DE29502797U1

DE29502797U1 - Bistabile elektrische Magnetvorrichtung

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Publication number: DE29502797U1
Application number: DE29502797U
Authority: DE
Original assignee: Kuhnke GmbH
Current assignee: Kuhnke GmbH
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2005-02-21

Description

Anmelder: Kuhnke GmbH

Lütjenburger Straße 101
23714 Malente

Bistabile elektrische Magnetvorrichtung

Die Erfindung geht aus von einer bistabilen elektrischen Magnetvorrichtung zum Betätigen von insbesondere Ventilen, bei der in einem zentralen Durchgang einer elektrischen Spule ein ortsfester Kern und ein zwischen zwei Endstellungen axial beweglicher, federbelasteter Anker hintereinander angeordnet sind und bei der ein die eine Endstellung des Ankers haltender Permanentmagnet und ein den magnetischen Fluß von dem Kern zu dem Anker leitendes Joch vorgesehen sind.

Derartige Magnetvorrichtungen sind z. B. als Betätigungsmagnete für batteriebetriebene Elektromagnetventile oder auch für Sicherheitsvorrichtungen bekannt. Eine dieser bekannten Magnetvorrichtungen ist dadurch realisiert, daß zwei Kerne vorgesehen sind, deren radiale Endflächen sich mit relativ großem Abstand gegenüberliegen und zwischen sich einen Permanentmagneten aufweisen, der axial magnetisiert ist. Nachteilig bei dieser Magnetvorrichtung ist, daß der Permanentmagnet als magnetische Übergangsfläche nur mit den relativ kleinen Endflächen der Kerne zusammenwirkt, wodurch die permanentmagnetische Haltekraft bei miniaturisierten Magnetvorrichtungen sehr gering ist. Weiterhin ist nachteilig, daß die Aufschlagenergie des Ankers, die auf den dem Anker zugekehrten Kern bei Betätigung der elektrischen Spule direkt ein-

wirkt, auch vollständig auf den Permanentmagneten übertragen wird. Da Permanentmagnete sehr hart und sehr spröde sind, kommt es dadurch häufiger vor, daß bei großer Schalthäufigkeit der Magnetvorrichtung ein Zerbröckeln bis hin zum Pulverisieren des Permanentmagneten eintritt.

Weiterhin sind elektrische Magnetsysteme bekannt, die eine gegensinnig gewickelte Doppelspule aufweisen, wobei die beiden Einzelspulen auf demselben Spulenkörper, jedoch in räumlicher Distanz zueinander angeordnet sind. Wie z. B. aus der DE-A-37 30 381 bekannt ist, wird die räumliche Trennung mit sogenannten magnetisch leitenden Flußleitblechen bestückt, die den magnetischen Schluß von der einen Polseite des Permanentmagneten zum Anker hin übernehmen, während die andere Polseite des Permanentmagneten z. B. auf das Joch aus Weicheisen wirkt. Nachteilig bei diesen Systemen ist ein hoher fertigungstechnischer und kostspieliger Aufwand, der einerseits in dem gegensinnigen Wickeln der Spulen und andererseits in der Festlegung der Flußleitbleche und des Permanentmagneten begründet ist. Daraus ergibt sich u.

a. eine relativ große Bauweise der Magnetvorrichtung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine bistabile elektrische Magnetvorrichtung vorzuschlagen, die neben einer sehr kleinen Bauweise und geringen Herstellungskosten im Verhältnis eine große permanentmagnetische Haltekraft aufweist und die Aufschlagenergie des Ankers am Kern im wesentlichen nicht auf den Permanentmagneten einwirken läßt.

Die Lösung der Aufgabe ist in dem Anspruch 1 angegeben.
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Durch diese Lösung wird erreicht, daß die bistabile elektrische Magnetvorrichtung insbesondere eine relativ große permanentmag-

netische Haltekraft aufweist und daß die Aufschlagenergie des Ankers am Kern nicht oder im wesentlichen nicht auf den Permanentmagneten einwirkt, so daß dieser auch bei einer sehr hohen Schaltspielzahl nicht zerstört wird. Darüberhinaus kann die vorgeschlagene Magnetvorrichtung bei geringen Herstellungkosten in Miniaturbauweise produziert werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung sind in den Unteransprüchen angeführt. Beispielsweise kann der Kern aus zwei Kernteilen bestehen, die mittels zweier im Randbereich der Kernteile angeordneter Distanzstücke aus nicht magnetisch leitendem Material zur Ausbildung des den Permanentmagneten aufweisenden Raumes auf Abstand voneinander gehalten sind. Dabei können die Kernteile L-förmig ausgebildet und mit ihrem längeren Schenkel in Längsrichtung des zentralen Durchganges der elektrischen Spule verlaufend unter Ausbildung des Raumes zwischen sich komplementär angeordnet sein, wobei die Länge des so gebildeten, sich axial erstreckenden, einen plattenförmigen Permanentmagneten aufweisenden Raumes größer ist als die Länge dieses Magneten. In den radialen Abschnitten des Raumes im Bereich der kürzeren Schenkel der L-förmigen Kernteile sind die beiden Kernteile auf axialen Abstand haltende Distanzstücke aus magnetisch nicht leitendem Material vorgesehen. Diese Ausführungsform weist eine sehr große permanentmagnetische Haltekraft auf, weil die radial gegenüberliegenden Anlageflächen zwischen dem Permanentmagneten und den Kernteilen im Vergleich zum Stand der Technik, wo sich die genannten Flächen axial gegenüberliegen, um ein Vielfaches größer sind. Außerdem ist der Permanentmagnet vollkommen stoßentlastet, denn die Aufschlagenergie des Ankers wirkt nicht auf den Permanentmagneten, sondern nur auf den gesamten Kern.

Auch bei solchen Ausführungsformen, bei denen sich der Permanentmagnet nicht in axialer Richtung, d. h. in Längsrichtung des Kernes erstreckt, sondern im spitzen Winkel dazu, können die angeführten Vorteile der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung noch in wesentlichem Umfang erzielt werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform

der Magnetvorrichtung,

Fig. 2 einen teilweisen Radialschnitt nach der Linie II-II in

Fig. 1,

Fign. 3,

4 und 5 verschiedene weitere Ausführungsformen der Magnetvorrichtung im Axialschnitt, wobei jedoch nur die Kernkonstruktion gezeigt ist.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der elektrischen Magnetvorrichtung umfaßt ein Gehäuse 1 aus Kunststoff, in dem eine elektrische Spule 2 auf einem länglichen, rohrförmigen Spulenträger 3 aus elektrisch und magnetisch isolierendem Material vorgesehen ist. Der rohrförmige Spulenträger 3 bildet so einen zentralen Durchgang 4, an dem ein länglicher Kern 5 ortsfest und ein Anker 6 axialbeweglich hintereinander angeordnet sind. Der Kern 5 steht an seinem aus dem Spulenträger 3 herausragenden Ende mit einem üblichen Joch 7 aus Weicheisenmaterial in Kontakt. Das Joch 8 steht am anderen Ende des Spulenträgers mit einer Polhülse 8 in Kontakt, die den Anker 6 umgibt, wobei in der Polhülse eine Druckfeder 9 vorgesehen ist, die den Anker 6

nach außen drückt. Wenn die elektrische Spule 2 nicht über eine elektrische Leitung 10 mit Strom versorgt wird, drückt die Feder 9 den Anker 6 in üblicher Weise in seine eine Endstellung, wie es bekannt ist. Wenn dagegen die Spule 2 mit Strom versorgt wird, wird der Anker 6 gegen den Kern 5 bewegt und wird an diesem auch dann festgehalten, wenn die Stromversorgung der Spule 2 unterbrochen wird, weil die Permanentmagnetkraft größer ist als die entgegenwirkende Kraft der Feder 9. Bei Wiederbestromung der Spule 2, jedoch mit entgegengesetzter Polarität, wird der Anker 6 wieder aus seiner anderen Endstellung an dem Kern 5 in axialer Richtung wegbewegt. Nach Abschaltung der Stromversorgung überwiegt wieder die Kraft der Feder 9, so daß der Anker in der dementsprechenden Endstellung verbleibt.

Wie weiter in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Kern 5 in bezug auf eine seiner radialen Richtungen vollständig von einem Raum 11 durchdrungen, so daß zwei Kernteile 5a und 5b ausgebildet sind. In dem gezeigten Beispiel sind die Kernteile 5a und 5b L-förmig ausgebildet und mit ihrem längeren Schenkel 5c und 5d in Längsrichtung des zentralen Durchganges 4 der Spule 2 verlaufend unter Ausbildung des Raumes 11 zwischen sich komplementär auf Abstand angeordnet. Der zentrale Durchgang der Spule 2 ist hier durch den Hohlraum des Spulenträgers 3 verwirklicht; er kann aber auch nur durch die Spule verwirklicht sein. Durch die erläuterte Ausbildung und Anordnung der Kernteile 5a und 5b ist der zwischen ihnen befindliche Raum 11 etwa S-förmig ausgebildet, derart, daß sich der mittlere Längenabschnitt des Raumes 11 in Axialrichtung des Kernes erstreckt. In diesem axialen Längenabschnitt 11a des Raumes 11 ist ein plattenförmiger Permanent magnet 12 angeordnet, der mit seinen großen Längsflächen an den entsprechenden Flächen der Schenkel 5c und 5d der Kernteile 5a

bzw. 5b anliegt. Die Länge des axialen Abschnittes 11a des Raumes 11 ist größer als die Länge des Permanentmagneten 12.

Die verbleibenden radialen Abschnitte 11b und lic des S-förmigen Raumes 11 sind je mit einem Distanzstück 13 aus magnetisch nicht leitendem Material ausgefüllt und halten die Kernteile 5a und 5b in axialer Richtung auf Abstand. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, können die beiden Distanzstücke 13 auch dafür sorgen, daß der Permanentmagnet 12 in axialer Richtung nicht an den Kernteilen 5a und 5b anliegt.

Nicht nur in dem in den Fign. 1 und 2 gezeigten Fall, sondern auch in den Fällen nach den Fign. 3, 4 und 5, ist der plattenförmige Permanentmagnet immer in einer Richtung magnetisiert, daß seine beiden großen Längsflächen die Polflächen N und S des Permanentmagneten sind, d. h. der Magnet ist in dieser Querrichtung magnetisiert. Da diese Polflächen und die entsprechenden Anlageflächen der größeren Schenkel 5c und 5d der beiden Kernteile 5a bzw. 5b um ein Vielfaches größer sind als entsprechende Flächen des Permanentmagneten und des Kernes, wenn sich diese Flächen ausschließlich radial erstrecken und somit in axialer Richtung des Kernes aneinanderliegen, wie ohne weiteres klar ist, ergibt sich eine wesentlich höhere magnetische Haltekraft an den sich gegenüberliegenden Flächen des Kernes 5 und des Ankers 6.

In abgeänderter Ausführung ist es nicht unbedingt nötig, daß Distanzstücke 13 vorgesehen sind. Der erforderliche Abstand der beiden Kernteile 5a und 5b voneinander kann auch mit anderen konstruktiven Mitteln gewährleistet sein, z. B. durch Formschlußausbildungen an den Anlageflächen des Permanentmagneten 12 und der Kernschenkel 5c und 5d.

Die vorstehend erläuterte Konstruktion des Kernes 5 gewährleistet auch, daß der Kern keine Stoßenergie auf den Permanentmagneten 12 überträgt, wenn der Anker 6 bei Bestromung der Spule 2 gegen den Kern anschlägt. Der Permanentmagnet 12 ist somit vollständig stoßentlastet.

Der wesentliche Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der Fign. 3, 4 und 5 besteht darin, daß in diesen Fällen der mittlere Abschnitt 11a des Raumesifcchräg zur Längsachse 14 des Kernes 5 verläuft. Insofern sind die Kernteile 5a und 5b nicht L-förmig ausgebildet und weisen daher an ihren sich gegenüberliegenden Flächen Schrägflächen auf, die sich wenigstens über den wesentlichen Kernquerschnitt erstrecken und den mittleren Längs abschnitt 11a des Raumes 11 in Zusammenwirkung mit den Distanzstücken 13 begrenzen. Der längliche, plattenförmige Permanentmagnet 12 füllt im wesentlichen den gesamten schrägen Längsabschnitt 11a des Raumes 11 aus.

Der Unterschied der Kernausbildung nach Fig. 3 zu derjenigen nach Fig. 4 besteht darin, daß die Distanzmittel beim Beispiel nach Fig. 4 aus einer einzigen Hülse 15 aus magnetisch nicht leitendem Material bestehen, während beim Beispiel nach Fig. 3 kernrandseitig zwei Distanzstücke 13 vorgesehen sind. Die Kernteile 5a und 5b nach Fig. 4 weisen abgesetzte Randabschnitte 16 für die Aufnahme der entsprechenden Abschnitte der Hülse 15 auf.

Die Hülse 15 bewirkt ferner, daß die beiden Kernteile und der Permanentmagnet 12 zueinander in Stellung gehalten werden. Um dies auch bei den Beispielen nach den Fign. 1 und 3 zu gewährleisten, können radial nach Innen wirkende Klemmelemente 17 vorgesehen sein. Diese können z. B. aus elastischen Ringteilen

bestehen, die in entsprechenen Nuten der Kernteile 5a und 5b vorgesehen sein, wie es lediglich in Fig. 1 schematisch gezeigt ist.

Zur Verringerung der Aufschlagenergie beim Auftreffen des Ankers 6 auf das abgewandte Kernteil 5ikönnen die Distanzstücke 13 und 15 aus aufschlagdämpfendem Material bestehen, z. B. aus entsprechendem Kunststoff.

Während bei den Beispielen nach den Fign. 1 bis 4 der den Kern 5 radial durchdringende Raum 11 sich über den gesamten Kernquerschnitt erstreckt, zeigt das Beispiel nach Fig. 5, daß der den Permanentmagneten 12 aufweisende Raum 11 sich nicht über den gesamten Kernquerschnitt erstreckt. Der auch hier schräg zur Längsachse 14 des Kernes 5 verlaufende Raum 11 weist eine solche Länge auf, daß anschließend an den beiden kernrandseitigen Enden des Raumes kleine radiale Querschnittsflächen 18 des Kernmateriales verbleiben. Diese kleinen Querschnittsflächen weisen nur eine solche Größe auf, die für den magnetischen Fluß durch den Kern vernachlässigbar sind, aber noch eine solche ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, daß der in dem Raum 11 befindliche Permanentmagnet 12 auf Dauer stoßentlastet ist. Auch in diesem Fall, wo sich der Raum 11 nicht vollständig, sondern nur annähernd über den gesamten Querschnitt des Kernes erstreckt, werden noch die Vorteile der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele erzielt, wenn auch in einem etwas geringeren Umfang. Somit sollen auch derartige Ausführungsbeispiele vom Schutz miterfaßt sein.

Die beschriebene Magnetvorrichtung betätigt ein Ventil, von dem nur der mit 19 bezeichnete Ventilsitzbereich dargestellt ist. Der Anker 6 der Magnetvorrichtung kann aber auch mit einer Sicher-

heitsanlage zusammenwirken, um &zgr;. B. Ver- und Entriegelungsvorgänge vorzunehmen.

Claims

Ansprüche

1. Bistabile elektrische Magnetvorrichtung zum Betätigen von insbesondere Ventilen, bei der in einem zentralen Durchgang einer elektrischen Spule ein ortsfester Kern und ein zwischen zwei Endstellungen axial beweglicher, federbelasteter Anker hintereinander angeordnet sind und bei der ein die eine Endstellung des Ankers haltender Permanentmagnet und ein den magnetischen Fluß von dem Kern zu dem Anker leitendes Joch vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (5) von einem Raum (11) radial durchdrungen ist, dessen quer zur Durchdringungsrichtung verlaufende Länge sich wenigstens annähernd über den gesamten Kernquerschnitt erstreckt, daß sich wenigstens der mittlere Längenabschnitt (lla) dieses Raumes im Winkel zur Durchmesserrichtung des Kernes (5) erstreckt und den Permanentmagneten (12) aufweist und daß die an den raumseitigen Kernflächen anliegenden Längsflächen des Permanentmagneten (12) als die Polflächen (N, S) dieses Magneten ausgebildet sind.

2. Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (5) aus zwei Kernteilen (5a, 5b) besteht, die mittels wenigstens eines im Randbereich der Kernteile angeordneten Distanzstückes (13) aus nicht magnetisch leitendem Material zur Ausbildung des Raumes (11) auf Abstand voneinander gehalten sind.

3. Magnetvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernteile (5a, 5b) L-förmig ausgebildet und mit ihrem längeren Schenkel (5c, 5d) in Längsrichtung des zentralen Durchganges (4) der elektrischen Spule (2) verlaufend unter Ausbildung des Raumes (11) zwischen sich komplementär auf Abstand angeordnet sind und daß die Länge des so axial verlaufend ausgebildeten, einen plattenförmigen Permanentmagneten (12) enthaltenden mittleren Längenabschnittes (Ha) des Raumes (11) größer ist als die Länge dieses Magneten.
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4. Magnetvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Endabschnitte (11b, lic) des Raumes (11) im Bereich der kürzeren Schenkel der L-förmigen Kernteile (5a, 5b) mit die beiden Kernteile auf Abstand haltenden Distanzstükken (13) aus magnetisch nicht leitendem Material versehen sind.

5. Magnetvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Längenabschnitt (Ha) des Raumes (11) zwischen den beiden Kernteilen (5a, 5b) schräg zur Längsachse

(14) der Kernteile verläuft und einen plattenförmigen Permanentmagneten (12) aufweist und daß sich an diesen Abschnitt zwei äußere Endabschnitte anschließen, in denen Distanzstücke (13) aus nicht magnetisch leitendem Material angeordnet sind.

6. Magnetvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstücke (13) aus aufschlagdämpfenden Material, vorzugsweise Kunststoff, bestehen.

7. Magnetvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kernteile (5a, 5b) und der zwischen ihnen angeordnete Permanentmagnet (12) durch radial nach innen wirkende Klemmelemente (17) zusammengehalten werden.

8. Magnetvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (11) zwischen den beiden Kernteilen (5a, 5b) aus einem auf ganzer Länge schräg zur Längsachse (14) der beiden Kernteile verlaufenden, den plattenförmigen Permanentmagneten (12) aufweisenden Raum besteht und daß das Distanzstück aus einer Hülse (15) besteht, die in abgesetzten Randabschnitten (16) der Kernteile montiert ist.

9. Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Permanentmagneten (12) aufweisende Raum (11) in dem Kern (5) sich über eine solche Länge schräg zur Längsachse (14) des Kernes erstreckt, daß anschließend an den beiden kernrandseitigen Enden des Raumes (11) kleine radiale Querschnittsflächen (18) des Kernmateriales verbleiben, die für den magnetischen Fluß vernachlässigbar sind, aber noch eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Stoßentlastung des Permanentmagneten aufweisen.