Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft das Gebiet elektrodynamischer Aktoren für unterschiedliche Anwendungen wie z.B. das Betätigen von Hochspannungsschaltern oder als Aktor in Magnetventilen.

Technischer Hintergrund

Die Wirkungsweise von elektrodynamischen Aktoren beruht auf der Wirkung der Lorentzkraft . Diese tritt auf, wenn sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld befindet, wobei der stromdurchflossene Leiter relativ zu dem Magnetfeld bewegbar gelagert ist. Dieser Effekt wird durch den bekannten Ringversuch, ursprünglich entdeckt von Elihu Thomson, eindrucksvoll illustriert. Des Weiteren kann die Reluktanzkraft (Maxwell-Kraft) bei elektrodynamischen Aktoren eine Rolle spielen.

Beim Ringversuch nach Thomson wird ein Ring aus elektrisch leitendem Material (z.B. Kupfer) um eine langgestreckte Spule mit Weicheisenkern angeordnet. Bei einem kurzen Strompuls durch die Spule wird durch die Wirkung der Lorenzkraft springt der Ring von der Spule, die auch als Thomson-Spule bezeichnet wird. Thomson-Spulen sind als Aktoren nicht gebräuchlich, da sie wegen ihres großen Streufeldes und anderen Verlusten (z.B. Eisenverlusten) nur einen geringen Wirkungsgrad und eine schlechte elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen. Das für derartige Aktoren erforderliche schnelle Schalten von hohen Strömen ist technisch aufwändig, das Bereitstellen einer entsprechend hohen elektrischen Leistung ebenfalls . Eine andere Art von elektrodynamischen Aktoren sind Schwingspulen. Schwingspulen sind schnelle Aktoren und können bei Frequenzen von bis zu mehreren 10 kHz betrieben werden. Es sind aber fragile und aufwändige Konstruktionen, da die Kraft an der Spule entsteht. Die Verwendung eines robusten Spulenkörpers mindert die Vorzüge einer Schwingspule, da die Masse des robusten Spulenkörpers beschleunigt werden muss. Eine Alternative zu elektrodynamischen Aktoren sind elektromagnetische Aktoren wie z.B. Hubmagnete. Derartige Aktoren sind mechanisch stabiler, jedoch elektrisch vergleichsweise träge, d.h. langsam. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen elektrodynamischen Aktor zur Verfügung zu stellen, der die Vorteile von Hubmagneten (Robustheit) und Schwingspulen (Schnelligkeit) in sich vereint, zudem geringe Streufelder und, bezogen auf sein Volumen, eine hohe Kraft erzeugt.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch einen Aktor gemäß Anspruch 1 gelöst. Beispielhafte Ausführungen und Weiterentwicklungen der Erfin- düng sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Es wird ein elektrodynamischer Aktuator offenbart. Ein Beispiel der Erfindung betrifft einen Aktuator, der folgendes aufweist: einen Magnetkreis, eine Induktionsspule sowie eine bewegliche Kurzschlusswindung aus Metall, die auf dem Magnetkreis angeordnet sind, wobei die auf die Kurzschlusswindung wirkende Kraft zur Verrichtung mechanischer Arbeit ausgenutzt wird und der Magnetkreis derart ausgestaltet ist, dass wäh- rend des Betriebs das Metall der Kurzschlusswindung ganz oder teilweise von einem radialen magnetischen Fluss durchsetzt wird. Der magnetische Fluss sollte also so gut wie möglich in - in Bezug auf die Kurzschlusswindung - radialer Richtung in der Ebene der Kurzschlusswindung eingeleitet werden, sodass eine möglichst hohe Flussdichte in radialer Richtung erzeugt wird. Kurzbeschreibung der Abbildungen

Die folgenden Figuren und die weitere Beschreibung soll helfen, die Erfindung besser zu verstehen. Nähere Details, Varianten und Weiterentwicklungen des Erfindungsgedankens werden an Hand von Figuren erläutert, die ein spezielles ausgewähltes Beispiel betreffen. Die Elemente in den Figuren sind nicht unbedingt als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der Erfindung darzustellen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen korrespondie- rende Teile.

Fig. 1 ist eine Schnittzeichnung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrodynamischen Aktors; Fig. 2 ist eine perspektivische Schnittdarstellung eines weiteren, zum Beispiel aus Figur 1 sehr ähnlichen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrodynamischen Aktors; Fig. 3 illustriert beispielhaft den radialen Magnetfeldverlauf im Bereich der Kurzschlusswindung des Aktors,- und Fig. 4 ist eine perspektivische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrodynamischen Aktors mit zusätzlichen Spulen. Detailierte Beschreibung

Im Folgenden wird ein spezielles Ausführungsbeispiel anhand der in Figur 1 dargestellten Schnittzeichnung näher erläutert. Figur 2 ist eine perspektivische Schnittdarstellung des Aktors. Figur 1 ist ein Querschnitt durch eine vertikale Symmetrieebene des elektrodynamischen Aktors 1. Der Aktor 1 um- fasst zumindest die folgenden Komponenten: einen Magnetkreis, der beispielsweise durch einen zweiteiligen Magnetkern (fer- romagnetische Magnetkernteile 21, 22) gebildet ist; eine In- duktionsspule, die beispielsweise auf einem auf den Magnetkern aufgesetzten Spulenkörper 31 gewickelt ist; und eine bewegliche Kurzschlusswindung 12 aus Metall, die ebenfalls auf dem Magnetkreis angeordnet ist, d.h. die Kurzschlusswindung ist umgreift den Magnetkern 21, 22 und ist an diesem in axia- ler Richtung beweglich gelagert. Die auf die Kurzschlusswin- dung 12 wirkende Kraft kann zur Verrichtung mechanischer Arbeit ausgenutzt werden. Dazu ist der Magnetkreis (z.B. die Magnetkernteile 21, 22) derart ausgestaltet, dass während des Betriebs das Metall der Kurzschlusswindung 12 ganz oder teil- weise von einem radialen magnetischen Fluss durchsetzt wird. Die radiale Richtung liegt also in der Ebene der Kurzschluss- windung 12 und ist normal zur Umfangsrichtung (axiale Richtung) des Magnetkreises 21, 22. Die metallische Kurzschlusswindung 12 (z.B. aus Kupfer oder Aluminium) kann auf einer Ringführung 11 aus Kunststoff (z.B. PEEK, d.h. Polyetheretherketon) angeordnet sein. Der Magnetkreis kann aus einem, zwei, oder mehreren Magnetkernteilen bestehen. Im vorliegenden Beispiel wird der Magnetkreis durch einen zweiteiligen Magnetkern (unterer Magnetkernteil 22, oberer Magnetkernteil 21) gebildet, wobei die beiden Magnetkernteile 21, 22 luftspaltlos aneinander gefügt sind. Des Weiteren ist im vorliegenden Beispiel eine Kunststoffabde- ckung 40 vorgesehen, die auf dem oberen Magnetkernteil 21 angeordnet ist und ebenfalls aus PEEK oder einem anderen

Kunststoff gefertigt sein kann. Die Kurzschlusswindung 12 kann aus laminierten, möglichst guten elektrischen Leitern aufgebaut sein.

Die Erzeugung des die Kurzschlusswindung 12 in radialer Richtung durchsetzenden magnetischen Flusses kann durch mindestens eine zusätzliche Spule (siehe Fig. 4: Spulenträger 51 oberhalb der Kurzschlusswindung 12) unterstützt werden. Diese erzeugen dabei eine kleinere Durchflutung als die Induktionsspule (Spulenträger 31 oberhalb der Kurzschlusswindung 12), wobei die Durchflutung der zusätzlichen Spule (n) der von der Induktionsspule erzeugten Durchflutung entgegenwirkt. Der magnetische Fluss in radialer Richtung kann dabei mit Hilfe von Polschuhen auf den Hubbereich der beweglichen Kurz- schlusswindung konzentriert werden.

Anstelle einer oder mehrerer zusätzlicher Spulen (oder als zusätzliche Maßnahme) kann der magnetische Fluss in radialer Richtung auch erzeugt werden, indem der Magnetkreis derart ausgelegt ist, dass der Magnetkreis partiell sättigt. Dies kann durch eine lokale Verringerung des Querschnittes des Magnetkerns 21, 22 erreicht werden (siehe Bereich 60 des Mag- netkernteils 21 in Fig. 2 oder 4), oder durch die Verwendung eines magnetischen Werkstoffes in zumindest einem Abschnitt des Magnetkreises, dessen Sättigungspolarisation geringer ist als die des Werkstoffs, aus dem der übrige Magnetkreis be- steht. Alternativ oder zusätzlich dazu können statt den zusätzlichen Spulen Permanentmagnete (z.B. Seltenerdenmagnete) zur Erzeugung des radialen Flusses verwendet werden. Als Werkstoffe für den Magnetkreis kommen verschiedene ferro- magnetische Werkstoffe in Betracht, beispielsweise weichmagnetische Werkstoffe wie ein eisenbasiertes, metallisches Glas, eine eisenbasierte nanokristalline Legierung oder eine Eise-Kobalt-Legierung (z.B. VACOFLUX 18H), die insbesondere bis zu 5 % andere Elemente (z.B. Vanadium und Silizium) sowie einen möglichst hohen elektrischen Widerstand aufweist.

Die Polschuhe (siehe Bereich 61 des Magnetkernteils 21 in Fig. 2 oder 4) und der Magnetkreis können aus unterschiedli- chen Werkstoffen bestehen, wobei die relative Permeabilität des Werkstoffes der Polschuhe niedriger ist als die des Werkstoffs des übrigen Magnetkreises. Die Sättigungspolarisation des Werkstoffes der Polschuhe soll jedoch höher sein als die des Werkstoffs des übrigen Magnetkreises. In einem speziellen Ausführungsbeispiel sind die Werkstoffe des Magnetkreises und der Polschuhe jeweils laminiert, wobei die Ebenen der jeweiligen Laminierung senkrecht aufeinander stehen. Insbesondere können für die Polschuhe magnetisch halbharte Werkstoffe verwendet werden.

Anstelle einer Induktionsspule können auch zwei (siehe Fig. 1 mit zwei Induktionsspulen auf den zwei Spulenkörpern 31) oder eine andere geradzahlige Anzahl von Spulen auf dem Magnet- kreis angeordnet werden, wobei alle Spulen (inklusive der oben erwähnten zusätzlichen Spulen) so angeordnet sind, dass ein Multipol-Streufeld möglichst kurzer (im Fernfeld fällt das Magnetfeld proportional zu l/r ³ oder stärker, wobei r der Abstand zum Magneten ist) Reichweite erzeugt wird, sobald der Magnetkreis (oder ein Abschnitt davon) sättigt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der elektrodynami- sehe Aktor mit einer Rückstellfeder (nicht dargestellt) ausgestattet, d.h. die Kurzschlusswindung 12 wird mit Hilfe einer Feder in eine Ruheposition gedrückt bzw. gezogen. Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn die Rückstellfeder zwischen Magnetkreis (Magnetkern 21, 22) und der Kurz- schlusswindung 12 wirkt. Alternativ kann die Rückstellfeder auch derart angeordnet sein, dass die Rückstellkraft zwischen dem elektrodynamischen Aktor und der zu betätigenden Mechanik wirkt. Die Feder kann eine nicht- lineare Federkennlinie aufweisen und einen von dem Aktor erzeugten Kraftstoß derart mo- dulieren, dass er mit den Anforderungen der zu betätigenden Mechanik abgestimmt ist, d.h. die Kraft-Weg-Charakteristik des Aktors kann durch die Feder gezielt beeinflusst werden. Als nicht- lineare Feder kommt z.B. eine Blattfeder oder eine Tellerfeder in Betracht oder ein Paket von Blattfedern bzw. Tellerfedern.

Die zum Betrieb des Aktors notwendige Energie kann z.B. in einem Kondensator gespeichert sein. Die Energie zum Betrieb des Aktors kann in den Kapazitäten einer Laufzeitkette ge- speichert sein, deren Impedanz auf die des elektrodynamischen Aktors angepasst ist und die direkt oder über eine Speicherinduktivität geladen wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Kondensator mit HiI- fe eines Pulsweitenmodulators über die Induktionsspule (n) des elektrodynamischen Aktors entladen, sodass währen eines einzigen mechanischen Stellvorgangs viele elektrische Schaltvorgänge stattfinden, die Pulsweitenmodulation ist dabei auf die Anforderungen der zu betätigenden Mechanik abgestimmt, d.h. durch eine Pulsweitenmodulation kann der zeitliche Verlauf des Spulenstroms durch die Induktionsspule eingestellt werden und somit auch das Verhalten des Aktors gezielt beeinflusst werden.

Zwischen Kondensator und Aktor ist eine magnetische Pulskompression (Laufzeitkette mit sättigbaren Reaktoren, welche lastseitig äußerst steilflankige Stromimpulse bereitstellt und speicherseitig den/die Schalter schont) geschaltet, deren Impedanz auf die des elektrodynamischen Aktors abgestimmt ist.

Als Alternative zu dem Kondensator kommt auch ein induktiver Energiespeicher in Betracht, der auf die Impedanz des elektrodynamischen Aktors angepasst ist. Bei einer Impedanzanpas- sung ist die zwischen Energieversorgung und Aktor übertragene Leistung maximal. Für einen optimalen Wirkungsgrad sollte der Innenwiderstand der Energieversorgung des Aktors möglichst minimal sein. Zwischen dem induktiven Speicher und dem elektrodynamischen Aktor kann ein Impedanzwandler geschaltet sein.

Der elektrodynamische Aktor kann derart mit einem Hubmagneten derart kombiniert werden, sodass eine Haltekraft erzeugt wird. Die bewegliche Kurzschlusswindung 12 ist dabei starr mit einem beweglich gelagerten Teil des Magnetkreises 21, 22 verbunden. Der Magnetkreis 21, 22 besitzt im Ausgangszustand eine Verjüngung des Querschnitts, welche durch Bewegung des beweglich gelagerten Teils des Magnetkreises in jene Rich- tung, in die die Lorenzkraft auf die KurzSchlusswindung 12 wirkt, verringert oder vernichtet wird. Dabei wird die erzeugte Kraft über das beweglich gelagerte Teil des Magnetkreises auf die vom Aktor zu betätigende Mechanik ausgeübt. In anderen Worten, ein Teil des Magnetkreises ist mit der Kurzschluss verbunden und bewegt sich gemeinsam mit der Kurz- schlusswicklung. Der Magnetkreis ist so ausgestaltet, dass bei der Bewegung der Querschnitt des Magnetkreises größer wird (d.h. die Verjüngung wird reduziert), was eine entsprechende Reluktanzkraft zur Folge hat . Auf diese Art wird die Wirkung der auf die Kurzschlusswicklung wirkende Kraft durch die Wirkung einer zusätzlichen Reluktanzkraft (eine solche wirkt auch bei einem Hubmagneten) auf den Beweglichen Teil des Magnetkerns verstärkt. Auf diese Art kann eine Haltekraft unter Ausnutzung des Gleichstromanteils durch die Induktionsspule erzeugt werden.

Je nach Anwendung kann die Kurzschlusswindung 12 mit Hilfe eines entsprechend geformten Bauteils mechanisch verstärkt

(z.B. durch die Ringführung 11) werden, welches aus härterem Material besteht als die Kurzschlusswindung 12. Die Kraft kann z.B. mit Hilfe einer in axialer Richtung angeordneter Stange auf die zu betätigende Mechanik übertragen werden.

Der elektrodynamische Aktor kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das beispielsweise aus Mu-Metal oder einem vergleichbaren weichmagnetischen Werkstoff besteht. Die Funktionsweise des elektrodynamischen Aktors aus den Figuren 1 oder 2 wird im Folgenden noch einmal anhand des in der Fig. 3 schematisch dargestellten Verlauf der magnetischen Feldlinien verdeutlicht. Das Einspeisen eines Stromes in die Induktionsspule (Spulenträger 31) hat ein entsprechendes mag- netisches Feld 51 zur Folge, was wiederum - gemäß dem Induktionsgesetz - einen entsprechenden Kurzschlussstrom in der Kursschlusswindung 12 zur Folge hat. Dieser Kurzschlussstrom erzeugt wiederum ein Magnetfeld 52, das - gemäß der Lenz 'sehen Regel - den magnetischen Feld der Induktionsspule entgegengesetzt ist. Folglich überlagern sich - abgesehen von Streufeldern - die Magnetfelder 51 und 51 von Induktionsspule und Kurzschlusswindung in axialer Richtung destruktiv, sodass im Bereich der Kurzschlusswindung die axiale magnetische

Flussdichte B _AX sehr klein, im Idealfall null, wird. Die radialen Komponenten der Magnetfelder 51 und 52 überlagern sich konstruktiv, was im Bereich der Kurzschlusswindung eine sehr starke radiale magnetische Flussdichte B _R zur Folge hat. Die- se radiale magnetische Flussdichte B _R im Bereich der Kurz- schlusswindung hat eine axiale Lorentz-Kraft zu Folge, die auf die Kurzschlusswindung 12 wirkt und die als Aktorkraft zur Verfügung steht . Die für die Funktionsweise des Aktors notwendige, näherungs- weise Auslöschung des Magnetfeldes in axialer Richtung und die damit verbundene Konzentration der magnetischen Fluss- dichte in radialer Richtung im Bereich der Kurzschlusswindung wird mit Hilfe des geschlossenen Magnetkreises erreicht und ist umso besser, je besser die elektrische Leitfähigkeit der Kurzschlusswindung 12 ist und je geringer die Eisenverluste um Magnetkreis sind.