DE202008016518U1

DE202008016518U1 - Elektromagnetischer Aktor

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Publication number: DE202008016518U1
Application number: DE200820016518
Authority: DE
Original assignee: Buerkert Werke & Cokg GmbH; Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2018-12-13
Also published as: EP2356662A1; WO2010066459A1

Abstract

Elektromagnetischer Aktor, insbesondere für Mikroventile oder -pumpen, mit einem Stellglied und einer Magnetanordnung, wobei das Stellglied eine Leiterplatte (2) mit Leiterbahnen (7) umfasst und die Magnetanordnung bei Bestromung der Leiterbahnen (7) eine Lorentzkraft auf das Stellglied ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied linear beweglich gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor, insbesondere für Mikroventile oder -pumpen, mit einem Stellglied und einer Magnetanordnung, wobei das Stellglied eine Leiterplatte mit Leiterbahnen umfasst und die Magnetanordnung bei Bestromung der Leiterbahnen eine Lorentzkraft auf das Stellglied ausübt.
Elektromagnetische Aktoren werden häufig in der Ventiltechnik eingesetzt. Hierbei wird ein Anker aus magnetischem Material mittels eines Magnetfeldes bewegt, welches von einer Spule erzeugt wird. Besonders bei gewünschter Miniaturisierung sind die Möglichkeiten, einerseits Raum sparend zu konstruieren und andererseits genügend Magnetkraft zur Verfügung zu stellen, begrenzt.
Ein Schritt bei der Spulenfertigung ist der Fehler anfällige Drahtwickelprozess, bei dem vor allem im Fall kleiner werdender Drahtstärke Drahtbruch ein häufig auftretendes Problem sein kann. Ebenfalls nachteilig ist auf Grund von erzeugtem Wicklungskurzschluss produzierter Ausschuss.
Aus anderen Einsatzbereichen sind größere Aktoren mit einem durch Lorentzkräfte bewegbaren Stellglied bekannt. Beispielsweise zeigt die gattungsgemäße DE 103 30 460 A1 einen für einen Einsatz in Verbindung mit einem Sicherungsautomaten geeigneten elektrischen Aktor mit einem Stator und einem relativ dazu in einer Ebene beweglichen Stellglied. Am Stellglied sind mehrere parallele Leiterbahnen angeordnet. Eine Magnetanordnung erzeugt ein die Ebene der Leiterbahnen senkrecht durchsetzendes Magnetfeld. Das Stellglied wird durch Lorentzkräfte betätigt, die bei elektrischer Bestromung der Leiterbahnen im Magnetfeld wirken. Das Stellglied führt dabei eine Schwenkbewegung aus. Durch Änderung der Richtung des elektrischen Stroms relativ zum Magnetfeld ist das Stellglied zwischen zwei Schwenk-Endlagen verstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen für Mikroventile und -pumpen geeigneten elektromagnetischen Aktor zur Verfügung zu stellen, der zuverlässig mängelfrei hergestellt und mit geringer elektrischer Spannung betrieben werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen elektromagnetischen Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aktors ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße elektromagnetischer Aktor umfasst ein Stellglied und eine Magnetanordnung. Das Stellglied umfasst eine Leiterplatte mit Leiterbahnen. Die Magnetanordnung übt bei Bestromung der Leiterbahnen eine Lorentzkraft auf das Stellglied aus. Das Stellglied ist linear beweglich gelagert.
Der erfindungsgemäße Aktor arbeitet ohne gewickelte Spule, sodass der zugehörige kritische Herstellungsschritt entfällt. Statt einer Spule weist das Stellglied eine Leiterplatte mit aufgedruckten Leiterbahnen auf. Selbst mit kleinen Abmessungen können geeignete Leiterplatten kostengünstig nach bewährten Standardverfahren der Leiterplattentechnik hergestellt werden.
Die auf das Leiterplattenstellglied wirkende Kraft kann über die Länge der Strom durchflossenen Leiterbahnen im Magnetfeld, der Stromstärke und dem Spalt zwischen den Magneten der Magnetanordnung vorgegeben werden. Die lineare Bewegungsrichtung des Leiterplattenstellglieds ist durch die Flussrichtung des Stroms und die Orientierung des Magnetfeldes bestimmbar. Durch Umkehr der Flussrichtung des Stromes wirkt die Lorentzkraft in entgegengesetzter Richtung, wodurch eine lineare Rückstellbewegung des Stellglieds bewirkt wird. Diese durch die besondere Lagerung des Stellglieds erreichten linearen Bewegungen lassen sich in Ventilen oder Pumpen nutzen, weshalb der erfindungsgemäße Aktor besonders als Antrieb für Mikroventile oder -pumpen geeignet ist.
Es ist von Vorteil, dass die zum Betrieb des erfindungsgemäßen Aktors benötigten Spannungen sehr gering sind. Die Spannung ist in hohem Maße abhängig von der elektrischen Kontaktierung des Leiterplattenstellglieds, insbesondere vom Widerstand der Kontaktierung, die beispielsweise durch die Drahtdicke bedingt ist. So lassen sich auch mit kleinen Spannungen Kräfte erzeugen, die ausreichen um insbesondere ein Ventilelement zu bewegen und einen Ventilsitz zu verschließen. Aufgrund der effektiven Umsetzung der elektrischen und magnetischen Energie in Bewegungsenergie können mit erfindungsgemäßen Aktoren ausgestattete Miniaturventile oder -pumpen mit Batterien oder Akkumulatoren betrieben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Leiterbahnen spiralförmig auf der Leiterplatte aufgebracht. Selbstverständlich sind aber auch andere auf die Magnetanordnung abgestimmte Geometrien möglich und können auf einfache Weise realisiert werden.
Die Leiterbahnlänge und -dicke bestimmen die Größe der auf das Stellglied wirkenden Lorentzkraft. Die Leiterbahnlänge lässt sich erhöhen durch eine mehrlagige Leiterplatte mit Durchkontaktierungen zwischen den Lagen.
Zur linear beweglichen Lagerung des Stellglieds mit möglichst geringer Reibung kann ein miniaturisiertes Gleitlager, ein Festkörperlager oder eine Lagerbuchse mit einem Gleitzapfen vorgesehen sein.
Für die Lagerung und/oder Führung des linear beweglichen Stellglieds ist dieses vorzugsweise von einem Gehäuse umgeben, das auf entgegengesetzten Seiten Durchbrüche für das Stellglied aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in dafür innenseitig vorgesehenen Aussparungen des Gehäuses wenigstens ein Magnetpaar so angeordnet, dass eine gegenseitige anziehende Kraft auf die Magnete wirkt; das Stellglied ist zwischen den beiden Magneten angeordnet.
Es können aber auch mehrere Magnetpaare vorgesehen sein, wobei zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der Magnete Anziehungskräfte wirken; das Stellglied ist zwischen den Magnetpaaren angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist am Stellglied des elektromagnetischen Aktors ein verstellbares Bauteil eines Ventils oder einer Pumpe angebracht, insbesondere ein mit einem Dichtsitz zusammenwirkendes Dichtelement.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Aktors;
2 eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Aktors;
3 einen Längsschnitt durch den in 2 dargestellten Aktor entlang der Linie A-A; und
4 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte des Aktors.
Die 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Aktor mit einem Gehäuseoberteil 1 und einem Gehäuseunterteil 4, die miteinander verbunden sind. Die beiden Gehäuseteile 1, 4 umhüllen ein Stellglied, das eine Leiterplatte 2 umfasst und nachfolgend als Leiterplattenstellglied bezeichnet wird.
Auf zwei Gehäusestirnseiten sind Ausnehmungen (Durchbrüche) vorgesehen, durch die entgegengesetzte Teile der Leiterplatte 2 ragen. Der eine Teil dient dazu, eine elektrische Kontaktierung – symbolisiert durch das Bezugszeichen 3 – zu ermöglichen (siehe 4). Der andere Teil ist zur Anbindung beispielsweise eines Dichtelements (nicht dargestellt) vorgesehen – symbolisiert durch das Bezugszeichen 8. Bei Verwendung des Aktors in einem Ventil kann durch die Bewegung des Stellglieds mit dem Dichtelement beispielsweise ein Ventilsitz verschlossen und freigegeben werden.
In 4 ist eine Draufsicht auf eine mögliche Ausbildung einer Leiterplatte 2 für einen erfindungsgemäßen Aktor dargestellt. Auf die Leiterplatte 2 sind spiralförmig Leiterbahnen 7 aufgebracht. Es sind natürlich auch andere Geometrien für die Anordnung der Leiterbahnen 7 auf der Leiterplatte 2 möglich.
Die Länge der Leiterbahnen 7 beeinflusst die auf die Leiterplatte 2 wirkende Kraft, wie später noch erläutert wird. Die Leiterplatte 2 kann mehrlagig ausgeführt sein, um die Leiterbahnlänge zu erhöhen.
Die Leiterplatte 2 ist im Wesentlichen rechteckig geformt, wobei auf zwei gegenüberliegenden Seiten diese jeweils übergehen in schmalere Ausläufer zur elektrischen Kontaktierung 3 sowie zur mechanischen Verbindung 8 mit einem verstellbaren Bauteil eines Ventils oder einer Pumpe.
Im Schnittbild der 3 ist zu erkennen, dass beide Gehäuseteile 1 und 4 von der Leiterplatte 2 durchragt und damit in zwei Hälften unterteilt werden. Durch die beiden Ausläufer der Leiterplatte 2 wird die Verbindung nach außen hergestellt. Der eine Ausläufer dient der elektrischen Kontaktierung 3, der zweite ist fest verbunden mit einem Gleitzapfen 12, welcher in einer in das Gehäuseunterteil 4 eingepressten Lagerbuchse 11 reibungsarm verschiebbar gelagert ist.
Insgesamt ist die Lagerung des Leiterplattenstellglieds so ausgelegt, dass das Leiterplattenstellglied nur linear beweglich ist. Um auftretende Reibungskräfte möglichst auszuschließen und die Dynamik des Aktors nicht zu beschränken, können anstelle der Lagerbuchse 11 mit dem Gleitzapfen 12 auch miniaturisierte Gleitlager oder Festkörperlager eingesetzt werden.
Der Gleitzapfen 12 wird beispielsweise fest verbunden mit einem Dichtelement, welches in einem Ventil einen Ventilsitz abdichten und freigeben kann.
In dafür innenseitig vorgesehenen Aussparungen des Gehäuseoberteils 1 ist innerhalb paralleler Ebenen in diesen Hälften mindestens jeweils ein Permanentmagnet 5, 6 angeordnet, zwischen welchen sich wenigstens ein Abstand in Leiterplattendicke befindet (Luft- bzw. Arbeitsspalt).
Die Permanentmagnete 5, 6 sind plattenförmig. Dadurch bildet sich ein Schichtaufbau aus: erster Permanentmagnet 5, Leiterplatte 2, zweiter Permanentmagnet 6 (von links nach rechts). Die Leiterplatte 2 ist zwischen den mindestens zwei feststehenden Permanentmagneten 5, 6 in Längsrichtung bewegbar und reibungsarm gelagert angeordnet.
Die Permanentmagnete 5, 6 sind so angeordnet, dass sich zwischen diesen entgegengesetzte Magnetfelder 9 und 10 ausbilden, die senkrecht zur linearen Bewegungsrichtung des Leiterplattenstellglieds ausgerichtet sind.
Die Permanentmagnete 5, 6 können beispielsweise zwei Stabmagnete sein, deren Enden entgegengesetzt polarisiert sind (Nord- und Südpol). Die Magnete 5, 6 sind so angeordnet, dass jedem Pol des einen Magneten ein entgegengesetzter Pol des anderen Magneten gegenüber liegt.
Es können auch mehrere solcher Magnetpaare 5, 6 übereinander angeordnet werden, wobei bei deren Anordnung darauf zu achten ist, dass zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der Magnete Anziehungskräfte wirksam sind.
Bei Beaufschlagung der Leiterbahn 7 mit Strom erfährt die Leiterplatte 2 im Magnetfeld eine Lorentzkraft und führt gemäß der sog. "Drei-Finger-Regel" eine Bewegung im 90°-Winkel zur Stromflussrichtung nach oben bzw. unten aus. Die Bewegungsrichtung hängt hierbei von der Flussrichtung des Stromes und der Orientierung des Magnetfeldes ab. Die auf das Leiterplattenstellglied wirkende Kraft ist abhängig von der Länge der Strom durchflossenen Leiter im Magnetfeld, der Stromstärke und dem Luftspalt zwischen den Permanentmagneten.
Bei Wechsel der Stromrichtung kehrt sich die Bewegungsrichtung der Leiterplatte 2 um.
Für die benötigte elektrische Kontaktierung der Leiterplatte 2 ist es vorteilhaft, Drähte mit geringem Biegewiderstand, bewegliche Spiralelemente oder eine Kontaktierung in Kombination mit einem Festkörperlager zu verwenden. Dadurch bleibt die axiale (lineare) Bewegungsrichtung des Leiterplattenstellglieds unbeeinträchtigt.
Der erfindungsgemäße Aktor ist besonders als Antrieb für Mikroventile oder -pumpen geeignet.

1: Gehäuseoberteil
2: Leiterplatte
3: elektrische Kontaktierung
4: Gehäuseunterteil
5: erster Permanentmagnet
6: zweiter Permanentmagnet mit entgegengesetzter Polarisierungsrichtung
7: Leiterbahnen
8: mechanische Verbindung
9: erstes Magnetfeld
10: zweites Magnetfeld
11: Lagerbuchse
12: Gleitzapfen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10330460 A1 [0004]

Claims

Elektromagnetischer Aktor, insbesondere für Mikroventile oder -pumpen, mit einem Stellglied und einer Magnetanordnung, wobei das Stellglied eine Leiterplatte (2) mit Leiterbahnen (7) umfasst und die Magnetanordnung bei Bestromung der Leiterbahnen (7) eine Lorentzkraft auf das Stellglied ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied linear beweglich gelagert ist.
Elektromagnetischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (7) spiralförmig auf der Leiterplatte (2) aufgebracht sind.
Elektromagnetischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine mehrlagige Leiterplatte (2) mit Durchkontaktierungen zwischen den Lagen aufweist.
Elektromagnetischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur linear beweglichen Lagerung des Stellglieds ein miniaturisiertes Gleitlager, ein Festkörperlager oder eine Lagerbuchse (11) mit einem Gleitzapfen (12) vorgesehen ist.
Elektromagnetischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied von einem Gehäuse (1, 4) umgeben ist, das auf entgegengesetzten Seiten Durchbrüche für das Stellglied aufweist.
Elektromagnetischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dafür innenseitig vorgesehenen Aussparungen des Gehäuses (1, 4) wenigstens ein Magnetpaar (5, 6) so angeordnet ist, dass eine gegenseitige anziehende Kraft auf die Magnete (5, 6) wirkt, und dass das Stellglied zwischen den beiden Magneten (5, 6) angeordnet ist.
Elektromagnetischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetpaare (5, 6) vorgesehen sind, wobei zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der Magnete (5, 6) Anziehungskräfte wirken, und dass das Stellglied zwischen den Magnetpaaren (5, 6) angeordnet ist.
Elektromagnetischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stellglied ein verstellbares Bauteil eines Ventils oder einer Pumpe angebracht ist, insbesondere ein mit einem Dichtsitz zusammenwirkendes Dichtelement.