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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen und dynamischen Aktuator für aktive Aggregatlager, umfassend eine elektrisch leitfähige Zylinderspule, einen ersten Magnetkern aus ferromagnetischem Material, einen zweiten Magnetkern aus ferromagnetischem Material und zumindest einen Permanentmagneten, wobei der erste und zweite Magnetkern relativ zueinander in Richtung der Längsachse der Zylinderspule verschiebbar angeordnet sind.
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Ein Ziel bei der Entwicklung von Aggregatlagern besteht darin, Aktuatorkonzepte zur Verfügung zu stellen, die über eine dynamische Ansteuerung frequenzselektiv die Lagersteifigkeit einstellen sowie die Phase einer auftretenden Schwingung verändern können. Zusätzlich sollen diese Aktuatorkonzepte hinsichtlich Fertigung und Montierbarkeit optimiert sein.
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Aus dem Stand der Technik sind aktive Aggregatlager bekannt, die polarisierte Elektromagnete aufweisend ausgebildet sind:
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Aus der
DE 198 39 464 C2 ist ein elektrodynamischer Aktuator mit schwingendem Federmassesystem bekannt, welcher aus einer leitfähigen Spule und einem Permanentmagneten besteht. Die elektrisch leitfähige Spule ist im Inneren eines radial magnetisierten Ringmagneten angeordnet. Zusammen bilden Permanentmagnet und Spule ein schwingungsfähiges Feder-Masse-System.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator zur Verfügung zu stellen, dessen Aufbau gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik hinsichtlich Fertig- und Montierbarkeit verbessert ist und der zusätzlich mit einer hubunabhängigen linearen Magnetkraft-/Stromkennlinie betrieben werden kann.
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Gelöst ist diese Aufgabe mittels eines elektrodynamischen Aktuators gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Aktuators befinden sich in den Unteransprüchen 2 bis 18. Hiermit wird der Wortlaut dieser Unteransprüche durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.
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Der erfindungsgemäße Aktuator umfasst eine elektrisch leitfähige Zylinderspule, einen ersten Magnetkern aus ferromagnetischem Material, einen zweiten Magnetkern aus ferromagnetischem Material und zumindest einen Permanentmagneten. Der erste und der zweite Magnetkern sind relativ zueinander in Richtung der Längsachse der Zylinderspule verschiebbar angeordnet. Wesentlich ist, dass der erste Magnetkern die Zylinderspule im Wesentlichen umgibt. Außerdem wesentlich ist, dass der Permanentmagnet in Richtung der Längsachse der Zylinderspule wenigstens einfach unterbrochen ausgebildet ist und so mindestens zwei Teile aufweist, welche zwei Teile an dem ersten Magnetkern angeordnet und derart magnetisiert sind, dass zumindest zwei gegenläufige Magnetkreise ausgebildet sind.
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Im Rahmen dieser Beschreibung bedeutet „wenigstens einfach unterbrochen“, dass der Permanentmagnet aus zumindest zwei Teilen besteht, welche räumlich getrennt, bzw. voneinander beabstandet sind. Die zumindest zwei Teile des Permanentmagneten sind in Richtung der Längsachse der Zylinderspule unterbrochen ausgebildet und entsprechend voneinander beabstandet. Dabei ist im Rahmen dieser Beschreibung der obere Teil des Permanentmagneten derjenige Teil des Permanentmagneten, der dem zu tragenden Bauteil zugewandt ist. Der untere Teil des Permanentmagneten ist derjenige Teil des Permanentmagneten, der dem zu tragenden Bauteil, z. B. Fahrzeugkarosserie oder Motor, abgewandt ist.
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Vorteilhafterweise ist der Permanentmagnet in Richtung der Längsachse der Zylinderspule aus genau zwei Teilen ausgebildet. Dies erleichtert die Montage des Aktuators und ermöglicht eine kompaktere und robustere Bauweise.
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Durch die zwei Teile des Permanentmagneten und deren Magnetisierung beziehungsweise Anordnung entstehen in dem Aktuator zwei gegenläufige Magnetkreise. Ein oberer Magnetkreis verläuft in einem oberen Bereich des ersten Magnetkerns, angrenzend an den oberen Teil des Permanentmagneten, und ein unterer Magnetkreis in einem unteren Teil des ersten Magnetkerns, angrenzend an den unteren Teil des Permanentmagneten. Im unbestromten Zustand, wenn kein Strom durch die Zylinderspule fließt, verläuft der obere Magnetkreis des oberen Permanentmagneten ausgehend von dem oberen Permanentmagneten über den ersten Magnetkern in den zweiten Magnetkern und von dort zurück in den ersten Permanentmagneten. Der untere Magnetkreis des unteren Permanentmagneten verläuft gegenläufig ausgehend von dem unteren Teil des Permanentmagneten über den ersten Magnetkern in den zweiten Magnetkern und von dort zurück zum unteren Teil des Permanentmagneten. Durch die beiden Magnetkreise erfolgt somit eine magnetische Vorsättigung des magnetisch aktiven Materials des ersten Magnetkerns und des zweiten Magnetkerns, insbesondere in dem Bereich am Übergang zwischen erstem Magnetkern und zweitem Magnetkern.
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In einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die zwei Teile des Permanentmagneten an einer dem zweiten Magnetkern zugewandten Mantelseite an dem ersten Magnetkern angeordnet, vorzugsweise in den ersten Magnetkern eingebettet. Vorzugsweise bilden die zwei Teile des Permanentmagneten an ihrer dem zweiten Magnetkern zugewandten Seite zusammen mit einer Oberfläche des ersten Magnetkerns eine im Wesentlichen plane Fläche aus. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Montage des Aktuators vereinfacht ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators zeichnet sich dadurch aus, dass die Zylinderspule, der erste Magnetkern und die zwei Teile des Permanentmagneten immobil miteinander verbunden sind.
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In einer anderen vorzugsweisen Ausführungsform ist ein Unterbrechungsbereich, welcher in Richtung der Längsachse der Zylinderspule zwischen den beiden Teilen des Permanentmagneten angeordnet ist, durch den ersten Magnetkern zumindest teilweise, vorzugsweise sogar vollständig, ausgefüllt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Montage des Aktuators vereinfacht wird und die Ausbildung einer dem zweiten Magnetkern zugewandten, im Wesentlichen planen Fläche aus erstem Magnetkern und den beiden Teilen des Permanentmagnetes vereinfacht ist.
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In einer anderen vorzugsweisen Ausführungsform ist der Aktuator um die Längsachse der Zylinderspule rotationssymmetrisch ausgebildet.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist zumindest einer der beiden Teile des Permanentmagneten, vorzugsweise beide Teile, als Ringmagnet ausgebildet. Der oder die Ringmagnete können derart angeordnet sein, dass sie parallel zueinander in zwei unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule verlaufen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Aktuator in einfacher Art und Weise symmetrisch in Bezug auf die magnetischen Eigenschaften ausgebildet werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die jeweiligen Teile des Permanentmagneten zusätzlich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule unterbrochen ausgebildet. Dadurch besteht jeder der betreffenden Teile des Permanentmagneten seinerseits wiederum aus mindestens zwei Permanentmagneten, die sich in der genannten Ebene senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule segmentartig zu dem betreffenden Teil des Permanentmagneten ergänzen. Durch die Aufspaltung des Permanentmagneten in eine Anzahl Segmente sind eine einfachere und kostengünstige Montage des Aktuators und eine kostengünstigere Herstellung der Permanentmagneten möglich.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Zylinderspule, d. h. axial orientiert ist. Vorzugsweise sind die zumindest zwei Teile des Permanentmagneten senkrecht in Bezug auf die Längsachse der Zylinderspule im ersten Magnetkern angeordnet. Eine senkrechte Anordnung der Permanentmagnete bedeutet, dass die Hauptausdehnungsrichtung der zumindest zwei Teile des Permanentmagneten in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule verläuft. Vorzugsweise sind Magnetisierungsrichtung und Hauptausdehnungsrichtung der beiden Teile des Permanentmagneten im Wesentlichen senkrecht zueinander. Vorteilhaft ist hier, dass die Montage durch den Aufbau als Schichtsystem aus erstem Magnetkern und den zumindest zwei Teilen des Permanentmagneten vereinfacht ist.
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Eine alternative bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule ausgebildet ist. Bevorzugt ist der Permanentmagnet als diametral magnetisierter Permanentmagnet, insbesondere als bevorzugt radial magnetisierter Permanentmagnet, ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Teile des Permanentmagneten als radial magnetisierte Ringmagneten ausgebildet, die parallel zueinander in zwei unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule angeordnet sind und deren Magnetisierung senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule steht. Vorzugsweise bedecken die zwei Teile des Permanentmagneten einen dem jeweiligen Teil des Permanentmagneten senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule gegenüberliegenden Teilbereich des zweiten Magnetkerns zumindest teilweise. Die Anordnung ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass in der betreffenden Schnittebene senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule der zweite Magnetkern, der Permanentmagnet, der erste Magnetkern und die Zylinderspule räumlich aufeinander folgen. Vorteilhaft ist, dass zumindest einer der zwei Teile des Permanentmagneten, vorzugsweise beide, in einer Projektion senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule auf den zweiten Magnetkern diesen an der der Zylinderspule zugewandten Seite zumindest teilweise überlappt. Dadurch besteht beim Übergang der Magnetfeldlinien zwischen erstem und zweitem Magnetkern ein geringer magnetischer Flusswiderstand.
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Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die zumindest zwei Teile des Permanentmagneten mit ihrer Hauptausdehnungsrichtung unter einem beliebigen Winkel in Bezug auf die Längsachse der Zylinderspule angeordnet sind und eine entsprechend orientierte Magnetisierung, das heißt im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptausdehnungsrichtung, aufweisen. Wesentlich ist, dass durch die zumindest zwei Teile des Permanentmagneten zwei gegenläufige Magnetkreise entstehen.
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Durch die Magnetfelder der Permanentmagneten erfolgt somit eine Vorsättigung in dem magnetisch aktiven Material des ersten Magnetkerns und des zweiten Magnetkerns. Vorzugsweise überdecken sich ein magnetkreisführender Bereich des ersten Magnetkerns und ein jeweils gegenüberliegender magnetkreisführender Bereich des zweiten Magnetkerns des gleichen Teils des Permanentmagneten in einer Projektion senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule auf den zweiten Magnetkern zumindest teilweise.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der erste Magnetkern an einer dem zweiten Magnetkern zugewandten Mantelseite durch ein nicht magnetisches Trennelement unterbrochen. Vorzugsweise ist das nicht magnetische Trennelement die Zylinderspule umlaufend ausgebildet.
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Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet der Begriff „nicht magnetisches Trennelement“ eine Aussparung, die den ersten Magnetkern vorzugsweise vollständig durchgreift oder eine Aussparung mit einer im Querschnitt einseitig offenen Kontur. Diese Aussparung ist mit einem Material mit hohem magnetischem Flusswiderstand, das heißt einer relativen Permeabilität in der Größenordnung von µr ≈ 1, ausgefüllt. Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, dass die Aussparung mit Luft gefüllt ist.
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Dabei liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, dass die Aussparung, als die das nichtmagnetische Trennelement ausgebildet ist, den ersten Magnetkern nicht vollständig unterbricht. Das nichtmagnetische Trennelement kann somit auf drei Seiten von dem ersten Magnetkern umgeben sein und an einer vierten Seite an die Zylinderspule angrenzen. Wesentlich ist hier, dass der magnetische Flusswiderstand auf Grund der durch die Aussparung bewirkten Verringerung der Materialdicke des ersten Magnetkerns zunimmt. Vorzugsweise nimmt die Verringerung der Materialdicke mit sinkendem Abstand von der Längsachse der Zylinderspule zu, das heißt die Breite der Aussparung wächst mit steigendem Abstand von der Längsachse der Zylinderspule an, insbesondere derart, dass auf der dem zweiten Magnetkern zugewandten Seite ein Reststeg („Sättigungssteg“) aus dem Material des ersten Magnetkerns verbleibt. Höchst vorzugsweise erfolgt die Verringerung der Materialdicke des ersten Magnetkerns derart, dass schon bei einem geringen magnetischen Fluss in dem verbleibenden Sättigungssteg des ersten Magnetkerns eine magnetische Sättigung und relative Permeabilität µr ≈ 1 erreicht wird. Vorteilhaft ist hier, dass die Montage vereinfacht ist und dem zweiten Magnetkern mit dem genannten Reststeg in jedem Fall eine bündige Fläche des ersten Magnetkerns gegenübersteht.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform bildet das nichtmagnetische Trennelement an einer dem zweiten Magnetkern zugewandten Seite zusammen mit einer Oberfläche des ersten Magnetkerns eine im Wesentlichen plane Fläche aus.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators zeichnet sich dadurch aus, dass die Abmessung des nicht magnetischen Trennelements in Richtung der Längsachse der Zylinderspule mit zunehmendem Abstand von der Längsachse der Zylinderspule zunimmt, vorzugsweise streng monoton zunimmt, insbesondere linear zunimmt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aussparung in dem ersten Magnetkern, also das nichtmagnetische Trennelement, als Luftspalt ausgebildet bzw. mit Luft gefüllt.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator um die Längsachse der Zylinderspule rotationssymmetrisch ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die jeweiligen Teile des Permanentmagneten zusätzlich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule unterbrochen ausgebildet. Dadurch besteht jeder der betreffenden Teile des Permanentmagneten seinerseits wiederum aus mindestens zwei Permanentmagneten, die sich in der genannten Ebene senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule segmentartig zu dem betreffenden Teil des Permanentmagneten ergänzen. Durch die Aufspaltung des Permanentmagneten in eine Anzahl Segmente sind eine einfachere und kostengünstigere Montage des Aktuators und eine kostengünstigere Herstellung des Permanentmagneten möglich.
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Eine alternative bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Magnetkern an seiner dem zweiten Magnetkern zugewandten Seite eine überstehende Deckfläche und/oder eine überstehende Bodenfläche senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule aufweist, welche Deckfläche den zweiten Magnetkern und/oder welche Bodenfläche den zweiten Magnetkern senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule bereichsweise überlappt. Für weitere Details in Bezug auf diese Ausgestaltungen wird auf die parallele Anmeldung der Anmelderin mit gleichem Anmeldedatum und dem Titel „Elektromagnetischer und dynamischer Aktuator für aktive Aggregatlager“, insbesondere auf die Beschreibung zu 8 mit den Teilabbildungen a bis c hingewiesen.
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Im Folgenden wird das elektromagnetische Wirkprinzip unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beziehungsweise des Aktuators mit einem nichtmagnetischen Trennelement beschrieben:
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Der Aktuator besteht aus zwei jeweils zusammenhängenden Modulen, die relativ zueinander verschiebbar gelagert sind. Das erste Modul umfasst die Zylinderspule, den ersten Magnetkern, den Permanentmagneten bzw. dessen Teile und optional das nichtmagnetische Trennelement. Das zweite Modul umfasst einen Stößel, über welchen Stößel der Aktuator auf ein zu tragendes Bauteil, beispielsweise einer Fahrzeugkarosserie oder einem Motor, einwirken kann, und den zweiten Magnetkern, der mit dem Stößel in Wirkverbindung steht.
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Der Aktuator kennt zwei mögliche Auslenkungsrichtungen parallel zur Längsachse der Zylinderspule. Eine positive Auslenkung des Stößels und damit des gesamten zweiten Moduls erfolgt in Richtung des Teils des Permanentmagneten, der dem zu tragenden Bauteil zugewandt ist. Eine negative Auslenkung des Stößels und damit des gesamten zweiten Moduls erfolgt in Richtung des Teils des Permanentmagneten, der dem zu tragenden Bauteil abgewandt ist. Die Auslenkung erfolgt über einen Arbeitshubbereich, der sich von einer maximalen positiven Auslenkung bis zu einer maximalen negativen Auslenkung erstreckt.
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Die beiden Teile des Permanentmagneten sind derart relativ zur Längsachse der Zylinderspule magnetisiert und orientiert, dass der Magnetkreis ausgehend von dem einen Teil des Permanentmagneten gegenläufig, das heißt mit einer umgekehrten Polarität bezogen auf den Magnetkreis des anderen Permanentmagneten verläuft.
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Im unbestromten Zustand, wenn kein Strom durch die Zylinderspule fließt, wird das resultierende Magnetfeld im Aktuator im Wesentlichen alleine durch die beiden Teile des Permanentmagneten erzeugt. Durch die zumindest zwei Teile des Permanentmagneten entstehen, wie oben ausgeführt, zwei gegenläufige Magnetkreise. Diese verlaufen in Teilbereichen des ersten und zweiten Magnetkerns. Somit resultiert in diesen Bereichen durch die Magnetkreise eine magnetische Vorsättigung in dem magnetisch aktiven Material des ersten Magnetkerns und des zweiten Magnetkerns.
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Der Aktuator befindet sich in der Ausgangslage, das heißt im unausgelenkten Zustand, wenn das nichtmagnetische Trennelement mittig zwischen den beiden Teilen des Permanentmagneten angeordnet ist. Die beiden Magnetkreise verlaufen beim Übergang zwischen erstem und zweitem Magnetkern im Wesentlichen radial, d. h. senkrecht zur Längsachse der Zylinderspule.
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Die Zweiteilung des Permanentmagneten ermöglicht eine symmetrische Anordnung der beiden Teile des Permanentmagneten, bezogen auf den ersten Magnetkern und das nichtmagnetische Trennelement. Abhängig von der Auslenkung des Aktuators kommt es zu einer Flussdichteverschiebung, da sich der Magnetkreis mit der im ausgelenkten Zustand geringeren Überdeckung zwischen erstem und zweitem Modul über den äußeren Bereich des ersten Magnetkerns um die Zylinderspule schließt. Hierdurch wird die Änderung in der Überdeckung zwischen den beiden Teilen des Permanentmagneten und dem zweiten Modul kompensiert. In Kombination mit dem rotationssymmetrischen Aufbau ergibt sich über den gesamten Hubbereich eine Kompensation der wirkenden Kräfte durch die Magnetfelder der beiden Permanentmagneten. Somit wird über den Stößel keine Kraftwirkung an ein ein zu tragendes Bauteil, wie zum Beispiel eine Fahrzeugkarosserie oder einen Motor, übertragen.
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Im bestromten Zustand wird durch den Stromfluss in der Zylinderspule ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt. Durch den Stromfluss in der Spule bildet sich senkrecht zu den Spulenwindungen ein Magnetfeld aus. Abhängig von der Auslenkung des Aktuators tritt eine zusätzliche Axialkomponente des Magnetfelds auf, da sich der Magnetkreis mit der geringeren Überdeckung zwischen erstem und zweitem Modul mit einer zusätzlichen Magnetfeldkomponente parallel zur Längsachse der Zylinderspule schließen muss. Durch die Überlagerung des Magnetfelds der Spule mit den Magnetfeldern der beiden Permanentmagneten kommt es zu einer Verstärkung des Magnetfeldes um einen der beiden Teile des Permanentmagneten. Es entsteht eine Kraftwirkung, welche der Auslenkung des Stößels entgegenwirkt oder diese verstärkt. Durch Umkehrung der Richtung des Stromflusses in der Zylinderspule kehrt sich auch die Kraftwirkung um.
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Da die Kraftwirkung im unbestromten Zustand unabhängig von der Auslenkung des Stößels und damit des gesamten zweiten Moduls aufgehoben wird, trägt alleine das durch den Stromfluss in der Zylinderspule entstehende Magnetfeld zum Verlauf des wirkenden Kraftfeldes bei. Das heißt, eine resultierende Kraft hängt nur von der Magnetisierung der Zylinderspule und damit vom Stromfluss in der Zylinderspule ab. Dadurch ergibt sich für den Aktuator ein einfacher proportionaler Zusammenhang zwischen dem Strom, der durch die Zylinderspule fließt, und der resultierenden Kraft, die über den Stößel auf ein angeschlossenes System übertragen wird. Der Aktuator weist also ein auslenkungsunabhängiges, stromproportionales Kraftkennfeld auf.
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Ergänzend wird, insbesondere für weitere Ausgestaltungen eines Aktuators, auf die parallele Anmeldung der Anmelderin mit gleichem Anmeldedatum und dem Titel „Elektromagnetischer und dynamischer Aktuator für aktive Aggregatlager“ hingewiesen.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung lassen sich im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutern. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Aktuators mit axial magnetisierten Permanentmagneten;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Aktuators mit axial magnetisierten Permanentmagneten und mit einem nichtmagnetischen Trennelement; und
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Aktuators mit radial magnetisierten Permanentmagneten und mit einem nichtmagnetischen Trennelement.
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In den 1 bis 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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1 zeigt ein Schnittbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aktuators. Zur kompakteren Darstellung ist jeweils nur die rechte Hälfte des Aktuators ausgehend von der die Symmetrieachse bildenden Längsachse 12 der Zylinderspule 2 dargestellt.
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Der Aktuator 1 umfasst eine elektrisch leitfähige Zylinderspule 2 mit einem Spulenkörper 2a, einen ersten Magnetkern 3 aus ferromagnetischem Material, einen zweiten Magnetkern 4 aus ferromagnetischem Material, einen Stößel 11 und einen Permanentmagneten 5 mit den Teilen 5a und 5b.
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Der erste Magnetkern 3 umgibt die Zylinderspule 2 im Wesentlichen vollumfänglich mit einer Außenfläche 3a, einer Bodenfläche 3b, einer Deckfläche 3c und einer Innenfläche 3d. Zentral innerhalb der Zylinderspule 2 ist der zweite Magnetkern 4 angeordnet. Der zweite Magnetkern 4 ist über den Stößel 11 mit einem Aggregatlager (nicht dargestellt) verbunden. Der zweite Magnetkern 4 ist rotationssymmetrisch in Bezug auf eine Längsachse 12 der Zylinderspule 2 ausgebildet und weist eine in Richtung des Mittelpunkts abgeschrägte Bodenfläche 4.1 und Deckfläche 4.2 auf. Die Abmessung des zweiten Magnetkerns 4 parallel zu der Längsachse 12 der Zylinderspule 2 wird also mit steigendem Abstand von der genannten Längsachse 12 größer.
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In der dem zweiten Magnetkern 4 zugewandten Innenfläche 3d sind die zwei Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 an bzw. in dem ersten Magnetkern 3 angeordnet. Vorliegend sind die zwei Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 an der dem zweiten Magnetkern 4 zugewandten Innenfläche 3d in den ersten Magnetkern 3 eingebettet. Die zwei Teile 5a, 5b des Permanentmagneten weisen jeweils eine Hauptausdehnungsrichtung senkrecht zu der Längsachse der Zylinderspule auf und sind in Richtung der Längsachse 12 der Zylinderspule räumlich voneinander beabstandet. Der Bereich zwischen den zwei Teilen 5a, 5b des Permanentmagneten ist mit dem ersten Magnetkern 3 ausgefüllt. Dabei bilden der obere Teil 5a des Permanentmagneten, der erste Magnetkern 3 und der untere Teil 5b des Permanentmagneten auf der dem zweiten Magnetkern 4 zugewandten Seite eine im Wesentlichen plane Fläche.
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Die Magnetisierung der beiden Teile 5a, 5b des Permanentmagneten 5 ist parallel zu der Längsachse 12 der Zylinderspule 2 orientiert, d. h. die beiden Teile 5a, 5b des Permanentmagneten 5 sind axial magnetisiert. Die Magnetisierungsrichtungen der beiden Teile 5a, 5b des Permanentmagneten 5 sind gegensinnig, d. h. sie weisen eine unterschiedliche Polarität auf. Vorliegend ist die Richtung des magnetischen Flusses durch Pfeile gekennzeichnet.
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Die Elemente Zylinderspule 2, erster Magnetkern 3 und Permanentmagnet 5 bilden ein erstes Modul 15. Die Elemente Stößel 11 und zweiter Magnetkern 4 bilden ein zweites Modul 16. Das erste Modul 15 ist relativ zu dem zweiten Modul 16 verschiebbar angeordnet. Eine positive Auslenkung des Stößels 11 parallel zur Längsachse 12 der Zylinderspule 2 und damit des gesamten zweiten Moduls 16 erfolgt in Richtung desjenigen Teils 5a des Permanentmagneten 5, der dem zu tragenden Bauteil zugewandt ist. Eine negative Auslenkung des Stößels 11 parallel zur Längsachse 12 der Zylinderspule 2 und damit des gesamten zweiten Moduls 16 erfolgt in Richtung desjenigen Teils 5b des Permanentmagneten 5, der dem zu tragenden Bauteil abgewandt ist. Die Auslenkung erfolgt über einen Arbeitshubbereich, der sich von einer maximalen positiven Auslenkung bis zu einer maximalen negativen Auslenkung erstreckt.
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Der Aktuator gemäß 1 ist im Wesentlichen radialsymmetrisch zu der Längsachse 12 der Zylinderspule 2 ausgebildet.
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Durch die beiden Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 werden zwei gegenläufige Magnetkreise 55a und 55b erzeugt, deren Flusslinien mittels durchgezogener Linien 55a für den oberen Teil 5a des Permanentmagneten 5 bzw. 55b, für den unteren Teil 5b des Permanentmagneten 5 dargestellt sind. Der Magnetkreis 55a des oberen Teils 5a des Permanentmagneten 5 verläuft ausgehend von dem oberen Teil 5a des Permanentmagneten 5 in den ersten Magnetkern 3, über die Grenze 20a zwischen zweitem Magnetkern 4 und erstem Magnetkern 3 in den zweiten Magnetkern 4, in dem zweiten Magnetkern 4 und von dort wieder zurück in den ersten Magnetkern 3 zum oberen Teil 5a des Permanentmagneten 5. Entsprechend verlaufen der Magnetkreis 55b des unteren Teils 5b des Permanentmagneten 5 gegensinnig ausgehend vom unteren Teil 5b des Permanentmagneten 5 in den ersten Magnetkern 3, über die Grenze 20b zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4 in den zweiten Magnetkern 4 und von dort wieder in den ersten Magnetkern 3 zurück zum unteren Teil 5b des Permanentmagneten 5.
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Durch die gegenläufigen Magnetkreise 55a und 55b entsteht eine lokale magnetische Vorsättigung in dem magnetisch aktiven Material des ersten Magnetkerns 3 und des zweiten Magnetkerns 4. Bei einer Auslenkung des Stößels 11 parallel zur Längsachse 12 der Zylinderspule 2 kommt es abhängig von der Auslenkungsrichtung in einem der beiden äußeren Grenzbereiche 80a, 80b zu einer geringeren Überlappung zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4. Eine Auslenkung führt also zu einer zusätzlichen Axialkomponente des Magnetfelds, d. h. eine Komponente parallel zur Längsachse 12 der Zylinderspule 2, beim Übergang an der Grenze zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4 in den äußeren Bereichen zu einer Kraftwirkung. Die daraus resultierende Kraftwirkung wird auf Grund der gespiegelten, d. h. symmetrische Anordnung der beiden Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 und des ersten Magnetkerns 3 mit dem nichtmagnetischen Trennelement 10 durch die größere Überlappung zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4 in dem anderen Bereich kompensiert. In dem unbestromten Zustand wird über den Stößel 11 keine Kraftwirkung auf das zu tragende Bauteil (nicht dargestellt) übertragen.
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2 zeigt ein Schnittbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aktuators. Zur kompakteren Darstellung ist wiederum nur die rechte Hälfte des Aktuators ausgehend von der die Symmetrieachse bildenden Längsachse 12 der Zylinderspule 2 dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eingegangen.
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Der erste Magnetkern 3 umgibt die Zylinderspule 2 mit einer Außenfläche 3a, einer Bodenfläche 3b, einer Deckfläche 3c und einer Innenfläche 3d. An der dem Permanentmagneten 5 zugewandten Innenfläche 3d ist der erste Magnetkern 3 durch eine Aussparung unterbrochen, welche Aussparung ein nichtmagnetisches Trennelement 10 bildet. Das nichtmagnetische Trennelement kann sowohl mit Luft als auch mit einem nichtmagnetischen Material mit einer Permeabilität im Bereich µr ≈ 1 ausgefüllt sein. Vorliegend ist das nichtmagnetische Trennelement 10 als eine luftgefüllte Aussparung ausgebildet, deren Breite zunächst konstant bleibt und sich dann mit steigendem Abstand von der Längsachse 12 der Zylinderspule 2 stetig vergrößert.
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Durch die beiden Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 werden zwei gegenläufige Magnetkreise 65a und 65b erzeugt. Diese verlaufen analog zu 1. Durch das nichtmagnetische Trennelement wird hier zusätzlich sichergestellt, dass die Magnetkreise 65a und 65b getrennt voneinander verlaufen.
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3 zeigt ein Schnittbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aktuators mit radial magnetisierten Permanentmagneten 5a, 5b. Zur kompakteren Darstellung ist wieder nur die rechte Hälfte des Aktuators ausgehend von der die Symmetrieachse bildenden Längsachse 12 der Zylinderspule 2 dargestellt.
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Der erste Magnetkern 3 umgibt die Zylinderspule 2 mit einer Außenfläche 3a, einer Bodenfläche 3b, einer Deckfläche 3c und einer Innenfläche 3d. An der dem Permanentmagneten 5 zugewandten Innenfläche 3d ist der erste Magnetkern 3 durch eine Aussparung unterbrochen, welche Aussparung ein nichtmagnetisches Trennelement 10 bildet. Das nichtmagnetische Trennelement kann sowohl mit Luft als auch mit einem nichtmagnetischen Material mit einer Permeabilität im Bereich µr ≈ 1 ausgefüllt sein.
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An der dem zweiten Magnetkern 4 zugewandten Innenfläche 3d sind die zwei Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 an dem ersten Magnetkern 3 angeordnet. Zwischen den beiden Teilen des Permanentmagneten 5a, 5b ist das nichtmagnetische Trennelement 10 angeordnet. Vorliegend sind die zwei Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 an der dem zweiten Magnetkern 4 zugewandten Innenfläche 3d in den ersten Magnetkern 3 eingebettet, d. h. die zwei Teile 5a, 5b des Permanentmagneten 5 bilden an ihrer dem zweiten Magnetkern 4 zugewandten Seite zusammen mit der Oberfläche des ersten Magnetkerns 3 und dem nichtmagnetischen Trennelement 10 eine im Wesentlichen plane Fläche. Die zwei Teile 5a, 5b des Permanentmagneten 5 weisen abweichend von den 1 und 2 jeweils eine Hauptausdehnungsrichtung parallel zu der Längsachse der Zylinderspule auf und sind in Richtung der Längsachse 12 der Zylinderspule räumlich voneinander beabstandet.
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Die Magnetisierung der beiden Teile 5a, 5b des Permanentmagneten ist senkrecht zu der Längsachse 12 der Zylinderspule 2 orientiert. Die beiden Teile 5a, 5b des Permanentmagneten 5 sind als radial magnetisierte Ringmagnete ausgebildet. Die Mittelpunkte der beiden Ringmagnete liegen auf der Längsachse 12 der Zylinderspule 2. Die Magnetisierungsrichtungen der beiden Teile 5a, 5b des Permanentmagneten 5 sind gleich orientiert, d. h. sie weisen eine gleiche Polarität auf. Vorliegend ist die Richtung des magnetischen Flusses durch Pfeile gekennzeichnet.
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Durch die beiden Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 werden zwei gegenläufige Magnetkreise 75a und 75b erzeugt. Die Flusslinien der Magnetkreise sind dargestellt durch die durchgezogenen Linien 75a für den oberen Teil 5a des Permanentmagneten 5 und durch die durchgezogenen Linien 75b für den unteren Teil 5b des Permanentmagneten 5.
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Der Magnetkreis 75a des oberen Teils 5a des Permanentmagneten 5 verläuft ausgehend von dem oberen Teil 5a des Permanentmagneten 5 in den ersten Magnetkern 3, auf der dem nichtmagnetischen Trennelement 10 abgewandten Seite über die Grenze 80a zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4 in den zweiten Magnetkern 4 und von dem zweiten Magnetkern 4 wieder zurück in den oberen Teil 5a des Permanentmagneten 5.
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Entsprechend verläuft der Magnetkreis 75b des unteren Teils 5b des Permanentmagneten 5 gegensinnig ausgehend vom unteren Teil 5b des Permanentmagneten 5 in den ersten Magnetkern 3, auf der dem nichtmagnetischen Trennelement 10 abgewandten Seite über die Grenze 80b zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4 in den zweiten Magnetkern 4 und von dem zweiten Magnetkern 4 wieder zurück in den unteren Teil des Permanentmagneten 5b.
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Bei einer Auslenkung des Stößels 11 parallel zur Längsachse 12 der Zylinderspule 2 kommt es abhängig von der Auslenkungsrichtung in einem der beiden äußeren Bereiche 80a, 80b auf der dem nichtmagnetischen Trennelement 10 abgewandten Seite zu einer geringeren Überlappung zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4. In dem entsprechenden Bereich 80a oder 80b entsteht beim Übergang des Magnetfelds an der Grenze zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4 eine zusätzliche Axialkomponente des Magnetfelds, d. h. eine Komponente parallel zur Längsachse 12 der Zylinderspule 2. Die daraus resultierende Kraftwirkung wird auf Grund der gespiegelten, d. h. symmetrische Anordnung der beiden Teile 5a und 5b des Permanentmagneten 5 und des ersten Magnetkerns 3 mit dem nichtmagnetischen Trennelement 10 durch die größere Überlappung zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4 in dem anderen Bereich kompensiert. Somit wird in dem unbestromten Zustand über den Stößel 11 keine Kraftwirkung auf das zu tragende Bauteil (nicht dargestellt) übertragen.
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Die Magnetkreise 75a, 75b sind derart ausgelegt, dass bei einer Auslenkung über den gesamten Arbeitshubbereich die jeweilige Kraftwirkung an der Grenze zwischen erstem Magnetkern 3 und zweitem Magnetkern 4 der Magnetkreise 75a, 75b im Wesentlichen umgekehrt identisch ist, sodass nach außen keine resultierende Kraftwirkung entsteht.
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Erst bei einer Bestromung der Zylinderspule 2 wird durch das zusätzliche Magnetfeld der Zylinderspule 2 abhängig von der Bestromungsrichtung der Zylinderspule 2 einer der Magnetkreise verstärkt, sodass eine resultierende Kraftwirkung über den Stößel 11 nach außen entsteht, wie weiter oben beschrieben.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen finden sich in der parallelen Anmeldung der Anmelderin mit gleichem Anmeldedatum und dem Titel „Elektromagnetischer und dynamischer Aktuator für aktive Aggregatlager“. Insbesondere wird hier auf die Ausgestaltung mit überstehenden Magnetflächen gemäß der 8, 9 und 10 jeweils mit den Teilabbildungen a bis c hingewiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Zylinderspule
- 2a
- Spulenkörper
- 3
- erster Magnetkern
- 3a
- Außenfläche
- 3b
- Bodenfläche
- 3c
- Deckfläche
- 3d
- Innenfläche
- 4
- zweiter Magnetkern
- 4.1
- abgeschrägte Bodenfläche des zweiten Magnetkerns
- 4.2
- abgeschrägte Deckfläche des zweiten Magnetkerns
- 5
- Permanentmagnet
- 5a
- oberer Teil des Permanentmagneten
- 5b
- unterer Teil des Permanentmagneten
- 10
- nichtmagnetisches Trennelement
- 11
- Stößel
- 12
- Symmetrieachse, Längsachse
- 15
- erstes Modul
- 16
- zweites Modul
- 20a
- Grenze
- 20b
- Grenze
- 55a
- Flusslinien des oberen Teils des Permanentmagneten
- 55b
- Flusslinien des unteren Teils des Permanentmagneten
- 65a
- Flusslinien des oberen Teils des Permanentmagneten
- 65b
- Flusslinien des unteren Teils des Permanentmagneten
- 75a
- Flusslinien des oberen Teils des Permanentmagneten
- 75b
- Flusslinien des unteren Teils des Permanentmagneten
- 80a
- Grenze zwischen erstem Magnetkern und zweitem Magnetkern
- 80b
- Grenze zwischen erstem Magnetkern und zweitem Magnetkern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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