Title:
Elektrodynamischer Aktor
Document Type and Number:
Kind Code:
C5

Abstract:

Mikroventil oder Mikropumpe, umfassend einen elektrodynamischen Aktor mit
einer Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und
einem relativ zur Magnetanordnung beweglichen Stellglied,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine bestrombare Luftspule (22) mit einem vielfach um ein nicht-weichmagnetisches Material gewickelten Draht aufweist, die im Magnetfeld angeordnet ist und fest an einen Spulenträger (20) aus einem nicht-magnetischen Material gekoppelt ist,
wobei das Stellglied um eine zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder parallele Drehachse (D) schwenkbar gelagert ist.





Inventors:
Reiter, Cyril (74653, Ingelfingen, DE)
Fuchs, Maik (01309, Dresden, DE)
Dierks, Johannes (74613, Öhringen, DE)
Schröder, Raoul, Dr. (74632, Neuenstein, DE)
Application Number:
DE102013110029A
Publication Date:
03/16/2017
Filing Date:
09/12/2013
Assignee:
Bürkert Werke GmbH, 74653 (DE)
International Classes:
H01F7/06; H01F7/122; H01F5/00; F16K31/06; F04B43/04
Domestic Patent References:
DE102011117838A1N/A2012-05-16
DE102010050754A1N/A2012-05-10
DE202004012046U1N/A2005-12-22
DE10330460A1N/A2005-01-27
Foreign References:
CH665509A51988-05-13
62577052001-07-10
200201587272002-10-31
44980231985-02-05
47077541987-11-17
EP15423452010-04-21
EP20033262010-04-21
EP22707792012-03-14
EP22757292011-01-19
WO2009097868A12009-08-13
WO2010066459A12010-06-17
JPH5321621A
JPH05321621A1993-12-07
Other References:
Vorlesungsscript Prof. A. Büngers: "Aktorik", TH Mittelhessen, SS 2012, Bl. 1, 2, 95 und 96
Wikipedia-Auszug "Inductor", englische Version vom 25.08.2013, S. 1 - 14 [recherchiert am 26.10.2016]
Attorney, Agent or Firm:
Prinz & Partner mbB Patentanwälte Rechtsanwälte, 80335, München, DE
Claims:
1. Mikroventil oder Mikropumpe, umfassend einen elektrodynamischen Aktor mit
einer Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und
einem relativ zur Magnetanordnung beweglichen Stellglied,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine bestrombare Luftspule (22) mit einem vielfach um ein nicht-weichmagnetisches Material gewickelten Draht aufweist, die im Magnetfeld angeordnet ist und fest an einen Spulenträger (20) aus einem nicht-magnetischen Material gekoppelt ist,
wobei das Stellglied um eine zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder parallele Drehachse (D) schwenkbar gelagert ist.

2. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Hälfte (22a) der Luftspule (22) in einem ersten Magnetfeld mit einer ersten Hauptrichtung und die zweite Hälfte (22b) der Luftspule (22) in einem zweiten Magnetfeld mit einer zur ersten Hauptrichtung entgegengesetzten zweiten Hauptrichtung angeordnet ist.

3. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspule (22) allgemein die Form eines Ovals mit einer Längsachse hat, vorzugsweise die Form zweier beabstandeter komplementärer Halbkreise mit einem die Halbkreise verbindenden linearen Mittelstück, wobei die Längsachse die Luftspule (22) in die zwei Hälften (22a, 22b) teilt.

4. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung mehrere Permanentmagnete (38, 40, 42, 44) aufweist, deren Längsachsen parallel zur Längsachse der Luftspule (22) verlaufen.

5. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (38, 40, 42, 44) so angeordnet sind, dass einander gegenüberliegenden Permanentmagneten immer entgegengesetzte Pole gegenüberliegen.

6. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Rückstellelement (30, 32; 52), das eine Vorspannung auf das Stellglied ausübt und wenigstens einen Teil einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Wicklungsende der Luftspule und einem elektrischen Anschluss (34, 36) des Aktors bildet.

7. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement wenigstens eine Blattfeder (30, 32) oder Schraubenfeder (52) aufweist.

8. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung und das Stellglied in einem Aktorgehäuse (18) aufgenommen sind, das die Magnetfelder der Magnetanordnung abschirmt.

9. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Jochbleche (48) aus einem weichmagnetischen Material, die die Magnetfelder der Magnetanordnung sowohl verstärken als auch nach außen abschirmen.

10. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Jochbleche (48) ein Aktorgehäuse bilden.

11. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied einen Fortsatz (24) oder eine Wippe (50) aufweist, der bzw. die mit einer Membran (16) oder einem Dichtungselement des Mikroventils oder der Mikropumpe zusammenwirkt.

12. Mikroventil oder Mikropumpe, umfassend einen elektrodynamischen Aktor mit
einer Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und
einem relativ zur Magnetanordnung beweglichen Stellglied,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine bestrombare Luftspule (22) mit einem vielfach um ein nicht-weichmagnetisches Material gewickelten Draht aufweist, die im Magnetfeld angeordnet ist und fest an einen Spulenträger (20) aus einem nicht-magnetischen Material gekoppelt ist,
wobei das Mikroventil bzw. die Mikropumpe ferner ein Rückstellelement (30, 32; 52) umfasst, das eine Vorspannung auf das Stellglied ausübt und wenigstens einen Teil einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Wicklungsende der Luftspule und einem elektrischen Anschluss (34, 36) des Aktors bildet.

13. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Hälfte (22a) der Luftspule (22) in einem ersten Magnetfeld mit einer ersten Hauptrichtung und die zweite Hälfte (22b) der Luftspule (22) in einem zweiten Magnetfeld mit einer zur ersten Hauptrichtung entgegengesetzten zweiten Hauptrichtung angeordnet ist.

14. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied in einer zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder senkrechten Richtung (A) linear beweglich gelagert ist.

15. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied um eine zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder parallele Drehachse (D) schwenkbar gelagert ist.

16. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspule (22) allgemein die Form eines Ovals mit einer Längsachse hat, vorzugsweise die Form zweier beabstandeter komplementärer Halbkreise mit einem die Halbkreise verbindenden linearen Mittelstück, wobei die Längsachse die Luftspule (22) in die zwei Hälften (22a, 22b) teilt.

17. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung mehrere Permanentmagnete (38, 40, 42, 44) aufweist, deren Längsachsen parallel zur Längsachse der Luftspule (22) verlaufen.

18. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (38, 40, 42, 44) so angeordnet sind, dass einander gegenüberliegenden Permanentmagneten immer entgegengesetzte Pole gegenüberliegen.

19. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement wenigstens eine Blattfeder (30, 32) oder Schraubenfeder (52) aufweist.

20. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung und das Stellglied in einem Aktorgehäuse (18) aufgenommen sind, das die Magnetfelder der Magnetanordnung abschirmt.

21. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch Jochbleche (48) aus einem weichmagnetischen Material, die die Magnetfelder der Magnetanordnung sowohl verstärken als auch nach außen abschirmen.

22. Mikroventil oder Mikropumpe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Jochbleche (48) ein Aktorgehäuse bilden.

23. Mikroventil oder Mikropumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied einen Fortsatz (24) oder eine Wippe (50) aufweist, der bzw. die mit einer Membran (16) oder einem Dichtungselement des Mikroventils oder der Mikropumpe zusammenwirkt.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil oder eine Mikropumpe, umfassend einen elektrodynamischen Aktor.

In der Fluidventiltechnik werden häufig elektromagnetische Aktoren eingesetzt. Bei den meisten dieser Aktoren wird ein Anker aus magnetischem Material mittels eines Magnetfeldes bewegt, welches von einer Spule erzeugt wird. Besonders bei gewünschter Miniaturisierung sind die Möglichkeiten, einerseits raumsparend zu konstruieren und andererseits genügend Magnetkraft zur Verfügung zu stellen, begrenzt. Dies liegt daran, dass bei immer kleineren Spulen die erreichbare Magnetfeldstärke stark abnimmt, beziehungsweise der maximal mögliche Strom eingeschränkt ist.

Im Gegensatz dazu hängt die Magnetfeldstärke bei elektrodynamischen Antrieben vom Volumen der im Antrieb eingesetzten Permanentmagnete ab, wobei eine Reduzierung des Volumens der Permanentmagnete sich vergleichsweise weniger stark auf die im Antrieb zur Verfügung stehende Magnetfeldstärke auswirkt als die Reduzierung der Spulengröße bei einem elektromagnetischen Aktor.

Aus der WO 2010/066459 A1 ist ein Mikroventil bzw. eine Mikropumpe mit einem leistungsstarken elektrodynamischen Aktor bekannt, der mit geringer elektrischer Spannung betrieben werden kann. Der Aktor weist ein linear beweglich gelagertes Stellglied mit einer darauf gedruckten spiralförmigen Leiterbahn auf. Eine Magnetanordnung übt bei Bestromung der Leiterbahn eine Lorentzkraft auf das Stellglied mit der spiralförmigen Leiterbahn aus, wodurch dieses ausgelenkt wird. Ein Rückstellelement ist nicht vorgesehen, da die Rückstellung durch eine Umkehr der Stromflussrichtung erreicht werden soll.

Aus der CH 665 509 A5 ist ein elektromechanisch-hydraulisches Aggregat zur Förderung von Flüssigkeiten unter Druck, welches z. B. als Antrieb für ein batteriebetriebenes Fahrzeug dienen könnte, bekannt. Dieses Aggregat besteht aus einem zylindrischen Gleichfeldmagneten, der einen axialen hohlzylindrischen Luftspalt aufweist, in dem axial verschiebbar eine ein- oder mehrlagige zylindrische Spule angeordnet ist. Weiter sind an der Spule Befestigungselemente vorgesehen, die mit einer zur Verschieberichtung der Spule parallelen Stange, welche in Führungseinrichtungen gelagert ist, verbunden sind. Am freien Ende der Stange ist ein Pumpenkolben einer Hydraulikeinrichtung vorgesehen, der in einem Zylinder, in dem zwei Ventile befestigt sind, angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mikroventil oder eine Mikropumpe mit einem effektiven elektrodynamischen Aktor zu schaffen, der kostengünstig herstellbar und insbesondere für Miniaturanwendungen geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Mikroventil oder eine Mikropumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und auch durch ein Mikroventil oder eine Mikropumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mikroventils bzw. der erfindungsgemäßen Mikropumpe sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.

Der elektrodynamische Aktor des erfindungsgemäßen Mikroventils bzw. der erfindungsgemäßen Mikropumpe umfasst eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein relativ zur Magnetanordnung bewegliches Stellglied. Gemäß der Erfindung weist das Stellglied eine bestrombare Luftspule mit einem vielfach um ein nicht-weichmagnetisches Material gewickelten Draht auf, die im Magnetfeld angeordnet ist und fest an einen Spulenträger aus einem nicht-magnetischen Material gekoppelt ist. Gemäß einem ersten grundlegenden Aspekt der Erfindung ist das Stellglied um eine zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder parallele Drehachse schwenkbar gelagert. Gemäß einem unabhängigen zweiten grundlegenden Aspekt der Erfindung ist ein Rückstellelement vorgesehen, das eine Vorspannung auf das Stellglied ausübt und wenigstens einen Teil einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Wicklungsende der Luftspule und einem elektrischen Anschluss des Aktors bildet.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass sich die Lorentzkraft als Antriebskraft für einen Aktor nutzen lässt, wenn das Stellglied des Aktors eine in einem Magnetfeld angeordnete Spule aufweist, die zur Auslenkung des Stellglieds mit Strom beaufschlagt wird. Dieses Konzept wird bei der vorliegenden Erfindung besonders effektiv umgesetzt, indem als Spule eine Luftspule verwendet wird, die fest an einen nicht-magnetischen Spulenträger gekoppelt ist. Eine Luftspule im Sinne der Erfindung ist ein vielfach um ein nicht-weichmagnetisches Material (in der Regel Luft) gewickelter Draht ohne einen weichmagnetischen Kern. Der nicht-magnetische Spulenträger soll nicht magnetisierbar sein und kann z. B. aus Kunststoff gebildet sein. Da der Spulenträger fest an die Luftspule gekoppelt ist, kann er bei entsprechender Gestaltung direkt zu einer Manipulation einer Membran, zur Auslenkung eines Dichtungselements etc. benutzt werden.

Der elektrodynamische Aktor des erfindungsgemäßen Mikroventils bzw. der erfindungsgemäßen Mikropumpe ist sehr leistungsstark. Seine Kraft hängt direkt von der Stromstärke des durch die Luftspule fließenden Stroms, dem Magnetfeld und dem Abstand zwischen Luftspule und Magnetfeld ab. Da der Abstand zwischen Luftspule und Magnetfeld konstant ist, ändert sich die Kraft nicht aufgrund einer Änderung des Hubs. Daher lassen sich große Hübe mit verhältnismäßig großer Kraftübertragung erreichen, während bei herkömmlichen Magnetventilen die zur Verfügung stehende Kraft mit dem Hub stark abnimmt.

Der erfindungsgemäße Aufbau des elektrodynamischen Aktors benötigt nur sehr wenige Bauteile und ermöglicht so sehr kleine Baugrößen, sodass der Aktor in Mikroventilen oder -pumpen eingesetzt werden kann. Beispielsweise lassen sich Ventile realisieren, die nur 7 bis 8,5 mm breit, 12 bis 14 mm lang und 22 bis 35 mm hoch sind. Es können erfindungsgemäß sogar Ventile mit einer Breite von nur 4 mm hergestellt werden. Es ist auch möglich, innerhalb eines Aktors mehrere Luftspulen und Magnetanordnungen übereinander zu stapeln, was bei vorgegebener Leistung noch schmalere Abmessungen bezüglich der Grundfläche erlaubt (die Bauhöhe ist in der Ventiltechnik häufig nicht (so) relevant). Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Aufbaus mit wenigen Bauteilen sind die kostengünstige Fertigung und die vernachlässigbaren Toleranzprobleme, insbesondere bezüglich des Arbeitshubs. Außerdem ist der elektrodynamische Aktor des erfindungsgemäßen Mikroventils bzw. der erfindungsgemäßen Mikropumpe im Vergleich zu einem einfachen elektromagnetischen Aktor sehr leise während des Schaltvorgangs, weil es in den Endstellungen des Stellglieds keinen Metall-auf-Metall-Anschlag gibt. Ein weiterer Vorteil des elektrodynamischen Aktors des erfindungsgemäßen Mikroventils bzw. der erfindungsgemäßen Mikropumpe ist, dass er sowohl in Schwarz-Weiß-Ventilen als auch in Proportionalventilen verwendet werden kann, ohne dass konstruktive Veränderungen, wie z. B. bei elektromagnetischen Antrieben das Einbringen eines Schubkonus, vorgenommen werden müssen. Ein Proportionalventil ist einfach realisierbar, da der Hub direkt zur Stromstärke proportional ist.

Besonders bevorzugt ist eine Aufbauanordnung, bei der eine erste Hälfte der Luftspule in einem ersten Magnetfeld mit einer ersten Hauptrichtung und die zweite Hälfte der Luftspule in einem zweiten Magnetfeld mit einer zur ersten Hauptrichtung entgegengesetzten zweiten Hauptrichtung angeordnet ist. In einer solchen Konfiguration kann die unterschiedliche Polarität (Nord-/Südpol) von nebeneinander angeordneten Permanentmagneten effektiv dazu genutzt werden, um einen großen Teil der Wicklungsabschnitte für die Erzeugung der Antriebskraft nutzbar zu machen. Da in den Wicklungshälften der Luftspule der Strom großteils in entgegengesetzten Richtungen fließt, wird in beiden Fällen eine Lorentzkraft erzeugt, die in die gleiche Richtung wirkt, sodass daraus eine große Gesamtantriebskraft resultiert.

In einer bezüglich des zweiten grundlegenden Aspekts der Erfindung ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stellglied in einer zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder senkrechten Richtung linear beweglich gelagert. Abhängig von der bzw. den Stromflussrichtungen in den zur Krafterzeugung genutzten Wicklungsabschnitten der Luftspule sollte die Richtung der linearen Lagerung zudem so gewählt werden, dass sie mit der (Haupt-)Richtung der Lorentzkraft übereinstimmt. So kann die Lorentzkraft ohne Verluste am effektivsten als Antriebskraft genutzt werden. Ein solcher Aufbau eignet sich besonders für das Öffnen und Schließen eines einzelnen Ventilsitzes.

Gemäß dem ersten grundlegenden Aspekt der Erfindung bzw. in einer bezüglich des zweiten grundlegenden Aspekts der Erfindung zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stellglied um eine zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder parallele Drehachse schwenkbar gelagert. Hier wird die Lorentzkraft optimal als Antriebskraft für eine Schwenkbewegung genutzt. Ein solcher Aufbau eignet sich besonders für das wechselseitige Öffnen und Schließen von zwei nebeneinander angeordneten Ventilsitzen.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Luftspule, die allgemein die Form eines Ovals mit einer Längsachse hat, vorzugsweise die Form zweier beabstandeter komplementärer Halbkreise mit einem die Halbkreise verbindenden linearen Mittelstück, wobei die Längsachse die Luftspule in die zwei Hälften teilt, die von den entgegengesetzt orientierten Magnetfeldern durchsetzt werden. Eine ovale Form der Luftspule hat den Vorteil, dass größere Wicklungsabschnitte als bei einer kreisförmigen Spule zur Krafterzeugung beitragen. Dadurch steht in der Bewegungsrichtung des Stellglieds mehr Kraft zur Verfügung. Grundsätzlich können aber auch kreisförmige oder eckige Spulen verwendet werden.

Die Magnetanordnung weist vorzugsweise mehrere Permanentmagnete auf. Deren Magnetfelder lassen sich am effektivsten nutzen, wenn die Permanentmagnete so angeordnet sind, dass ihre Längsachsen parallel zur Längsachse der Luftspule verlaufen.

Außerdem sollten die Permanentmagnete so angeordnet sein, dass einander gegenüberliegenden Permanentmagneten immer entgegengesetzte Pole gegenüberliegen.

Gemäß dem zweiten grundlegenden Aspekt der Erfindung ist ein Rückstellelement vorgesehen, das eine Vorspannung auf das Stellglied ausübt und wenigstens einen Teil einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Wicklungsende der Luftspule und einem elektrischen Anschluss des Aktors bildet. Das Rückstellelement erfüllt somit eine Doppelfunktion, indem es zum einen das Stellglied in eine bestimmte Schaltstellung oder Betriebsstellung vorspannt und zum anderen eine ansonsten erforderliche Drahtverbindung oder dergleichen überflüssig macht.

Alternativ kann die Kontaktierung aber auch über eine Drahtverbindung erfolgen. In diesem Fall muss darauf geachtet werden, dass die Flexibilität der Drahtenden gewährleistet ist, da diese sich während des Schaltvorgangs mitbewegen. Dazu können die Drahtenden beispielsweise mit einer Beschichtung aus PTFE versehen werden.

Als Rückstellelement eignet sich beispielsweise eine Blattfeder oder eine Schraubenfeder. Es können auch mehrere Federelemente zusammen ein Rückstellelement bilden.

Die Magnetanordnung und das Stellglied des elektrodynamischen Aktors des erfindungsgemäßen Mikroventils bzw. der erfindungsgemäßen Mikropumpe können in einem Aktorgehäuse aufgenommen sein, das die Magnetfelder der Magnetanordnung abschirmt. Dadurch lassen sich Störungen benachbarter elektrischer und/oder magnetischer Einrichtungen vermeiden.

Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung sind beim elektrodynamischen Aktor Jochbleche aus einem weichmagnetischen Material vorgesehen, die eine Doppelfunktion erfüllen: Zum einen verstärken sie die Magnetfelder der Magnetanordnung, zum anderen schirmen sie die Magnetfelder nach außen ab. Die Verwendung solcher Jochbleche erlaubt es, ein Aktorgehäuse aus Kunststoff vorzusehen, falls eine stärkere Abschirmung nicht notwendig ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Jochbleche aus weichmagnetischem Material mit Magnetfeldverstärkungs- und Abschirmeigenschaften das Gehäuse des Aktors.

Im Hinblick auf einen möglichst kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Mikroventils bzw. der erfindungsgemäßen Mikropumpe kann das Stellglied vorteilhaft einen Fortsatz oder eine Wippe aufweisen, der bzw. die mit einer Membran oder einem bzw. zwei Dichtungselementen des Mikroventils bzw. der Mikropumpe zusammenwirkt. Der Fortsatz oder die Wippe lassen sich insbesondere zum Öffnen und Schließen eines oder zweier Ventilsitze nutzen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Mikroventils mit einem elektrodynamischen Aktor nach einer ersten Ausführungsform;

2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1;

3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 1;

4 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Mikroventils mit einem elektrodynamischen Aktor nach einer zweiten Ausführungsform;

5 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 4; und

6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 4.

In den 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform eines Mikroventils 10 mit einem elektrodynamischen Aktor dargestellt. Der elektrodynamische Aktor ist auf ein zweiteiliges Fluidgehäuse 12a, 12b aufgesetzt, in dem ein Ventilsitz 14 gebildet ist. Eine zwischen den Gehäusehälften 12a, 12b eingespannte Membran 16 kann den Ventilsitz 14 mithilfe des elektrodynamischen Aktors entweder öffnen oder verschließen.

Der elektrodynamische Aktor umfasst ein Aktorgehäuse 18, in dem ein bewegliches Stellglied und eine unbewegliche Magnetanordnung aufgenommen sind. Das Stellglied ist im Wesentlichen aus einem Spulenträger 20 aus einem nicht-magnetischen Material und einer im Spulenträger 20 angeordneten Luftspule 22 gebildet. Der Spulenträger 20 umgreift die Luftspule 22 und ist linear in einer Richtung A beweglich gelagert. Ein Fortsatz 24 des Spulenträgers 20 ragt in eine Ausnehmung der oberen Hälfte 12a des Fluidgehäuses und wirkt mit der Membran 16 zusammen.

Die Luftspule 22 ist fest mit dem Spulenträger 20 verbunden, d. h. der Spulenträger 20 und die Luftspule 22 bewegen sich immer gemeinsam. Die Luftspule 22 umfasst eine Vielzahl von Wicklungen um einen nicht-weichmagnetischen Kern 26 (Luft oder ein anderes nicht-magnetisches Material). Die Wicklungen geben der Luftspule 22 insgesamt eine im Wesentlichen ovale Form mit einer zur Mittelachse der Luftspule senkrechten Längsachse. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Luftspule 22 die Form zweier beabstandeter komplementärer Halbkreise mit einem die Halbkreise verbindenden linearen Mittelstück und einer in einer Richtung B orientierten Längsachse, die senkrecht zur Bewegungsrichtung A des Stellglieds steht.

Wie in 3 zu erkennen ist, sind die Enden 28 der Wicklungen elektrisch leitend mit einem Rückstellelement verbunden, das selbst elektrisch leitfähig ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rückstellelement aus zwei separaten gebogenen Blattfedern 30, 32 gebildet, von denen je eine mit einem elektrischen Anschluss 34 bzw. 36 verbunden ist. Anstelle der Blattfedern 30, 32 können alternativ auch elektrisch leitfähige Spiralfedern, Schraubenfedern oder dergleichen eingesetzt werden. Das Rückstellelement übt auf den Spulenkörper 20 eine Vorspannung in der Richtung A nach unten aus.

Die beiden elektrischen Anschlüsse 34, 36 ragen aus dem Aktorgehäuse 18 nach außen und sind fest an diesem angebracht. Die elektrischen Anschlüsse 34, 36 sind mit einer Steuerschaltung zur Betätigung des elektrodynamischen Aktors verbunden.

Die Magnetanordnung ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus vier Permanentmagneten 38, 40, 42, 44 gebildet, die hier alle gleich dimensioniert sind. Auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Längsspalts 46, in dem sich das Stellglied befindet, sind jeweils zwei Permanentmagnete 38, 40 bzw. 42, 44 übereinander angeordnet. Zwischen den beiden Permanentmagneten 38, 40 bzw. 42, 44 auf jeder Seite kann noch ein Querspalt vorgesehen sein.

Die Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 sind im Wesentlichen quaderförmig, wobei die Längsachsen der Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 parallel zur Längsachse der Luftspule 22 verlaufen. Die Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 sind so orientiert, dass sich in den Richtungen A und in der zu den Richtungen A und B senkrechten Richtung C immer entgegengesetzte Pole (N, S) gegenüberliegen.

Wesentlich bei der Anordnung und Orientierung der Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 ist, dass sich zwei übereinander (bezüglich der Bewegungsrichtung A) angeordnete Magnetfelder mit entgegengesetzter Ausrichtung ausbilden. Die entgegengesetzten Hauptrichtungen der Magnetfelder sind senkrecht zu den Richtungen A und B orientiert, d. h. die Feldlinien der beiden Magnetfelder sollen den Längsspalt 46 jeweils möglichst in der zu den Richtungen A und B senkrechten Richtung C durchqueren, die parallel zur Mittelachse der Luftspule 22 ist.

In der in den 1 bis 3 gezeigten Ausgangsstellung des Stellglieds durchdringt das obere Magnetfeld der Permanentmagneten 40 und 44 die obere Hälfte der Luftspule 22, während das untere Magnetfeld der Permanentmagneten 38 und 42 die untere Hälfte der Luftspule 22 durchdringt.

Zur Verstärkung der im Längsspalt 46 wirkenden Magnetfelder sind die übereinander angeordneten Permanentmagnete 38, 40 bzw. 42, 44 auf ihren vom Längsspalt 46 abgewandten Seiten jeweils über ein Jochblech 48 magnetisch miteinander gekoppelt. Die Jochbleche 48 bilden jeweils einen magnetischen Rückschluss. Die Jochbleche 48 können aus Eisen oder einem anderen weichmagnetischen Material gebildet sein.

Bei einer Beaufschlagung der Luftspule 22 über die elektrischen Anschlüsse 34, 36 mit Strom ist die Stromflussrichtung in der oberen Hälfte 22a der Luftspule 22 der Stromflussrichtung in der unteren Hälfte 22b entgegengesetzt. Somit steht die Stromflussrichtung in der oberen Luftspulenhälfte 22a genauso senkrecht zur Richtung des oberen Magnetfelds wie die Stromflussrichtung in der unteren Luftspulenhälfte 22b zur Richtung des unteren Magnetfelds. Gemäß der sogenannten „Drei-Finger-Regel” wirkt deshalb auf beide Luftspulenhälften 22a, 22b eine Lorentzkraft in derselben Richtung. Dies führt dazu, dass die Luftspule 22 zusammen mit dem Spulenträger 20 als Stellglied eine Bewegung in Richtung A ausführt. Abhängig von der Polung der elektrischen Anschlüsse 34, 36 und der Orientierung der Magnetfelder erfolgt die Auslenkung des Stellglieds nach oben oder nach unten.

Die insgesamt auf das Stellglied wirkende Kraft ist abhängig von der Stärke der Magnetfelder, von der Gesamtlänge der zur Krafterzeugung nutzbaren stromdurchflossenen Wicklungen der Luftspule 22 in den Magnetfeldern, von der Stromstärke und von der Größe des Längsspalts 46 zwischen den Permanentmagneten 38, 40 und 42, 44.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist im stromlosen Ausgangszustand das Stellglied durch das Rückstellelement in Form der Blattfedern 30, 32 nach unten vorgespannt, sodass der Fortsatz 24 die Membran 16 auf den Ventilsitz 14 drückt und diesen verschließt. Wird ein Gleichstrom in der „richtigen” Polung an die elektrischen Anschlüsse 34, 36 angelegt, wirkt eine nach oben gerichtete Lorentzkraft auf die Luftspule 22. Dadurch wird das Stellglied entgegen der Vorspannung linear in Richtung A angehoben, sodass der Fortsatz 24 die Membran 16 nicht mehr auf den Ventilsitz 14 drückt. Der Ventilsitz 14 ist damit geöffnet, so dass eine fluidische Verbindung zwischen einem Ventileinlass und einem Ventilauslass besteht. Sobald der Strom abgeschaltet wird, entfällt die Lorentzkraft, und das Rückstellelement drückt das Stellglied wieder zurück in den Ausgangszustand.

Das Rückstellelement erfüllt dabei eine Doppelfunktion: Zum einen übt es eine Vorspannung auf das Stellglied aus, zum anderen dient es als elektrische Verbindung zwischen den Wicklungsenden 28 der Luftspule 22 und den elektrischen Anschlüssen 34, 36.

Anstelle der Membran 16 kann auch ein mit dem Fortsatz 24 verbundenes oder an diesen gekoppeltes Dichtungselement vorgesehen sein, das einen Ventilsitz verschließen oder öffnen kann. In diesem Fall kann der Ventilsitz in einem einteiligen Fluidgehäuse angeordnet sein.

Es ist auch möglich, zwei oder mehr Luftspulen übereinander anzuordnen, wobei dann für jede Luftspulenhälfte ein geeignetes Magnetfeld vorgesehen sein sollte.

In den 4 bis 6 ist eine zweite Ausführungsform eines Mikroventils 10' mit einem elektrodynamischen Aktor dargestellt. Für (funktions-)gleiche Bauteile wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Es wird insoweit auf die obigen Ausführungen verwiesen und nachfolgend vornehmlich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform eingegangen.

Der elektrodynamische Aktor ist wiederum auf ein zweiteiliges Fluidgehäuse 12a, 12b aufgesetzt, in dem aber zwei nebeneinanderliegende Ventilsitze 14a, 14b gebildet sind. Die Ventilsitze 14a, 14b können von einer zwischen den Gehäusehälften 12a, 12b eingespannten Membran 16 wechselseitig geöffnet oder verschlossen werden.

Im Aktorgehäuse 18 ist das im Wesentlichen aus einem Spulenträger 20 aus einem nicht-magnetischen Material und einer fest mit dem Spulenträger 20 verbundenen Luftspule 22 gebildete Stellglied schwenkbar um eine Drehachse D gelagert. Der Spulenträger 20 ist mit einer Wippe 50 verbunden oder geht einstückig in eine Wippe 50 über. Die Wippe 50 ist als zweiarmiger Betätigungshebel ausgebildet, der mit der Membran 16 zusammenwirkt.

Die Längsachse der wiederum in Form zweier beabstandeter komplementärer Halbkreise mit einem die Halbkreise verbindenden linearen Mittelstück vorliegenden Luftspule 22 erstreckt sich im Gegensatz zur ersten Ausführungsform hier in der zur Drehachse D senkrechten und zur Mittelachse der Luftspule 22 parallelen Richtung A. Dementsprechend sind hier auch die Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 anders angeordnet und orientiert. Auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des Längsspalts 46 sind jeweils zwei Permanentmagnete 38, 40 bzw. 42, 44 in einer zu den Richtungen A und C senkrechten Richtung B nebeneinander angeordnet. Die Längsachsen der quaderförmigen Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 verlaufen parallel zu der Längsachsenrichtung A der Luftspule 22. Die Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 sind wiederum so orientiert, dass sich in den Richtungen B und C immer entgegengesetzte Pole (N, S) gegenüberliegen.

Bezüglich der Richtung B bilden sich so zwei nebeneinander angeordnete Magnetfelder mit entgegengesetzter Ausrichtung (entgegengesetzte Hauptrichtungen) aus, deren Feldlinien den Längsspalt 46 jeweils größtenteils in der zur Drehachse D parallelen Richtung C durchqueren.

Der Einfachheit halber wird nachfolgend bei Richtungsangaben (links, rechts etc.), soweit nicht anders angegeben, auf die Darstellung der 5 Bezug genommen. Demnach durchdringt das linke Magnetfeld der Permanentmagneten 38, 42 die linke Hälfte 22a der Luftspule 22, während das rechte Magnetfeld der Permanentmagneten 40, 44 die rechte Hälfte 22b der Luftspule 22 durchdringt. Jochbleche 48 verstärken diese Magnetfelder.

Wie in 6 zu erkennen ist, sind die Enden 28 der Wicklungen elektrisch leitend über zwei Schraubenfedern 52, 54 mit den fest am Aktorgehäuse 18 angebrachten elektrischen Anschlüssen 34, 36 verbunden. Die elektrisch leitfähigen Schraubenfedern 52, 54 stützen sich jeweils einerseits an einem nach innen ragenden Gehäusevorsprung 56 und andererseits an einem der Arme 58, 60 der Wippe 50 ab. Eine erste der beiden Schraubenfedern 52, 54 ist stärker ausgelegt als die zweite und übernimmt so die Funktion eines Rückstellelements.

Im stromlosen Ausgangszustand des elektrodynamischen Aktors drückt die stärker ausgelegte erste Schraubenfeder 52 den zugeordneten ersten Wippenarm 58 nach unten, sodass das Stellglied die am besten in den 5 und 6 zu sehende verschwenkte Stellung einnimmt. In dieser Stellung drückt der erste Wippenarm 58 den bezüglich 5 linken Teil der Membran 16 auf den zugeordneten ersten Ventilsitz 14a und verschließt diesen, während gleichzeitig der vom rechten Teil der Membran 16 entfernte zweite Wippenarm 60 den zweiten Ventilsitz 14b freigibt.

Bei einer Beaufschlagung der Luftspule 22 über die elektrischen Anschlüsse 34, 36 mit Gleichstrom sind hier die Stromflussrichtungen in der linken und rechten Hälfte 22a, 22b der Luftspule 22 genauso entgegengesetzt wie die Richtungen des linken und des rechten Magnetfelds. Bei „richtiger” Polung der angelegten Spannung wirkt daher auf beide Luftspulenhälften 22a, 22b eine nach rechts gerichtete Lorentzkraft. Dadurch wird das Stellglied gegen die Vorspannung der ersten Schraubenfeder 52 im Uhrzeigersinn um die Drehachse D verschwenkt. Infolgedessen drückt nicht mehr der erste Wippenarm 58 auf den linken Teil der Membran 16, sondern der zweite Wippenarm 60 auf den rechten Teil der Membran 16. Somit wird der erste Ventilsitz 14a geöffnet und der zweite Ventilsitz 14b verschlossen. Sobald der Strom abgeschaltet wird, entfällt die Lorentzkraft, und das Rückstellelement in Form der ersten Schraubenfeder 52 drückt das Stellglied wieder zurück in den Ausgangszustand.

Hier erfüllt die erste Schraubenfeder 52 eine Doppelfunktion als Rückstellelement und als elektrische Verbindung zwischen einem der Wicklungsenden 28 der Luftspule 22 und einem der elektrischen Anschlüsse 34, 36.

Anstelle der Membran 16 können auch mit den Wippenarmen 58, 60 verbundene oder an diese gekoppelte Dichtungselemente vorgesehen sein, die einen Ventilsitz verschließen oder öffnen. In diesem Fall können die Ventilsitze in einem einteiligen Fluidgehäuse gebildet sein.

Bei allen Ausführungsformen kann das Aktorgehäuse 18 selbst als Abschirmgehäuse aus einem geeigneten Material gebildet sein, um die Magnetfelder der Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 nach außen abzuschirmen und um Beeinträchtigungen der Magnetfelder zu vermeiden. Das Aktorgehäuse 18 kann aber auch z. B. aus Kunststoff gebildet sein, wenn darin Schirmbleche zur Abschirmung der Magnetfelder aufgenommen sind. Idealerweise übernehmen die Jochbleche 48 die Abschirmfunktion. Als Material für die Jochbleche zur Abschirmung und gleichzeitigen Verstärkung der Magnetfelder der Permanentmagnete 38, 40, 42, 44 eignen sich beispielsweise FeNi-Legierungen (optimal ist dabei ein Verhältnis Fe:Ni = 50:50) oder FeCo-Legierungen.

Die Luftspule 22 muss nicht zwingend die Form wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen haben; sie kann allgemein ovalförmig, kreisförmig oder auch rechteckig sein. Die Luftspule 22 muss auch nicht zwingend in einem Spulenträger 20 aufgenommen sein; sie kann auch auf einem Spulenträger angeordnet sein.

Der anhand von zwei beispielhaften Ausführungsformen beschriebene elektrodynamische Aktor kann in der Fluidik auch anderweitig eingesetzt werden, beispielsweise in einer Mikropumpe.

Bezugszeichenliste

10, 10'
Mikroventil
12a, 12b
Fluidgehäusehälften
14
Ventilsitz
14a, 14b
Ventilsitze
16
Membran
18
Aktorgehäuse
20
Spulenträger
22
Luftspule
22a, 22b
Luftspulenhälften
24
Fortsatz
26
Kern
28
Wicklungsende
30
Blattfeder
32
Blattfeder
34
elektrischer Anschluss
36
elektrischer Anschluss
38
Permanentmagnet
40
Permanentmagnet
42
Permanentmagnet
44
Permanentmagnet
46
Längsspalt
48
Jochblech
50
Wippe
52
erste Schraubenfeder
54
zweite Schraubenfeder
56
Gehäusevorsprung
58
erster Wippenarm
60
zweiter Wippenarm