Title:
Elektromagnetischer Aktuator
Kind Code:
A1


Abstract:

Elektromagnetischer Aktuator (1), der einige elektrisch versorgte elektromagnetische Mittel umfasst, um die geführte axiale Verschiebung einer Aktuatorachse (2) über das Innere einer Aufnahme (3) zu aktivieren. Die genannten elektromagnetischen Mittel umfassen eine erste und eine zweite in Reihe geschaltete und elektrisch miteinander verbundene Ringwicklung, wobei jede der Wicklungen (4, 5) mit einem jeweiligen festen Kern aus ferromagnetischem Material und mit einem jeweiligen beweglichen Kern aus ferromagnetischem Material verbunden ist, in dem eine Aktuatorachse (2) gekoppelt ist, wobei die beiden beweglichen Kerne einen vorgegebenen Abstand zueinander haben und wobei die Aktuatorachse (2) einstückig mit den beweglichen Kernen gekoppelt ist, so dass in einem Betriebszustand, in dem die Aktuatorachse (2) verschoben wird, jede Wicklung (4, 5) gleichzeitig ein unabhängiges magnetisches Feld erzeugt, wobei jede Wicklung (4, 5) auf ihren jeweiligen beweglichen Kern einwirkt, in dem Maße, in dem sich die genannte Aktuatorachse (2) verschiebt.




Inventors:
Guerrero, Antoni Arch (Sant Adrià de Besòs, ES)
Application Number:
DE102017104425A
Publication Date:
12/07/2017
Filing Date:
03/02/2017
Assignee:
Bitron Industrie España S.A., Barcelona (Sant Adria de Besos, ES)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Groth, Wieland, Dr., 20457, Hamburg, DE
Claims:
1. Elektromagnetischer Aktuator (1), der einige elektromagnetische Mittel umfasst, die durch eine äußere Stromquelle elektrisch versorgt werden, um die geführte axiale Verschiebung einer Aktuatorachse (2) über das Innere einer Aufnahme (3) zu aktivieren, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Mittel eine erste und eine zweite in Reihe geschaltete und elektrisch miteinander verbundene Ringwicklung umfassen, zwischen denen die Aktuatorachse (2) axial verschoben wird, wobei jede der Wicklungen (4, 5) mit einem jeweiligen festen Kern aus ferromagnetischem Material und mit einem jeweiligen beweglichen Kern aus ferromagnetischem Material verbunden ist, in dem die Aktuatorachse (2) gekoppelt ist, wobei die beiden beweglichen Kerne einen vorgegebenen Abstand zueinander haben und wobei die Aktuatorachse (2) einstückig mit den beweglichen Kernen gekoppelt ist, so dass in einem Betriebszustand, in dem die Aktuatorachse (2) verschoben wird, jede Wicklung (4, 5) gleichzeitig ein unabhängiges magnetisches Feld erzeugt, wobei jede Wicklung (4, 5) auf ihren jeweiligen beweglichen Kern einwirkt, in dem Maße, in dem sich die genannte Aktuatorachse (2) verschiebt.

2. Elektromagnetischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Wicklungen (4, 5) in einem entsprechenden unabhängigen Wicklungsträger (10, 11) aufgenommen ist.

3. Elektromagnetischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorachse (2) aus einem nicht ferromagnetischen Material besteht.

4. Elektromagnetischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der ersten Wicklung (4) verbundene feste Kern eine allgemein ringförmige Gestalt aufweist, mit einem mittleren Abschnitt mit einer zylinderförmigen Innenwand, die komplementär zu der Zylinderform ausgeführt ist, die der mit der ersten Wicklung (4) verbundene bewegliche Kern aufweist.

5. Elektromagnetischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der Innenseite des festen Kerns (7), der mit der zweiten Wicklung (5) verbunden ist, die näher bei der Ausgangsöffnung der Aktuatorachse (2) liegt, eine konische Oberfläche (70) aufweist, die komplementär ist zu der von einem Endabschnitt (90) der Außenseite des beweglichen Kerns (9) festgelegten konischen Form ist, so dass in einem Betriebszustand, in dem sich die Aktuatorachse in der am weitesten ausgefahrenen Position befindet und über die Aufnahme hervorsteht, der konische Abschnitt des beweglichen Kerns der konischen Oberfläche des festen Kerns gegenüberliegt.

6. Elektromagnetischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Wicklungen (4, 5) eine andere Windungszahl aufweist.

7. Elektromagnetischer Aktuator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklung (4) eine höhere Windungszahl aufweist als die zweite Wicklung (5).

8. Elektromagnetischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Führungselement (12) umfasst, das rohrförmig und innen hohl ausgebildet ist, und in einer mittleren Öffnung der Aufnahme (3) sitzt, in dessen Innerem sich die mit den beiden Wicklungen (4, 5) verbundenen beweglichen Kerne bewegen.

Description:
GEGENSTAND DER ERFINDUNG

Mit der vorliegenden Anmeldung einer Erfindung soll ein elektromagnetischer Aktuator registriert werden.

Genauer gesagt, schlägt die Erfindung die Entwicklung eines elektromagnetischen Aktuators vor, der auf der Benutzung zweier Wicklungen basiert, der wirksam gleichbleibend hohe Kräfte über einen langen Hub einer Aktuatorachse ermöglicht und eine relativ einfache Bauform aufweist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Im Automobilsektor kann bei Anwendungen elektromagnetischer Aktuatoren unterschieden werden zwischen Elektromagneten und auf der anderen Seite Aktuatoren, die auf der Benutzung von Elektromotoren basieren, die gewöhnlich ein mechanisches Untersetzungsgetriebe erfordern und/oder einen Wandler, um eine Drehbewegung in eine Linearbewegung umzuwandeln.

Die auf Elektromagneten basierenden Aktuatoren weisen gewisse Vorteile auf gegenüber den auf Elektromotoren basierenden Aktuatoren, wenn eine Aktuatorachse einen relativ kurzen Hub zurücklegen muss (zum Beispiel unter 10 mm) und bei mittleren bis niedrigen Kräften (zum Beispiel unter 50 N), wobei diese Vorteile sich in einer schnelleren Betätigungsgeschwindigkeit, in von der Konstruktion her einfacheren Baugruppen sowie in geringeren Herstellungskosten äußern. Wenn hingegen die Hübe länger oder die Kräfte höher sind, so nehmen die Faktoren im Zusammenhang mit dem Volumen, Gewicht, Strom und Kosten für die Elektromagnete in ungünstiger Weise zu, weshalb diese im Vergleich mit den motorbetriebenen Aktuatoren nicht mehr als effizient anzusehen sind.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass in dem Stand der Technik Systeme bekannt sind, die auf der Benutzung von Permanentmagneten basieren, die im Inneren eines Elektromagneten vorliegen, wobei deren wichtigster Nachteil darin liegt, dass die Herstellungskoten stark ansteigen, was im Wesentlichen auf die Kosten der Permanentmagneten selbst zurückzuführen ist.

Dem Anmelder ist nicht bekannt, dass derzeit eine Erfindung vorliegt, die sämtliche in dieser Beschreibung enthaltenen Merkmale aufweist.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um einen elektromagnetischen Aktuator bereitzustellen, der als Neuheit in diesem Anwendungsbereich ausgestaltet ist und alle oben genannten Nachteile überwindet, wobei er außerdem weitere zusätzliche Vorteile mit sich bringt, die aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich sind.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist folglich die Bereitstellung eines elektromagnetischen Aktuators, der über eine äußere Stromquelle elektrisch versorgte elektromagnetische Mittel umfasst, um die geführte axiale Verschiebung einer Aktuatorachse über das Innere einer Aufnahme zu aktivieren. Insbesondere ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Mittel eine erste und eine zweite in Reihe geschaltete und elektrisch miteinander verbundene Ringwicklung umfassen, zwischen denen die Aktuatorachse axial verschoben wird, wobei jede der Wicklungen mit einem jeweiligen festen Kern aus ferromagnetischem Material und mit einem jeweiligen beweglichen Kern aus ferromagnetischem Material verbunden ist, in dem die Aktuatorachse gekoppelt ist, wobei die beiden beweglichen Kerne einen vorgegebenen Abstand zueinander haben und wobei die Aktuatorachse einstückig mit den beweglichen Kernen gekoppelt ist, so dass in einem Betriebszustand, in dem die Aktuatorachse verschoben wird, jede Wicklung gleichzeitig ein unabhängiges magnetisches Feld erzeugt, wobei jede Wicklung auf ihren jeweiligen beweglichen Kern einwirkt, in dem Maße, in dem sich die genannte Aktuatorachse verschiebt.

Dank dieser Merkmale können über einen langen Hub der Aktuatorachse, zum Beispiel von mehr als 15 Millimetern, gleichbleibend hohe Kräfte erreicht werden, so dass Kraft-/Hubwerte möglich sind, die mit herkömmlichen Elektromagneten nur schwer erreicht werden können, wobei das Volumen bzw. die Größe und die Stromstärke beibehalten werden und im Verhältnis angemessene Herstellungskosten anfallen.

Dieser Aktuator kann für Aktuatorengruppen angewandt werden, die für Fahrzeugpedale vorgesehen sind, wie das Gaspedal, Handbremsensysteme, für das Feststellen/Lösen von Hydraulikkupplungen, für das Steuern von Fluidregelventilen (AGR), etc.

Vorzugsweise kann jede der Wicklungen in einem unabhängigen Wicklungsträger aufgenommen sein.

Vorteilhafterweise besteht die Aktuatorachse aus einem nicht ferromagnetischen Material.

Der mit der ersten Wicklung verbundene feste Kern ist allgemein ringförmig ausgeführt, und hat einen mittleren Abschnitt mit einer zylinderförmigen Innenwand, die komplementär zu der Zylinderform ausgestaltet ist, die der mit der ersten Wicklung verbundene bewegliche Kern aufweist.

Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Abschnitt der Innenseite des mit der zweiten Wicklung verbundenen festen Kerns, der näher bei einer Ausgangsöffnung der Aktuatorachse angeordnet ist, eine konische Oberfläche auf, die komplementär zu der konischen Form ausgestaltet ist, die von einem Endabschnitt der Außenseite des beweglichen Kerns festgelegt ist, so dass in einem Betriebszustand, in dem die Aktuatorachse sich in der am weitesten ausgefahrenen Position befindet und über die Aufnahme hervorsteht, der konische Abschnitt des beweglichen Kerns der konischen Oberfläche des festen Kerns gegenüberliegt.

Vorzugsweise weist jede der Wicklungen eine andere Windungszahl auf und besonders bevorzugt weist die erste Wicklung eine höhere Windungszahl als die zweite Wicklung auf.

Zusätzlich enthält der elektromagnetische Aktuator ein innen hohles rohrförmiges Führungselement, das sich in einer zentralen Öffnung der Aufnahme befindet, in dessen Innerem die mit den beiden Wicklungen verbundenen beweglichen Kerne bewegt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile des elektromagnetischen Aktuators der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einer bevorzugten wenn auch nicht allein möglichen Ausführung, die beispielhaft jedoch nicht einschränkend in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die 1. – Zeigt eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators.

Die 2. – Zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators.

Die 3. – Zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators.

Die 4. – Ist eine graphische Darstellung, die die Linien des von einem elektromagnetischen Aktuator, bestehend aus einer einzigen Wicklung, die mit einem einzigen festen und beweglichen Kern verbunden ist, erzeugten magnetischen Felds zeigt.

Die 5. – Ist eine graphische Darstellung, die die Linien des von dem elektromagnetischen Aktuator in einem ersten Betriebszustand erzeugten magnetischen Felds zeigt.

Die 6. – Ist eine graphische Darstellung, die die Linien des von dem elektromagnetischen Aktuator in einem zweiten Betriebszustand erzeugten magnetischen Felds zeigt.

Die 7. – Ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen Kraft und dem von der Aktuatorachse in einem herkömmlichen Elektromagnet (A) zurückgelegten Hub zeigt, wobei dieser aus einem einzigen beweglichen und festen Kern besteht und einem erfindungsgemäßen Elektromagnet (B).

Die 8. – Ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen Kraft und dem von der Aktuatorachse zurückgelegten Hub zeigt, wobei die aus den beiden Wicklungen resultierende Kraft (Fr) gezeigt wird, die von der oberen Wicklung auf die Aktuatorachse ausgeübte Kraft (Fs) und die von der unteren Wicklung ausgeübte Kraft (Fi).

BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Angesichts der genannten Figuren und nach der vorgenommenen Nummerierung ist darin ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zu sehen, wobei dieses die Teile und Elemente aufweist, die nachstehend angegeben und näher erklärt werden.

Dieser elektromagnetische Aktuator, der allgemein mit dem Bezugszeichen (1) bezeichnet wird, kann Teil einer Baugruppe für eine Handbremse, ein Gaspedal sein, kann ein Aktuator für die Steuerung und Regelung von Ventilen für den Umlauf von Flüssigkeiten sein (zum Beispiel, das Frostschutzmittel in einem Kühlkreislauf des Motors, Ölkreislauf, etc.), wobei dieser aus elektromagnetischen Mitteln (die nachstehend näher aufgeführt werden) besteht, die durch eine äußere Stromquelle elektrisch versorgt werden, um die geführte axiale Verschiebung einer Aktuatorachse (2) zu aktivieren, wobei diese aus einem nicht ferromagnetischen Material besteht, über das Innere einer Aufnahme (3), die im allgemeinen zylinderförmig ausgeführt ist.

Hier wäre zu erwähnen, dass die Hinweise auf die Ausrichtung, wie oben und unten, auf der in den 1 bis 3 dargestellten Position beruhen.

Konkret weisen die elektromagnetischen Mittel eine erste obere Ringwicklung (4) und eine zweite untere Ringwicklung (5) auf, die in Reihe geschaltet sind und über einen durchgehenden Leiter elektrisch miteinander verbunden sind, wobei zwischen diesen axial eine Aktuatorachse (2) verschoben wird. Jede der oberen und unteren Wicklungen (4, 5) ist mit einem jeweiligen oberen und unteren festen Kern aus ferromagnetischem Material (6, 7) und mit einem jeweiligen beweglichen Kern (8, 9), der ebenfalls aus ferromagnetischem Material besteht, verbunden, und in diesem ist die Aktuatorachse gekoppelt, wobei die beiden beweglichen Kerne einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen. So erzeugt in einem Betriebszustand, in dem die Aktuatorachse verschoben wird, jede der Wicklungen gleichzeitig einen unabhängigen magnetischen Kreis oder ein magnetisches Feld (siehe die 5 und 6), wobei jede Wicklung auf ihren jeweiligen beweglichen Kern einwirkt, in dem Maße, in dem die genannte Aktuatorachse (2) verschoben wird. Die gesamte Kraft, die von diesem elektromagnetischen Aktuator (1) ausgeübt wird, ist die Summe der Kräfte der beiden beweglichen Kerne, da die beiden beweglichen Kerne (8, 9) einstückig mit der Aktuatorachse (2) verbunden sind.

Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Elektromagnet werden die Linien des magnetischen Flusses durch eine Wicklung (100) erzeugt, die eine magnetische Anziehungskraft zwischen einem beweglichen Kern (200) und einem einzigen festen Kern (300) erzeugt.

Jede dieser oberen und unteren Wicklung (4, 5) befindet sich auf einem unabhängigen Wicklungsträger (10, 11).

Der feste Kern, der mit der ersten Wicklung verbunden ist, weist eine allgemeine Ringform auf, mit einem mittleren Abschnitt mit einer zylinderförmigen Innenwand, die komplementär zu der Zylinderform ausgebildet ist, die der mit der ersten Wicklung (4) verbundene bewegliche Kern aufweist.

Auf der anderen Seite, weist ein Abschnitt der Innenseite des mit der zweiten Wicklung (5) verbundenen festen Kerns, der näher bei einer Ausgangsöffnung der Aktuatorachse liegt, eine konische Oberfläche auf, die komplementär ist zu der konischen Form, die an einem Endabschnitt (90) der Außenseite des beweglichen Kerns (9) festgelegt ist, so dass in einem Betriebszustand, in dem die Aktuatorachse (2) sich in der am weitesten ausgefahrenen Position befindet und über die Aufnahme hervorsteht, der konische Abschnitt des beweglichen Kerns der konischen Oberfläche des festen Kerns gegenüberliegt.

Der elektromagnetische Aktuator umfasst ein Führungselement (12) aus einem nicht ferromagnetischen Material, das rohrförmig und innen hohl ausgebildet ist und in einer mittleren Öffnung der Aufnahme liegt, in dessen Innerem sich die mit den beiden Wicklungen (4, 5) verbundenen beweglichen Kerne bewegen.

Hier ist zu erwähnen, dass die erste Wicklung (4) eine höhere Windungszahl aufweist als die zweite Wicklung (5) und daher größere Abmessungen aufweist, weshalb das obere magnetisches Feld einen größeren Beitrag zur Kraft leistet, wenn der Luftspalt (h) am größten ist (Nullhub), da der Luftspalt (h) zwischen dem festen Kern (6) und dem beweglichen Kern (8) am kleinsten ist, unter Benutzung der zylinderförmigen geometrischen Anziehungsformen, wobei dieser feste Kern (6) so bemessen ist, dass er für mittlere oder weite Hube (beispielsweise gleich oder größer als 15 mm) gesättigt ist und einen geringen Beitrag zur Kraft leistet. Das von der unteren Wicklung (5) erzeugte magnetische Feld leistet hingegen einen geringen Beitrag zur Kraft, wenn der Luftspalt (h) maximal ist, und leistet hingegen einen maximalen Beitrag bei mittleren und großen Hüben, da die Abschnitte des beweglichen Kerns (9) und des festen Kerns (7) geometrische konische Anziehungsformen aufweisen, mit einem vorgegebenen Kegelwinkel, das heißt, eine Geometrie die ihre Dicke fortschreitend verringert, um die magnetische Sättigung zu erzwingen, wenn der konische Abschnitt des beweglichen Kerns (9) in den festen Kern (7) eingeführt ist.

Um Störungen zwischen den von den Wicklungen (4, 5) erzeugten magnetischen Feldern während dem Betrieb zu vermeiden, wird ein Zentrierkern (13, 14) bereitgestellt, mit einer im Wesentlichen ringförmigen Gestalt und bestehend aus einem ferromagnetischen Material, das mit einer entsprechenden Wicklung (4, 5) verbunden ist, wobei jeder dieser Kerne am oberen Teil der jeweiligen Wicklung (4, 5) angeordnet ist.

Die Einzelheiten, Formen, Abmessungen und weiteren Zusatzelemente, die bei der Herstellung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators verwendet wurden können entsprechend durch andere ersetzt werden, die sich nicht von dem Bereich entfernen, der durch die nachstehenden Ansprüche festgelegt wird.