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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft einen Aktuator, auch Stellglied genannt dessen bewegliches Teil eine lineare oder gekrümmte, vorzugsweise Bogen förmige, Bewegung ausführen soll.
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II. Technischer Hintergrund
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Solche Aktuatoren werden in der Technik für unterschiedlichste Zwecke benötigt, um ein bewegliches Teil zu verstellen, beispielsweise zwischen zwei Endpositionen hin und her zu verstellen.
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Ein typischer Anwendungsfall hierfür sind Auswerfer oder Ausstoßer an einem Transportband für Produkte, um einzelne, zum Beispiel als defekt erkannte, Produkte von diesem abzusondern.
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Bisher werden hierfür häufig Druckluftdüsen eingesetzt, wenn die zu entfernenden Produkte klein und leicht sind, oder mechanische Ausstoßer, wenn sie größer sind.
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Dabei ist der Ausstoßer häufig mittels einer Feder vorgespannt in zum Beispiel die Ausstoßrichtung. Das Spannen der Feder zurück in die Anfangslage dauert dann jedoch meist relativ lang.
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Bei dieser wie auch anderen denkbaren Anwendungen kommt es häufig darauf an, dass das bewegte Element, beispielsweise der Ausstoßer, sehr schnell agieren kann – und zwar in beide Richtungen –, was eine hohe Beschleunigung der trägen Masse des Ausstoßes aus der Ruheposition in die aktive Position erfordert
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Je geringer dabei die zu bewegenden Massen sind, umso geringer ist der hierfür erforderliche Kraftaufwand bzw. umso schneller kann der Ausstoßer beschleunigt werden.
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Ein gegen die Kraft einer Feder, die den Aktuator zum Beispiel in der aktivierten Stellung hält, wirkende Betätigungselement wie etwa ein Aktuator, muss entsprechend stark ausgebildet sein, um die Kraft der Feder überwinden zu können.
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In anderen Anwendungen, in denen die aufzubringende Kraft des Aktuators sehr viel geringer sein kann, wird als Aktuator häufig ein Elektromagnet verwendet, der in eine Richtung und gegen die Kraft einer entgegen gerichteten Feder oder im Wechsel zwischen zwei entgegen gerichteten Elektromagneten das zu verstellende Element beaufschlagt.
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Hier werden zwar kurze Schaltzeiten erreicht, die erreichbaren Betätigungskräfte sind jedoch gering, so dass nur zu bewegende Gegenstände mit geringer Masse bewegt werden können.
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Es gibt jedoch viele andere Anwendungen, bei denen ein Aktuator benötigt wird, der einerseits kurze Schaltzeiten, also eine hohe Beschleunigung, ermöglicht und andererseits eine hohe Betätigungskraft, da entweder eine hohe Beschleunigung wegen kurzer Schaltzeiten notwendig ist und/oder die zu bewegende Masse relativ groß ist.
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Der Vorteil eines elektrisch angesteuerten Aktuators besteht unter anderem darin, dass der bauliche Aufwand relativ gering ist und wegen der elektrischen Ansteuerung jeder einzelne Aktuator separat auf einfache Art und Weise angesteuert und dessen Schaltzeitpunkt festgelegt werden kann.
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Mechanisch angetriebene Aktuatoren sind dagegen weit weniger flexibel:
Wenn beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor versucht wird, den Öffnungs- oder Schließzeitpunkt eines Ventils in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter des Verbrennungsmotors während des Betriebes zu verändern, so ist hierfür ein großer mechanischer Aufwand notwendig, wie beispielsweise Verstellung der Nocken auf der Nockenwelle oder ähnliches.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, eine Aktuator-Vorrichtung mit wenigstens einem Aktuator zur Verfügung zu stellen, der trotz einfachem Aufbau eine hohe Beschleunigung bietet und/oder eine hohe Betätigungskraft.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 24 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Aktuator der erfindungsgemäßen Aktuator-Vorrichtung besteht aus zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen.
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Der eine Teil sind die beiden vorzugsweise mechanisch fest miteinander verbundenen Elektromagnete mit je einer Spule, der andere Teil ist das relativ dazu bewegliche Joch.
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Das Joch besteht aus einem magnetisierbaren Material, bei dem vorzugsweise die relative Permeabilität µr mindestens 1000 beträgt.
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Vorzugsweise sind die beiden Elektromagnete fix angeordnet, also an einem Bauteil der Umgebung befestigt, während das Joch beweglich ist.
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Das Joch ist in dem Abstand zwischen den beiden in Längsrichtung zueinander angeordneten und gegeneinander gerichteten Elektromagneten angeordnet und kann sich axial bewegen, also an den einen oder den anderen Elektromagneten annähern, insbesondere an diesem kontaktierend anliegen, je nachdem, welcher der beiden Elektromagnete mittels Strombeaufschlagung momentan aktiviert ist und das Joch aus magnetisierbarem Material zu sich heranzieht, was insbesondere ohne einen an den Elektromagneten vorhandenen Permanentmagneten unabhängig von der Stromfluss-Richtung durch die Spule ist.
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Die beiden Elektromagnete sind dabei natürlich nur so weit voneinander beabstandet, dass ihre Magnetwirkung bei aktiviertem Elektromagneten ausreicht, das Joch noch zu erreichen, sodass also das Joch zumindest bei seiner Mittelstellung in der Mitte zwischen den beiden Elektromagneten noch im Wirkbereich beider Elektromagnete liegt, falls diese mit Strom beaufschlagt sind.
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Das Joch befindet sich in Längsrichtung betrachtet im Radialbereich der jeweiligen Spule, wobei die Radialbereiche der beiden Spule vorzugsweise zueinander fluchtend ausgerichtet sind. Das Joch ist vorzugsweise plattenförmig, insbesondere ringförmig, mit einer mit der Plattenebene in Querrichtung, insbesondere in einer lotrecht zur Längsrichtung liegenden Querrichtung, angeordnet.
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Auf diese Art und Weise kann das Joch eine sehr viel geringere Masse besitzen als die beiden Elektromagnete, und somit das Joch aus einer Ausgangslage heraus sehr schnell mittels des von einem der Elektromagneten entwickelten Magnetfeldes in axialer Richtung beschleunigt werden.
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Zusätzlich ist zwischen dem beweglichen Teil des Aktuators, meist dem Joch, und einem ortsfesten Gegenhalter – der auch das unbewegliche Teil des Aktuators, beispielsweise die beiden Elektromagnete, sein kann, zwei in entgegengesetzte axiale Richtungen wirkende Federn angeordnet.
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Diese Federn sind vorzugsweise Druckfedern.
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Die Federn sind so dimensioniert und angeordnet, dass bei einem in der maximal angenäherten, insbesondere kontaktierenden, Lage des Joches an einem der Elektromagnete und Abschalten des Stromes durch diesen Elektromagneten eine der Federn – mittels Zugkraft oder Druckkraft – das Joch von diesem Elektromagneten in axialer Richtung weg beschleunigt und insbesondere mindestens bis zur Mitte zwischen die beiden Elektromagnete bewegt und dadurch sehr schnell weit in den Wirkbereich des anderen, nunmehr mit Strom beaufschlagten und dadurch aktivierten Elektromagneten bringt, der das Joch nunmehr aktiv und mit zunehmender Kraft zu sich in die maximal angenäherte, insbesondere kontaktierende, Lage heranzieht, wobei dies durch die genetische Energie des Joch es zusätzlich unterstützt wird.
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Auf diese Art und Weise kann mit relativ schwachen Elektromagneten ein relativ großer Bewegungsweg des Joches realisiert werden. Sollte dieser Bewegungsweg für die gewünschte Anwendung immer noch nicht ausreichend sein, so kann der Bewegungsweg des Joches natürlich mittels eines damit wirkverbundenen Getriebes in einen nochmals größeren Arbeitsweg eines gewünschten Arbeitselementes, welches mit dem Getriebe gekoppelt ist, umgesetzt werden.
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In welcher Ruhelage bei stromlosen Elektromagneten das Joch verbleibt, hängt von der Wahl der Federkräfte der beiden Federn ab:
Meistens werden die beiden Federn gleich stark und mit dem gleichen Federweg, also vorzugsweise identisch, gewählt werden. Dann wird das Joch – wenn beide Elektromagnete stromlos sind – in der Mitte zwischen den beiden Elektromagneten mittels der Kräfte der beiden gegeneinander gerichteten Federn in der Ruhelage gehalten werden, zumindest wenn die Längsrichtung des Aktuators horizontal oder im Wesentlichen horizontal verläuft.
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Steht die Längsrichtung des Aktuators aufrecht oder gar senkrecht, so wirkt zusätzlich die Schwerkraft des Joches in der Ruhestellung, so dass abhängig von dessen Masse die Ruhestellung des Joches sich etwas unterhalb der in Längsrichtung gemessenen Mitte zwischen den beiden Elektromagneten befinden wird.
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Ein Anliegen des Joch es an dem tieferliegenden Elektromagneten kann nur erreicht werden, wenn beim Anliegen die Kraft des Elektromagneten größer ist als die entgegen gerichtete Kraft der Feder.
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Die Kraft der Federn, insbesondere der bei aufrecht stehender Längsrichtung des Aktuators unteren Feder, ist jedoch bevorzugt sogar so gewählt, dass die Feder in der Lage ist, das Joch in einer von dem unteren, aktivierten Elektromagneten abgehobenen Stellung zu halten. Denn wenn dies nicht der Fall wäre, könnte die untere Feder bei Abschalten des heranziehenden Magnetfeldes des unteren Elektromagneten diesen auch nur schwach nach oben abstoßen.
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Zusätzlich besteht der Sinn der Erfindung gerade darin, das Joch mit möglichst geringer Masse auszustatten, um es schnell von der einen Endstellung in die andere Endstellung beschleunigen und damit bewegen zu können.
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Durch einen solchen Aktuator können also auch relativ große Massen, die an dem Joch befestigt sind, schnell beschleunigt werden und mit kurzen Schaltzeiten das Joch und eine daran befestigte Masse, beispielsweise ein Arbeitselement, schnell hin und her bewegt werden.
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In Längsrichtung betrachtet ist die Spule selbstverständlich ein in Umfangsrichtung geschlossener Ring, dessen Form aber in Längsrichtung betrachtet nur vorzugsweise, aber keineswegs zwingend, kreisförmig sein muss. Auch in Form eines Rechtecks oder eines anderen Polygons gewickelte Spulen sind möglich, jedoch aufwändiger in der Herstellung.
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Gleiches gilt für einen ggf. die Spule auf der radialen Außenseite und/oder der radialen Innenseite umgebenden Flussleitkörper, mit dessen Hilfe das durch eine solche Spule erzeugte torroidale Magnetfeld in radialer Richtung eng an der Spule gehalten und konzentriert werden kann.
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Vorzugsweise ist die Spule auch auf der von der gegenüberliegenden Spule abgewandten, also rückseitigen, Stirnseite ebenfalls von einem Flussleitkörper umgeben, der vorzugsweise die radial umgebenden Flussleitkörper kontaktiert und insbesondere einstückig zusammen mit diesem ausgebildet ist.
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Zur Führung des Joches kann von dem Joch von jeder seiner Stirnseiten wenigstens ein in axialer Richtung verlaufender Jochschaft abragen, der dann in einem ortsfesten Teil des Aktuators geführt ist über z. B. Gleitlager.
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Eine Lösung besteht darin, dass in dem in Längsrichtung betrachteten Zentrum jeder Elektromagnet eine Durchgangsöffnung besitzt und die beiden Durchgangsöffnungen auf der Längsrichtung liegen und somit hinsichtlich der beiden Elektromagnete zu einander fluchten.
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Das Joch kann nun ebenfalls im Zentrum von jeder Stirnseite einen abragenden Jochschaft besitzen, der sich durch die zentrale Durchgangsöffnung in je einen der beiden Elektromagneten hindurcherstreckt und darin oder in einem umgebenden ortsfesten Gehäuse geführt sein kann. In diesem Fall muss natürlich auch der stirnseitig an dem Elektromagneten eventuell angeordnete Flussleitkörper ebenfalls eine ausreichend große Durchgangsöffnung besitzen.
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Eine andere Lösung besteht darin, dass in Längsrichtung betrachtet abseits vom Querschnittsbereich des Elektromagneten das Joch ein oder mehrere solche in Axialrichtung abragende Jochschäfte auf seinen Stirnseiten aufweist, und der oder die Jochschäfte dann nicht in dem Elektromagneten, sondern in einem außerhalb der Elektromagnete liegenden ortsfesten Bauteil, beispielsweise einem Gehäuse des Aktuators, geführt sind.
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Die Führung des Joches kann jedoch auch auf andere Art und Weise erfolgen, beispielsweise indem das Joch in radialer Richtung über den Querschnittsbereich der Elektromagnete vorsteht und dort mit seinem Umfang in einem ortsfesten Gehäuse geführt wird, was jedoch eine relativ große Querschnittsfläche des Joches bewirkt.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, von dem Joch einen oder mehrere in radialer Richtung abstrebenden Jochfortsatz vorzusehen, und diesen Jochfortsatz in einem ortsfesten Bauteil, beispielsweise einem Gehäuse des Aktuators, zu führen.
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Um das Joch ausgehend von seiner Ruhelage, also wenn beide Elektromagnete stromlos waren, sehr schnell durch Strombeaufschlagung einer der Spulen an diese heran zu ziehen und dann in der Folge auch eine sehr schnelle Hin- und Herbewegung des Joches zwischen den beiden Elektromagneten durch entsprechende abwechselnde Strombeaufschlagung Der Spulen zu erreichen, wird beim in Gang setzen des Aktuators die eine Spule, an die das Joch herangezogen werden soll, mit einem Stromstoß sehr hoher Spannung beaufschlagt, insbesondere sehr kurz ist, zum Beispiel wesentlich höher als die Dauer-Belastbarkeit der entsprechenden Spule beträgt, der aber nur maximal 50 ms andauert.
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Dies kann beispielsweise mit einer Schaltung erreicht werden, bei der jede der einzelnen Spulen über einen Transistor mit Masse verbunden ist, während das andere Ende beider Spulen über eine Diode mit der Versorgungsspannung und gleichzeitig mit einem Kondensator verbunden ist, der mit der beim Abschalten der Spulen auftretenden Induktionsspannung über die Betriebsspannung hinaus aufgeladen werden kann. Zu diesem Zweck sind entsprechende Freilaufdioden vorzusehen, die jeweils mit ihren Anoden an den transistorseitigen Ende einer jeden Spule angeschlossen sind und mit beiden Kathoden an dem Plus-Seitigen Anschluss des Kondensators. Sodann verbindet noch eine weitere Freilaufdiode die betriebsspannungsseitigen Anschlüsse der Spulen mit Masse. Auf diese Weise kann über die Freilaufdiodenbrücke die Induktionsspannung der Spulen beim Abschalten genutzt werden, um den Kondensator über die Betriebsspannung UC hinaus aufzuladen. Ein Abfließen der Ladung des Kondensators nach UC wird durch die am Eingang der Schaltung vorgesehene Diode verhindert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist an der vorderen, dem jeweils anderen Elektromagneten zugewandten, vorderen Stirnseite eines, insbesondere beider, Elektromagnete wenigstens ein Permanentmagnet im Wirkbereich des Elektromagneten angeordnet, wobei dieser Permanentmagnet mindestens eine, vorzugsweise ausschließlich, radiale magnetische Polachsen aufweist, die bei Vorhandensein eines Permanentmagneten an jedem der beiden Elektromagnete bei beiden Permanentmagneten gleich entweder radial nach innen oder radial nach außen gerichtet ist.
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Vorzugsweise ist der Elektromagnet deshalb ringförmig ausgebildet. Der Permanentmagnet, insbesondere wenn er ringförmig gestaltet ist, liegt – in axialer Richtung betrachtet – im Radialbereich der Spule, und/oder auch im Radialbereich des gegebenenfalls vorhandenen, die Spule radial innen und/oder außen umgebenden, Flussleitkörpers. Dabei ist der Permanentmagnet nicht relativ zum Elektromagneten beweglich, sondern fest zu diesem angeordnet.
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Bevorzugt sind die beiden Permanentmagnete gleich stark, besitzen gegenüber dem gleichen magnetisierbaren Gegenstand eine gleich große Haftkraft.
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Die beiden Permanentmagnete können auch magnetisch unterschiedlich stark sein, nämlich insbesondere dann, wenn auch die beiden Federn unterschiedlich stark sind, also eine unterschiedlich große Federkraft besitzen, was insbesondere bei einem aufrecht stehenden Aktuator sinnvoll sein kann, indem dann der obere Permanentmagnet stärker sein kann als der untere, oder wenn die Kraft des Aktuators in eine der beiden axialen Richtungen größer sein soll als in der anderen.
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Die Durchflussrichtung des Stromes kann dadurch so gewählt werden, dass sich die magnetische Anziehungskraft des Elektromagneten mit derjenigen des Permanentmagneten addieren, sodass der Elektromagnet und der Permanentmagnet gemeinsam und damit besonders stark das Joch heranziehen
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Durch diese Permanentmagnete wird erreicht, dass besonders hohe Schaltkräfte des Aktuators erzielbar sind, da sich z. B. zur Zugkraft oder Haftkraft eines aktivierten Elektromagneten die magnetische Kraft des Permanentmagneten hinzuaddiert oder von ihr abgezogen wird, je nachdem, in welcher Richtung die Spule des Elektromagneten vom Strom durchflossen wird. Zum heranziehen des Joches wird die Richtung des Stromflusses im entsprechenden Elektromagneten natürlich so gewählt, dass sie sich zu der Kraft des Permanentmagneten hinzu addiert. Die umgekehrte Flussrichtung des Stromes in der Spule wird gewählt, damit die Kraft des Permanentmagneten reduziert oder gar aufgehoben wird, damit die zugeordnete Feder das Joch von diesem Elektromagneten weg beschleunigen kann in den Wirkbereich des anderen Elektromagneten hinein, der dann aktiviert wird.
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Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass Joch als Permanentmagnet auszubilden oder in dem Joch einen Permanentmagneten unterzubringen, hinsichtlich der Polrichtung dieses Permanentmagneten wie an der Ausführungsform zuvor beschrieben.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass hier durch Wahl der entsprechenden Flussrichtung des Stromes durch die Spule das Joch aktiv von dem aktivierten Elektromagneten abgestoßen werden kann, während es anschließend oder gleichzeitig durch gezielte Wahl der Flussrichtung des Stromes in der anderen Spule von dieser angezogen werden kann.
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Durch dieses aktive Abstoßen – vorzugsweise zusätzlich durch die Kraft einer der beiden gegebenenfalls vorhandenen Federn – können besonders kurze Schaltzeiten des erfindungsgemäßen Aktuators erreicht werden.
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Für die Steuerung des – meist abwechselnden – Stromflusses durch die Spulen der beiden Elektromagnete in den beiden vorgeschriebenen Lösungen wird deshalb eine elektrische Steuerung verwendet, die auch die Durchflussrichtung des Stromes durch die jeweilige Spule steuert.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass bei jedem Schaltvorgang die Ladung eines Kondensators in der Schaltung zur Verfügung steht, um in der Spule beim nächsten Schaltvorgang besonders schnell die nötige Spannung in der Spule aufzubauen und damit die Schaltzeit des Aktuators zu verringern.
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Zu diesem Zweck umfasst die Schaltung vier Transistoren und zwei Freilaufdioden, sowie einen Kondensator und eine Zusatzdiode. Diese sind so verschaltet, dass die Spule durch Einschalten eines ersten Paares dieser Transistoren in der einen Stromrichtung und durch Einschalten des anderen Paares dieser Transistoren in der anderen Stromrichtung durchflossen wird, und beim Ausschalten die Spule über die Freilaufdioden den Kondensator auf Induktionsspannung auflädt. Die Zusatzdiode dient dazu, dass der Strom aus der Spule nach deren Abschaltung nur in den Kondensator und nicht in die Spannungsquelle der Schaltung fließen kann.
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Eine Aktuatorvorrichtung kann einen oder auch mehrere zusammenwirkende oder auch einzeln wirkende Aktuatoren umfassen.
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Der bewegliche Teil des Aktuators, in der Regel das Joch, ist ja – in der Regel mechanisch – mit einem Arbeitselement verbunden, welches von dem Aktuator bewegt werden soll, beispielsweise einem Auswerfer oder Ausstoßer.
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In der Regel soll das Arbeitselement linear hin- und her bewegt werden, und kann dann direkt mit dem Aktuator, also dem beweglichen Teil des Aktuators, verbunden werden, wenn der Arbeitsweg des Arbeitselementes nicht größer sein soll als der Bewegungsweg des Aktuators. Ansonsten muss ein den Arbeitsweg vergrößerndes Getriebe zwischengeschaltet werden.
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Andersherum kann der Arbeitsweg verkleinert werden gegenüber dem Bewegungsweg des Aktuators, und dadurch die durch das Arbeitselement aufbringbare Kraft vergrößert werden, wenn mittels des Arbeitselementes besonders hohe Kräfte bewirkt werden sollen.
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Wenn dagegen beispielsweise eine Drehbewegung eines Arbeitselementes bewirkt werden soll, kann der bewegliche Teil des Aktuators mittels eines Pleuels die Drehbewegung eines Drehelementes bewirken, indem das Pleuel einerseits mit dem Drehelement abseits von dessen Drehachse gelenkig verbunden ist und andererseits mit dem beweglichen Teil des Aktuators.
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Auf diese Art und Weise ist es auch möglich, mehrere solche Drehelemente mit zueinander fluchtenden Drehachsen in Richtung der Drehachse hintereinander kurz beabstandet anzuordnen, und jedes der Drehelemente einerseits mit einem Aktuator und andererseits natürlich mit einem Arbeitselement zu verbinden.
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Die Drehelemente können dabei in einem so geringen Abstand zueinander angeordnet werden, der deutlich geringer ist als die Erstreckung der in der Drehebene des jeweiligen Drehelementes liegenden Aktuators gemessen in Richtung der Drehachse des Drehelementes.
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Dies kann erreicht werden, indem die Aktuatoren für die einzelnen Drehelemente sowohl in Umfangsrichtung bezüglich des Drehelementes als auch in Richtung der Drehachse der Drehelemente zueinander versetzt angeordnet sind, so dass sie nicht kollidieren. Dadurch können in Richtung der Drehachse sehr kurz bauende Aktuator-Vorrichtungen aufgebaut werden, so dass am Einsatzort des jeweiligen Arbeitselementes vorherrschende beengte Platzverhältnisse gemeistert werden können.
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Dabei muss in der jeweils gleichen Funktionsstellung der Aktivatoren Aktuatoren, also z. B. in Richtung der Drehachse maximal angenäherter Lage des beweglichen Teiles des Aktuators, z. B. des Joches,
- – jeweils das mit diesem Aktuator wirkverbundene Pleuel an seinem Befestigungspunkt am Drehelement unter dem gleichen Winkel zur durch die Drehachse verlaufenden radialen Richtung stehen,
- – jeweils das Pleuel unter dem gleichen Winkel zu dem beweglichen, ihn antreibenden Teil des Aktuators, in der Regel dem Joch, stehen
denn nur dann ist sichergestellt, dass die Aktuatoren, die beispielsweise alle den gleichen Bewegungsweg besitzen, auch einen jeweils gleichen Drehwinkel des mit ihnen verbundenen Drehelements und damit einen gleichen Bewegungsweg des daran befestigten Arbeitselementes bewirken.
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Hinsichtlich der Vorgehensweise zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Aktuators wird die Aufgabe auf unterschiedliche Art und Weise gelöst, abhängig davon, ob an keinem, nur einem oder beiden Elektromagneten des Aktuators ein Permanentmagnet vorhanden ist:
Wenn an keinem der beiden Elektromagnete ein Permanentmagnet vorhanden ist, verbleibt das Joch in der Ruhestellung, also bei stromlosen Elektromagneten, etwa in der Mitte des Abstandes in axialer Richtung zwischen den Elektromagneten, gehalten und vorzugsweise auch zentriert durch die beiden gegeneinander wirkenden Federn. Ob dies die genaue Mitte des Abstandes ist, hängt von der mehr oder weniger aufrechten Lage der Längsrichtung des Aktuators und damit der zusätzlichen Einwirkung der Gewichtskraft des Joches ab.
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Von dieser Ruhelage aus wird zunächst derjenige Elektromagnet, dessen vordere, dem anderen Elektromagneten zugewandte, Stirnseite tiefer liegt (bei horizontaler Längsrichtung des Aktuators also einer der beiden Elektromagnete nach freier Wahl) mit Strom beaufschlagt, und zwar am Beginn mit einem sehr kurzen Stromstoß mit sehr hoher Spannung bereitgestellt von dem Kondensator der Schaltung des Aktuators und dem darin gespeicherten Strom beaufschlagt, dass das Joch von diesem Elektromagneten angezogen wird.
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Damit erreicht das Joch erstmals die an diesen zuerst aktivierten Elektromagneten maximal angenäherte Stellung, und das Joch kann nun zwischen den beiden Endstellungen hin und her bewegt werden, indem im Wechsel die beiden Elektromagnete mit Strom beaufschlagt werden abhängig von der gewünschten Bewegungsrichtung des Joches, so dass also immer einer der Elektro-Magnete, zu dem sich das Joch hinbewegen soll, mit Strom beaufschlagt wird.
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Wenn dagegen nur an einem der Elektromagnete ein Permanentmagnet angeordnet ist, befindet sich bei stromlosen Elektromagneten das Joch maximal angenähert an dem den Permanentmagneten aufweisenden Elektromagneten, gehalten durch die magnetische Kraft des Permanentmagneten, sofern diese magnetische Haltekraft bezüglich des Joches größer ist als die Kraft der entgegen gerichteten mindestens einen Feder.
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Wenn letzteres nicht der Fall ist, ist durch die Kraft des Permanentmagneten das Joch zumindest gegen die Kraft der Feder etwas an den den Permanentmagneten aufweisenden Elektromagneten angenähert.
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Nun wird zuerst der näher zum Joch liegende Elektromagnet in einer solchen Durchflussrichtung mit Strom beaufschlagt, dass er das Joch zunächst maximal zu sich heranzieht.
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Anschließend wird die Durchflussrichtung des Stromes in diesem Elektromagneten umgedreht, so dass die Haltekraft des Permanentmagneten an diesem Elektromagneten reduziert wird, gegebenenfalls aufgehoben wird, und dadurch die zugeordnete Feder in der Lage ist, das Joch von diesem Elektromagneten weg zu beschleunigen. Gleichzeitig oder spätestens anschließend wird der gegenüberliegende Elektromagnet mit Strom beaufschlagt, das Joch zu sich heranzuziehen
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Anschließend werden dann die beiden Elektromagnete wiederum abwechselnd so geschaltet, dass die gewünschte Hin- und Herbewegung des Joches bewirkt wird.
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Die Vorgehensweise, wenn beide Elektromagnete jeweils einen Permanentmagneten aufweisen, unterscheidet sich dadurch, dass die Ausgangslage, also die Ruhelage des Joches, wenn beide Elektromagnete stromlos geschaltet sind, nicht vorhergesagt werden kann, denn nach dem Stromlosschalten wird das Joch von demjenigen Permanentmagneten, an dem es im Moment der Stromlosschaltung beider Elektromagnete näher angenähert war, herangezogen und bleibt dort durch die Kraft des Permanentmagneten so lange angenähert, insbesondere haften, bis die erneute Inbetriebnahme des Aktuators erfolgt.
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Dann wird die Inbetriebnahme mit Strombeaufschlagung desjenigen Elektromagneten, an den maximal angenähert sich das Joch befindet, begonnen und von diesem eine Abstoßung des Joches bewirkt, wie anhand des Beispiels bei nur einem mit Permanentmagnet ausgestatteten Elektromagneten beschrieben.
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Befindet sich dagegen wenigstens ein Permanentmagnet anstatt an den Elektromagneten angeordnet in oder an dem Joch, wie zuvor beschrieben, so kann auch bei dieser Bauform nicht vorhergesagt werden, in welcher Ausgangslage, also Ruhelage, das Joch sich befindet, wenn beide Elektromagnete stromlos geschaltet sind. Denn in der Regel verbleibt das magnetische Joch dann angenähert an denjenigen Elektromagneten, an dem es sich bei Stromlosschalten weiter angenähert war.
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Dann wird die Inbetriebnahme mit Strombeaufschlagung desjenigen Elektromagneten, an den maximal angenähert sich das magnetische Joch befindet, begonnen und von diesem eine Abstoßung des Joches bewirkt durch entsprechende Wahl der Flussrichtung des Stromes durch die Spule.
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Anschließend wird in dieser Spule die Richtung des Stromflusses geändert, wodurch das magnetische Joch abgestoßen wird, und anschließend oder gleichzeitig wird in der anderen Spule ein Stromfluss in einer solchen Flussrichtung auf geschaltet, dass das magnetische Joch an diesen anderen Elektromagneten herangezogen wird.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
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1a–c: unterschiedliche Funktionsstellungen einer ersten Bauform des Aktuators,
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2a, b: Querschnittsdarstellungen durch diese Bauform des Aktuators,
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3a: einen Längsschnitt durch eine zweite grundsätzliche Bauform des Aktuators in einer ersten körperlichen Variante,
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3b: die zweite körperliche grundsätzliche Bauform in einer weiteren körperlichen Variante,
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4: einen Längsschnitt durch eine dritte grundsätzliche Bauform des Aktuators,
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5a: einen Schnitt durch eine Aktuatorvorrichtung mit mehreren Aktuatoren,
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5b: eine Seitenansicht auf die Aktuatorvorrichtung der 5a,
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6: eine elektronische Schaltung zum Ansteuern eines der vorgenannten Aktuatoren ohne Stromrichtungs-Umkehr,
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7: eine elektronische Schaltung zum Ansteuern eines der vorgenannten Aktuatoren mit Stromrichtungsumkehr.
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Die erste grundsätzliche Bauform des erfindungsgemäßen Aktuators 20 gemäß 1a besteht aus zwei fluchtend zueinander ausgerichteten elektrischen Spulen 2a, b, die jeweils konzentrisch um eine gemeinsame axiale Richtung 10, die Bewegungsrichtung 10 des Aktuators 20, verlaufen, in dieser axialen Richtung 10 jedoch zueinander beabstandet sind.
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Der Stromfluss durch diese beiden Spulen 2a, b lässt sich unabhängig voneinander ein- und ausschalten, beispielsweise durch eine elektrische Schaltung, wie sie in 6 dargestellt und erläutert ist.
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Die beiden Spulen 2a, b wirken somit jeweils als Elektromagnet 1a, b, und sind zu diesem Zweck vorzugsweise auf der radialen Innen- und Außenseite sowie der von der gegenüber liegenden Spule z.B. 2a abgewandten Rückseite von einem Flussleitkörper 16 umgeben, der in diesem Fall in Längsrichtung 10 betrachtet rinnenförmig umlaufend ausgebildet ist, und in der Mitte jeweils eine zentrale, also auf der Spulenachse 10‘ liegende, Durchgangsöffnung 17 aufweist. Die Flussleitkörper 16 stehen in diesem Fall geringfügig in Richtung des gegenüberliegenden Elektromagneten 1a, b über die Spule 2a, b vor, können aber bündig mit diesen enden.
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Im axialen Abstand 12 zwischen den beiden einander zugewandten vorderen Stirnseiten der Elektromagnete 1a, b befindet sich in einer Querebene 11, vorzugsweise einer lotrecht zur Längsrichtung 10 liegenden Querebene 11, ein plattenförmiges Joch 4 aus einem magnetisierbaren Material.
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Das plattenförmige Joch 4 ist im axialen Abstand 12 in axialer Richtung 10 hin und her bewegbar, was durch Aktivierung jeweils eines der beiden Elektromagnete 1a, b erfolgt, indem dessen Spule 2a, b strombeaufschlagt wird, und das dadurch von dem Elektromagneten 1a, b ausgebildete Magnetfeld das magnetisierbare Joch 4 zu sich heranzieht, vorzugsweise bis zur Kontaktierung der entsprechenden vorderen Stirnseite des entsprechenden Elektromagneten 1a, b.
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Von dem Joch 4 ragen in Längsrichtung 10 auf beiden Seiten jeweils ein Jochschaft 14a, 14b ab, welcher die jeweilige Durchgangsöffnung 17 in den Elektromagneten 1a, b durchdringt und darüber hinaus vorsteht. In dem Überstand besitzt jeder Jochschaft 14a, b einen radial nach außen abstehenden Anschlag 13 zum Abstützen einer den Jochschaft 14a oder 14b umgebenden schraubenförmigen Druckfeder 9, die sich auf der Außenseite dieses Anschlages 13 abstützt und auf der anderen Seite auf der Innenseite eines Gegenhalters 15, der ebenso wie die Elektromagnete 1 ortsfest ausgebildet ist und in diesem Fall Bestandteil des die Elektromagnete 1 umgebenden Gehäuses 18 ist.
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Beide Jochschäfte 14a, b sind so lang ausgebildet, dass sie die jeweilige Stirnseite des Gehäuses 18, also den Gegenhalter 15, durch eine entsprechende Durchgangsöffnung durchlaufen und damit zusätzlich in diesem Gegenhalter gelagert sind, und nicht nur in der Durchgangsöffnung 17 der beiden Elektromagnete 1a, b, was jedoch nicht zwingend notwendig ist, wie beispielsweise 1c zeigt.
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Das plattenförmige Joch 4 verläuft in Querrichtung über die gesamte vordere Stirnfläche der zueinander fluchtenden Elektromagnete 1a, b, und damit über die gesamte Fläche bis zum Außenumfang der Elektromagnete 1, was in diesem Fall gleichzeitig die Innenseite des Gehäuses 18 ist, zu der das Joch 4 natürlich geringfügig beabstandet ist, um Reibungskräfte zu vermeiden.
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Das Gehäuse 18 umgibt die beiden Elektromagnete 1a, b und liegt in radialer Richtung vorzugsweise eng an diesen an, ist jedenfalls fest mit den Elektromagneten 1a, b verbunden, und lässt in den beiden axialen Richtungen auf der Rückseite der beiden Elektromagnete ausreichend Platz für die dort jeweils untergebrachte Druckfeder 9 und den Anschlag 13 des Jochschaftes 14a, b.
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In 1a ist der untere Elektromagnet 1b momentan von Strom durchflossen, sodass das Joch 4 an dessen vorderer, in 1 oberer, Stirnseite des Elektromagneten 1b anliegt.
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Der untere Elektromagnet 1b muss in diesem Fall die untere Druckfeder 9 mit Hilfe des Anschlages 13 gegen den untere Gegenhalter 15 zusammendrücken, also auch eine ausreichend große Magnetkraft hierzu entwickeln.
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In 1a ist die Durchflussrichtung durch die Spule 2b des unteren Elektromagneten 1b in diesem Fall so gewählt, dass sich ein torroidales Magnetfeld ausbildet, welches im Inneren der Spule 2b von unten, also der Rückseite des Elektromagneten, nach oben, also zur Vorderseite und in Richtung des Joches 4, verläuft.
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Auch bei umgekehrter Stromflussrichtung in der Spule 2a, b würde jedoch der Elektromagnet das Joch 4 heranziehen.
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In 1b ist der umgekehrte Fall dargestellt, nämlich dass die Spule 2a des oberen Elektromagneten 1a von Strom durchflossen wird und deshalb das Joch 4 nach oben bis zur Anlage an die vordere, in diesem Fall untere Stirnseite des oberen Elektromagneten 1a herangezogen hat und hält, solange der Stromfluss durch diese Spule 2a des oberen Elektromagneten 1a anhält.
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1c zeigt den stromlosen Zustand des Aktuators 20, in dem also keiner der beiden Elektromagnete 1a, b aktiviert ist, also dessen Spulen 2a, b nicht von Strom durchflossen sind.
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In dieser Ruhelage wird – vor allem wenn sich der Aktuator 20 mit seiner Bewegungsrichtung 10 in der Horizontalen befindet – das Joch 4 mittels der gegeneinander gerichteten, in diesem Fall gleich starken, Druckfedern 9 in der Mitte des Abstandes 12 zwischen den beiden Elektromagneten 1a, b gehalten, zentriert durch die Kraft der beiden gleich starken gegeneinander wirkenden Druckfedern 9.
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In dieser Ruhelage besitzen die beiden Anschläge 13 jeweils einen solchen axialen Abstand zu der Rückseite des ihnen benachbart liegenden Elektromagneten 1a, b, dass von dieser Ruhelage aus die Annäherung des Joches 4, insbesondere die Kontaktierung, an die Stirnfläche jedes der beiden Elektromagnete 1a, b möglich ist.
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Es liegt im Wesen einer elektrischen Spule 2, dass deren Windungen ringförmig umlaufend ausgebildet sind und in diesem Fall die Spulenachse 10‘ konzentrisch umgeben. Dementsprechend gilt dies auch für den die Spule 2 jeweils umgebenden Flussleitkörper 16 und vorzugsweise auch für das Gehäuse 18.
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Ob die gesamte Anordnung jedoch in Längsrichtung 10, der Bewegungsrichtung des Aktuators 20, betrachtet, wie in den 2a, b im Querschnitt dargestellt, kreisringförmig umlaufend ist, wie in 2a dargestellt, oder eine andere Form besitzt, wie etwa die quadratische Form, wie in 2b dargestellt, ist für die Funktion unerheblich und hat lediglich Einfluss auf die Herstellung der Elektromagnete und damit des Aktuators 20:
In 2a besitzt also zum einen der Jochschaft 14a einen runden Querschnitt, und analog ebenfalls die zentrale Durchgangsöffnung 17, in der dieser Jochschaft 14a geführt ist.
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Auch die Spule 2 hat einen runden, also kreisringförmigen, Querschnitt, und ebenso die diese Spule 2 auf ihrer radialen Außenseite und Innenseite umgebenden Umfangswände des sie einfassenden Flussleitkörpers 16.
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Auf der Außenseite wird dieser gesamte Elektromagnet 1 von einem ebenfalls in dieser Blickrichtung im Querschnitt kreisringförmigen Gehäuse 18 aufgenommen.
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Bei der rechteckigen Bauform gemäß 2b ist lediglich der Jochschaft 14a mit einem runden Querschnitt ausgestattet sowie die ihn führende zentrale Durchgangsöffnung 17. Die Spule 2a besitzt dagegen sowohl eine äußere Querschnittskontur als auch eine innere Querschnittskontur in Form eines Quadrates, die konzentrisch ineinander liegen, und gleiches gilt auch für die äußere und innere Wandung des umgebenden Flussleitkörpers 16 sowie das Gehäuse 18.
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Die 3a, b zeigen eine zweite grundsätzliche Bauform des erfindungsgemäßen Aktuators 20, die sich hauptsächlich dadurch von der ersten grundsätzlichen Bauform der 1a–c unterscheidet, dass auf der vorderen, also dem anderen Elektromagneten 1 zugewandten, Seite jeder der beiden Spulen 2a, b jeweils ein in diesem Fall scheibenförmiger, ringförmiger Permanentmagnet 6a, b angeordnet ist, wobei beide Permanentmagnete 6a, b eine radiale magnetische Polrichtung besitzen, in diesem Fall mit dem Nordpol N radial außenliegend und dem Südpol S radial innenliegend.
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Dadurch überlagert sich beim Aktivieren einer der Spulen 2a, b das von dieser stromdurchflossenen Spule 2a, b erzeugte Magnetfeld mit dem Magnetfeld des nahe an dieser Spule 2a, b, nämlich im magnetischen Wirkbereich dieser Spule 2a oder b angeordneten, Permanentmagneten 6a oder 6b.
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Durch Wahl der Flussrichtung des Stromes in der jeweiligen Spule 2a, b kann bestimmt werden, ob sich die Magnetfelder der aktivierten Spule und des zugeordneten Permanentmagneten 6a oder b addieren oder subtrahieren.
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In den 3a und b ist die Spule 2b des jeweils unteren Elektromagneten 1b von Strom durchflossen und zwar in einer solchen Richtung, dass sich im Zentrum, also auf der Spulenachse 10‘, das von dem aktivierten Elektromagneten 1b erzeugte torroidale Magnetfeld von der Rückseite dieses unteren Elektromagneten 1b, also von unten, zu dessen Vorderseite und in Richtung des Joches 4 verläuft, welches auch bei dieser Bauform aus einem magnetisierbaren Material besteht.
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Dadurch addieren sich die Magnetfelder des aktivierten Elektromagneten 1b und des zugeordneten Permanentmagneten 6b, und ziehen das Joch 4 besonders stark heran, also nach unten.
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Der obere Elektromagnet 1a ist nicht aktiviert, sondern wird erst aktiviert – bei etwa gleichzeitiger Stromlos-Schaltung und Deaktivierung des unteren Elektromagneten 1b – wenn das Joch 4 nach oben bewegt werden soll, angezogen von dem Magnetfeld des oberen aktivierten Elektromagneten 1a. Auch bei diesem wird vorzugsweise der Stromfluss durch die Spule 2a beim Aktivieren so gewählt, dass sich die Magnetkraft der Spule 2a, des aktivierten Elektromagneten 1a und des oberen Permanentmagneten 6a addieren.
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Den jeweiligen Elektromagneten 1 hinsichtlich der Stromflussrichtung durch seine Spule 2 so zu schalten, dass die Magnetkraft der aktivierten Spule 1 und des zugeordneten Elektromagneten 6a, b sich voneinander subtrahieren, macht in diesem Fall nur Sinn, wenn die Anziehungskraft des jeweiligen Permanentmagneten auf das Joch 4 reduziert oder aufgehoben werden soll, um ein Ablösen des Joches und beschleunigen in Richtung des anderen Elektromagneten 1 mittels der Kraft der Feder 9 zu ermöglichen.
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Für das Betreiben dieser Bauform ist aus den genannten Gründen aber dennoch eine elektrische Schaltung zur Steuerung des Stromflusses durch die Spulen 2 notwendig, die eine definierte Flussrichtung durch die jeweilige Spule 2 bewirkt im Sinne sich addierender Magnetkräfte von aktiviertem Elektromagneten 1 und diesem zugeordneten, benachbarter Permanentmagneten 6a, b.
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Eine Möglichkeit einer solchen Schaltung zeigt 7 und wird nachfolgend erläutert.
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Zusätzlich, also neben dem anderen Aufbau der Elektromagnete 1a, b und der entsprechend anderen Funktion – unterscheidet sich der Aktuator 20 auch in seiner körperlichen Bauform, wie an diesem Längsschnitt ersichtlich:
So besitzen in 3a die Elektromagnete 1a, b keine zentrale Durchgangsöffnung 17, und dementsprechend stehen von dem Joch 4 beidseits in jede Richtung mindestens zwei Jochschäfte 14a, 14b vor, die jedoch radial soweit außen angeordnet sind, dass sie seitlich an den Elektromagneten 1a, b vorbei verlaufen, und an der entsprechenden axialen Position wiederum jeweils einen Anschlag 13 aufweisen, an dem sich jeweils eine Druckfeder 9 abstützt, die sich auf der anderen Seite auf der Innenseite des Gegenhalters 15, der jeweiligen Frontplatte des Gehäuses 18, abstützt.
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In dem Längsschnitt der 3a sind auf jeder Stirnseite des Joches 4, welches sich auch in diesem Fall über die gesamte Querschnittsfläche der beiden zueinander fluchtenden Elektromagnete 1a, b befindet, je zwei Jochschäfte 14a, b dargestellt, in Längsrichtung betrachtet können jedoch über den Umfang der Elektromagneten 1a, b auf jeder Seite des Joches 4 durchaus mehr, z.B. drei oder vier, Jochschäfte angeordnet sein.
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Dabei darf jedoch nicht vergessen werden, dass das Ziel darin besteht, die zu bewegende Masse des Joches 4 einschließlich eventuell vorhandener Jochschäfte 14a, b so gering wie möglich zu halten, um diesen möglichst schnell beim Schalten des Aktuators beschleunigen zu können.
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Das Joch 4 ist also bei dieser Bauform mittels der Jochschäfte 14a, b nicht mehr in der Durchgangsöffnung durch die Elektromagnete 1a, b gelagert, sondern ausschließlich mittels der Endbereiche seiner Jochschäfte 14a, b in den Stirnseiten des Gehäuses 18.
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3b zeigt eine Bauform, die sich von derjenigen der 3a dadurch unterscheidet, dass sich von dem plattenförmigen Joch 4 aus in diesem Längsschnitt zwei voneinander weg weisende Jochfortsätze 19 nach außen durch die Seitenwand des Gehäuses 18 hindurch erstrecken und in diesem Gehäuse in entsprechenden Schlitzen 26 geführt sind.
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Über den Umfang des Aktuators 20 sind vorzugsweise nicht nur zwei gegenüber liegende, sondern über den Umfang mehr als zwei, z.B. drei oder vier, Schlitze 26 und darin geführte Jochfortsätze 19 vorhanden, um das Joch 19 sicher und ohne zu verklemmen im Gehäuse 18 zu führen.
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Die ebenfalls über den Umfang mehrfach, vorzugsweise drei- oder vierfach, vorhandenen Druckfedern 9 stützen sich in diesem Fall auf dem Joch 4 radial außerhalb der Elektromagnete 1a, b ab und auf ihrer Gegenseite an einem Anschlag 13, der von der Innenseite des Gehäuses 18 radial in Richtung Elektromagnet 1 nach innen ragt.
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Die nicht dargestellte Ruhestellung des Joches 4 – wenn also beide Elektromagnete 1a, b stromlos und damit inaktiv sind – ist in diesem Fall jedoch eine andere, denn das Joch 4 bleibt an demjenigen Elektromagneten 1a oder b, der zuletzt aktiviert war, haften aufgrund der magnetischen Haltekraft des in diesem Elektromagneten 1b angeordneten Permanentmagneten, in 3b der Permanentmagnet 6b, da 3b diesen stromlosen Zustand beider Elektromagnete 1 darstellt.
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Der in 4 dargestellte Aktuator 20 ist körperlich so aufgebaut wie in den 1a bis c dargestellt, mit dem Unterschied, dass in der Bauform der 4 das Joch 4, also vorzugsweise nur der in einer Querebene 11 liegende, plattenförmige Teil des Joches 4, aus einem oder mehreren Permanentmagneten besteht.
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Die Polrichtung dieses einen oder der mehreren Permanentmagnete des Joch ist 4 verläuft radial an allen Stellen des Umfanges in der gleichen radialen Richtung, im dargestellten Fall von innen nach außen, also an jeder Stelle des Umfangs immer mit dem gleichen Pol am Innen- Umfang bzw. im Zentrum und den gleichen Pol am Außenumfang.
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Im vorliegenden Fall ist also am Außenumfang jeweils der Südpol S und am Innenumfang oder im Zentrum der Nordpol N angeordnet. Falls es sich um mehrere, zum Beispiel radial über den Umfang verteilt angeordnete, Stabmagnete handelt, gilt dies für die einzelnen Stabmagnete.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht es, durch entsprechende Wahl der Flussrichtung des Stromes durch die Spule 2a, b dieses permanent magnetische Joch 4 durch die vom Elektromagneten 1 entwickelte Magnetkraft anzuziehen oder abzustoßen.
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In dem in 4 dargestellten Fall ist der Stromfluss so gewählt, dass die Polachse des von dem Elektromagneten 1b ausgebildeten Magnetfeldes sich im Zentrum in axialer Richtung von Nord nach Süd zu dem Joch 4 hin verläuft, welches im Zentrum bzw. am Innenumfang den Nordpol N ausgebildet hat.
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Durch diese Durchflussrichtung des Stromes durch die Spule 2b wird das Joch 4 an die aktivierte untere Spule 2b und den sprechenden Elektromagneten 1 herangezogen.
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Durch Umkehrung der Flussrichtung des Stromes in dieser Spule 2b kann das Joch 4 magnetisch abgestoßen werden und dadurch – bei vorzugsweise gleichzeitig entsprechender Stromdurchflussrichtung in der anderen, in diesem Fall der oberen, Spule 2a – an diese herangezogen werden.
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Wenn für die Ansteuerung und Strombeaufschlaung der Elektromagnete 1a, b und deren Spulen 2a, b beispielsweise die Schaltung gemäß 7 verwendet wird, also eine Schaltung, die eine Stromrichtungs-Umkehr bewirken kann und zusätzlich bei Umschaltung der Stromrichtung einen Stromstoß gespeist aus dem Kondensator K dieser Schaltung bewirkt, können mit einem solchen Aktuator 20 und der zugehörigen Schaltung sehr schnelle Beschleunigungen des Joches 4 und damit sehr kurze Schaltzeiten des Aktuators 20 erreicht werden.
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In den 5a, b ist eine Aktuator-Vorrichtung dargestellt, die mehrere, in diesem Fall drei, Aktuatoren 20 umfasst.
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In diesem Fall sollen mittels jeweils eines Aktuators je einer von drei Auswerfern 24, die eine Schwenkbewegung durchführen sollen, in Richtung der Schwenkachse 22 kurz hintereinander in einer z. B. Produktions- oder Verpackungsanlage eingesetzt werden.
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Der Abstand der Auswerfer 24 ist dabei kleiner als der Durchmesser, also die Breite B in Richtung dieses gewünschten Abstandes, der zu verwendenden Aktuatoren 20.
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In Blickrichtung der Drehachse 22 sollen die Auswerfer 24 jedoch hintereinander liegend angeordnet sein, also deren Schwenkwege sich in dieser Blickrichtung decken.
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Dies kann erreicht werden, indem der jeweilige Aktuator 20 nicht direkt auf das Arbeitselement, in diesem Fall den Auswerfer 24, einwirkt, sondern jeder der Auswerfer 24 an einem Drehelement 23, welches schwenkbar ist um die Drehachse 22, drehfest befestigt ist und von diesem radial absteht, wie in 5a dargestellt.
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Um nun diese hintereinander liegenden Auswerfer 24 dennoch einzeln und unabhängig voneinander, aber um denselben Schwenkbereich bewegen zu können, greift an jedem der Drehelemente 23 außermittig und auf dem gleichen Radius jeweils ein Pleuel 21 gelenkig an, welches mit seinem anderen Ende ebenfalls gelenkig mit dem Jochschaft 14a jeweils eines Aktuators 20 verbunden ist.
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Dabei ist es wesentlich, dass diese Anordnung so erfolgt, dass in derselben Ausgangslage, also in diesem Fall bei vollständig ausgefahrenem Jochschaft 14a
- – zum einen der Winkel α1, in dem der Jochschaft 14b zum Pleuel 21 steht – betrachtet in Richtung der Drehachse 22 – wenn sich auch das Drehelement 23 und damit der Auswerfer 24 in seiner einen Endlage befindet, bei allen Aktuatoren 20 gleich ist und
- – andererseits muss der Pleuel 21 in dieser Lage in einem Winkel α2 zur axialen Richtung durch den Befestigungspunkt des Pleuels 21 am Drehelement 23 angeordnet sein, und für die analoge Stellung auch dieser Winkel α2 für alle drei Einheiten, also Aktuatoren 20 mit Pleuel 21 und Drehelement 23, übereinstimmen.
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Ziel ist es, dass durch einen Hub eines Aktuators immer der gleiche Schwenkwinkel des damit wirkverbundenen Auswerfers bewirkt wird.
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Unter Umständen kann dies auch ohne die vorstehenden Bedingungen erreicht werden, indem die Winkel und die Längen z.B. der Pleuel 21 verändert werden.
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In 6 ist eine geeignete Treiberschaltung gezeigt für die Ansteuerung der Spulen 2, 2‘ bei denjenigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen keine Permanentmagnete Verwendung finden.
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Sofern keine Permanentmagnete Verwendung finden, ist es nicht erforderlich, die Stromrichtung in den Spulen umzukehren. Vielmehr ist es erforderlich, jede der Spulen 2a, b separat ansteuern zu können.
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Trotzdem soll erfindungsgemäß erreicht werden, dass die beim Abschalten der Spulen 2a, b auftretende Induktionsspannung auch in diesem Fall zum Aufladen eines Kondensators K über die Betriebsspannung UC hinaus genutzt werden kann. In diesem Fall genügt jeweils ein Transistor T2, T2‘ zur Ansteuerung je einer Spule 2a, b, da keine aufwendige Brückenschaltung zur Stromrichtungsumkehr vorgesehen werden muss.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 6 sind die Transistoren T2, T2‘ als NPN-Transistoren ausgeführt, deren Emitter mit Masse verbunden sind, und die das jeweils eine Ende der Spulen 2a, b jeweils nach Masse durchschalten, wenn in der Spule Strom fließen soll. Die jeweils anderen Anschlüsse der Spulen 2a, b sind über eine Diode ZD (Anode an UC) mit der Versorgungsspannung UC verbunden.
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Mit den bisher beschriebenen Elementen kann jeweils eine der Spulen 2a, b mit Strom versorgt werden, wenn die Transistoren T2, T2‘ entsprechend von einer Steuerung ST angesteuert werden. Möchte man vorteilhafterweise zusätzlich auch in diesem Falle die Induktionsspannung beim Abschalten der Spulen 2a, b nutzen, um einen zwischen Masse und betriebsspannungsseitigen Anschlüssen der Spulen 2a, b‘ liegenden Kondensator K über UC hinaus aufzuladen, so benötigt man unbedingt die schon beschriebene Zusatzdiode ZD, die ein Abfließen der über UC hinausgehenden Ladung des Kondensators K in die Spannungsquelle verhindert. Darüber hinaus benötigt man jeweils eine Freilaufdiode D1, D1‘ zu jedem Transistoren T2, T2‘, die den Kollektor des jeweiligen Transistors mit einem Anschluss des zu ladenden Kondensators verbindet (Anode am Kollektor). Der andere Anschluss des zu ladenden Kondensators K ist mit Masse verbunden.
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Die Spulen 2a, b sind, gegebenenfalls über einen weitern Transistor T1 mit Schutzdiode D3, der zur Regelung des Stroms über eine entsprechende Pulsdauermodulation zusätzlich vorgesehen werden kann, um einer Überlastung der Spulen 2a, b vorzubeugen und dennoch ausreichende Leistungsreserven für den Fall zu haben, dass beim erstmaligen in Betrieb nehmen der Schaltung aus dem stromlosen Zustand der Anker in Mittelstellung befindlich ist.
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Des Weiteren ist noch eine weitere Freilaufdiode D2 vorzusehen, die mit ihrer Kathode mit dem anderen Anschluss der Spulen 2a, b und mit ihrer Anode mit Masse verbunden ist. Durch die Anordnung der Freilaufdioden D1, D1‘ und D2 wird erfindungsgemäß erzielt, dass die in den Spulen 2a, b entstehende Induktionsspannung den Kondensator K über UC hinaus auflädt, sodass die auf diese Weise gewonnene höhere Spannung zur erneuten Ansteuerung der Spulen 2a, b zur Verfügung steht.
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In 7 ist die Schaltung dargestellt, mit der die Beaufschlagung, also Beschaltung einer Spule 2a oder b in wahlweise eine der beiden möglichen Stromflussrichtungen durch die Spule 2a oder b ermöglicht wird:
Die gezeigte Schaltung ist an eine Spannungsquelle angeschlossen, die die Schaltung mit einer Gleichspannung UC versorgt. Die Spannungsversorgung der Schaltung weist vorzugsweise eine Versorgungsspannung von 24 Volt auf.
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Die Schaltung weist vier Transistoren T1 bis T4 in einer Brückenschaltung auf, bei denen es sich um Bipolar-Transistoren, Feldeffekt-Transistoren oder Metalloxidhalbleiter-Feldeffekt-Transistoren handeln kann. Dabei bilden die Transistoren T1 und T3 eine erste Halbbrücke und die Transistoren T2 und T4 eine zweite Halbbrücke.
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Die Schaltung weist weiterhin die Spule 2 des Aktuators auf, die bereits in den vorherigen Figuren gezeigt worden ist. Die Transistoren T1 und T3 sind in Bezug zur Spannungsversorgung der Schaltung in Reihe geschaltet. Die Transistoren T2 und T4 sind ebenfalls in Bezug zur Spannungsversorgung der Schaltung in Reihe geschaltet und parallel zu den Transistoren T1 und T3 geschaltet.
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Die Spule 2 ist auf einer Seite mit der elektrischen Verbindung zwischen den Transistoren T1 und T3 verbunden, also mit dem Emitter des Transistors T1 und dem Kollektor des Transistors T3. Die andere Seite der Spule 2 ist mit der elektrischen Verbindung zwischen den Transistoren T2 und T4 elektrisch verbunden, d. h. mit dem Emitter des Transistors T2 und dem Kollektor des Transistors T4.
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Die Spule 2 weist vorzugsweise eine Induktivität von 0,1 bis 0,2 Henry, vorzugsweise 0,15 Henry, auf.
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Die Schaltung weist außerdem drei Dioden D1, D2 und ZD auf. Die Zusatzdiode ZD befindet sich dabei am Anschluss der Schaltung an der Spannungsversorgung, wobei ihre Anode an die Spannungsversorgung angeschlossen ist und ihre Kathode an der Leitung, die zu den weiteren Bauelementen der Schaltung führt.
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Die Diode D1 ist anti-parallel zum Transistor T1 geschaltet. Die Diode D2 ist anti-parallel zum Transistor T2 geschaltet. Die Dioden D1 und D2 dienen dabei als Freilauf-Dioden für die Transistoren T1 und T2, also mit einer Durchgangsrichtung entgegen der Durchgangsrichtung der zugeordneten Transistoren, wobei jeweils deren Anoden entsprechend mit der elektrischen Leitung zwischen den Transistoren T1 und T3 der ersten Halbbrücke und der elektrischen Leitung zwischen den Transistoren T2 und T4 der zweiten Halbbrücke verbunden sind.
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Die Dioden D1 und D2 können eine Schleusenspannung, d. h. eine Schwellspannung US von 0,3 V aufweisen und eine Sperrspannung UR von 400 V. Die Diode ZD kann eine Schleusenspannung US von 0,3 V aufweisen und eine Sperrspannung UR von 400 V.
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Schließlich weist die Schaltung noch einen Kondensator K auf. Dieser ist parallel zur ersten Halbbrücke mit den Transistoren T1 und T3 und parallel zur zweiten Halbbrücke mit den Transistoren T2 und T4 geschaltet. Der Kondensator ist vorzugsweise entsprechend der Induktivität der Spule 2 ausgelegt. Er weist daher vorzugsweise eine Kapazität im Bereich von 1 µF bis 22 µF auf, vorzugsweise von 4,7 µF.
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Im Folgenden wird das Funktionsprinzip der gezeigten Schaltung erläutert:
Durch Einschalten der Transistoren T1 und T4 wird bei Vorliegen der Versorgungsspannung UC die Wicklung der Spule 2 mit positiver Stromrichtung erregt. Dabei sind die Transistoren T2 und T3 ausgeschaltet.
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Bei Einschalten der Transistoren T2 und T3, wenn die Transistoren T1 und T4 ausgeschaltet sind, werden dagegen die Wicklungen der Spulen 2 mit negativer Stromrichtung erregt. Somit können die Spulen 2 in beide Stromrichtungen erregt werden, womit – wie es zu den vorherigen Figuren bereits erläutert worden ist – durch die Spulen 2 Magnetfelder in entgegengesetzte Richtungen aufgebaut werden können.
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Beim Ausschalten des Stromes durch die Wicklung der Spule 2, d. h. wenn beispielsweise die Transistoren T4 und T1 abgeschaltet werden, wobei die Transistoren T3 und T2 abgeschaltet waren, wird über die Freilauf-Dioden D1 und den ebenso wirkenden Transistor T4 der Kondensator K mittels der Induktionsspannung aufgeladen.
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Dieser Effekt ist auf die Induktivität der Spule 2 zurückzuführen, aufgrund derer die Spule 2 bei ihrer Abschaltung zunächst den Stromfluss aufrechterhält. Der weitere Stromfluss, bewirkt durch die Spule 2, ist dabei auf die im Magnetfeld der Spule 2 gespeicherte magnetische Energie zurückzuführen. Dieser Strom kann in der Schaltung je nach Stromflussrichtung über eine der Dioden D1 oder D2 und einem der Transistoren T3 oder T4 zurückfließen und den Kondensator Küber Uc hinaus laden.
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Die Diode ZD verhindert dabei, dass dieser Strom über die Spannungsversorgung der Schaltung fließen kann und diese eventuell beschädigen könnte.
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Durch die Aufladung des Kondensators K steht für einen erneuten Schaltvorgang eine wesentlich höhere Spannung, beispielsweise von mehr als 150 V, als die der normalen Spannungsversorgung, d. h. der Spannung UC, zur Verfügung.
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Somit kann der Stromfluss durch die Spulen 2, der zunächst durch die Induktivität gebremst wird, bei ihrer Einschaltung in kürzerer Zeit erhöht werden und damit die Erregung der Wicklungen der Spulen 2 in kürzerer Zeit erfolgen. Im Ergebnis wird also in kürzerer Zeit das für die Schaltgeschwindigkeit des Aktuators notwendige Magnetfeld der Spule 2 aufgebaut.
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Beispielsweise ist der Aktuator und vorzugsweise seine Schaltung so ausgelegt, dass er innerhalb von 2–3ms umgeschaltet hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromagnet
- 2a, b
- Spule
- 3
- Schaltung
- 4
- Joch
- 5a, b
- Stirnseite
- 6a, b
- Permanentmagnet
- 7
- Pol-Achse
- 8
- Radialbereich
- 9
- Druckfeder
- 10
- Längsrichtung, axiale Richtung, Bewegungsrichtung
- 10‘
- Spulenebene
- 11
- Querebene
- 12
- Abstand
- 13
- Anschlag
- 14a, b
- Jochschaft
- 15
- Gegenhalter
- 16
- Flussleitkörper
- 17
- Durchgangsöffnung
- 18
- Gehäuse
- 19
- Joch-Fortsatz
- 20
- Aktuator
- 21
- Pleuel
- 22
- Drehachse
- 23
- Drehelement
- 23‘
- Drehebene
- 24
- Auswerfer
- 25
- Befestigungspunkt
- 26
- Schlitz
- α
- Winkel
- b
- Breite
- B
- Breite
- T1–T4
- Transistor
- D1–D4
- Freilaufdiode
- K
- Kondensator
- ZD
- Zusatzdiode
