EP1818951B1 - Hubmagnet - Google Patents
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- EP1818951B1 EP1818951B1 EP07450017A EP07450017A EP1818951B1 EP 1818951 B1 EP1818951 B1 EP 1818951B1 EP 07450017 A EP07450017 A EP 07450017A EP 07450017 A EP07450017 A EP 07450017A EP 1818951 B1 EP1818951 B1 EP 1818951B1
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- magnetic piston
- piston
- magnetic
- control section
- pole core
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- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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- H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
- H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
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- H01F7/1607—Armatures entering the winding
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- B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
- B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
- B66C1/00—Load-engaging elements or devices attached to lifting or lowering gear of cranes or adapted for connection therewith for transmitting lifting forces to articles or groups of articles
- B66C1/04—Load-engaging elements or devices attached to lifting or lowering gear of cranes or adapted for connection therewith for transmitting lifting forces to articles or groups of articles by magnetic means
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- H01F7/081—Magnetic constructions
- H01F2007/085—Yoke or polar piece between coil bobbin and armature having a gap, e.g. filled with nonmagnetic material
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- H01F7/081—Magnetic constructions
- H01F2007/086—Structural details of the armature
Definitions
- the invention relates to a lifting magnet according to the features of the preamble of claim 1.
- Such a solenoid is from the DE 196 22 794 A1 known.
- This solenoid has a soft magnetic housing, which at least partially surrounds an exciting coil wound on a bobbin.
- a pole core and a magnetic piston displaceable along a center axis of the bobbin in the direction of the pole core to a Hubendposition are arranged, wherein the housing has a through hole for the magnetic piston on its side opposite the pole core.
- the DE 20 2005 012 251 U1 discloses a solenoid in which a magnetic piston is guided in an elongated cylindrical guide sleeve.
- the magnetic piston has at its end remote from the pole piece end a reduction in diameter, which follows a curved course. What this diameter reduction should serve, is not mentioned.
- the guide sleeve has a closed end portion formed by a pole piece and an open end portion made of a magnetic steel alloy. Between the two end portions is a central portion of a non-magnetic material.
- a housing having the function of an iron yoke member includes a coil. The housing and the coil enclose a portion of the guide sleeve.
- the open end portion of the guide sleeve forms a passage opening for the magnetic piston in the iron yoke element.
- the reduced diameter end portion of the magnetic piston is slidable in the open end portion of the guide sleeve. Due to the large length of the open end portion of the magnetic guide sleeve but the curved portion of the magnetic piston remains over the entire displacement of the magnetic piston within the open end portion, whereby the parasitic air gap remains constant.
- the US 4,604,600 shows in Fig. 2 a proportional solenoid with a ferromagnetic outer housing, which is bounded on both opposite end faces of ferromagnetic end plates.
- One of these end plates has a passage opening for a guide tube, which defines a chamber in which a magnetic piston slides.
- the other end disc is closed by a pole piece.
- the guide tube is either non-magnetic or semi-magnetic, namely with magnetic (martensitic) end portions and a non-magnetic (austenitic) center portion.
- the pole piece has an end portion facing the magnetic piston; the kegetstumpfförmig is executed, whereby in the course of the stroke of the magnetic piston between B and C, a constant tightening force is realized.
- FIG. 3 Other embodiments of frusto-conical configuration of pole piece and / or a pole piece facing the end portion of the magnetic piston are from the Figures 3 . 5-8 seen.
- the magnetic piston has no change in cross-section in its end region remote from the pole piece, but slides with a constant parasitic air gap in the passage opening formed by the end disk or the guide tube.
- Electromagnetic solenoids (often referred to as electromagnetic actuators) are used in many areas to perform setting or switching functions. The limiting of the stroke movement is typically carried out by a mechanical stop in the Hubendposition. The approach of this end position is also associated with mechanically damped versions with a noise, which is very often perceived by the user as disturbing. Technically possible control of the lifting operation, for example by way detection and current control are not used for cost reasons in standard applications.
- a known embodiment of a lifting magnet is in Fig. 1 shown in longitudinal section.
- the known lifting magnet has a U-shaped bracket as a magnetic iron yoke element 1.
- the iron yoke element 1 has a longitudinal leg 1a, from the two ends of which in each case a transverse leg 1b, 1c extends away.
- the two transverse limbs 1b, 1c of the iron yoke element 1 surround an excitation coil 3 wound on a coil body 4, the transverse limbs 1b, 1c of the iron skirt closure element 1 in each case resting against an end flange 4b, 4c of the coil former 4.
- the bobbin 4 has a central passage opening 4a with a center axis M.
- a pole core 2 is arranged in the through hole 4 a, but protrudes partly beyond and is with its protruding end in a through hole 1 d in the transverse leg 1 b used the iron yoke element 1.
- the other, the pole core 2 opposite transverse leg 1c of the iron yoke element 1 also has a through hole 1 e, which is aligned coaxially with the passage opening 4a of the bobbin 4.
- An annular plain bearing bush 6 is seated in the through hole 1e of the transverse leg 1c of the iron yoke element 1 and extends into the through hole 4a of the bobbin 4.
- This annular plain bearing bush 6 is provided on its inner circumferential surface with a sliding layer, for example a PTFE layer.
- the plain bearing bush 6 is flush with the outside of the transverse leg 1c of the iron yoke element 1.
- a magnetic piston 5 is received from a soft magnetic material, which extends inwardly beyond the plain bearing bushing 6 in the through hole 4 a of the bobbin 4.
- a push rod 7 is inserted from a non-magnetic material.
- This push rod 7 extends through an axial through hole 2b of the pole core 2 and through the through hole 1d of the transverse leg 1b of the iron yoke element 1 out of the solenoid, wherein in the through hole 2b of the pole core 2, an annular plain bearing bush 10 is arranged, in which the push rod 7 out becomes.
- a coil spring 9 is disposed around the push rod 7 in the through hole 2b of the pole core 2.
- the magnetic piston 5 is displaceable along the center axis M of the bobbin 4, wherein between the magnetic piston 5 and the pole core 2, a working air gap 8 is formed, whose axial length s changes with the displacement of the magnetic piston 5.
- a stroke end position HE which in the present example is defined as a position in which the pole core 2 facing end face of the magnetic piston 5 is applied to the pole core 2, so that the axial length s of the working air gap 8 is zero.
- the present invention has for its object to improve the known lifting magnet to the effect that an increase in the tightening force in Hubend Scheme the magnetic piston is avoided and thus to reduce the noise when switching the solenoid considerably. Furthermore, the invention has for its object to provide a solenoid, which has an improved controllability of the displacement of the magnetic piston.
- a displaceable in the through hole of the piston-side portion of the iron yoke element control portion of the magnetic piston has such a geometric configuration that upon displacement of the magnetic piston in the direction of Hubendposition a parasitic air gap in the through hole of the piston-side portion of the iron yoke element adjusts and / or increases.
- the inventively generated parasitic air gap leads to an increased magnetic resistance in the magnetic circuit, which reduces the lifting force when the magnetic piston approaches its Hubendposition and thereby the speed of the Reduce the impact of the magnetic piston on the pole core or prevent the impact at all.
- This innovation allows virtually silent switching of the solenoid.
- an additional parameter influencing the working air gap force characteristic is introduced by the innovation according to the invention, with which the working air gap force characteristic, in particular in the stroke end region, can additionally be influenced and optimized for the respective application purpose.
- the force acting on the magnetic piston in Hubend Scheme be influenced so that the Hubendposition not by a mechanical stop of the magnetic piston on the pole core or a stop element, but by an equilibrium of forces exerted by the damping elements on the magnetic piston Forces with the electromagnetic forces is determined.
- a spring biases the magnetic piston against the force exerted by the exciter coil magnetic force, wherein the spring force of the spring is designed so that the magnetic piston is spaced in its Hubendposition of the pole core.
- the magnetic piston in the control section on a reduced piston diameter, which adjusts a parasitic air gap in the through hole of the piston-side portion of the iron yoke element in the course of displacement of the magnetic piston toward the Hubendposition upon entry of the control section in the passage opening, since the Increased distance between the wall of the through hole and the generatrix of the magnetic piston.
- the diameter of the magnetic piston in the control section can be reduced in one or more stages, whereby the parasitic air gap gradually increases as the magnetic piston approaches the stroke end position.
- the diameter of the magnetic piston in the control section in a direction opposite to the pole core direction are at least partially steadily reduced, whereby a more uniform course of the working air gap force characteristic is achieved because the parasitic air gap changes continuously.
- the control portion of the magnetic piston may be conical or the generatrix of the control portion of the magnetic piston at least partially have a curved course in order to achieve a particularly uniform course of the working air gap force characteristic.
- the control section of the magnetic piston is realized by a shortened compared to conventional magnetic piston length of the magnetic piston by the length of the magnetic piston is chosen so short that in Hubendposition the magnetic piston of the control portion of the magnetic piston or only partially protrudes into the passage opening at the piston-side region of the iron yoke element.
- the parasitic air gap in this case extends over the entire cross-sectional area of the through-hole and the magnetic flux of force concentrates on the part of the control section of the magnetic piston which projects into the through-hole. As this part becomes smaller and smaller with the movement of the magnetic piston into the stroke end position, the magnetic resistance increases and hence the lifting force decreases.
- FIGS. 2 to 6 illustrated embodiments explained in more detail.
- These embodiments represent modifications of the in Fig. 1 illustrated lifting magnets described in detail above, and for components that are used both in the known and in the lifting magnet according to the invention, the same reference numerals are used in the drawings and reference is made to the above description with respect to their function.
- first embodiment of a lifting magnet comprises a magnetic iron yoke element 1 in the form of a U-shaped bracket, which is bent for example of sheet metal.
- the iron yoke element 1 has a longitudinal leg 1a and two transverse limbs 1b, 1c extending from the longitudinal leg 1a.
- the transverse legs 1b, 1 c engage around the opposite end faces of a bobbin 4, on which an exciter coil 3 is wound.
- the bobbin 4 has an axial passage opening 4a in which a pole core 2 is arranged at one end.
- an annular plain bearing bush 6 and a magnetic piston 15 mounted therein displaceably made of a soft magnetic material.
- the magnetic piston 15 When the exciting coil 3 is supplied with electric current, the magnetic piston 15 is attracted by the electromagnetic force of the exciting coil 3 and displaced along a center axis M in the axial through hole 4a of the bobbin 4 in the direction of the pole core 2 to a stroke end position HE.
- the iron yoke element 1 has at the pole core 2 opposite piston-side region, ie the transverse leg 1c, a through hole 1 e, which is dimensioned so that the magnetic piston 15 can pass.
- the construction of the solenoid is conventional.
- the magnetic piston 15 of the Hubmagneten invention a control portion 15a at the spaced from the pole core 2 end of the magnetic piston 15, which control portion 15a in the through hole 1 e of the transverse leg 1 c of the iron yoke element 1 is displaceable.
- the control section 15a is characterized by a decreasing diameter, this diameter - starting from the diameter D1 of the central portion of the (cylindrical) magnetic piston 15 to the end remote from the pole core 2 end of the control section to a diameter D2, wherein the transition from the larger diameter D1 to the smaller diameter D2 is continuous, wherein the generatrix of the control section 15a presents as a quarter circle.
- the control portion 15a of the magnetic piston 15 enters the through hole 1e from the outside. Due to the continuously decreasing diameter of the control section 15a, a parasitic air gap 16 is caused in the passage opening 1e, which reduces the magnetic flux from the transverse leg 1c of the iron yoke element 1 and thereby also reduces the lifting force.
- the magnetic flux is lowest when the magnetic piston 15 has reached the stroke end position as in the working air gap force diagram of FIG Fig. 7 shown by the characteristic B. It can be seen from the characteristic curve B that at the beginning of the stroke, if the working air gap 8 has a length of 6 mm, the lifting force amounts to slightly more than 2 N.
- the control section 15 enters the through hole 1 e and thereby generates the parasitic air gap 16 (or increased due to manufacturing tolerances and the presence of plain bearing bush 6 existing parasitic air gap).
- the parasitic air gap 16 leads to a decrease in the lifting force to about 3 N at the Hubendposition HE.
- the reduced lifting force at the end of the stroke allows for almost silent switching operations of the solenoid.
- a further measure is provided which allows virtually noiseless switching operations.
- This measure includes the interpretation of the spring force of a known spring 19 (see spring 9 in Fig. 1 ), which serves as a return element for the magnetic piston 15, such that the Hubendposition HE not by a mechanical stop of the magnetic piston 15 on the pole core 2, but by an equilibrium of forces exerted by the spring 19 on the magnetic piston 15 Spring force with the electromagnetic forces generated by the exciting coil 3, is determined.
- the magnetic piston 15 is spaced in its Hubendposition HE of the pole core 2 about 0.5 mm, or in other words, remains a residual working air gap of 0.5 mm in length.
- Fig. 3 shows a second embodiment of a lifting magnet according to the invention.
- This second embodiment differs from the first only in that the magnetic piston 25 is provided with a conical control portion 25a which tapers conically from a diameter D1 in a direction opposite to the pole core 2 to a smaller diameter D2.
- the parasitic air gap generated thereby is designated by the reference numeral 26.
- Fig. 4 shows a third embodiment of a lifting magnet according to the invention.
- This third embodiment differs from the foregoing embodiments only in that the magnetic piston 35 is provided with a cylindrical control portion 35a having a diameter D2 smaller than a diameter D1 of a central cylindrical portion 35b of the magnetic piston 35 adjacent to the control portion 35a.
- a stepped transition from the central portion 35 to the control portion 35a of the magnetic piston is realized.
- the transition could also be made in several gradations according to the invention.
- the adjusting in the through hole 1e parasitic air gap 36 is annular.
- Fig. 5 shows a fourth embodiment of a lifting magnet according to the invention.
- This fourth embodiment differs from the first, in Fig. 2 illustrated embodiment in principle only as followed by the control portion 45a of the magnetic piston 45, which brings a reduction in diameter from D1 to D2 with it, a cylindrical end portion 45c with a diameter D2.
- the cylindrical end portion 45c protrudes also in the stroke end position HE through the through hole 1e of the transverse leg 1c of the iron yoke element 1 to the outside.
- control portions (15a, 25a, 35a) respectively facing away from the pole core end of the magnetic piston, wherein the magnetic piston length was dimensioned so that in the stroke end position HE End faces of the control sections flush with the outer surface of the transverse leg 1 c completed.
- Fig. 6 is a fifth embodiment of a lifting magnet according to the invention shown in longitudinal section.
- This embodiment differs from the previous embodiments in that the control portion 55a of the magnetic piston 55 has no shape deviating from the cylinder shape, but is designed as an end portion of the magnetic piston having an unchanged diameter D1.
- the length L of the magnetic piston 55 is selected so that the control portion 55a does not project into the through hole 1 e of the iron yoke element 1, but flush with the inner surface of the transverse leg 1 c.
- the parasitic air gap 56 extends in this case over the entire cross-sectional area of the passage opening 1 e, and the magnetic flux of force concentrates during the lifting movement of the magnetic piston 55 on the part of the control portion 55 a, which still protrudes into the through hole 1 e. Since this part becomes smaller and smaller in the stroke end position HE in response to the traveled stroke of the magnetic piston, the magnetic resistance increases and hence the lift force sharply drops, as in the characteristic curve C in the working air gap force diagram of FIG Fig. 7 shown.
- the spring force of the spring 59 is set so that the Hubendposition HE not by a mechanical stop of the magnetic piston 55 on the pole core 2, but by a balance of forces exerted by the spring 59 on the magnetic piston 55 spring force with the electromagnetic forces , which are generated by the exciting coil 3, is determined.
- the magnetic piston 55 is at its stroke end position HE of the pole core 2 about 0.5 mm apart, and there is a residual working air gap 8 of 0.5 mm in length.
- the magnetic iron yoke element need not be formed as a bracket, but, e.g. can also be designed as a housing.
- the magnetic iron yoke element is also referred to as a stator.
- the magnetic piston is often referred to in the literature as an anchor.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Hubmagneten gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
- Ein solcher Hubmagnet ist aus der
DE 196 22 794 A1 bekannt. Dieser Hubmagnet weist ein weichmagnetisches Gehäuse auf, das eine auf einen Spulenkörper gewickelte Erregerspule zumindest teilweise umgibt. In einer axialen Durchgangsöffnung des Spulenkörpers sind ein Polkern und ein bei Bestromung der Erregerspule entlang einer Mittenachse des Spulenkörpers in Richtung des Polkerns bis zu einer Hubendposition verschiebbarer Magnetkolben angeordnet, wobei das Gehäuse an seiner dem Polkern entgegengesetzten Seite eine Durchgangsöffnung für den Magnetkolben aufweist. - Die
DE 20 2005 012 251 U1 offenbart einen Hubmagneten, bei dem ein Magnetkolben in einer langgestreckten zylindrischen Führungshülse geführt wird. Der Magnetkolben weist an seinem vom Polstück abgewandten Endbereich eine Durchmesserverringerung auf, die einem gekrümmten Verlauf folgt. Wozu diese Durchmesserverringerung dienen soll, ist nicht erwähnt. Die Führungshülse weist einen durch ein Polstück gebildeten geschlossenen Endabschnitt und einen offenen Endabschnitt aus einer magnetischen Stahllegierung auf. Zwischen den beiden Endabschnitten befindet sich ein Mittelabschnitt aus einem nichtmagnetischen Material. Ein Gehäuse, das die Funktion eines Eisenrückschlusselements hat, beinhaltet eine Spule. Das Gehäuse und die Spule umschließen einen Abschnitt der Führungshülse. Der offene Endabschnitt der Führungshülse bildet eine Durchgangsöffnung für den Magnetkolben im Eisenrückschlusselement. Der Endbereich mit verringertem Durchmesser des Magnetkolbens ist im offenen Endabschnitt der Führungshülse verschiebbar. Durch die große Länge des offenen Endabschnitts der magnetischen Führungshülse bleibt aber der gekrümmte Abschnitt des Magnetkolbens über den gesamten Verschiebeweg des Magnetkolbens innerhalb des offenen Endabschnitts, wodurch auch der parasitäre Luftspalt konstant bleibt. - Die
US 4,604,600 zeigt inFig. 2 einen proportionalen Hubmagneten mit einem ferromagnetischen Außengehäuse, das an beiden gegenüberliegenden Stirnseiten von ferromagnetischen Endscheiben begrenzt wird. Eine dieser Endscheiben weist eine Durchgangsöffnung für ein Führungsrohr auf, das eine Kammer definiert, in der ein Magnetkolben gleitet. Die andere Endscheibe wird von einem Polstück verschlossen. Das Führungsrohr ist entweder nicht magnetisch oder halbmagnetisch, nämlich mit magnetischen (martensitischen) Endabschnitten und einem nichtmagnetischen (austenitischen) Mittelabschnitt ausgeführt. Das Polstück weist einen dem Magnetkolben zugewandten Endabschnitt auf; der kegetstumpfförmig ausgeführt ist, wodurch im Verlauf der Hubstrecke des Magnetkolbens zwischen B und C eine konstante Anzugskraft realisiert wird. Weitere Ausführungsformen von kegelstumpfförmiger Ausgestaltung von Polstück und/oder einem dem Polstück zugewandten Endabschnitt des Magnetkolbens sind aus denFiguren 3 ,5-8 ersichtlich. Der Magnetkolben weist in seinem vom Polstück abgewandten Endbereich keinerlei Querschnittsveränderung auf, sondern gleitet mit einem konstanten parasitären Luftspalt in der von der Endscheibe bzw. dem Führungsrohr gebildeten Durchgangsöffnung. - Elektromagnetische Hubmagnete (häufig auch elektromagnetische Aktuatoren genannt) werden in vielen Bereichen zur Ausführung von Stell- oder Schaltfunktionen eingesetzt. Die Begrenzung der Hubbewegung erfolgt typischerweise durch einen mechanischen Anschlag in der Hubendposition. Das Anfahren dieser Endposition ist auch bei mechanisch gedämpften Ausführungen mit einer Geräuschentwicklung verbunden, welche sehr häufig vom Anwender als störend empfunden wird. Technisch mögliche Regelungen des Hubbetriebes, zum Beispiel durch Wegerfassung und Stromregelung werden aus Kostengründen in Standardanwendungen nicht eingesetzt.
- Eine bekannte Ausführungsform eines Hubmagneten ist in
Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt. Der bekannte Hubmagnet verfügt über einen U-förmigen Bügel als magnetisches Eisenrückschlusselement 1. Das Eisenrückschlusselement 1 verfügt über einen Längsschenkel 1a, von dessen beiden Enden sich jeweils ein Querschenkel 1b, 1c weg erstreckt. Die beiden Querschenkel 1b, 1c des Eisenrückschlusselements 1 umgeben eine auf einen Spulenkörper 4 gewickelte Erregerspule 3, wobei die Querschenkel 1b, 1 c des Eisenrockschlusselements 1 jeweils an einem stirnseitigen Flansch 4b, 4c des Spulenkörpers 4 anliegen. Der Spulenkörper 4 weist eine zentrale Durchgangsöffnung 4a mit einer Mittenachse M auf. An einer Stirnseite des Spulenkörpers 4 ist ein Polkern 2 in der Durchgangsöffnung 4a angeordnet, ragt aber zum Teil darüber hinaus und ist mit seinem herausragenden Ende in eine Durchgangsöffnung 1d im Querschenkel 1b des Eisenrückschlusselements 1 eingesetzt. Der andere, dem Polkern 2 entgegengesetzte Querschenkel 1c des Eisenrückschlusselements 1 weist ebenfalls eine Durchgangsöffnung 1 e auf, die koaxial mit der Durchgangsöffnung 4a des Spulenkörpers 4 ausgerichtet ist. Eine ringförmige Gleitlagerbuchse 6 sitzt in der Durchgangsöffnung 1e des Querschenkels 1c des Eisenrückschlusselements 1 und erstreckt sich in die Durchgangsöffnung 4a des Spulenkörpers 4. Diese ringförmige Gleitlagerbuchse 6 ist an ihrer inneren Umfangsfläche mit einer Gleitschicht, z.B. einer PTFE-Schicht, versehen. Die Gleitlagerbuchse 6 schließt mit der Außenseite des Querschenkels 1c des Eisenrückschlusselements 1 bündig ab. In der Gleitlagerbuchse ist ein Magnetkolben 5 aus einem weichmagnetischen Material aufgenommen, der sich nach innen über die Gleitlagerbuchse 6 hinaus in die Durchgangsöffnung 4a des Spulenkörpers 4 erstreckt. - In den Magnetkolben 5 ist koaxial eine Schubstange 7 aus einem nichtmagnetischen Material eingesetzt. Diese Schubstange 7 erstreckt sich durch eine axiale Durchgangsöffnung 2b des Polkerns 2 und durch die Durchgangsöffnung 1d des Querschenkels 1b des Eisenrückschlusselements 1 aus dem Hubmagneten heraus, wobei in der Durchgangsöffnung 2b des Polkerns 2 eine ringförmige Gleitlagerbuchse 10 angeordnet ist, in der die Schubstange 7 geführt wird. Eine Schraubenfeder 9 ist in der Durchgangsöffnung 2b des Polkerns 2 um die Schubstange 7 herum angeordnet. Ein Ende der Schraubenfeder 9 ruht an der Gleitlagerbuchse 10 auf, das andere Ende der Schraubenfeder 9 liegt an dem Magnetkolben 5 an und spannt den Magnetkolben 5 in eine Hubanfangsposition HA vor, die durch das Anliegen eines auf der Schubstange 7 verschiebefest angeordneten Anschlagelements 11 an der Außenfläche des Querschenkels 1 b definiert wird.
- Der Magnetkolben 5 ist entlang der Mittenachse M des Spulenkörpers 4 verschiebbar, wobei zwischen dem Magnetkolben 5 und dem Polkern 2 ein Arbeitsluftspalt 8 ausgebildet ist, dessen axiale Länge s sich mit der Verschiebung des Magnetkolbens 5 verändert. Wenn die Erregerspule 3 mit Strom beaufschlagt wird, so wird der Magnetkolben 5 aus seiner Hubanfangsposition HA in Richtung des Polkerns 2 bis in eine Hubendposition HE bewegt, die im vorliegenden Beispiel als eine Position definiert ist, in der die dem Polkern 2 zugewandte Stirnfläche des Magnetkolbens 5 am Polkern 2 anliegt, so dass die axiale Länge s des Arbeitsluftspalts 8 Null ist. Zur Steuerung der Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennlinie ist bei dem bekannten Hubmagneten der dem Polkern 2 zugewandte Endbereich 5a des Magnetkolbens 5 konisch ausgestaltet, und der Polkern 2 ist mit einer korrespondierenden konischen axialen Vertiefung 2a ausgebildet. Die konische Ausgestaltung bewirkt eine Verbesserung und Linearisierung der Anzugskraft im Hubendbereich des Magnetkolbens 5, wobei über die Gestaltung der Konusgeometrie die Beeinflussung der Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennlinie über einen weiten Hubbereich möglich ist, die Problematik der überproportionalen Kraftzunahme im Hubendbereich bei Verkleinerung des Arbeitsluftspaltes aber nicht beseitigt wird. Dies ist anhand der Kennlinie A im Arbeitsluftspalt-Kraft-Diagramm von
Fig. 7 dargestellt. Diese typische Eigenschaft von Hubmagneten mit Konusgeometrie von Magnetkolben 5 und Polkern 2 verschärft die Geräuschproblematik durch Erhöhung der kinetischen Energie des Magnetkolbens 5 vor dem Auftreffen auf den Polkern 2 an der Hubendposition HE. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den bekannten Hubmagneten dahingehend zu verbessern, dass eine Erhöhung der Anzugskraft im Hubendbereich des Magnetkolbens vermieden wird und damit das Geräusch beim Schalten des Hubmagneten beträchtlich zu verringern. Weiters liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Hubmagneten bereitzustellen, der eine verbesserte Steuerbarkeit der Verschiebung des Magnetkolbens aufweist.
- Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellen eines Hubmagneten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
- Erfindungsgemäß wurde der oben anhand der
Fig. 1 beschriebene bekannte Hubmagnet auf eine solche Weise weitergebildet, dass ein in der Durchgangsöffnung des kolbenseitigen Bereichs des Eisenrückschlusselements verschiebbarer Steuerabschnitt des Magnetkolbens eine solche geometrische Ausbildung aufweist, dass sich bei Verschiebung des Magnetkolbens in Richtung zur Hubendposition ein parasitärer Luftspalt in der Durchgangsöffnung des kolbenseitigen Bereichs des Eisenrückschlusselements einstellt und/oder vergrößert. - Der erfindungsgemäß erzeugte parasitäre Luftspalt führt zu einem erhöhten magnetischen Widerstand im Magnetkreis, der die Hubkraft reduziert, wenn sich der Magnetkolben seiner Hubendposition nähert und dadurch die Geschwindigkeit des Anschlagens des Magnetkolbens am Polkern verringern oder das Anschlagen überhaupt verhindern kann. Diese Neuerung ermöglicht praktisch geräuschloses Schalten des Hubmagneten. Allgemein wird durch die erfindungsgemäße Neuerung ein zusätzlicher Parameter der Beeinflussung der Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennlinie eingeführt, mit dem die Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennlinie, insbesondere im Hubendbereich, zusätzlich beeinflusst und auf den jeweiligen Anwendungszweck hin optimiert werden kann.
- Mit dieser zusätzlichen Kennliniensteuerung kann in Kombination mit mechanischen Dämpfungselementen die auf den Magnetkolben wirkende Kraft im Hubendbereich so beeinflusst werden, dass die Hubendposition nicht durch einen mechanischen Anschlag des Magnetkolbens am Polkern oder einem Anschlagelement, sondern durch ein Kräftegleichgewicht der von den Dämpfungselementen auf den Magnetkolben ausgeübten Kräfte mit den elektromagnetischen Kräften bestimmt wird. Insbesondere ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine Feder den Magnetkolben gegen die von der Erregerspule ausgeübte Magnetkraft vorspannt, wobei die Federkraft der Feder so ausgelegt ist, dass der Magnetkolben in seiner Hubendposition von dem Polkern beabstandet ist. Eine solche Maßnahme erlaubt geräuschlose Schaltvorgänge.
- Durch die erfindungsgemäße geometrische Gestaltung des Magnetkolbens zur Erzielung eines parasitären Luftspalts an der Durchgangsöffnung des Eisenschlusselements wird in Kombination mit schon bisher eingesetzten Steuerungsmöglichkeiten der Kennlinie eine auf die Anwendung hin optimierte Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennliniensteuerung ermöglicht, welche die beschriebenen Vorteile bringt, ohne bei der Herstellung Zusatzkosten zu verursachen und damit auch in Standardanwendungen einsetzbar wird.
- In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Magnetkolben im Steuerabschnitt einen verringerten Kolbendurchmesser auf, wodurch sich im Verlauf der Verschiebung des Magnetkolbens in Richtung zur Hubendposition bei Eintritt des Steuerabschnitts in die Durchgangsöffnung ein parasitärer Luftspalt in der Durchgangsöffnung des kolbenseitigen Bereichs des Eisenrückschlusselements einstellt, da sich der Abstand zwischen der Wand der Durchgangsöffnung und der Mantellinie des Magnetkolbens vergrößert.
- Je nach gewünschtem Verlauf der Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennlinie kann der Durchmesser des Magnetkolbens im Steuerabschnitt in einer oder mehreren Stufen verringert werden, wodurch auch der parasitäre Luftspalt stufenweise zunimmt, je weiter sich der Magnetkolben der Hubendposition nähert. Alternativ dazu kann der Durchmesser des Magnetkolbens im Steuerabschnitt in eine zum Polkern entgegengesetzte Richtung zumindest stückweise stetig verringert werden, wodurch ein gleichmäßigerer Verlauf der Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennlinie erzielt wird, da sich der parasitäre Luftspalt stetig ändert. Beispielsweise kann der Steuerabschnitt des Magnetkolbens konisch ausgebildet sein oder die Mantellinie des Steuerabschnitts des Magnetkolbens zumindest abschnittsweise einen gekrümmten Verlauf aufweisen, um einen besonders gleichmäßigen Verlauf der Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennlinie zu erreichen.
- In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird anstelle oder zusätzlich zur Durchmesserverringerung der Steuerabschnitt des Magnetkolbens durch eine gegenüber herkömmlichen Magnetkolben verkürzte Baulänge des Magnetkolbens realisiert, indem die Länge des Magnetkolbens so kurz gewählt ist, dass in Hubendposition des Magnetkolbens der Steuerabschnitt des Magnetkolbens nicht oder nur teilweise in die Durchgangsöffnung am kolbenseitigen Bereich des Eisenrückschlusselements ragt. Der parasitäre Luftspalt erstreckt sich in diesem Fall über die gesamte Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung und der magnetische Kraftfluss konzentriert sich auf den Teil des Steuerabschnitts des Magnetkolbens, der in die Durchgangsöffnung ragt. Da dieser Teil mit der Bewegung des Magnetkolbens in die Hubendposition ständig kleiner wird, nimmt der magnetische Widerstand zu und folglich die Hubkraft ab.
- Die Erfindung wird nun anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
-
Fig. 1 einen Hubmagneten gemäß dem Stand der Technik im Längsschnitt; -
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubmagneten im Längsschnitt; -
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubmagneten im Längsschnitt; -
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubmagneten im Längsschnitt; -
Fig. 5 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubmagneten im Längsschnitt; -
Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubmagneten im Längsschnitt; und -
Fig. 7 ein Arbeitsluftspalt-Kraft-Diagramm mit Arbeitsluftspalt-Kraft-Kennlinien für den Hubmagneten nach dem Stand der Technik und für zwei erfindungsgemäße Hubmagneten. - Die Erfindung wird nun anhand von fünf in den
Figuren 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele stellen Modifikationen des inFig. 1 dargestellten und oben ausführlich beschriebenen Hubmagneten dar, wobei für Bauteile, die sowohl im bekannten als auch in den erfindungsgemäßen Hubmagneten verwendet werden, in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen benutzt werden und bezüglich ihrer Funktion auf die obige Beschreibung verwiesen wird. - Die in
Fig. 2 dargestellte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubmagneten umfasst ein magnetisches Eisenrückschlusselement 1 in Gestalt eines U-förmigen Bügels, der z.B. aus Blech gebogen ist. Das Eisenrückschlusselement 1 weist einen Längsschenkel 1a und zwei sich vom Längsschenkel 1 a erstreckende Querschenkel 1b, 1 c auf. Die Querschenkel 1b, 1 c umgreifen die gegenüberliegenden Stirnseiten eines Spulenkörpers 4, auf den eine Erregerspule 3 gewickelt ist. Der Spulenkörper 4 besitzt eine axiale Durchgangsöffnung 4a, in der an einem Ende ein Polkern 2 angeordnet ist. Weiters sind in der axialen Durchgangsöffnung 4a des Spulenkörpers 4 eine ringförmige Gleitlagerbuchse 6 und ein darin verschieblich gelagerter Magnetkolben 15 aus einem weichmagnetischen Material angeordnet. Wenn die Erregerspule 3 mit elektrischem Strom beaufschlagt wird, so wird der Magnetkolben 15 durch die elektromagnetische Kraft der Erregerspule 3 angezogen und entlang einer Mittenachse M in der axialen Durchgangsöffnung 4a des Spulenkörpers 4 in Richtung des Polkerns 2 bis zu einer Hubendposition HE verschoben. Das Eisenrückschlusselement 1 weist an dem dem Polkern 2 entgegengesetzten kolbenseitigen Bereich, d.h. dem Querschenkel 1c, eine Durchgangsöffnung 1 e auf, die so dimensioniert ist, dass der Magnetkolben 15 hindurchgehen kann. Soweit bis jetzt beschrieben ist die Konstruktion des Hubmagneten konventionell. Im Unterschied zum Stand der Technik weist der Magnetkolben 15 des erfindungsgemäßen Hubmagneten jedoch einen Steuerabschnitt 15a am vom Polkern 2 beabstandeten Ende des Magnetkolbens 15 auf, welcher Steuerabschnitt 15a in der Durchgangsöffnung 1 e des Querschenkels 1 c des Eisenrückschlusselements 1 verschiebbar ist. Der Steuerabschnitt 15a zeichnet sich durch einen sich verringernden Durchmesser aus, wobei sich dieser Durchmesser - ausgehend vom Durchmesser D1 des Mittelabschnitts des (zylindrischen) Magnetkolbens 15 zum vom Polkern 2 abgewandten Ende des Steuerabschnitts auf einen Durchmesser D2 verringert, wobei der Übergang vom größeren Durchmesser D1 auf den kleineren Durchmesser D2 stetig verläuft, wobei sich die Mantellinie des Steuerabschnitts 15a als Viertelkreis präsentiert. Während der Hubbewegung des Magnetkolbens 15 in Richtung der Hubendposition HE tritt der Steuerabschnitt 15a des Magnetkolbens 15 von außen in die Durchgangsöffnung 1e ein. Durch den sich stetig verringernden Durchmesser des Steuerabschnitts 15a wird in der Durchgangsöffnung 1e ein parasitärer Luftspalt 16 hervorgerufen, der den Magnetfluss vom Querschenkel 1c des Eisenrückschlusselements 1 verringert und dadurch auch die Hubkraft verringert. Der Magnetfluss ist am geringsten, wenn der Magnetkolben 15 die Hubendposition erreicht hat, wie im Arbeitsluftspalt-Kraftdiagramm vonFig. 7 anhand der Kennlinie B dargestellt. Man erkennt aus der Kennlinie B, dass am Beginn des Hubwegs, wenn der Arbeitsluftspalt 8 eine Länge von 6 mm aufweist, die Hubkraft etwas mehr als 2 N ausmacht. Mit sich verringerndem Arbeitsluftspalt nimmt die Hubkraft auf a. 3,7 N zu, bis bei einer Arbeitsluftspaltslänge von ca. 2 mm der Steuerabschnitt 15 in die Durchgangsöffnung 1e eintritt und dabei den parasitären Luftspalt 16 erzeugt (bzw. einen aufgrund von Fertigungstoleranzen und dem Vorhandensein der Gleitlagerbuchse 6 bereits bestehenden parasitären Luftspalt vergrößert). Der parasitäre Luftspalt 16 führt zu einem Absinken der Hubkraft auf ca. 3 N an der Hubendposition HE. - Die verringerte Hubkraft am Ende des Hubwegs ermöglicht für sich bereits fast geräuschlose Schaltvorgänge des Hubmagneten. Gemäß der Erfindung ist aber eine weitere Maßnahme vorgesehen, die praktisch geräuschlose Schaltvorgänge ermöglicht. Diese Maßnahme umfasst die Auslegung der Federkraft einer an sich bekannten Feder 19 (vergleiche Feder 9 in
Fig. 1 ), die als Rückstellelement für den Magnetkolben 15 dient, solcherart, dass die Hubendposition HE nicht durch einen mechanischen Anschlag des Magnetkolbens 15 am Polkern 2, sondern durch ein Kräftegleichgewicht der von der Feder 19 auf den Magnetkolben 15 ausgeübten Federkraft mit den elektromagnetischen Kräften, die von der Erregerspule 3 erzeugt werden, bestimmt wird. Wie aus der Kennlinie B des Arbeitsluftspalt-Kraft-Diagramms vonFig. 7 zu sehen ist, ist der Magnetkolben 15 in seiner Hubendposition HE von dem Polkern 2 ca. 0,5 mm beabstandet, oder anders gesagt, bleibt ein Rest-Arbeitsluftspalt von 0,5 mm Länge. -
Fig. 3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines Hubmagneten. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten nur insofern, als der Magnetkolben 25 mit einem konischen Steuerabschnitt 25a versehen ist, der sich von einem Durchmesser D1 in eine vom Polkern 2 entgegengesetzte Richtung konisch auf einen kleineren Durchmesser D2 verringert. Der dadurch erzeugte parasitäre Luftspalt ist mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet. -
Fig. 4 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform eines Hubmagneten. Diese dritte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsformen nur insofern, als der Magnetkolben 35 mit einem zylindrischen Steuerabschnitt 35a versehen ist, der einen Durchmesser D2 aufweist, der kleiner ist als ein Durchmesser D1 eines dem Steuerabschnitt 35a benachbarten zentralen zylindrischen Abschnitts 35b des Magnetkolbens 35. Somit ist ein abgestufter Übergang vom zentralen Abschnitt 35 auf den Steuerabschnitt 35a des Magnetkolbens verwirklicht. Der Übergang könnte gemäß der Erfindung auch in mehreren Abstufungen erfolgen. Der sich in der Durchgangsbohrung 1e einstellende parasitäre Luftspalt 36 ist ringförmig. -
Fig. 5 zeigt eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform eines Hubmagneten. Diese vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten, inFig. 2 dargestellten Ausführungsform prinzipiell nur dadurch, als sich an den Steuerabschnitt 45a des Magnetkolbens 45, der eine Durchmesserverringerung von D1 auf D2 mit sich bringt, noch ein zylindrischer Endabschnitt 45c mit einem Durchmesser D2 anschließt. Der zylindrische Endabschnitt 45c ragt auch in der Hubendstellung HE durch die Durchgangsöffnung 1e des Querschenkels 1c des Eisenrückschlusselements 1 hindurch nach außen. Im Gegensatz dazu bildeten bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen die Steuerabschnitte (15a, 25a, 35a) jeweils das vom Polkern abgewandte Ende des Magnetkolbens, wobei die Magnetkolbenlänge so bemessen war, das in der Hubendstellung HE die Stirnflächen der Steuerabschnitte bündig mit der Außenfläche des Querschenkels 1 c abschlossen. - In
Fig. 6 ist eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform eines Hubmagneten im Längsschnitt dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsformen insofern, als der Steuerabschnitt 55a des Magnetkolbens 55 keine von der Zylinderform abweichende Gestalt hat, sondern als Endabschnitt des Magnetkolbens mit einem unveränderten Durchmesser D1 ausgeführt ist. Jedoch ist die Länge L des Magnetkolbens 55 so gewählt, dass der Steuerabschnitt 55a nicht in die Durchgangsöffnung 1 e des Eisenrückschlusselements 1 ragt, sondern bündig mit der Innenfläche des Querschenkels 1 c abschließt. Der parasitäre Luftspalt 56 erstreckt sich in diesem Fall über die gesamte Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung 1 e, und der magnetische Kraftfluss konzentriert sich während der Hubbewegung des Magnetkolbens 55 auf den Teil des Steuerabschnitts 55a, der noch in die Durchgangsöffnung 1e ragt. Da dieser Teil entsprechend dem zurückgelegten Hubweg des Magnetkolbens ständig kleiner wird und in der Hubendposition HE gegen Null geht, nimmt der magnetische Widerstand zu und fällt folglich die Hubkraft stark ab, wie in der Kennlinie C im Arbeitsluftspalt-Kraft-Diagramm vonFig. 7 dargestellt. - Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Federkraft der Feder 59 so eingestellt, dass die Hubendposition HE nicht durch einen mechanischen Anschlag des Magnetkolbens 55 am Polkern 2, sondern durch ein Kräftegleichgewicht der von der Feder 59 auf den Magnetkolben 55 ausgeübten Federkraft mit den elektromagnetischen Kräften, die von der Erregerspule 3 erzeugt werden, bestimmt wird. Wie aus der Kennlinie C zu sehen ist, ist der Magnetkolben 55 in seiner Hubendposition HE von dem Polkern 2 ca. 0,5 mm beabstandet, und es bleibt ein Rest-Arbeitsluftspalt 8 von 0,5 mm Länge.
- Es sei erwähnt, dass das magnetische Eisenrückschlusselement nicht als Bügel ausgebildet sein muss, sondern z.B. auch als Gehäuse ausgebildet sein kann. In der Literatur wird das magnetische Eisenrückschlusselement auch als Stator bezeichnet. Der Magnetkolben wird in der Literatur häufig als Anker bezeichnet.
Claims (6)
- Hubmagnet mit einem magnetischen Eisenrückschlusselement (1), einer zumindest teilweise von dem Eisenrückschlusselement (1) umgebenen, auf einen Spulenkörper (4) gewickelten Erregerspule (3), einem zumindest teilweise in einer axialen Durchgangsöffnung (4a) des Spulenkörpers (4) angeordneten Polkern (2) und einem bei Bestromung der Erregerspule (3) entlang einer Mittenachse (M) des Spulenkörpers (4) in Richtung des Polkerns (2) bis zu einer Hubendposition (HE) verschiebbaren Magnetkolben (515, 25, 35, 45, 55), wobei das Eisenrückschlusselement (1) an einem dem Polkern (2) entgegengesetzten kolbenseitigen Bereich (1c) eine Durchgangsöffnung (1e) für den Magnetkolben aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Durchgangsöffnung (1e) des kolbenseitigen Bereichs (1c) des Eisenrückschlusselements (1) verschiebbarer Steuerabschnitt (15a, 25a, 35a, 45a, 55a) des Magnetkolbens (15, 25, 35, 45, 55) eine solche geometrische Ausbildung aufweist, dass sich bei Verschiebung des Magnetkolbens (15, 25, 35, 45, 55) in Richtung zur Hubendposition (HE) ein parasitärer Luftspalt (16, 26, 36, 46, 56) in der Durchgangsöffnung (1e) des kolbenseitigen Bereichs (1c) des Eisenrückschlusselements (1) einstellt und/oder vergrößert, indem der Magnetkolben (15, 25, 35, 45) im Steuerabschnitt (15a, 25a, 35a, 45a) einen verringerten Kolbendurchmesser (D2) aufweist und der Steuerabschnitt (15a, 25a, 35a, 45a) während der Hubbewegung des Magnetkolbens (15) in Richtung der Hubendposition (HE) von außen in die Durchgangsöffnung (1e) eintritt, oder indem die Länge (L) des Magnetkolbens (55) so kurz gewählt ist, dass in Hubendposition (HE) des Magnetkolbens der Steuerabschnitt (55a) des Magnetkolbens nicht oder nur teilweise in die Durchgangsöffnung (1e) des kolbenseitigen Bereichs (1c) des Eisenrückschlusselements (1) ragt.
- Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser des Magnetkolbens (35) im Steuerabschnitt (35a) stufenweise vom Durchmesser D1 zum Durchmesser D2 verringert.
- Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser des Magnetkolbens (15, 25, 45) im Steuerabschnitt (15a, 25a, 45a) in eine zum Polkern (2) entgegengesetzte Richtung zumindest stückweise stetig verringert.
- Hubmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerabschnitt (25a) des Magnetkolbens (25) konisch ausgebildet ist.
- Hubmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantellinie des Steuerabschnitts (15a, 45a) des Magnetkolbens (15, 45) zumindest abschnittsweise einen gekrümmten Verlauf aufweist.
- Hubmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (19, 59) den Magnetkolben (15, 55) gegen die von der Erregerspule (3) ausgeübte Magnetkraft vorspannt, wobei die Federkraft der Feder (19, 59) so ausgelegt ist, dass der Magnetkolben (19, 59) in seiner Hubendposition (HE) von dem Polkern (2) beabstandet ist.
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PLAX | Notice of opposition and request to file observation + time limit sent |
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26 | Opposition filed |
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BERE | Be: lapsed |
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