Title:
Elektromagnetischer Linearaktuator
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Ein elektromagnetischer Linearaktuator umfasst ein einen Mantelabschnitt (6) und ein Endstück (5) aufweisendes Gehäuse (1), eine darin angeordnete Spulenanordnung (2) mit zwei sich um eine gemeinsame Achse (A) herum erstreckenden, gegensinnig gewickelten, axial zueinander versetzten Spulen (19, 20) und eine in dem Gehäuse (1) längs der Achse (A) zwischen zwei Endstellungen verschiebbar gelagerte Ankeranordnung (3) mit einem durch das Endstück (5) hindurchtretenden Schaft (8) und einer endseitig daran angeordneten, einen axial magnetisierten Permanentmagnet (10) und zwei stirnseitig an diesem angeordnete scheibenförmige Flussleitstücke (11) aufweisenden Permanentmagnetanordnung (9). Die dem freien Ende des Schafts (8) abgewandte erste Spule (19) weist an ihrem dem freien Ende des Schafts (8) abgewandten Ende einen Bereich (27) mit einem reduzierten Innendurchmesser auf. In ihr ist endseitig ein Kern (28) aus einem magnetisch aktiven Material aufgenommen. In jeder der beiden Endstellungen der Ankeranordnung sind mindestens 50% der axialen Länge der Permanentmagnetanordnung von einer der beiden Spulen (19, 20) überlappt. embedded image





Inventors:
Lahajnar, Franci (Cerkno, SI)
Application Number:
DE102017103090A
Publication Date:
08/16/2018
Filing Date:
02/15/2017
Assignee:
Kolektor Group d.o.o. (Idrija, SI)
International Classes:
H01F7/16; H01F7/121
Domestic Patent References:
DE2423722AN/A
Foreign References:
20040100345
3503022
4071042
4490814
3504315
3202886
EP1275886
CN101908420A
JPS57198612A
Attorney, Agent or Firm:
Grättinger Möhring von Poschinger Patentanwälte Partnerschaft, 82319, Starnberg, DE
Claims:
Elektromagnetischer Linearaktuator, umfassend
- ein einen Mantelabschnitt (6) und ein Endstück (5) aufweisendes Gehäuse (1),
- eine in dem Gehäuse (1) angeordnete Spulenanordnung (2) mit zwei sich um eine gemeinsame Achse (A) herum erstreckenden, gegensinnig gewickelten, axial zueinander versetzten Spulen (19, 20) und
- eine in dem Gehäuse (1) längs der Achse (A) zwischen zwei Endstellungen verschiebbar gelagerte Ankeranordnung (3) mit einem durch das Endstück (5) hindurchtretenden Schaft (8) und einer daran angeordneten, einen axial magnetisierten Permanentmagnet (10) und zwei stirnseitig an diesem angeordnete scheibenförmige Flussleitstücke (11) aufweisenden Permanentmagnetanordnung (9), wobei in jeder der beiden Endstellungen der Ankeranordnung (3) mindestens 50% der axialen Länge der Permanentmagnetanordnung (9) von einer der beiden Spulen (19, 20) überlappt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Permanentmagnetanordnung (9) endseitig an dem Schaft (8) angeordnet ist,
- die dem freien Ende des Schafts (8) abgewandte erste Spule (19) an ihrem dem freien Ende des Schafts (8) abgewandten Ende einen Bereich (27) mit einem reduzierten Innendurchmesser aufweist und
- in der ersten Spule (19) endseitig ein Kern (28) aus einem magnetisch aktiven Material aufgenommen ist.

Linearaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (28) die gesamte axiale Erstreckung des einen reduzierten Innendurchmesser aufweisenden Bereichs (27) der ersten Spule (19) überlappt.

Linearaktuator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der einen reduzierten Innendurchmesser aufweisende Bereich (27) der ersten Spule (19) die Permanentmagnetanordnung (9) radial überlappt.

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand zwischen der ersten und der zweiten Spule (19; 20) nicht wesentlich größer ist als wicklungstechnisch unabdingbar notwendig.

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Spule (19) und der zweiten Spule (20) kein Flussleitstück angeordnet ist.

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (19, 20) auf einer gemeinsamen Trägerhülse (21) aus magnetisch inaktivem Material aufgenommen sind.

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Endstellung der Ankeranordnung (3), in der die Permanentmagnetanordnung (9) zu mehr als 50% von der ersten Spule (19) überlappt ist, ein axialer Spalt (29) besteht zwischen dem Kern (28) und dem benachbarten Flussleitstück (11) der Permanentmagnetanordnung (9).

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (8) aus einem magnetisch inaktiven Material besteht und axial durch die Permanentmagnetanordnung (9) hindurchtritt.

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung der Permanentmagnetanordnung (9) durch die erste Spule (19) in der ersten Endstellung der Ankeranordnung (3) geringer ist als die Überlappung der Permanentmagnetanordnung (9) durch die zweite Spule (20) in der zweiten Endstellung der Ankeranordnung (3) .

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (5) des Gehäuses (1) als Montage- und Führungsblock (14) ausgeführt ist.

Linearaktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankeranordnung (3) ausschließlich in dem Montage- und Führungsblock (14) verschiebbar geführt gelagert ist.

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (9) an ihrem Außenumfang mindestens einen sich über die axiale Länge erstreckenden Ausgleichskanal (13) aufweist.

Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er als Doppel-Linearaktuator ausgeführt ist mit zwei nebeneinander angeordneten Ankeranordnungen (3) und jeweils zugeordneten Spulenanordnungen (2), wobei das Gehäuse (1) zwei getrennte Mantelabschnitte (6) und ein gemeinsames Endstück (5), durch das beide Schäfte (8) hindurchtreten, aufweist.

Linearaktuator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) dem Endstück (5) gegenüberliegend eine gemeinsame Abschlussplatte (7) aufweist.

Linearaktuator nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Einhausung (4) aufweist mit einer die beiden Mantelabschnitte (6) des Gehäuses (1) umgebenden gemeinsamen Schutzkappe (30) .

Linearaktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzkappe (30) dicht mit einem an dem Endstück (5) angebrachten Flanschring (31) verbunden ist.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Linearaktuator. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben, einen elektromagnetischen Linearaktuator, umfassend ein einen Mantelabschnitt und ein Endstück aufweisendes Gehäuse, eine in dem Gehäuse angeordnete Spulenanordnung mit zwei sich um eine gemeinsame Achse herum erstreckenden, gegensinnig gewickelten, axial zueinander versetzten Spulen und eine in dem Gehäuse längs der Achse zwischen zwei Endstellungen verschiebbar gelagerte Ankeranordnung mit einem durch das Endstück hindurchtretenden Schaft und einer daran angeordneten, einen axial magnetisierten Permanentmagnet und zwei stirnseitig an diesem angeordnete scheibenförmige Flussleitstücke aufweisenden Permanentmagnetanordnung, wobei in jeder der beiden Endstellungen der Ankeranordnung mindestens 50% der axialen Länge der Permanentmagnetanordnung von einer der beiden Spulen überlappt ist.

Elektromagnetische Linearaktuatoren sind in verschiedensten Ausführungen bekannt und im Einsatz. Ihre jeweilige Bauform und individuelle Ausgestaltung richtet sich nach der jeweiligen Anwendung. Sie hängen beispielsweise ab von dem in der betreffenden Anwendung bestehenden Platzangebot, dem erforderlichen Verstellweg (bzw. Schaltweg), den der Schaft zwischen den beiden Endstellungen zurücklegt, und der erforderlichen Kraft, die der Schaft dabei auf ein zu betätigendes Bauteil auszuüben imstande sein muss. Auch die erzielbare Schaltdynamik, d. h. die Zeit, die der Schaft für die Bewegung von der einen in die andere Endstellung benötigt, ist für viele Anwendungen eine bedeutsame Größe. Dabei ist zu bedenken, dass teilweise zwischen den verschiedenen Aspekten und Leistungs-Kenngrößen Abhängigkeiten bestehen. So steht im Allgemeinen die durch den Schaft bereitgestellte Verstellkraft (bzw. Schaltkraft) in einer Beziehung zur Baugröße dergestalt, dass größere Linearaktuatoren eine größere Verstellkraft bereitstellen können. Allerdings leidet darunter - infolge der größeren zu bewegenden Massen - typischerweise die erzielbare Schaltdynamik. Weiterhin stehen Schaltdynamik und Schaltkraft insoweit miteinander in Verbindung, als die für das Beschleunigen der Ankeranordnung benötigte Kraft die in dieser Bewegungsphase der Ankeranordnung wirksame Schaltkraft reduziert.

Der gattungsgemäßen Bauform entsprechende elektromagnetische Linearaktuatoren, wie sie beispielsweise aus der JP 57-198612 A und der EP 1275886 A2 bekannt sind, zeichnen sich durch die Möglichkeit zweier stabiler Schaltzustände aus. Sie können demnach als sogenannte bistabile Aktuatoren ausgeführt sein, bei denen der Schaft - aufgrund eines Zusammenwirkens der Permanentmagnetanordnung mit dem Gehäuse - jede seiner beiden Endstellungen ohne Beaufschlagung (Bestromung) der Spulenanordnung einhalten kann, was allerdings teilweise in entsprechender Weise auch für ähnliche Bauformen mit einer abweichenden Ausführung der Permanentmagnetanordnung und/oder deren Abstimmung mit der Spulenanordnung gilt (vgl. beispielsweise US 3504315 A, US 3503022 A, US 4490814 A, CN 101908420 A, US 3202886 A und DE 2423722 A). Zu den weiter oben bereits diskutierten Aspekten kommt bei solchen bistabilen elektromagnetischen Aktuatoren als weiterer Gesichtspunkt noch die in den stabilen Schaltzuständen auf die Ankeranordnung wirkende Kraft (Haltekraft) hinzu; denn ersichtlich wirkt sich eine höhere Haltekraft typischerweise im Sinne einer reduzierten anfänglichen Beschleunigung der Ankeranordnung aus und beeinträchtigt somit die Schaltdynamik.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, einen elektromagnetischen Linearaktuator der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, der sich durch ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Betriebsverhalten auszeichnet. In diesem Sinne soll insbesondere ein hochdynamisch arbeitender elektromagnetischer Linearaktuator der gattungsgemäßen Art mit besonders hoher Verstellkraft bereitgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung gelöst, indem bei einem gattungsgemäßen elektromagnetischen Linearaktuator die Permanentmagnetanordnung endseitig an dem Schaft angeordnet ist, die dem freien Ende des Schafts abgewandte erste Spule an ihrem dem freien Ende des Schafts abgewandten Ende einen Bereich mit einem reduzierten Innendurchmesser aufweist und in der ersten Spule endseitig ein Kern aus einem magnetisch aktiven Material aufgenommen ist. Ein entscheidender Vorteil, der sich bei erfindungsgemäßer Ausführung des elektromagnetischen Linearaktuators erzielen lässt, ist der bisher nicht bekannte, wie weiter unten im Detail erläutert optimale Verlauf der zwischen der Statoranordnung und der Ankeranordnung wirksamen elektromagnetischen Kraft. Dieser Verlauf der auf die Ankeranordnung wirkenden elektromagnetischen Kraft lässt - trotz einer nennenswerten in der ersten Endstellung der Ankeranordnung auf diese wirkenden Haltekraft - eine besonders hohe anfängliche Beschleunigung der Ankeranordnung zu, wobei über den weiteren Verstellweg der Ankeranordnung auf diesen eine besonders gleichmäßig verlaufende elektromagnetische Kraft wirken kann, was sich günstig sowohl auf die weitere Beschleunigung der Ankeranordnung als auch auf die bereitgestellte Schaltkraft auswirkt. Gegen Ende des Verstellwegs ist nochmals ein signifikanter Anstieg der Verstellkraft möglich, was in typischen Anwendungsfällen besonders günstig ist. Namentlich der über einen großen Teil des Verstellwegs besonders homogene Verlauf der auf die Ankeranordnung ausgeübten elektromagnetischen Kraft ist extrem vorteilhaft.

Eine erste bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der - endseitig in der ersten Spule der Spulenanordnung aufgenommene - Kern die gesamte axiale Erstreckung des einen reduzierten Innendurchmesser aufweisenden Bereichs der ersten Spule überlappt. Dies begünstigt einen Kraftverlauf, der eine besonders hohe Anfangsbeschleunigung der Ankeranordnung bewirkt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der einen reduzierten Innendurchmesser aufweisende Bereich der ersten Spule die Permanentmagnetanordnung in dem Sinne radial überlappt, dass der Außendurchmesser der Permanentmagnetanordnung größer ist als der Innendurchmesser des einen reduzierten Innendurchmesser aufweisenden Bereichs der ersten Spule.

Für den Kraftverlauf ist weiterhin besonders günstig, wenn - gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung - der axiale Abstand zwischen der ersten und der zweiten Spule nicht wesentlich größer ist als wicklungstechnisch unabdingbar notwendig. Idealerweise ist, wenn die erste und die zweite Spule der Spulenanordnung - besonders bevorzugt auf einer gemeinsamen Trägerhülse aus magnetisch inaktivem Material - durchgängig gewickelt sind, der zwischen der ersten und der zweiten Spule bestehende axiale Abstand auf das für einen beschädigungsfreien 180°-Bogen des Wicklungsdrahtes benötigte Maß beschränkt. Praktisch sollte der fragliche Abstand zumindest nicht um mehr als 50% über dem wicklungstechnisch unabdingbar notwendigen Maß liegen.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule kein Flussleitstück angeordnet ist. Ein solches würde zu einem inhomogenen Kraftverlauf führen und sich insoweit bei der erfindungsgemäßen Konzeption des elektromagnetischen Linearaktuators nachteilig auf dessen Betriebsverhalten auswirken.

Eine wiederum andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in der ersten Endstellung der Ankeranordnung, in der die Permanentmagnetanordnung zu mehr als 50% von der ersten Spule überlappt (und typischerweise der Schaft in das Endstück zurückgezogen) ist, ein axialer Spalt besteht zwischen dem Kern und dem benachbarten Flussleitstück der Permanentmagnetanordnung. Auf diese Weise lässt sich positiv auf die Losbrechkraft Einfluss nehmen, die erforderlich ist, damit die Ankeranordnung - entgegen der wirkenden Haltekraft - aus der ersten Endstellung heraus bewegt wird. Eine Möglichkeit, dies auf besonders einfache Weise zu erreichen, besteht darin, dass der Schaft axial durch die Permanentmagnetanordnung hindurchtritt und aus dieser ein Stück weit hervorsteht. So kann die Ankeranordnung mit dem betreffenden Überstand des Schafts an dem Kern anstoßen und das benachbarte Flussleitstück der Permanentmagnetanordnung zu diesem auf Abstand halten. Der Schaft besteht im Übrigen vorteilhafterweise aus einem magnetisch inaktiven Material, vorzugsweise Edelstahl. Das ist nicht nur für die vorstehend dargelegte Funktion als „Anschlag“ für die Ankeranordnung günstig, sondern auch wegen der auf diese Weise erzielbaren Reduktion der magnetischen Induktivität sowie der damit verbundenen Konzentration des magnetischen Feldes auf die äußere, mit der Spulenanordnung in Wechselwirkung stehende Umgebung der Permanentmagnetanordnung.

Weiterhin ist für den Kraftverlauf günstig, wenn - gemäß einer abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung - die Überlappung der Permanentmagnetanordnung durch die erste Spule in der ersten Endstellung der Ankeranordnung geringer ist als die Überlappung der Permanentmagnetanordnung durch die zweite Spule in der zweiten Endstellung der Ankeranordnung. So kann beispielsweise die Permanentmagnetanordnung in der ersten Endstellung der Ankeranordnung zu 55% bis 85% durch die erste Spule, aber in der zweiten Endstellung der Ankeranordnung durch die zweite Spule im größeren Maße zu einem Anteil zwischen 65% und 100% axial überlappt sein. Besonders bevorzugte Bereiche liegen bei einer axialen Überlappung der Permanentmagnetanordnung durch die erste Spule in der ersten Endstellung der Ankeranordnung zu 65% bis 75% und durch die zweite Spule in der zweiten Endstellung der Ankeranordnung zu 75% bis 90%.

Eine nochmals andere bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass das Endstück des Gehäuses als Montage- und Führungsblock ausgeführt ist. In diesem Sinne weist das Endstück des Gehäuses sowohl solche strukturellen Merkmale (z. B. einen Flansch, ein Einschraubgewinde, einen Montagefortsatz, etc.) auf, die der Anbringung des Linearaktuators an einer das zu betätigende Element aufweisenden baulichen Struktur (z. B. dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors im Falle der Verwendung des Linearaktuators zur Nockenwellenverstellung) dienen, als auch der Führung der Ankeranordnung dienende strukturelle Merkmale (z. B. eine als Gleitführung für den Schaft der Ankeranordnung ausgeführte Bohrung). In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist dabei die Ankeranordnung ausschließlich in dem Montage- und Führungsblock verschiebbar geführt gelagert.

Vorteilhafterweise weist weiterhin die Permanentmagnetanordnung an ihrem Außenumfang mindestens einen sich über die axiale Länge erstreckenden Ausgleichskanal auf. Dies erweist sich als günstig im Hinblick auf die Schaltdynamik; denn so kann auch bei einem - sich positiv auf die Effizienz auswirkenden - relativ geringen radialen Spalt zwischen der Permanentmagnetanordnung und der diese umgebenden Spulenanordnung (außerhalb des mindestens einen Ausgleichskanals) beim Bewegen der Ankeranordnung die Permanentmagnetanordnung mit geringem Widerstand (durch den mindestens einen Ausgleichskanal hindurch) von Luft umströmt werden.

In ganz besonders ausgeprägter Weise kommen die vorstehend dargelegten Vorteile der vorliegenden Erfindung zum Tragen, wenn der Linearaktuator als Doppel-Linearaktuator ausgeführt ist mit zwei parallel zueinander, nebeneinander angeordneten Ankeranordnungen und jeweils zugeordneten Spulenanordnungen, wobei das Gehäuse zwei getrennte Mantelabschnitte und ein gemeinsames Endstück, durch das beide Schäfte hindurchtreten, aufweist. So lassen sich auf engstem Raum zwei Funktionalitäten realisieren, wobei der Kompaktheit zugute kommt, dass das Endstück für beide Einheiten gemeinsam magnetisch wirksam sein kann. Entsprechendes gilt für eine in vorteilhafter Weise gegenüberliegend dem Endstück vorgesehene gemeinsame Abschlussplatte des Gehäuses.

Bevorzugt weist der vorstehend erläuterte Doppel-Linearaktuator eine Einhausung auf mit einer die beiden Mäntel des Gehäuses umgebenden gemeinsamen Schutzkappe. Letztere ist besonders bevorzugt dicht mit einer an dem Endstück angebrachten Flanschplatte bzw. einem Flanschring verbunden.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt

  • 1 einen Axialschnitt durch einen als Doppel-Linearaktuator ausgeführten elektromagnetischen Linearaktuator nach der vorliegenden Erfindung,
  • 2 den Linearaktuator nach 1 in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht und
  • 3 ein Schaubild zur Verdeutlichung des Verlaufs des Stromflusses durch die Spulenanordnung, der auf die Ankeranordnung wirkenden resultierenden Kraft und der Bewegung der Ankeranordnung über der Zeit nach Beginn der Bestromung der Spulenanordnung.

Der in den 1 und 2 der Zeichnung dargestellte, als Doppel-Linearaktuator ausgeführte elektromagnetische Linearaktuator umfasst vier funktionale Hauptkomponenten in Form eines Gehäuses 1, zweier darin aufgenommener Spulenanordnungen 2, zweier Ankeranordnungen 3 und einer Einhausung 4.

Das Gehäuse 1 umfasst ein Endstück 5, zwei zylindrische Mantelabschnitte 6 und, dem Endstück 5 gegenüberliegend, eine gemeinsame Abschlussplatte 7. Diese Teile bestehen aus einem ferromagnetischen Material. Zur Zentrierung und lagegenauen Positionierung der Mantelabschnitte 6 an dem Endstück 5 unter Herstellung eines guten magnetischen Flussverhaltens taucht das Endstück 5 dabei jeweils passgenau mit einem Vorsprung endseitig in den jeweiligen Mantelabschnitt 6 ein. Im gegenüberliegenden Endbereich weisen die beiden Mantelabschnitte 6 jeweils (einander gegenüberliegend) eine Aussparung auf, durch die die Abschlussplatte 7 hindurchtritt. Im Bereich jener Aussparungen stehen die beiden Mantelabschnitte 6 im stumpfen Kontakt mit der Abschlussplatte 7. Im Übrigen schmiegt sich die Abschlussplatte 7 möglichst spaltfrei an die Innenkontur der Mantelabschnitte 6 an. In jedem der beiden Mantelabschnitte 6 ist eine Spulenanordnung 2 angeordnet.

Die beiden Ankeranordnungen 3 umfassen jeweils einem Schaft 8 und eine endseitig an diesem angeordnete Permanentmagnetanordnung 9 mit einem axial magnetisierten Permanentmagnet 10 und zwei stirnseitig an diesem angeordneten scheibenförmigen Flussleitstücken 11. Der - aus einem magnetisch inaktiven Material bestehende - Schaft 8 tritt dabei mit einem Bereich reduzierten Durchmessers axial dergestalt durch die - dementsprechend axial durchbohrte - Permanentmagnetanordnung 9 hindurch, dass er an deren gegenüberliegender Stirnseite ein Stück weit aus dem Flussleitstück 11 hervorsteht und einen Überstand 12 bildet. Am Außenumfang der jeweiligen Permanentmagnetanordnung 9 sind vier sich über deren axiale Länge erstreckende Ausgleichskanäle 13 vorgesehen.

Jeweils ist der Schaft 8 jeder der beiden Ankeranordnungen 3 in dem Endstück 5 längs einer Achse A gleitend verschiebbar geführt. Das Endstück 5 ist hierfür als Montage- und Führungsblock 14 ausgeführt. Es weist einen axialen Ansatz 15 auf und verfügt über zwei als Gleitführung für den jeweiligen Schaft 8 der Ankeranordnung 3 ausgeführte Bohrungen 16. Jeder Schaft 8 verfügt über zwei zu der Bohrung 16 korrespondierende, auf diese abgestimmte, zueinander beabstandete Führungsabschnitte 17, 18, zwischen denen der Schaft 8 sich auf einen reduzierten Durchmesser verjüngt. Die Schäfte 8 treten durch das Endstück 5 hindurch. Oben ist den 1 und 2 dabei die Ankeranordnung 3 in der ersten Endstellung mit vollständig in das Gehäuse 1 eingezogenem Schaft 8 gezeigt, wohingegen unten die Ankeranordnung 3 in der zweiten Endstellung mit maximal aus dem Gehäuse 1 ausgefahrenen Schaft 8 gezeigt ist.

Die Spulenanordnungen 2 umfassen jeweils zwei sich um die Achse A herum erstreckende, gegensinnig gewickelte, axial zueinander versetzte Spulen 19, 20, nämlich eine - dem freien, in dem Endstück 5 geführten Ende des Schafts 8 abgewandt angeordnete - erste Spule 19 und eine zweite Spule 20. Die beiden Spulen 19, 20 sind dabei auf einer gemeinsamen Trägerhülse 21 aus magnetisch inaktivem Material aufgenommen. Mittels einer ersten Endscheibe 22, einer zweiten Endscheibe 23 und einem Zwischenring 24 ist jeweils die Außenfläche der Trägerhülse 21 in zwei Kompartimente für die Aufnahme der ersten Spule 19 bzw. der zweiten Spule 20 untergliedert. Die erste Endscheibe 22 und der Zwischenring 24 weisen jeweils Durchbrechungen 25 für die Durchführung des Wicklungsdrahts der beiden - durchgängig, aber mit Umkehrung der Wicklungsrichtung am Übergang von der ersten Spule 19 zur zweiten Spule 20 gewickelten - Spulen auf. Auch die Abschlussplatte 7 des Gehäuses 1 verfügt über der Durchführung des jeweiligen Wicklungsdrahtes dienende Durchbrüche 26.

Die erste Spule 19 weist jeweils an ihrem dem freien Ende des Schafts 8 abgewandten Ende einen Bereich 27 mit einem reduzierten Innendurchmesser auf. Hierfür ist die Trägerhülse 21 entsprechend gestuft ausgeführt. Der reduzierte Innendurchmesser der ersten Spule 19 in dem betreffenden Bereich 27 ist dabei so gewählt, dass die Permanentmagnetanordnung 9 und die erste Spule 19 in jenem einen reduzierten Innendurchmesser aufweisenden Bereich 27 einander in einer ringförmigen Überlappungszone radial überlappen.

In den Endbereich der Trägerhülse 21 ist - stirnseitig spaltfrei an der Abschlussplatte 7 anliegend - ein Kern 28 aus einem magnetisch aktiven Material eingesetzt. Dieser überlappt die gesamte axiale Erstreckung des einen reduzierten Innendurchmesser aufweisenden Bereichs 27 der ersten Spule 19. Hierzu ist er korrespondierend zu der Trägerhülse 21 gestuft gestaltet. In der ersten Endstellung der Ankeranordnung 3 (in 1 und 2 oben gezeigt) liegt der aus der Permanentmagnetanordnung 9 herausragende Überstand 12 des Schafts 8 an dem Kern 28 an. Auf diese Weise hält das dem Kern 28 benachbarte Flussleitstück 11 der Permanentmagnetanordnung 9 zu dem Kern 28 einen entsprechenden Abstand ein, d. h. es besteht zwischen dem Kern 28 und dem benachbarten Flussleitstück 11 der Permanentmagnetanordnung 9 ein axialer Spalt 29.

Die axiale Erstreckung der Permanentmagnetanordnung 9 und die jeweilige axiale Erstreckung und Anordnung der ersten Spule 19 und der zweiten Spule 20 sind so aufeinander abgestimmt, dass die axiale Überlappung der Permanentmagnetanordnung 9 durch die erste Spule 19 in der ersten Endstellung der Ankeranordnung 3 geringer ist als die axiale Überlappung der Permanentmagnetanordnung 9 durch die zweite Spule 20 in der zweiten Endstellung der Ankeranordnung 3. So beträgt die axiale Überlappung der Permanentmagnetanordnung 9 durch die erste Spule 19 in der ersten Endstellung der Ankeranordnung 3 etwa 70%, wohingegen die axiale Überlappung der Permanentmagnetanordnung 9 durch die zweite Spule 20 in der zweiten Endstellung der Ankeranordnung 3 etwa 82% beträgt.

Die dem Schutz von äußeren Einflüssen dienende Einhausung 4 umfasst eine die beiden Mantelabschnitte 6 des Gehäuses 1 umgebende gemeinsame Schutzkappe 30, die mit einem an dem Endstück 5 angebrachten Flanschring 31 dicht verbunden ist. Schutzkappe 30 und Flanschring 31 weisen zueinander fluchtende Bohrungen 32 auf, die der Befestigung des Doppel-Linearaktuators an einer bestehenden Struktur mittels entsprechender Schrauben dienen.

Die in der Zeichnung veranschaulichte Ausführungsform des Linearaktuators ist unter dem Blickwinkel höchster Schaltdynamik und maximaler Schaltkraft bei einer Bewegung der Ankeranordnung 3 von der ersten in die zweite Endstellung optimiert. Im Hinblick auf eine einfache Bauweise bei nur minimalen Abmessungen ist dabei bei dieser Ausführungsform auf eine elektromagnetisch erfolgende Rückführung der Ankeranordnung 3 aus der zweiten Endstellung in die erste Endstellung verzichtet. Eine solche Rückführung erfolgt bei dieser Ausführungsform mittels einer gesonderten, auf den jeweiligen Schaft 8 wirkenden externen Rückstelleinrichtung. Indessen kann der gezeigte Doppel-Linearaktuator auch im Hinblick auf eine elektromagnetisch erfolgende Rückführung der Ankeranordnung abgewandelt werden. Hierzu könnte insbesondere die zweite Spule 20 axial etwas verlängert werden und an ihrem dem freien Ende des Schafts 8 zugewandten Ende einen Bereich mit einem reduzierten Innendurchmesser aufweisen, wobei dieser einen reduzierten Innendurchmesser aufweisende Bereich der zweiten Spule die Permanentmagnetanordnung 9 radial überlappen und in der zweiten Spule 20 endseitig eine Kernhülse aus einem magnetisch aktiven Material aufgenommen sein könnte.

3 veranschaulicht die herausragenden Leistungsdaten eines gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 gestalteten, auf einen jeweils 4,75 mm betragenden Hub der Ankeranordnungen 3 ausgelegten Doppel-Linearaktuators mit einem Durchmesser der Permanentmagnetanordnungen 9 von nur 8 mm. Ohne Bestromung der Spulenanordnung 2 wird - durch Zusammenwirken der jeweiligen Permanentmagnetanordnung 9 mit dem Kern 28 - die Ankeranordnung 3 mit einer Haltekraft von etwa 9,5 N in ihrer ersten Endstellung gehalten. Bei Bestromung der Spulenanordnung 2 ist diese Haltekraft bereits nach nur 0,25 ms kompensiert, und durch ebenso rapiden weiteren Anstieg der elektromagnetisch generierten Kraft setzt bereits nur 0,5 ms nach Beginn der Bestromung (Ansprechzeit) die Bewegung der Ankeranordnung 3 ein. Der Schaft 8 hebt von dem Kern 21 ab, und die Haltekraft bricht rapide ein. Etwa 1 ms nach Beginn der Bestromung hat die auf die Ankeranordnung 3 wirkende, elektromagnetisch generierte Kraft ein Plateau von im Mittel 8,5 N erreicht, das bei sehr großer Gleichförmigkeit nahezu über den gesamten Verstellweg der Ankeranordnung 3 erhalten bleibt. Als Folge hiervon führt die Ankeranordnung 3 eine kontinuierlich beschleunigte Bewegung aus. Gegen deren Ende (ca. ab 3,2 ms nach Beginn der Bestromung der Spulenanordnung 2 und ca. 1 mm vor dem Erreichen der zweiten Endstellung) kommt zunehmend die der zweiten Endstellung der Ankeranordnung 3 zugeordnete Haltekraft hinzu, was zu einem stark progressiven Anstieg der Gesamtkraft führt. Bereits nach nur 3,5 ms erreicht die Ankeranordnung 3 - nach einem Schaltweg von 4,75 mm - ihre zweite Endstellung. Während fortgesetzter Bestromung der Spulenanordnung beträgt die resultierende Gesamtkraft hier etwa 22 N.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • JP 57198612 A [0003]
  • EP 1275886 A2 [0003]
  • US 3504315 A [0003]
  • US 3503022 A [0003]
  • US 4490814 A [0003]
  • CN 101908420 A [0003]
  • US 3202886 A [0003]
  • DE 2423722 A [0003]