DE102017124196A1

DE102017124196A1 - Elektromagnet mit Permanentmagnet

Info

Publication number: DE102017124196A1
Application number: DE102017124196.5A
Authority: DE
Inventors: Ralf Raupold
Original assignee: SVM Schultz Verwaltungs GmbH and Co KG
Current assignee: SVM Schultz Verwaltungs GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit einer Spule, die Wicklungen von mit elektrischen Strom beaufschlagbaren Draht trägt. Die Spule umgibt zumindest teilweise einen Ankerraum, in dem ein Anker entlang einer Ankerbewegungsrichtung beweglich gelagert ist. Der Ankerraum ist stirnseitig von einem Kern begrenzt, wobei sich zwischen dem Kern und dem Anker zumindest in einer Stellung des Ankers im Ankerraum ein Luftspalt ausbildet und der Kern einen Permanentmagneten aufweist, der den Anker in einem unbestromten Zustand der Spule am Kern hält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit einer Spule, die Wicklungen von mit elektrischen Strom beaufschlagbarem Draht trägt, und die Spule zumindest teilweise einen Ankerraum umgibt, in dem ein Anker entlang einer Ankerbewegungsrichtung beweglich gelagert ist und der Ankerraum stirnseitig (insbesondere bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung) von einem Kern begrenzt ist, wobei sich zwischen dem Kern und dem Anker zumindest in einer Stellung des Ankers im Ankerraum ein Luftspalt ausbildet und der Kern einen Permanentmagneten aufweist, der den Anker in einem unbestromten Zustand der Spule am Kern hält.
Die eingangs beschriebenen Elektromagneten werden bevorzugt in Anwendungen mit bistabilen Schaltfunktionen eingesetzt. Es handelt sich hierbei um Anwendungen, bei welchen der Anker, als bewegliches Element des Elektromagneten, in seinen jeweiligen Endlagen durch geeignete Mittel stromlos gehalten ist. Hierzu ist es bekannt einen Permanentmagneten im Kern vorzusehen, der axial, also parallel zur Ankerbewegungsrichtung polarisiert ist. Erreicht der Anker die Position im Ankerraum, an welchen der Permanentmagnet im Kern angeordnet ist, so halten die Magnetkräfte des Permanentmagneten den Anker in dieser Lage und der elektrische Strom durch die Spule kann abgeschaltet werden.
Um den Anker in einer weiteren, zweiten Lage zu halten ist ein zweites Kraftelement vorgesehen, dass beliebig ausgestaltbar ist und auch gewährleistet, dass der Anker stromlos in dieser 2. Position gehalten ist. Es sei bemerkt, dass es natürlich auch Anwendungen gibt, bei welchen der Anker in mehr als nur zwei Positionen stromlos stabil gehalten wird.
In 5b der Zeichnung dieser Anmeldung ist die Kraft-Hub Charakteristik eines gattungsgemäßen Elektromagneten nach dem Stande der Technik gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 14 ist die Kennlinien gezeigt, bei welchen die Spule ein Magnetfeld erzeugt, dessen Magnetfeldlinien parallel zu den Magnetfeldlinien des Permanentmagneten orientiert sind. Der Anker wird angezogen.
Die Kennlinie 16 zeigt den Fall, wo die Spule nicht bestromt ist und der ankerstromlos in den jeweiligen Endlagen gehalten ist.
Aufgrund des Konstruktionsprinzips im Stand der Technik sind die beiden Kennlinien nicht unabhängig voneinander einstellbar.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht diesen Stand der Technik zu verbessern und insbesondere eine Lösung vorzuschlagen, die es erlaubt, dass die Charakteristik eines solchen Elektromagneten bezüglich des Zustandes Spule bestromt und des Zustandes Spule unbestromt möglichst voneinander entkoppelt einstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Elektromagneten wie eingangs beschrieben und schlägt vor, dass der Permanentmagnet dem Luftspalt zugewandt ist und diesen begrenzt.
Im Stand der Technik war es üblich den Permanentmagneten im Kern einzubauen. Somit war der Permanentmagnet beidseitig (bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung bzw. seine Polarisierung) von weichmagnetischen Material umgeben, das eine bekanntermaßen gute Führung der Magnetfeldlinien ergibt. Dadurch war auch der Ankerraum stirnseitig, dem Kern zugewandt, von einem weichmagnetischen Material begrenzt.
Der Pfiff der Erfindung liegt darin, dass nunmehr der Permanentmagnet unmittelbar dem Luftspalt bzw. dem Ankerraum zugewandt ist und diesen kernseitig begrenzt. Dieser Vorschlag führt zunächst eigentlich zu einem Widerspruch, da durch die endseitige Anordnung des Permanentmagneten im Kern der Permanentmagnet kurzgeschlossen wird, also ein Großteil oder alle seine Magnetfeldlinien in nächster Umgebung des Permanentmagneten geschlossen werden und nicht im Eisenkreis des Elektromagneten, wie nach dem Stande der Technik, geführt sind. Dieser magnetische Kurzschluss führt eigentlich zu einem schlechten magnetischen Wirkungsgrad, der hier überraschenderweise aber keine Rolle spielt! Die Wirkung des Permanentmagneten wird eigentlich nur in der Situation benötigt, wo sich der Anker am Kern befindet, um diesen dort zu halten. Die Kraftwirkung des Permanentmagneten in der Anordnung nach der Erfindung ist dabei exponentiell fallend bezüglich des Abstandes des Ankers von dem durch den Permanentmagnet gebildeten Ankerraumboden und insbesondere unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Kernes an dieser Stelle, zum Beispiel der Kerntiefe.
Die Erfindung hat erkannt, dass durch diesen Vorschlag die Wirkung des Permanentmagneten auf die nächste Nähe um dem Permanentmagneten herum begrenzt eingesetzt werden kann und somit dessen Kraftwirkung von der Kraftwirkung der bestromten Spule, die zum Zustand „Anker abgefallen“ benötigt wird, entkoppelt ist.
Bei der Lösung nach dem Stand der Technik ging eine Erhöhung der Anzugskraft, zum Beispiel durch eine Anpassung der Kerntiefe, mit einer Verringerung der Schließkraft im Zustand „Anker abgefallen“ einher. Diese Kopplung ist nunmehr mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag aufgehoben, es kann eine erhöhte Anzugskraft realisiert werden, bei gleichbleibender Schließkraft im Zustand „Anker abgefallen“.
Die Erfindung erreicht, dass nunmehr das Magnetfeld des Permanentmagneten unabhängig vom Magnetfeld der Spule einstellbar und anpassbar ist. Damit kann der erfindungsgemäße Elektromagnet an die verschiedenen Halteaufgaben in seinen Endlagen optimal angepasst werden.
Des Weiteren ist in dem Vorschlag vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Kern, dem Ankerraum zugewandt, einen Ring trägt bzw. aufweist. Durch die Anordnung des Ringes ist es möglich eine topfartige Kernstruktur zu realisieren, durch die insbesondere das Anzugsverhalten des Ankers bei Bestromung der Spule eingestellt werden kann. Diese topfartige Struktur bildet dann zumindest einen Teil des Ankerraumes.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Vorschlags ist vorgesehen, dass der Ring den Permanentmagneten seitlich umschließt. Vorzugsweise besteht der Ring, wie auch der übrige Kern, aus weichmagnetischem Material. Geschickter Weise wird durch diesen Vorschlag der Permanentmagnet rückseitig und seitlich in weichmagnetisches Material eingebettet, nur die Oberseite, die im eingebauten Zustand dem Ankerraum zugewandt ist, ist nicht von einem Material, das die Magnetfeldlinien gut führt, bedeckt. Der Permanentmagnet schließt unmittelbar an den Luftspalt bzw. Ankerraum an. Der seitliche Ring, der je nach Ausgestaltung mit der dem Ankerraum zugewandten Oberfläche des Permanentmagneten abschließen, oder über diesen in Ankerbewegungsrichtung vorstehen kann, schließt die Magnetfeldlinien des Permanentmagneten in unmittelbarer Nähe des Permanentmagneten in effektiver Weise kurz und verstärkt so den Effekt der Erfindung.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Ring an seinen dem Kern abgewandten Ende einen Steuerkonus aufweist. Die Anordnung eines Steuerkonus auf dem Ring des Kernes ist bei Elektromagneten ein bekanntes Konstruktionsdetail. Durch die Gestaltung des Konusses ist es möglich den Verlauf der Kennlinie, also die Bewegung des Ankers einzustellen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens ein Großteil der den Permanentmagneten umgebenden Magnetfeldlinien sowohl im abgefallenen Zustand des Ankers, wie auch im angezogenen Zustand des Ankers über den Ring geschlossen wird. Der Kurzschluss der Magnetfeldlinien des Permanentmagneten erfolgt bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung auch ohne Anwesenheit des Ringes. Die Anwesenheit des Ringes verstärkt aber diesen Effekt und erlaubt es diesen auch entsprechend den gewünschten Erfordernissen des Elektromagneten zu optimieren, in dem die Gestaltung des Rings variiert wird.
Geschickter Weise ist vorgesehen, dass der Ring, insbesondere auch der Steuerkonus, aus weichmagnetischen Werkstoff besteht. Weichmagnetische Werkstoffe sind gekennzeichnet durch eine leichte Magnetisierbarkeit, die sich in einer kleinen Koerzitivfeldstärke ausdrückt. Weichmagnetische Werkstoffe sind zum Beispiel Legierungen auf Basis Eisen, Nickel und Cobalt u. a. Zusätzen, jeweils in kristalliner, amorpher oder nanokristalliner Form.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Prallkörper vorgesehen ist, der ein Aufschlagen des Ankers auf dem Permanentmagneten verhindert, wenn die Spule bestromt ist. Primäre Aufgabe des Prallkörpers ist es den Permanentmagneten zu schützen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist der Permanentmagnet direkt dem Ankerraum bzw. dem (Arbeits-) Luftspalt zugewandt und auf dessen Oberfläche hin wird, bei entsprechender Bestromung der Spule, der Anker beschleunigt. Oftmals besteht der Permanentmagnet aus kristallinem Material, und ein andauerndes Aufschlagen des ungebremsten Ankers würde dauerhaft den Permanentmagneten beschädigen oder gar zerstören. Es ist daher günstig zum Schutz des Permanentmagneten einen Prallkörper vorzusehen. Für dessen Ausgestaltung werden nachfolgend mehrere Varianten vorgeschlagen, diese Liste ist sicherlich nicht abschließend.
Als erstes Beispiel ist vorgesehen, dass der Prallkörper als unmagnetische Prallscheibe ausgebildet ist, die zwischen dem Permanentmagneten und dem Anker angeordnet ist. Bevorzugter Weise ist die Scheibe zum Beispiel aus einem elastischen Material (zum Beispiel Kunststoff, Silikon, Kautschuk oder ähnlichem) gebildet, dessen Elastizität dazu dient, die Bewegungsenergie des aufprallenden Ankers zu kompensieren.
Als weiteres Beispiel ist vorgesehen, dass der Prallkörper eine Prallfläche aufweist, die zumindest teilweise in axialer Richtung, bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung, über den Permanentmagneten in den Ankerraum vorsteht. Die Prallfläche ist dabei so orientiert, dass diese von dem abzubremsenden Anker zuerst oder ausschließlich getroffen wird und so der Permanentmagnet geschützt ist. Daneben ist es auch möglich im Ankerraum, zum Beispiel in der seitlichen Wandung des Ankerraums (den zylindrischen Innenflächen) eine Dämpfungseinrichtung vorzusehen, die in geeigneter Weise den Anker bremst und wie ein Prallkörper wirkt.
Diese Dämpfung- oder Bremseinrichtung sind insofern gleichwirkend zu dem Prallkörper.
Des Weiteren ist günstiger Weise vorgesehen, dass ein zweites Kraftelement am, im oder außerhalb des Ankerraumes vorgesehen ist, das auf den Anker wirkt, und die Wirkrichtungen des Permanentmagneten und des zweiten Kraftelementes entgegengesetzt sind.
Der erfindungsgemäße Vorschlag bezieht sich insbesondere auf einen bistabilen Elektromagneten, d.h. einen Elektromagneten, dessen Anker zum Beispiel in zwei Stellungen stabil, insbesondere ohne Stromaufnahme, gehalten ist. Geschickter Weise wird daher ein weiteres, zweites Kraftelement vorgesehen, dass den Anker in einer zweiten Lage stabil hält. Es sei an dieser Stelle auch bemerkt, dass die eingangs vorgestellte Erfindung nicht nur beschränkt auf bistabile Elektromagneten anwendbar ist, sondern es sich hier um ein entsprechendes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel handelt.
Gemäß dem Vorschlag kann das zweite Kraftelement am oder im Ankerraum angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das zweite Kraftelement zum Beispiel als Rückstellfeder ausgebildet. Es ist aber auch möglich, anstelle einer Rückstellfeder zum Beispiel einen weiteren Magneten, insbesondere Permanentmagneten als zweites Kraftelement einzusetzen, das den Anker in der zweiten Stellung entsprechend stabil hält.
Gemäß dem Vorschlag wird aber auch vorgesehen, dass das zweite Kraftelement außerhalb des Ankerraumes angeordnet ist und von dort über geeignete Mittel auf den Anker wirkt. So ist zum Beispiel vorgesehen, dass in dem Kern (der den Permanentmagneten umfasst) eine Durchgangsbohrung vorgesehen ist, die einen Stößel aufnimmt, der auf den Anker wirkt und der Stößel von einem zweiten Kraftelement, zum Beispiel einen separaten Feder, (Elektro-) Magneten, Stellantrieb oder ähnlichen betätigt wird. Die Anordnung kann dabei bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung zu diesem axial oder auch schräg bzw. seitlich hierzu ausgeführt sein. Natürlich ist es möglich, auch auf der dem Kern abgewandten Seite (üblicherweise befindet sich dort in einer Durchgangsbohrung die Ankerstange, die die Bewegung des Ankers auf ein entsprechend außerhalb liegendes Element überträgt) das zweite Kraftelement vorzusehen. Es ist natürlich auch möglich, dass das zweite Kraftelement an der Ankerstange bzw. dem von dem Anker bzw. Ankerstange betätigten Element angreift. All diese Lösungen sind hierzu gleichwertig.
Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass ein Abstützlager für das zweite Kraftelement vorgesehen ist. Das Abstützlager befindet sich dabei in geeigneter Weise im Elektromagneten, und ist so ausgebildet, die auftretenden Kräfte entsprechend aufzunehmen. Geschickter Weise ist die Anordnung dabei zum Beispiel so gewählt, dass diese Reaktionskräfte unmittelbar über die Befestigung des Elektromagneten in die Aufnahme oder Konstruktion, in die der Elektromagnet eingebunden ist, abgeleitet wird. Dadurch wird die mechanische Belastung des Elektromagneten verringert. Durch die Anordnung eines separaten Abstützlagers wird dabei insbesondere der Permanentmagnet nicht zusätzlich mechanisch belastet, was günstig ist.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass sich das zweite Kraftelement auf oder in dem Permanentmagneten abstützt. Eine solche Ausgestaltung spart Platz. Sie kann insbesondere eingesetzt werden, wenn die mechanischen Belastungen für das eingesetzte Material des Permanentmagneten gering sind.
Des Weiteren ist in dem Vorschlag vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Prallkörper auch als Abstützlager dient. Der Prallkörper hat somit eine Doppelfunktion, dies spart Bauteile und auch Platz.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Vorschlags ist vorgesehen, dass der Anker durch den Permanentmagneten einerseits und dem zweiten Kraftelement andererseits in jeweilig unterschiedlichen Ankerpositionen im Ankerraum stromlos gehalten ist, und eine Bestromung der Spule dazu führt, dass der Anker das Kraftfeld des Permanentmagneten bzw. des zweiten Kraftelementes in der jeweiligen Position überwindet und aus diesem gelangt, bis der Anker in das Kraftfeld des zweiten Kraftelementes oder des Permanentmagneten in der jeweilig anderen Position gelangt und dort gehalten wird.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass zwischen der Spule und dem Ankerraum ein Polrohr vorgesehen ist. Der Einsatz eines Polrohres, das zum Beispiel als Abschnitt einer Profilware vorgesehen ist, ist hinlänglich bekannt. Das Polrohr wird in geeigneter Weise zu dem Kern, insbesondere zu dem Ring angeordnet oder mit diesen verbunden, wie es nachfolgend beispielsweise beschrieben wird. Die Ausgestaltung des Polrohres ist auch von Interesse für die magnetischen Eigenschaften des Elektromagneten, gerade im Zusammenwirken mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag, wo der Permanentmagnet an spezieller Stelle eingesetzt wird und dadurch seine magnetischen Eigenschaften entsprechend vorteilhaft genutzt werden.
Es ist dabei gefunden worden, dass es günstig ist, dafür zu sorgen, dass die Magnetfeldlinien des Permanentmagneten möglichst effektiv kurzgeschlossen werden, also nicht in den Eisenkreis des Elektromagneten eingekoppelt werden, der insbesondere bei einer Bestromung der Spule die Bewegung des Ankers unterstützt. Die folgenden Vorschläge stellen daher bevorzugt darauf ab, gegebenenfalls einerseits eine stabile mechanische Verbindung mit dem Kern herzustellen aber andererseits einen verhältnismäßig hohen magnetischen Widerstand vorzusehen, um so den erfindungsgemäß Effekt zu unterstützen und zu optimieren.
So ist zunächst vorgesehen, dass in Ankerbewegungsrichtung gesehen das Polrohr von dem Kern, bzw. dem Ring axial beanstandet ist.
Die Beabstandung wirkt wie ein Luftspalt bzw. ein hoher magnetischer Widerstand und erlaubt es, die Feldführung insbesondere der Feldlinien des Permanentmagneten, aber auch die Charakteristik der Wirkung des von der Spule gebildeten Magnetfeldes auf den Anker einzustellen.
Neben der Ausgestaltung eines Abstandes zwischen dem Polrohr und dem Kern ist alternativ vorgesehen, dass in Ankerbewegungsrichtung gesehen zwischen dem Polrohr und dem Kern, bzw. dem Ring ein unmagnetischer Zwischenring vorgesehen ist. Der Zwischenring ist dabei zum Beispiel mit dem Kern, dem Ring und/oder dem Polrohr verbunden, zum Beispiel verschweißt, verlötet oder verklebt. Der unmagnetische Zwischenring erlaubt so eine mechanische Fixierung und Ausrichtung des Polrohres gegenüber dem Kern, was die Montage erleichtert.
Es ist aber zum Beispiel auch vorgesehen, dass der Zwischenring zwischen dem Kern bzw. dem Ring und dem Polrohr eingelegt ist und durch Mittel an dem Spulenkörper (diese sind zum Beispiel auf der Innenseite des Spulenkörpers vorgesehen) axial fixiert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in Ankerbewegungsrichtung gesehen das Polrohr mit einen separaten Rohrstück mit dem Kern, bzw. dem Ring verbunden ist. Dieser Vorschlag erlaubt es durch die Auswahl des Materials des separaten Rohrstückes die magnetischen Eigenschaften im Bereich des Kerns bzw. des Permanentmagneten einzustellen. Dabei ist geschickter Weise vorgesehen, dass das Rohrstück auf den Ring bzw. den Kern und/oder auf das Polrohr aufgesteckt oder aufgeschoben ist und so mechanisch verbunden ist. Neben einer flexiblen Beeinflussung (zum Beispiel im Rahmen eines Baukastensystems) der magnetischen Eigenschaften wird durch diesen Vorschlag auch die Montage erheblich erleichtert.
Der Vorschlag umfasst dabei sowohl die Lösung, bei welcher das Rohrstück auf den Kern oder auf den Ring aufgeschoben wird. Bei dem ersten Vorschlag wird auf die Anordnung eines Ringes verzichtet oder aber diese Aufgabe wird von dem Rohrstück erbracht, das dann gegebenenfalls zumindest einen weichmagnetischen Abschnitt aufweist und im übrigen zum Beispiel eher unmagnetisch ausgebildet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Ankerbewegungsrichtung gesehen zwischen dem Polrohr und dem Kern, bzw. dem Ring ein magnetischer Stegring vorgesehen ist.
Der magnetische Stegring besteht vorzugsweise aus weichmagnetischem Material, bevorzugt dem gleichen Material, das zum Beispiel bei der Herstellung des Kerns oder des Polrohrs verwendet wird. Der Vorzug des magnetischen Stegringes liegt darin, dass dieser einstückig mit dem Kern, bzw. dem Ring und/oder dem Polrohr ausgebildet werden kann. Dadurch ist es möglich, die Baugruppe bestehend aus Kern, Polrohr und magnetischen Stegring in einem der Zerspanungsschritt herzustellen und so effektiv und kostengünstig auszuführen.
Der erfindungsgemäße Vorschlag zielt darauf ab für einen effektiven magnetischen Kurzschluss der Magnetfeldlinien des Permanentmagneten zu sorgen. Um dieses Ziel zu erreichen muss der magnetische Widerstand im Eisenkreis der Spule so beeinflusst werden, dass sich der Kurzschluss bevorzugt ausbildet. Es ist daher gefunden worden, dass es günstig ist, falls ein magnetischer Stegring eingesetzt wird, dessen Materialdicke (deutlich) geringer auszubilden wie die des Polrohrs und so eine magnetischen Widerstand zu erzeugen. Vorteilhafter Weise wird dabei eine Materialdicke des magnetischen Stegringes von 5-40 %, bevorzugt von 10-30 %, insbesondere bevorzugt von 15-25 % der Materialdicke des Polrohres eingesetzt. Es ist klar, dass das magnetische Material in diesem Bereich die magnetischen Eigenschaften des Elektromagneten nicht günstig beeinflussen, weswegen auf einen möglichst dünnen magnetischen Stegring abgestellt wird. Von dem Vorschlag umfasst sind daher auch noch geringere Materialdicken, wie oben angegeben, also zum Beispiel zwischen 3 und 10 %. Die Dicke des Materials hat eine natürliche untere Grenze, die auch anwendungsbedingt ist. Dieser ausgesprochen dünne Bereich muss zumindest noch eine Stärke aufweisen, damit dieser ausreichend dicht, insbesondere druckdicht ist und natürlich mechanisch stabil.
Die gleichen Materialstärken (3 bzw. 5-40 %, bevorzugt von 10-30 %, insbesondere bevorzugt von 15-25 % der Wandstärke des Polrohres) werden im übrigen auch für die Ausbildung der Taillierung, bzw. die Ausbildung des Rohrstückes in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen.
Des Weiteren ist günstiger Weise vorgesehen, dass der Permanentmagneten ausschließlich durch magnetische Kräfte auf dem Kern gehalten ist. Dieser Vorschlag nutzt ein weiteres Mal die durch den Permanentmagneten zur Verfügung stehenden Magnetkräfte, die somit nicht nur für die Ausbildung der speziellen Charakteristik für den vorgeschlagenen Elektromagneten eingesetzt wird, sondern einen zusätzlichen Verwendung bei der Herstellung eines solchen Elektromagneten findet. Es können so zusätzliche Befestigungsmittel oder Klebeschichten usw. eingespart werden, was die Herstellung des Elektromagneten verbilligt.
Dabei ist es von Vorteil, wenn eine Magnetzentrierung für den Permanentmagneten vorgesehen ist. Zum Beispiel ist auf dem Kern eine entsprechende Zentrierung (zum Beispiel ein Vorsprung) vorgesehen, die mit einem hiermit zusammenwirkenden Mittel an dem Permanentmagneten (zum Beispiel eine den Vorsprung aufnehmen der Ausnehmung) zusammenwirkt und so den Permanentmagneten bei der Montage einfach orientiert, ausrichtet und auch zentriert (oftmals ist der Elektromagnet im inneren rotationssymmetrisch aufgebaut, weswegen es günstig ist den Permanentmagneten zu zentrieren), was insofern gleichwertig ist. Wie bereits ausgeführt wird der Permanentmagnet durch seine eigenen Haltekräfte am Kern befestigt, was die Anordnung einer Magnetzentrierung erleichtert und so die Herstellung eines solchen Elektromagneten verbilligt.
Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass der Prallkörper als Magnetzentrierung dient. Wie bereits ausgeführt ist der Prallkörper dafür vorgesehen, den Permanentmagneten zu schützen. Dieser befindet sich daher in unmittelbarer Nähe zum Permanentmagneten. Nun wird mit diesem Vorschlag dem Prallkörper auch die Funktion einer Magnetzentrierung übertragen bzw. in dieses Bauteil integriert was vorteilhaft ist, da dies platzsparend ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Prallkörper oder die Magnetzentrierung als Haltekörper für den Permanentmagneten dient. Gemäß dem Vorschlag wird eine große Anzahl von verschiedenen Konzepten zur Befestigung des Permanentmagneten am Kern präsentiert. Der Vorschlag ist hier ausgesprochen variantenreich. Es ist so vorgesehen, den Prallkörper oder die Magnetzentrierung als Haltekörper für den Permanentmagneten einzusetzen. Der Prallkörper bzw. die Magnetzentrierung besteht beispielsweise aus weichmagnetischem Material, ohne aber diese Bauteile hierauf zu beschränken. Es ist auch möglich, den Prallkörper bzw. die Magnetzentrierung auch aus unmagnetischem Material zu bilden. Der Prallkörper bzw. die Magnetzentrierung können dabei auch konisch ausgebildet sein, um entweder das Aufschieben des Permanentmagneten zu erleichtern (das schmälere Ende des Prallkörpers bzw. der Magnetzentrierung befindet sich auf der dem Ankerraum zugewandten Seite) oder über den Konus den entsprechend ausgestatteten Permanentmagneten (für eine spielfreie Montage) zu befestigen, in diesem Fall befindet sich das schmälere Ende des Prallkörpers bzw. der Magnetzentrierung auf der dem Ankerraum abgewandten Seite, dem Kern zugewandt. Vorzugsweise ist die Montage spielfrei ausgeführt, es kann auch eine Passung, gegebenenfalls eine Presspassung vorgesehen sein.
Des Weiteren ist vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Magnetzentrierung gegebenenfalls auch Teil des Permanentmagneten ist, also der Permanentmagneten aus mehreren Teilen besteht. Grundsätzlich ist es auch möglich, dem Prallkörper auch aus ferromagnetischem oder magnetischem Material (zum Beispiel auch als Permanentmagneten) auszubilden jedoch muss dies mit der mechanischen Beanspruchung des Prallkörpers abgestimmt und optimiert sein.
In einer bevorzugten Variante ist des Weiteren vorgesehen, dass der Kern bzw. der Ring, bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung, zumindest auf axialer Höhe des Permanentmagneten eine vorzugsweise umlaufende Taillierung oder Einschnürung aufweist. Die vorgeschlagene Taillierung ist zum Beispiel als konischer Ansatz zu verstehen, bei welchen sich kontinuierlich der Außenradius des Kernes etwas verringert. Da der Ring seitlich den Permanentmagneten abdeckt, führt diese Taillierung zu einer entsprechenden Verschmälerung der Dicke des Rings, wodurch die Führung der Magnetfeldlinien erheblich beeinflusst werden kann. Insbesondere bewirkt die Taillierung, dass bei einer Umpolung des Magnetfeldes der Spule das Magnetfeld des Permanentmagneten ausreichend geschwächt wird, damit die Magnetkraft des Permanentmagneten geringer ist wie die Federkraft der Rückstellfeder und so ein sicherer Abwurf des Ankers erfolgt.
Zur beachten ist, dass sich die Taillierung nicht zwingender Weise nur auf die axiale Lage des Permanentmagneten beschränken muss, die Taillierung kann bereits auf der Höhe des Kernes beginnen, also auf der dem Ankerraum abgewandten Seite des Permanentmagneten vor diesem und/oder sich auf die andere Seite des Ringes, bezogen auf den Permanentmagneten, im Bereich des Ankerraumes (bezogen auf die axiale Lage) erstrecken.
Des Weiteren umfasst die Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Elektromagneten als Schaltmagneten, zum Beispiel in einer Magnetventil-Anordnung zur Regelung eines Gasflusses.
In der Zeichnung ist die Erfindung insbesondere in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Es zeigen:

1-4 je in einer Schnittdarstellung verschiedene Varianten des erfindungsgemäßen Elektromagneten
5a, 5b in 5b in einer Grafik die Kraft-Hub-Kennlinie für verschiedene Bestromungszustände der Spule für einen Elektromagneten nach dem Stand der Technik, wobei der Elektromagneten nach dem Stand der Technik in 5a im Schnitt schematisch dargestellt ist
6a, 6b in 6b in einer Grafik die Kraft-Hub-Kennlinie für verschiedene Bestromungszustände der Spule für einen Elektromagneten nach der Erfindung, wobei der Elektromagneten nach der Erfindung in 6a (dieser entspricht dem Ausführungsbeispiel nach 2) im Schnitt schematisch dargestellt ist
5c,5d,5e je in einer Detailansicht die Verteilung der Magnetfeldlinien für verschiedene Schalt- bzw. Bestromungszustände (5c: keine Bestromung der Spule, Anker abgefallen; 5d: Spule bestromt, Anker fast in Endlage; 5e: keine Bestromung der Spule, Anker in Endlage) eines Elektromagneten nach dem Stand der Technik
6c,6d,6e je in einer Detailansicht die Verteilung der Magnetfeldlinien für verschiedene Schalt- bzw. Bestromungszustände (6c: keine Bestromung der Spule, Anker abgefallen; 6d: Spule bestromt, Anker fast in Endlage; 6e: keine Bestromung der Spule, Anker in Endlage) eines Elektromagneten nach der Erfindung

In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden daher, sofern nicht zweckmäßig, nicht erneut beschrieben. Die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sind sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragbar. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiterhin können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen Elektromagneten 1 ist wie folgt.
Der Elektromagnet 1 besitzt eine Spule 10. Die Spule 10 trägt eine Vielzahl von Wicklungen von mit elektrischem Strom beaufschlagbaren Draht. Die Spule 10 umgibt zumindest teilweise einen Ankerraum 2.
In dem Ankerraum 2 ist ein Anker 3 entlang einer Ankerbewegungsrichtung 30 beweglich gelagert. Dabei ist zwischen dem Anker 3 und der Spule 10 das Polrohr 7 vorgesehen, dessen Innenseite den Ankerraum 2 seitlich begrenzt. Das Polrohr 7 dient zur Führung des Ankers 3.
Im Falle, dass die Spule 10 mit Strom beaufschlagt wird, bildet sich ein magnetisches Feld aus, dessen Magnetfeldlinien im Inneren der Spule 10 größtenteils parallel zur Ankerbewegungsrichtung 30 orientiert sind. Dieses Magnetfeld wirkt auf den Anker 3 und beschleunigt bzw. bewegt diesen. Der Anker 3 ist zum Beispiel ein zylindrisches Element mit einer dem Luftspalt 20 zugewanderte Ankergrundfläche 31.
Der Anker 3 betätigt dabei, zum Beispiel über eine nicht dargestellte Ankerstange, ein oder mehrere zusätzliche Elemente, wie zum Beispiel das Dichtglied eines Ventils oder Ähnliches.
Im Ankerraum 2 stirnseitig, rechtwinklig zur Ankerbewegungsrichtung 30, wird der Ankerraum 2 von einem Kern 4 abgeschlossen. Zwischen dem Kern 4 und dem Anker 3 bildet sich der Luftspalt 20 aus, der auch als Arbeitsluftspalt 20 bezeichnet wird, und über den, im Falle der Bestromung der Spule 10 dann bevorzugt die Magnetkräfte der Spule 10 vom Kern 4 auf den Anker 3 wirken.
Insofern unterscheidet sich der Aufbau des Elektromagneten nach der Erfindung nicht vom Stand der Technik.
Allerdings ist bei dem erfindungsgemäßen Elektromagneten 1 der im Kern 4 vorgesehene Permanentmagnet 5 nicht beidseitig von Kernmaterial umgeben, sondern schließt einseitig an den Ankerraum 2, insbesondere an den Luftspalt 20 unmittelbar bzw. direkt an und begrenzt diesen. Die dem Luftspalt 20 zugewandte Magnetfläche des Permanentmagneten 5 ist mit dem Bezugszeichen 59 gekennzeichnet. Im Sinne dieser Anmeldung ist dabei der Permanentmagnet 5 bevorzugt ein Bestandteil des Kernes 4.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 5 von einem Ring 40 umgeben, der Teil des Kernes 4 ist. Zusammen mit dem Ring 40 bildet der Kern 4 hier eine topfartige Struktur, auf dessen Topfboden der Permanentmagnet 5 angeordnet ist. Der Ring 40 ist dabei einstückig mit dem Kern 4 verbunden und besteht daher bevorzugt aus weichmagnetischem Material.
Der Permanentmagnet 5 ist beispielsweise als eine Scheibe mit mittig angeordneter Öffnung ausgeführt, durch die der Prallkörper 9 hindurchragt. Der Prallkörper 9 ist dabei mittig auf dem Kern 4 durch eine Schraubverbindung oder bevorzugt durch eine Einpressung befestigt. Der Prallkörper 9 bietet eine Prallfläche 90 an, auf die der durch das Magnetfeld der bestromten Spule 10 des Elektromagneten 1 beschleunigte Anker 3 aufschlägt und so abgebremst wird. Es ist gut zu erkennen, dass in Ankerbewegungsrichtung 30 gesehen, die Prallfläche 90 des Prallkörpers 9 etwas gegenüber der Magnetfläche 59 des Permanentmagneten vorsteht. Durch diese Anordnung der Prallfläche 90 schützt der Prallkörper 9 den Permanentmagneten 5.
Dabei ist die Anordnung so gewählt, dass auch bei angezogenem Anker 2 (der Anker 2 wird dann zum Beispiel von dem Magnetfeld des Permanentmagneten 5 stabil in einer Endlage gehalten) dieser auf der Prallfläche 90 aufliegt und noch ein (kleiner) Spalt zwischen der Magnetfläche 59 und der Ankergrundfläche 31 verbleibt.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Prallkörper 9 noch eine weitere Aufgabe. Er dient als Abstützlager 19 einer Rückstellfeder 60, die desweiteren in einer Bohrung 32 des Ankers 3 gelagert ist. Die Rückstellfeder 60 ist dabei ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Kraftelementes 6, das neben dem Magnetfeld des Permanentmagneten 5 auf den Anker 3 wirkt. Die Wirkrichtungen dieser Kräfte (einerseits des Permanentmagneten 5, andererseits des zweiten Kraftelementes 6, der Rückstellfeder 60) sind entgegengerichtet und parallel zur Ankerbewegungsrichtung 30. Sie dienen dazu, wenn die Bestromung der Spule 10 abgeschaltet ist, den Anker 3 in stabilen Endlagen, welche vorzugsweise an dem jeweiligen axialen Ende des Ankerraumes 2 sind, zu halten.
Die Anordnung ist dabei so gewählt, dass der Anker 3 in den jeweiligen Endlagen stabil gehalten ist und das von der bestromten Spule 10 aufgebaute Magnetfeld so groß und ausreichend stark ist, dass der Anker 3 aus dem jeweiligen Kraftfeld heraus bewegt wird und in die andere Endlage übergeführt werden kann, um dann von dem Kraftfeld des jeweilig anderen Elementes bei ausgeschalteten Spulenstrom wieder stabil gehalten zu werden.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die spezielle Anordnung des Permanentmagneten 5 in dem Kern 4 zu einem magnetischen Kurzschluss der aus der Magnetfläche 59 austretenden Magnetfeldlinien führt, die fast vollständig bzw. größtenteils in den die Magnetfläche 59 in axialer Richtung (bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung 30) vorstehenden oder überragenden Ring 40 des Kernes 4 eintreten und somit sehr wirksam sind, wenn sich der Anker 3 direkt am Permanentmagneten 5, bei minimalsten Luftspalt 20 aufhält.
Der Prallkörper 9 besitzt des Weiteren auch noch mehrere Zentrierungsaufgaben. So wird zum einem die Rückstellfeder 60 bezüglich der Bohrung 32 im Anker 3 ausgerichtet und zentriert. Hierzu besitzt der Prallkörper 9 einen mittig vorgesehene Dorn 91 auf den das Ende der Rückstellfeder 60 aufgeschoben ist. Der Dorn 91 befindet sich dabei zentrisch auf der Mittelachse 11 des Elektromagneten, die Mittelachse 11 beschreibt dabei auch die Rotationssymmetrieachse der Anordnung.
Des Weiteren dient der Prallkörper 9 zur Zentrierung des als Scheibe ausgebildeten Permanentmagneten 5. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet 5 zum Beispiel durch seine eigenen Magnetkräfte am Kern 4 gehalten ist. Auch der Prallkörper 9 ist gegebenenfalls aus weichmagnetischem Material und dient ebenfalls einer Befestigung des Permanentmagneten 5 durch magnetische Kräfte. Alternativ ist es natürlich möglich, eine Schraubbefestigung oder eine Verklebung für den Permanentmagneten 5 am Kern 4 vorzusehen.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel nach 1 entspricht der Innendurchmesser des Polrohres 7 dem Innendurchmesser des Ringes 40 am Kern 4, es können hier aber auch abweichende Geometrien vorgesehen sein, es ist zum Beispiel möglich, einen Stufenanker als Anker 3 zu realisieren der der im Bereich des Ringes 41 einen kleineren Durchmesser aufweist wie im Inneren des Polrohres 7. Die jeweiligen Innendurchmesser sind dann eine mögliche spielfreien Lagerung des Ankers bei der solchen Ausgestaltung des Ankers angepasst und sind unterschiedlich. Die Erfindung ist hierzu nicht beschränkt.
Um die Herstellung der Einbauteile des Elektromagneten 1 zu vereinfachen wird angestrebt, dass die Einheit von Kern 4 und Polrohr 7 ein gemeinsames Bauteil sind. Sowohl der Kern 4 wie auch das Polrohr 7 sind vorzugsweise aus weichmagnetischem Material gebildet um die Magnetfeldlinien optimal zu führen. Vorzugsweise wird an dem Ring 40, dem Kern 4 abgewandt, ein Steuerkonus 41 vorgesehen, über den das spezielle Verhalten des Ankers 3 auf seiner Kennlinie eingestellt wird. Günstige Weise schließt sich dann an den Steuerkonus 41 in axialer Richtung (parallel zur Ankerbewegungsrichtung 30), auf das Polrohr 7 zu, ein möglichst unmagnetisches Material (also ein Material, das Magnetfeldlinien nicht gut führt bzw. einen hohen magnetischen Widerstand aufweist) an.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist daher zwischen dem Polrohr 7 und dem Ring 40 bzw. Steuerkonus 41 ein Zwischenring 80 vorgesehen. Diese Zwischenring 80 besteht bevorzugt aus unmagnetischem Material. Der Zwischenring 80 ist einerseits mit dem Kern 4 bzw. Ring 40 und andererseits mit dem Polrohr 7 zum Beispiel verschweißt, verklebt, verlötet oder verstemmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Vorschlages ist in 1 gezeigt, dass der Kern 4 bzw. der Ring 40 auf axialer Höhe des Permanentmagneten 5 (bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung 30) eine umlaufende Taillierung oder Einschnürung 49 aufweist. Diese Taillierung 49 führt zu einer bevorzugten Bündelung der an dem in axialer Richtung polarisierten Permanentmagneten 5 austretenden Magnetfeldlinien, die über diesen Bereich der Taillierung 49 kurzgeschlossen sind und nicht über den übrigen Eisenkreis geführt sind.
Die in 2,3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere in der Gestaltung dieser Taillierung 49 sowie der Verbindungstechnik bzw. Anschluss des Polrohres 7 mit dem Kern 4.
So ist in 2 anstelle des Zwischenrings 80 ein separates Rohrstück 8 vorgesehen, das insbesondere auf den als Absatz ausgeführten Taillierungsbereich 49 am Kern 4 bzw. dem Ring 40 aufgeschoben und durch Kraftschluss befestigt ist. In gleicher Weise besitzt auch das Polrohr 7 einem dem Kern 4 zugewandten Absatz 70 damit das Rohrstück 8 auch auf den Absatz 70 aufgeschoben werden kann und auch hier eine kraftschlüssige Verbindung besteht. Bei ausreichend exakter Fertigung ist hierdurch eine stabile Verbindung möglich, natürlich kann diese Verbindung zwischen dem Rohrstück 8 einerseits mit dem Absatz 70 des Polrohr 7 oder andererseits mit dem Ring 40 des Kernes 4 durch bekannte Verbindungsverfahren wie Verkleben, Verlöten, Verschweißen oder Verstemmen noch verbessert werden. Es ist klar, dass durch die magnetischen Eigenschaften des Materials des Rohrstückes 8 die Feldführung der Magnetfeldlinien, einerseits des Permanentmagneten 5 und andererseits der bestromten Spule 10, veränderbar und einstellbar sind.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wurden jeweils gleichbleibende Durchmesser im Bereich des Absatzes 70 bzw. der Taillierung 49 gewählt. Hierbei ist auch zu beachten, dass sich die Taillierung 49 in 2 nicht nur auf den Bereich des Permanentmagneten 5 beschränkt, sondern in Richtung weg (parallel zur Ankerbewegungsrichtung 30) von dem Luftspalt 20 in den Kern 4 hinein ausgeführt ist, das Rohrstück 8 ist also über den Permanentmagneten 5 übergeschoben und stützt sich nicht nur am Ring 40, sondern an dem Kern 4 als solches ab.
In 3 ist das Polrohr 7 von dem Kern 4 derart beanstandet, dass sich in Ankerbewegungsrichtung 30 vor dem Steuerkonus 41 keine metallische Verbindung mit dem Polrohr 7 ergibt. Dieser freie Abstand ist in 3 mit dem Bezugszeichen 82 gekennzeichnet. Auch hier besitzt der Kern 4 im Bereich des Permanentmagneten 5 wieder eine Taillierung 49 mit den vorbeschriebenen Eigenschaften.
4 beschreibt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem beispielsweise das Polrohr 7 und der Kern 4 als einstückiges Bauteil in einem Zerspanungsprozess hergestellt worden ist. Hieraus ergibt es sich, dass der Kern 4 und das Polrohr 7 durch einen magnetischen Stegring 81 miteinander verbunden sind. Naturgemäß besitzt natürlich das Material des magnetischen Stegringes 81 die gleichen magnetischen Eigenschaften wie das Material des Polrohres 7 bzw. des Kernes 4, es besteht also aus weichmagnetischem Material.
Der Widerstand der Magnetfeldlinienführung wird im Bereich des magnetischen Stegringes 81 dadurch erhöht, dass die Materialstärke der Wandung des magnetischen Stegringes 81 beträchtlich gegenüber der Materialstärke der Wandung des Polrohres 7 reduziert ist, zum Beispiel nur ca. 20 ± 10 % der Dicke des Polrohres 7 entspricht.
In 5b ist die Kraft-Hub-Kennlinie für verschiedene Bestromungszustände eines Elektromagneten nach dem Stand der Technik (wie in 5a dargestellt) gezeigt. Der Elektromagnet 1 nach dem Stand der Technik gemäß 5a zeichnet sich dadurch aus, dass der Permanentmagnet 5 beidseitig in Kernmaterial 4 eingebettet ist und nicht direkt an den Luftspalt 20 grenzt.
In 6b bzw. 6a sind die hierzu analogen Ansichten zu dem erfindungsgemäßen Vorschlag wiedergegeben, wobei der in 6a gezeigte Elektromagnet dem Ausführungsbeispiel nach 2 entspricht.
In beiden Kennlinie in nach 5b bzw. 6b sind die Koordinatenachsen von Hub und Kraft ohne Einheiten angegeben. Der Hub entspricht hier zum Beispiel maximal 3 mm, die Kraft maximal 3 N.
Es sei darauf hingewiesen, dass die übrigen physikalischen Parameter bei dieser gegenüberstellenden Betrachtungsweise gleich gewählt worden sind, das heißt die Dimension des Elektromagneten, die Ausgestaltung der Spule des Elektromagneten nach dem Stande der Technik und der Erfindung, die jeweiligen Stromstärken und auch die sonstigen physikalischen Parameter sind gleich, um so die unterschiedliche Wirkung der Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik präsentieren zu können.
Der maximale Hub entspricht insofern der maximalen Tiefe des (Arbeits-) Luft Spaltes 20 des Elektromagneten 1.
Die Grafik nach 5b bzw. 6b zeigt je vier Kennlinien 14,61,16 und 17.
Dabei beschreibt die Kennlinie 14 die Situation, dass der Anker 3 angezogen wird, das heißt, die Spule 10 des Elektromagneten 1 wird so bestromt, dass sich im Ankerraum 2 ein Magnetfeld in Richtung des Magnetfeldes des Permanentmagneten 5 ausbildet. Das Magnetfeld des Permanentmagneten 5 wird durch das Magnetfeld der bestromten Spule 10 verstärkt, der Anker 3 wird (vergleiche 5a) nach links beschleunigt bzw. bewegt.
Die Kennlinie 16 zeigt die Kraft des Permanentmagneten 5, die auf den Anker 3 in Abhängigkeit seiner jeweiligen Lage wirkt, wobei die Spule 10 stromlos ist.
Mit 61 ist die Feder-Kennlinie der Rückstellfeder 60 gekennzeichnet.
Die Kennlinie 17 zeigt den Ankerabwurf, die Spule 10 ist so bestromt, dass sich ein Magnetfeld entgegen dem Magnetfeld des Permanentmagneten 5 ausbildet. Die Spule 10 ist umgepolt.
In 5b ist mit dem Bezugszeichen A bei Hub ca. 0,2 einen ersten Schnittpunkt der Kennlinie 16 mit der Federkennlinie 61 markiert. Das Bezugszeichen B kennzeichnet ca. bei Hub 1,9 einen zweiten Schnittpunkt der Kennlinie 16 mit der Federkennlinie 61. Links des Schnittpunktes A ist die resultierende Kraft F₁ des Permanentmagneten (ohne Bestromung der Magnetspule 10) größer als die Federkraft der Rückstellfeder. Die beiden Kräfte sind entgegengerichtet. Der Permanentmagneten 5 hält den Anker 3 bei geringstem Luftspalt 20 d.h. geringsten Hub mit einer resultierenden Kraft F₁ so in einer stabilen Lage.
Rechts des Schnittpunktes B ist die resultierende Kraft F₂ des Permanentmagneten 5 kleiner als die Federkraft der Rückstellfeder. Bei maximalen Arbeitsluftspalt 20, d.h. bei maximalem Hub überwiegt die Kraft der Rückstellfeder die Kraft des Permanentmagneten, die Rückstellfeder hält den Anker 3 mit einer resultierenden Kraft F₂ in der anderen Endlage.
In 6b (der Kennliniengrafik nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag) schneidet die Kennlinie 16 (Kraft des Permanentmagneten ohne Bestromung der Magnetspule bzw. Spule 10) die Federkennlinie 61 nur einmal bei dem Hub ca. 0,4, dieser Schnittpunkt ist mit dem Bezugszeichen C gekennzeichnet.
Links des Schnittpunktes C ist die resultierende Kraft F₁₀ des Permanentmagneten größer als die Federkraft der Rückstellfeder. Die beiden Kräfte sind entgegengerichtet. Der Permanentmagneten 5 hält den Anker 3 bei geringstem Luftspalt 20 d.h. geringsten Hub mit einer resultierenden Kraft F₁₀ so in einer stabilen Lage.
Rechts des Schnittpunktes C ist die resultierende Kraft F₂₀ des Permanentmagneten 5 kleiner als die Federkraft der Rückstellfeder. Bei maximalen Arbeitsluftspalt 20 überwiegt die Kraft die Rückstände der Rückstellfeder die Kraft des Permanentmagneten, die Rückstellfeder hält den Anker 3 mit einer resultierenden Kraft F₂₀ in der anderen Endlage.
Der erfindungsgemäße Effekt ergibt sich bei eindrucksvoll beim Vergleich der jeweiligen

- Haltekräfte F₁ (nach 5b) und F₁₀ (nach 6b) des Permanentmagneten 5 bei minimalsten Luftspalt 20 einerseits und der
- Haltekräfte F₂ (nach 5b) und F₂₀ (nach 6b) der Rückstellfeder 60 bei maximalen Hub bzw. Luftspalt 20.

Beides mal sind die nach der Erfindung realisierten Haltekräfte (siehe 6b, F₁₀ bzw. F₂₀ ) viel größer als die entsprechenden Haltekräfte nach dem Stand der Technik (siehe 5b, F₁ bzw. F₂ ).
Es wurde bereits drauf hingewiesen, dass die übrigen Parameter bei diesen Elektromagneten nach der Erfindung und dem Stand der Technik gleich sind. Es wurde mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag daher nicht nur eine entsprechende Erhöhung der Haltekräfte in den jeweiligen Endlagen erreicht, sondern auch gleichzeitig eine Entkopplung der Wirkungsweisen erreicht. Die jeweiligen Haltekräfte können nunmehr unabhängig voneinander optimiert werden.
Als zusätzlichen Effekt wird durch den erfindungsgemäßen Vorschlag überraschend erreicht, dass die jeweiligen Hublängen, wo einerseits der Permanentmagneten (Hub ca. 0,2 nach dem Stand der Technik, 5b im Vergleich zu Hub ca. 0,4 nach der Erfindung, sie 6b) und andererseits die Rückstellfeder (Hub ca. 1,2 nach dem Stand der Technik, 5b im Vergleich zu Hub ca. 2,6 nach der Erfindung, sie 6b) den Anker stabil halten gegenüber dem Vorschlag nach der Erfindung erheblich vergrößert wurde. Dies führt zu einer höheren Betriebssicherheit eines solchen erfindungsgemäßen Elektromagneten.
In den 5c, 5d und 5e werden verschiedene Betriebszustände eines Elektromagneten nach dem Stand der Technik mit analogen Betriebszuständen eines erfindungsgemäßen Elektromagneten in den 6c, 6d und 6e miteinander verglichen.
Die jeweiligen Betriebszustände in den 5c, 6c, 5d und 6d, sowie 5e und 6e sind gleich.
In den 5c, 6c ist der abgefallene Anker 3 bei unbestrafter Spule bzw. Magnetspule 10 gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 50 sind die Magnetfeldlinien die aus dem Permanentmagneten austreten gekennzeichnet.
In den 5d, 6d ist die Spule 10 bestromt und der Anker 3 nach links bewegt. Zusätzlich zu den Magnetfeldlinien 50 des Permanentmagneten 5 tauchen jetzt auch die Magnetfeldlinien die von der Spule 10 erzeugt sind auf.
In 5e, 6e ist das Magnetfeld der Spule 10 nach 5d, 6d ausgeschaltet. Es bestehen daher nur wieder die Magnetfeldlinien 50 des Permanentmagneten 5.
Insbesondere interessant ist ein Vergleich der Betriebszustände nach 5c (dies ist die bekannte Variante nach dem Stand der Technik) mit dem Betriebszustand nach 6c (dies ist der erfindungsgemäße Vorschlag eines Elektromagneten). In der hier gezeigten abgefallenen Stellung des Ankers 3 sind in 6c eine Großzahl der Magnetfeldlinien 50 des Permanentmagneten 5 über den Ring 40 kurzgeschlossen. Dabei ist der Permanentmagneten 5 parallel zur Ankerbewegungsrichtung 30 polarisiert. Im Vergleich mit der Lösung nach dem Stand der Technik aus 5c ist eine solche hohe Dichte von Magnetfeldlinien 50 innerhalb des Kerntopfes (gebildet von der Tiefe des Ringes 40), also auf dem letzten Bereichen des Luftspaltes 20 nicht vorhanden
Diese sich bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag erheblich ausbildende Kraftfeld ist verantwortlich für die günstige Charakteristik, die im Vergleich der 5b und 6b erläutert wurden.
Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche sind ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.
Sollte sich hier bei näherer Prüfung, insbesondere auch des einschlägigen Standes der Technik, ergeben, dass das eine oder andere Merkmal für das Ziel der Erfindung zwar günstig, nicht aber entscheidend wichtig ist, so wird selbstverständlich schon jetzt eine Formulierung angestrebt, die ein solches Merkmal, insbesondere im Hauptanspruch, nicht mehr aufweist. Auch eine solche Unterkombination ist von der Offenbarung dieser Anmeldung abgedeckt.
Es ist weiter zu beachten, dass die in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar sind. Dabei sind einzelne oder mehrere Merkmale beliebig gegeneinander austauschbar. Diese Merkmalskombinationen sind ebenso mit offenbart.
Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Merkmale, die nur in der Beschreibung offenbart wurden oder auch Einzelmerkmale aus Ansprüchen, die eine Mehrzahl von Merkmalen umfassen, können jederzeit als von erfindungswesentlicher Bedeutung zur Abgrenzung vom Stande der Technik in den oder die unabhängigen Anspruch/Ansprüche übernommen werden, und zwar auch dann, wenn solche Merkmale im Zusammenhang mit anderen Merkmalen erwähnt wurden beziehungsweise im Zusammenhang mit anderen Merkmalen besonders günstige Ergebnisse erreichen.

Claims

Elektromagnet mit einer Spule (10), die Wicklungen von mit elektrischen Strom beaufschlagbaren Draht trägt, und die Spule (10) zumindest teilweise einen Ankerraum (2) umgibt, in dem ein Anker (3) entlang einer Ankerbewegungsrichtung (30) beweglich gelagert ist und der Ankerraum (2) stirnseitig von einem Kern (4) begrenzt ist, wobei sich zwischen dem Kern (4) und dem Anker (3) zumindest in einer Stellung des Ankers (3) im Ankerraum (2) ein Luftspalt (20) ausbildet und der Kern (4) einen Permanentmagneten (5) aufweist, der den Anker (3) in einem unbestromten Zustand der Spule (10) am Kern (4) hält, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (5) dem Luftspalt (20) zugewandt ist und diesen begrenzt.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (4), dem Ankerraum (2) zugewandt einen Ring (40) trägt bzw. aufweist und/oder ein Prallkörper (9) vorgesehen ist, der ein Aufschlagen des Ankers (3) auf dem Permanentmagneten (5) verhindert, wenn die Spule (10) bestromt ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (40) den Permanentmagneten (5) seitlich umschließt und/oder der Ring (40) an seinen dem Kern (4) abgewandten Ende einen Steuerkonus (41) aufweist und/oder mindestens ein Großteil der den Permanentmagneten (5) umgebenden Magnetfeldlinien (50) sowohl im abgefallenen Zustand des Ankers (3), wie auch im angezogenen Zustand des Ankers (3) über den Ring (40) geschlossen werden und/oder der Ring (40), insbesondere auch der Steuerkonus (41), aus weichmagnetischem Werkstoff besteht.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Kraftelement (6) am, im oder außerhalb des Ankerraumes (2) vorgesehen ist, das auf den Anker (3) wirkt, und die Wirkrichtungen des Permanentmagneten (5) und des zweiten Kraftelementes (6) entgegengesetzt sind.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstützlager (19) für das zweite Kraftelement (6) vorgesehen ist und/oder sich das zweite Kraftelement (6) auf oder in dem Permanentmagneten (5) abstützt und/oder das zweite Kraftelement (6) eine Rückstellfeder (60) ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prallkörper (9) als unmagnetische Prallscheibe ausgebildet ist, die zwischen dem Permanentmagneten (5) und dem Anker (3) angeordnet ist und/oder der Prallkörper (9) eine Prallfläche (90) aufweist, die zumindest teilweise in axialer Richtung, bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung (30), über den Permanentmagneten (5) in den Ankerraum (2) vorsteht und/oder der Prallkörper (9) auch als Abstützlager (19) dient.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) durch den Permanentmagneten (5) einerseits und dem zweiten Kraftelement (6) andererseits in jeweilig unterschiedlichen Ankerpositionen im Ankerraum (2) stromlos gehalten ist, und eine Bestromung der Spule (10) dazu führt, dass der Anker (3) das Kraftfeld des Permanentmagneten (5) bzw. des zweiten Kraftelementes (6) in der jeweiligen Position überwindet und aus diesen gelangt, bis der Anker (3) in das Kraftfeld des zweiten Kraftelementes (6) oder des Permanentmagnetens (5) in der jeweilig anderen Position gelangt und dort gehalten wird und/oder zwischen der Spule (10) und dem Ankerraum (2) ein Polrohr (7) vorgesehen ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ankerbewegungsrichtung (30) gesehen das Polrohr (7) von dem Kern (4), bzw. dem Ring (40) axial beanstandet ist und/oder in Ankerbewegungsrichtung (30) gesehen das Polrohr (7) mit einen separaten Rohrstück (8) mit dem Kern (4), bzw. dem Ring (40) verbunden ist und/oder in Ankerbewegungsrichtung (30) gesehen zwischen dem Polrohr (7) und dem Kern (4), bzw. dem Ring (40) ein unmagnetischer Zwischenring (80) vorgesehen ist und/oder in Ankerbewegungsrichtung (30) gesehen zwischen dem Polrohr (7) und dem Kern (4), bzw. dem Ring (40) ein magnetischer Stegring (81) vorgesehen ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Stegring (81) eine geringere Dicke aufweist als das Polrohr (7) und/oder der magnetische Stegring (81) einstückig an dem Kern (4), bzw. dem Ring (40) und/oder dem Polrohr (7) anschließt.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (5) ausschließlich durch magnetische Kräfte auf dem Kern (4) gehalten ist und/oder eine Magnetzentrierung (18) für den Permanentmagneten (5) vorgesehen ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prallkörper (9) als Magnetzentrierung (18) dient und/oder der Prallkörper (9) oder die Magnetzentrierung (18) als Haltekörper für den Permanentmagneten (5) dient und/oder der Kern (4) bzw. der Ring (40), bezogen auf die Ankerbewegungsrichtung (30), zumindest auf axialer Höhe des Permanentmagneten (5) eine vorzugsweise umlaufende Taillierung (49) oder Einschnürung (49) aufweist.