DE69703491T2

DE69703491T2 - Geräuscharmer ferrofluid-elektromagnet

Info

Publication number: DE69703491T2
Application number: DE69703491T
Authority: DE
Inventors: Kuldip Raj
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2001-06-21
Anticipated expiration: 2017-08-28
Also published as: JP2000517476A; EP0910856B1; US5969589A; WO1998009302A1; DE69703491D1; EP0910856A1; US5955934A

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solenoidkonstruktion, und insbesondere einen Ferrofluid- Solenoid, der eine bewegliche Tauchspule umfaßt, die von einem Ferrofluid umgeben ist.

Beschreibung des Bereiches der Technik

Ein Tauchkernsolenoid ist eine Vorrichtung, die eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung umfaßt, welche auf einer nicht magnetischen Form aufgewickelt ist, innerhalb der sich ein magnetischer Tauchkolben bewegen kann. Ein Solenoid umfaßt einen mechanischen Anschlag, um die Bewegung des Tauchkolbens zu begrenzen. Der Anschlag besteht aus einem magnetisch durchlässigen Material. Die nicht magnetische Form bzw. der Spulenkörper, die elektrisch erregbare Spule, der Tauchkolben und der mechanische Anschlag sind von einer ferromagnetischen Ummantelung, wie zum Beispiel einem Stahl, umgeben, die aus zwei Teilen besteht. Die Ummantelung umfaßt ein im allgemeinen zylindrisches Element, welches das Solenoidelement und ein Polstück umgibt. Der Tauchkolbenanschlag und das Polstück sind aus weichen, magnetischen Materialien hergestellt, die abhängig von ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Grade an Restmagnetismus aufweisen können. Da der Solenoid kein Permanentmagnetfeld enthält, wird das Magnetfeld nur dann erzeugt, wenn die Spuleneinrichtung erregt wird. Wenn die Spuleneinrichtung durch das Hindurchfließen eines elektrischen Stromes durch selbige erregt wird, wird ein Magnetfeld in und rund um das Kernvolumen erzeugt, in dem sich der Tauchkolben befindet. Die Ummantelung, der Tauchkolben, der Anschlag und das Polstück bilden zusammen eine magnetische Schaltung, welche den Magnetfluß in den Luftspalten zwischen dem Tauchkolben und dem Anschlag sowie zwischen dem Tauchkolben und dem Polstück intensiviert. Aufgrund des im Kernvolumen vorhandenen Magnetfelds wird der bewegliche Tauchkolben zu einer zentralen Position innerhalb der Spuleneinrichtung gezogen. Je stärker das Magnetfeld in den Spalten zwischen dem Tauchkolben und dem Anschlag sowie zwischen dem Tauchkolben und dem Polstück ist, um so größer ist die Kraft, die auf den Tauchkolben einwirkt.
Solenoids werden für den Betrieb von Leistungsschaltern, Streckenschaltern, Ventilen und vielen anderen elektromechanischen Geräten vielfach eingesetzt. Somit kann der bewegliche Tauchkolben an zahlreichen beliebigen mechanischen Elementen befestigt werden, wie zum Beispiel als Sitz eines Ventil, dessen Bewegung dazu verwendet werden kann, den Durchfluß von Gasen oder Flüssigkeiten durch das Ventil zu steuern. Wenn sich während der Verwendung der bewegliche Kolben dem Anschlag nähert, nimmt die mechanische Kraft des beweglichen Kolbens aufgrund einer Abnahme der Reluktanz des Magnetflußpfades rasch zu. Der Tauchkolben schlägt mit größtmöglicher Kraft am Anschlag an, wodurch Geräusche, Vibrationen und Prellungen im Solenoid verursacht werden. Ein wesentliches Problem im Zusammenhang mit Solenoids besteht darin, daß sie dazu neigen, Geräusche zu verursachen, die entstehen, wenn der Tauchkolben am Anschlag anschlägt, und indem der Tauchkolben an den Wänden des Kerns reibt, die von der Innenfläche der Spuleneinrichtung begrenzt werden. Die Stoßkraft, welche gegen den Anschlag gerichtet ist, und die Reibungskraft, die gegen die Kernwände wirkt, erzeugen Verschleißpartikel, die zu einem Verschleiß des Kolbens und des Spulenkörpers führen können, was wiederum die Lebenszeit des Solenoids verkürzt. Typischerweise ist der Weg, den der Tauchkolben zurücklegt, nur sehr kurz, nämlich weniger als zum Beispiel 1 mm, und der Seitenfreiwinkel zwischen dem Tauchkolben und der Kernwand beträgt nur ungefähr 0,1 mm. Darüber hinaus beträgt auch der Abstand zwischen dem Polstück und dem Tauchkolben nur etwa 0,1 mm. Da es keinen Ausrichtemechanismus für den Tauchkolben innerhalb des Solenoids gibt, kann der Tauchkolben an den Wänden des Kerns kratzen und dadurch unerwünschte Verschleißerscheinungen hervorrufen.
Geräusche, die von Solenoideinrichtungen, wie zum Beispiel Solenoidventilen, verursacht werden, schränken die Anwendung dieser Solenoids in Geräten, die sehr leise arbeiten müssen, stark ein. Zum Beispiel bei medizinischen Anwendungen, wie in Dialysemaschinen, Blutanalysegeräten, Blutdrucküberwachungsgeräten und Beatmungsmaschinen, müssen die Ventile sehr leise sein, um den Patienten größtmöglichen Komfort zu bieten. Derzeit wird dies erreicht, indem eine dicke akustische Schaumisolierung rund um das Gerät aufgetragen wird, durch welche das Gerät sehr groß und unhandlich wird, weshalb diese Problemlösung nicht wünschenswert ist.
Magnetische Flüssigkeiten werden seit langem in Ventilen und Solenoids verwendet, um deren Leistungseigenschaften zu verbessern. So offenbart zum Beispiel EP 0 052 177 eine magnetisch leitende Flüssigkeit, welche den Luftspalt eines Magnetventils ausfüllt, um Schmierung, Wärmeübertragung, einen geringen Reluktanzpfad für die magnetische Flüssigkeit und Dämpfung zu ermöglichen. Aufgrund der Dämpfung wird die Aufschlagkraft des Tauchkolbens gegen die Dichtungen reduziert und somit die Lebensdauer der Dichtungen verlängert.
In der japanischen Patentanmeldung Nr. 55147988 wird eine Solenoidanordnung offenbart, in der eine magnetische Flüssigkeit mit einer hohen magnetischen Permeabilität den Spalt zwischen dem Solenoidtauchkolben und dem Anschlag ausfüllt. Die auf den Tauchkolben einwirkende magnetische Kraft wird hierbei stärker erhöht als bei einer Anordnung mit einem Luftspalt, da die Flüssigkeit eine höhere magnetische Permeabilität besitzt als die Luft. Die im Spalt vorhandene magnetische Flüssigkeit steht in Flüssigkeitskommunikation mit einem abgedichteten Behälter, der eine Luftblase enthält. Die Vorwärtsbewegung des Tauchkolbens wird durch die Erregung der Spuleneinrichtung verursacht. Die Rückwärtsbewegung des Tauchkolbens wird durch den Druck der Luft im Behälter verursacht, der entsteht, wenn die Spuleneinrichtung aberregt wird.
Im Gegensatz zu magnetischen Flüssigkeiten, die im allgemeinen nicht kolloidal sind, sind Ferrofluids magnetisch ansprechende Materialien, die aus drei Komponenten bestehen: aus magnetischen Partikeln, einem oberflächenaktiven Stoff und einem Flüssigkeitsträger. Die Größe der Partikel, bei denen es sich typischerweise um Fe&sub3;O&sub4; handelt, liegt im Submikronbereich und beträgt im allgemeinen etwa 100 Aº im Durchmesser. Die magnetischen Partikel werden zuerst mit einem oberflächenaktiven Stoff beschichtet, um ein Zusammenklumpen der Partikel aufgrund der anziehenden Van der Waalsschen Kräfte und der Magnetkräfte zu verhindern, und danach im Flüssigkeitsträger verstreut.
Ferrofluids sind echte Kolloiden, in denen die Partikel im Flüssigkeitsträger dauerhaft frei schweben und nicht unter dem Einfluß von Schwerkraft, Magnetkraft und/oder Beschleunigung getrennt werden. Bei dem Flüssigkeitsträger kann es sich um eine wässrige Zusammensetzung, eine ölige Zusammensetzung oder eine Zusammensetzung aus einem organischen Lösemittel handeln.
Demnach wäre es wünschenswert, Solenoids zu schaffen, die aktiviert werden können, während gleichzeitig das dabei entstehende Geräusch völlig beseitigt odet wesentlich reduziert wird. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, einen Solenoid zu schaffen, der über längere Zeitperioden hinweg aktiviert werden kann, während der am Solenoid entstehende Verschleiß minimiert oder gänzlich verhindert wird. Es wäre auch wünschenswert, einen Solenoid zu schaffen, der verbesserte Wärmeverteilungseigenschaften und erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion in Gegenwart von chemisch aktiven Umgebungen aufweist, in denen sich der Solenoid befindet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft einen Solenoid, der ein Ferrofluid umfaßt, welches einen Abschnitt eines Tauchkolbens umgibt, der innerhalb des Solenoids angeordnet ist, und mindestens einen Abschnitt eines Anschlagteils mit einer Oberfläche, welche die Bewegung des Tauchkolbens innerhalb des Solenoids stoppt. Das Ferrofluid wird innerhalb eines Spalts zwischen dem Tauchkolben und einem nicht magnetischen Spulenkörper gegeben, der eine Spuleneinrichtung hält, sowie in einen Spalt zwischen dem Tauchkolben und dem Anschlag und einen Spalt zwischen dem Tauchkolben und dem Polstück. Das Ferrofluid reduziert das vom betätigten Tauchkolben erzeugte Geräusch, da das Ferrofluid, welches sich zwischen dem Anschlag und dem Tauchkolben befindet, wie ein Kissen wirkt, das den sich bewegenden Tauchkolben dämpft. Darüber hinaus minimiert das Ferrofluid die Erzeugung von Geräuschen, welche durch unerwünschte Vibrationen verschiedener Solenoidelemente, und zwar insbesondere vom Tauchkolben, verursacht werden.
Das innerhalb des Solenoids vorhandene Ferrofluid verleiht dem Solenoid auch zusätzliche andere betriebliche Vorteile. Das Ferrofluid ermöglicht eine ausgezeichnete Schmierung der sich bewegenden Teile des Solenoids, da das Ferrofluid eine Schmierflüssigkeit enthält. Dies verringert wiederum den materiellen Verschleiß des Solenoids, da die Erzeugung von Verschleißteilchen, die durch Reibe- und Stoßkräfte verursacht wird, wesentlich verringert wird. Da Ferrofluids aus einer Vielzahl an Flüssigkeiten für die Suspendierung ferromagnetischer Partikel hergestellt werden können, kann der Dämpfungskoeffizient des Ferrofluids abhängig von der im Ferrofluid verwendeten Flüssigkeit stark verändert werden. Da das Ferrofluid den Tauchkolben umgibt, sorgen die auf den Tauchkolben einwirkenden magnetostatischen Kräfte darüber hinaus dafür, daß dieser innerhalb des Solenoidkerns stets richtig ausgerichtet ist, was zusätzlich zu einer Verschleißverringerung führt.
Während das Ferrofluid den Geräuschpegel minimiert, indem es unerwünschte Vibrationsenergie durch die Gleitscherwirkung in Wärme verwandelt, dient es gleichzeitig auch als Kühlkörper, der größer ist als die Luft in den derzeit vorhandenen Solenoids, so daß das Ferrofluid nicht nur jene Wärme, die durch die Vibrationsenergie entsteht, verteilt, sondern auch jene Wärme, die von der erregten Wicklung erzeugt wird. Dies reduziert wiederum die Spulentemperatur und den Spulenwiderstand, wodurch die Nennleistung des Solenoids verbessert wird. Da es sich bei Ferrofluids um ein weiches magnetisches Material handelt, treten bei ihnen keine magnetischen Verluste auf, wenn sie im Spalt vorhanden sind. Da schließlich die Substratflüssigkeit, welche Ferrofluids umfaßt, chemisch inert ist, verhindert ihr Vorhandensein in den Spalten des Solenoids, daß die Elemente des Solenoids, welche sich neben den Spalten befinden, aufgrund chemisch aktiver Umgebungen, in welche der Solenoid gegeben werden kann, zu korrodieren beginnen können.
Die auf Ferrofluid basierenden Solenoids dieser Erfindung können auch zusätzliche Elemente umfassen, welche mit dem Ferrofluid zusammenarbeiten, um die Leistungseigenschaften der Solenoids zu verbessern. In einer Ausführungsform kann ein Permanentmagnet an einem Ende des Solenoids gegenüber einem Ende befestigt werden, von welchem sich der Tauchkolben erstreckt. Der Magnet verstärkt das Magnetfeld des Solenoids, wenn er aktiviert wird. In einer anderen Ausführungsform kann die Oberfläche des Anschlags, welche dem Tauchkolben am nächsten liegt, so modifiziert werden, daß ein oder mehrere Reservoirräume für das Ferrofluid geschaffen werden, oder daß ein stärker fokussiertes Magnetfeld innerhalb des Spalts zwischen dem Tauchkolben und dem Anschlag geschaffen wird. Ein Permanentmagnet kann auch am selben Ende des Solenoids angeordnet werden, von dem sich der Tauchkolben erstreckt, um das Magnetfeld im Volumen des Solenoids neben dem Polstück zu verstärken. Ein Permanentmagnet kann auch innerhalb des Solenoids zwischen dem Polstück und der Spuleneinrichtung angeordnet werden, um das Magnetfeld innerhalb dieses Volumens des Solenoids zu verstärken. In einer anderen Ausführungsform kann der Anschlag aus einem Permanentmagnet gebildet werden, um das Magnetfeld innerhalb des Volumens des Solenoids, das vom Anschlag eingenommen wird, zu verstärken. In einer anderen Ausführungsform kann ein Permanentmagnet an der Ummantelung befestigt werden, um größere Mengen an Ferrofluid zwischen dem Anschlag und dem Polstück zurückzuhalten und somit die entstehenden Geräusche zu verringern und die Bewegung des Tauchkolbens noch mehr zu dämpfen.
Das Ferrofluid wird sowohl bei statischen als auch dynamischen Bedingungen durch vorhandenen magnetischen Induktionsfluß, der in den Spalten innerhalb des Solenoids vorhanden ist, im Solenoid gehalten. Im Gegensatz zu nicht magnetischen Materialien, wie zum Beispiel Öl oder Fett, kann daher das Ferrofluid nicht aus dem Solenoid austreten.
Wenn die Spuleneinrichtung während des Betriebs elektrisch erregt wird, wird der Tauchkolben in den Solenoid gezogen. Das im Spalt zwischen dem Tauchkolben und der Spuleneinrichtung vorhandene Ferrofluid dient dazu, die Bewegung des Tauchkolbens zu schmieren und den Tauchkolben innerhalb des Kernvolumens, das durch die Innenwand der Spuleneinrichtung begrenzt wird, zu zentrieren. Wenn sich der Tauchkolben dem Anschlag an einer Position nähert, an der er innerhalb des Solenoids gestoppt wird, absorbiert das zwischen dem Tauchkolben und dem Anschlag vorhandene Ferrofluid die Stoßkraft des Tauchkolbens, so daß, wenn der Tauchkolben den Anschlag tatsächlich berührt, die auf den Anschlag einwirkende Stoßkraft wesentlich verringert oder gänzlich beseitigt wird, wodurch ein durch die Stoßkraft verursachtes Geräusch wesentlich verringert oder gänzlich vermieden wird. Durch die Tatsache, daß das Ferrofluid den Tauchkolben zentriert und gleichzeitig schmiert, werden die durch den Tauchkolben auf den Spulenkörper einwirkenden Reibungskräfte wesentlich reduziert oder vollständig beseitigt, wodurch auch das von den Reibungskräften verursachte Geräusch wesentlich reduziert oder vollständig beseitigt wird. Da das Ferrofluid eine höhere magnetische Permeabilität besitzt als Luft, bewirkt dessen Vorhandensein innerhalb des Kolbens eine größere auf den Tauchkolben einwirkende Kraft, die gegen die Viskosität des Ferrofluids ausbalanciert werden kann, was eine Dämpfung der Kraft des Tauchkolbens bewirkt. Diese Auswirkungen können geregelt werden, um die Ansprechzeit und die Kraft des Tauchkolbens über einen großen Bereich hinweg zu regeln. Somit verringert der Solenoid der vorliegenden Erfindung die Betriebsgeräusche und ermöglicht eine erhöhte Flexibilität der Betriebseigenschaften des Solenoids im Vergleich zu momentan verfügbaren Solenoids, bei denen ein Gas, wie zum Beispiel Luft, innerhalb der Solenoidspalten vorhanden ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids des Standes der Technik.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids dieser Erfindung.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids dieser Erfindung mit einem Magneten, der an der festen Seite des Solenoids angeordnet ist.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids dieser Erfindung mit einem am Anschlagelement vorhandenen Reservoir.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids dieser Erfindung mit einem Anschlagelement mit modifizierter Oberfläche.
Fig. 5A ist eine Draufsicht des Anschlagelements von Fig. 5.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids dieser Erfindung mit einem Permanentmagneten, der am Polelement befestigt ist.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids dieser Erfindung mit einem Permanentmagnet, der innerhalb des Solenoids angebracht ist.
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids dieser Erfindung mit einem Permanentmagnet, der innerhalb des Anschlagelements angeordnet ist.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht eines Solenoids dieser Erfindung mit einem Permanentmagneten, der in der Ummantelung vorhanden ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Der Solenoid dieser Erfindung umfaßt einen isolierten, niederohmigen Draht, wie zum Beispiel einen Kupferdraht, der um eine nicht magnetische Spulenkörperhalterung gewickelt ist, die zum Beispiel aus einer polymeren Zusammensetzung hergestellt ist. Ein aus einem magnetisch durchlässigen Material hergestellter Tauchkolben ist innerhalb des Kernvolumens des Spulenkörpers angeordnet und kann sich im Kernvolumen frei bewegen. Ein mechanischer Anschlag ist ebenfalls innerhalb des Kernvolumens des Spulenkörpers vorhanden. Der Anschlag ist ebenfalls aus einem magnetisch durchlässigen Material hergestellt, kann sich aber nicht frei innerhalb des Kernvolumens im Spulenkörper bewegen. Der Anschlag wird auf geeignete Weise in Position gehalten, indem er an der inneren Oberfläche des Spulenkörpers befestigt wird, welche das Kernvolumen begrenzt. Eine Ummantelung für den Spulenkörper, die Drahtspule, den Tauchkolben und den Anschlag wird aus zwei Teilen gebildet, die so angeordnet sind, daß die anderen Solenoldelemente an ihrer Stelle gehalten werden. Ein Teil der Ummantelung besteht aus einem im allgemeinen zylindrischen Element, und das zweite Teil der Ummantelung besteht aus einem im allgemeinen kreisförmigen, flachen Element, das als Polteil bezeichnet wird und am im allgemeinen zylindrischen Element befestigt ist. Kleine Spalten, welche ein Ferrofluid enthalten, befinden sich zwischen dem Anschlag und dem Spulenkörper, zwischen dem Tauchkolben und dem Spulenkörper sowie zwischen dem Tauchkolben und dem Anschlag.
Für die vorliegende Erfindung wird die Verwendung von Ferrofluids auf der Basis von natürlichen oder synthetischen Ölen bevorzugt. Die synthetischen Öle bieten eine hohe thermische Stabilität, einen großen Betriebstemperaturbereich, eine sehr niedrige Flüchtigkeit und ausgezeichnete Schmiereigenschaften. Zu den repräsentativen geeigneten synthetischen Ölen gehören unter anderem Kohlenwasserstoffe, Ester, Silikone, Silakohlenwasserstoffe, Polyphenylether, Fluorkohlenstoffe, Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder ähnliches. Im allgemeinen verhalten sich Ferrofluids bei Nichtvorhandensein eines externen Magnetfelds wie gewöhnliche Flüssigkeiten, so als ob sie keine magnetischen Eigenschaften besitzen würden, und treten daher aus dem Arbeitsspalt eines Gerät aus, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß sich die magnetischen Momente einzelner Partikel in einem feldfreien Raum gegenseitig auslöschen und der Nettomagnetismus der Flüssigkeit gleich Null ist. Wenn ein Magnetfeld an die Flüssigkeit angelegt wird, richten sich die magnetischen Vektoren selbst entlang der Feldlinien aus, was zu einem magnetischen Nettomoment der Flüssigkeit führt. Die Kraft, welche ein Ferrofluid in einem magnetischen Spalt zurückhält, ist ein Produkt des magnetischen Moments des Fluids und der magnetischen Feldstärke im Spalt.
Magnetische Materialien, die zur Herstellung des Tauchkolbens, des Anschlags und des Polstücks des Solenoids verwendet werden, können abhängig von ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Grade an Restmagnetismus aufweisen. Wenn die Magnetisierung des Ferrofluids ausreichend hoch ist, kann es durch die Restinduktion der weichen magnetischen Materialien bei statischen Bedingungen innerhalb des Solenoids gehalten werden. Wenn die Beschleunigungskräfte unter dynamischen Bedingungen groß sind, stellt das dadurch von der Spuleneinrichtung erzeugte zusätzliche Magnetfeld sicher, daß das Ferrofluid innerhalb des Solenoids gehalten wird. Somit erzeugt der arbeitende Solenoid ein ausreichend starkes Permanentmagnetfeld, um zu verhindern, daß Ferrofluid durch den Spalt zwischen dem Tauchkolben und dem Spulenkörper oder dem Polstück aus dem Solenoid austritt. Es werden Ausführungsformen dieser Erfindung geschaffen, die einen Permanentmagneten enthalten, der an verschiedenen Positionen innerhalb des Solenoids angeordnet ist, und diese Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Figuren im folgenden genauer beschrieben. Diese Permanentmagnete erzeugen ein stärkeres Magnetfeld und verstärken dadurch die Dämpfung, reduzieren den Verschleiß, verringern den Geräuschpegel und sorgen für eine auf den Tauchkolben einwirkende Zentrierungskraft innerhalb des Kernvolumens. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Ferrofluids besitzen im allgemeinen eine Viskosität von etwa 50 bis 25000 cP bei 27ºC und eine Verdampfungsrate von weniger als 10-8gm/cm²-C bei 100ºC sowie eine relative magnetische Durchlässigkeit von etwa 1,1 bis 5,5. Ferrofluids mit einer Viskosität von etwa 2000 cP bei 27ºC oder höher werden durch den bloßen Effekt der Viskosität innerhalb des Solenoids gehalten, ohne daß es dazu eines zusätzlichen Restmagnetfelds bedarf.
Bei Verwendung eines Permanentmagneten im Solenoid dieser Erfindung wird der Permanentmagnet so angeordnet, daß sich das vom Magneten erzeugte Feld in die selbe Richtung erstreckt wie das Primärfeld, welches von der erregten Spuleneinrichtung erzeugt wird. Typische Permanentmagnete werden aus Ferriten, AlNiCo, Sn-Co und Nd-Fe-B gebildet.
Nun wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Solenoid des Standes der Technik dargestellt ist. Der Solenoid 10 umfaßt eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12, wie zum Beispiel eine Kupferspule, die um einen Spulenkörper 14 gewickelt ist, der aus einem nicht magnetischen Material hergestellt ist. Ein Tauchkolben 16, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist, wird innerhalb des Kernvolumens 18 angeordnet, welches in erster Linie von der inneren zylindrischen Wand 20 des Spulenkörpers 14 begrenzt wird. Der Tauchkolben 16 ist innerhalb des Kernvolumens 18 zwischen der oberen Oberfläche 22 des Anschlags 24 und hin zu einer Position beweglich, die durch die Stärke des von der erregten Spuleneinrichtung 12 erzeugten Magnetfelds geregelt wird. Der Anschlag 24 ist an der Ummantelung 26 und/oder an der Innenwand 20 des Spulenkörpers 14 befestigt. Der Anschlag ist aus einem magnetischen Material hergestellt. Das Gehäuse für den Solenoid 10 wird von einer Ummantelung 26 gebildet, die aus einem magnetischen Material besteht, und einem Polstück 28, das ebenfalls aus einem magnetischen Material hergestellt ist. Der Tauchkolben 16 erstreckt sich durch das Polstück 28. Ein Spalt 30 ist zwischen dem Anschlag 24 und dem Tauchkolben 16 vorhanden, um eine Bewegung des Tauchkolbens 16 zu ermöglichen. Ein Spalt 32 zwischen dem Tauchkolben 14 und dem Polstück 16 sowie ein Spalt 34 zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Polstück 28 ermöglichen auch eine Bewegung des Tauchkolbens 16 innerhalb des Solenoids 10. Im Gerät des Standes der Technik enthalten die Spalten 30, 32 und 34 Luft. Die magnetischen Feldlinien für den Solenoid 10 sind durch die Linien 36 und 38 dargestellt. Bei der an die Kabel 40 und 42 der Spuleneinrichtung 12 angelegten elektrischen Energie kann es sich um elektrischen Wechselstrom oder Gleichstrom handeln, der ein Magnetfeld innerhalb des Solenoids erzeugt.
Die Fig. 2 bis 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. In den Fig. 2 bis 9 werden Elemente, die ähnlich sind wie Elemente aus der Fig. 1, mit den selben Referenznummern bezeichnet. Bezugnehmend auf Fig. 2 umfaßt der Solenoid 11 eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12, die durch Anlegen einer Spannung zwischen den Kabeln 40 und 42 erregt werden kann, einen Spulenkörper 14, der aus einem nicht magnetischen Material hergestellt ist, einen beweglichen Tauchkolben 16, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist, einen nicht beweglichen Anschlag 24, der aus magnetischem Material hergestellt ist, eine Ummantelung 26, die aus einem magnetischen Material hergestellt ist, und ein Polstück 28, das aus einem magnetischen Material hergestellt ist. Ein Ferrofluid 44 wird (a) in den Spalt 30 zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Anschlag 24, (b) in einen Spalt zwischen dem Anschlag 24 und der Innenwand 20 des Spulenkörpers 14, und (c) in den Spalt zwischen der Innenwand 20 des Spulenkörpers 14 und dem Tauchkolben 16 gegeben. Unter Einfluß des Magnetfelds beschichtet das Ferrofluid 44 die stirnseitige Oberfläche 45 des Anschlags 24 und die stirnseitige Oberfläche 47 des Tauchkolbens 16. Die Magnetfeldlinien, welche entstehen, wenn die Spuleneinrichtung 12 elektrisch erregt wird, werden durch die Linien 36 und 28 dargestellt. Das im Spalt 30 vorhandene Ferrofluid 44 stellt die oben beschriebenen Funktionen zur Verfügung, wobei insbesondere eine Geräuschminderung oder Geräuschvermeldung anzuführen ist, indem die Aufschlagkraft zwischen dem beweglichen Tauchkolben 16 und dem stationären Anschlag 24 gedämpft wird. Das zwischen dem Tauchkolben 16 und der Innenwand 20 des Spulenkörpers 14 vorhandene Ferrofluid 44 bietet ebenfalls die oben angeführten Funktionen, um den Tauchkolben 16 innerhalb des Kernvolumens 18 zu zentrieren und eine Reibung zwischen dem beweglichen Kolben 16 und der stationären Wand 20 zu minimieren oder gänzlich zu verhindern.
Nun wird auf Fig. 3 Bezug genommen, in der eine andere Ausführungsform dargestellt ist, in welcher der Solenoid 13 eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12 umfaßt, einen Spulenkörper 14, der die Spuleneinrichtung 12 hält, einen beweglichen Tauchkolben 16, einen unbeweglichen Anschlag 24, eine Ummantelung 26, Kabel 40 und 42, und ein Polstück 28. Der Solenoid 13 umfaßt einen Permanentmagneten 46, der an der Ummantelung 26 außerhalb des Kernvolumens 18 befestigt ist. Ein Ferrofluid 44 wird (a) in den Spalt 30 gegeben, der sowohl mit dem Anschlag 24 als auch dem beweglichen Tauchkolben 16 in Verbindung steht, (b) in den Raum zwischen der inneren Wandoberfläche 20 des Spulenkörpers 14 und dem Tauchkolben 16, und (c) in den Spalt zwischen der Wand 20 und dem Anschlag 24. Die magnetischen Feldlinien des Solenoids 13 sind durch die Linien 37 und 39 dargestellt. Der Magnet 46 verbessert die Zurückhaltung des Ferrofluids 44 im Solenoid 13. Das Ferrofluid 44 funktioniert in der oben beschriebenen Weise, um die oben beschriebenen Vorteile zu ermöglichen, und zwar insbesondere unter Bezugnahme auf die Beschreibung von Fig. 2.
Nun wird auf Fig. 4 und 4a Bezug genommen, in denen eine andere Ausführungsform dargestellt ist, wobei hier der Solenoid 15 eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12 umfaßt, einen Spulenkörper 14, einen beweglichen Tauchkolben 16, einen unbeweglichen Anschlag 24, eine Ummantelung 26, Kabel 40 und 42, und ein Polstück 28. Der Anschlag 24 umfaßt eine Ausnehmung 50 in seiner oberen Oberfläche 52, die als Flüssigkeitsreservoir für das Ferrofluid 44 dient. Wenn der Spalt 30 aufgrund der Bewegung des Tauchkolbens 16 verkleinert wird, wird das Ferrofluid 44 durch die mechanische Kraft des sich bewegenden Tauchkolbens 16 in das Reservoir 50 gedrückt. Während eines Rückwärtshubs des Tauchkolbens 16, bei dem der Spalt 30 vergrößert wird, wird das Ferrofluid durch das Magnetfeld innerhalb des Spaltes 30 aus dem Reservoir 50 herausgezogen. Der Permanentmagnet 46 erzeugt die Magnetfeldlinien 37 und 39.
Nun wird auf Fig. 5 und 5a Bezug genommen, in denen wiederum eine andere Ausführungsform dargestellt ist, wobei hier der Solenoid 17 eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12 umfaßt, einen Spulenkörper 14, einen beweglichen Tauchkolben 16, einen unbeweglichen Anschlag 24, eine Ummantelung 26, Kabel 40 und 42, und ein Polstück 28. Ferrofluid 44 wird hier (a) in den Spalt 30 zwischen dem Tauchkolben 16 und der Innenwand 20 des Spulenkörpers 14, sowie (b) zwischen den Anschlag 24 und die Innenwand 20 des Spulenkörpers 14 gegeben. Eine obere Oberfläche 54 des Anschlags 24 ist mit konzentrischen Wülsten 56 ausgestattet. Die konzentrischen Wülste 56 bewirken eine Fokussierung des Magnetfelds innerhalb des Spalts 30 und bilden ein Reservoir für das Ferrofluid, wenn das Ferrofluid, das vom Tauchkolben 16 mechanisch zusammengedrückt wird, während des Vorwärtshubs des Tauchkolbens 16 zum Anschlag 24 hin bewegt wird. Der Permanentmagnet 46 erzeugt ein Magnetfeld mit den Magnetfeldlinien 37 und 39. Da der Magnet permanentmagnetisch ist, ist das von ihm erzeugte Magnetfeld auch dann vorhanden, wenn der Solenoid nicht erregt wird, was dabei hilft, das Ferrofluid zurückzuhalten. Die Spuleneinrichtung 12 wird durch Anlegen einer Spannung zwischen den Kabeln 40 und 42 elektrisch erregt.
Nun wird auf Fig. 6 Bezug genommen, in der eine weitere Ausführungsform dargestellt ist, wobei hier der Solenoid 19 eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12 umfaßt, einen Spulenkörper 14, einen beweglichen Tauchkolben 16, einen Anschlag 24, eine Ummantelung 26, Kabel 40 und 42, und ein Polstück 28. Ferrofluid 44 wird hier (a) in den Spalt 30 zwischen der Innenwand 20 des Spulenkörpers 14 und dem Anschlag 24, sowie (b) zwischen die Innenwand 20 des Spulenkörpers 14 und dem Tauchkolben 16 gegeben. Der Solenoid 19 umfaßt auch einen Permanentmagnetismus 58, der ein Magnetfeld mit den Magnetfeldlinien 60 und 62 erzeugt. Die erregte Spuleneinrichtung 12 erzeugt die Magnetfeldlinien 64. Der Magnetismus 58 erzeugt ein stärkeres Magnetfeld im Spalt 30 zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Anschlag 24 und dient dazu, das Ferrofluid zurückzuhalten, wenn der Solenoid nicht erregt ist. Des weiteren wird das Magnetfeld im Spalt zwischen der Wand 20 und dem Tauchkolben 16 verstärkt, um eine bessere Ausrichtung des Tauchkolbens im Spalt zu ermöglichen.
Nun wird auf Fig. 7 Bezug genommen, in der eine weitere Ausführungsform dargestellt ist, wobei hier der Solenoid 21 eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12, einen Spulenkörper 14, einen beweglichen Tauchkolben 16, einen Anschlag 24, eine Ummantelung 26 und ein Polstück 28 umfaßt. Die Spuleneinrichtung 12 wird durch Anlegen einer Spannung zwischen den Kabeln 40 und 42 elektrisch erregt. Ein Permanentmagnet 66 wird innerhalb des Spulenkörpers 14 neben der Spuleneinrichtung 12 angeordnet. Ein Ferrofluid 44 wird in den Spalt 30 gegeben und ebenso (a) zwischen den Spulenkörper 14 und den Tauchkolben 16 und (b) zwischen den Spulenkörper 14 und den Anschlag 24 eingefüllt. Der Magnet 66 verstärkt den magnetischen Induktionsfluß innerhalb des Raums zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Spulenkörper 14 sowie im Raum zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Polstück 28. Dies erzeugt wiederum eine stärkere Magnetkraft für die Zentrierung des Tauchkolbens 16 und zum Zurückhalten des Ferrofluids 44 innerhalb des Solenoids 21.
In der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform umfaßt der Solenoid 23 eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12, einen Spulenkörper 14, einen beweglichen Tauchkolben 16, einen Anschlag 24, eine Ummantelung 26, Kabel 40 und 42, und ein Polstück 28. Ein Permanentmagnet 68 ist zwischen den Anschlagsabschnitten 70 und 72 angeordnet. Ein Ferrofluid 44 ist (a) innerhalb des Spaltes 30 zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Polstück 28 angeordnet. Ferrofluid 44 ist auch zwischen dem Anschlagsabschnitt 72 und dem Spulenkörper 14 vorhanden. Der Magnet 68 verstärkt das Feld zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Spulenkörper 14 sowie zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Polstück 28, wodurch eine stärkere Zurückhaltung des Ferrofluids 44 innerhalb des Solenoids 23 ermöglicht wird. Darüber hinaus bewirkt die höhere Magnetfeldstärke im Spalt zwischen dem Tauchkolben 16 und dem Polstück 28 eine stärkere Dämpfung, wodurch die vom Solenoid 23 erzeugten Geräusche weiter reduziert werden.
Nun wird auf Fig. 9 Bezug genommen, in welcher der Solenoid 25 eine elektrisch erregbare Spuleneinrichtung 12, einen Spulenkörper 14, einen beweglichen Tauchkolben 16, einen Anschlag 24 und ein Polstück 28 umfaßt. Die Spuleneinrichtung 12 ist mit Kabeln 40 und 42 ausgestattet, um eine elektrische Spannung an der Spuleneinrichtung anlegen zu können. Ein Permanentmagnet 74 ist zwischen segmentierten Ummantelungsabschnitten 76 und 78 angeordnet, die aus einem magnetischen Material, wie zum Beispiel Stahl, hergestellt sind. Die Magnetfeldlinien des Solenoids 25 werden durch die Linie 80 dargestellt. Der Magnet 74 besitzt die selben Auswirkungen wie der oben unter Bezugnahme auf Fig. 8 diskutierte Magnet.
Wenngleich sich die weiter oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 9 beschriebenen Solenoids hinsichtlich ihrer Struktur durch das Vorhandensein bzw. Fehlen eines Permanentmagneten unterscheiden und obwohl sich der Permanentmagnet, wenn er als Teil der Solenoidstruktur vorhanden ist, in unterschiedlichen Positionen befinden kann, arbeiten alle diese Solenoids im wesentlichen in der gleichen Art und Weise.
Aufgabe des Solenoids ist es, den Tauchkolben 16 zwischen einer ersten Position nahe am Anschlag oder in Kontakt mit dem Anschlag bzw. einer zweiten Position zu bewegen, wobei sich der Tauchkolben in eine Position erstreckt, die vom Anschlag weiter entfernt ist. Die Bewegung des Tauchkolbens in eine erste Richtung entlang einer Achse wird durch das erzeugte Magnetfeld bewirkt. Wenn das Anlegen elektrischer Energie aufhört, wird das Magnetfeld ausreichend verringert, so daß ein mechanisches Mittel im Solenoid, wie zum Beispiel eine herkömmliche Feder, eine Bewegung des Tauchkolbens in eine Richtung bewirkt, welche der ersten Richtung entlang der Achse entgegengesetzt ist.

Claims

1. Ein Solenoid (10) mit einer Spuleneinrichtung (12) zum Erzeugen eines Magnetfeldes (38) entlang einer Achse, mit einem magnetischen Tauchkolben (16), der im Magnetfeld (38) positioniert und entlang der Achse beweglich ist, und mit einem mechanischen Anschlag (24) zur Begrenzung der axialen Bewegung des Tauchkolbens (16), dadurch gekennzeichnet, daß ein Ferrofluid (44) zwischen dem Tauchkolben (16) und dem Anschlag (24) angeordnet ist.

2. Der Solenoid nach Anspruch 1, worin Spuleneinrichtung (12) den magnetischen Tauchkolben (16) umgibt und das Ferrofluid (44) auch zwischen der Spuleneinrichtung (12) und dem Tauchkolben (16) angeordnet ist.

3. Der Solenoid nach Anspruch 2, worin das Magnetfeld (38) eine Magnetfeldstärke besitzt und der Solenoid weiter einen Magneten (46) aufweist, der zur Erhöhung der Magnetfeldstärke zwischen der Spuleneinrichtung (12) und dem Tauchkolben (16) angeordnet ist.

4. Der Solenoid nach Anspruch 3, worin der Magnet (46) ein Permanentmagnet ist.

5. Der Solenoid nach Anspruch 1, worin das Magnetfeld (38) eine Magnetfeldstärke besitzt und der Solenoid weiter einen Magneten (58) aufweist, der zur Erhöhung der Magnetfeldstärke zwischen Tauchkolben (16) dem Anschlag (24) angeordnet ist.

6. Der Solenoid nach Anspruch 5, worin der Magnet (58) ein Permanentmagnet ist.

7. Der Solenoid nach Anspruch 1, worin der mechanische Anschlag (24) eine Ausnehmung (50156) in Flußverbindung mit dem Ferrofluid (44) aufweist, die als Flüssigkeits- Reservoir wirkt.

8. Der Solenoid nach Anspruch 1 umfaßt weiter ein Polstück (28), das ein Loch aufweist, durch das der Tauchkolben (16) geführt ist, und worin das Ferrofluid (44) zwischen dem Polstück (28) und dem Tauchkolben (16) angeordnet ist.

9. Der Solenoid nach Anspruch 8, worin das Magnetfeld (38) zwischen dem Polstück (28) und dem Tauchkolben (16) mit einer Magnetfeldstärke verläuft und worin der Solenoid (10) weiter einen Magneten (66) umfaßt zur Erhöhung der Magnetfeldstärke zwischen dem Polstück (28) und dem Kolben (16).

10. Der Solenoid nach Anspruch 9, worin der Magnet (66) ein Permanentmagnet ist.

11. Der Solenoid nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das besagte Ferrofluid (44) magnetische Partikel, einen Surfactant und eine Trägerflüssigkeit umfaßt, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche aus einem Kohlenwasserstoff, einem Ester, einem Silikon, einem Silakohlenwasserstoff, einem Polyphenylether, einem Fluorkohlenstoff, einem Fluorchlorkohlenwasserstoff und einer Mischung davon besteht.