abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines zweiten Leitelements zumindest teilweise überdeckt wird, wobei das erste Leitelement die Spule und das zweite Leitelement den wenigstens einen Magneten in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung überragen und dort jeweils kragenartige Vorsprünge aufweisen.
Ein derartiger Aktor ist beispielsweise aus der DE 198 39 464 C2 bekannt.
Bei derartigen Aktoren bestehen das erste Leitelement und das zweite Leitelement meist aus einem ferromagneti sehen Material hoher Permeabilität. Derartige Aktoren enthalten ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System, das zu Schwingungen angeregt wird, wenn durch die Windungen der elektrisch leitfähigen Spule ein Wechselstrom getrieben wird.
Der wenigstens eine Magnet weist eine Magnetisierung auf, deren
Magnetisierungsrichtung im Idealfall senkrecht auf der Längsachse der Spule steht. Wird die Spule nun von einem Strom durchflössen, wirkt eine Lorentzkraft in Richtung der Längsachse der Spule. Wie in der DE 198 39 464 C2 beschrieben, entsteht durch das Zusammenwirken der aus den kragenartigen Vorsprüngen des ersten Leitelements austretenden magnetischen Feldlinien und dem zweiten Leitelement bzw. der Magnetisierung des Magneten, der vorteilhafterweise ebenfalls aus einem Material hoher Permeabilität besteht, eine weitere Kraft, die in die gleiche Richtung wirkt, wie die beschriebene Lorentzkraft. Da die magnetischen Feldlinien durch das erste und das zweite Leitelement in bestimmte Richtungen geleitet werden, werden beide Bauteile vorliegend Leitelement genannt.
Bei einem gattungsgemäßen Aktor ist entweder die Spule mit dem ersten Leitelement oder der Magnet mit dem zweiten Leitelement federnd gelagert, während die jeweils andere Baugruppe statisch gelagert ist. Durchfließt die Spule nun ein Strom, kommt es durch die genannten Kräfte zu einer Verschiebung der federnd gelagerten Baugruppe und somit zu einer Bewegung des Aktors. Auf diese Weise können beispielsweise Ventile geöffnet oder geschlossen werden. Durchfließt die Spule statt des Gleichstroms ein Wechselstrom, dreht sich die Richtung der wirkenden Kräfte mit der Stromflussrichtung um. Auf diese Weise wird die federnd gelagerte Baugruppe in Schwingungen versetzt. Durch geschickte Wahl von Amplitude, Frequenz und Phase des angelegten Wechselstromes kann die Schwingung des Aktors sehr genau gesteuert werden. Auf diese Weise können beispielsweise
Schwingungen erzeugt oder bereits bestehende Schwingungen mit einer gegenphasigen Schwingung überlagert und so kompensiert werden. Nachteilig ist, dass die mit dem Aktor gemäß dem Stand der Technik erzielbare
Erregerkraft bezogen auf das dafür nötige Bauvolumen relativ gering ist. Zudem unterliegt der nutzbare Frequenzbereich, in dem der Aktor mit Wechselstrom betrieben werden kann, Einschränkungen. Einerseits kann die erste Eigenfrequenz des Systems, die die niedrigste Frequenz ist, bei der der Aktor betrieben werden kann, nicht zu kleineren Frequenzen hin verschoben werden. Andererseits ist der Arbeitsbereich im höher frequenten Bereich aufgrund des geringen Spulenbauraumes und des damit verbundenen Einsatzes von Spulen mit geringem Drahtdurchmesser begrenzt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zur Reduzierung von Verlusten durch Ringströme, die um die Magnetfeldlinien entstehen, sowohl das erste als auch das zweite Leitelement des Aktors als Schichtpaket vieler dünner Schichten aus ferromagneti sehen Blechen mit hoher Permeabilität auszubilden. Dafür sind beispielsweise Elektrobleche oder Eisenbleche geeignet, die durch dünne Isolierschichten voneinander getrennt sind. Auf diese Weise können Ringströme um die Magnetfeldlinien nur in Größenordnungen der Dicke dieser Bleche entstehen. Obwohl damit die Verluste reduziert werden und damit der
Wirkungsgrad des Aktors erhöht werden kann, sind noch immer die erreichbaren
Erregerkräfte bezogen auf das Bauvolumen sehr gering.
Aus der DE 196 39 117 AI und der EP 1 517 341 A2 ist die Verwendung eines elektromagnetischen Aktors als Brennstoffeinspritzventil bekannt. Hierfür sind jedoch keine großen Erregerkräfte nötig, so dass die zum Schalten eines Ventils nötige Kraft ohne Probleme durch einen bereits beschriebenen Aktor aufgebracht werden können. Zudem ist durch die spezielle Ausgestaltung des Aktors in den genannten Druckschriften die bezogen auf die Längsachse der Spule radiale Ausdehnung des Aktors deutlich reduziert. Der bewegliche Anteil des Aktors wird in beiden Druckschriften nämlich unterhalb des statisch gelagerten Anteils angeordnet, so dass die radiale Ausdehnung naturgemäß deutlich verringert wird. Das benötigte Volumen ist jedoch noch immer relativ groß, auch wenn es nun eine andere Form als bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform eines Aktors aufweist. Eine derartige Anordnung ist jedoch für den Betrieb mit Wechselstrom ungeeignet.
Zudem ist das Wirkprinzip der dort beschriebenen Aktoren ein anderes. Beide kommen ohne Magneten aus. Die Erregerkraft entsteht nur durch das durch die Spule erzeugte Magnetfeld und nicht wie vorliegend auch durch einen Strom, der in dem Magnetfeld des Magneten fließt und die dabei hervorgerufene Lorentzkraft.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Aktor so weiter zu entwickeln, dass bei festem Bauvolumen die erreichbaren Erregerkräfte erhöht bzw. bei fester Erregerkraft das Bauvolumen deutlich verringert werden kann. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Aktor, bei dem das erste Leitelement und/oder das zweite Leitelement aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht. Pulververbundwerkstoffe, so genannte soft magnetic composites (SMC), bestehen aus einem Pulver eines Werkstoffes, der eine hohe
Permeabilität aufweist. Die einzelnen Körner des Pulvers sind durch dünne Schichten beispielsweise eines Kunstharzes gegeneinander elektrisch isoliert.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung eines
weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffes als zumindest eines der beiden
Leitelemente die Ausdehnung dieses Leitelements, also die Bauteil stärke, deutlich reduziert werden kann. Insbesondere der mittlere Bereich des ersten und/oder zweiten Leitelements ist nun deutlich dünner ausführbar, so dass hier Platz und Bauraum eingespart werden kann. Dieser kann nun dazu verwendet werden, bei gleichen Außenmaßen des Aktors mehr Spulenwindungen oder einen größeren Drahtquerschnitt bei gleicher
Windungszahl vorzusehen. Durch beide Maßnahmen wird das Magnetfeld und damit die erreichbare Erregerkraft deutlich erhöht. Die geringere Bauteilstärke des ersten und/oder zweiten Leitelements kann jedoch auch dazu benutzt werden, bei gleicher Spulengeometrie und gleichem Drahtquerschnitt und damit gleicher Erregerkraft das benötigte Bauvolumen zu reduzieren.
Zudem kann durch die Erhöhung des Drahtquerschnittes der Arbeitsbereich des Aktors zu höheren Frequenzen hin verschoben werden.
Die Verwendung von weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen, so genannten soft magnetic composites (SMC) bietet zudem den Vorteil, dass die Herstellung im
Pressverfahren, bzw. beim Sintern, erfolgt. Dadurch können sehr hohe Dichten erreicht werden und die Fertigungskosten im Vergleich zur mechanischen Bearbeitung von
Eisenwerkstoffen bzw. der Herstellung von Blechpaketen stark reduziert werden. Zudem werden dadurch, dass die weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffe aus einem Pulver eines Materials mit hoher Permeabilität bestehen und die einzelnen Pulverkörner gegenseitig durch eine dünne Isolierschicht elektrisch isoliert sind, die magnetischen Eigenschaften des ersten und/oder des zweiten Leitelements weiter verbessert und die magnetischen Verluste weiter reduziert werden. Dies ist im Vergleich zu den Vorteilen, die die geringe Bauteilsausdehnung und das damit verbundene geringe Bauteilvolumen liefert, jedoch nur ein untergeordneter Effekt.
Vorteilhafterweise weist das erste Leitelement und/oder das zweite Leitelement in ihrem mittleren Bereich in bezüglich der Längsachse radialer Richtung eine Ausdehnung auf, die kleiner ist als drei Millimeter, bevorzugt kleiner als zwei Millimeter. Im Vergleich zu Aktoren aus dem Stand der Technik kann die Wandstärke des jeweiligen Leitelements in diesem Bereich folglich teilweise mehr als halbiert werden. Dadurch entsteht zusätzlicher Bauraum, der entweder zu Maßnahmen genutzt werden kann, die die Erregerkraft erhöhen, oder als Bauraum für den fertigen Aktor eingespart werden kann.
Alternativ kann beispielsweise auch das Ummanteln der Spule mit Kunststoff oder ähnlichem vorgesehen sein, ohne dass Einschränkungen hinsichtlich Windungszahl und Drahtdurchmesser hingenommen werden müssen.
Die kragenartigen Vorsprünge des ersten Leitelements weisen in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in bezüglich der Längsachse axialer Richtung eine Ausdehnung d auf. Die kragenartigen Vorsprünge des zweiten Leitelements weisen in bezüglich der Längsachse axialer Richtung eine Ausdehnung D auf, wobei sich als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, wenn das Ausdehnungsverhältnis d/D zwischen 0,6 und 0,8 liegt. Damit wird eine optimale magnetische Steifigkeit erreicht. Zudem zeigt der Aktor ein lineares Betriebsverhalten, solange die maximale Auslenkung der federnd gelagerten Baugruppe, also entweder des ersten Leitelements mit der Spule oder des Magneten mit dem zweiten Leitelement, weniger als ± d/2 entlang der Längsachse der Spule beträgt.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn sowohl das erste Leitelement als auch das zweite Leitelement aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht. Dadurch können in beiden Leitelementen die Wirbelströme und die damit verbundenen magnetischen Verluste reduziert und die Dichte erhöht und damit die erzielbare Erregerkraft gegebenenfalls angehoben werden. Zudem kann bei beiden
Leitelementen der benötigte Bauraum reduziert werden.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Magnet ringförmig um die Spule angeordnet. Durch eine rotationssymmetrische Ausgestaltung des Aktors kann die gesamte Mantelfläche der Spule für die Wechselwirkung mit dem wenigstens einen Magneten verwendet werden, so dass die erreichte Erregerkraft auch in dieser Hinsicht maximiert wird. Vorzugsweise ist bei dieser Ausgestaltung des Aktors das zweite Leitelement ringförmig um den wenigstens einen Magneten angeordnet und besteht aus mehreren Teilen, insbesondere zwei
Halbschalen.
Das ringförmig um den wenigstens einen Magneten angeordnete zweite Leitelement kann dabei eine rotationssymmetrische Ausgestaltung um die Längsachse der Spule
vervollständigen. Somit wird auch die Kraft, die durch die Wechselwirkung der aus dem Kern austretenden magnetischen Feldlinien mit dem Magneten bzw. dem zweiten
Leitelement hervorgerufen wird, in vollem Umfang um die Spule herum genutzt und damit maximiert. In dieser Ausgestaltung befindet sich das erste Leitelement in der Spule und bildet den Kern der Spule. Es ist vorzugsweise ebenfalls rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse der Spule ausgebildet. Das zweite Leitelement ist außen am Aktor angeordnet und bildet den Mantel des Aktors.
Alternativ zu dieser Ausgestaltung kann auch die Spule ringförmig um den wenigstens einen Magneten angeordnet sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dann das erste Leitelement ringförmig um die Spule angeordnet und besteht aus mehreren Teilen, insbesondere zwei Halbschalen. In dieser Ausgestaltung bildet das zweite Leitelement zusammen mit dem Magneten den Kern der Spule und des Aktors. Das erste Leitelement bildet als äußerstes der hier beschriebenen Bauteile den Mantel des Aktors. In beiden Ausgestaltungsformen und Anordnungen funktioniert der Aktor und die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen voll zum Tragen. Durch die Herstellung des Mantels in mehreren Teilen, insbesondere aus zwei identischen bzw. symmetrischen Halbschalen aus dem Pulververbundwerkstoff wird die Fertigung vereinfacht, die Fertigungskosten reduziert und die Montage erleichtert. Es bietet sich dadurch die Möglichkeit, die Spule bzw. den wenigstens einen Magneten zwischen die beiden Halbschalen zu klemmen, so dass ein sicherer Halt im System realisiert ist. Damit wird ein zusätzliches aufwändiges Verkleben oder ähnliches unnötig, wodurch die
Herstellung weiter vereinfacht wird. Vorteilhafterweise weist der wenigstens eine Magnet in bezüglich der Längsachse axialer Richtung eine größere Ausdehnung auf als die Spule. Als vorteilhaft hat sich
herausgestellt, wenn der wenigstens eine Magnet die Spule in bezüglich der Längsachse axialer Richtung um 2 mm bis 5 mm, bevorzugt um 3 bis 5 mm, besonders bevorzugt um 4 mm überragt. Dies gilt vorteilhafterweise jeweils auf beiden Seiten der Spule in
Längsrichtung.
Die kragenartigen Vorsprünge des ersten Leitelements überragen dabei den wenigstens einen Magneten in axialer Richtung um 1 mm bis 3 mm, bevorzugt um 2 mm. Auch dies gilt vorzugsweise auf beiden Seiten in Längsrichtung der Spule. Mit den genannten Abmessungen kann ein lineares Aktorverhalten im genannten Auslenkungsbereich der federnd gelagerten Bauteilgruppe gewährleistet werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das erste Leitelement und bzw. oder das zweite Leitelement in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung wenigstens einen Vorsprung aufweist bzw. aufweisen, der mit ihm bzw. ihnen einteilig ausgebildet ist bzw. sind. Durch derartige Vorsprünge, die als Teilbereich des Leitelements bzw. der Leitelemente ausgebildet sind, kann auf weitere Bauelemente verzichtet werden, die ansonsten separat hergestellt oder dazu gekauft und in separaten Schritten montiert werden müssten. Diese separaten Bauteile können z.B. Abstandselemente, Distanzelemente oder dergleichen sind, die herkömmlich zwischen Leitelement und z.B. Gehäuse oder Feder vorgesehen werden, um zwischen dem Leitelement und z.B. dem Gehäuse oder der Feder einen definierten Abstand einzustellen, um z.B. einen magnetischen Rückfluss vom Leitelement über das Gehäusematerial zu verhindern oder einen gewünschten Schwingweg der Feder sicherzustellen. Ebenso können diese separaten Bauteile z.B. Klemmelemente sein, die herkömmlich an dem Leitelement vorgesehen werden, um z.B. eine Feder abzustützen, die in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung z.B. durch ein weiteres Klemmelement an dem Leitelement geklemmt werden soll. Auf diese separaten Bauteile kann erfindungsgemäß verzichtet werden, da die mit dem Leitelement bzw. den Leitelementen einteilig ausgebildeten Vorsprünge derart gestaltet sind, dass die hieran anliegenden Federn optimal geklemmt werden und die nötigen Freiwege bzw. Schwingwege der bewegten Massen des Aktors realisiert werden können.
Dabei kann das erste bzw. zweite Leitelement so hergestellt, z.B. durch SMC-Pulver geformt (gesintert) werden, dass die geforderte Kontur des Leitelements bzw. der
Leitelemente inklusive Vorsprung bzw. Vorsprüngen in einem Herstellungsschritt geformt wird. Hierfür muss lediglich einmalig z.B. die Herstellungsform der Leitelemente entsprechend gestaltet werden. Im Gegenzug können zahlreichen Kosten für separate Teile sowie Montageschritte eingespart werden. Werden dabei auf beiden Seiten des Aktors je ein Abstandselement auf jeder Seite des zweiten Leitelements durch Vorsprünge ersetzt und ebenso je ein Abstandselement auf jeder Seite des ersten Leitelements, so kann insgesamt auf vier separate Bauteile und die entsprechenden Montageschritte verzichtet werden.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Vorsprung in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung von der Stirnfläche des ersten und bzw. oder zweiten Leitelements zurückversetzt ausgebildet ist. Unter zurückversetzt ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der Vorsprung bzw. die Vorsprünge in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung von dem Luftspalt, der zwischen Spule und Magnet bzw. dem ersten und zweiten Leitelement gebildet wird, beabstandet ausgebildet sind. Mit anderen Worten reichen die Vorsprünge nicht in den Bereich der Polflächen der Leitelemente hinein. Hierdurch wird erreicht, dass die Vorsprünge, die den gleichen weichmagnetischen
Pulververbundwerkstoff aufweisen wie das Leitelement bzw. die Leitelemente, nicht bzw. möglichst wenig zum magnetischen Rückfluss beitragen und so das Systemverhalten durch die einteilige Ausbildung des Vorsprungs bzw. der Vorsprünge nicht bzw. möglichst wenig beeinflusst wird. Vorzugsweise ist die Spule und das erste Leitelement oder der wenigstens eine Magnet und das zweite Leitelement auf wenigstens einer mehrarmigen Scheibenfeder federnd gelagert. Mit dieser Ausgestaltung werden Nachteile der im Stand der Technik eingesetzten
Blattfedern hinsichtlich Steifigkeit, Linearität und Dauerfestigkeit kompensiert. Aktoren aus dem Stand der Technik besitzen zudem eine sehr große magnetische Steifigkeit entlang der Längsachse der Spule. Zur Kompensation dieser magnetischen Steifigkeit ist eine sehr große Federsteifigkeit nötig. Dies ist nachteilig für die Dauerfestigkeitseigenschafen sowie die untere Resonanzfrequenz des Systems. Durch die Überlagerung der magnetischen Steifigkeit und der Federsteifigkeit ergibt sich die Gesamtsteifigkeit des Systems. Damit das Betriebsverhalten des Aktors innerhalb der maximalen Auslenkung linear ist, muss auch die Gesamtaktorsteifigkeit linear sein.
Durch eine mehrarmige Scheibenfeder ist es möglich, ein lineares Verhalten, eine hohe Dauerfestigkeit und eine ideale Spannungsverteilung innerhalb der Feder zu ermöglichen. Damit kann die auftretende Quersteifigkeit senkrecht zur Längsachse der Spule, die durch die magnetischen Anziehungskräfte verursacht wird, aufgenommen werden, sowie die magnetische Steifigkeit entlang der Längsachse kompensiert werden. Zudem kann bei einer mehrarmigen Scheibenfeder durch eine Änderung der Dicke der Scheibe die
Federsteifigkeit für den relevanten Auslenkungsbereich einfach, schnell und verlässlich realisiert werden. Dabei werden Dauerfestigkeitseigenschaften nicht nachteilig beeinflusst. Somit kann die Modularität des Gesamtsystems hinsichtlich der Änderung der ersten Eigenfrequenz auch durch einen unkomplizierten Federaustausch realisiert werden. Ein optimaler Federwerkstoff ist zudem nicht magnetisch und korrosionsgeschützt.
Durch die verschiedenen Maßnahmen, die sich gegenseitig ergänzen und Synergieeffekte hervorrufen, kann die Gesamtsteifigkeit des Systems verändert werden, die erste
Eigenfrequenz zu kleinen Frequenzen verschoben werden und zudem die maximale erreichbare Erregerkraft angehoben werden. Durch die Wahl des
Ausdehnungsverhältnisses d/D beispielsweise kann zum einen die magnetische Steifigkeit reduziert werden. Zum anderen kann dadurch jedoch auch die notwendige Steifigkeit der eingesetzten Blattfedern herabgesetzt werden, wodurch die erste Eigenfrequenz des Systems zu kleineren Frequenzen hin verschoben wird.
Ein Aktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat folglich eine Erhöhung der Kraftdichte, also eine größere Erregerkraft bezogen auf das notwendige Bauvolumen zur Folge. Es ist möglich, bei gleich bleibendem Bauvolumen die Spule mit einer größeren Anzahl von Windungen auszustatten, wodurch die erreichte Erregerkraft erhöht werden kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch ein größerer
Drahtquerschnitt gewählt werden, wodurch der Frequenzbereich, in dem der Aktor betrieben werden kann, zu hohen Frequenzen hin verschoben werden kann. Der maximal zulässige Spulenstrom wird durch den größeren Drahtquerschnitt erhöht.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. l a einen schematischen Querschnitt durch einen Aktor gemäß
einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
Fig. lb einen schematischen Querschnitt durch einen Aktor gemäß
einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Scheibenfeder zur Verwendung in
einem Aktor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Figur la zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Aktor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Aktor 1 umfasst eine Spule 2, die um ein erstes Leitelement 4 gewickelt ist und eine Längsachse L aufweist. Das erste Leitelement 4 überragt die Spule 2 in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung auf beiden Seiten und weist dort kragenartige Vorsprünge 6 auf. Diese kragenartigen
Vorsprünge 6 weisen in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung eine Ausdehnung d auf.
Im in Figur la gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spule 2 mit dem darin befindlichen ersten Leitelement 4 zwischen zwei Magneten 8 angeordnet. Dieser weist eine
Magnetisierung auf, die in Figur la durch kleine Pfeile angedeutet ist. Die Magneten 8 sind im Idealfall homogen magnetisiert und weisen eine Magnetisierungsrichtung auf, die, wie in Figur la gezeigt, optimal erweise senkrecht auf der Längsachse L steht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet 8 ringförmig um die Spule 2 und das darin befindliche erste Leitelement 4 angeordnet. Jeder Magnet 8 ist auf der der Spule 2 abgewandten Seite und auf zwei in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung liegenden Seiten von einem zweiten Leitelement 10 bedeckt. Im in Figur la gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Überdeckung auf den genannten Seiten vollständig, was für die Erfindung jedoch nicht notwendig ist.
Das zweite Leitelement 10 überragt den Magneten 8 in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung in Form von kragenartigen Vorsprüngen 7 und weist in diesem Bereich eine Ausdehnung D auf. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis der Ausdehnung d zur
Ausdehnung D kleiner als 1, insbesondere zwischen 0,6 und 0,8. Auf diese Weise kommt es zu optimalen Überdeckungen der sich gegenüberliegenden Stirnflächen 12 des ersten Leitelements 4 bzw. der kragenartigen Vorsprünge 6 und der Stirnflächen 14 des zweiten Leitelements 10 bzw. der kragenartigen Vorsprünge 7.
Wird die Spule 2 von einem Strom durchflössen, werden verschiedene Kräfte
hervorgerufen, die alle in die gleiche Richtung wirken. Zum einen kommt es durch den Stromfluss im magnetischen Feld der Magneten 8 zu einer Lorentzkraft, die auf die Spule 2 in Figur la nach oben oder unten also entlang der Längsachse der Spule wirken. Zudem wird durch den Strom durch die Spule 2 ein magnetisches Feld in dem ersten Leitelement 4 und in den kragenartigen Vorsprüngen 6 induziert. Aufgrund der Wechselwirkung dieses Magnetfeldes mit dem zweiten Leitelement 10 bzw. dem Magneten 8 werden weitere Kräfte hervorgerufen, die in die gleiche Richtung wie die Lorentzkraft wirken.
Im in Figur la gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spule 2 und das darin befindliche erste Leitelement 4 über Federn 16 federnd gelagert. Alternativ kann auch statt der Spule 2 mit dem ersten Leitelement 4 der Magnet 8 mit dem zweiten Leitelement 10 federnd gelagert sein.
Durch die durch den Stromfluss durch die Spule 2 induzierten Kräfte wird im in Figur la gezeigten Ausführungsbeispiel die Spule 2 und das erste Leitelement 4 entlang der Längsachse 11 verschoben. Erfindungsgemäß besteht das erste Leitelement 4 und/oder das zweite Leitelement 10 aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff. Auf diese Weise ist es möglich, die Ausdehnung a des jeweiligen Leitelements 4, 10 in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung zu reduzieren. Die Ausdehnung a des zweiten Leitelements, die in Figur la dargestellt ist, beträgt insbesondere weniger als 3 mm, besonders bevorzugt weniger als 2 mm. Auf diese Weise kann der für den Aktor 1 benötigte Bauraum deutlich reduziert werden. Auch durch den geringen Bauraumbedarf eines aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff bestehenden ersten Leitelements 4 wird der für den Aktor 1 benötigte Bauraum reduziert.
Ist der Bauraum jedoch vorhanden, kann durch die sehr geringe Ausdehnung a des zweiten Leitelements 10 der von dem jeweiligen zweiten Leitelement 10 umgebene Magnet 8 in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung weiter von der Spule 2 und dem darin befindlichen ersten Leitelement 4 entfernt angeordnet werden können. Dadurch wird der für die Spule 2 zur Verfügung stehende Bauraum vergrößert, so dass beispielsweise ein Draht mit einem größeren Querschnitt oder eine größere Windungsanzahl oder sogar eine Kombination aus beidem verwendbar ist. Dadurch wird der Frequenzbereich, in dem der Aktor betrieben werden kann, vergrößert und die maximal erreichbare Erregerkraft erhöht.
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch der wenigstens eine Magnet 8 innen und die Spule 2 außen im Aktor angeordnet sein. In diesem Fall befindet sich der wenigstens eine Magnet 8 im Inneren der Spule 2, bleibt jedoch von den Windungen der Spule 2 in bezüglich der Längsachse L der Spule in radialer Richtung beabstandet. Die den Windungen abgewandte Seite des Magneten 8, die von dem zweiten Leitelement 10 zumindest teilweise bedeckt wird, ist dann die Seite, die weiter von den Windungen der Spule 2 beabstandet ist, so dass sich das zweite Leitelement 10 im Zentrum des rotationssymmetrisch aufgebauten Aktors befindet. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die für die in Figur la gezeigte Ausführungsform beschriebenen Größenverhältnisse auch in diesem Fall gelten.
Figur lb zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Aktor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Elemente der Figur la entsprechen denen der Figur lb. Zusätzlich weist die Darstellung der Figur lb weitere Elemente auf. So ist in der Ausführungsform der Figur lb in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung jeweils zwischen dem ersten Leitelement 4 und der jeweiligen Feder 16 ein Bauelement 4a vorgesehen. Dieses Bauelement 4a beabstandet die eine Seite der Feder 16 in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung um einen definierten Abstand von dem jeweiligen kragenartigen Vorsprung 6 des ersten Leitelements 4 und kann daher als Abstandselement 4a oder Distanzelement 4a bezeichnet werden.
Ferner weist die Ausführungsform der Figur lb in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung jeweils zwischen dem zweiten Leitelement 10 und einem jeweiligen äußeren Gehäuseelement ein Bauelement 10a auf. Dieses Bauelement 10a bewirkt in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung einen definierten Abstand zwischen dem zweiten
Leitelements 10 und dem Gehäuseelement, so dass es ebenfalls als Abstandelement 10a oder Distanzelement 10a bezeichnet werden kann. Durch die Bemaßung der Abstandselemente 4a, 10a in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung kann die Position des Gehäuseelements sowie der Feder 16 relativ zum ersten Leitelement 4 und zum zweiten Leitelement 10 vorgegeben werden.
Herkömmlicherweise sind derartige Abstandselemente 4a, 10a als separate Bauteile ausgebildet. Dies erfordert bei der Montage des Aktors 1 entsprechende
Handhabungsschritte, um z.B. in der Ausführungsform des Aktors 1 der Figur lb die insgesamt vier Abstandselemente 4a, 10a beidseitig an dem ersten und zweiten Leitelement 4, 10 vorzusehen, bevor die beiden Federn 16 an diesen montiert werden können. Diese Abstandselemente 4a, 10a sind in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung derart ausgebildet, dass sie einen möglichst großen Abstand zu den jeweiligen Stirnflächen 12, 14 der beiden Leitelemente 4, 10 aufweisen, um den magnetischen Fluss und damit das System verhalten des Aktors 1 nicht bzw. möglichst wenig zu beeinflussen.
Auf diese Abstandselemente 4a, 10a kann erfindungsgemäß verzichtet werden, da das erste Leitelement 4 bzw. zweite Leitelement 10 und die beiden an diesem angrenzenden
Abstandselemente 4a bzw. 10a einteilig ausgebildet sind. In anderen Worten weisen das erste Leitelement 4 und das zweite Leitelement 10 in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung jeweils Vorsprünge 4a, 10a auf, die derart dimensioniert sind, dass sie die Abstandselemente 4a, 10a ersetzen. Somit sind die Vorsprünge 4a, 10a des ersten und zweiten Leitelements 4, 10 derart gestaltet, dass sie einen definierten Schwingweg ermöglichen ohne den magnetischen Fluss zwischen den Leitelementen 4, 10, der Spule 2 und dem Magneten 8 zu beeinflussen und eine optimale Klemmung der Feder 16 ermöglichen.
Figur 2 zeigt die Draufsicht auf eine in einem Aktor verwendbare Scheibenfeder 18. Eine derartige mehrarmige Scheibenfeder 18 ist zur federnden Lagerung beispielsweise der Spule 2 und des ersten Leitelement 4 geeignet. Die Längsachse L der Spule 2 verläuft im in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel aus der Zeichenebene heraus. Eine derartige Scheibenfeder 18 ist in der Lage, die auftretenden Quersteifigkeiten in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung, die durch die magnetischen Anziehungskräfte verursacht werden, aufzunehmen. Insbesondere durch die Wechselwirkung zwischen der
gegebenenfalls stromdurchflossenen Spule 2, dem darin befindlichen ersten Leitelement 4 und dem Magneten 8 treten magnetische Anziehungskräfte auf, die sich nur in dem Fall zu Null addieren, wenn die Spule 2 exakt mittig zwischen den Magneten 8 angeordnet ist. Da dies jedoch praktisch nie vollständig zu erreichen ist, sind in einem Aktor 1 immer effektive magnetische Kräfte vorhanden, die durch eine Scheibenfeder 18, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, aufgefangen werden können.
Eine Scheibenfeder 18 ist zudem in der Lage, die magnetische Steifigkeit in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung zu kompensieren.
Das in Figur 2 gezeigte Design einer Scheibenfeder 18 ist besonders vorteilhaft, da es ermöglicht, allein über die Federdicke, also die Ausdehnung der Scheibenfeder 18 senkrecht zur Zeichenebene, die Federsteifigkeit zu ändern und an die jeweiligen
Gegebenheiten des Aktors 1 anzupassen. Dabei werden die Dauerfestigkeitseigenschaften der Feder nicht nachteilig beeinflusst. Sollte bei einem gegebenen Aktor 1 die erste
Eigenfrequenz geändert werden müssen, kann dies einfach durch einen unkomplizierten einfach auszuführenden Federaustausch realisiert werden, wobei eine Scheibenfeder 18 einer ersten Dicke durch eine Scheibenfeder 18 einer zweiten Dicke, die größer oder kleiner als die erste Dicke sein kann, ausgetauscht wird. Die in Figur 2 in einer Draufsicht gezeigte Scheibenfeder 18 verfügt über drei Federarme 20, die im Abstand von 120° an einem äußeren Rand 22 der Scheibenfeder 18 angeordnet sind. Die Federarme 20 verlaufen vom äußeren Rand 22 der Scheibenfeder 18 zu einer Mittel scheibe 24, auf der das zu lagernde Bauteil gelagert wird. Im in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Federarme 20 dabei zunächst mit dem Uhrzeigersinn an der Mittelscheibe 24 vorbei, um dann in einer Kehre 26 die Richtung zu ändern und auf die Mittelscheibe 24 zuzulaufen. Natürlich können die Federarme 20 zunächst auch gegen den Uhrzeigersinn verlaufen, die Scheibenfeder 18 folglich gespiegelt ausgeführt werden.
Der Durchstoßpunkt der Längsachse L der Spule 2 bildet den Mittelpunkt der
Scheibenfeder 18. Der Vorteil beim in Figur 2 gezeigten Design liegt darin, dass das Design einfach für größere und kleinere Aktoren 1 skaliert werden kann. Dabei ist die Skalierungsgröße, auf die alle anderen Maße bezogen sind, der Außendurchmesser dA der Scheibenfeder 18. Die nachfolgend genannten Maße sind immer in Einheiten dieses Außendurchmessers dA angegeben. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die folgenden Maße und Abstände eingehalten werden. Ein Innenradius ri der Kehre 26 beträgt vorteilhafterweise 0,08 mal den Außendurchmesser dA. Der Außenradius r2 der Kehre 26 beträgt vorteilhafterweise 0,19 mal den Außendurchmesser dA. Der
Übergangsradius r3 der Krümmung, mit der der Federarm 20 in den äußeren Rand 22 der Scheibenfeder 18 übergeht, beträgt vorteilhafterweise 0, 16 mal den Außendurchmesser dA .
Je nachdem, um welchen Winkel die Scheibenfeder 18 um den Mittelpunkt bzw. die Längsachse L der Spule 2 gedreht wird, ist die Position der Mittelpunkte der genannten Krümmungen, von denen die Radien τ , r2 und r3 starten, jeweils verschieden. Die relative Position der Mittelpunkte zueinander bleibt jedoch naturgemäß gleich. Bei einer bestimmten Winkelposition lassen sich drei Mittelpunkte vorteilhafterweise durch folgende Maße beschreiben. Der Mittelpunkt einer Innenkrümmung einer Kehre 26 eines ersten Federarms 20 ist in einer Draufsicht um 0,16 Außendurchmesser dA nach rechts und um 0,14 Außendurchmesser dA nach unten verschoben. Gleichzeitig ist der Mittelpunkt eines Außenradius r2 eines zweiten Federarms 20 um 0,18 Außendurchmesser dA nach links und um 0,04 Außendurchmesser dA nach unten verschoben. Der Mittelpunkt der Krümmung mit dem Übergangsradius r3 des dritten Federarms 20 ist gleichzeitig um 0, 11
Außendurchmesser dA nach links und um 0,28 Außendurchmesser dA nach oben verschoben. Auf diese Weise sind die drei Mittelpunkte relativ zueinander eindeutig bestimmt. Jeder Federarm 20 verfügt zwischen der Kehre 26 und dem äußeren Rand 22 der
Scheibenfeder 18 vorteilhafterweise über einen linearen Bereich konstanter Breite b. Diese Breite b beträgt vorteilhafterweise 0,11 Außendurchmesser dA. Die Länge des geraden Bereichs des Federarms 20 beträgt an der Innenseite, also an der Seite des Federarms 20, die der Mittelscheibe 24 zugewandt ist, 0,43 Außendurchmesser dA. Der Winkel oc zwischen dem geraden Bereich eines ersten Federarms 20 und dem benachbarten Federarm 20 beträgt vorteilhafterweise 11,9°. Die Federdicke, also die Ausdehnung der
Scheibenfeder 18 in bezüglich der Längsrichtung L axialer Richtung beträgt
vorteilhafterweise zwischen 0,4 mm und 0,7 mm.
Bezugszeichenliste
L Längsachse
d Ausdehnung
D Ausdehnung
dA Außendurchmesser
n Innenradius
r2 Außenradius
Γ3 Übergangsradius
b Breite
α Winkel
1 Aktor
2 Spule
4 erstes Leitelement
4a Abstandselement bzw. Vorsprung des ersten Leitelements
6 kragenartiger Vorsprung
7 kragenartiger Vorsprung
8 Magnet
10 zweites Leitelement
10a Abstandselement bzw. Vorsprung des zweiten Leitelements
12 Stirnfläche
14 Stirnfläche
16 Feder
18 Scheibenfeder
20 Federarm
22 äußerer Rand
24 Mittel scheibe
26 Kehre

Claims

Patentansprüche
1. Aktor (1) mit einer elektrisch leitenden Spule (2), die eine Längsachse L und eine Mehrzahl von Windungen aufweist, und wenigstens einem Magneten (8), der von den Windungen der Spule (2) in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung beabstandet angeordnet ist, wobei die Spule (2) auf einer dem Magneten (8) abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines ersten Leitelements (4) und der wenigstens eine Magnet (8) auf einer den Windungen der Spule (2) abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines zweiten Leitelements (10) zumindest teilweise überdeckt wird, wobei das erste Leitelement (4) die Spule (2) und das zweite Leitelement (10) den wenigstens einen Magneten (8) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung überragen und dort jeweils kragenartige Vorsprünge aufweisen (6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (4) und/oder das zweite Leitelement (10) aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht.
2. Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (4) und/oder das zweite Leitelement (10) in ihrem mittleren Bereich in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung eine Ausdehnung a aufweist, die kleiner als 3 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm ist.
3. Aktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kragenartigen Vorsprünge (6) des ersten Leitelements (4) in bezüglich der Längsrichtung L axialer Richtung eine Ausdehnung d aufweisen und dass die kragenartigen Vorsprünge (7) des zweiten Leitelements (10) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung eine Ausdehnung D aufweisen, wobei das Ausdehnungsverhältnis d/D zwischen 0,6 und 0,8 liegt.
4. Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Magnet (8) ringförmig um die Spule (2) angeordnet ist.
5. Aktor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leitelement (10) ringförmig um den wenigstens einen Magneten (8) angeordnet ist und aus mehreren Teilen, insbesondere aus zwei Halbschalen, besteht.
6. Aktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) ringförmig um den wenigstens einen Magneten (8) angeordnet ist.
7. Aktor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (4) ringförmig um die Spule (2) angeordnet ist und aus mehreren Teilen, insbesondere zwei Halbschalen, besteht.
8. Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Magnet (8) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung eine größere Ausdehnung aufweist, als die Spule (2) und die Spule (2) um 2 mm bis 5 mm, bevorzugt um 3 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt um 4 mm überragt.
9. Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kragenartigen Vorsprünge (6) des ersten Leitelements (4) den wenigstens einen Magneten (8) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung um 1 mm bis 3 mm, bevorzugt um 2 mm überragen.
10. Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (4) und/oder das zweite Leitelement (10) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung wenigstens einen Vorsprung (4a, 10a) aufweist bzw. aufweisen, der mit ihm bzw. ihnen einteilig ausgebildet ist.
11. Aktor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (4a, 10a) in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung von der Stirnfläche (12, 14) des ersten und/oder zweiten Leitelements (4, 10) zurückversetzt ausgebildet ist. Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) und das erste Leitelement (4) oder der wenigstens eine Magnet (8) und das zweite Leitelement (10) auf wenigstens einer mehrarmigen Scheibenfeder (18) federnd gelagert ist.
PCT/EP2011/061940 2010-10-01 2011-07-13 Aktor Ceased WO2012041550A1 (de)

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