DE19704695A1

DE19704695A1 - Electromagnetic telescopic linear drive unit e.g. for positioning elements of pneumatic or hydraulic switches in motor vehicles and machines

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Publication number: DE19704695A1
Application number: DE1997104695
Authority: DE
Original assignee: SCHUSTER HEINZ PETER
Current assignee: SCHUSTER HEINZ PETER
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 1998-08-20

Abstract

The electromagnetic linear actuator has a cylindrical tube housing 4 and within this is a central cylinder that is formed with alternate elements of permanent magnets 1 and ferromagnetic elements. Mounted around this is an annular ring coil 5 that is mounted on an axial holder 6. When the coil is excited an axial force magnetic field is produced and this can be used to produce a displacement

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearantrieb, der vorzugsweise zum Überwinden eher kürzerer Wegstrecken ge eignet ist. Die Vorteile dieser Anordnung sind, daß die elektrische Energie durch eine besondere Gestaltung der ma gnetischen Kreise mit einem hohen Wirkungsgrad in mechani sche Energie umgesetzt wird, so daß auch größere Bewegungs kräfte herbeigeführt werden können, daß der Verschleiß re lativ gering ist und daß die Anordnung preiswert herzustel len ist, nicht zuletzt durch die einfache Wicklungsgeome trie.The present invention relates to a linear drive, the preferably to overcome rather shorter distances is suitable. The advantages of this arrangement are that the electrical energy through a special design of ma gnetic circles with high efficiency in mechani cal energy is implemented, so that even greater movement forces can be brought about that the wear right is relatively low and that the arrangement is inexpensive to manufacture len, not least because of the simple winding geometry trie.

Ein großer Anwendungsbereich ist überall dort gegeben, wo relativ kurze Wegstrecken in eine Richtung und wieder zu rück zu überwinden sind, wie das Bewegen von Stell-Elemen ten in elektrischen, elektromagnetischen, hydraulischen oder pneumatischen Schaltern, in Maschinen oder Fahrzeugen, Getrieben oder bei sonstigen Gelegenheiten, wo einzelne Elemente mit einer bestimmten Kraft eine vorbestimmte Wegstrecke zurücklegen müssen. Vielfach wird diese Aufgabe derzeit technisch weit aufwendiger mittels Stellmotoren (Elektromotor mit angekoppeltem Getriebe) gelöst.There is a wide range of applications wherever relatively short distances in one direction and again are to be overcome like moving control elements in electrical, electromagnetic, hydraulic or pneumatic switches, in machines or vehicles, Driven or on other occasions where individual Elements with a certain force a predetermined Have to travel distance. In many cases this task currently technically far more complex using servomotors (Electric motor with coupled gearbox) solved.

Bei geeigneter Anordnung von 2 derartigen Systemen in einem bestimmten Winkel zueinander läßt sich ein Element in zwei dimensionaler Richtung bewegen. Erweitert man dieses vorge nannte Gebilde durch ein drittes System, welches wiederum in einem bestimmten Winkel hinzugefügt wird, läßt sich die Stellung des zu bewegenden Elementes sogar in dreidimensio naler Richtung verändern. With a suitable arrangement of 2 such systems in one An element can be divided into two at certain angles dimensional direction. If you extend this pre called entities through a third system, which in turn is added at a certain angle, the Position of the element to be moved even in three dimensions change direction.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt.Some embodiments of the invention are in the Drawings shown.

Fig. 1 zeigt einen solchen Linearantrieb im Längsschnitt, eine weitere Variante wird in Fig. 2 als Längsschnitt dar gestellt. Fig. 3 betrifft einen Querschnitt der erfindungs gemäßen Anordnung, die axiale Halterung 6 der Spule 5 be treffend. Fig. 1 shows such a linear drive in longitudinal section, another variant is shown in Fig. 2 as a longitudinal section. Fig. 3 relates to a cross section of the arrangement according to the Invention, the axial bracket 6 of the coil 5 be apt.

Fig. 4 zeigt auf, wie die Anordnung im Prinzip aussehen kann, wenn die Spule 5 radial 12 geführt wird und das Au ßenrohr 4 zu diesem Zweck einen Längsschlitz 11 aufweist. In Fig. 5 ist das Kraftlinienbild der erfindungsgemäßen An ordnung dargestellt. Fig. 4 shows how the arrangement can look in principle if the coil 5 is guided radially 12 and the outer tube 4 has a longitudinal slot 11 for this purpose. In Fig. 5 the line of force of the arrangement according to the invention is shown.

Im Prinzip (Fig. 5) handelt es sich um ein ferromagneti sches Profil 2, an dessen beide Stirnseiten je ein Magnet 1 angeordnet wird. Da die beiden Magnete 1 in Richtung des dazwischen liegenden Profils 2 dieselbe Polung aufweisen, tritt das Magnetkraftfeld 10 an der gesamten Oberfläche des ferromagnetischen Profils 2 radial aus, wobei alle Kraftli nien eines zwischen zwei Magneten 1 liegenden Profils 2 ausnahmslos dieselbe Richtung haben, also entweder alle aus dem Profil austreten oder in dieses eindringen.In principle ( Fig. 5) is a ferromagnetic profile 2 , on the two end faces of which a magnet 1 is arranged. Since the two magnets 1 have the same polarity in the direction of the profile 2 lying between them, the magnetic force field 10 radially emerges on the entire surface of the ferromagnetic profile 2 , all Kraftli lines of a profile 2 lying between two magnets 1 having the same direction without exception, ie either all emerge from or enter the profile.

Diese bezogen auf das Profil 2 radial verlaufenden Kraftli nien 10 schneiden das axiale elektromagnetische Kraftfeld der Spule 5 senkrecht, also mit dem elektrophysikalisch äu ßerst hohen Wirkungsgrad gegenseitiger Beeinflussung zweier unterschiedlicher Magnetfelder. This based on the profile 2 radially extending Kraftli lines 10 intersect the axial electromagnetic force field of the coil 5 vertically, that is, with the extremely high electrophysical efficiency mutual influence of two different magnetic fields.

Gemäß Fig. 2 sieht die vorliegende Erfindung vor, mehrere Systeme aus Permanentmagneten 1 mit dazwischen angeordneten ferromagnetischen Profilen 2 sinngemäß nacheinander anzu ordnen. Durch geeignete Dimensionierung der Länge von Ma gneten 1, Profilen 2 und Spule 5, die alle unterschiedlich sein können, ist es möglich, daß der Linearantrieb ohne me chanischen Anschlag und ohne diesbezügliche Steuerung des Spulenstromes genau definierte Wegstrecken durchfährt, und zwar in beiden Richtungen.Referring to FIG. 2, the present invention provides a number of systems of permanent magnets 1 with interposed ferromagnetic bars 2 arranged to sequentially mutatis mutandis. By suitable dimensioning of the length of Ma gneten 1 , profiles 2 and coil 5 , which can all be different, it is possible that the linear drive without me mechanical stop and without related control of the coil current travels through precisely defined distances, in both directions.

Dasselbe gilt für die Bewegung-Kraft, deren Größe genau be stimmt werden kann unter anderem durch die Architektur der Spule 5 einschließlich der radialen Luftspalte, durch die Dimensionierung der Magnete 1 und der übrigen ferromagneti schen Komponenten sowie durch die elektrische Leistung, mit der die Spule versorgt wird.The same applies to the movement force, the size of which can be precisely determined, inter alia, by the architecture of the coil 5 including the radial air gaps, by the dimensioning of the magnets 1 and the other ferromagnetic components and by the electrical power with which the coil is supplied.

Die vorliegende Erfindung sieht gemäß Fig. 1-6 ferner vor, den Kraftlinienfluß dadurch zu verdichten, daß man ihm die Möglichkeit eines bevorzugten Kraftschlusses über ein ferromagnetisches Profil 4 ermöglicht.1-6 further provides, according to FIGS. 1-6, to compress the flux of force lines by giving it the possibility of a preferred frictional connection via a ferromagnetic profile 4 .

Fig. 6 zeigt eine Ausbildungsform, bei der die Spule 5 fest mit einer rohrförmigen Halterung 8 verbunden ist, während die zentrale Einheit aus ferromagnetischen Profilen 2 und Magneten 1 an einer Seite fest am Außenrohrprofil befestigt ist. Fig. 6 shows an embodiment in which the coil 5 is fixedly connected to a tubular holder 8 , while the central unit made of ferromagnetic profiles 2 and magnets 1 is fixed on one side to the outer tube profile.

Bei dieser Ausführungsform schließen sich die Magnetkraft linien auf der einen Seite über die feste ferromagnetische Verbindung zwischen zentralem Magnet-/Profilsystem 1 und 2, auf der anderen Seite durch Überwindung des Luftspaltes 16 durch die nicht ferromagnetische Halterung 8 hindurch über die polschuhartige Verdickung des Außenrohrprofiles 4. In this embodiment, the lines of magnetic force close on one side via the fixed ferromagnetic connection between the central magnet / profile system 1 and 2 , and on the other side by overcoming the air gap 16 through the non-ferromagnetic holder 8 through the pole shoe-like thickening of the outer tube profile 4 .

Wesentlich für den entsprechend dem Stand der Technik bis her nicht erreichten hohen Wirkungsgrad der Umsetzung der elektrischen in mechanische Energie ist nicht nur die Ver dichtung des Kraftflusses 10 durch das ferromagnetische Au ßenrohr 4, sondern auch die Tatsache, daß dieses Außenrohr 4 mit dem System aus Permanentmagneten 1 mit dazwischen an geordneten ferromagnetischen Profilen 2 ferromagnetisch verbunden ist, wenn in einer Ausbildungsform auch über einen Luftspalt.Essential for the high efficiency of the conversion of electrical into mechanical energy, which has not been achieved up to now, is not only the sealing of the power flow 10 through the ferromagnetic outer tube 4 , but also the fact that this outer tube 4 is made with the system Permanent magnet 1 with ferromagnetic profiles 2 arranged therebetween is ferromagnetically connected, if in one embodiment also via an air gap.

Daraus folgt, daß sich die Spule 5 im Verhältnis zum System aus Permanentmagneten 1 mit dazwischen angeordneten ferro magnetischen Profilen 2 einerseits und auch im Verhältnis zum ferromagnetischen Rohr 4 andererseits bewegt, in einer der Ausbildungsformen zusammen mit dem Außenrohrprofil 4.It follows that the coil 5 moves in relation to the system of permanent magnets 1 with ferro-magnetic profiles 2 arranged therebetween on the one hand and also in relation to the ferromagnetic tube 4 on the other hand, in one of the embodiments together with the outer tube profile 4 .

Werden die Permanentmagnete durch Elektromagnete ersetzt, ist darauf zu achten, die magnetische Polung unverändert bleibt. Dasselbe gilt für die Magnetisierungsrichtung eines hohlzylinderförmigen Permanentmagneten, der in einer ande ren Ausbildungsform die Spule 5 ersetzen kann.If the permanent magnets are replaced by electromagnets, make sure that the magnetic polarity remains unchanged. The same applies to the direction of magnetization of a hollow cylindrical permanent magnet, which can replace the coil 5 in another embodiment.

Eine zeitgemäße Elektronik steuert in geeigneter Weise die Spulen 5 sowie die Luft-Ein-/Austrittsöffnungen 9 und ver ändert damit die resultierende Kraft und die Geschwindig keit.Contemporary electronics controls the coils 5 and the air inlet / outlet openings 9 in a suitable manner and thus changes the resulting force and speed.

Um mit der vorliegenden Erfindung größere Wegstrecken zu überbrücken, ist es vorteilhafter, die Spule 5 nicht axial 6 zu befestigen, sondern radial 12. Zu diesem Zweck wird das ferromagnetische Außenrohr 4 mit einer axialen Öffnung 11 versehen. In order to bridge longer distances with the present invention, it is more advantageous not to fasten the coil 5 axially 6 but radially 12 . For this purpose, the ferromagnetic outer tube 4 is provided with an axial opening 11 .

Reference list

11

Magnet
magnet

22nd

Ferromagnetisches Profil
Ferromagnetic profile

33rd

Nicht-ferromagnetisches Rohr
Non-ferromagnetic tube

44th

Ferromagnetisches Außenrohrprofil
Ferromagnetic outer tube profile

55

Elektrische Spule
Electric coil

66

Halterung der Spule (axial)
Coil support (axial)

77

Ferromagnetische Verbindung
Ferromagnetic connection

88th

Spulen-Halterung (rohrförmig, nicht ferromagnetisch)
Coil holder (tubular, non-ferromagnetic)

99

Regulierbare Luft-Ein-/Austrittsöffnung
Adjustable air inlet / outlet opening

1010th

Kraftlinienfeld
Force line field

1111

Axiale Öffnung des ferromagnetischen Rohrprofils
Axial opening of the ferromagnetic tube profile

1212th

Halterung der Spule (radial)
Holder for the coil (radial)

1313

Sensor (Spule, Hallsensor, oder anderes sensorisches Element)
Sensor (coil, Hall sensor, or other sensory element)

1414

1515

Ferromagnetische Rand-Profile
Ferromagnetic edge profiles

1616

Luftspalt
Air gap

Claims

1. Electromagnetic telescopic linear drive

- With at least one ferromagnetic round profile ( 2 ), on the end faces of which a permanent magnet ( 1 ) is arranged,
- Enveloped by at least one axially displaceable hollow coil ( 5 ), and
- Mostly enclosed by a ferromagnetic hollow cylindrical tubular profile ( 4 ).

2. Linear drive according to claim 1, wherein the two permanent magnets ( 1 ) on the end faces of the intermediate ferromagnetic profile ( 2 ) have the same polarity ( Fig. 1, 5, 6) and the direction of magnetization ge compared to the profile ( 2 ) also runs axially.

3. Linear drive according to the preceding claims, wherein a plurality of systems made of permanent magnets ( 1 ) with ferromagnetic profiles ( 2 ) arranged therebetween are correspondingly arranged one after the other ( Fig. 2).

4. Linear drive according to the preceding claims, wherein additional ferromagnetic profiles ( 15 ) are arranged on the free pole faces of the magnets ( 1 ) ( FIGS. 1, 2, 5, 6).

5. Linear drive according to claim 1 to 4, according to which the system of permanent magnets ( 1 ) and ferromagnetic profiles ( 2 ) is housed in a non-magnetic tube ( 3 ) ( Fig. 1-4).

6. Linear drive according to the preceding claims, wherein several hollow coils ( 5 , 13 , 14 ) are arranged axially one behind the other ( Fig. 1, 2, 6).

7. Linear drive according to the preceding claims, wherein the hollow coil ( 5 ) for guidance and power transmission is axially ( 6 ) mechanically attached ( Fig. 1 and 3).

8. Linear drive according to the preceding claims, wherein the hollow coil for guiding radially ( 12 ) is mechanically attached ( Fig. 4).

9. Linear drive according to the preceding claims, wherein the hollow coil is mechanically fastened to a non-ferromagnetic tube ( 8 ) which is arranged coaxially between the magnet / profile system ( 1 , 2 ) and tube ( 4 ) ( FIG. 6 ).

10. Linear drive according to the preceding claims, wherein the coaxially arranged system of permanent magnets ( 1 ) and ferromagnetic profiles ( 2 ) and this system surrounding the hollow coil ( 5 ) in total in a ferromagnetic hollow cylindrical outer tube ( 4 ) are introduced, between the inner wall of the tube (4) and outer wall of the coil (5) an air gap remains, which of the hollow coil (5) has an axial movement relative to the aforementioned Au ßenrohr (4) allowed (Fig. 1-5).

11. Linear drive according to the preceding claims, wherein the coaxially arranged system of permanent magnets ( 1 ) and ferromagnetic profiles ( 2 ) forms a unit, while the coil ( 5 ) with the outer tube profile ( 4 ) is connected ver.

12. Linear drive according to the preceding claims, wherein the outer ferromagnetic tubular profile ( 4 ) with the inner system of permanent magnets ( 1 ) and ferromagnetic pro files ( 2 ) at least one end ( 7 ) is ferromagnetic ver connected ( Fig. 1, 2, 5th ).

13. Linear drive according to the preceding claims, wherein the outer ferromagnetic tubular profile ( 4 ) with the inner system of permanent magnets ( 1 ) and ferromagnetic pro files ( 2 ) at least one end ( 7 ) ferromagnetic not fixed, but via a magnetic air gap ( 16 ) is connected ( Fig. 6).

14. Linear drive according to the preceding claims, wherein the connecting part ( 7 ) contains an adjustable air inlet / outlet opening ( 9 ) ( Fig. 1).

15. Linear drive according to the preceding claims, wherein the ferromagnetic outer tube ( 4 ) has an axial slot ( 11 ) ( Fig. 4).

16. Linear drive according to the preceding claims, according to which the cross sections of the basically coaxially arranged components ( 1-5 ) are substantially round ( Fig. 3, 4).

17. Linear drive according to one of the preceding claims, according to which the cross sections of the basically coaxially arranged components ( 1-5 ) are substantially rectangular.

18. Linear drive according to the preceding claims, according to which the coils ( 5 ) and the air inlet / outlet openings ( 9 ) are controlled in a suitable manner by modern electronics.

19. Linear drive according to the preceding claims, according to which the permanent magnets ( 1 ) by electromagnets and the spools ( 5 ) by suitably designed permanent magnets, he sets.

20. Linear drive according to the preceding claims, according to which all magnets ( 1 ) and coils ( 5 ) are set by electromagnets.

21. Linear drive according to the preceding claims, after which at strategically suitable locations for sensory elements Position detection can be installed.