DE69304680T2

DE69304680T2 - Elektromagnetischer betätiger mit ferromagnetischen wicklungen

Info

Publication number: DE69304680T2
Application number: DE69304680T
Authority: DE
Inventors: Fernando Morinigo; Keith Stuart
Original assignee: Aura Systems Inc
Current assignee: Aura Systems Inc
Priority date: 1992-11-16
Filing date: 1993-10-25
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2013-10-26
Also published as: JP2644089B2; JPH07503359A; US5309050A; CA2127989A1; EP0626109A1; AU5365694A; AU662669B2; EP0626109A4; WO1994011942A1; EP0626109B1; CA2127989C; DE69304680D1; ATE142824T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein elektromagnetische Stellglieder und insbesondere ein elektromagnetisches Stellglied, dessen Spule aus ferromagnetischen Materialien aufgebaut ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Früher wurden elektromagnetische Stellglieder, Elektromagnete und andere Vorrichtungen, die die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und magnetischen Feldern ausnützen, üblicherweise so aufgebaut, daß der elektrische Strom entweder in Kupfer- oder Aluminiummaterial fließt. Diese Materialwahl beruht darauf, daß Kupfer und Aluminium einen wesentlich geringeren elektrischen Widerstand haben als die meisten anderen Materialien, jedoch relativ preisgünstig verfügbar sind. Der geringe elektrische Widerstand ist erwünscht, da für einen gegebenen Strom, der in einem Leiter mit gegebenen Abmessungen fließt, die Wärmeerzeugungsrate dem elektrischen Widerstand direkt proportional ist. Daher glaubt man, daß der Gebrauch von Kupfer- oder Aluminiummaterial in den Spulen die erzeugte Wärme verringert und demgemäß den Energieverlust durch Wärme vermindert. Diese Wärmeverminderung kennzeichnet allgemein Vorrichtungen, die pro aufgewendeter Energieeinheit mehr Nutzleistung abgeben und daher einen größeren Wirkungsgrad haben.
Viele elektromechanische Vorrichtungen verwenden ferromagnetische Materialien zum Vergrößern oder Bündeln der magnetischen Felder, auf denen die Funktion der Vorrichtung beruht. In diesen Fällen besteht die wesentliche Eigenschaft der ferromagnetischen Materialien in ihrer magnetischen Permeabilität. Das magnetische Feld bzw. die Flußlinien folgen den Raumbereichen mit hoher Permeabilität. Daher ist der Gebrauch von ferromagnetischen Materialien, beispielsweise Eisen, Kobalt, Nickel und vielfältigen Sonderlegierungen, ebenfalls wünschenswert.
In einer umfangreichen Klasse elektromagnetischer Vorrichtungen werden Kräfte durch Ströme erzeugt, die in einem Material fließen, das in einem magnetischen Feld angeordnet ist. Gemäß dem Stand der Technik werden ferromagnetische Materialien dazu verwendet, Magnetfelder zu führen, zu bündeln und zu vergrößern, und die Ströme werden durch Materialien mit geringem Widerstand geschickt, z. B. Kupfer oder Aluminium. Die Wirkung solcher Vorrichtungen beruht darauf, daß in gewissen Raumbereichen gleichzeitig Ströme und magnetischer Fluß vorhanden sind. Das Einfügen von Kupfer oder Aluminium in diese Raumbereiche verkleinert den magnetischen Fluß beträchtlich, und zwar bezogen auf die Flußgröße, die in einer völlig aus ferromagnetischem Material bestehenden Anordnung vorhanden wäre.
Elektromagnetische Stellglieder, die die obigen Prinzipien verwenden, sind aus US-A-5,099,158 und US-A-4,912,343 bekannt, die beide dem Inhaber der hier beschriebenen Erfindung übertragen wurden.
Es besteht daher Bedarf für den Entwurf eines elektromagnetischen Stellglieds, das sowohl als Flußträger als auch als Stromträger ferromagnetisches Material verwendet, wobei der nachteilige große Widerstand des ferromagnetischen Materials durch die Flußvergrößerung mehr als ausgeglichen wird.
Das US-Patent US-A-4,456,934 offenbart einen Linearmotor mit einem sich bewegendem Permanentmagneten, in dem die Statorspule aus Eisen oder kupferplattiertem Eisen hergestellt werden kann, um die Größe des wirksamen Luftspalts zu verringern. Der Reluktanzabfall über dem Luftspalt wiegt den erhöhten Spulenwiderstand auf.
Das US-Patent US-A-4,612,470 offenbart einen elektrischen Generator, bei dem die stationäre Feldspule aus getrennten, isolierten Drahtabschnitten besteht. Ein Drahtabschnitt besteht aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden nichtmagnetischen Material, der andere Abschnitt aus Stahl oder einem anderen Magnetmaterial. Der elektrische Strom wird im Kupferdraht induziert. Dagegen breitet sich der magnetische Fluß mit Hilfe des Stahldrahts in der Spule aus. Der Stahldraht ist elektrisch nirgends angeschlossen und füllt lediglich den Raum zwischen benachbarten Windungen des Kupferdrahts.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, ein oder mehrere der Nachteile und Beschränkungen des Stands der Technik zu beseitigen. Eine bedeutende Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektromagnetischen Stellgliedentwurf bereitzustellen, der ferromagnetisches Material sowohl für den Flußträger als auch für den Stromträger verwendet, wobei der nachteilige große Widerstand des ferromagnetischen Materials durch die Flußvergrößerung mehr als ausgeglichen wird.
Diese und weitere Aufgaben werden von einem elektromagnetischen Stellglied erfüllt, wie es in den beigefügten Ansprüchen 1 und 2 bestimmt ist. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen bestimmt.
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Stellglied weniger Strom und weniger Energie verbraucht als ein gleichartig wirkendes Stellglied mit Aluminium- oder Kupferspulen.
Als weiteres Merkmal der Erfindung hat das Stellglied mit ferromagnetischen Drahtspulen eine geringere Permanentmagnetmasse als ein ähnlich funktionierendes Stellglied mit Aluminium- oder Kupferspulen.
Ein anderes Merkmal der Erfindung ist, daß die Gesamtmasse und das Gesamtvolumen des Stellglieds mit ferromagnetischen Drahtspulen kleiner ist als bei einem vergleichbar wirkenden Stellglied mit Kupfer- oder Aluminiumspulen.
Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die zu einem gegebenen Strom abgegebene Kraft bei einem Stellglied mit ferromagnetischen Drahtspulen größer ist als bei einem vergleichbar wirkenden Stellglied mit Kupfer- oder Aluminiumspulen.
Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung können Fachleute leicht erkennen, wenn sie die folgende Beschreibung einer beispielhaft bevorzugten Ausführungsform zusammen mit den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen lesen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:
Fig. 1 die Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellglieds mit axialem Magneten und ferromagnetischen Draht;
Fig. 2 die Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Leiterspule mit ferromagnetischem Draht des Stellglieds nach Fig. 1;
Fig. 3 die Querschnittsansicht einer hochkant gewickelten Spule mit Kupfer- oder Aluminiumleitern;
Fig. 4 die Querschnittsansicht eines Stellglieds mit axialem Magneten und ferromagnetischen Draht mit beweglicher Spule;
Fig. 5 die Querschnittsansicht eines Stellglieds mit axialem Magneten und ferromagnetischen Draht mit beweglicher Feldspule;
Fig. 6 die Querschnittsansicht eines Stellglieds mit axialem Magneten und ferromagnetischen Draht, wobei der Magnet beweglich ist und sein Feld gebündelt wird; und
Fig. 7 die Querschnittsansicht eines Stellglieds mit radialem Magneten und ferromagnetischen Draht.

BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Es wird nun Bezug auf Fig. 1 genommen. Sie zeigt eine Ausführungsform eines elektromagnetischen Stellglieds 10, das gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist. Das Stellglied 10 umfaßt ein Gehäuse 12, ein Paar elektrisch leitender, stromführender Spulen 14, einen Kern 16 und ein Bauteil 18, das den magnetischen Fluß erzeugt. Obwohl jedes dieser Elemente hier zylindrisch aufgebaut beschrieben ist, ist einsichtig, daß andere geometrische Anordnungen, die dem Zusammenwirken der Elemente genügen, in den Bereich der Erfindung fallen. Die Elemente können beispielsweise im wesentlichen rechteckig aufgebaut sein.
Das Gehäuse 12 ist bevorzugt ein länglicher Zylinder, der aus einem Material hergestellt ist, das den magnetischen Fluß leitet. Das Gehäuse 12 ist auch bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. In der Ausführungsform des Stellglieds 10 nach Fig. 1 ist das Gehäuse aus einem Eisenmaterial hergestellt. Das Gehäuse 12 hat ein erstes Ende 20, ein zweites Ende 22 und eine Innenwand 24, die sich vom ersten Ende 20 zum zweiten Ende 22 erstreckt. Das Gehäuse 12 bestimmt eine Mittenachse 26. An den jeweils entsprechenden ersten und zweiten Enden 20 und 22 des Gehäuses 12 sind bevorzugt erste und zweite Enddeckel 28 und 30 montiert. Jeder Enddeckel 28 und 30 nach Fig. 1 enthält in der Mitte ein Loch 42. Die Enddeckel 28 und 30 sind bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt.
Der Kern 16 ist ein Zylinder, der aus einem Material hergestellt ist, das den magnetischen Fluß leitet. Der Kern ist bevorzugt aus ferromagnetischem Material hergestellt. In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Kern aus einem Eisenmaterial aufgebaut. Der Kern 16 enthält ein erstes Ende 32, ein zweites Ende 34 und eine Außenwand 36, die vom ersten Ende 32 zum zweiten Ende 34 verläuft. Die Außenwand 36 hat einen ersten Abschnitt 38 in der Nähe des ersten Kernendes 32 und einen zweiten Abschnitt 40 in der Nähe des zweiten Kernendes 34. Ein Mittenabschnitt 44 des Kerns 16 befindet sich zwischen dem ersten Kernabschnitt 38 und dem zweiten Kernabschnitt 40. Der Kern 16 ist koaxial im Gehäuse 12 aufgenommen und so montiert, daß er in axialer Richtung gleiten kann. Die ersten und zweiten Enden 32 und 34 des Kerns 16 verlaufen durch die Löcher 42 in den Mitten der ersten und zweiten Enddeckel 28 und 30, siehe Fig. 1. Das Stellglied kann zudem eine Anzahl Laufbuchsen oder Lager 46 enthalten, die in den mittigen Löchern 42 angeordnet sind, um den gleitenden Eingriff des Kerns 16 in den Enddeckeln 28 und 30 zu erlauben.
In der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 ist das flußerzeugende Bauteil 18 koaxial im Mittenabschnitt 44 des Kerns 16 montiert. In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist das flußerzeugende Bauteil 18 axial ausgerichtet.
Es wird weiterhin Bezug auf Fig. 1 genommen. Die Spulen 14, die den elektrischen Strom leiten, sind innerhalb der Kammer des Gehäuses 12 aufgenommen, die nahe an der Innenwand des Gehäuses 12 liegt. Die Spule 14 ist koaxial zum Kern 16 des Stellglieds 10 angeordnet. Die Spulen 14, die den elektrischen Strom leiten, können entweder hochkant oder mit einem runden Draht gewickelt sein. Es wird nun Bezug auf Fig. 2 genommen. Die hochkant gewickelte Spule 14 ist ausführlich dargestellt. Die Spule 14 nach Fig. 2 ist in Gestalt eines rohrförmigen Zylinders gewickelt und hat einen rechteckigen Querschnitt. Die mit "l" bezeichnete Länge des Spulendrahts verläuft senkrecht zur Mittenachse 26. Die Breite des isolierenden Abstands 48 zwischen den Windungen der Spule 14 wird mit "w" bezeichnet und in paralleler Richtung zur Mittenachse 26 gemessen. Wahlweise kann die Spule 14 eine Runddrahtspule sein.
Um das ferromagnetische Material zu verwenden, wird die erfindungsgemäße Spule 14 neu entworfen. Man will damit den Spulenwiderstand verringern, ohne die abgegebene Gesamtkraft wesentlich zu verkleinern. Der Neuentwurf der Spule ist am besten in Fig. 2 und 3 zu sehen. Fig. 3 zeigt den Entwurf einer Spule in einem elektromagnetischen Stellglied, wobei zum Herstellen der Spule Kupfer- oder Aluminiummaterial verwendet wird. Fig. 2 zeigt die neuentworfene Spule 14, die im erfindungsgemäßen Stellglied verwendet ist. Dabei besteht die Spule aus ferromagnetischem Material. Insbesondere ist die Länge "l" der Leiterspule in senkrechter Richtung zur Stellgliedachse vergrößert. Die Steligliedachse verläuft ebenfalls in paralleler Richtung zum Magnetfeld durch die Spule 14. Das Vergrößern der Länge der hochkant gewickelten Spule erlaubt eine größere Querschnittsfläche der Spule 14. Wird in einer anderen Ausführungsform eine Runddrahtspule verwendet, so wird der Durchmesser der Spule 14 vergrößert, wodurch ebenfalls eine größere Querschnittsfläche der Spule ermöglicht wird.
Das entsprechende Merkmal beim Entwurf der Spule 14 besteht darin, daß der Prozentsatz der Leiterspule 14, der mit Isoliermaterial gefüllt ist, zunimmt. Dieses Merkmal ist in Fig. 2 und 3 durch die größere Breite des isolierenden Abstands 48 zwischen den Windungen der Spule 14 dargestellt. Durch diesen Neuentwurf der Spule 14 mit ferromagnetischem Draht wird die Windungszahl der Leiterspule kleiner. Das Gesamtvolumen des Leitermaterals im Magnetfeld wird jedoch nicht kleiner. Daher werden für die Länge und Breite Werte so gewählt, daß die Reluktanz der Breite des isolierenden Abstands größer ist als die Reluktanz der Querschnittslänge des Spulendrahts in der Nähe des isolierenden Abstands. Obwohl diese Werte miteinander verknüpft sind, ändern sie sich gemäß den Anforderungen des Stellglieds.
Die Vorteile beim Verwenden von ferromagnetischem Material in der Erfindung werden mit den folgenden drei Eigenschaften ferromagnetischer Materialien erklärt. Man beachte auch, daß für den erfindungsgemäßen Stellgliedentwurf verschiedene ferromagnetische Materialien verwendbar sind, die Eisen, Kobalt, Nickel und andere Legierungen umfassen, jedoch nicht hierauf beschränkt sind. Zuerst bewirkt der Gebrauch von ferromagnetischem Material in der Spule des Stellglieds, daß die Gesamtreluktanz des magnetischen Kreises, der die Spule schneidet, wesentlich kleiner wird. Dadurch erzeugt ein Permanentmagnet mit den gleichen Abmessungen wie in herkömmlichen Stellgliedern, in denen Kupfer- oder Aluminiumspulen verwendet werden, einen größeren magnetischen Fluß. Wahlweise erlaubt es die verminderte Gesamtreluktanz, in Verbindung mit der ferromagnetischen Spule einen kleineren Permanentmagneten zu verwenden, der jedoch den gleichen magnetischen Fluß erzeugt wie in der Kupfer- oder Aluminiumspule des herkömmlichen Stellglieds.
Zum Zweiten bewirkt die hohe Permeabilität des im erfindungsgemäßen Stellglied 10 verwendeten ferromagnetischen Materials, daß die magnetischen Flußlinien dem hochpermeablen Weg des ferromagnetischen Materials folgen. Dadurch wird der Streufluß kleiner, und vom erzeugten Gesamtfluß im Magnetfeld des erfindungsgemäßen Stellglieds 10 ist ein größerer Prozentsatz nutzbar.
Zudem durchlaufen im erfindungsgemäßen Stellglied 10 die magnetischen Flußlinien eher den ferromagnetischen Spulenleiter und nicht irgendein vorhandenes Isoliermaterial oder Spalte zwischen den Windungen der Spulenleiter. Verglichen damit können in Kupfer- oder Aluminiumspulen die Flußlinien durch die Spalte oder leitendes Material zwischen den Windungen der Spulenleiter laufen. Damit erhält man einen höheren Pegel an nutzbarem magnetischem Fluß.
Es wird nun Bezug auf Fig. 4 genommen. Sie zeigt eine zweite Ausführungsform 50 der Erfindung. Diese Ausführungsform so ist ein Stellglied mit ferromagnetischem Draht, axialem Magneten und einer beweglichen Spule. In dieser Ausführungsform ist ein axial ausgerichteter permanentmagnetischer Ring 52 innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Die Spulen 14 sind am beweglichen Kern 16 befestigt, so daß sich die Spulen 14 in axialer Richtung mit dem beweglichen Kern 16 bewegen.
Es wird nun Bezug auf Fig. 5 genommen. Sie zeigt eine dritte Ausführungsform 54 mit einen Stellglied mit ferromagnetischem Draht und einer beweglichen Feldspule. In dieser Ausführungsform 54 der Erfindung ist eine Feldspule 56 am beweglichen Kern 16 befestigt. Die Feldspule 56 erzeugt anstelle des Permanentmagneten in den früheren Ausführungsformen der Erfindung das statische Magnetfeld. Dieser Entwurf hat den Vorteil, daß mit der Feldspule 56 ein größerer magnetischer Fluß erzeugbar ist. Der Nachteil besteht jedoch in der Energiemenge, die für diese Ausführungsform des Stellglieds erforderlich ist.
Es wird nun Bezug auf Fig. 6 genommen. Sie zeigt eine vierte Ausführungsform 58 der Erfindung. Die vierte Ausführungsform 58 ist ein Stellglied mit ferromagnetischem Draht und einem axialem Magneten, wobei der Magnet beweglich ist und sein Feld gebündelt wird. In dieser Ausführungsform haben der Permanentmagnet 18 und der Mittenabschnitt 44 des Kerns 16, der den Magneten 18 umgibt, eine größere Querschnittsfläche als die restlichen ersten und zweiten Abschnitte 38 und 40 des Kerns 16. Dadurch wird der Fluß, den der Magnet 18 erzeugt, in der kleineren Querschnittsfläche des Kerns 16 gebündelt. Die Flußdichte in den ersten und zweiten Abschnitten 38 und 40 des Kerns nimmt dadurch zu, und zwar verglichen damit, daß ein Permanentmagnet verwendet wird, der die gleiche Querschnittsfläche hat wie der restliche Abschnitt des Kerns. Die Vorzüge dieses Entwurfs bestehen darin, daß die Flußdichte in den Leiterspulen 14 zunimmt und das Stellglied daher eine größere Kraft abgibt ohne mehr Energie zu erfordern.
Es wird nun Bezug auf Fig. 7 genommen. Sie zeigt eine fünfte Ausführungsform 60 der Erfindung. In der fünften Ausführungsform 60 des Stellglieds sind die Bauteile 18, die den magnetischen Fluß erzeugen, radial ausgerichtet. In Fig. 7 ist die Spule 14 im Kammergehäuse 12 untergebracht, das sich nahe an der Innenwand 24 erstreckt. Die Spule 14 hat ein erstes Spulenende 62, das nahe am ersten Gehäuseende 20 ange ordnet ist, und ein zweites Spulenende 64, das nahe am zweiten Gehäuseende 22 angeordnet ist. Die Spule 14 weist auch einen Mittelpunkt 66 auf. Im folgenden wird ausführlicher beschrieben, daß das erste Spulenende 62, das zweite Spulenende 64 und der Mittelpunkt 66 dazu dienen, die Spule 14 elektrisch anzuschließen.
Der Kern 16 ist koaxial im Gehäuse 12 aufgenommen und so darin montiert, daß er sich in axialer Richtung bewegen kann. Demgemäß hat die zylindrische Außenwand 36 des Kerns 16 in radialer Richtung Abstand von der Spule 14. Die Bewegung des Kerns 16 findet zwischen dem ersten Gehäuseende 20 und dem zweiten Gehäuseende 22 so statt, daß der erste Abschnitt 38 die Spule 14 in axialer Richtung zwischen dem ersten Spulenende 62 und dem Mittelpunkt 66 durchläuft. Der zweite Abschnitt 40 durchläuft die Spule 14 zwischen dem zweiten Spulenende 64 und dem Mittelpunkt 66 in axialer Richtung.
Zwei Magnetbauteile 18 und 19 sind radial polarisiert und haben jeweils eine erste Polfläche 18S bzw. 19S mit einer ersten magnetischen Polarität und eine zweite Polfläche 18N bzw. 19N mit einer zweiten magnetischen Polarität entgegengesetzt zur ersten Polarität. Der erste Abschnitt 38 trägt das erste Magnetbauteil 18, dessen erste Polfläche 18S nahe am ersten Abschnitt 38 ist, und dessen zweite Polfläche 18N in radialer Richtung Abstand vom ersten Abschnitt 38 und von der Spule 14 hat. In ähnlicher Weise trägt der zweite Abschnitt 40 das zweite Magnetbauteil 19. Die erste Polfläche 19S des zweiten Magnetbauteils 19 hat radialen Abstand vom zweiten Abschnitt 40 und von der Spule 14. Seine zweite Polfläche 19N befindet sich nahe am zweiten Abschnitt 40.
Der magnetische Fluß, den die flußerzeugenden Magnetbauteile 18 und 19 erzeugen, ist radial begrenzt zwischen dem ersten Abschnitt 38 und dem axialen Abschnitt der Innenwand 24, die dem ersten Abschnitt 38 gegenüberliegt Der Fluß ist zudem begrenzt zwischen dem zweiten Abschnitt 40 und dem axialen Abschnitt der Innenwand 24, die dem zweiten Abschnitt 40 gegenüberliegt. Da ferner das erste Magnetbauteil 18 und das zweite Magnetbauteil 19 entgegengesetzte Polarität haben, verläuft der radiale Fluß zwischen dem ersten Abschnitt 38 und der Innenwand 24 in einer ersten Richtung und der radiale Fluß zwischen dem zweiten Abschnitt 40 und der Innenwand 24 in einer entgegengesetzten zweiten radialen Richtung. Da der magnetische Fluß dem Weg des geringsten Widerstands folgt, tritt der axial gerichtete Fluß im Kern 16 zwischen dem ersten Abschnitt 38 und dem zweiten Abschnitt 40 auf, und im Gehäuse 12 in einem axialen Abschnitt, in dem der Kern 16 vorhanden ist. Aus ähnlichen Gründen neigt der Fluß, der radial von den Polflächen 18N bzw. 19S ausgeht, nicht dazu, in axialer Richtung in die Kammer des Gehäuses 12 zu streuen.
Die Spule ist so eingerichtet, daß ein elektrischer Strom in der Spule zwischen dem ersten Spulenende 62 und dem Mittelpunkt 66 bezogen auf die Richtung des Stroms in der Spule zwischen dem zweiten Spulenende 64 und dem Mittelpunkt 66 in entgegengesetzter Richtung fließt. Dementsprechend addieren sich das Kreuzprodukt zwischen Fluß und Strom aus dem Fluß in der ersten radialen Richtung aus der Polfläche 18N und dem Strom in der Spule 14 und das Kreuzprodukt zwischen Fluß und Strom aus dem Fluß in der zweiten radialen Richtung aus der Polfläche 19S und dem Strom in der Spule 14.
In Fig. 7 ist am besten zu sehen, daß der Spulenstrom wie oben beschrieben in entgegengesetzte Richtungen fließt, wenn ein Strom in den Mittelpunkt 66 einer Spule eingespeist wird, die über ihre axiale Länge fortlaufend gewickelt ist. Das erste Spulenende 62 und das zweite Spulenende 64 sind zusammengeschaltet, um einem Rückweg für den Strom der Stromquelle zu bilden. Man beachte, daß dies lediglich eine beispielhafte Anordnung ist, und daß in anderen Steligliedentwürfen, bei denen radial gerichtete flußerzeugende Bauteile verwendet werden, ebenfalls erfindungsgemäße Leiterspulen mit ferromagnetischem Draht verwendbar sind.
Als Beispiel für die Vorteile des Stellglieds mit ferromagnetischem Draht sei der folgende Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Stellglied 10 und einem herkömmlichen Stellglied mit Kupfer- oder Aluminiumspulen angegeben. Beide Stellglieder waren dafür ausgelegt, eine Kraft von 110 Pound (489,3 N) abzugeben. Das herkömmliche Stellglied für hohe Kraft, ausgelegt für den Betrieb bei 489,3 N (110 Pound) Kraftabgabe erforderte 240 A Strom und 12610 W Leistung. Das Stellglied erforderte ferner einen Permanentmagneten mit einer Masse von 1,67 kg, einem Außendurchmesser von 9,0 cm und eine Länge des magnetischen Abschnitts von 20,0 cm. Verglichen damit erfordert ein erfindungsgemäßes Stellglied mit gleichen Außenmaßen wie das herkömmliche Stellglied für hohe Kraft, jedoch mit einem Weicheisenleiter anstelle von Kupfer nur 120 A Strom und 6210 W Leistung. Zudem beträgt die nötige Masse des Permanentmagneten nur 0,42 kg. Das erfindungsgemäße Stellglied, wie es die obigen Abbildungen zeigen, stellt daher eine Verbesserung des Strom- und Leistungsverbrauchs um den Faktor Zwei und der erforderlichen Masse des Permanentmagneten um den Faktor Drei bereit.
Es wurde eine beispielhaft bevorzugte Ausführungsform des linearen Stellglieds gemäß den Prinzipien der Erfindung beschrieben. Fachleute können nun umfangreichen Gebrauch von den oben beschriebenen Ausführungsformen machen und diese abwandeln, ohne die hier offengelegten Konzepte der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist dementsprechend nur durch den Bereich der folgenden Ansprüche zu bestimmen.

Claims

1. Elektromagnetisches Stellglied mit ferromagnetischem Draht, umfassend:

ein Gehäuse (12), wobei das Gehäuse ein erstes Ende (20), ein zweites Ende (22) und eine Innenwand (24) hat, die vom ersten Ende (20) zum zweiten Ende (22) verläuft, und das Gehäuse zudem eine Mittenachse (26) bestimmt;

einen Kern (16), wobei der Kern innerhalb des Gehäuses (12) koaxial zur Mittenachse (26) angeordnet ist und einen ersten Kernabschnitt (32), einen zweiten Kernabschnitt (34), einen mittleren Kernabschnitt (44) und eine Außenwand (36) aufweist;

mindestens ein flußerzeugendes Magnetbauteil (18), das koaxial zur Mittenachse (26) montiert ist; und

mindestens eine den elektrischen Strom leitende Spule (14), wobei die Spule (14) zwischen dem Kern (16) und dem Gehäuse (12) angeordnet ist und die Spule (14) zudem aus einem ferromagnetischen Material hergestellt und koaxial zum Kern (16) ist, und das Material der Spule (14) eine Querschnittslänge (1) in einer Richtung senkrecht zur Mittenachse (26) und einen isolierenden Abstand der Breite (w) zwischen den Windungen der Spule in einer Richtung parallel zur Mittenachse (26) aufweist, und die Länge (1) und die Breite (w) so gewählt ist, daß die Reluktanz der Breite des isolierenden Abstands größer ist als die Reluktanz der Querschnittslänge des Spulendrahts neben dem isolierenden Abstand.

2. Elektromagnetisches Stellglied mit ferromagnetischem Draht, umfassend:

ein Gehäuse (12), wobei das Gehäuse aus ferromagnetischem Material hergestellt ist und eine Mittenachse (26) bestimmt;

einen Kern (16), wobei der Kern koaxial zur Mittenachse (26) angeordnet ist und gleitend in das Gehäuse (12) eingreift, und der Kern (16) zudem einen ersten Endabschnitt (32), einen zweiten Endabschnitt (34), einen Mittenabschnitt (44) und eine Außenwand (36) aufweist;

eine erste und eine zweite den elektrischen Strom leitende Spule (14, 14), die zwischen dem Gehäuse (12) und dem Kern (16) angeordnet sind, wobei die erste Spule gegenüber dem ersten Endabschnitt (32) des Kerns (16) montiert ist und die zweite Spule gegenüber dem zweiten Endabschnitt (34) des Kerns (16) montiert ist, und die Spulen (14) aus einem ferromagnetischen Material hergestellt und koaxial zur Mittenachse (26) sind, und das Material der Spulen eine Querschnittsfläche und einen isolierenden Abstand der Breite (w) zwischen den Windungen der Spule in einer Richtung parallel zur Mittenachse (26) aufweist, und die Werte der Fläche und der Breite so gewählt sind, daß die Reluktanz der Breite des isolierenden Abstands größer ist als die Reluktanz der Querschnittsfläche des Spulendrahts neben dem isolierenden Abstand.

3. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Spule (14) eine erste und eine zweite den elektrischen Strom leitende Spule umfaßt, und die erste Spule gegenüber dem ersten Kernabschnitt (32) des Kerns (16) montiert ist, und die zweite Spule gegenüber dem zweiten Kernabschnitt (34) des Kerns (16) montiert ist.

4. Stellglied nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das flußerzeugende Magnetbauteil (18) axial ausgerichtet ist.

5. Stellglied nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das fluß erzeugende Magnetbauteil (18) radial ausgerichtet ist.

6. Stellglied nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (12) aus ferromagnetischem Material besteht.

7. Stellglied nach Anspruch 1, ferner umfassend einen ersten und einen zweiten Enddeckel (28, 30), die aus nichtmagnetischem Material hergestellt sind, wobei der erste Enddeckel (28) am ersten Ende (20) des Gehäuses (12) montiert ist, der zweite Enddeckel (30) am zweiten Ende (22) des Gehäuses (12) montiert ist und zudem jeder der Enddeckel (28, 30) in der Mitte ein Loch (42) enthält.

8. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Spule an der Innenwand (24) des Gehäuses (12) befestigt ist.

9. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die Spule an der Außenwand (36) des Kerns (16) befestigt ist.

10. Stellglied nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spule oder die Spulen (14) hochkant gewickelt sind.

11. Stellglied nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spule oder die Spulen (14) aus rundem Draht aufge baut sind.

12. Stellglied nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das flußerzeugende Magnetbauteil (18) innerhalb des mittleren Abschnitts (44) des Kerns (16) montiert ist.

13. Stellglied nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das flußerzeugende Magnetbauteil (18) ein innerhalb des Gehäuses montierter Permanentmagnetring ist.

14. Stellglied nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das flußerzeugende Magnetbauteil (18) eine an der Außenwand (36) des Kerns (16) montierte Feldspule ist.

15. Stellglied nach Anspruch 12, wobei das flußerzeugende Magnetbauteil (18) und der mittlere Kernabschnitt (44) eine Querschnittsfläche haben, die größer ist als die Querschnittsfläche der ersten und zweiten Kernabschnitte (32, 34).