Title:
Stromlos monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung und Verwendung einer solchen
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Stromlos monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer relativ zu stationären Spulenmitteln (28, 50, 36) und als Reaktion auf eine Bestromung derselben entlang einer Bewegungslängsachse (10) zwischen mindestens zwei Stellpositionen bewegbaren, Permanentmagnetmittel (16) aufweisenden Ankereinheit (12), die einen An- oder Eingriffsabschnitt (26) zum Zusammenwirken mit einem Stellpartner anbietenden Stößelabschnitt (22) aufweist und die aus einer durch Wirkung der Permanentmagnetmittel stromlos stabilen ersten der Stellpositionen gegen eine rückstellende Kraft von Kraftspeichermitteln (44), insbesondere Federmitteln, in eine zweite der Stellpositionen verbracht werden kann, wobei die Spulenmittel eine erste Spuleneinheit (28) aufweisen, die zum Bewirken einer die Ankereinheit aus der ersten Stellposition lösenden Kraft auf die Ankereinheit beschaltet oder beschaltbar ist, wobei
die Spulenmittel eine zusätzlich zur ersten Spuleneinheit vorgesehene zweite Spuleneinheit (36) aufweisen, die so beschaltet oder beschaltbar ist, dass die zweite Spuleneinheit bei dem Verbringen eine die Ankereinheit beschleunigende Kraft auf die Ankereinheit bewirkt, und wobei die Spulenmittel Rückstellspulenmittel (50; 28, 36) aufweisen, die so ausgebildet und/oder beschaltet sind, dass sie bei einem Zurückführen der Ankereinheit aus der zweiten in die erste Stellposition die rückstellende Kraft der Kraftspeichermittel verstärken.





Inventors:
Fangauer, Philipp (78465, Konstanz, DE)
Vincon, Peter (78333, Stockach, DE)
Application Number:
DE102016106805A
Publication Date:
10/19/2017
Filing Date:
04/13/2016
Assignee:
ETO MAGNETIC GmbH, 78333 (DE)
International Classes:
H01F7/122; F16H63/34; H01F7/16
Domestic Patent References:
DE102010050382A1N/A2011-06-30
DE20114466U1N/A2002-01-03
Foreign References:
201102488042011-10-13
WO2011026553A12011-03-10
Other References:
Auszug aus einem Buch, E. Kallenbach et al., Elektromagnete, 4. Auflage, Wiesbaden, Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien GmbH, 2012, Seite 296, ISBN 978-3-8348-0968-1
Attorney, Agent or Firm:
Patentanwälte Behrmann Wagner Partnerschaftsgesellschaft mbB, 78224, Singen, DE
Claims:
1. Stromlos monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit
einer relativ zu stationären Spulenmitteln (28, 50, 36) und als Reaktion auf eine Bestromung derselben entlang einer Bewegungslängsachse (10) zwischen mindestens zwei Stellpositionen bewegbaren, Permanentmagnetmittel (16) aufweisenden Ankereinheit (12),
die einen An- oder Eingriffsabschnitt (26) zum Zusammenwirken mit einem Stellpartner anbietenden Stößelabschnitt (22) aufweist
und die aus einer durch Wirkung der Permanentmagnetmittel stromlos stabilen ersten der Stellpositionen gegen eine rückstellende Kraft von Kraftspeichermitteln (44), insbesondere Federmitteln, in eine zweite der Stellpositionen verbracht werden kann,
wobei die Spulenmittel eine erste Spuleneinheit (28) aufweisen, die zum Bewirken einer die Ankereinheit aus der ersten Stellposition lösenden Kraft auf die Ankereinheit beschaltet oder beschaltbar ist, wobei
die Spulenmittel eine zusätzlich zur ersten Spuleneinheit vorgesehene zweite Spuleneinheit (36) aufweisen, die so beschaltet oder beschaltbar ist, dass die zweite Spuleneinheit bei dem Verbringen eine die Ankereinheit beschleunigende Kraft auf die Ankereinheit bewirkt,
und wobei die Spulenmittel Rückstellspulenmittel (50; 28, 36) aufweisen, die so ausgebildet und/oder beschaltet sind, dass sie bei einem Zurückführen der Ankereinheit aus der zweiten in die erste Stellposition die rückstellende Kraft der Kraftspeichermittel verstärken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Ankereinheit an der zweiten Stellposition wirkende rückstellende Kraft der Kraftspeichermittel größer ist als eine permanentmagnetische Haftkraft der Permanentmagnetmittel (16) an der zweiten Stellposition.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellspulenmittel als zusätzliche Spuleneinheit (50) realisiert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Spuleneinheit im Bereich der zweiten Stellposition vorgesehen und/oder auf die Ankereinheit rückstellend wirksam ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Spuleneinheit (50) der zweiten Spuleneinheit (36) insbesondere axial benachbart, bevorzugt auf einem gemeinsamen Spulenträger vorgesehen, und/oder magnetisch mit einem der zweiten Spuleneinheit zugeordneten stationären Kernabschnitt (42) zusammenwirkend vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Spuleneinheit und der zweiten Spuleneinheit Bestromungsmittel so vorgeschaltet oder vorschaltbar sind, dass bei in der zweiten Stellposition befindlicher Ankereinheit eine fortgesetzte Bestromung der ersten und der zweiten Spuleneinheit erfolgt, welche eine gegenüber einer während des Verbringens in die zweite Stellposition folgenden Bestromung eine niedrigere, insbesondere um mindestens 20%, weiter bevorzugt um mindestens 40%, abgesenkte Stromstärke in die erste und zweite Spuleneinheit einbringt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellspulenmittel durch die erste und/oder zweite Spuleneinheit realisiert sind und auf diese Spuleneinheit(en) wirkende Umpolmittel (6066) aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftspeichermittel als auf die Ankereinheit insbesondere im Bereich des Eingriffsabschnitts wirkende Druckfeder (44) realisiert sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder über Umlenkmittel (46), insbesondere über einen Kipphebel, an die Ankereinheit von extern angreift.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder in ein Gehäuse der elektromagnetischen Stellvorrichtung integriert ist und/oder den Stößelabschnitt, insbesondere den Permanentmagnetmitteln axial benachbart, umgreift.

11. Verwendung der stromlos monostabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Einstellung eines Betriebsmodus eines Fahrzeugaggregats, insbesondere eines Motorradgetriebes, wobei die Kraftspeichermittel zum Verbringen der Ankereinheit in die erste Stellposition einen definierten Betriebszustand in unbestromtem Zustand der Stellvorrichtung herstellen können.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine stromlos monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer derartigen stromlos monostabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung.

Elektromagnetische Stellvorrichtungen sind als aus dem Stand der Technik allgemein bekannt vorauszusetzen. So offenbart etwa die DE 201 14 466 U1 der Anmelderin eine bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung als Stellvorrichtung, welche eine Ankereinheit mit Permanentmagnetmitteln sowie eine entlang einer Bewegungsrichtung langgestreckte Stößeleinheit, ansitzend an der Ankereinheit, aufweist. Diese permanentmagnetische Ankereinheit wird durch stationäre elektromagnetische Antriebsmittel in Form einer stationären Kerneinheit angetrieben, welcher eine geeignet bestrombare Spuleneinheit zugeordnet ist. Insbesondere zum Zweck einer Verbesserung eines Ausfahrens der Ankereinheit, d. h. einer Bewegung der Ankereinheit weg von einer durch permanentmagnetische Haftwirkung an der Kerneinheit ermöglichten stromlos stabilen ersten (eingeschobenen) Stellposition, kann zusätzlich eine Druckfeder vorgesehen sein, welche die Ankereinheit in Richtung eines Lösens von der Kerneinheit vorspannt. Die Gesamtanordnung ist von einem magnetisch leitenden Gehäuse umschlossen, welches den zur Bewegung notwendigen magnetischen Kreis schließt, und welches in der ausgefahrenen Ankerposition, d. h. gelöst von der stationären Kerneinheit, im Zusammenwirken mit den ankerseitigen Permanentmagnetmitteln eine gegenüberliegende Haftposition anbietet, so dass die aus der DE 201 14 466 U1 eine bistabile Vorrichtung ist.

Endseitig und bezogen auf einen Eingriffs- bzw. Stellpartner, im beschriebenen Stand der Technik eine zur Nockenwellenverstellung ausgebildete Verstellnut eines Verbrennungsmotors, bildet der Stößelabschnitt einen An- oder Eingriffsabschnitt aus, welcher insbesondere geeignet ist, in einem ausgefahrenen Ankerzustand in diese Verstellnut einzugreifen und auf diese Weise dann die beabsichtigte Nockenwellenverstellung durchzuführen. Ein Rückstellen (Zurückführen) der Ankereinheit samt Stößelabschnitt in die eingeschobene (zurückgeschobene) Position an der Kerneinheit erfolgt bei diesem Stand der Technik üblicherweise durch Wirkung des Stell- bzw. Eingriffspartners, hier konkret durch geeignete Ausgestaltung der Nutprofilierung.

Nicht nur auf dem technischen Gebiet der Nockenwellenverstellung von Verbrennungsmotoren hat sich eine derartige, als bekannt vorausgesetzte Technologie allgemein durchgesetzt, wobei neben hohen Schaltzykluszahlen und langen Standzeiten der bekannten Vorrichtungen insbesondere auch eine automatisierbare Herstellbarkeit und Montierbarkeit für eine weite Verbreitung der Technologie sorgen.

Ferner offenbart die WO 2011/026553 der Anmelderin eine bistabile elektromagnetische Stellvorrichtung, bei welcher wiederum eine mit Permanentmagnetmitteln versehende Ankereinheit zwischen zwei Stellpositionen als Reaktion auf eine Bestromung einer stationären Spuleneinheit bewegbar ist, wobei hier axial beidends ein Eingriffsabschnitt zum Zusammenwirken mit einem geeignet zugeordneten Aggregat als Stellpartner vorgesehen sein kann. Wiederum sorgen die ankerseitig vorgesehenen Permanentmagnetmittel dafür, dass die Ankereinheit beidends, d. h. in jeweiligen gegenüberliegenden endseitigen Anschlagpositionen, stromlos stabil gehalten wird, mit anderen Worten, ohne erneute Bestromung der Spuleneinheit bzw. ohne externe Beeinflussung die Ankereinheit stabil in der jeweiligen endseitigen Anschlagposition verbleibt. Bei diesem Stand der Technik erfolgt nunmehr das Lösen bzw. Zurückführen in eine jeweils gegenüberliegende der Anschlagpositionen durch ein Umpolen der Bestromung der Spuleneinheit, so dass auch auf diese Weise gesteuert die jeweiligen End- bzw. Anschlagpositionen erreicht werden können.

Allerdings ist es gerade in einem Kraftfahrzeugkontext (jedoch nicht nur hier, Gleiches gilt etwa auch für etwa verschiedene Anwendungen der industriellen Steuertechnik) häufig notwendig, neben einer stromlos stabilen Stell- bzw. Endposition sicherzustellen, dass, etwa bei einem Stromausfall, eine definierte Bewegungs- bzw. Stellposition der Ankereinheit durch die Stellvorrichtung eingenommen wird – dies wird auch als „Fail Safe” bezeichnet und begegnet etwa dem Problem, dass bei den beschriebenen bistabilen Stellvorrichtungen aus dem Stand der Technik zwar betriebssicher die jeweiligen (gegenüberliegenden) Endpositionen erreicht und gehalten werden können (auch stromlos), gerade jedoch nach einem (unbeabsichtigten) Stromausfall dann jedoch häufig nicht mehr nachzuvollziehen ist, welcher Stellvorgang zuletzt getätigt wurde und entsprechend an welcher Stellposition sich die Ankereinheit samt Stößelabschnitt befindet. Dies führt dann zu unbestimmten und potentiell schadensträchtigen Stellvorgängen.

Prinzipiell kommt es natürlich in Betracht, die zum Stand der Technik beschriebenen Stellvorrichtungen monostabil auszugestalten, etwa dadurch, dass – z. B. mittels Federn oder dergleichen eine Gegenkraft erzeugenden Mitteln – eine automatische Rückstellung in nur eine der zwei Stellpositionen im Nicht-Bestromungsfall erfolgt. Dies ist jedoch gerade bei den beschriebenen Technologien bereits dadurch nicht unproblematisch und potentiell nachteilig, als gerade die ankerseitigen Permanentmagnetmittel, insbesondere bei einem (typischen) magnetisch leitfähigen Gehäuse der Stellvorrichtung (was üblicherweise auch zum Bewirken der Stellfunktionalität notwendig ist) an jeweiligen Endpositionen kleben, also dort dann – bistabil – zunächst die Haftwirkung erzeugen. Hinzu kommt der Umstand, dass etwa eine eine Rückstell- oder Gegenkraft erzeugende Feder den Wirkungsgrad der Gesamtanordnung herabsetzt, weil ja im Wege einer (Heraus-)Bewegung aus der kernseitigen Anschlagposition, neben der auch schon dort wirkenden permanentmagnetischen Anziehung, dann auch die Gegenkraft dieser rückstellenden Feder überwunden werden muss. Neben nachteiligen Konsequenzen für den Wirkungsgrad führt dies auch zu schlechterem Dynamikverhalten, d. h. eine Ankerbeschleunigung sinkt und entsprechend steigt die zum Ausfahren der Ankereinheit samt Stößelabschnitt benötigte Zeit, was gerade in Kraftfahrzeugumgebungen häufig zu vermeiden ist.

Hinzu kommt, gerade beim erstgenannten, weit verbreiteten Stand der Technik gemäß DE 201 14 466 U1, der Nachteil, dass häufig dort überhaupt erst zur Verbesserung dieses Dynamikverhaltens eine die Ankereinheit aus der ersten Stellposition lösende Druckfeder vorgesehen ist, so dass eine (theoretisch denkbare) Rückstellfeder auch hier zunächst kontraproduktiv bzw. problematisch sein würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Stellvorrichtung zu schaffen, welche neben günstigen dynamischen Eigenschaften, insbesondere ein schnelles Verbringen einer Permanentmagnetmittel aufweisenden Ankereinheit von einer ersten (eingefahrenen) Stellposition in eine zweite (ausgeschobene) Stellposition, ein berechenbares, im stromlosen bzw. unbestromten Fall vorbestimmbares Rückstellverhalten aufweist, dabei insbesondere konstruktiv einfach und mit geringem Hardwareaufwand herstellbar und auch für die Großserienfertigung automatisiert fertigbar ist.

Die Aufgabe wird durch die stromlos monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Unabhängiger Schutz im Rahmen der Erfindung wird beansprucht für eine Verwendung einer erfindungsgemäßen stromlos monostabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung zur Einstellung eines Betriebsmodus eines Fahrzeugaggregats, wobei eine Getriebeverrastung eine besonders bevorzugte Form dieser Verwendung darstellt.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise weisen zunächst die erfindungsgemäßen Spulenmittel eine zusätzlich zur ersten Spuleneinheit vorgesehene zweite Spuleneinheit auf, die erfindungsgemäß so beschaltet ist oder beschaltet werden kann, dass diese zweite Spuleneinheit bei einer Bewegung der Ankereinheit von der ersten (typischerweise nicht-ausgefahrenen) Stellposition in die zweite (ausgefahrene) Stellposition zusätzlich auf die Ankereinheit beschleunigend wirkt. Damit ist vorteilhaft gewährleistet, dass trotz der erfindungsgemäß vorgesehenen, für das Rückstellen eingerichteten Kraftspeicher (etwa einer Feder) keine nachteilige Beeinflussung des Dynamikverhaltens beim Ausfahren auftritt, vielmehr wird durch die erfindungsgemäße zweite Spuleneinheit eine etwaige nachteilige Gegen- bzw. Rückstellkraft der Kraftspeichermittel durch die zweite Spuleneinheit kompensiert oder sogar überkompensiert.

Im Rahmen bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung kann es dabei sinnvoll sein, die erste und die zweite Spuleneinheit (alternativ: auch isoliert die zweite Spuleneinheit bei entsprechender Beschaltung) fortgesetzt zu bestromen, wenn, nach dem Ausfahren (d. h. dem Verbringen der Ankereinheit in die zweite Stellposition) diese zweite Stellposition erreicht ist. Vorteilhaft ist es dabei erreicht und durch entsprechende, der ersten oder zweiten Spuleneinheit vorgeschaltete bzw. vorzuschaltende Bestromungsmittel einzuprägen, den fließenden Strom gegenüber dem Bewegen abzusenken und so eine im elektrischen Energieverbrauch reduzierte, ausgefahrene (gleichwohl bestromte) Ankerposition zu gewährleisten.

Zusätzlich erfindungsgemäß weisen die Spulenmittel Rückstellspulenmittel auf, die so ausgebildet bzw. beschaltet sind, dass sie bei dem Rückstellen, nämlich dem Zurückführen der Ankereinheit aus der zweiten in die erste Stellposition, die Kraftspeichermittel verstärkend wirken, also eine zusätzliche rückstellende Kraft gleichgerichtet zu den Kraftspeichermitteln (also z. B. der Rückstellfeder) ausüben. Damit ist dann nicht nur, nämlich durch Wirkung der Kraftspeichermittel, Monostabilität und das Erreichen eines stabilen eindeutigen Stellzustands im unbestromten Zustand gewährleistet (im Sinne der Fail-Safe-Voraussetzung), auch ermöglichen es die erfindungsgemäßen Rückstellspulenmittel vorteilhaft, dass die Rückstellbewegung nicht durch die Federmittel allein stattfinden muss, sondern etwa in einem aktivierten bzw. Bestromungszustand der Vorrichtung eine gesteuerte, dynamische (d. h. schnelle) Rückstellung aus der zweiten in die erste Stellposition erfolgen kann.

Damit realisiert die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher Weise eine Funktionalität, welche die dynamischen Vorteile einer bekannten bidirektionalen, gleichwohl bistabilen Stellvorrichtung kombiniert mit der Notwendigkeit, einen stromlos stabilen eindeutigen Stellzustand herbeizuführen, ohne dass dies die Stell-, Wirkungsgrad- und Dynamikeigenschaften der Erfindung nachteilig beeinflusst.

Insbesondere vor dem Hintergrund, eine betriebssichere Rückstellung der Ankereinheit in die erste Stellposition im stromlosen bzw. im unbestromten Zustand aller Spuleneinheiten zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorteilhaft und weiterbildend die Rückstellkraft der Kraftspeichermittel so eingerichtet (also etwa durch geeignete Dimensionierung hierfür vorzusehender Federmittel), dass diese rückstellende Kraft größer ist als eine permanentmagnetische Haftkraft der Permanentmagnetmittel an der zweiten Stellposition, wobei diese Haftkraft etwa gegenüber einem umgebenden Gehäuse der Stellvorrichtung (welches dann in ansonsten bekannter Weise etwa einen Austritt des Stößelabschnitts ermöglichen würde) erfolgen würde.

Als Ergebnis einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind die Rückstellspulenmittel als zusätzliche Spuleneinheit realisiert, damit als zusätzlich zu der ersten und der zweiten Spuleneinheit vorzusehende dritte Spuleneinheit, welche weiter bevorzugt im Bereich der zweiten Stellposition vorgesehen ist bzw. so elektromagnetisch in den, vorbestimmten bzw. entstehenden Flusskreisen platziert ist, dass diese zusätzliche Spuleneinheit als Rückstellspulenmittel die erwünschte Rückstellkraft (d. h. gleichgerichtet mit der rückstellenden Kraft der Kraftspeichermittel bzw. diese überlagernd) ausüben kann. Konstruktiv-geometrisch ist es dabei besonders bevorzugt, diese zusätzliche Spuleneinheit der zweiten Spuleneinheit axial benachbart vorzusehen (wobei als „axial” im Rahmen der Erfindung die Erstreckungs- bzw. Bewegungsrichtung der Ankereinheit samt typischerweise langgestrecktem Stößelabschnitt zu verstehen ist). Üblicherweise würde im Rahmen einer derartigen Konfiguration dann diese zusätzliche Spuleneinheit auch im Rahmen eines Spulenmagnetflusses mit einem stationären Kernabschnitt zusammenwirken, welcher erfindungsgemäß weiterbildend der zweiten Spuleneinheit zugeordnet ist und damit üblicherweise axial gegenüberliegend einem die erste Stellposition bestimmenden bzw. einen Anschlag für die Ankereinheit an der ersten Stellposition ausbildenden Kerneinheit vorgesehen ist.

Eine alternative Realisierungsform der erfindungsgemäßen Rückstellspulenmittel sieht gleichwohl vor, dass diese Rückstellspulenmittel nicht durch eine zusätzliche, gesonderte Spule realisiert werden, sondern die erfindungsgemäße erste und zweite Spuleneinheit auch die Funktionalität der Rückstellspulenmittel bewirkt, nämlich dann, wenn vorgeschaltete bzw. zugeordnete Umpolmittel einer Bestromung der ersten und zweiten Spuleneinheit für den Rückstellbetrieb der Rückstellspulenmittel die Beschaltung der ersten bzw. zweiten Spuleneinheit so umpolen, dass in der erfindungsgemäß vorgesehenen Weise statt einer herausführenden bzw. Ausfahr-Kraft die beabsichtigte rückstellende Kraft auf die Ankereinheit erfolgt.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sehen verschiedene Varianten vor, die erfindungsgemäßen Kraftspeichermittel – welche in der vorstehend diskutierten Weise die stromlos-monostabile Zurückführung und damit das gewünschte Fail-Safe-Verhalten im Hinblick auf eine vorbestimmte Stellposition gewährleisten – umzusetzen: So ist es einerseits im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform bevorzugt, diese Kraftspeichermittel, typischerweise als Druckfeder, als extern auf die Ankereinheit im Bereich des Eingriffsabschnitts wirkende Feder zu realisieren. Eine derartige Variante eignet sich insbesondere für solche Ausführungsbeispiele, bei welchen das Stößelende, neben dem Zusammenwirken mit dem Stellpartner, auch günstig zur Aufnahme einer hier wirkenden bzw. an die Ankereinheit angreifenden Druckfeder geeignet oder ausgebildet ist. Ergänzend oder alternativ kann dies auch indirekt über Umlenkmittel erfolgen, wobei etwa ein Kipphebel oder dergleichen mechanische Aggregate dann eine Rückstellkraft von nicht unmittelbar an die Ankereinheit angreifenden Federmitteln in diese in der patentgemäßen Weise eintragen.

Alternativ oder ergänzend kann auch eine (rückstellende) Druckfeder in einem Vorrichtungsgehäuse selbst vorgesehen sein und etwa geeignet axial an einer vorbestimmten Position der Ankereinheit bzw. deren Stößelabschnitt vorzusehen sein. Hier könnte es weiterbildend sinnvoll und konstruktiv elegant sein, die Druckfeder als Spiralfeder so auszugestalten, dass diese den Stößelabschnitt umschließt und sich etwa axial einends von den (üblicherweise gegenüber dem Stößelabschnitt verbreiterten) Permanentmagnetmittel-Ankerabschnitt abstützt.

Im Ergebnis ermöglicht die vorliegende Erfindung in einfacher und eleganter Weise die Realisierung einer monostabilen, im stromlosen Zustand einen definierten Stellzustand einnehmenden Stellvorrichtung, welche konstruktive Einfachheit mit günstigen, vorteilhaften Stelleigenschaften in beide Stellrichtungen kombiniert, ohne dass etwa eine Rückstellung bewirkende Kraftspeichermittel nachteilig das Verhalten beeinflussen. Damit eignet sich die vorliegende Erfindung in herausragender Weise für einen Verwendungszweck im Bereich der Einstellung eines Betriebsmodus eines Fahrzeugaggregats wie etwa eines Motorradgetriebes, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf einen derartigen Verwendungszweck zwingend beschränkt ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

1: eine Längsschnittansicht der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung (ohne Federmittel);

2: ein Prinzipschaltbild zur Bestromung der drei Spuleneinheiten im Ausführungsbeispiel der 1;

3: mit Teilfiguren (a) bis (c) verschiedene Varianten zum Vorsehen der erfindungsgemäßen Kraftspeichermittel an der Ankereinheit im Ausführungsbeispiel der 1;

4: eine Längsschnittansicht durch die elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

5: mit Teilfiguren (a) bzw. (b) mögliche schematische Schaltbilder zum umpolenden Bestromen der zwei Spuleneinheiten im Ausführungsbeispiel der 4 und

6: mit Teilfiguren (a) bis (c) verschiedene Varianten zum Vorsehen der erfindungsgemäßen Kraftspeichermittel an der Ankereinheit im Ausführungsbeispiel der 4.

Bei der nachfolgenden Diskussion der Ausführungsbeispiele bedeuten gleiche Bezugszeichen identische bzw. gleichwirkende Funktionskomponenten bei den elektromagnetischen Stellvorrichtungen der jeweiligen Ausführungsform.

So zeigt etwa die Längsschnittansicht der ersten Ausführungsform der 1 eine entlang einer Längsachse 10 bewegbare Ankereinheit 12, welche an einem ersten, auf eine erste Kerneinheit 14 gerichteten Ende eine Permanentmagnetscheibe 16 aufweist, welche axial beidends von Flussleitscheiben 18, 20 begrenzt ist. An diese Permanentmagneteinheit schließt sich ein langgestreckter Stößelabschnitt 22 der Ankereinheit an, welcher sich entlang der axialen Richtung im Zentrum eines umfassenden zylindrischen Gehäuses 24 erstreckt bis zu einem (in der 1 bodenseitig gezeigten) offenen Gehäuseende, aus welchem dann ein Eingriffsabschnitt 26 – ausgebildet zum Zusammenwirken mit einem hier in einem Motorradgetriebe vorgesehenen Stellpartner – ausgebildet ist.

In etwa aus dem Stand der Technik gemäß DE 201 14 466 U1 bekannter Weise ist das erste stationäre Kernelement 14 umschlossen von einer ersten Spuleneinheit 28, welche eine erste Wicklung 30 auf einem (z. B. als Kunststoff-Spritzteil realisierten) Spulenträger 32 aufweist. Stirnseitig, d. h. am dem Eingriffsabschnitt 26 entgegengesetzten Ende des Gehäuses 24, ist dieses in ansonsten bekannter Weise magnetisch flussleitend so geschlossen, dass als Reaktion auf eine Bestromung der ersten Wicklung 30 (hier durch eine schematisch gezeigte Zuleitungsstruktur 34) die Spule 30 ein die Permanentmagnetmittel 26 abstoßendes und damit entlang der axialen Richtung in der Zeichnung der 1 abwärts gerichteten Krafteintrag ausbildet. Dabei ist die Anordnung so konfiguriert, dass diese abstoßende Wirkung (bereits) ausreicht, um die permanentmagnetische Haftkraft der Baugruppe 16 am ersten Kern 14 zu überwinden, so dass diese Bewegung erfolgen kann.

Zusätzlich unterstützt wird im Rahmen der gezeigten Ausführungsform diese Bewegung durch eine zweite Spuleneinheit 36, welche eine zweite Wicklung 38 auf einem Kunststoff-Spulenträger 40 gewickelt aufweist. Auch wird diese Wicklung 38, versorgt über die Zuleitungsanordnung 34, im Bestromungsfall zum Bewegen der Ankereinheit aus der (ersten) Stellposition der 1 abwärts so bestromt (und ist so eingerichtet bzw. gepolt), dass die Spule 38 auf die Permanentmagneteinheit 16 eine das Abstoßen durch die erste Spuleneinheit 28 unterstützende Kraft ausübt, mit anderen Worten, zum Verbessern der Beschleunigungs- und Dynamikeigenschaften zusätzlich eine Zugwirkung ausübt, mit entsprechend positivem Einfluss auf eine kurze Stell- und Bewegungszeit des Ankers in eine abwärts auf einen zweiten stationären Kern 42 gerichtete zweite Stellposition, wobei diese zweite Stellposition, ggf. noch beabstandet durch eine ankerseitig vorgesehene Ankerklebscheibe, durch einen vom zweiten Kern 42 gebildeten Anschlag begrenzt wird. Die zweite Kerneinheit – in der gezeigten Weise den Stößelabschnitt 22 umfangsseitig umschließend und insoweit eine Führung für diesen anbietend – bildet zusammen mit der zweiten Spule 38 sowie einem zugehörigen mantelseitigen Abschnitt des Gehäuses 24 einen die beschriebene verstärkende Stellwirkung der zweiten Spuleneinheit realisierenden Magnetflusskreis aus.

Das Zurückführen einer in der beschriebenen Weise ausgefahrenen (d. h. abwärts in Richtung auf einen Anschlag am zweiten Kern 42 gerichteten) Bewegung der Ankereinheit erfolgt gegen eine rückstellende Kraft einer in der 1 nicht gezeigten, die Ankereinheit in eine Aufwärtsrichtung (d. h. zurück in die erste Stellposition am ersten Kern 14) vorspannende Federeinheit, wie schematisch im Zusammenhang mit der 3 und den Teilfiguren als Varianten (a) bis (c) gezeigt: Ansonsten strukturell identisch mit der Längsschnittansicht der 1, sind hier verschiedene Möglichkeiten gezeigt, wie eine Druckfeder 44 die beschriebene, in Richtung zurück auf die erste Stellposition gerichtete Rückstellkraft in die Ankereinheit eintragen kann bzw. auch eine solche Rückstellung dann bei entsprechender Kompression bewirken kann. So zeigt etwa die 3(a) in schematischer Weise eine stirnseitig auf ein vorderes Ende des Eingriffsabschnitts 26 gerichtetes Federelement, als mögliche Alternativen die Teilfigur (b) eine Druckfeder über einen (lediglich schematisch gezeigten) Kipphebel 46, während wiederum als Alternative (aber auch ggf. beim Vorsehen von zwei Federn zusätzlich) das Federelement 44 im Teilbild (c) der 3 so im Gehäuseinneren des Gehäuses 24 aufgenommen ist, dass die Druckfeder 44, den Stößelabschnitt 22 benachbart der Permanentmagneteinheit umschließend, sich einends von einer Anschlagfläche des zweiten Kerns 42 abstützt und anderenends auf die in Richtung auf den zweiten Kern gerichtete Flussleitscheibe 20 greift.

Dabei ist eine Federkraft bzw. ein Kraftverhalten der Feder 44 so eingerichtet, dass die Federkraft an der zweiten Stellposition (also am in den Figuren nicht gezeigten Anschlag der Ankereinheit bzw. deren Permanentmagnetmittel 16 am zweiten Kern 42) nicht zu einem (permanentmagnetischen) Haften bzw. Kleben am Kern kommt, vielmehr diese permanentmagnetische Haftkraft überwunden wird durch die vorbeschriebenen rückstellende Kraft des Federelements 44.

Zusätzlich zeigt das erste Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 eine dritte Spuleneinheit 50, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel axial und in Richtung auf die erste Spuleneinheit 28 der zweiten Spuleneinheit 36 benachbart vorgesehen ist; im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist zudem der eine dritte Spule (Wicklung) der dritten Spuleneinheit tragende Spulenträger 54 zum modulartigen Zusammensetzen, alternativ einstückig, mit dem Spulenträger 40 der zweiten Spuleneinheit 36 ausgebildet, so dass diese Einheiten sich insbesondere für eine kompakte und potenziell automatisierte Fertigung und Montage eignen.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die dritte Spule 32 so beschaltet bzw. eingerichtet, dass bei dem beschriebenen Stellvorgang von der ersten (am Kern 14) in die zweite (am Kern 42) Stellposition die dritte Spule unbestomt bleibt, jedoch dann in einem rückstellenden Betrieb – bei unbestromten Zustand der ersten und der zweiten Spule – die dritte Spule auf die Ankereinheit eine rückstellende Kraft in Richtung auf die erste Stellposition ausübt, insoweit damit die Rückstellkraft der Rückstellfeder 44 überlagert bzw. verstärkt.

Das Schaltbild der 2 verdeutlicht eine derartige Verschaltung; die gezeigten Schalter 56 (für die Anordnung aus erster Spule 30 und zweiter Spule 38) bzw. 58 (für die dritte Spule 52) werden dabei alternativ geschlossen und bestimmten so, beim geschlossenen Schalter 56 und geöffnetem Schalter 58, den Betriebszustand für das Bewegen der Ankereinehit von der ersten in die zweite Stellposition, während der umgekehrte Schalterzustand (Schalter 56 geöffnet und Schalter 58 geschlossen) die dritte Spule 52 für das Zurückführen in die erste Stellposition, unterstützt von der Feder-Rückstellkraft der Federeinheit 44, bewirkt. Deutlich wird, dass insbesondere auch durch diese Maßnahme der Rückstellvorgang dynamisch und beschleunigt abläuft und damit eine Monostabilität ermöglicht, welche von einem möglichen Klebeverhalten des Permanentmagneten 16 am zweiten Anker nicht nachteilig beeinflusst wird, vielmehr wird dieses durch die Spule 52 kompensiert.

Gleichzeitig wird deutlich, dass selbst im Fall keiner Bestromung, damit also auch etwa im Fall eines am Stand der Technik potenzial problematischen Stromausfall-Zustands, durch die nach wie vor bestehende Rückstellwirkung der Feder 44 ein sicheres und definiertes Zurückführen der Ankereinheit in die erste Stellposition (am ersten Kern 14) gewährleistet ist, so dass selbst bei einer vollständig unbestomten Betriebsphase sichergestellt ist, dass sich die Ankereinheit 12 mit ihrem eingriffsseitigen Ende 26 in einer definierten stromlosen und Ruheposition (fail-safe) befindet, hier in einem zurückgezogenen (oberen) Betriebszustand der 1.

Das zweite Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 entspricht strukturell fast vollständig dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 bis 3, lediglich mit dem Unterschied, dass das zweite Ausführungsbeispiel nur die erste Spuleneinheit 28 und die zweite Spuleneinheit 36 aufweist, nicht jedoch die dritte zusätzliche Rückstell-Spuleneinheit 50. Insoweit ist eine axial kürzere und damit potenziell kompaktere Vorrichtung realisierbar. Gleichwohl ist, wie etwa die Schaltbilder von 5(a) bzw. (b) verdeutlichen, über das federbewirkte Rückstellen des Federelements 44 (insoweit ist die Funktion der Varianten der 6(a) bis (c) äquivalent und analog zur 3(a) bis (c) der ersten Ausführungsform) eine elektromagnetische Rückstellung gewährleistet, allerdings erfolgt diese durch das Umpolen des verschalteten Spulenpaares 30, 38: Im beschriebenen Ausführungsbeispiel würde dabei etwa ein Schalterpaar 60, 62 die Spulen 30 und 38 mit einer Bestromung einer ersten Polarität versehen, wie es etwa zum realisieren der bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Ankerbewegung von der ersten Stellposition (4) in die abwärts gerichtete zweite Stellposition am zweiten Kern 42 der Fall ist. Dagegen würde das (die Feder 44) unterstützende Rückstellen durch ein Umpolen der Bestromung des Spulenpaares 30, 38 erfolgen, dergestalt, dass bei diesem elektromagnetisch unterstützten Rückstellen die Schalter 60, 62 geöffnet und stattdessen Schalter 64, 66 die Bestromung mit der umgekehrten Polarität an das Spulenpaar 30, 38 anlegen. Dies führt dann dazu, dass die Spule 30 (umgepolt) auf den Permanentmagneten 16 eine anziehende und die Spule 38 auf diesen Permanentmagneten eine abstoßende Kraft ausübt, mit der Wirkung, dass gesamthaft eine permanentmagnetische, die Feder-Rückstellkraft überlagernde Rückstellkraft in Richtung auf den oberen Anschlag am ersten Kern 14 erfolgt. Dabei ist es sowohl möglich, gemäß 5(a) eine Parallelschaltung der Spulen auszubilden, als auch, im alternativen Schaltbild der 5(b), diese als Reihenschaltung vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere ist die Ausbildung, Anordnung und Ausgestaltung der einzelnen Spuleneinheiten ebenso geeignet änder- bzw. variierbar, wie die vorliegende Erfindung nicht auf den bevorzugten Verwendungsfall einer Sperre für ein (Motorrad-)Getriebe beschränkt ist. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für jegliche Anwendung, bei welcher, mit permanentmagnetischer Ankerfunktionalität, dynamisches Stellverhalten in beiden axialen Stellrichtungen mit Monostabilität im unbestromten Zustand bzw. einer definierten fail-safe-Rückstellposition zu kombinieren ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 20114466 U1 [0002, 0008, 0030]
  • WO 2011/026553 [0005]