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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearaktuator, insbesondere einen elektromagnetischen Linearaktuator.
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Zur Realisierung von Linearbewegungen sind sogenannte Linearaktuator bekannt. Unter anderem ist elektromagnetischer Linearaktuaktor zur Wandlung einer elektrisch erzeugten Drehbewegung in eine translatorische Bewegung bekannt. In der Regel umfasst elektromagnetischer Linearaktuator einen Stator mit mehreren Statorspulen, einen beweglichen Anker mit mindestens einer Spule und zwei Endanschlagelement zur Begrenzung der Bewegung des Ankers.
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Aus dem Dokument
DE-U-20 2010 013 240 sind elektromagnetische Aktuatoren mit verschiedenen Spulen-Anordnungen bekannt. Dieses Dokument beinhaltet einen elektromagnetischen Aktuator, der einen Stator mit zwei beabstandeten Statorspulen und einen beweglichen Anker mit einer Ankerspule aufweist. Eine der beiden Statorspulen und die Ankerspule sind derart bestromt, dass die gegensinnige Magnetfelder erzeugen. Bei der Überlagerung dieser beiden Magnetfelder wirkt eine Kraft aus, die die beiden Spulen (Stator- und Ankerspule) auseinander treibt. Unter dieser Kraftwirkung bewegt sich der Anker entlang der Längsachse in eine Richtung. Auf dem Bewegungsweg des Ankers ist die andere Statorspule angeordnet. Um die Bewegung des Ankers zu beschleunigen ist diese Statorspule so bestromt, dass die ein Magnetfeld erzeugt, das gleichsinnig zu dem von der Ankerspule erzeugten Magnetfeld gerichtet ist. Zur Begrenzung der Bewegung des Ankers dient eine geschlossene Stirnseite des Stators als Endschlagelement.
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Ein weiteres Beispiel für einen elektromagnetischen Linearaktuator ist aus
US-A-20100060393 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Linearaktuator zu schaffen, der ermöglicht, eine effektive Abbremsung und Dämpfung einer Ankerbewegung auf einfache Art und Weise durchzuführen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung einen Linearaktuator vorgeschlagen, der mit den Merkmalen des Anspruchs 1 versehen ist.
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Wie die bekannten Linearaktuatoren weist der erfindungsgemäße elektromagnetische Linearaktuator einen aus ferromagnetischen Materialien ausgebildeten Stator, einen aus ferromagnetischen Materialien ausgebildeten Anker auf, der an dem Stator derart angeordnet ist, dass der Anker entlang einer Längsachse relativ zum Stator zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist. Zum Erzeugen eines zumindest teilweise durch Stator und Anker geführten Anker-Magnetfeldes ist eine Ankerspule auf dem Anker angeordnet. Diese Ankerspule ist derart auf dem Anker fixiert, dass eine auf die Ankerspule wirkende Kraft auf den Anker übertragbar ist. Somit kann der Anker von der auf die Ankerspule wirkenden Kraft bewegt werden.
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Ferner weist der erfindungsgemäße Linearaktuator zwei Elemente zum Erzeugen der Stator-Magnetfelder auf, wobei die beiden Elemente mit dem Stator mechanisch verbunden und voneinander in der Längsrichtung des Stators beabstandet angeordnet sind. Das von dem ersten Element erzeugte erste Stator-Magnetfeld ist zumindest teilweise durch Stator und Anker geführt und gegensinnig zu dem Anker-Magnetfeld gerichtet.
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In der ersten Position sind die Ankerspule und das erste Element derart benachbart angeordnet, dass bei bestromter Ankerspule das erste Stator-Magnetfeld und das Anker-Magnetfeld sich überlagern. Mittels der Wechselwirkung von dem Anker-Magnetfeld und dem ersten Stator-Magnetfeld wird ein Erregerfeld mit einer quer zur Längsachse orientierten Feldkomponente gebildet. Diese wirken auf die Ankerspule eine Kraft, die den Anker zu der zweiten Position bewegt.
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Bei dem Linearaktuator ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das zweite Stator-Magnetfeld gegensinnig zu dem Anker-Magnetfeld gerichtet ist und in der zweiten Position die Ankerspule und das zweite Element benachbart angeordnet sind und mittels der Wechselwirkung von dem Anker-Magnetfeld und dem zweiten Stator-Magnetfeld auf die Ankerspule eine Kraft wirkt, die den Anker zu der ersten Position bewegt.
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Die zwei Elemente können um eine Symmetrieachse symmetrisch angeordnet werden, die senkrecht zu der Längsachse des Ankers gerichtet ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Stator um einen Hohlzylinder und bei dem Anker um einen Zylinder, der entlang der Längsachse gleitend in dem Stator geführt ist. Der Anker kann beispielsweise als Massivzylinder oder Hohlzylinder ausgebildet sein.
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Bei einer weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass eine erste Erregerspule als das erste Element zum Erzeugen des ersten Magnetfeldes und eine zweite Erregerspule als das zweite Element zum Erzeugen des zweiten Magnetfeldes ausgebildet ist.
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Die beiden Erregerspulen können innerhalb des Stators in Umfangsrichtung um die Längsachse des Stators gewickelt sind. Beispielsweise können die beiden Erregerspulen jeweils in einer Nut angeordnet werden, die auf der Innenseite des Stators in Umfangsrichtung umläuft. Somit stehen die Erregerspulen nicht über die Oberfläche der Innenseite des Stators vor.
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Ferner ist die Ankerspule um die Längsachse des Ankers herum angeordnet. Hierzu kann die Ankerspule in einer den Anker in Umfangsrichtung umlaufenden Nut angeordnet sein. Somit steht die Ankerspule nicht über die Oberfläche des Ankers vor.
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Der erfindungsgemäße elektromagnetische Linearaktuator mit seiner symmetrischen Spulenanordnung ermöglicht es, dass ein richtungsunabhängiger Beschleunigungsverlauf zwischen den ersten und zweiten Positionen durch gegensinniges Bestromen der entsprechenden Anker-Statorpaare realisiert werden kann. Weiterhin ermöglicht das gegensinnige Bestromen des Spulenpaares am Ende der Bewegung eine effektive Abbremsung und Dämpfung, so dass eine externe Bremsung oder Dämpfung technisch einfacher zu gestalten ist oder sogar verzichtbar ist.
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Beispiele und Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Linearaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer ersten Position;
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2 eine schematische Darstellung des elektromagnetischen Linearaktuators in einer zweiten Position; und
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3 eine schematische Darstellung eines Verlaufs des elektromagnetischen Linearaktuators von der ersten Position zu der zweiten Position.
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1 ist eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Linearaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer ersten Position. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst der elektromagnetische Linearaktuator 10 einen Stator 12 und einen Anker 14, die aus ferromagnetischen Materialien ausgebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Stator 12 und der Anker 14 rotationssymmetrisch (die Längsachse L als Symmetrieachse). Somit ist der Stator 12 ein Hohlzylinder 16 und der Anker 14 ein Massivzylinder 18. Der Anker 14 ist entlang der Längsachse L gleitend in dem Stator 12 geführt und axial bewegbar. Ein rotationssymmetrischer Aufbau ist jedoch nicht zwingend.
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Wie in 1 gezeigt ist eine Ankerspule 20 um die Längsachse L des Ankers 14 herum gewickelt und derart fixiert, dass eine auf die Ankerspule 20 wirkende Kraft auf den Anker 14 übertragbar ist. Beispielsweise ist die Ankerspule 14 in einer den Anker 14 in Umfangsrichtung umlaufenden Nut 22 angeordnet. Wenn die Ankerspule 20 bestromt ist, wird ein Anker-Magnetfeld erzeugt, das durch Stator 12 und Anker 14 geführt ist. Ferner sind ein erstes 24 und ein zweites Element 26 zum Erzeugen der Stator-Magnetfelder mit dem Stator 12 mechanisch verbunden. Die beiden Elemente 24, 26 sind beabstandet an der Innenseite 28 des Stators 12 und um eine Symmetrieachse S symmetrisch angeordnet, die senkrecht zu der Längsachse L gerichtet ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine erste Erregerspule 30 als das erste Element 24 zum Erzeugen des ersten Magnetfeldes und eine zweite Erregerspule 32 als das zweite Element 26 zum Erzeugen des zweiten Magnetfeldes ausgebildet. Beispielsweise können die am Stator 12 angeordneten Erregerspulen 30, 32 auch durch Permanentmagnete ersetzt werden. Anhand von diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Erregerspulen 30, 32 innerhalb des Stators 12 in Umfangsrichtung um die Längsachse L gewickelt. Um die Erregerspulen 30, 32 nicht über die Innenseite 28 des Stators 12 vorzustehen, sind die beiden Erregerspulen 30, 32 jeweils in einer Nut 34 angeordnet, die auf der Innenseite 28 des Stators 12 in Umfangsrichtung umläuft.
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Der Anker 14 kann sich entlang der Längsachse L relativ zum Stator 12 zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegen. 1 zeigt den Anker 14 in der ersten Position.
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Wie anhand von 1 zu erkennen ist, sind die Ankerspule 20 und die erste Erregerspule 30 koaxial und in der ersten Position zumindest teilweise ineinander angeordnet, sodass sich die beiden Spulen 20, 30 in axialer Richtung teilweise überlappen. Im Betrieb werden die Ankerspule 20 und die erste Erregerspule 30 derart bestromt, dass die beiden Spulen 20, 30 gegensinnige Magnetfelder erzeugen. Die axialen Komponenten der Magnetfelder der beiden Spulen 20, 30 überlagern sich näherungsweise destruktiv. Die radialen Komponenten der Magnetfelder überlagern sich und verursachen einen radialen magnetischen Fluss, der in der Ankerspule 20 zu einer Kraftwirkung führt. Unter dieser Kraftwirkung werden die Ankerspule 20 und die erste Erregerspule 30 auseinander getrieben. Somit wirkt eine in die Richtung zu der zweiten Position gerichtete Kraft auf die Ankerspule 20. Für eine möglichst gute Überlagerung der Magnetfelder müssen die beiden Spulen 20, 30 betragsmäßig die gleiche magnetische Durchflutung erzeugen, was am einfachsten erreicht werden kann, indem zwei Spulen gleicher Windungszahl elektrisch in Serie geschaltet werden. Ganz allgemein wird unter „radial” eine Richtung verstanden, die einen rechten Winkel zur Längsachse L aufweist, unabhängig davon, ob der Stator 12 und der Anker 14 rotationssymmetrisch aufgebaut sind oder nicht. „Radial“ bedeutet also „quer zur axial liegenden Längsachse” unabhängig von der Form des Querschnittes des Stators 12 bzw. des Ankers 14. Daher, wie oben erwähnt, ist ein rotationssymmetrischer Aufbau des Stators 12 bzw. des Ankers 14 jedoch nicht zwingend.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des elektromagnetischen Linearaktuators in einer zweiten Position. In dieser Position sind die zweite Erregerspule 32 und die Ankerspule 20 benachbart und teilweise ineinander angeordnet. Die Ankerspule 20 und die zweite Erregerspule 32 werden im Betrieb derart bestromt, dass die beiden Spulen 20, 32 gegensinnige Magnetfelder erzeugen. Mit dem gleichen Prinzip wie in der ersten Position überlagern sich das Anker-Magnetfeld und das zweite Erreger-Magnetfeld in der zweiten Position. Durch diese Überlagerung wird ein Erregerfeld mit einer quer zur Längsachse orientierten Feldkomponente gebildet, welche mit der Ankerspule 20 derart wechselwirkt, dass auf die Ankerspule 20 eine zu der ersten Position gerichtete Kraft wirkt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs des elektromagnetischen Linearaktuators von der ersten Position zu der zweiten Position. 3a) zeigt den Linearaktuator in der ersten Position. Wie man anhand von 3a) erkennen kann, sind die Ankerspule 20 und die erste Erregerspule 30 gegensinnig bestromt. Somit erzeugen die beiden Spulen 20, 30 gegensinnige Magnetfelder. Wie oben erwähnt führt die Überlagerung der Magnetfelder der beiden Spulen 20, 30 zu einer Kraftwirkung, unter welcher die Ankerspule 20 und die erste Erregerspule 30 auseinander getrieben werden. Folglich wirkt in der ersten Position eine Kraft auf den Anker 14, die groß genug ist, um den Anker 14 in die zweite Position zu bewegen. 3b) zeigt eine Zwischenphase der Bewegung des Ankers 14 zwischen den ersten und zweiten Positionen. In dieser Phase wird die Bewegung des Ankers 14 nicht von der zweiten Erregerspule 32 beeinflusst.
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3c) zeigt eine Abbremsungsphase der Bewegung des Ankers 14, welche kurz vor der zweiten Position erfolgt. Sobald die Ankerspule 20 in den Einflussbereich der zweiten Erregerspule 32 eintritt, wirkt eine von der Überlagerung der Magnetfelder der beiden Spulen 20, 32 verursachte Kraft auf die Ankerspule 20. Der Anker 14 wird von dieser Kraft gebremst, da diese Kraft in die entgegengesetzte Richtung der Bewegung des Ankers 14 gerichtet ist. Der Anker 14 bewegt sich immer langsamer, bis er in der zweiten Position stehen bleibt. Danach bewegt sich der Anker 14 mit dem gleichen Prinzip wiederum von der zweiten Position zu der ersten Position zurück. Solange die Spulen 20, 30, 32 bestromt sind, pendelt der Anker 14 zwischen den ersten und zweiten Positionen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Linearaktuator
- 12
- Stator
- 14
- Anker
- 16
- Hohlzylinder
- 18
- Massivzylinder
- 20
- Ankerspule
- 22
- Nut des Ankers
- 24
- das erste Element
- 26
- das zweite Element
- 28
- Innenseite des Stators
- 30
- die erste Erregerspule
- 32
- die zweite Erregerspule
- 34
- Nut des Stators
- L
- Längsachse
- S
- Symmetrieachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202010013240 U [0003]
- US 20100060393 A [0004]