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Die
Erfindung betrifft ein Magnetsystem mit einem Elektromagneten und
einem von diesem bewegbaren Betätigungselement.
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Es
sind Mgnetsysteme mit Elektromagneten, insbesondere mit bistabilen
Hubmagneten, bekannt, welche zur Verriegelung von Bauteilen eingesetzt werden.
Bei diesen ist der Elektromagnet bzw. Hubmagnet über eine Blattfeder mit einem
Verriegelungsstift verbunden. Für
den Fall, dass der Verriegelungsstift blockiert sein sollte, speichert
die Blattfeder die geleistete Hubarbeit, welche dann wenn die Blockade
des Verriegelungsstiftes aufgehoben ist, diesen in die gewünscht Position
bewegt. Die Umlenkung mittels der Blattfeder erfordert einen größeren Bauraum,
was bei bestimmten Anwendungen unerwünscht ist.
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Die
Dauerbestromung des Elektromagneten könnte den Federspeicher verzichtbar
machen, hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Energieverbrauches bzw.
eines größeren Bauraumes.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Magnetsystem zur Bewegung eines
Betätigungselements
dahingehend zu verbessern, dass er auch ohne Dauerbestromung eine
Bewegung zeitverzögert
ausführen
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Magnetsystem mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen,
der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Das
erfindungsgemäße Magnetsystem
weist einen Hubmagneten bzw. einen Elektromagneten mit einem linear
beweglichen Anker auf. Der Anker wird durch Bestromung einer in
dem Elektromagneten angeordneten Spule in bekannter Weise bewegt.
Durch Anordnung mehrerer Spulen, welche unterschiedlich bestromt
werden können,
oder durch Umkehr der elektrischen Polarität kann darüber hinaus die Bewegungsrichtung
des Ankers geändert
werden. Der Anker ist mit einem linear beweglichen Betätigungselement
verbunden. Das Betätigungselement
kann mit einem externen Bauteil, welches bewegt werden kann, verbunden
werden oder gleich ein solches bewegbares Bauteil bilden. Insbesondere
kann es sich bei dem Betätigungselement
um ein Verriegelungselement handeln, beispielsweise ein Verriegelungselement,
welches formschlüssig
mit einem korrespondierenden zu verriegelnden Bauteil in Eingriff
treten kann.
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Erfindungsgemäß ist der
Anker mit dem Betätigungselement
nicht direkt, sondern über
mindestens eine als Zug- und/oder Druckfeder wirkende Feder verbunden.
Dies bewirkt, dass die Feder die Hubenergie des Elektromagneten
in den Fällen
speichern kann, in denen das Betätigungselement
sich nicht direkt in eine gewünscht
Position bewegen kann, beispielsweise weil es von außen blockiert
ist. Die gespeicherte Energie ermöglicht es dann später, wenn
die Bestromung des Elektromagneten bereits abgeschaltet ist, das
Betätigungselement
in gewünschter
Weise zu bewegen. Erfindungsgemäß ist die
Feder als Zug- und/oder
Druckfeder wirkend ausgebildet. Je nach gewünschter Bewegungsrichtung kann
die Anordnung einer Zug- oder einer Druckfeder bevorzugt sein. Wenn
eine Bewegung des Betätigungselementes
durch den Anker in zwei einander entgegengesetzten Richtungen erwünscht ist,
kann es darüber
hinaus bevorzugt sein, die Feder so auszubilden, dass sie als Zug-
und als Druckfeder wirken kann. Auch ist eine Kombination der als
Druckfeder wirkenden Feder und einer als Zugfeder wirkenden Feder
möglich,
um diese in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Eigenschaften zu
realisieren. Die zumindest eine Feder ist erfindungsgemäß so angeordnet,
dass ihre Längsachse
und Wirkungslinie parallel zur Bewegungsachse des Ankers verläuft. Dies
ermöglicht
einen kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Magnetsystems, da keine
auskragenden Hebel erforderlich sind, wie sie bekannte Blattfederelemente
darstellen. Die linear parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers
wirkende Feder kann sehr nahe an den Elektromagneten oder auch axial
zu diesen angeordnet werden, sodass eine kompakte Bauform realisiert
wird.
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Besonders
bevorzugt ist der Hub- bzw. Elektromagnet bistabil ausgebildet,
d. h. er weist Permanentmagneten oder Federn auf, welche den Anker
in zumindest einer, vorzugsweise zwei Endlagen selbsttätig ohne
Bestromung der Spulen des Elektromagneten halten. Die Bestromung
der Spulen ist in bekannter Weise nur zum Umschalten zwischen den Endlagen
erforderlich. Durch die Bestromung wird ein Magnetfeld aufgebaut,
welches die permanentmagnetische Kraft oder Federkraft überwindet,
um den Anker zu bewegen.
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Die
zumindest eine Feder ist vorzugsweise eine Schraubenfeder. Eine
solche Feder lässt
sich sehr nah an den Elektromagneten oder auch axial zu diesem anordnen,
sodass das gesamte Magnetsystem mit Federspeicher auf sehr kleinem
Bauraum realisiert werden kann. Eine solche Feder kann eine lineare
oder progressive Federkennlinie aufweisen.
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Weiter
bevorzugt sind der Anker und das Betätigungselement entlang derselben
Bewegungsachse linear beweglich. Auch dies führt zu einem kompakten Bauraum,
da Betätigungselement
und Anker axial hintereinander liegend angeordnet werden können. So
wird insbesondere die Breite quer zur Bewegungsachse des Ankers
verringert.
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Wie
bereits oben erwähnt,
kann in einer bevorzugten Ausführungsform,
die Feder als Zug- und Druckfeder wirken. Dies kann dabei durch
eine in zwei Richtungen wirkende Feder oder aber durch eine Kombination
zweier Federn, nämlich
einer Druckfeder und einer Zugfeder, realisiert werden.
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Eine
von dem Elektromagneten erzeugte, auf den Anker wirkende Magnetkraft
in Richtung der Betätigungsachse
ist vorzugsweise größer als
die Federkraft der zumindest einen Feder. So ist sichergestellt,
dass die Feder gestaucht bzw. gedehnt werden kann, je nachdem, ob
eine Zug- und/oder Druckfeder verwendet wird.
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Weiter
bevorzugt ist die zumindest eine Feder bzgl. der Bewegungsachse
des Ankers radial außerhalb
des Elektromagneten angeordnet. Dabei ist die Bewegungsrichtung
bzw. Wirkungslinie der Feder in radialer Richtung parallel versetzt
zur Bewegungsachse des Ankers angeordnet. So kann die Feder seitlich
nahe dem Außenumfang
des Elektromagneten platziert werden. Sie hat aber eine Wirkungsrichtung
parallel zu der Wirkungs- bzw. Bewegungsrichtung des Ankers.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das erfindungsgemäße Magnetsystem
mehrere Federn auf, welche den Anker mit dem Betätigungselement verbinden, wobei
die Federn vorzugsweise gleichmäßig über den
Umfang des Elektromagneten verteilt angeordnet sind. Die Verwendung
mehrerer Federn ermöglicht
es, mehr Energie auf kleinem Bauraum zu speichern. Die gleichmäßige Verteilung über den
Umfang ermöglicht
eine gleichmäßige Kraftübertragung
auf das Betätigungselement,
ohne dass es zu unerwünschten
Querkräften
oder gar zu einem unerwünschten
Verkanten kommt.
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Insbesondere
kann das Magnetsystem zwei Federn aufweisen, über welche der Anker mit dem Betätigungselement
verbunden ist, wobei die zwei Federn an zwei diametral entgegengesetzten
Seiten radial außerhalb
des Elektromagneten angeordnet sind. Bei der Anordnung mehrerer
Federn sind diese vorzugsweise identisch, d. h. von derselben Geometrie
und mit derselben Federkonstante ausgebildet, sodass eine symmetrische
Kraftübertragung
von dem Anker auf das Betätigungselement
möglich
ist.
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Der
Elektromagnet weist vorzugsweise eine ringförmige Spulenanordnung und einen
im Inneren der Spulenanordnung linear beweglichen Anker auf, wobei
der Anker mit einer sich in Bewegungsrichtung des Ankers erstreckenden
Betätigungsstange
verbunden ist, welche sich mit einem dem Anker abgewandten freien
Axialende aus der Spulenanordnung axial heraus erstreckt. Dieses
freie Axialende der Betätigungsstange
ist weiter bevorzugt mit einem Trägerelement verbunden, an welchem
die zumindest eine Feder angreift. So bewirkt das Trägerelement die
Kraftübertragung
von dem beweglichen Anker bzw. der Betätigungsstange auf die Feder.
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Das
Trägerelement
erstreckt sich vorzugsweise in radialer bzw. diametraler Richtung
bezogen auf die Bewegungsachse über
den Außenumfang des
Elektromagneten hinaus, sodass es eine seitlich des Elektromagneten
parallel zur Bewegungsrichtung der Betätigungsstange angeordnete Feder
mit Kraft beaufschlagen kann. Bevorzugt kragt das Trägerelement
zu zwei diametral entgegengesetzten Seiten über den Außenumfang des Elektromagneten aus,
sodass es zwei Federn an diametral entgegengesetzten Seiten des
Elektromagneten mit Kraft beaufschlagen kann.
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Vorzugsweise
ist das Betätigungselement
an einem Axialende des Elektromagneten gelegen, welches in Richtung
der Bewegungsachse des Ankers demjenigen Axialende des Elektromagneten
entgegengesetzt ist, an welchem das Trägerelement gelegen ist. D.
h. an einem Axialen de ist das Trägerelement
gelegen und am entgegengesetzten Axialende das Betätigungselement.
Die Kraftübertragung
zwischen Trägerelement
und Betätigungselement
erfolgt dabei durch eine oder mehrere sich parallel zur Bewegungsachse
erstreckende Federn.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren
beschrieben. In diesen zeigt:
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1 schematisch
in einer Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Magnetsystem in einer ersten Schaltstellung.
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2 das
Magnetsystem gemäß 1 in
einer zweiten Schaltstellung und
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3 das
Magnetsystem gemäß 1 und 2 in
einer dritten Schaltstellung.
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Das
erfindungsgemäße Magnetsystem
weist einen Hub- bzw. Elektromagneten 2 auf, welcher als bistabiler
Elektromagnet in bekannter Weise ausgestaltet ist. Im Inneren des
Elektromagneten 2 ist ein Anker entlang der Längsachse
X linear beweglich. Der Anker ist mit einer Betätigungsstange 4 verbunden,
welche sich an einem Axialende des Elektromagneten 2 aus
diesem heraus erstreckt. Die Betätigungsstange 4 ist
an ihrem freien, d. h. dem Elektromagneten 2 abgewandten,
Ende mit einem Trägerelement 6 verbunden.
Das Trägerelement 6 erstreckt sich
quer zur Längsachse
X und damit zur Betätigungsstange 4 in
radialer Richtung über
den Außenumfang
des Elektromagneten 2 hinaus. In zwei diametral entgegengesetzten
Bereichen seitlich des Elektromagneten 2 ist jeweils eine
Feder 8 angeordnet. Die Federn sind als Zug- und Druckfedern
ausgebildet, wobei sich ihre Wirkungslinien Z parallel zur Längsachse
X, d. h. zur Bewegungsrichtung der Betätigungsstange 4, erstrecken.
Die Federn 8 sind mit einem ihrer Axialenden mit dem Trä gerelement 6 verbunden.
Mit dem entgegengesetzten Axialende sind sie mit einem Betätigungselement 10 verbunden. Das
Betätigungselement 10 ist
ebenfalls in Richtung der Längsachse
X linear beweglich. Dabei liegen das Trägerelement 6 und das
Bestätigungselement 10 an entgegengesetzten
Axialseiten des Elektromagneten 2. Im hier gezeigten Beispiel
ist das Betätigungselement 10 als
Verriegelungselement ausgebildet und weist einen Verriegelungsvorsprung 12 auf,
welcher zum Eingriff in eine Verriegelungsnut 14 eines
zu verriegelnden Bauteiles 16 vorgesehen ist.
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1 zeigt
eine erste Schaltstellung eines erfindungsgemäßen Magnetsystems, welche einer entriegelten
Position entspricht. Dabei befindet sich der Anker im Inneren des
Elektromagneten 2 in einer Endlage, in welcher die Betätigungsstange 4 maximal
aus dem Elektromagneten 2 herausragt. Über die Federn 8 ist
so auch das Betätigungselement 10 von
dem Bauteil 16 soweit zurückgezogen, dass der Verriegelungsvorsprung 12 nicht
in die Verriegelungsnut 14 eingreift und das Bauteil 16 in
der Richtung Y bewegbar ist. In dieser Position befindet sich das
Betätigungselement 10 in
einer Position, in welcher es einen minimalen Abstand zu dem Axialende des
Elektromagneten 2 aufweist. Der Elektromagnet 2 ist
bistabil ausgebildet, sodass diese Schaltstellung stromlos gehalten
wird.
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2 zeigt
nun den ersten Schritt der Verriegelung. Dazu ist der Anker im Inneren
des Elektromagneten 2 in eine zweite Schaltstellung bewegt
worden, in welcher die Betätigungsstange 4 weiter
in das Innere des Elektromagneten 2 hineingezogen ist und somit
das Trägerelement 6 zu
der Axialseite des Elektromagneten 2 hinbewegt wurde, sodass
es einen minimalen Abstand zur Axialseite des Elektromagneten 2 aufweist.
Gleichzeitig befindet sich das zu verriegelnde Bauteil 16 noch
in der in 1 gezeigten Position, sodass
der Verriegelungsvorsprung 12 nicht in die Verriegelungsnut 14 eingreifen
kann. Dies führt
dazu, dass das Betä tigungselement 10 nicht
in axialer Richtung X bewegt werden kann. So kommt es zu einer Stauchung
der Federn 8, welche somit die Hubenergie des Elektromagneten 2,
welcher diese beim Umschalten von der ersten in die zweite Schaltstellung
aufgebracht hat, speichert. Aufgrund der bistabilen Ausgestaltung
wird der Anker und somit das Trägerelement 6 stromlos
in der gezeigten Schaltstellung gehalten.
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Wenn
nun, wie in 3 gezeigt, das Bauteil 16 in
eine Position bewegt wird, in welcher die Verriegelungsnut 14 dem
Verriegelungsvorsprung 12 gegenüberliegt, können sich die Federn 8 entspannen und
dabei das Betätigungselement 10 in
der Richtung der Längsachse
X von dem Elektromagneten 2 wegbewegen, sodass der Betätigungsvorsprung 12 in
die Verriegelungsnut 14 durch Entspannen der Federn bewegt
wird und so eine Verriegelung erzielt wird.
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Der
Lösevorgang
erfolgt dann in umgekehrter Richtung. D. h. der Elektromagnet 2 wird
durch Bestromen wieder in die erste Schaltstellung, welche in 1 gezeigt
ist, umgeschaltet, wobei die Betätigungsstange 4 aus
dem Inneren des Elektromagneten 2 nach außen bewegt
wird und somit das Trägerelement 6 wieder
in seine Position bewegt wird, in welcher es maximal von dem Elektromagneten 2 beabstandet
ist. Wenn nun das Betätigungselement 10 frei
beweglich ist, ziehen die Federn 8 das Betätigungselement 10 in
derselben axialen Richtung zurück,
d. h. zu dem Elektromagneten 2 hin, sodass der Verriegelungsvorsprung 12 von
der Verriegelungsnut 14 außer Eingriff tritt. Sollte
das Betätigungselement 10 aus
irgendeinem Grund blockiert sein, würde es in der in 3 gezeigten
Position verbleiben und damit die Federn 8 zunächst gedehnt,
sodass sie die Hubenergie des Elektromagneten 2 speichern.
Wird dann das Betätigungselement 10 freigegeben,
ziehen sich die Federn 8 zusammen und ziehen somit das
Betätigungselement 10 von
dem Bauteil 16 weg, sodass der Verriegelungsvorsprung 12 von
der Verriegelungsnut 14 außer Eingriff tritt.
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Zu
erkennen ist, dass die Anordnung der zwei Federn 8 seitlich
des Elektromagneten 2 zum einen zu einem kompakten Aufbau
und gleichzeitig zu einer gleichmäßigen Kraftübertragung auf das Betätigungselement 10 führt.
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- 2
- Elektromagnet
- 4
- Betätigungsstange
- 6
- Trägerelement
- 8
- Federn
- 10
- Betätigungselement
- 12
- Verriegelungsvorsprung
- 14
- Verriegelungsnut
- 16
- Bauteiles
- X
- Längsachse
- Y
- Bewegungsrichtung
- Z
- Wirkungslinien
der Feder 8