DE10051310A1

DE10051310A1 - Aktuator, insbesondere für Ventile, Relais oder dgl.

Info

Publication number: DE10051310A1
Application number: DE10051310A
Authority: DE
Inventors: Erwin Krimmer; Wolfgang Schulz; Matthias Brendle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-01-03

Abstract

Es wird ein Aktuator, insbesondere für Ventile, Relais oder dgl., angegeben, der einen Elektromagneten (10) mit einer Magnetspule (11), einen zwischen zwei Endlagen verschiebbaren Magnetanker (12) und einen Magnetjoch (13) sowie einen vom Magnetanker (12) angetriebenen Betätigungsstößel (14) aufweist. Zur Schaffung eines bistabilen Aktuators mit geringem Energiebedarf und geringer Erwärmung stromführender Komponenten, insbesondere bei Forderung nach sehr langen Schaltzeiten in beiden Schaltstellungen, ist einerseits der Elektromagnet (10) so ausgebildet, daß sein Magnetanker (12) eine mittig zwischen seinen die beiden Schaltstellungen des Aktuators realisierenden beiden Endlagen liegende, stabile Mittellage besitzt, die aus den beiden Endlagen heraus durch Bestromung der Magnetspule (11) anfahrbar ist, und andererseits eine bistabile mechanische Arretiervorrichtung (15) vorgesehen, die auf den Magnetanker (12) oder den Betätigungsstößel (14) wirkt und in den Endlagen des Magnetankers (12) wirksam ist (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Aktuator, insbesondere für Ventile, Relais oder dgl. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektromagnetische Aktuatoren werden im allgemeinen monostabil ausgeführt, d. h. der Magnetanker des Aktuators hat - ohne Energiezufuhr - eine stabile, definierte Endlage, die sog. Ruhelage. Diese Endlage wird meist durch Federkraft einer Rückstellfeder eingestellt, während durch Bestromung der Magnetspule oder der Erregerwicklung des Elektromagneten der Magnetanker in seine andere Endlage, die sog. Schaltlage, überführt wird. Zum Halten des Magnetankers in der Schaltlage muß die Magnetspule ständig bestromt werden, ohne daß dabei mechanische Arbeit geleistet wird. Die Folge ist Energieverlust und Erwärmung des Aktuators sowie der Zuleitungen und der Schalttransistoren für die Ansteuerung der Magnetspule.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß er bistabil ist und der Magnetanker immer in einer der beiden Endlagen verharrt, bis er durch kurzzeitige Bestromung der Magnetspule in die andere Endlage überführt wird, um dort wiederum - ohne Energiezufuhr von außen - zu verbleiben. Energie ist ausschließlich zur Überführung des Magnetankers in eine der beiden Endlagen erforderlich, wobei die Energie weitgehend in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Das Halten des Magnetankers in der Endlage selbst erfolgt durch die mechanische Arretiervorrichtung, die vorzugsweise als Sprungschaltwerk oder als Rastgesperre ausgeführt wird, ohne Energiezufuhr, so daß Verlustleistung und Erwärmung von Aktuator und Steuerung eliminiert sind. Die Steuerungsendstufen zur Bestromung der Magnetspule müssen damit nicht auf Dauerbetrieb ausgelegt werden, sondern nur auf die kurzen Bestromungsimpulse zum Überführen des Magnetankers aus der einen in die andere Endlage. Dadurch reduzieren sich der Bauraum und die Kosten für die Komponenten im elektrischen Kreis.

Der erfindungsgemäße bistabile elektromagnetische Aktuator eignet sich hervorragend für elektromagnetisch bestätigte Pneumatik- und Hydraulik-Vorschaltventile, sowie für bistabile Relais, insbesondere dann, wenn sehr lange Schaltzeiten in beiden, den Endlagen des Magnetankers entsprechenden Schaltstellungen gefordert werden, und/oder wenn die Schaltstellungen auch bei Ausfall der Spannungsversorgung des Elektromagneten gehalten werden sollen.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Aktuators möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die mittig zwischen den beiden Endlagen liegende stabile Mittellage des Magnetankers, auch Gleichgewichtslage des Elektromagneten genannt, dadurch realisiert, daß der Magnetanker mit seinen beiden Ankerenden durch miteinander fluchtende Öffnungen im Magnetjoch hindurchtritt und daß die Länge des Magnetankers und die Ausbildung des Magnetjochs so aufeinander abgestimmt sind, daß in jeder Endlage des Magnetankers eines der Ankerenden maximal und das andere minimal in das Magnetjoch eintaucht. Der für die Magnetkraft maßgeblich Gradient des Magnetflusses bzw. der Permeabilität besitzt an dem minimal eintauchenden Ankerende eine besonders große axiale Komponente, an dem maximal eingetauchten Ankerende nur eine radiale Komponente, so daß der Magnetanker mit seinem eintauchenden Ende in das Magnetjoch hineingezogen und in dieser Endlage von der mechanischen Arretiervorrichtung fixiert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fixiervorrichtung als Sprungschaltwerk ausgeführt, wobei insbesondere Sprungschaltwerke mit geringer Reibung geeignet sind, um ein reproduzierbares Schaltverhalten des Aktuators zu gewährleisten, was insbesondere für die Optimierung der Impulslänge und Impulshöhe der Bestromungsimpulse wichtig ist. Sprungschaltwerke mit geringer Reibung sind beispielsweise sog. Kipp-Sprungschaltwerke mit Schneidenlagern.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Bestromung der Magnetspule mittels Stromimpulse, deren Dauer so festgelegt ist, daß mit Ende eines Stromimpulses der aus seiner Endlage heraus bewegte Magnetanker in etwa seine Mittellage erreicht hat und die im Magnetanker gespeicherte Energie ausreichend ist, den Magnetanker über die Mittellage hinweg in seine andere Endlage zu treiben. Damit wird der Elektromagnet immer nur bis zum Erreichen seiner Gleichgewichtslage bestromt, und die Gleichgewichtslage wird mit Hilfe der im Magnetanker gespeicherten kinetischen Energie überwunden. Im Falle der Ausbildung der Arretiervorrichtung als Sprungschaltwerk steht nach Überwindern der Gleichgewichtslage auch die im Sprungschaltwerk gespeicherte Energie zur Verfügung, um den Magnetanker in seine Endlage zu bewegen.

Wenn ein Führungselement oder eine zweite Arretiervorrichtung vorhanden ist, kann auf vorteilhafte Weise auf eine Führung des Magnetankers durch den Spulenkörper verzichtet werden, wodurch sich der Abstand zwischen Magnetanker und Spule reduziert.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt eines elektromagnetischen Aktuators, schematisch dargestellt,

Fig. 2 bis 4 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt des Aktuators in drei unterschiedlichen Verschiebestellungen des Magnetankers, schematisch dargestellt,

Fig. 5 eine Kennlinie des Aktuators in Fig. 1,

Fig. 6 ausschnittweise einen Längsschnitt eines elektromagnetischen Aktuators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel, und

Fig. 8 eine Feder für einen erfindungsgemässen Aktuator.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 schematisiert im Längsschnitt dargestellte elektromagnetische Aktuator 1 für Pneumatik- oder Hydraulik- Vorschaltventile oder für bistabile Relais weist einen Elektromagneten 10 mit einer Magnetspule 11, mit einem zwischen zwei Endlagen verschiebbaren Magnetanker 12 und mit einem den Eisenrückschluß bildenden Magnetjoch 13 sowie einen mit dem Magnetanker 12 fest verbundenen Betätigungsstößel 14 und eine in den Endlagen des Magnetankers 12 wirksame, bistabile, mechanische Arretiervorrichtung 15 auf, die auf den Betätigungsstößel 14 wirkt und den Betätigungsstößel 14 mit dem Magnetanker 12 in jeder seiner beiden Endlagen fixiert.

Die Magnetspule 11 ist auf einem garnrollenähnlichen, hohlzylindrischen Spulenkörper 16, der stirnseitig durch zwei Ringflansche 161 begrenzt ist, aufgewickelt. Das Magnetjoch 13 weist U-Form auf und hat zwei durch einen Jochsteg 131 miteinander verbundene, sich parallel zueinander erstreckende Jochschenkel 132, 133. Das Magnetjoch 13 nimmt den Spulenkörper 16 mit aufgewickelter Magnetspule 11 zwischen den Jochschenkeln 132, 133 so auf, daß die Spulenachse mit den Normalen von zwei in den beiden Jochschenkeln 132, 133 eingebrachten Eintauchöffnungen 17, 18 fluchtet. Der Magnetanker 12 ist im Innern des hohlzylindrischen Spulenkörpers 16 axial verschieblich geführt und in seiner Länge so auf das Magnetjoch 13 abgestimmt, daß in jeder Endlage des Magnetankers 12 eines der Ankerenden 121 bzw. 122 maximal und das andere minimal in die Eintauchöffnungen 17, 18 eingetaucht ist. Die maximale Eintauchtiefe der Ankerenden 121, 122 ist dabei wenig größer bemessen als die in Achsrichtung des Magnetankers gemessene Dicke der Jochschenkel 132, 133. Auf diese Weise besitzt der Magnetanker 12 eine mittig zwischen den beiden Endlagen liegende stabile Mittellage, auch Gleichgewichtslage des Elektromagneten 10 genannt, die aus den beiden Endlagen heraus durch Bestromung der Magnetspule 11 anfahrbar ist.

In der Darstellung der Fig. 2 ist der Magnetanker 12 mit seinem linken Ankerende 121 maximal in die Eintauchöffnung 17 im Magnetjoch 13 und mit seinem rechten Ankerende 122 minimal in die Eintauchöffnung 18 im Magnetjoch 13 eingetaucht. Diese Endlage des Magnetankers 12 ist in der in Fig. 5 dargestellten Kennlinie mit E_L bezeichnet. Die Kennlinie in Fig. 5 zeigt einerseits die Funktion der Magnetkraft F über den Verschiebeweg s des Magnetankers 12 und andererseits die Funktion des an die Magnetspule 11 angelegten Spannungsimpulses über den Verschiebeweg des Magnetankers 12. In der vorstehend genannten stabilen linken Endlage E_L des Magnetankers 11 wird dieser durch die Arretiervorrichtung 15 ohne Energiezufuhr an die Magnetspule 11 fixiert.

Wird nunmehr an die Magnetspule 11 ein Spannungsimpuls mit beliebiger Polarität gelegt, so besitzt der für die auf den Magnetanker 12 wirkende Magnetkraft maßgebliche Gradient des Magnetflusses bzw. der Permeabilität an dem in die Eintauchöffnung 18 minimal eintauchenden Ankerende 122 eine besonders große axiale Komponente und an dem in die Eintauchöffnung 17 maximal eingetauchten Ankerende 121 nur eine radiale Komponente. Damit wirkt auf den Magnetanker 12 ein großer Magnetkraftanteil in axialer Richtung, so daß der Magnetanker 12 in Richtung seiner Mittellage angetrieben wird, die in Fig. 3 dargestellt ist und in welcher die beiden Ankerenden 121, 122 gleich tief in die Eintauchöffnungen 17, 18 eingetaucht sind. Der Magnetanker 12 hat die in Fig. 5 mit M bezeichnete Mittellage erreicht. Die auf den Magnetanker wirkende Magnetkraft F ist in Fig. 5 aus der Kennlinie zu entnehmen. Bei Erreichen der Mittellage M des Magnetankers 12 fällt die Bestromung der Magnetspule 11 weg. Die im Magnetanker 12 gespeicherte Energie ist ausreichend, diesen in seine rechte Endlage E_R zu treiben, in welcher er wiederum durch die Arretiervorrichtung 15 fixiert wird. Der Magnetanker 12 nimmt die in Fig. 4 skizzierte Position ein, in welcher sein rechtes Ankerende 122 maximal in die Eintauchöffnung 18 und sein linkes Ankerende 121 minimal in die Eintauchöffnung 17 eingetaucht ist. Der Magnetanker 12 hat insgesamt den Hub h (in Fig. 1 und 5) ausgeführt.

Die Arretiervorrichtung 15 zur Fixierung der beiden Endlagen des Magnetankers 12 ist in Fig. 1 als geschlitzte Tellerfeder 19 ausgebildet, die ein Ausführungsbeispiel für ein allgemeines bistabiles Sprungschaltwerk 26 darstellt. Die Tellerfeder 19 ist mit ihrem Außenrand räumlich fest eingespannt und greift mit ihrem Innenrand in eine am Bestätigungsstößel 14 ausgebildete Ringnut 20 axial unverschieblich ein. Wird der Magnetanker 12 aus seiner in Fig. 1 dargestellten linken Endlage E_L (vgl. auch Fig. 2) in seine in Fig. 3 skizzierte Mittellage M überführt, so wird die Tellerfeder 19 in Fig. 1 nach rechts gedrückt und nimmt eine weitgehend gestreckte Lage, ihre sog. Totpunktlage, ein. Wird der Magnetanker 12 über seine Mittellage M hinaus weiter bewegt (Fig. 4) so schnappt die Tellerfeder 19, wie in Fig. 1 strichliniert angedeutet ist, über ihre Totpunktlage hinweg nach rechts, wobei sie am Magnetanker 12 Antriebsarbeit leistet und die Bewegung des Magnetankers in seine in Fig. 4 dargestellte Endlage hinein unterstützt. Die Kennlinie der Tellerfeder 19 über den Verschiebeweg s des Magnetankers 12 ist in Fig. 5 strichpunktiert dargestellt. Zunächst muß der Elektromagnet 10 zusätzliche Kraft aufbringen, um die Tellerfeder 19 in ihre Strecklage zu drücken. Die hierbei von dem Elektromagneten 10 geleistete Arbeit (in Fig. 5 als schraffierte Fläche A gekennzeichnet) wird in der Tellerfeder 19 gespeichert und nach Überschreiten der Mittellage M als Antriebsenergie an den Magnetanker 12 abgegeben, so daß dieser in seine rechte Endlage E_R getrieben wird. Die von der Tellerfeder 19 geleistete Antriebsarbeit ist in Fig. 5 durch die schraffierte Fläche B zwischen der Mittellage M und der rechten Endlage ER verdeutlicht. Die in Fig. 5 über der Fläche A liegende schraffierte Fläche C ist die vom Elektromagneten 10 geleistete Beschleunigungsarbeit für den Magnetanker 12.

In dem in Fig. 6 ausschnittweise dargestellten, modifizierten elektromagnetischen Aktuator ist die Arretiervorrichtung 15 zur stromlosen Fixierung des Magnetankers 12 in seinen beiden stabilen Endlagen als Rastgesperre 21 ausgebildet. In einfachster Weise besteht ein solches Rastgesperre 21 aus einem federbelasteten Rastglied 22, das in der jeweiligen Endlage des Magnetankers 12 in eine Rastmulde oder Rastnut 23 im Betätigungsstößel 14 einfällt. Die beiden Rastnuten 23 sind im Betätigungsstößel 14 in einem axialen Abstand voneinander angeordnet, der dem Hub h des Magnetankers 12 entspricht. Das hier als Rastkugel ausgebildete Rastglied 22 ist in einer rechtwinklig zum Betätigungsstößel 14 ausgerichteten, räumlich festgelegten Hülse 24 geführt, die eine Rastfeder 25 aufnimmt. Die Rastfeder 25 stützt sich einerseits an der Rastkugel bzw. dem Rastglied 22 und andererseits am Hülsengrund ab und drückt das Rastglied 22 in die jeweilige Rastnut 23 ein. Die beiden Rastnuten 23 besitzen Aushebeschrägen 231, so daß bei Verschiebung des Betätigungsstößels 14 das Rastglied 22 aus der Rastnut 23 ausgehoben werden kann.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Aktuators 1 mit einer Mittelachse 3.

Bei Ausführungsbeispielen nach den vorherigen Figuren wird der Magnetanker 12 durch den Spulenkörper 16 und/oder durch die Arretiervorrichtung 15 geführt.

Der Magnetanker 12 kann aber auch nur durch ein Führungselement 50 und die Arretiervorrichtung 15 geführt werden. Das Führungselement 50 kann aber auch als eine weitere Arretiervorrichtung 15 in Form einer Blattfeder 19 ausgeführt sein.

Die Blattfeder 19 hat bspw. in Längsrichtung zur Mittelachse 3 zumindest ein Federelement 52, um ein besseres Durchschwingen über den Totpunkt zu ermöglichen, und um die auftretenden Querkräfte der Blattfeder 19 zu vermeiden.

Der Betätigungsstössel 14 hat eine Ventilplatte 55, die eine Öffnung 57 eines Gehäuses 59 öffnet oder schliesst. In einer Endstellung der Ventilplatte 55 ist die Öffnung 57 offen und in der anderen Endstellung ist sie geschlossen. Der Aktuator 1, das Gehäuse 59, die Ventilplatte 55 und die Öffnung 57 sind z. B. u. a. Teil eines Ventils für ein Tankentlüftungssystem. Dabei wird der Aktuator 1 durch einen elektrischen Anschluss 63 mit einer äusseren elektrischen Energieversorgung verbunden.

Das Gehäuse 59 hat an seiner Innenwand 60 einen ersten 67 und einen zweiten 69 Anschlag, an denen die zumindest eine Blattfeder 19 in ihren Endstellungen anschlägt.

In Fig. 8 ist eine Form einer Blattfeder 19 dargestellt, die aus zwei spiegelbildlich aneinandergefügten S-Abschnitten gebildet ist, wobei der Querschnitt des Federmaterials bspw. rechteckig oder rund ist.

Der Stössel 14 bewegt sich hier bspw. senkrecht zur Zeichnungsebene.

Die Enden der Blattfeder 19 sind mit dem Gehäuse 59 fest verbunden. Dabei steht die Blattfeder 19 unter einer Vorspannung. Dies geschieht bspw. dadurch, dass die Blattfeder 19 zwischen den zwei Verankerungspunkten im Gehäuse 59 in der Zeichnungsebene zusammengedrückt ist.

Claims

1. Aktuator, insbesondere für Ventile, Relais oder dgl. mit einem Elektromagneten (10), der eine Magnetspule (11), einen zwischen zwei Endlagen verschiebbaren Magnetanker (12) und ein Magnetjoch (13) aufweist, und mit einem vom Magnetanker (12) angetriebenen Betätigungsstößel (14), dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (10) so ausgebildet ist, daß sein Magnetanker (12) eine mittig zwischen den beiden Endlagen liegende, stabile Mittellage besitzt, die aus den beiden Endlagen heraus durch Bestromung der Magnetspule (11) anfahrbar ist, und daß auf den Magnetanker (12) oder auf den Betätigungsstößel (14) zumindest eine in den Endlagen wirksame, bistabile, mechanische Arretiervorrichtung (15) wirkt.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker (12) mit seinen beiden Ankerenden (121, 122) durch miteinander fluchtende Eintauchöffnungen (17, 18) im Magnetjoch (13) hindurchtritt und daß die Länge des Magnetankers (12) und die Ausbildung des Magnetjochs (18) so aufeinander abgestimmt sind, daß in jeder Endlage des Magnetankers (12) eines der Ankerenden maximal und das andere minimal in die zugeordnete Eintauchöffnung (17, 18) im Magnetjoch (13) eingetaucht ist.

3. Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (13) U-Form mit zwei durch einen Jochsteg (131) verbundenen Jochschenkeln (132, 133) aufweist und daß die beiden Eintauchöffnungen (17, 18) für die Ankerenden (121, 122) des Magnetankers (12) in den einander gegenüberliegenden Jochschenkeln (132, 133) angeordnet sind.

4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (11) auf einem hohlzylindrischen Spulenkörper (16) aufgewickelt ist, der zwischen den Jochschenkeln (132, 133) des Magnetjochs (13) so aufgenommen ist, daß die Spulenachse mit den Normalen der Eintauchöffnungen (17, 18) fluchtet, und daß der Magnetanker (12) in dem Spulenkörper (16) axial verschieblich geführt ist.

5. Aktuator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Eintauchtiefe der Ankerenden (121, 122) wenig größer ist als die in Achsrichtung des Magnetankers (12) sich erstreckende Breite der Jochschenkel (132, 133).

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestromung der Magnetspule (11) mittels Stromimpulse erfolgt, deren Dauer so festgelegt ist, daß mit Ende eines Stromimpulses der aus seiner Endlage heraus bewegte Magnetanker (12) in etwa seine Mittellage erreicht hat und die im Magnetanker (12) gespeicherte Energie ausreichend ist, den Magnetanker (12) über die Mittellage hinweg in seine andere Endlage zu treiben.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretiervorrichtung (15) als Rastgesperre (21) ausgebildet ist.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretiervorrichtung (15) als Sprungschaltwerk (26) ausgebildet ist, das nach Überwinden einer Totpunktlage eine Antriebskraft auf Magnetanker (12) oder Betätigungsstößel (14) aufbringt.

9. Aktuator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sprungschaltwerk (26) als geschlitzte Tellerfeder (19) ausgebildet ist.

10. . Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Arretiervorrichtungen (15) vorhanden sind.

11. Aktuator nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Führungselement (50) vorhanden ist, so dass der Magnetanker (12) durch das zumindest eine Führungselement (50) und die Arretiervorrichtung (15) geführt ist.

12. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator (1) zwei Arretiervorrichtungen (15) hat, und
dass der Magnetanker (12) durch die Arretiervorrichtungen (15) geführt ist.

13. Aktuator nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsstössel (14) eine Ventilplatte (55) hat, die eine Öffnung (57) eines Gehäuses (59) öffnet oder schliesst.

14. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) Teil eines Tankentlüftungsystems ist.

15. Aktuator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 7, 8 oder 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierungsvorrichtung (15) eine Blattfeder (19) ist.

16. Aktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (19) zumindest ein Federelement (52) hat.

17. Aktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (19) durch zwei spiegelbildlich aneinandergefügten S-Abschnitten gebildet ist.