DE102008043288B4

DE102008043288B4 - Verfahren zum Betreiben eines Elektromagneten

Info

Publication number: DE102008043288B4
Application number: DE102008043288.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Pantke; Reiner Keller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: DE102008043288A1; WO2010049234A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Elektromagneten mit zwei Induktionsspulen (3, 4), und mit einem ferromagnetischen Anker (6), der sich in Kraftrichtung (7) der Induktionsspulen (3, 4) erstreckt und auf den abhängig von der Bestromung der Induktionsspulen (3, 4) eine magnetische Kraft (13, 14) ausgeübt werden kann, um den Anker (6) entlang der Kraftrichtung (7) zu verlagern, wobei mindestens ein Permanentmagnet (8) zwischen den Induktionsspulen (3, 4) derart positioniert ist, dass der Anker (6) an seinen beiden Enden (10, 11) gleichpolig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (3, 4) derart unterschiedlich bestromt werden, dass mit der ersten, maximal bestromten Induktionsspule (3) auf ein erstes Ende (10) des Ankers (6) eine Zugkraft (13) und mit der zweiten, weniger stark bestromten Induktionsspule (4) auf ein zweites Ende (11) des Ankers (6) eine Schubkraft (14) ausgeübt wird, wobei die zweite Induktionsspule (4) derart bestromt wird, dass das von der zweiten Induktionsspule (4) auf das zweite Ende (11) des Ankers (6) ausgeübte Magnetfeld dessen Polarisierung nicht verdrängt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromagneten.
Aus der Praxis sind Elektromagneten mit mehreren Induktionsspulen bekannt, mit Hilfe derer auf einen Anker des Elektromagneten eine Kraft ausgeübt werden kann, um den Anker zu verlagern. Der zu verlagernde Anker erstreckt sich dabei in Richtung einer von den Induktionsspulen auf den Anker ausgeübten magnetischen Kraft. Die von den Induktionsspulen auf den Anker ausgeübte magnetische Kraft ist dabei von der Bestromung der Induktionsspulen abhängig, so dass letztendlich zur Erhöhung der Krafteinwirkung auf den Anker immer größere Induktionsspulen eingesetzt werden müssen. Dies führt zu einem erhöhten Bauraum des Elektromagneten. Es besteht daher Bedarf an einem Elektromagneten, bei welchem bei minimalem Bauraum eine möglichst große Kraft auf den Anker ausgeübt werden kann.
Aus der US 5 069 420 A ist ein Druckregelventil bekannt, das von einem Elektromagneten betätigt wird. Der Elektromagnet weist gemäß 5 zwei Induktionsspulen und einen ferromagnetischen Anker auf, der sich in Kraftrichtung der Induktionsspule erstreckt und auf den bei Bestromung der Induktionsspulen eine magnetische Kraft ausgeübt werden kann, um den Anker entlang der Kraftrichtung zu verlagern, wobei ein Permanentmagnet zwischen den Induktionsspulen positioniert ist.
Aus der DE 42 13 803 A1 ist ein zweistufiges Ventil bekannt, welches von einem Elektromagneten betätigt wird. Der Elektromagnet weist gemäß 6 zwei Induktionsspulen und einen ferromagnetischen Anker auf, der sich in Kraftrichtung der Induktionsspulen erstreckt und auf den bei Bestromung der Induktionsspulen eine magnetische Kraft ausgeübt werden kann, um den Anker entlang der Kraftrichtung zu verlagern, wobei je ein Permanentmagnet radial innerhalb jeder der Induktionsspulen positioniert ist.
Aus der gattungsgemäßen US 2006 / 0 049 701 A1 ist ein Linearantrieb bekannt, bei dem ein einem Statormagneten zugewandtes bewegliches Teil vorgesehen ist. Der Statormagnet ist zusammen mit einer Spule in einem Joch vorgesehen. Beide magnetischen Polstücke des Jochs werden durch Umschalten der Energiezufuhr der Spule zu einem Südpol respektive einem Nordpol erregt, um das bewegliche Teil einer Schubkraft zu unterwerfen und einen reziproken Antrieb zu bewirken. Die Spule ist hierbei in Teilspulen unterteilt, um eine Erregungsfunktion beizubehalten. Auch ist ein magnetischer Pfadkörper zur Verbindung des Statormagneten und des Jochs zwischen den Teilspulen vorgesehen. Die magnetische Kraft des Statormagneten wird dabei über den magnetischen Pfadkörper auf das Joch übertragen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben eines Elektromagneten zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromagneten gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Elektromagnet verfügt hierbei über zwei Induktionsspulen und einen Anker, der sich in Kraftrichtung der Induktionsspulen erstreckt und auf den abhängig von der Bestromung der Induktionsspulen eine magnetische Kraft ausgeübt werden kann, um den Anker entlang der Kraftrichtung zu verlagern.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist zwischen den Induktionsspulen mindestens ein Permanentmagnet positioniert, nämlich derart, dass der Anker, der als ferromagnetischer Anker ausgebildet ist, an seinen beiden Enden gleichpolig ausgebildet ist.
Hierdurch ist es möglich, dass auf ein erstes Ende des Ankers eine Zugkraft und zusätzlich auf ein zweites Ende des Ankers eine die Zugkraft unterstützende Schubkraft ausgeübt werden kann. Durch Ausnutzung des Magnetflusses des Permanentmagneten kann demnach bei minimalem Bauraum des Elektromagneten eine große Kraft auf den ferromagnetischen Anker ausgeübt werden.
Bei dem Verfahren werden die Induktionsspulen, vorzugsweise von einer Ansteuerschaltung, derart unterschiedlich bestromt, dass mit einer ersten, maximal bestromten Induktionsspule auf ein erstes Ende des Ankers die Zugkraft und mit einer zweiten, weniger stark bestromten Induktionsspule auf ein zweites Ende des Ankers die Schubkraft ausgeübt wird, wobei die zweite Induktionsspule derart bestromt wird, dass das von der zweiten Induktionsspule auf das zweite Ende des Ankers ausgeübte Magnetfeld dessen Polarisierung nicht verdrängt.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematisierte Darstellung eines Elektromagneten; und
2 eine Ansteuerschaltung des Elektromagneten.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 im Detail beschrieben, wobei 1 eine schematisierte Darstellung eines Elektromagneten 1 und 2 eine schematisierte Ansteuerschaltung 2 für Induktionsspulen 3, 4 des Elektromagneten 1 zeigt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel verfügt der Elektromagnet 1 über zwei Induktionsspulen 3 und 4, die abhängig von einer Bestromung derselben ein magnetisches Feld bereitstellen. Durch die Bestromung der Elektromagneten 3, 4 entstehende Feldlinien sind in 1 mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet. Über das von den Induktionsspulen 3, 4 bereitgestellte magnetische Feld soll auf einen ferromagnetischen Anker 6 des Elektromagneten 1 eine Kraft ausgeübt werden, um den Anker 6 zur Bereitstellung einer Hubbewegung desselben translatorisch zu verlagern. Hierzu erstreckt sich der Anker 6 zwischen den beiden Induktionsspulen 3 und 4 in Kraftrichtung 7 der Induktionsspulen 3, 4. Ein in die Induktionsspulen 3, 4 eingetragenes „X“ verdeutlicht einen Stromfluss in die Zeichenebene hinein, ein in die Induktionsspulen 3, 4 eingetragener „·" visualisiert einen Stromfluss aus der Zeichenebene heraus.
Der Elektromagnet 1 umfasst neben den Induktionsspulen 3, 4 weiterhin mindestens einen Permanentmagneten 8. Bei dem in 1 gezeigten Permanentmagneten 8 handelt es sich um einen scheibenförmigen bzw. ringförmigen Permanentmagneten 8 mit einer mittleren Öffnung 9, durch die sich der Anker 6 erstreckt. Der Permanentmagnet 8 erstreckt sich in etwa senkrecht zur Kraftrichtung 7 und damit Hubrichtung des Ankers 6 zwischen den Induktionsspulen 3, 4.
Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, anstelle eines ringförmigen bzw. scheibenförmigen Permanentmagneten 8 mehrere, z. B. zwei oder vier, stabförmige Permanentmagneten 8 zu verwenden.
Der im Ausführungsbeispiel der 1 verwendete, ringförmige bzw. scheibenförmige Permanentmagnet 8 ist derart positioniert, dass der ferromagnetische Anker 6 an seinen beiden Enden 10, 11 gleichpolig ausgebildet ist. So sind gemäß 1 an beiden sich gegenüberliegenden Enden 10, 11 des Ankers 6 jeweils Südpole ausgebildet.
Hierzu umschließt im Ausführungsbeispiel der 1 der Südpol des Permanentmagneten 8 einen mittleren Abschnitt des ferrogmagnetischen Ankers 6. Der Permanentmagnet 8 bildet ebenfalls ein Magnetfeld aus, dessen Feldlinien in 1 durch Bezugsziffer 12 gekennzeichnet sind.
Beim Elektromagneten 1 ist es möglich, das Magnetfeld bzw. den Magnetfluss des Permanentmagneten 8 so auszunutzen, dass die von den Induktionsspulen 3, 4 auf den ferromagnetischen Anker 6 ausgeübte Kraft unterstützt werden kann. Hierzu sind die Induktionsspulen 3, 4 von der Ansteuerschaltung 2 der 2 derart bestrombar, dass im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3 mit der Induktionsspule 3 auf das Ende 10 des ferromagnetischen Ankers 6 eine Zugkraft 13 und mit der Induktionsspule 4 auf das Ende 11 des ferromagnetischen Ankers 6 eine die Zugkraft 13 unterstützende Schubkraft 14 ausgeübt wird.
Die Ansteuerschaltung 2 des Elektromagneten 1 ist im Ausführungsbeispiel der 2 als sogenannte B6-Brücke mit insgesamt sechs Schaltern 15, 16, 17, 18, 19 und 20 ausgebildet, wobei sämtliche Schalter 15 bis 20 individuell angesteuert und damit geschlossen bzw. geöffnet werden können, um selektiv die Induktionsspulen 3 und 4 zu bestromen. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird die Induktionsspule 3 durch permanentes Schließen der Schalter 15, 19 maximal bestromt, so dass mit der Induktionsspule 3 auf das Ende 10 des ferrogmagnetischen Ankers 6 eine maximale Zugkraft 13 ausgeübt werden kann.
Die Induktionsspule 4 wird mit einem geringeren Strom bestromt, nämlich derart, dass das von der Induktionsspule 4 auf das Ende 11 des ferrogmagnetischen Ankers 6 ausgeübte Magnetfeld dessen Polarisierung gerade nicht verdrängt, wodurch dann auf das Ende 11 des ferromagnetischen Ankers 6 eine maximale Schubkraft 14 ausgeübt werden kann. Hierzu wird bei der B6-Brücke der 2 der Schalter 17 nicht permanent sondern vielmehr getaktet geschlossen.
Der Schalter 17 wird demnach im Sinne einer Pulsweitenmodulation angesteuert, so dass der durch die Induktionsspule 4 fließende Strom kleiner ist als der durch die Induktionsspule 3 fließende Strom.
Die maximale Schubkraft 14, die auf das Ende 11 des ferrogmagnetischen Ankers 6 wirkt, kann demnach dann bereitgestellt werden, wenn die Spule 4 so bestromt wird, dass das von der Induktionsspule 4 bereitgestellte Magnetfeld den durch den Permanentmagneten 8 im Ende 11 ausgebildeten Pol gerade nicht verdrängt. Wird die Spule 4 mit einem geringeren Strom bestromt, so kann nur eine geringere Schubkraft 14 bereitgestellt werden. Wird hingegen die Induktionsspule 4 zu stark bestromt, so wird der im Ende 11 des Ankers 6 ausgebildete Pol verdrängt und die Schubkraft 14 würde sich in eine Zugkraft umkehren und demnach der Zugkraft 13 entgegenwirken.
Im Unterschied zum gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass an beiden Enden 10, 11 des Ankers 6 Nordpole ausgebildet werden, wobei dann ein entsprechend anders polarisierter Permanentmagnet 8 dem mittleren Abschnitt des Ankers 6 zugeordnet ist. Auch ist dann die Bestromung der Induktionsspulen 3, 4 entsprechend anzupassen.
Bezugszeichenliste

1: Elektromagnet
2: Ansteuerschaltung
3: Induktionsspule
4: Induktionsspule
5: Feldlinie
6: Anker
7: Kraftrichtung
8: Permanentmagnet
9: Öffnung
10: Ende
11: Ende
12: Feldlinie
13: Zugkraft
14: Schubkraft
15: Schalter
16: Schalter
17: Schalter
18: Schalter
19: Schalter
20: Schalter

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Elektromagneten mit zwei Induktionsspulen (3, 4), und mit einem ferromagnetischen Anker (6), der sich in Kraftrichtung (7) der Induktionsspulen (3, 4) erstreckt und auf den abhängig von der Bestromung der Induktionsspulen (3, 4) eine magnetische Kraft (13, 14) ausgeübt werden kann, um den Anker (6) entlang der Kraftrichtung (7) zu verlagern, wobei mindestens ein Permanentmagnet (8) zwischen den Induktionsspulen (3, 4) derart positioniert ist, dass der Anker (6) an seinen beiden Enden (10, 11) gleichpolig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (3, 4) derart unterschiedlich bestromt werden, dass mit der ersten, maximal bestromten Induktionsspule (3) auf ein erstes Ende (10) des Ankers (6) eine Zugkraft (13) und mit der zweiten, weniger stark bestromten Induktionsspule (4) auf ein zweites Ende (11) des Ankers (6) eine Schubkraft (14) ausgeübt wird, wobei die zweite Induktionsspule (4) derart bestromt wird, dass das von der zweiten Induktionsspule (4) auf das zweite Ende (11) des Ankers (6) ausgeübte Magnetfeld dessen Polarisierung nicht verdrängt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass sich der oder jeder Permanentmagnet (8) zwischen den Induktionsspulen (3, 4) senkrecht zur Kraftrichtung der Induktionsspulen (3, 4) und damit senkrecht zur Hubrichtung des Ankers (6) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (3, 4) von einer Ansteuerschaltung (2) derart bestrombar sind, dass mit der ersten Induktionsspule (3) auf das erste Ende (10) des Ankers (6) die Zugkraft (13) und mit der zweiten Induktionsspule (4) auf das zweite Ende (11) des Ankers (6) die die Zugkraft (13) unterstützende Schubkraft (14) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (2) als B6-Brücke mit insgesamt sechs Schaltern (15, 16, 17, 18, 19, 20) ausgebildet ist, wobei die Schalter (15, 16, 17, 18, 19, 20) individuell angesteuert und damit geschlossen und geöffnet werden können, um selektiv die Induktionsspulen (3, 4) zu bestromen.