DE10202628A1

DE10202628A1 - Multistabile Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE10202628A1
Application number: DE2002102628
Authority: DE
Inventors: Horst Franke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2003-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine multistabile Stellvorrichtung (10) mit DOLLAR A - Mitteln (12, 14, 60, 82, 84) zum Bereitstellen eines ersten veränderlichen Magnetfeldes; DOLLAR A - einem Bauteil (16) mit permanentmagnetischen Eigenschaften; DOLLAR A - einer Aufnahmevorrichtung (18), die das Bauteil (16) aufnimmt und die wenigstens zwei stabile Lagen für das Bauteil (16) bereitstellt, wobei das Bauteil (16) durch Verändern des ersten Magnetfeldes von jeweils einer stabilen Lage in eine andere stabile Lage bewegt wird. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß das Bauteil (16) eine Reihe miteinander verbundener permanentmagnetischer Teilbereiche (24, 26) aufweist, die so angeordnet sind, daß die beiden Enden (28, 30) der Reihe gleichnamige magnetische Polarisierung aufweisen (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine multistabile Stellvorrichtung mit Mitteln zum Bereitstellen eines ersten veränderlichen Magnetfeldes, einem Bauteil mit permanentmagnetischen Eigenschaften, einer Aufnahmevorrichtung, die das Bauteil aufnimmt und die wenigstens zwei stabile Lagen für das Bauteil bereitstellt, wobei das Bauteil durch Verändern des ersten Magnetfeldes von jeweils einer der stabilen Lagen in eine andere der stabilen Lagen bewegt wird.

Eine bistabile Stellvorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der DE 197 44 396 A1 bekannt.

Die bekannte bistabile Stellvorrichtung betrifft ein bistabiles Relais für den Hochstrombereich.

Hohe Ströme sind in vielen Bereichen der Technik zu schalten; lediglich als Beispiel sei die Stromversorgung von Flurförderfahrzeugen genannt, bei der Dauerströme von 300 A und Spitzenströme von 1.800 A auftreten können.

Das bekannte Relais weist eine Spule und einen beweglichen Anker auf, der durch den in der Spule erzeugten magnetischen Fluß anzieht oder abfällt und dabei federnde Kontakte öffnet oder schließt. Dabei ist im Anker ein Dauermagnet angeordnet, der im angezogenen Zustand des Ankers einen Magnetkreis schließt und damit den Anker auch nach Abschalten des Spulenstroms in seiner Position hält. Der in dem bekannten bistabilen Relais verwendete Dauer- oder Permanentmagnet weist - wie alle Permanentmagneten - einen Nord- und einen Südpol auf. Die Bistabilität der Anordnung ergibt sich dadurch, daß in der einen stabilen Lage der Nordpol an ein magnetisches Joch koppelt und in der anderen Lage der Südpol an ein magnetisches Joch koppelt. Durch impulsförmiges Bestromen der Spule wird ein veränderliches Spulenmagnetfeld erzeugt, das bei ausreichender Stärke den Permanentmagneten entgegen seiner Haltekraft von der einen stabilen Lage in die andere stabile Lage bewegen kann.

Nach der DE 197 44 396 A1 können zum Schalten Stromimpulse einer Dauer von weniger als 50 ms ausreichend sein. Der Spulenstrom muß jedoch ausreichend groß sein, damit der in der Spule erregte magnetische Fluß die magnetische Haltekraft des Permanentmagneten überwinden kann. Diese Forderung legt Mindestdimensionen für das elektrische System zur Erzeugung des ersten veränderlichen Magnetfeldes, insbesondere der Spule, fest. Die Mindestgröße der Spule bedingt wiederum, daß das Gewicht und das Volumen der Gesamtkonstruktion bestimmte Mindestwerte überschreitet. Dies gilt analog für die Mittel zur Bereitstellung des Spulenstroms und die Mittel zum Steuern des Spulenstroms.

Obwohl die bekannte Lösung bereits hinsichtlich Bauvolumen und Gewicht Vorteile gegenüber dauerbestromten Relais bietet, ergeben sich aus den genannten Forderungen Beschränkungen hinsichtlich einer weiteren Minimierung des Bauvolumens, des Gewichts, des Stromverbrauchs und insbesondere des Ansprechverhaltens des Relais, d. h. der Zeitverzögerung zwischen einem Steuerbefehl zum Auslösen eines Schaltvorgangs und dem Lösen des Ankers aus einer stabilen Lage, bei der die magnetische Haltekraft überwunden werden muß.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer verbesserten multistabilen Stellvorrichtung.

Diese Aufgabe wird bei einer multistabilen Stellvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das permanentmagnetische Bauteil eine Reihe miteinander verbundener permanentmagnetischer Teilbereiche aufweist, die so angeordnet sind, daß die beiden Enden der Reihe gleichnamige magnetische Polarisierung aufweisen. Beide Enden der Reihe weisen entweder einen Nordpol auf, oder beide Enden der Reihe weisen einen Südpol auf. Eine solche Anordnung wird im weiteren auch als "gegenpolige Anordnung" bezeichnet.

Vorteilhafterweise erfährt diese multistabile, insbesondere bistabile Anordnung bereits in einem schwachen äußeren Magnetfeld eine vergleichsweise starke magnetische Kraft in einer Richtung. Stellt die Reihe beispielsweise eine Nord-Nord-Anordnung dar, so wird der eine Nordpol vom Südpol des äußeren Feldes angezogen, und der andere Nordpol wird vom Nordpol des äußeren Feldes abgestoßen. Aufgrund der Nord-Nord-Anordnung addieren sich die wirkenden Abstoßungs- und Anziehungskräfte. Die stabilen Lagen können beispielsweise durch weichmagnetische Jochteile oder durch Permanentmagnete gebildet sein.

Befindet sich die Anordnung beispielsweise in einer stabilen Lage, in der einer der beiden Nordpole an sein Jochteil koppelt, so genügt bereits die Erregung eines vergleichsweise schwachen äußeren Magnetfeldes, um diesen Nordpol von seinem Jochteil abzustoßen und gleichzeitig den anderen Nordpol vom Südpol des äußeren Magnetfeldes anziehen zu lassen. Dies hat insbesondere ein verbessertes Ansprechverhalten der Stellvorrichtung zur Folge, da der vorher haftende Nordpol geradezu von seiner vorherigen stabilen Lage abgestoßen wird.

Dagegen weist die aus der DE 197 44 396 A1 bekannte Dipolanordnung (Nord-Süd) den Nachteil auf, daß die Wechselwirkungskräfte des äußeren Magnetfeldes mit den einzelnen Polen des permanentmagnetischen Dipols entgegengesetzt gerichtet sind, so daß sich Abstoßungs- und Anziehungskräfte subtrahieren. Ein äußeres Magnetfeld, das beschleunigend auf den einen Pol wirkt, wirkt gleichzeitig tendenziell verzögernd auf den anderen Pol. Aufgrund dieser Eigenschaft sind bei der bekannten Vorrichtung Inhomogenitäten des äußeren Magnetfeldes oder Asymmetrien in der Konstruktion der bistabilen Stellvorrichtung erforderlich, um Netto-Kraftkomponenten in einer gewünschten Richtung zu erzeugen.

In der DE 197 44 396 A1 werden z. B. Erreger und Abwurfspulen genannt, die als Beispiel konstruktiver Asymmetrien gewertet werden können. Auch der den Permanentmagneten enthaltende Anker ist in der DE 197 44 396 A1 asymmetrisch ausgestaltet.

Aus diesen Vergleichen ergibt sich, daß der Gegenstand der vorliegenden Erfindung die obengenannten nachteiligen Beschränkungen der bekannten Lösung sämtlich oder zum Teil überwinden kann und damit die gestellte Aufgabe vollkommen löst.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die genannte Reihe, die an beiden Enden der Reihe gleichnamige magnetische Polarisierung aufweist, wenigstens einen nicht-permanentmagnetischen Teilbereich aufweist, der zwischen zwei permanentmagnetischen Teilbereichen angeordnet ist.

Diese Anordnung bewirkt einen gewissen Abstand zwischen den gleichnamigen magnetischen Polarisierungen im Inneren der Reihe. Da die magnetische Wechselwirkung mit zunehmendem Abstand abnimmt, bewirkt der nicht-permanentmagnetische Teilbereich eine Abschwächung der Abstoßung zwischen der gegenpoligen Anordnung gleichnamiger magnetischer Polarisierungen im Inneren der Reihe.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der nicht-permanentmagnetische Teilbereich zumindest teilweise aus . weichmagnetischem Material besteht.

Wie sich gezeigt hat, besitzt das weichmagnetische Material die Eigenschaft, die Abstoßungskräfte zwischen der gegenpoligen Anordnung der Permanentmagnete zumindest zu verringern.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das weichmagnetische Material ein einzelnes kompaktes Volumen ausfüllt.

Alternativ hierzu ist das weichmagnetische Material in wenigstens zwei Teilvolumen des nicht-permanentmagnetischen Teilbereichs angeordnet, die mit wenigstens einem dia- oder paramagnetischen weiteren Teilbereich mechanisch oder adhäsiv verbunden sind.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Menge des weichmagnetischen Materials in Verbindung mit seiner räumlichen Verteilung innerhalb des nichtpermanentmagnetischen Teilbereichs eine magnetische Haftung der beiden permanentmagnetischen Teilbereiche an dem nicht-permanentmagnetischen Teilbereich bewirkt.

Damit ist der besondere Vorteil verbunden, daß die permanentmagnetischen Teilbereiche jeweils isoliert an den nicht-permanentmagnetischen Teilbereich ankoppeln, so daß die gegenpolige Anordnung der Permanentmagnete trotz der zwischen ihnen zu erwartenden Abstoßungskräfte durch rein magnetische Wechselwirkungen ohne weitere Hilfsmittel zusammengehalten wird. Diese Ausführungsform des permanentmagnetischen Bauteils wird unabhängig von der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung als eigene Erfindung angesehen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die permanentmagnetischen Teilbereiche durch wenigstens eine innere und/oder eine äußere Klammer mechanisch verbunden sind.

Da eine mechanische Klammer weniger Masse erfordert als für eine magnetische Kopplung durch weichmagnetisches Material notwendig wäre, können mit dieser Lösung Vorteile bei gewichtskritischen Anwendungen, etwa im Flugzeugbau und Raumfahrtbereich, erzielt werden. Die Klammer kann alternativ oder zusätzlich zu der magnetischen Haftung vorgesehen sein.

Eine weitere Ausführungsform sieht deshalb vor, daß der nichtpermanentmagnetische Teilbereich mit dem Stoff gefüllt ist, der die Aufnahmevorrichtung auch außerhalb des permanentmagnetischen Bauteils füllt (Luft, Gas oder Flüssigkeit).

Auf diese Weise können die Vorteile einer mechanischen Klammerung mit dem Vorteil eines gewissen Abstandes zwischen der gegenpoligen Anordnung im Inneren der Reihe kombiniert werden. Die mit zunehmendem Abstand kleiner werdende Abstoßung verringert die mechanische Belastung der Klammer, die dadurch schwächer dimensioniert werden kann.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht wenigstens einen beweglichen Magneten, insbesondere einen manuell beweglichen Permanentmagneten als Mittel zum Bereitstellen des ersten veränderlichen Magnetfeldes vor.

Dadurch kann vorteilhafterweise ein manuelles berührungsloses Schalten von hohen Arbeitsströmen auch bei gegebenenfalls schadhafter elektrischer Isolierung der Arbeitsströme erfolgen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Mittel zum Bereitstellen des ersten veränderlichen Magnetfeldes einen elektrischen Strompfad mit wenigstens einer Induktionsschleife, insbesondere eine Spule, und Mittel zum Verändern eines durch den Strompfad fließenden elektrischen Stroms aufweisen.

Bei dieser Ausführungsform treten die obengenannten Vorteile besonders deutlich hervor, da bereits ein vergleichsweise kleiner elektrischer Stromfluß ein zwar schwaches, aber zum Schalten der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ausreichendes erstes veränderliches Magnetfeld erzeugt.

Vorzugsweise weisen die Mittel zum Verändern des durch den Strompfad fließenden elektrischen Stroms eine Stromquelle und Steuermittel auf, wobei die Steuermittel eine erste Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke aus der Stromquelle in einer ersten Richtung durch den Strompfad fließen läßt, und wobei die Steuermittel eine zweite Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke aus der Stromquelle in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durch den Strompfad fließen läßt, und wobei die Steuermittel eine dritte Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Stromfluß aus der Stromquelle zumindest verringert (in der Regel abschaltet). Diese Ausführungsform erlaubt eine einfache Steuerung der Schaltvorgänge der erfindungsgemäßen multistabilen Stellvorrichtung, die in diesem Ausführungsbeispiel eine bistabile Stellvorrichtung ist. In der ersten Steuerstellung wird das Bauteil in eine erste stabile Position verbracht, in der zweiten Steuerstellung in die andere stabile Position. In der dritten Steuerstellung ist die Stellvorrichtung in der Regel energielos. Das Bauteil verbleibt in der jeweils letzten Position.

Von Vorteil ist es alternativ, wenn die Mittel zum Bereitstellen des ersten veränderlichen Magnetfeldes wenigstens einen ersten und einen zweiten Strompfad mit jeweils wenigstens einer Induktionsschleife (insbesondere Spule) und Mittel zum Verändern eines jeweils durch einen der Strompfade fließenden elektrischen Stroms aufweisen. Diese Ausführungsform stellt eine Alternative zur vorstehend genannten Ausführungsform mit vergleichbaren Vorteilen dar, benötigt jedoch in der Regel mehr Bauraum für die Induktionsschleifen (Spulen).

Dabei ist es bevorzugt, wenn die Mittel zum Verändern des durch jeweils einen Strompfad fließenden elektrischen Stroms eine Stromquelle und Steuermittel aufweisen, wobei die Steuermittel eine erste Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke aus der Stromquelle durch den ersten Strompfad fließen läßt, und wobei die Steuermittel eine zweite Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke durch den zweiten Strompfad fließen läßt, und eine dritte Steuerstellung aufweisen, die den Stromfluß aus der Stromquelle zumindest verringert (in der Regel abschaltet), wobei die beiden Strompfade jeweils so ausgerichtet sind, daß die aus dem Stromfluß durch die zugehörigen Induktionsschleifen resultierenden Magnetfelder in verschiedene Richtungen weisen.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß jeder Strompfad mehrere, eine elektromagnetische Spule bildende Induktionsschleifen aufweist.

Diese Ausführungsform liefert den Vorteil einer mit der Zahl der Induktionsschleifen feinstufig abstimmbaren Erzeugung des ersten veränderlichen Magnetfeldes, zur Anpassung an die verschiedenen Anwendungen und/oder Haltekräfte der verwendeten Magnete.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß wenigstens eine Induktionsschleife die Aufnahmevorrichtung mit dem permanentmagnetischen Bauteil äußerlich umgibt.

Mit dieser Anordnung ist der Vorteil verbunden, daß der mit dem ersten äußeren Magnetfeld wechselwirkende Permanentmagnet im Bereich der größten Feldstärke des ersten veränderlichen Magnetfelds angeordnet ist.

Vorteilhafterweise weist die Aufnahmevorrichtung eine Längsachse auf, in deren Richtung das permanentmagnetische Bauteil beweglich ist, und daß die Aufnahmevorrichtung ferner zwei umlaufende Stege aufweist, die sich in radialer Richtung erstrecken und einen axialen Abstand voneinander aufweisen, und daß die wenigstens eine Induktionsschleife zwischen den umlaufenden Stegen verläuft und dabei die Aufnahmevorrichtung äußerlich umfaßt.

Mit dieser Ausführungsform ist der Vorteil einer besonders kompakten Konstruktion bei gleichzeitig optimalem Wirkungsgrad der Wechselwirkung zwischen dem von der Induktionsschleife oder der Spule erzeugten ersten veränderlichen magnetischen Feld mit dem Permanentmagneten verbunden. Insbesondere kann dabei das Bauteil im Inneren eines Spulenträgers geführt sein.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Aufnahmevorrichtung zwei Deckelelemente aufweist, die die Aufnahmevorrichtung in axialer Richtung begrenzen.

Die Begrenzung mittels Deckelelementen ergibt vorteilhafterweise verschiedene konstruktive Freiheitsgrade, die eine Anpassung der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung an verschiedene Anwendungen ermöglichen. Die Deckelelemente können beispielsweise unmagnetisch sein und die Aufnahmevorrichtung abdichten, wenn die erfindungsgemäße Stellvorrichtung als flüssigkeitsgefüllter Hydraulikschalter ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend können sie als weichmagnetische Bauteile ausgestaltet sein, die die stabilen Lagen (mit-)definieren, an die das permanentmagnetische Bauteil magnetisch ankoppelt.

Eine Ausgestaltung dieser Ausführungsform sieht einen mit dem permanentmagnetischen Bauteil beweglichen Stößel vor, der sich durch eine Bohrung in einem Deckelelement aus der Aufnahmevorrichtung heraus erstreckt und in einer der stabilen Lagen des permanentmagnetischen Bauteils ein Stellelement betätigt. Diese Ausgestaltung liefert ebenfalls konstruktive Freiheitsgrade bei der Anpassung der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung an verschiedene Anwendungen.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß das Stellelement zwei elektrisch leitfähige Kontakte und eine mit dem Stößel gekoppelte Kontaktplatte aufweist, die die beiden elektrisch leitfähigen Kontakte in einer der beiden stabilen Lagen des permanentmagnetischen Bauteils schließt und in der anderen stabilen Lage des Bauteils öffnet.

Diese Ausgestaltung stellt ein leistungsfähiges bistabiles Relais zur Schaltung starker Ströme mit verbessertem Ansprechverhalten bei verringertem Gewicht und Bauvolumen bereit.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß ein sich außerhalb der Aufnahmevorrichtung erstreckender Teil des Stößels die Kontaktplatte über ein erstes federelastisches Element federelastisch beweglich führt.

Hierbei ist mit anderen Worten die Kontaktplatte axial verschieblich an dem Stößel gelagert und durch das federelastische Element in Kontaktrichtung vorgespannt. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Einstellung reproduzierbarer Kontaktkräfte auch bei einer in einer Serienfertigung auftretenden Streuung der magnetischen Eigenschaften des permanentmagnetischen Bauteils sowie bei Maßtoleranzen der verschiedenen Einzelkomponenten der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung.

Dabei ist es bevorzugt, wenn sich eine Bewegung des Stößels in Richtung der Kontakte federbelastet auf die Kontaktplatte bis zum Aufsetzen auf die Kontakte überträgt und eine Weiterbewegung des Stößels in dieser Richtung nach dem Aufsetzen der Kontaktplatte durch eine Längenänderung des federelastischen Elementes bei auf den Kontakten ruhender Kontaktplatte aufgenommen wird. Diese Ausführungsform besitzt die im vorstehenden Absatz genannten Vorteile in besonderem Maße.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der Stößel beim Wechsel des permanentmagnetischen Bauteils in die stabile Lage, in der der Kontakt öffnet, mit einem zweiten federelastischen Element von den Kontakten weg bewegt wird.

Diese Ausführungsform ermöglicht ein zuverlässiges Öffnen der Kontakte auch bei einer nicht-formschlüssigen oder nicht-kraftschlüssigen Verbindung des Stößels mit dem permanentmagnetischen Bauteil.

Von Vorteil ist es ferner, wenn der Stößel an dem Ende, das sich innerhalb der Aufnahmevorrichtung erstreckt, permanentmagnetisch oder weichmagnetisch ausgestaltet ist und magnetisch an das permanentmagnetische Bauteil ankoppelt.

Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil, daß das zweite federelastische Element entbehrlich ist oder kleiner dimensioniert werden kann.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß wenigstens eines der Deckelelemente zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material besteht.

Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil, daß das Deckelelement ein Jochteil bildet und folglich eine magnetische Ankopplung des permanentmagnetischen Bauteils erlaubt, wodurch auf einfache Weise eine stabile Lage bereitgestellt wird.

Vorzugsweise weist wenigstens ein Deckelelement ein weichmagnetisches Polschuhelement auf, das in die Aufnahmevorrichtung hineinragt.

Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Verringerung des sogenannten Schadluftspaltes, d. h. des Abstandes zwischen dem permanentmagnetischen Bauteil, das sich in der einen stabilen Lage befindet, zu dem Element der anderen stabilen Lage, von dem eine starke magnetische Wechselwirkung mit dem permanentmagnetischen Bauteil ausgeht. Auf diese Weise kann die für das Schalten des permanentmagnetischen Bauteils erforderliche Kraft und damit die erforderliche Magnetfeldstärke, respektive Erregerstromstärke, weiter verringert werden.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Aufnahmevorrichtung mit den Deckelelementen einen flüssigkeitsgefüllten Arbeitszylinder bildet, in dem das permanentmagnetische Bauteil als Verdrängerkolben wirkt, das ein hydraulisches Stellelement betätigt.

Mit dieser Ausführungsform sind verschiedene Vorteile verbunden. Zum einen kann diese Ausführungsform, insbesondere bei Verwendung starker Permanentmagnete, in Hydraulikschaltkreisen verwendet werden. Weiter verringert eine Flüssigkeitsfüllung auch in anderen Anwendungen beim Schalten des permanentmagnetischen Bauteils auftretende Geräusche.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß dritte federelastische Elemente, die das permanentmagnetische Bauteil federelastisch einrastend bei schwachem oder fehlendem Magnetfeld in einer stabilen Lage festhalten, vorhanden sind.

Diese Ausführungsform stellt zunächst eine Alternative für das Bereitstellen stabiler Lagen des permanentmagnetischen Bauteils in der Aufnahmevorrichtung mittels magnetischer Kopplung dar. Die dritten federelastischen Elemente können bei ergänzender Anwendung mit magnetischen Ankopplungen die Kopplungsstärke in den stabilen Lagen erhöhen, wenn eine spezielle Anwendung dies erfordern sollte. Alternativ können sie die magnetische Ankopplung durch Weicheisendeckel (Joche) auch ersetzen, was bei gewichtskritischen Anwendungen vorteilhaft ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die permanentmagnetischen Bereiche des permanentmagnetischen Bauteils neben Eisen seltene Erden enthalten (beispielsweise Neodym und Bor).

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung;
Fig. 2a magnetische Wechselwirkungen beim Zusammenfügen einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des permanentmagnetischen Bauteils;
Fig. 2b magnetische Wechselwirkungen, wie sie im zusammengefügten Zustand dieser vorteilhaften Ausführungsform auftreten;
Fig. 3 qualitativ den zunächst abstoßenden, dann anziehenden Verlauf der Kraft beim Annähern eines Permanentmagneten an einen Verbund aus einem gegenpolig angeordneten Permanentmagneten mit einem weichmagnetischen Zwischenbereich;
Fig. 4 eine Ausführungsform des permanentmagnetischen Bauteils, bei dem die gegenpolig angeordneten Permanentmagnete des permanentmagnetischen Bauteils durch eine äußere mechanische Klammer zusammengehalten werden;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des permanentmagnetischen Bauteils mit einer inneren mechanischen Klammer;
Fig. 6 eine geklebte Verbindung der permanentmagnetischen Bereiche des permanentmagnetischen Bauteils sowie eine optional vorhandene amagnetische Auflage;
Fig. 7 eine Ausführungsform der mechanischen Klammerung nach Fig. 4 in Verbindung mit einem Zwischenbereich, der die beiden permanentmagnetischen Bereiche des permanentmagnetischen Bauteils trennt;
Fig. 8 eine Ausführungsform des permanentmagnetischen Bauteils, bei der die permanentmagnetischen Bereiche jeweils magnetisch an einen individuellen magnetischen Teilbereich ankoppeln, der durch einen dia- oder paramagnetischen Zwischenbereich mit dem jeweils anderen weichmagnetischen Teilbereich verbunden ist;
Fig. 9 eine Anordnung von weichmagnetischen Teilbereichen dar, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, und die zur magnetischen Kopplung der gegenpolig orientierten permanentmagnetischen Bereiche des permanentmagnetischen Bauteils verwendet werden können;
Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung mit einer elektromagnetischen Erzeugung des ersten veränderlichen Magnetfeldes in einer Ausführung als bistabiles Relais zur Schaltung von Strömen;
Fig. 11 ein Ersatzschaubild des Stromkreises zur Erzeugung des ersten veränderlichen Magnetfeldes in der Stellvorrichtung der Fig. 10;
Fig. 12 eine Alternative zur elektromagnetischen Erzeugung des ersten veränderlichen Magnetfeldes;
Fig. 13 ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines zu Fig. 12 korrespondierenden Stromkreises zur Erzeugung des ersten veränderlichen Magnetfeldes;
Fig. 14 ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen bistabilen Stellvorrichtung in der Ausführung als bistabiles Relais zur Schaltung hoher Ströme;
Fig. 15 eine alternative Ausgestaltung des Gegenstandes der Fig. 14;
Fig. 16 den wesentlichen Unterschied zwischen den beiden vorgenannten Ausführungsformen in herausgehobener Form;
Fig. 17a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung mit einem Polschuhelement zur Verringerung des Schadluftspaltes;
Fig. 17b den Einfluß der Ausdehnung des Schadluftspaltes auf magnetische Kraftwirkungen;
Fig. 18 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen bistabilen Stellvorrichtung als magnet-hydraulische Stellvorrichtung. Daneben zeigen Einzelheiten der Fig. 18 elastische Elemente als alternative Möglichkeit, in der Aufnahmevorrichtung stabile Lagen für das permanentmagnetische Bauteil zu definieren;
Fig. 19 schematisch, wie das erfindungsgemäße Prinzip von einer bistabilen Stellvorrichtung auf eine multistabile Stellvorrichtung verallgemeinert werden kann.
In Fig. 1 bezeichnet Ziffer 10 eine Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen bistabilen Stellvorrichtung mit einem ersten beweglichen Magneten 12 und, optional, einem zweiten beweglichen Magneten 14. Die beweglichen Magnete 12 und 14 können sowohl als Elektromagnete als auch als Permanentmagnete realisiert sein. Sie stellen Mittel zum Bereitstellen eines ersten veränderlichen Magnetfeldes dar.
Ein Bauteil 16 mit permanentmagnetischen Eigenschaften ist in einer Aufnahmevorrichtung 18 zwischen zwei stabilen Lagen beweglich. Die Aufnahmeeinrichtung 18 weist einen Hohlzylinder 19 und zwei den Hohlzylinder 19 abschließende Deckelelemente 20, 22 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden stabilen Lagen durch die Deckelelemente 20 und 22 aus weichmagnetischem Material realisiert. Diese bilden Jochteile. Die Jochteile können auch unabhängig von den Deckeln ausgebildet sein.
In der gezeichneten Stellung koppelt das Bauteil 16 mit permanentmagnetischen Eigenschaften magnetisch an das weichmagnetische Deckelelement 20 an.
Das Bauteil 16 mit permanentmagnetischen Eigenschaften weist eine Reihe miteinander verbundener permanentmagnetischer Teilbereiche 24 und 26 auf, die gegenpolig angeordnet sind, so daß die beiden Enden 28 und 30 der Reihe gleichnamige magnetische Polarisierung aufweisen. Mit anderen Worten: die Enden 28 und 30 der Reihe stellen entweder beide Nordpole oder beide Südpole dar, in der Darstellung Nordpole. Optional enthält die Reihe einen nicht-permanentmagnetischen Teilbereich 32, der zwischen den permanentmagnetischen Teilbereichen 24 und 26 angeordnet ist und der die beiden permanentmagnetischen Teilbereiche 24 und 26 relativ zueinander ortsfest miteinander verbindet, so daß die beiden permanentmagnetischen Teilbereiche 24 und 26 nur gemeinsam bewegt werden können. Die permanentmagnetischen Teilbereiche 24, 26 sind vorliegend durch massive zylindrische Plättchen aus seltenen Erden-Magneten gebildet, die keine Ausnehmung aufweisen. Der Teilbereich 32 ist ein zylindrisches Weicheisenplättchen.
Die Ziffer 34 bezeichnet einen Stößel, mit dem Bewegungen des Bauteils 16 auf beliebige Stellelemente, beispielsweise auf elektrische Schalter, übertragen werden können. In der gezeichneten Stellung ist der Stößel 34 fest mit dem einen Ende 30 des Bauteils 16 verbunden. Damit stellt das permanentmagnetische Bauteil 16 einen Magnetanker dar, der in der Aufnahmevorrichtung 18, die mit einer reibungsarmen Beschichtung 36 ausgekleidet sein kann, gleitend beweglich ist. Der Stößel ist in der Regel nichtmagnetisch.
In einer Versuchsanordnung wurde die Aufnahmevorrichtung 18 mit einem Aluminiumrohr 19 mit einem Außendurchmesser von 16 mm, einem Innendurchmesser von 14 mm und einer Länge von 23 mm realisiert. Dabei wurden die permanentmagnetischen Teilbereiche 24 und 26 durch eine weichmagnetische Stahlscheibe mit Durchmesser 12 mm und Dicke 8 mm als Teilbereich 32 verbunden. Eine reibungsarme Beschichtung am Innenumfang des Rohrs 19 bestand aus einer Kunststoffauskleidung mit einer Wandstärke von 1 mm. Die Deckelelemente 20 und 22 wurden als weichmagnetische Stahldeckel mit einer Dicke von 0,3 mm realisiert. Als permanentmagnetische Teilbereiche 24 und 26 wurden vollzylinderförmige VACODYM-Magnete mit seltenen Erden als Bestandteil und 5 mm Breite bei 12 mm Durchmesser verwendet.
In dieser Anordnung wurde eine Haftkraft der Einzelmagnete gegen weichmagnetischen Stahl von 27,5 N gemessen. In der Anordnung der Fig. 1 haftete jeder Südpol der permanentmagnetischen Bereiche 24 und 26 mit dieser Haltekraft an dem nicht-permanentmagnetischen Teilbereich 32 aus weichmagnetischem Material. Die freien Nordpole an den Enden 28 und 30 der Reihe besaßen weiter ihre nahezu volle Haltekraft (27 N), mit der sie in stabiler Lage an einem der Deckelelemente 20, 22 haften können.
Insgesamt entsteht eine Permanentmagnetanordnung mit zwei Nordpolen (oder mit zwei Südpolen) als Ausführungsbeispiel des Bauteils 16 mit permanentmagnetischen Eigenschaften. Diese Permanentmagnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß sie nur durch Magnetkraft zusammengehalten wird, also keine zusätzlichen Verbindungselemente benötigt. Die permanentmagnetischen Bereiche 24 und 26 und die Zwischenlage aus weichmagnetischem Stahl können grob zusammengefügt in die Aufnahmevorrichtung 18 eingeschoben werden. Durch radiales Anklopfen zentriert sich die Permanentmagnetanordnung (Anker) 24, 32, 26, so daß sie leicht gleitend in der Aufnahmevorrichtung 18 beweglich ist. Das so gebildete Bauteil 16 mit permanentmagnetischen Eigenschaften haftet dann, je nach Ausgangslage, mit einem seiner Nordpole an einem der Deckelelemente 20 und 22, vorliegend an dem Deckelelement 20. Durch Annähern des Nordpols des beweglichen Magneten 12 wird das permanentmagnetische Bauteil 16 vom Deckelelement 20 abgestoßen, da die Feldlinien den gesättigten, 0,3 mm dicken Deckel 20 durchdringen. Das permanentmagnetische Bauteil 16 wird dann in die stabile Lage an dem Deckelelement 22 bewegt.
Durch Umkehren der Polrichtung des beweglichen Magneten 12 kann das Bauteil 16 mit permanentmagnetischen Eigenschaften zwischen den Deckelelementen 20 und 22 hin- und herbewegt werden. Die Bewegung kann beschleunigt werden, wenn z. B. ein zweiter beweglicher Magnet 14 eingesetzt wird.
Im folgenden wird das Zustandekommen des magnetischen Zusammenhalts der gegenpoligen Anordnung von Permanentmagneten 24, 26, die zunächst eine reine Abstoßung erwarten läßt, modellhaft erläutert.
In der Darstellung der Fig. 2a haftet ein Teilbereich 32, hier aus weichmagnetischem Material, an dem permanentmagnetischen Teilbereich 24. In dieser Anordnung prägt der permanentmagnetische Teilbereich 24 allein die Magnetisierung des hier weichmagnetischen Teilbereichs 32, so daß die Feldlinien, von denen eine einzelne Feldlinie 38 exemplarisch dargestellt ist, in der gezeichneten Darstellung links aus dem permanentmagnetischen Bereich 24 austreten und rechts in den weichmagnetischen Teilbereich 32 eintreten. Das rechte Ende dieser Anordnung entspricht damit einem magnetischen Südpol. Beim Annähern des magnetischen Südpols eines weiteren magnetischen Teilbereichs 26 wächst die abstoßende Wechselwirkung zwischen der Anordnung 24, 32 und dem magnetischen Teilbereich 26 zunächst an. Bei weiterer Annäherung beginnt auch der magnetische Teilbereich 26 die Magnetisierung des weichmagnetischen Teilbereichs 32 zu prägen. Der permanentmagnetische Teilbereich 26 prägt seine Magnetisierung beim weiteren Annähern immer größeren Teilbereichen des weichmagnetischen Teilbereichs ein. Dadurch wird zum einen die abstoßende Wechselwirkung der vom Permanentmagneten 24 geprägten Magnetisierung von Teilen des weichmagnetischen Teilbereichs 32 verringert und gleichzeitig eine anziehende Wechselwirkung mit den Teilen des weichmagnetischen Teilbereichs 32 begründet, deren Magnetisierung von dem permanentmagnetischen Teilbereich 26 geprägt ist. Bei vollständiger Annäherung stellt sich der in Fig. 2b dargestellte Zustand ein, in dem beide permanentmagnetischen Teilbereich 24 und 26 jeweils mit ihrem Südpol an einem in dem weichmagnetischen Teilbereich 32 induzierten Nordpol haften. Die abstoßenden Kräfte der im weichmagnetischen Teilbereich 32 gegenpolig ausgerichteten Südpole werden radial nach außen abgelenkt bzw. durch festkörperimmanente Kohäsionskräfte kompensiert, so daß sich insgesamt die dargestellte stabile Anordnung ergibt.
Diesem Aufbau eines permanentmagnetischen Bauteils für technische Anwendungen aus gegenpolig angeordneten Magneten (Elektro- oder Permanentmagneten), bei dem die abstoßenden Kräfte gewissermaßen in einen Festkörper konzentiert werden, in dem die atomaren Zusammenhangskräfte die Abstoßung überkompensieren, kommt eigenständige erfinderische Bedeutung und wird als Basis einer ggf. später einzureichenden Teilanmeldung betrachtet.
In Fig. 3 ist der Verlauf der Wechselwirkung zwischen dem Verbund 24, 32 und dem permanentmagnetischen Teilbereich 26 beim Zusammenführen dargestellt. Der von rechts nach links, d. h. mit abnehmendem Abstand ansteigende Verlauf der Kraft F repräsentiert eine abstoßende Kraft, die beim Unterschreiten eines gewissen Mindestabstandes wieder abnimmt, relativ steil ihr Vorzeichen wechselt und damit anziehend wirkt. Dabei gibt 1 die Länge des Teilbereiches 32 an.
Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung muß jedoch nicht zwangsläufig von der vorstehend beschriebenen Anordnung aus zwei permanentmagnetischen Teilbereichen und einem dazwischen angeordneten weichmagnetischen Teilbereich Gebrauch machen. Die erfindungswesentliche Bildung eines Bauteils mit permanentmagnetischen Eigenschaften aus einer Reihe miteinander verbundener permanentmagnetischer Teilbereiche, die gegenpolig angeordnet sind, kann auch durch mechanische oder adhäsive Kopplungen erreicht werden.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer mechanischen Kopplung mit äußeren Klammern 40. Die äußeren Klammern 40 bestehen vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material hoher Permeabilität, um die inneren gegenpolig ausgerichteten Magnetpole, hier Süd-Süd, gegen das erste veränderliche Magnetfeld abzuschirmen.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung einer mechanischen Klammerung, bei der eine innere Klammer 42 die beiden gegenpolig ausgerichteten permanentmagnetischen Teilbereiche 24 und 26 zusammenhält. Die Klammer 42 kann den Stößel 34 bilden.
Fig. 6 veranschaulicht eine adhäsive Kopplung gegenpolig ausgerichteter permanentmagnetischer Teilbereiche 24 und 26 mit einer beidseitig klebenden Schicht 44. Zusätzlich veranschaulicht Fig. 6 noch die Möglichkeit, die magnetischen Eigenschaften wenigstens eines permanentmagnetischen Teilbereichs 24 oder 26 mit para- oder diamagnetischen Auflagen 46 zu verändern. Eine solche Auflage 46 kann auch die Funktion haben, den mechanischen Anschlag des Bauteils 16 mit permanentmagnetischen Eigenschaften an ein Deckelelement 20 oder 22 aus weichmagnetischem Material zu dämpfen. In der Darstellung der Fig. 6 besteht die Auflage 46 aus Kunststoff. Je nach Anwendung und Ziel können jedoch auch andere Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise nichtmagnetische Weichmetalle, wie Blei und Messing.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mechanischen Klammerung. Dargestellt ist hier eine Klammerung mit einer äußeren Klammer 40, die so dimensioniert ist, daß zwischen den gegenpolig ausgerichteten inneren Magnetpolen der Anordnung ein Zwischenraum 48 freibleibt. Mit anderen Worten: in diesem Fall besteht der Teilbereich 32 mit nicht-permanentmagnetischen Eigenschaften beispielsweise aus dem Stoff, der die Aufnahmevorrichtung auch außerhalb des permanentmagnetischen Bauteils erfüllt, beispielsweise Luft, Gas oder Flüssigkeit.
Fig. 8 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer magnetischen Kopplung dar. Während bei der oben beschriebenen magnetischen Kopplung ein Teilbereich 32 betrachtet wurde, der komplett aus weichmagnetischem Material bestand, sieht der Gegenstand der Fig. 8 vor, daß der Teilbereich 32 zwei weichmagnetische Teilbereiche 50, 52 aufweist, die jeweils mit einer Seite an einen der beiden permanentmagnetischen Teilbereiche 24 und 26 ankoppeln und die untereinander durch jeweils einseitiges Verbinden (bspw. Adhäsiv) mit einer Zwischenlage aus nichtmagnetischem Material 54 verbunden sind.
Fig. 9 zeigt eine Verteilung von Weicheisenteilvolumen 56 in einer Kunststoffmatrix 58 als weiteres Ausführungsbeispiel eines magnetisch koppelnden nicht-permanentmagnetischen Teilbereichs 32.
Fig. 10 zeigt mit einer im Querschnitt gezeigten Spule 60 als Beispiel einer Induktionsschleife eine weitere Möglichkeit zur Bereitstellung eines ersten veränderlichen Magnetfeldes. Die Induktionsschleife 60 wird über Anschlüsse 62 und 64 mit kurzzeitigen Stromimpulsen wechselnder Polarität erregt. Je nach Polarität des Erregerstromimpulses beschleunigt das resultierende elektromagnetische Feld der Induktionsschleife 60 das permanentmagnetische Bauteil 16 von der einen stabilen Lage (Deckelelement 20) zur anderen stabilen Lage (Deckelelement 22) oder umgekehrt. Dabei wird über den Stößel 34 ein Stellelement 66, beispielsweise ein Schalter, in einem Arbeitsstromkreis 68 geöffnet oder geschlossen. Diese Darstellung mit einem Arbeitsstromkreis 68 und einem Schalter 66 entspricht einem bistabilen Relais als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung.
Fig. 11 zeigt ein Ersatzschaltbild des Erregerstromkreises. Die Ziffer 60 bezeichnet die Induktionsschleife, die über die Anschlüsse 62 und 64 in Strompfade 68 integriert ist, die außerdem eine Stromquelle 70 und Mittel 72 zum Verändern des durch den Strompfad fließenden elektrischen Stroms aufweisen. Das Mittel 72 kann als Steuermittel in Form eines Mehrstellenschalters realisiert sein, der eine erste Steuerstellung aufweist, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke aus der Stromquelle 70 in einer ersten Richtung durch den Strompfad 68 und die Induktionsschleife 60 fließen läßt. In einer zweiten Steuerstellung fließt der Strom in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durch den Strompfad mit der Induktionsschleife. In der dritten Steuerstellung ist der Stromfluß durch den Strompfad und die Induktionsschleife 60 zumindest verringert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel fließt in der dritten Schaltstellung kein Strom.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 12 und 13 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 dadurch, daß zwei Induktionsschleifen/Spulen 82, 84 mit jeweils eigenen Strompfaden 86 und 88 über Anschlüsse 74 und 76 bzw. 78 und 80 mit einem Erregerstrom aus der Stromquelle 70 versorgt werden. Das Steuermittel 72 ist in diesem Fall so ausgestaltet, daß es eine erste Steuerstellung aufweist, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke aus der Stromquelle 70 durch den Strompfad 86 fließen läßt, und eine zweite Steuerstellung aufweist, in der das Steuermittel 72 einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke durch den zweiten Strompfad 88 fließen läßt. In einer dritten Steuerstellung ist der Stromfluß aus der Stromquelle 70 zumindest verringert und gegebenenfalls auf Null herabgesetzt.
Dabei sind die beiden Strompfade jeweils so ausgerichtet, daß die aus dem Stromfluß durch die zugehörigen Induktionsschleifen resultierenden Magnetfelder voneinander verschiedene Richtungen aufweisen. Dies läßt sich durch entsprechende Polung der Anschlüsse 74, 76 sowie 78, 80 oder durch einen entgegengesetzten Wicklungssinn der Induktionsschleifen 82 und 84 erreichen.
Die Induktionsschleifen der Ausführungsform der Fig. 10 bis 13 umgeben die Aufnahmevorrichtung 18 jeweils äußerlich, d. h., daß sie um die Aufnahmevorrichtung 18 herum gewickelt sind. Die Aufnahmevorrichtung 18 kann dazu so ausgestaltet sein, daß sie einen Hohlzylinder aufweist, in dem das permanentmagnetische Bauteil beweglich geführt ist, und ferner zwei radiale Stege 87 und 89, die einen axialen Abstand voneinander aufweisen. Der Hohlzylinder mit den Stegen 87, 89 bildet dann einen Spulenträger für die Wicklungen der Induktionsschleifen.
Das bistabile Relais der Fig. 14 weist als weitere Besonderheit einen mit dem permanentmagnetischen Bauteil 16 beweglichen Stößel aus nichtmagnetischem Material auf, der sich durch eine Bohrung in einem Deckelelement, hier 22, aus der Aufnahmevorrichtung 18 heraus erstreckt und in einer der stabilen Lagen des permanentmagnetischen Bauteils 16 ein Stellelement, hier eine Kontaktplatte 90, betätigt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stößel 34 mit dem permanentmagnetischen Bauteil 16 nicht fest verbunden, wird jedoch, wenn das permanentmagnetische Bauteil 16 magnetisch in Kontaktrichtung gerückt wird, von diesem mitgenommen und drückt die Kontaktplatte 90 auf Arbeitsstromkontakte 92 und 94. Vorteilhafterweise wird die Kontaktplatte 90 an dem Stößel 34 über ein erstes federelastisches Element 96 federelastisch beweglich geführt. Bei einer Bewegung des permanentmagnetischen Bauteils 16 in die durch das Deckelelement 22 definierte stabile Kontaktlage legt sich das permanentmagnetische Bauteil 16 zunächst an den Stößel 34 an, drückt diesen dann bis zum Anschlagen des permanentmagnetischen Bauteils 16 an seine stabile Lage weiter nach rechts. Über das erste federelastische Element 96 überträgt sich diese Bewegung des Stößels 34 so lange auf die Kontaktplatte 90, bis diese auf den Arbeitskontakten 92 und 94 aufliegt. Eine Weiterbewegung des Stößels 34 nach rechts führt dann zu einer Längenänderung des ersten federelastischen Elementes, ohne daß die Kontaktplatte 90 weiterbewegt oder über die Federkraft hinaus belastet wird. Auf diese Weise lassen sich reproduzierbare Kontaktkräfte einstellen.
Wenn die Kontaktplatte 90 wieder von den Kontakten 92 und 94 abgehoben werden soll, wird das erste veränderliche Magnetfeld so verändert, daß das permanentmagnetische Bauteil 16 in die andere stabile Lage, hier zum Deckelelement 20, wechselt. Dadurch wird der Stößel 34 und damit das erste federelastische Element 96 und damit die Kontaktplatte 90 vom Druck durch das permanentmagnetische Bauteil 16 entlastet. Da der Stößel 34 in diesem Ausführungsbeispiel aber nicht formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem permanentmagnetischen Bauteil 16 verbunden ist, reicht diese Druckentlastung allein noch nicht aus, um die Kontaktplatte 90 sicher von den Arbeitskontakten 92 und 94 abzuheben und damit den Arbeitsstromkreis zuverlässig zu trennen.
Eine zuverlässige Trennung des Arbeitsstromkreises wird in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 14 durch ein zweites federelastisches Element 98 erreicht, das sich in einem mit der Aufnahmevorrichtung 18 und/oder einem Deckelelement 20 oder 22, gegebenenfalls unter Einschluß weiterer Bauelemente, verbundenen Gehäuse 100 abstützt. In der dargestellten Stellung nimmt das zweite federelastische Element 98 beim Schließen der Kontakte 92, 94 durch die Kontaktplatte 90 Energie auf und setzt diese bei druckentlastetem Stößel 34 frei, um den Stößel 34 mit der Kontaktplatte 90 zuverlässig von den Arbeitskontakten 92 und 94 weg zu bewegen. Die Federkraft des Elementes 98 ist kleiner als die des Elementes 96.
Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen multistabilen Stellvorrichtung in Form eines bistabilen Relais, ähnlich dem der Fig. 14. Ein wesentlicher Unterschied dieses Ausführungsbeispiels zu dem der Fig. 14 besteht darin, daß der Stößel 34 beim Gegenstand der Fig. 15 kraftschlüssig mit dem permanentmagnetischen Bauteil 16 verbunden ist. Beispielsweise weist das Ende des Stößels 34, das dem permanentmagnetischen Bauteil 16 zugewandt ist, ein mit dem übrigen Stößel fest verbundenes weichmagnetisches Element 102 auf. Aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften koppelt das weichmagnetische Element magnetisch an das permanentmagnetische Bauteil 16 an und verbindet damit den Stößel 34 kraftschlüssig mit dem permanentmagnetischen Bauteil 16. Diese kraftschlüssige Verbindung bewirkt, daß beim Schalten des bistabilen permanentmagnetischen Bauteils 16 in die durch das Deckelelement 20 definierte stabile Lage der Stößel 34 nicht nur vom Anpreßdruck entlastet wird, sondern darüber hinaus mittels des permanentmagnetischen Bauteils 16 von den Kontakten 92 und 94 weggezogen wird. Diese magnetische Kopplung übernimmt damit gewissermaßen die Funktion des zweiten federelastischen Elements 98 aus der Fig. 14, so daß dieses zweite federelastische Element beim Ausführungsbeispiel der Fig. 15 im allgemeinen entbehrlich ist.
Fig. 16 offenbart eine vergrößerte Darstellung eines Teils des Stößels 34 mit einem weichmagnetischen Element 102. Vorteilhafterweise weist der Stößel 34 nur ein weichmagnetisches Element 102 auf und besteht nicht ganz aus weichmagnetischem Material. Wenn er aus weichmagnetischem Material bestehen würde, würde er den magnetischen Fluß von dem permanentmagnetischen Bauteil auch in den Bereich der Kontakte 92 und 94 leiten, was zumindest störende Kraftwirkungen zur Folge haben könnte. Um dies zu vermeiden, kann der Stößel 34 beispielsweise im wesentlichen aus Messing bestehen und nur an einem Ende mit dem weichmagnetischen Element 102, beispielsweise einer weichmagnetischen Stahlscheibe, versehen sein. Das weichmagnetische Element 102 kann beispielsweise in den Stößel 34 hineingeschraubt, hineingeschrumpft, hineingelötet oder hineingeklebt sein.
Die Fig. 17a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen multistabilen Stellvorrichtung, das sich an das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 anlehnt. Vom Gegenstand der Fig. 1 unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Fig. 17a durch ein Polschuhelement 104, das mit einem der Deckelelemente 20, 22, hier mit dem Deckelelement 22, magnetisch leitend verbunden ist. Das Polschuhelement 104 bewirkt, das der Schadluftspalt auf die Ausdehnung x verkleinert wird. Der Schadluftspalt x ist der Abstand eines permanentmagnetischen Bereichs 24, 26 von seinem Deckelelement 20, 22 in der nicht durch ihn definierten stabilen Lage. Je kleiner dieser Schadluftspalt ist, desto größer ist die bei ansonsten gleichen Systemparametern, wie Erregerstromstärken, Wicklungszahlen und Flußdichten, vom ersten veränderlichen magnetischen Feld auf den permanentmagnetischen Bereich 26 ausgeübte Kraft. Die Verwendung von Polschuhelementen 104 mit variablen Abmessungen ermöglicht damit eine Einstellung der Kraftwirkung zwischen dem ersten magnetischen veränderlichen Feld und dem permanentmagnetischen Bereich 26 (oder, bei anderer Anordnung 24) in Abstimmung auf den jeweiligen Anwendungsfall, ohne eine Veränderung der sonstigen Parameter oder der übrigen Geometrie der Anordnung.
Fig. 17b veranschaulicht die Kraftwirkung zwischen dem Polschuhelement 104 und dem permanentmagnetischen Bereich 26 in Abhängigkeit von der Ausdehnung x des Schadluftspaltes.
Fig. 18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen bistabilen Stellvorrichtung, das sich ebenfalls an den Gegenstand der Fig. 1 anlehnt. In Abweichung vom Gegenstand der Fig. 1 sieht Fig. 18 keinen mechanischen Stößel 34 vor. Der Gegenstand der Fig. 18 repräsentiert vielmehr einen flüssigkeitsgefüllten bistabilen hydraulischen oder pneumatischen Schalter. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt das permanentmagnetische Bauteil 16 gewissermaßen als Verdrängerkolben, mit dem eine Hydraulikflüssigkeit aus einem Volumen 106 in der Aufnahmevorrichtung in ein hydraulisches Stellelement 108 hinein verdrängt werden kann. Das hydraulische Stellelement 108 kann zur Kraftübersetzung beispielsweise einen zweiten Verdrängerkolben 110 enthalten, der seinerseits ein Stellelement 112, beispielsweise einen elektrischen Schalter oder ein hydraulisches Ventil, betätigt. Als zweite unabhängige Änderung gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist der Gegenstand der Fig. 18 dritte federelastische Elemente 114 auf, die als kleine Metallbügel 116 oder federelastische Gummi- oder Kunststoffelemente 118 realisiert sein können. Diese können beispielsweise im Inneren der Aufnahmevorrichtung 18 so angebracht sein, daß sie das permanentmagnetische Bauteil 16 in vorbestimmten stabilen Lagen federelastisch einrastend festhalten.
Fig. 19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer multistabilen Stellvorrichtung, mit dem mehr als zwei Schaltzustände realisiert werden können. Das permanentmagnetische Bauteil 16 ist hier in Kreisform realisiert, wobei die Pole an Kreisabschnitten liegen. Wesentlich ist auch hier eine gegenpolige Anordnung der permanentmagnetischen Teilbereiche 24 und 26. Bewegliche Permanentmagnete 12 und 14 repräsentieren in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes veränderliches Magnetfeld, das auch durch andere Mittel, beispielsweise durch Induktionsschleifen, bereitgestellt werden kann.
Vier gerundete, sternförmig angeordnete weichmagnetische Jochteile 120, 122, 124 und 126 definieren in diesem Ausführungsbeispiel vier verschiedene stabile Lagen für das rotationssymmetrische permanentmagnetische Bauteil 16. Durch Umpolen des Permanentmagneten 14 und Annähern des beweglichen Magneten 12kann beispielsweise das rotationssymmetrische permanentmagnetische Bauteil 16 von der durch das Weicheisenteil 120 definierten stabilen Lage in die durch das Weicheisenteil 122 definierte stabile Lage umgeschaltet werden.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt die vielfältigen Realisierungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen multistabilen Stellvorrichtung. Mit der in Fig. 19 dargestellten Ausführungsform lassen sich beispielsweise mechanische Stößel in ähnlicher Weise verbinden, wie es bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben wurde. Lediglich als weitere Möglichkeit sei eine Verallgemeinerung der zweidimensionalen Darstellung der Fig. 19 auf drei Dimensionen angedeutet, was zwei zusätzliche stabile Lagen bereitstellen würde.

Claims

1. Multistabile Stellvorrichtung (10) mit
Mitteln (12, 14, 60, 82, 84) zum Bereitstellen eines ersten veränderlichen Magnetfeldes;
einem Bauteil (16) mit permanentmagnetischen Eigenschaften;
einer Aufnahmevorrichtung (18), die das Bauteil (16) aufnimmt und die wenigstens zwei stabile Lagen für das Bauteil (16) bereitstellt, wobei das Bauteil (16) durch Verändern des ersten Magnetfeldes von jeweils einer stabilen Lage in eine andere stabile Lage bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bauteil (16) eine Reihe miteinander verbundener permanentmagnetischer Teilbereiche (24, 26) aufweist, die so angeordnet sind, daß die beiden Enden (28, 30) der Reihe gleichnamige magnetische Polarisierung aufweisen.

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe wenigstens einen nicht-permanentmagnetischen Teilbereich (32) aufweist, der zwischen zwei permanentmagnetischen Teilbereichen (24, 26) angeordnet ist.

3. Stellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-permanentmagnetische Teilbereich (32) zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material besteht.

4. Stellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Material ein einzelnes kompaktes Volumen ausfüllt.

5. Stellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Material in wenigstens zwei Teilvolumen (50, 52, 56) angeordnet ist, die mit wenigstens einem dia- oder paramagnetischen weiteren Teilbereich (54, 58) mechanisch oder adhäsiv verbunden sind.

6. Stellvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des weichmagnetischen Materials in Verbindung mit seiner räumlichen Verteilung innerhalb des nicht-permanentmagnetischen Teilbereichs (32) eine magnetische Haftung der beiden permanentmagnetischen Teilbereiche (24, 26) an dem nicht-permanentmagnetischen Teilbereich (32) bewirkt.

7. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei permanentmagnetischen Teilbereiche (24, 26) durch wenigstens eine innere (42) und/oder äußere (40) Klammer mechanisch verbunden sind.

8. Stellvorrichtung nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-permanentmagnetische Teilbereich (32) aus dem Stoff besteht, der die Aufnahmevorrichtung (18) auch außerhalb des permanentmagnetischen Bauteils (16) füllt (Luft, Gas oder Flüssigkeit).

9. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bereitstellen des ersten veränderlichen Magnetfeldes wenigstens einen Permanentmagneten (12, 14) aufweisen.

10. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (12, 14, 60, 82, 84) zum Bereitstellen des ersten veränderlichen Magnetfeldes einen elektrischen Strompfad (68) mit wenigstens einer Induktionsschleife (60) und Mittel (70, 72) zum Verändern eines durch den Strompfad fließenden elektrischen Stroms aufweisen.

11. Stellvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (70, 72) zum Verändern des durch den Strompfad (68) fließenden elektrischen Stroms eine Stromquelle (70) und Steuermittel (72) aufweisen, wobei die Steuermittel (72) (i) eine erste Steuerstellung, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke aus der Stromquelle (70) in einer ersten Richtung durch den Strompfad (68) fließen läßt, (ii) eine zweite Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke aus der Stromquelle (70) in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durch den Strompfad (68) fließen läßt, und (iii) eine dritte Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Stromfluß aus der Stromquelle (70) zumindest verringert.

12. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (12, 14, 60, 82, 84) zum Bereitstellen des ersten veränderlichen Magnetfeldes wenigstens einen ersten (86) und einen zweiten Strompfad (88) mit jeweils wenigstens einer Induktionsschleife (82, 84) und Mittel (70, 72) zum Verändern eines jeweils durch einen der Strompfade (86, 88) fließenden elektrischen Stroms aufweisen.

13. Stellvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verändern des durch jeweils einen Strompfad (86, 88) fließenden elektrischen Stroms eine Stromquelle (70) und Steuermittel (72) aufweisen, wobei die Steuermittel (72) (i) eine erste Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke aus der Stromquelle (70) durch den ersten Strompfad (86) fließen läßt, (ii) eine zweite Steuerstellung aufweisen, die einen elektrischen Strom vorgegebener Stärke durch den zweiten Strompfad (88) fließen läßt, und (iii) eine dritte Steuerstellung aufweisen, die den Stromfluß aus der Stromquelle (70) zumindest verringert, wobei die beiden Strompfade (86, 88) jeweils so ausgerichtet sind, daß die aus dem Stromfluß durch die zugehörigen Induktionsschleifen (82, 84) resultierenden Magnetfelder voneinander verschiedene Richtungen aufweisen.

14. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strompfad (68, 86, 88) mehrere, eine elektromagnetische Spule bildende Induktionsschleifen (60) aufweist.

15. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Induktionsschleife (60, 82, 84) die Aufnahmevorrichtung (18) mit dem permanentmagnetischen Bauteil (16) äußerlich umgibt.

16. Stellvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (18) eine Längsachse aufweist, in deren Richtung das permanentmagnetische Bauteil (16) beweglich ist, und daß die Aufnahmevorrichtung (18) ferner zwei umlaufende Stege (87, 89) aufweist, die sich in radialer Richtung erstrecken und einen axialen Abstand aufweisen, und daß die wenigstens eine Induktionsschleife (60, 82, 84) zwischen den umlaufenden Stegen (87, 89) verläuft.

17. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (18) zwei Deckelelemente (20, 22) aufweist, die die Aufnahmevorrichtung (18) in axialer Richtung begrenzen.

18. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem permanentmagnetischen Bauteil (16) beweglichen Stößel, der sich durch eine Bohrung in einem Deckelelement (20, 22) aus der Aufnahmevorrichtung (18) heraus erstreckt und in einer der stabilen Lagen des permanentmagnetischen Bauteils (16) ein Stellelement (66) betätigt.

19. Stellvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (66) zwei elektrisch leitfähige Kontakte (92, 94) und eine mit dem Stößel (34) gekoppelte Kontaktplatte (90) aufweist, die die beiden elektrisch leitfähigen Kontakte (92, 94) in einer der beiden stabilen Lagen des permanentmagnetischen Bauteils (16) schließt und in der anderen stabilen Lage des Bauteils (16) öffnet.

20. Stellvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich außerhalb der Aufnahmevorrichtung (18) erstreckender Teil des Stößels (34) die Kontaktplatte (90) über ein erstes federelastisches Element (96) federbelastet beweglich führt.

21. Stellvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Bewegung des Stößels (34) in Richtung der Kontakte (92, 94) federbelastet auf die Kontaktplatte (90) bis zum Aufsetzen der Kontaktplatte (90) auf die Kontakte (92, 94) überträgt und eine Weiterbewegung des Stößels (34) in dieser Richtung nach dem Aufsetzen der Kontaktplatte (90) durch eine Längenänderung des ersten federelastischen Elementes (96) aufgenommen wird.

22. Stellvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (34) beim Wechsel des permanentmagnetischen Bauteils (16) in die stabile Lage, in der der Kontakt (90, 92, 94) öffnet, mit einem zweiten federelastischen Element (98) von den Kontakten weg bewegt wird.

23. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (34) an dem Ende, das sich innerhalb der Aufnahmevorrichtung (18) erstreckt, permanentmagnetisch oder weichmagnetisch ausgestaltet ist und magnetisch an das permanentmagnetische Bauteil (16) ankoppelt.

24. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Deckelelement (20, 22) zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material besteht.

25. Stellvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Deckelelement (20, 22) ein weichmagnetisches Polschuhelement (104) aufweist, das in die Aufnahmevorrichtung (18) hineinragt.

26. Stellvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (18) mit den Deckelelementen (20, 22) einen flüssigkeitsgefüllten Arbeitszylinder bildet, in dem das permanentmagnetische Bauteil (16) als Verdrängerkolben wirkt, das ein hydraulisches Stellelement (108) betätigt.

27. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß dritte federelastische Elemente (114), die das permanentmagnetische Bauteil (16) federelastisch einrastend bei schwachem oder fehlendem ersten Magnetfeld in einer stabilen Lage halten, vorgesehen sind.

28. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnetischen Bereiche neben Eisen seltene Erden enthalten (bspw. Eisen- Neodym-Bor-Magnete).