Beschreibung

Elektromagnetischer Aktor

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Aktor, insbesondere einen elektromagnetischen Aktor für die Betätigung eines Schaltelementes.

Zum Betätigen eines Schaltelementes werden bekanntermaßen elektromagnetische Aktoren eingesetzt, die beispielsweise ein Schaltschloss des Schaltelementes auslösen. Die prinzipielle Wirkungsweise eines solchen elektromagnetischen Aktors ist beispielhaft in Fig. 7 dargestellt und wird nachfolgend erläutert: Der elektromagnetische Aktor umfasst ein Magnetsys- tem 2 mit einem in einem Gehäuse fixierten Magnetj och 4 und einem beweglich im Gehäuse gelagerten Anker 6. In einer Ausgangsstellung wird der Anker 6 durch eine auf ihn wirkende Magnetkraft F _M (Haltekraft) am Magnetj och 4 gehalten. Der Anker 6 ist auf einem Träger 8 aus einem elektrisch isolieren- den Werkstoff angeordnet und mit einem Führungsstab 10 axial verschiebbar in einer im Gehäuse fixierten Führung 12 gelagert. An seinem vom Anker 6 abgewandten Ende ist der Führungsstab 10 mit einem Flansch 14 versehen, zwischen dessen Schultern und der Führung 12 eine Feder 16, im Beispiel der Figur ein Tellerfederpaket, abstützt. Die Feder 16 ist vorgespannt und übt auf den Anker 6 eine gegen die Magnetkraft F _M wirkende Federkraft F _F aus, die kleiner ist als die vom Magnetjoch 4 auf den Anker 6 ausgeübte magnetische Haltekraft oder Magnetkraft F _M . Der Flansch 14 ist mechanisch mit dem beweglichen Kontakt 18 eines elektrischen Schaltelementes 20 gekoppelt, dessen Stromzuführung über den Flansch 14 und einen feststehenden Flansch 21 erfolgt.

Beim Magnetj och 4 einer solchen Aktoranordnung kann es sich um einen reinen Gleichstrommagneten oder um eine Kombination aus Gleichstrommagnet und Permanentmagnet handeln. Im ersten Fall wird die Magnetkraft F _M durch einen in einer Spule des

Gleichstrommagneten fließenden Strom I erzeugt. Im zweiten Fall wird die Magnetkraft F _M ausschließlich durch den Permanentmagneten bereitgestellt. Zum Auslösen des Ankers 6 wird dabei entweder der Gleichstrom I abgeschaltet oder durch Ein- schalten eines Gleichstromes I oder eines impulsförmigen Stroms das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld durch ein elektromagnetisch erzeugtes Gegenfeld kompensiert. Durch die Wirkung der Feder 16 setzt sich der Anker 6 in Bewegung und betätigt über den Flansch 14 das Schaltelement 20.

Bei der Auslegung eines elektromagnetischen Aktors für die Betätigung eines Schaltelementes müssen bei kompakter Bauform eine Vielzahl von Kriterien erfüllt sein. Zum einen müssen Magnetkraft F _M und Federkraft F _F derart aufeinander abge- stimmt sein, dass der Anker 6 auch bei mechanischer Belastung des Schaltgerätes sicher in der Ausgangsstellung verbleibt und nicht bei Erschütterung auslöst. Zum anderen muss die Federkraft F _F groß genug sein, um den Anker so zu beschleunigen, dass dieser in kurzer Zeit einen Weg zurücklegt, der ausreicht, um das Schaltelement 20 sicher zu betätigen. In der Praxis sollen dabei oft Wege im Bereich von einigen Zehntel Millimetern bis etwa 2 mm in sehr kurzen Zeiten (< 1 ms) zurückgelegt werden. Hohe Haltekräfte einerseits und kurze Schaltzeiten andererseits sind jedoch einander widersprechen- de Forderungen. Hohe Haltekräfte erfordern nämlich ein entsprechend hohes Ankervolumen und damit eine hohe Ankermasse. Diese wiederum führen zu einer größeren Trägheit des Ankers, wenn dieser durch die Feder beschleunigt wird.

Aus der DE 39 12 042 Al ist ein Elektromagnet zur Verwendung als Aktor bekannt, der ein topfförmiges Magnetgehäuse mit einem im Magnetgehäuse zentral angeordneten Eisenkern, eine Spule zur Erzeugung eine magnetischen Flusses im Magnetgehäuse sowie eine gegenüber der Längsachse des Magnetgehäuses verkippbare Ankerplatte umfasst. Wesentlich zur Funktion dieses Elektromagneten als Aktor soll dabei die verkippbare Ankerplatte sein, die den gleichen Außendurchmesser wie der Topfrand des Magnetgehäuses hat.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktor zum Betätigen eines elektromagnetischen Schaltelementes anzugeben, mit dem es möglich ist, kurze Schaltzeiten bei zugleich hohen Haltekräften zu realisieren.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem elektromagnetischen Aktor mit den Merkmalen des Patentan- Spruches 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß den Merkmalen des Patentanspruches enthält der elektromagnetische Aktor ein Magnetjoch, das einen von einer elekt- rischen Spule umgebenen inneren Magnetkernbereich und einen äußeren Magnetkernbereich umfasst, zwischen denen sich ein den inneren Magnetkernbereich umgebender Spalt befindet, in dem eine den inneren Magnetkernbereich umgebende Spule angeordnet ist, sowie einen Anker, der im Bereich des Spaltes mit zumindest einer Ausnehmung versehen ist. Dabei ist der vom Magnetfeld durchflossene Eisenquerschnitt des Ankers vom Zentrum des Ankers bis zu seinem Rand minimal und es treten keine Sättigungseigenschaften auf.

Mit der Erfindung wird erreicht, dass die Masse des Ankers gegenüber einem massiven Anker in Form einer Scheibe bzw. Platte mit einander gegenüberliegenden planparallelen Flachseiten verringert werden kann, so dass der Anker bei ansonsten identischem Aufbau des Schaltgerätes schneller beschleu- nigt wird und auf diese Weise kürzere Schaltzeiten im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht sind. Die Erfindung beruht dabei auf der überlegung, dass es möglich ist, im Bereich des magnetfeldfreien Spaltes das Ankervolumen zu reduzieren, ohne dass dies zu einer Verringerung der zwischen Magnetj och und Anker ausgeübten Magnet- oder Haltekraft führt.

Die zumindest eine Ausnehmung kann im Anker in Form einer Vertiefung oder einer Durchgangsöffnung bzw. Fenster vorliegen, wobei durch das Einbringen von Durchgangsöffnungen eine besonders wirksame Massenverringerung des Ankers erzielt wer den kann.

Vorzugsweise sind bei dem für den erfindungsgemäßen Aktor verwendeten Anker eine Mehrzahl vom Ausnehmungen vorgesehen, wobei der Anker insbesondere einen inneren und einen diesen umgebenden äußeren Ankerbereich umfasst, die über eine Mehrzahl von Stegen miteinander verbunden sind.

Wenn der Anker außerdem auf seiner vom Magnetj och abgewandten Rückseite mit zumindest einer Aussparung versehen ist, kann eine weitere Reduzierung der Ankermasse erzielt werden.

Eine besonders platzsparend und fertigungstechnisch einfach herzustellende Ausführungsform wird erzielt, wenn das Magnetjoch als Topfkern ausgebildet ist.

Beim erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor kann es sich um einen reinen Elektromagneten oder um einen mit einem Permanentmagneten kombinierten Elektromagneten handeln, bei dem das Magnetj och einen Permanentmagneten umfasst, dessen magne- tische Achse mit der magnetischen Achse des inneren Magnetkernbereiches zusammenfällt.

Weiteren Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktor gemäß der Erfindung in einem schematischen Längsschnitt,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Magnetsystems eines elektromagnetischen Aktors gemäß der Erfindung mit einem Permanentmagneten,

Fig. 3 eine weitere alternative Ausgestaltung des elektromagnetischen Aktors mit einer im Magnetsystem integrierten Feder,

Fig. 4 den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Anker in ei- nem Querschnitt senkrecht zur Bewegungsachse,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung eines Ankers gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine weitere alternative Ausgestaltung eines Ankers gemäß der Erfindung in einem Axialschnitt und Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau eines von einem elektromagnetischen Aktor betriebenen Schaltgerätes gemäß dem Stand der Technik.

Figur 7 wurde bereits in der Einleitung zur Erläuterung der Funktionsweise von elektromagnetischen Aktoren beschrieben. In den weiteren Figuren haben gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen .

Gemäß Figur 1 umfasst der elektromagnetische Aktor gemäß der Erfindung ein Magnetjoch 40, das im Beispiel rotationssymmetrisch um eine erste magnetische Achse 42 als Topfkern ausgebildet ist. Das Magnetjoch 40 umfasst einen von einer elektrischen Spule 44 umgebenen inneren zylindrischen Magnetkernbereich 46, der von einem äußeren hohlzylindrischen Magnet- kernbereich 48 umgeben ist, und von diesem durch einen ringförmig umlaufenden Spalt 50 getrennt ist, in den die Spule 44 eingesetzt ist. Die Polflächen 52 und 54 des inneren bzw. äußeren Magnetkernbereiches 46, 48 sind in einer gemeinsamen Ebene 56 angeordnet.

Dem Magnetjoch 40 ist ein beweglich gelagerter, flacher, annähernd scheibenförmiger Anker 60 zugeordnet, der im Bereich des Spaltes 50 mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen 62 versehen ist, die im Beispiel dieser Figur als Durchgangsöffnung oder Fenster gestaltet sind.

Bei dem Anker 60 handelt es sich um eine erfindungsgemäße Modifikation eines in der Figur gestrichelt dargestellten

kreisscheibenförmigen massiven Ankers mit planparallelen Flachseiten. Gegenüber dieser Kreisscheibenform ist der Anker 6 nicht nur mit der Ausnehmung 62 im Bereich des Spaltes 50 sondern zusätzlich mit einer am äußeren Rand des Ankers 60 umlaufenden und in der vom Magnetj och 40 abgewandten Rückseite des Ankers 60 eingebrachten Aussparung 64 versehen. Eine weitere rotationssymmetrische Aussparung 66 auf der Rückseite des Ankers 60 befindet sich in der Mitte. Die Aussparungen 64, 66 berücksichtigen den Verlauf des magnetischen Flusses im Anker und sind dementsprechend dort eingebracht, wo die Flussdichte gering ist.

Durch diese vorstehend beschriebene Gestaltung wird die Masse des Ankers 60 signifikant reduziert, ohne dass dies zu einer die Haltekraft beeinträchtigenden Veränderung des Flussdichteverlaufes zwischen Anker 60 und Magnetj och 40 führt oder Sättigungserscheinungen auftreten. Mit anderen Worten: Die vom Magnetj och 40 auf den Anker 60 ausgeübte magnetische Haltekraft ist zumindest annähernd genauso groß wie die Halte- kraft, die vom selben Magnetjoch 40 auf einen scheibenförmigen Anker mit planparallelen Flachseiten gemäß dem Stand der Technik ausgeübt wird.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist alternativ zu dem in Figur 1 dargestellten einteiligen Magnetjoch ein mehrteiliges Magnetj och 40 vorgesehen, bei dem dem inneren Magnetkernbereich 46 auf seiner der Polfläche 52 abgewandten Rückseite ein Permanentmagnet 462 zugeordnet ist, dessen magnetische Achse mit der magnetischen Achse 42 des inneren Magnetkernbe- reiches 46 zusammenfällt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Haltekraft ausschließlich durch die Wirkung des Permanentmagneten 462 erzeugt. Der Abwurf des Ankers 6 erfolgt dadurch, dass beim Einschalten des von Spule 44 und Spulenkern 464 gebildeten Elektromagneten ein Gegenfeld erzeugt wird, das die Wirkung des Permanentmagneten 462 zumindest annähernd aufhebt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist die Feder 16, die bei ausgeschaltetem Elektromagneten entsprechend Fig. 1 oder bei kompensiertem Magnetfeld des Permanentmagneten entsprechend Fig. 2 die Linearbeschleunigung des Ankers 60 erzeugt, in das Magnetjoch 40 integriert.

Der Figur 4 ist zu entnehmen, dass der Anker 60 mit vier Ausnehmungen 62 versehen ist, die als Durchgangsöffnungen ausgestaltet sind. Der magnetische Fluss wird dabei von einem inneren Bereich 68 des Ankers 60 zu einem ringförmigen äuße ren Bereich 70 über Stege 72 geführt.

Bei einer alternativen Ausgestaltung des Ankers 60 gemäß Figur 5 sind die Ausnehmungen 62 in Form von Durchgangsbohrun- gen eingebracht.

An Stelle fensterförmiger Ausnehmungen 62 ist es auch möglich, gemäß Figur 6 solche Ausnehmungen 62 vorzusehen, die lediglich in Form von Vertiefungen vorliegen und Materialaus- sparungen bilden. Im Beispiel ist ein rotationssymmetrischer Anker 60 dargestellt, bei dem die Ausnehmung 62 durch eine ringförmig umlaufende Rinne gebildet ist.