DE69209308T2

DE69209308T2 - Drei pole aufweisendes elektromagnetisches betätigungselement für pneumatische verteiler

Info

Publication number: DE69209308T2
Application number: DE69209308T
Authority: DE
Inventors: Pierre Gandel; Claude Oudet
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 1991-10-11
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 1996-11-21
Anticipated expiration: 2012-10-10
Also published as: JPH07502877A; DE69209308D1; WO1993007673A1; FR2682542B1; JP3304976B2; FR2682542A1; EP0607354B1; EP0607354A1; US5559378A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Betätigungsgerät, das eine Kraft durch Strom, die im wesentlichen auf dem gesamten Betätigungsweg konstant ist, erzeugt und bei fehlendem Strom eine verringerte Kraft aufweist, bestehend aus einer Statorstruktur, bestehend aus zwei Teilen, wobei zumindest einer der Teile drei Statorpole aufweist, und einem in Translation beweglichen Organ, bestehend aus zwei Polpaaren, die zwei kleinen in entgegengesetzter Richtung magnetischen Magneten entsprechen, sowie die Herstellung von Druckluftverteilern, die solche Betatigungsgeräte einsetzen.
Solche Betätigungsgeräte, die in Plansymmetrie oder in Axialsymmetrie hergestellt werden können, sind in der vorveröffentlichten Technik von ihrem Allgemeinaufbau her bekannt.
Der Patentanmelder ist insbesondere Inhaber des Patents WO-A-9016109, das ein einphasiges elektromagnetisches Betätigungsgerät mit geringem Raumbedarf betrifft. Die in diesem Patent beschriebenen Betätigungsgeräte sind insbesondere dazu bestimmt, Lese- und Schreibkspfe einer Festplatte zu steuern oder die Feder eines Kurvenzeichners zu betätigen. In diesen Fällen wird eine geringe elektrische Zeitkonstante angestrebt.
Bei Anwendungen, bei denen eine große Kraft durch die an der Spule angelegte elektrische Leistung angestrebt wird, weisen solche von der vorveröffentlichten Technik her bekannten Betätigungselemente mit drei Statorpolen Nachteile auf. Wenn nämlich die Breite der drei Statorpole dem Rotorweg entspricht, kann sich der verfügbare Raum für die Unterbringung des Kupferdrahtes der elektrischen Erregerspule als unzureichend herausstellen.
Es kann zwar die Breite der Pole über die für den erwarteten Rotorweg notwendige Abmessung hinaus erhöht werden. In diesem Fall ist es auch erforderlich, die Breite der Rotorpole zu erhöhen, was zu einer Steigerung des Selbstkostenpreises führt, da die für die Herstellung von kleinen, leistungsstarken Magneten verwendeten qualitativ hochwertigen Magnetmaterialien kostspielig sind.
In der vorveröffentlichten Technik wurde auch vorgeschlagen, Betätigungsgeräte mit mehreren Stufen herzustellen, die 2N+1 Statorpole und 2N Rotorpolpaare oder 2N+1 Rotorpolpaare und 2N Statorpole aufweisen. Allerdings ergeben sich außer dem hohen Preis solcher Betätigungsgeräte große Platzerfordernisse.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, indem ein elektromagnetisches Betätigungsgerät nach Anspruch 1 geschaffen wird, bestehend aus drei Statorpolen und zwei Rotorpolpaaren, die eine große Kraft durch die angelegte elektrische Leistung und einen optimalen Platzbedarf bewirken können. Die Erfindung betrifft insbesondere ein lineares Betätigungsgerät bzw. ein Betätigungsgerät mit Axialgeometrie, bestehend aus einer Statorstruktur, die zwei Statorteile aufweist. Einer der Statorteile weist einen Mittelpol auf, dessen Länge YC größer oder gleich dem Weg Y des Rotororgans ist, vergrößert um eine Länge, die im wesentlichen gleich der Länge E des Luftspalts ist. Die Länge YL der Seitenpole wird nur durch das für die Lagerung der elektrischen Erregerspule erforderliche Volumen bestimmt, deren Merkmale in Abhängigkeit von der erforderlichen Kraft durch angelegte elektrische Leistung einerseits und der Dicke Z der Spule andererseits bestimmt werden. Die Länge YL ist größer als die Länge YC des Mittelstatorpols.
Im Gegensatz dazu, wie es auf diesem Gebiet üblich ist, weist das erfindungsgemäße Betatigungsgerät mit drei Polen einen Mittelpol und zwei Seitenpole unterschiedlicher Abmessungen auf. Diese für den Fachmann überraschende Ausführungsart ermöglicht es dennoch, zufriedenstellende Leistungen beizubehalten und gleichzeitig die entsprechende Lagerung einer Spule mit einem großen Kupfervolumen zu ermöglichen. Sie ermöglicht es auch, den seitlichen Platzbedarf des Betätigungsgerätes zu begrenzen und somit den bei zahlreichen Anwendungen geforderten Auflagen zu entsprechen.
Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der Spulendicke, gemessen entlang der auf den kleinen Magneten senkrechten Ebene, und der Länge Ycu der Spule, gemessen entlang der Verschiebeachse des beweglichen Organs, kleiner oder gleich 1 und vorzugsweise gleich 1. Mit anderen Worten ist die Spule mehr lang als hoch und weist vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt auf. Diese Wahl ermöglicht es nämlich, die Leckagen des Magnetfeldes über die Kupferspule hinweg zu begrenzen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart, die es ermöglicht, das Kupfervolumen ohne Vergrößerung der Außenmaße des Betätigungsgeräts zu erhöhen, wird der Mittelpol durch einen Kern mit einem Querschnitt, der kleiner als der Querschnitt des Mittelpols ist, verlngert. Der Querschnitt des auf diese Weise gebildeten Kerns wird dermaßen festgelegt, daß der Durchfluß des Magnetflusses im Nominalbetrieb ohne Sättigung des Materials, aus dem er besteht, möglich ist.
Das erfindungsgemäße Betätigungsgerät kann in Plansymmetrie oder in Axialsymmetrie hergestellt werden. In letztgenanntem Fall sind die Statorstruktur sowie der Rotor zylindrisch. Der Rotor ist in Translation entlang einer y-Achse beweglich, die der Krümmungsachse der zylindrischen Statorstruktur und des Rotors entspricht.
Das Verhältnis Db/db liegt vorzugsweise zwischen 1,2 und 2,1, wobei:
- Db den Außendurchmesser der Spulen bezeichnet;
- db den Innendurchmesser der Spulen bezeichnet.
Dieses Verhältnis ist vorzugsweise im wesentlichen gleich 1,65 und liegt zumindest zwischen 1,4 und 1,9. Dieses Verhältnis ermöglicht es, die Magnetverluste, die in der Statorstruktur entstehen, zu optimieren.
Der Mittelpol ist vorzugsweise von den Seitenpolen um einen Abstand e getrennt, der größer oder gleich 0,5 E ist, wobei E die Breite des Luftspalts bezeichnet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart ist der zweite Statorteil beweglich und fest mit dem Rotor verbunden. Diese Ausführungsart ermöglicht es, den Luf tspalt zu verringern und somit die Leistung des Betätigungsgeräts zu erhöhen.
Der zweite Statorteil wird vorzugsweise von einem Magnetioch aus einem weichen magnetischen Material gebildet, das im Nominalbetrieb nicht sättigbar ist und eine Länge aufweist, die höchstens gleich der Länge der Rotorpole ist. Der Querschnitt dieses Magnetjochs weist vorzugsweise einen Trapezquerschnitt auf.
Die Erfindung betrifft auch ein Druckluftventil, das von einem zylindrischen Körper gebildet wird, der zumindest einen ersten Ausgang aufweist, welcher mit einem ersten Eingang in Verbindung steht, wenn das bewegliche Organ eine erste Position einnimmt, während die Verbindung zwischen dem ersten Eingang und dem ersten Ausgang unterbrochen ist, wenn das bewegliche Organ eine zweite Position einnimmt.
Besondere Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung werden im nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
- Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsart eines Betatigungsgeräts mit Plansymmetrie darstellt, bei dem der zweite Statorteil fest ist;
- Figur 2 eine Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Betätigungsgeräts darstellt, bei dem der zweite Statorteil mit den Dauermagneten beweglich ist;
- Figur 3 eine Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Betätigungsgeräts darstellt, dessen beweglicher Teil auf Federblättern aufgehängt ist;
- Figur 4 eine Querschnittansicht eines Betätigungsgeräts mit Axialsymmetrie darstellt, das vier Spulen umfaßt, die jeweils einen der Kerne umgeben;
- Figur 5 eine Längsschnittansicht eines Druckluftventils darstellt, bei dem ein Betätigungsgerät mit Axialsymmetrie eingesetzt wird.
Das in Figur 1 dargestellte Betätigungsgerät wird von einer Statorstruktur gebildet, bestehend aus einem ersten Statorteil (1) und einem zweiten Statorteil (2). Diese beiden Statorteile (1) und (2) definieren einen Luftspalt (3), in dem sich ein bewegliches Organ (4) verschiebt. Der erste Statorteil (1) weist drei Statorpole auf, nämlich einen mittleren Statorpol (5) und zwei seitliche Statorpole (6 und 7). Der erste Statorteil (1) weist überdies zwei Hohlräume (8, 9) mit quadratischen Querschnitten auf, in denen eine Kupferdrahtspule, die den Fuß des Mittelpols (5) umgibt, gelagert ist. Diese Spule erzeugt ein Magnetfeld, das sich über die beiden Rotorpole (10, 11) und den zweiten Statorteil (2) schließt. Die beiden Rotorpole (10, 11) werden von zwei kleinen aneinandergrenzenden Magneten gebildet, die in entgegengesetzte Richtungen quer magnetisch sind. Der erste Rotorpol (10) weist in dem beschriebenen Beispiel einen Nordpol, der zur Seite des ersten Statorteus (1) gerichtet ist, und einen Südpol auf, der zu dem zweiten Statorteil (2) gerichtet ist. Der zweite Rotorpol (11) weist einen Südstatorpol auf, der zum ersten Statorteil (1) gerichtet ist, und einen Nordstatorpol, der zum zweiten Statorteil (2) gerichtet ist.
Die kleinen Magnete bestehen aus einem magnetischen Material, wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor oder Samanum-Kobalt.
Die beiden Rotorpole (10, 11) sind in einem Träger (12) montiert, der aus einem nicht magnetischen Material besteht. Dieser Träger wird von Kissen (13, 14, 15, 16) geführt, die am Ende der Statorteile (1) und (2) angeordnet sind.
Die Breite YC des mittleren Statorpols (5) entspricht im wesentlichen dem Weg des beweglichen Organs (4), vergrößert um eine Abmessung E, die der Breite des Luftspaltes entspricht. Die beiden Seitenpole (6, 7) weisen eine Länge YL auf, die von dem Kupfervolumen, das erforderlich ist, um die notwendige Kraft durch angelegte elektrische Leistung zu erhalten, bestimmt wird.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die z-Richtung die auf die Blattebene senkrechte Richtung ist, d.h. die Richtung, die zur Verschiebeachse Y des beweglichen Organs, welche in der Ebene des beweglichen Organs enthalten ist, senkrecht steht, ist die Kraft F gleich 2.B.Z.n.i, wobei:
- B die von dem Magneten in den Luftspalt gelieferte Induktion bezeichnet. Dieser Wert ist konstant im Absolutwert bei fehlendem Strom;
- Z die Dicke des Rotors in z-Richtung bezeichnet;
- n die Anzahl von Umdrehungen des Kupferdrahtes bezeichnet;
- i die an die Spule angelegte Stromstärke bezeichnet.
Wird ni in Abhängigkeit von der angelegten Leistung Pe ausgedrückt, wird die Kraft F ausgedrückt als
F = 2 x B x Z x R&sub0; oder bei einer Einheitsleistung von Pe=1
F1 = 2 x B x z/ R&sub0;
wobei R&sub0; ein Geometriekoeffizient ist, der mit den Spulenabmessungen zusammenhängt.
Unter der Annahme, daß der Mittelpol (5) des Stators strikt auf die Breite YC begrenzt ist, die zur Erzeugung einer konstanten Kraft auf dem erforderlichen Weg notwendig ist, kann der Koeffizient R&sub0; ausgedrückt werden in Abhängigkeit von:
- TC, das die Breite des Mittelpols (5) nach der y- Achse gemessen bezeichnet;
- Z, das der Dicke des Mittelpols (5) in z-Richtung gemessen entspricht;
- H, das die Höhe der Spule nach der x-Achse senkrecht auf die Magnetebene darstellt;
- YL, das die Breite der Seitenpole darstellt, gemessen nach der y-Achse, die zur freien Translationsachse des beweglichen Organs parallel ist;
- Ycu, das der Kupferdicke entspricht;
- η, das dem Füllungskoeffizienten der Spule entspricht;
- , das dem Leitungswiderstand des Kupfers entspricht.
Es ergibt sich R&sub0; = p 2yc + 2Z + πYcu/YcuHη
d.h. Z = x YL
2 x (1 + ) x Yc
R&sub0; = Ycu + π/H x η
Unter Berücksichtigung der erforderlichen Parameter , , YC kann R&sub0; verringert und somit F1 erhöht werden, indem auf die Parameter Ycu und H Einfluß genommen wird. Der Parameter H entspricht der Höhe der Spule und ist oft durch den maximal zulassigen Platzbedarf begrenzt. Um die Kraft pro Wattwurzel zu erhöhen, ermöglicht es das erfindungsgemäße Betätigungsgerät aufgrund der Seitenpole mit größeren Abmessungen als die Abmessungen des Mittelpols, die Spulenlänge zu vergrößern.
In dem beschriebenen Beispiel ist die Breite YL der Seitenpole (6 und 7) zweimal größer als die Breite YC des Mittelpols (5).
Der zweite Statorteil wird in dem in Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem paralleiflachen Volumen gebildet, das aus einem Material hoher magnetischer Durchlässigkeit hergestellt ist, dessen Abmessungen ausreichen, um den Durchgang des gesamten Magnetflusses, der die Magneten (10) und (11) durchquert, zu ermöglichen.
Figur 2 stellt eine Ausführungsvariante eines Betätigungsgeräts mit Plansymmetrie dar, bei der der zweite Statorteil (2) fest mit den angrenzenden Dauermagneten (10) und (11) verbunden ist.
Der zweite Statorteil (2) weist im Querschnitt eine Trapezform auf, wobei die große Basis (17) der Verbindungsebene mit den Magneten (10) und (11) entspricht und die kleine Basis (18) dermaßen bestimmt wird, daß sie einen optimalen Durchgang der Magnetflüsse ohne Sättigung in dem zweiten Statorteil (2) ermöglicht, wobei das Volumen des verwendeten Materials hoher magnetischer Durchlässigkeit und somit sein Gewicht und die Trägheit des beweglichen Organs verringert werden. Der zweite Statorteil (2) ist in ein Volumen (19) eingekapselt, das beispielsweise aus einem Kunststoff besteht und an seinem Ende Gleitflächen (20) und (20') aufweist. Diese Gleitflächen entsprechen Komplementärflächen (21, 22), die mit dem ersten Statorteil (1) fest verbunden sind. Kugellager oder Gleitlager (23, 24) gewährleisten die Definition des Luftspalts und die Führung des beweglichen Organs.
Figur 3 stellt eine dritte Ausführungsart eines solchen Betätigungsgeräts dar, bei dem das bewegliche Organ (25) mittels Federblätter (26, 27) positioniert und geführt wird. Das bewegliche Organ (25) ist bei dieser Ausführungsart schwimmend auf den Federblättern (26, 27) montiert. Das bewegliche Organ wird aufgrund der Dauermagnete (10, 11) auf natürliche Weise zu dem ersten Statorteil angezogen. Um einen Luftspalt zu definieren, sollte das bewegliche Organ (25) in einem geringen Abstand zu der Oberfläche der Statorpole (5 bis 7) gehalten werden, dies auf dem gesamten Nutzweg. Diese Funktion kann durch eine verformbare Verbindung oder eine elastische Verbindung gewährleistet werden. In dem in bezug auf Figur 3 beschriebenen Beispiel wird diese Funktion durch Federblätter (26, 27) erzielt, die von dünnen Blättern aus einem elastisch verformbaren Material gebildet werden und sich senkrecht auf die Ebene der Dauermagnete (10, 11) erstrecken. Die Federblätter (26, 27) sind an jedem Ende des beweglichen Organs (25) entlang von Anschlußbändern (28, 29) und entlang von gegenüberliegenden Bändern (30, 38) auf einer Verlängerung (31, 32) des ersten Statorteils (1) befestigt. Die Verbindungsteile (31, 32) weisen einen Teil (34 bzw. 35) auf, der sich senkrecht auf die Ebene der Magnete (10, 11) und somit parallel zu den Federblättern (26 und 27) erstreckt.
Ein zweiter Teil (36, 37) erstreckt sich senkrecht auf die Federblätter (26, 27) und endet mit Flächen (30, 38) zur festen Verbindung der Federblätter (26, 27). Die Länge der Federblätter (26, 27) wird dermaßen festgelegt, daß der Abstand zwischen den Flächen der Magnete (10, 11) gegenüber den Flächen der Statorpole (5, 6, 7) dem erforderlichen Abstand für die Definition des notwendigen Luftspalts entspricht.
Die Länge Lr der Federblätter (26, 27) kann ferner dermaßen bestimmt werden, daß sie ausreicht, damit die Verschiebungen des beweglichen Organs entlang einer Achse, die auf die Ebene der Dauermagnete (10, 11) senkrecht steht, für den Weg des beweglichen Organs (25) vernachlässigbar klein sind.
Die Geometrie des Luftspaltes kann verändert werden, um die magnetische Steifigkeit zu erhöhen oder zu verringern und eine ähnliche Wirkung zu erzielen, wie jene, die durch Änderung der Steifigkeit der Tragfedern erzielt wird, um die Belastungen, denen die Federblätter ausgesetzt sind, zu verringern, ohne die Eigenfrequenz zu verändern.
Ist das Federblatt lang, werden die Variationen des Luftspalts zwischen dem Ende des Weges und der Mittelposition minimiert und bewirken eine geringe magnetische Steifigkeit. Die Eigenfrequenz des beweglichen Organs wird in diesem Fall im wesentlichen von den Merkmalen der Federblätter bestimmt, insbesondere durch deren mechanische Steifigkeit.
Sind hingegen die Federblätter kurz, variiert der Abstand zwischen der Oberfläche der Magnete (10, 11) und den Polflächen des ersten Statorteils im wesentlichen zwischen der Mittelposition und der Position, in der sich das bewegliche Organ am Anschlag befindet. Diese Variation des Luftspalts bewirkt ein Kraftphänomen bei fehlendem Strom, das dazu neigt, das bewegliche Organ in Ruhestellung in Mittelposition zurückzubringen. Die Eigenfrequenz des beweglichen Organs (25) wird somit im wesentlichen durch die auf diese Weise erzielte magnetische Steifigkeit verändert.
In dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Seitenwände des ersten Statorteils (1), die auf die y-Verschiebeachse des beweglichen Organs (25) senkrecht stehen, jeweils mit Teilen (34, 35) verbunden, die aus einem nicht magnetischen Material bestehen und eine im wesentlichen parallelflache Form aufweisen und Aussparungen (97 bzw. 98) besitzen. Diese Aussparungen (97, 98) ermöglichen die Bewegungen des beweglichen Organs (25).
Um den Platzbedarf des Statorteils, der die Spule trägt, zu verringern, ist der Mittelpol (5) fest mit einem Kern (40) mit einem Querschnitt, der kleiner als der Querschnitt des Kerns (5) ist, verbunden. Der Querschnitt des Kerns (40) wird dermaßen festgelegt, daß aer Durchgang des Magnetflusses mit minimaler Sättigung ermöglicht wird. Diese Verringerung des Durchmessers ermöglicht es, eine Spule zu lagern, die ein Kupfervolumen aufweist, das größer ist als jenes, das bei einem Betatigungsgerät gestattet ist, bei dem der Kernquerschnitt mit dem Querschnitt des Mittelpols (5) identisch ist.
Ebenso besitzen die Seitenpole (6 und 7) eine Abfasung (41 bzw. 42), die es ermöglicht, eine erweiterte Seitenpolfläche und gleichzeitig eine Materialmasse hoher magnetischer Durchlässigkeit zu schaffen, die ausreicht, um den gesamten Magnetfluß durchzulassen.
Figur 4 stellt ein Betätigungsgerät mit Drehsymrnetrie dar.
Der erste Statorteil besteht aus 4 Mittelpolen (54, 58, 59, 60). Diese Mittelpole (54, 58, 59, 60) erstrecken sich über eine Fläche, die etwas kleiner als ein Viertel eines Zylinders ist. Sie sind um einen Abstand e voneinander getrennt, der im wesentlichen der Hälfte des Luftspaltes E entspricht. Die Spulen (61, 62, 63, 64) umgeben die Kerne (65, 66, 67 bzw. 68), die die Statorpole (58, 59, 60 bzw. 54) verlängern. Diese Kerne (65 bis 68) erstrecken sich radial entlang von hintereinander um 90º versetzten Achsen. Der Querschnitt dieser Kerne ist geringer als die Abmessungen der Mittelpole, so daß eine Wicklung eines größeren Kupfervolumens möglich ist.
Die Seitenpole, die in Figur 4 nicht sichtbar sind, weisen Ziegelform auf und besitzen im Querschnitt Formen, die im wesentlichen mit jenen der Mittelpole (58, 59, 60, 54) identisch sind. Ihre gemessene axiale Länge YL ist größer als die Länge YC der Mittelpole, so daß die Positionierung von Spulen (62 bis 64) großer Abmessungen möglich ist.
Die Magnete (10, 11) werden von koaxialen Röhrenelementen gebildet, die in entgegengesetzter Richtung radial magnetisch sind.
Das in bezug auf die Figur 5 beschriebene Betatigungsgerät entspricht einer Anwendung für die Herstellung eines linearen Druckluftverteilers.
Es umfaßt eine Außenhülle (77) zylindrischer Form, die aus einem Material hoher magnetischer Durchlässigkeit hergestellt ist. Diese Außenhülle (77) weist an ihrem mittleren Teil einen ringförmigen inneren Teil (102) auf, der mit dem mittleren Statorpol (54) endet.
Die Außenhülle (77) ist an jedem Ende durch Flansche (75, 76) dicht verschlossen. Die zylindrische Hülle (77) weist zu diesem Zweck an jedem Ende einen Ansatz (90, 91) und eine ringförmige Bohrung auf, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Flansche (75, 76) entspricht. Zusammendrückbare Dichtungen (92, 96) gewährleisten die Dichtheit des Verschlusses.
Der obere Seitenpol (70) zylindrischer Form ist fest mit dem oberen Flansch (75) verbunden, der senkrecht auf die Symmetrieachse angeordnet ist. Der gegenüberliegende Seitenpol (71) ist ebenfalls fest mit einem Flansch (76) verbunden, der den gegenüberliegenden Teil der zylindrischen Hülle (77) verschließt.
Die Spulen (100, 101) weisen die Form von Scheiben oder Ringen auf. Ihre Symmetrieachse entspricht der Symmetrieachse des Betätigungsgeräts und insbesondere des beweglichen Organs. Sie sind in eine röhrenförmige Hülle (77) eingesetzt und zwischen dem ringförmigen Teil (102), der von dem Mittelpol (54) begrenzt wird, und den Flanschen (75) bzw. (76) positioniert, die fest mit den zylindrischen Seitenpolen (70 bzw. 71) verbunden sind.
Der bewegliche Teil (50) wird von einem massiven zylindrischen Teil gebildet, der in dem zylindrischen Raum, der von den Seitenstatorpolen (70 und 71) und dem Mittelstatorpol (54) begrenzt wird, axial beweglich ist. Federn (51, 52) gewährleisten die Positionierung des beweglichen Organs (50) in einer Position, in der die Verbindung (53) zwischen den beiden ringförmigen Magneten (10 und 11) der Mitte des Mittelpols (54) entspricht. Die Ringmagnete (10, 11) werden von dem zweiten Statorteil (55) getragen, der von einem ringforrnigen Teil aus einem Material hoher magnetischer Durchlässigkeit gebildet wird und dessen Radialschnitt Trapezform aufweist. Eine Mittelnabe (56) vervollständigt das bewegliche Organ (50).
In dem beschriebenen Beispiel wird die Führung des beweglichen Organs (50) durch Gleitlager hergestellt. Die gegenseitigen Anziehungskräfte des Stators und des Rotors heben sich auf, und es wurde keine Beseitigung des Freiheitsgrades bei der Drehung um die Symmetrieachse vorgesehen.
Die Berechnung des Koeffizienten R&sub0; der Spulen (100, 101) unterscheidet sich etwas von den vorhergehenden Fällen.

D.h.:

- Db, der Außendurchmesser der Spulen, ist etwas kleiner als der Außendurchmesser des Betätigungsgeräts und insbesondere kleiner als der Innendurchrnesser der Hülle (77), somit vom maximal zulässigen Platzbedarf vorgegeben;
- db, der Innendurchrnesser der Spulen (100, 101), ist notwendigerweise etwas größer als der durchschnittliche Durchmesser des Magneten (10, 11) da;
- λ das Verhältnis Db/db
- µ das Verhältnis db/da
Der Faktor µ kann bei einer ersten Annäherung als von λ unabhängig angesehen werden. Bei einem festgelegten maximalen Durchmesser Db ist der optimale Wert für
(λ - 1/λ + 1)/λ zu suchen. Mathematisch beträgt dieser optimale

Wert λ = 1,65.

Für λ = 1,4 oder 1,9 beträgt der Verlust nur 2% und für λ=1,3 oder 2,2 beträgt der Verlust nur 7%. Der optimale Wert stellt somit keine Spitze dar.
Bei den kleinen Werten von λ wird mit wenig Ampereumdrehungen und einem großen Magneten gearbeitet, wodurch eine gute Hitzebeständigkeit des Magneten erwartet werden kann.
Bei den großen Werten von λ wird mit einem Magneten mit kleinem Durchmesser, der eine geringe Trägheit aufweist, jedoch mit vielen Arnpereurndrehungen gearbeitet, was die Gefahr einer Entmagnetisierung bei Hitze mit sich bringt. In der Praxis wird 1,3 < λ < 2 gewählt.
Mit geringer Fehlerquote kann somit bei der betreffenden Funktion der Wert 0,29 im wesentlichen als der Optimalwert von λ angesehen werden. Unter diesen Bedingungen und bei Ersatz der anderen Konstanten durch ihre üblichen Werte, d.h.:
= 1,72E-8 Ωm
η = 0,5
µ = 1,2
ergibt sich für die Kraft pro Wattquadratwurzel F1:
F1 = 3266 x B x Db x H
Die Länge der Kerbe zwischen dem Mittelpol (54) und den Seitenpolen (70, 71) ist zumindest gleich der Hälfte des Luftspalts E. Es kann auch eine Diskontinuität zwischen dem Mittelpol (54) und den Seitenpolen (70, 71) hergestellt werden, indem ein sättigbarer Bereich eingerichtet wird. Dies stört die Linearität der Kraft in Abhängigkeit vom Strom bei Stromwerten, die für die Sättigung dieses Bereichs nicht ausreichen, diese Ausführungsart bleibt jedoch in gewissen Fällen annehmbar. Es ist auch möglich, die Kerbe mit einem Material, wie beispielsweise einem rostfreien, nicht magnetischen Stahl unter Magnetpolen zu füllen, wenn das Volumen, das den Magneten umfaßt, in bezug auf das Volumen, das die Spule umfaßt, abgedichtet werden soll, um beispielsweise ein Hydrauliksystern herzustellen.
Ein Betätigungselement, das der oben beschriebenen Ausführungsart entspricht, umfaßt beispielsweise einen Magneten, der eine Induktion Br 0,65T liefert. Die Dicke des röhrenförmigen Magneten beträgt 1 mm, und das Radialfunktionsspiel beträgt 0,25 mm. Die von diesem Magneten gelieferte Induktion entspricht somit 0,52T. Bei einer gelieferten elektrischen Leistung von 20 Watt und einem Kraftziel von 100 Newton auf einem Weg von 4 mm wird folgendermaßen berechnet:
F1 = 22,4 Newton pro Wattquadratwurzel und
H = 0,035 m bei Db = 7E-2m.
Wobei der Mittelpol (54) eine Länge aufweist, die zumindest gleich dem Weg, vergrößert um einmal den gesamten Luftspalt von 1,25 mm, ist, wobei die Abmessung YC = 5,25 mm ist. Unter diesen Bedingungen führt die erforderliche Höhe der Spule zu Seitenpolen der Abmessung YL, die im wesentlichen größer ist als die Abmessungen des Pols YC des Mittelpols. Um dieselben Ergebnisse mit einem Betätigungsgerät der vorveröffentlichten Technik zu erhalten, d.h. mit drei Polen mit Längen, die im wesentlichen gleich jener des Stators sind, würde sich eine Spule ergeben, die durch höchstens H = 0,003 m gekennzeichnet ist, was zu einer Spule mit einem Außendurchmesser von Db = 0,24 m führen würde. Der Durchmesser des Magneten da wäre 0,12 m anstelle von 0,035 m im vorhergehenden Fall. Es ist somit klar, daß die vorgeschlagene Lösung wesentlich sparsamer ist, um das gewünschte Kraftziel zu erreichen, wobei die Vorteile des Nichtvorhandenseins von Kraft ohne Strom, der Konstanz der Kraft auf dem gesamten Weg bei einem gegebenen Strom und der Proportionalität der Kraft zum Strom in einer gegebenen Position beibehalten werden.
In dem beschriebenen Anwendungsbeispiel weisen die Endflansche (75, 76) Bohrungen auf, die Fluideingängen und -ausgängen entsprechen. Diese Bohrungen stehen mit einem ersten Volumen, das von dem Hohlraum des ersten Statorteils und dem ringförmigen Teil, der sich in dem mittleren Statorteil im Bereich einer der Bohrungen verlängert, begrenzt wird, und mit dem Volumen in Verbindung, das von einem der Seitenstatorpole und dem beweglichen Organ im Bereich der anderen Bohrung begrenzt wird. Diese beiden Volumen stehen über den Raum (92, 93), der den Mittelpol (54) von den Seitenpolen (70) oder (71) trennt, miteinander in Verbindung.
Das bewegliche Organ (50) ermöglicht es, den Druckeingang (80) mit dem Druckausgang (81) in Verbindung zu bringen, wenn sich das bewegliche Organ (50) in der unteren Position befindet. Befindet sich das bewegliche Organ (50) in der oberen Position, ermöglicht es das Betätigungsgerät, den Druckeingang (82) mit dem Druckausgang (83) in Verbindung zu bringen. Bei dieser Anwendung sind die Abstände (90 bis 93), die dem Durchgang des Fluids zwischen den Eingangsöffnungen und den Hohlräumen, in denen die Spulen gelagert sind, einerseits und dem Hohlraum, in dem sich das bewegliche Organ (50) bewegt, andererseits abwechselnd von der Außenfläche des beweglichen Organs (50) verschlossen oder freigegeben.
Die Erfindung kann nach zahlreichen weiteren Varianten ausgeführt werden. Bei der Ausführung mit Axialgeometrie können die Magnete insbesondere in Ziegelform ausgeführt sein, die einem Zylindersektor von weniger als 360 Grad entspricht.
Bei den zylindrischen Strukturen ist es möglich, zwei ringförmige Spulen oder vier Spulen, die jeweils Kerne oder Polerweiterungen umgeben, oder eine größere Anzahl von Spulen einzusetzen.

Claims

1. Lineares elektromagnetisches Betätigungsgerät, das eine Kraft durch den Strom, der auf dem gesamten Betätigungsweg konstant ist, erzeugt und bei fehlendem Strom eine verringerte Kraft aufweist, bestehend aus einer Statorstruktur, die aus einem weichen magnetischen Material hergestellt ist, welches im Nominalbetrieb nicht sättigbar ist, bestehend aus zwei Statorteilen (1 und 2), wobei einer dieser Statorteile (1) einen Mittelpol (5) der Breite YC und zwei Seitenpole (6, 7) der Breite YL aufweist, wobei die Statorteile (1, 2) einen Luftspalt E begrenzen, in dem ein bewegliches Rotororgan angeordnet ist, bestehend aus zwei Polpaaren der Breite YR, die von kleinen aneinandergrenzenden Dauermagneten (10 und 11), die quer magnetisch sind, gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite YC des mittleren Statorpols (5) größer oder gleich dem Weg Y des beweglichen Rotororgans ist, vergrößert um einen Abstand, der im wesentlichen gleich der Breite E des Luftspalts ist, wobei die Breite YL der Seitenpole (6, 7) von dem Volumen bestimmt wird, das die elektrische Erregerspule einnimmt, in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft pro elektrischer Leistung und der Dicke Z der Spule, wobei die Dicke Z entlang einer Achse gemessen wird, die auf die Ebene der kleinen Magnete (10, 11) senkrecht steht, wobei die Breite YL der Seitenpole (6, 7) größer als die Breite YC des Mittelpols (5) ist, und daß die Dicke Z der Spule kleiner oder gleich ihrer Länge ist.

2. Elektromagnetisches Betatigungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Mittelkerns (40), der die Spule trägt, kleiner als der Querschnitt des mittleren Statorpols (5) ist.

3. Elektromagnetisches Betatigungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorstruktur (1), (2) und das bewegliche Organ (50) zylindrisch sind, wobei das Organ (50) in Translation entlang einer Achse Y beweglich ist, die der Krümmungsachse der zylindrischen Statorstruktur und des Rotors entspricht, wobei das Verhältnis Db/db zwischen 1, 2 und 2,1 liegt, wobei

- Db den Außendurchmesser der Spulen (100, 101) bezeichnet;

- db den Innendurchmesser der Spulen (100, 101) bezeichnet.

4. Elektromagnetisches Betätigungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Db/db im wesentlichen gleich 1,65 ist und vorzugsweise zwischen 1,4 und 1,9 liegt.

5. Elektromagnetisches Betätigungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand e zwischen dem Mittelpol und jedem der Seitenpole größer oder gleich 0,5 E ist, wobei E die Breite des Luftspalts bezeichnet.

6. Elektromagnetisches Betätigungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Statorteil beweglich und mit dem Rotor verbunden ist.

7. Elektromagnetisches Betatigungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Statorteil von einem Magnetjoch aus einem weichen magnetischen Material gebildet wird, das im Nominalbetrieb nicht sattigbar ist, und eine Länge aufweist, die höchstens gleich der Länge der beiden Rotorpole ist.

8. Elektromagnetisches Betätigungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Statorteil einen Trapezquerschnitt aufweist, wobei die große Basis der Verbindungsfläche mit den Dauermagneten entspricht.

9. Elektromagnetisches Betätigungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Organ zwei kleine Magnete (10, 11), die in die entgegengesetzte Richtung magnetisch sind, sowie einen zweiten Statorteil (2) mit Trapezquerschnitt umfaßt, wobei die Verbindung zwischen dem beweglichen Organ (25) und dem ersten Statorteil durch zwei elastisch verformbare Blättchen gewährleistet wird, die im wesentlichen senkrecht auf die Ebene der kleinen Magnete (10, 11) verlaufen.

10. Elektromagnetisches Betatigungsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Federblättchen (26, 27) senkrecht auf die Ebene der kleinen Magnete (10, 11) ausgehend vom Ende eines Teils (35), der die Verlängerung des ersten Statorteils (1) senkrecht zu den Flächen der Statorpole (5 bis 7) und zur Verschiebeachse des beweglichen Organs darstellt, zu den seitlichen Enden (28, 29) des beweglichen Organs hin verlaufen.

11. Druckluftventil, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem zylindrischen Körper (77) besteht, der zumindest einen ersten Ausgang (81) aufweist, welcher mit einem ersten Eingang (80) in Verbindung steht, wenn das bewegliche Organ (50) eines Betatigungsgeräts, das einem der Ansprüche 5 bis 10 entspricht, eine erste Position einnimmt, während die Verbindung zwischen dem ersten Eingang (80) und dem ersten Ausgang (81) unterbrochen ist, wenn das bewegliche Organ (50) eine zweite Position einnimmt.