Doppelt wirkender elektromagnetischer Linearmotor

Abstract

 Es wird ein doppeltwirkender elektromagnetischer Linearmotor (10) vorgeschlagen, der bei einer nassen Ausführungsart neben hoher Dynamik und hoher Energiedichte eine kleine Bauweise hat. Der Linearmotor (10) weist ein Druckrohr (21) mit zwei magnetisch nicht leitenden Zwischenstücken (27, 28) auf, zwischen denen ein magnetflußleitendes Mittelstück (29) liegt. Am Außenumfang des Druckrohrs (21) sind zwei ringförmig magnetisierte Permanentmagneten (35, 36) gegenpolig angeordnet, so daß sie innerhalb der elektromagnetischen Spule (18) und dem Druckrohr (21) liegen. Bei einfachen Magnetpolformen lassen sich durch unterschiedliche Nasenüberdeckung von Anker (33) und Polschuhen (31, 32) die Verläufe der Kraft-Weg-Kennlinien günstig beeinflussen.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einem doppelt wirkenden elektromagnetischen Linearmotor nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Gattung.

[0002] Es ist schon ein solcher elektromagnetischer Linearmotor aus der Zeitschrift O + P (Ölhydraulik und Pneumatik) 34 (1990), Seiten 754 bis 761 bekannt, wobei ein in nasser Bauweise ausgeführter Linearmotor für ein direkt betätigtes Servoventil verwendet wird. Solche Linearmotoren weisen bei einem relativ kleinen Bauraum eine hohe Energiedichte und eine hohe Dynamik auf, wobei der Anker aus einer neutralen Mittelstellung heraus nach beiden Seiten hin Hübe und Kräfte erzeugen kann. Zu diesem Zweck sind bei dem linearen Motor innerhalb einer elektrischen Spule zwei axial magnetisierte Permanentmagneten angeordnet, welche so gepolt sind, daß ihre magnetischen Flußrichtungen in den Arbeitsluftspalten entgegengesetzt sind. Bei diesem Linearmotor in nasser Bauweise ist nun von Nachteil, daß der die Spule von einem druckmittelgefüllten Ankerraum trennende, rohrförmige Körper einen relativ großen Durchmesser aufweist, da die Permanentmagneten innerhalb dieses rohrförmigen Körpers angeordnet sind. Infolge dieser Bauweise des Rohrkörpers eignet sich der Linearmotor nur für niedrige Drücke. Ferner verwendet dieser Linearmotor relativ aufwendig bauende Formteile zur Bildung von Polschuhen, die mit den Stirnseiten des kolbenförmigen Ankers im wesentlichen über axial verlaufende Arbeitsluftspalte zusammenarbeiten. Solche axialen Luftspalte haben aber den Nachteil, daß sie eine Abstimmung der Kennlinien des Linearmotors erschweren. Ferner ist der relativ aufwendig bauende Linearmotor nicht zum unmittelbaren Anbau eines Wegmeßsystems geeignet, das hier unmittelbar am Servoventil angeflanscht werden muß. Dieser Linearmotor führt deshalb zu einer relativ aufwendigen, großen und kostspieligen Bauweise.

Vorteile der Erfindung

[0003] Der erfindungsgemäße doppelt wirkende elektromagnetische Linearmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er unter Beibehaltung einer hohen Leistungsdichte und einer hohen Dynamik eine einfachere und kostengünstigere Bauweise ermöglicht. So kann durch diese Ausbildung des hülsenförmigen Druckrohres der Linearmotor nicht nur eine kleine Baugröße aufweisen, sondern es läßt sich auch mit einfachen Magnetpolformen in Verbindung mit unterschiedlichen Anker-Polnasenüberdeckungen ein günstiger Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinien erzielen. Dabei ist von Vorteil, daß der Magnetfluß im wesentlichen über radiale Luftspalte geführt wird. Eine hohe Dynamik des Linearmotors wird auch durch möglichst gleichmäßige Querschnitte für den Magnetfluß begünstigt, so daß parasitäre Wirbelströme durch einen querschnittsreduzierten Magnetkreis und durch axiale Schlitze in einzelnen Magnetbauteilen unterdrückt werden. Durch die Ausbildung des Druckrohrs lässt sich in platzsparender Weise auch ein Wegmeßsystem anordnen, wobei in vorteilhafter Weise bereits vorhandene Bauelemente verwendbar sind.

[0004] Der hochdynamische Linearmotor kann relativ einfach, kostengünstig und kompakt hergestellt werden.

[0005] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Linearmotors möglich. Sie unterstützen vor allem eine einfache und kompakte Bauweise und begünstigen eine bessere Abstimmung der Kennlinien.

Zeichnung

[0006] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen doppelt wirkenden, elektromagnetischen Linearmotor, Figur 2 den Verlauf der magnetischen Flußlinien im Linearmotor nach Figur 1 bei unbestromter Spule und in vereinfachter Darstellung und in Figur 3 den Verlauf der Flußlinien bei bestromter Spule.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0007] Die Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen doppelt wirkenden elektromagnetischen Linearmotor 10, der im wesentlichen aus einem polarisierten Proportionalmagneten 11 und einem Wegmeßsystem 12 besteht, die in einem gemeinsamen Gehäuse 13 aus magnetisch leitendem Material angeordnet sind. Das Gehäuse 13 weist eine ventilseitige, erste Stirnfläche 14 auf, an der in an sich bekannter Weise ein nicht näher gezeichnetes Proportionalventil angebaut werden kann.

[0008] Im Gehäuse 13 verläuft in Längsrichtung von der ventilseitigen Stirnfläche 14 aus eine durchgehende Hohlbohrung 15 zu einer entgegengesetzt liegenden, ventilabgewandten, zweiten Stirnfläche 16.

[0009] Diese Hohlbohrung 15 ist mehrfach abgesetzt und bildet einen zur ventilseitigen Stirnfläche 14 hin offenen, ersten Abschnitt 17 mit größerem Durchmesser, welcher u.a. eine Spule 18 des Proportionalmagneten 11 aufnimmt. An den ersten Abschnitt 17 schließt sich in der Hohlbohrung ein zweiter Abschnitt 19 mit kleinerem Durchmesser an, in dem ein Druckrohr 21 des Linearmotors 10 geführt und gelagert ist. Der zweite Abschnitt 19 der Hohlbohrung 15 geht in einen dritten Abschnitt 22 mit größerem Durchmesser über, der zur zweiten Stirnfläche 16 hin offen ist.

[0010] Das in die abgesetzte Hohlbohrung 15 eingeführte Druckrohr 21 besteht aus mehreren Einzelteilen, die so zusammengesteckt, miteinander verlötet und anschließend bearbeitet sind, daß das Druckrohr 21 nach seiner Bearbeitung ein einstückiges Bauelement ergibt. Das einstückige Druckrohr 21 besteht im wesentlichen aus einem mehrgliedrigen Ankerrohr 23 und einem damit fest verbundenen, eingliedrigen Aufnehmerrohr 24 mit kleinerem Durchmesser. Bei dem Ankerrohr 23 mit gegenüber dem Aufnehmerrohr 24 größeren Durchmesser sind zwischen einem außen liegenden Druckrohrstück 25 und einem innenliegenden Druckrohrteil 26 zwei hülsenförmige Zwischenstücke 27, 28 angeordnet, zwischen denen ein hohlzylindrisches Mittelstück 29 liegt. Während die beiden Zwischenstücke 27, 28 aus magnetisch nicht leitendem Material bestehen, sind das Druckrohrstück 25, das Druckrohrteil 26 sowie das Mittelstück 29 aus magnetisch leitendem Material hergestellt. Das Druckrohrstück 25 kann daher in seinem hohlzylindrischen Bereich als Polschuh 31 arbeiten, während das Druckrohrteil 26 einen entsprechenden Polschuh 32 bildet, die mit einem im Ankerrohr 23 angeordneten Anker 33 zusammenarbeiten. Das Druckrohrstück 25 weist dabei einen nach außen kragenden Ringflansch 34 auf, mit dem das Druckrohr 21 im ersten Abschnitt 17 der Hohlbohrung 15 geführt ist, während andererseits das Druckrohrteil 26 an seinem Außenumfang im Bereich des zweiten Abschnitts 19 der Hohlbohrung 15 geführt ist.

[0011] Am Außenumfang des Druckrohres 21 sind in dem ringförmigen Raum zwischen Spule 18 und Ankerrohr 23 zwei ringförmige Permanentmagneten 35, 36 eingebaut, die axial magnetisiert sind und zur Erzielung einer großen Hubenergie aus seltenen Erden bestehen. Die Permanentmagnete 35, 36 sind so ausgebildet und angeordnet, daß die gleichnamigen Nord-Pole einander gegenüberliegen und zwischen sich ein ringförmiges Polstück 37 aus magnetischem Material aufnehmen. Die axiale Länge der beiden Permanentmagnete 35, 36 und des dazwischenliegenden Polstücks 37 ist so gewählt daß es der Länge der elektrischen Spule 18 entspricht. Zudem ist die axiale Länge des Polstücks 37 so groß wie diejenige des Mittelstücks 29 im Druckrohr 21. Ferner wird in vorteilhafter Weise die axiale Länge der beiden Zwischenstücke 27, 28 und des Mittelstücks 29 so groß gewählt, daß sie in etwa der Länge des Ankers 33 entspricht.

[0012] Der Anker 33 ist mit Hilfe seiner Hubstange 38 zweifach gelagert. Der durch das Druckrohrstück 25 nach außen ragende Teil der Hubstange 38 bildet eine erste Lagerstelle 39 in einem Magnetkern 41, der in das Druckrohrstück 25 von der ersten Stirnfläche 14 her eingesetzt ist. Ein entgegengesetzt liegendes Ende 42 der Hubstange 38 ist in einer zweiten Lagerstelle 43 geführt, die im Druckrohrteil 26 ausgebildet ist. Unmittelbar angrenzend an die zweite Lagerstelle 43 ist im Druckrohrteil 26 eine Befestigungsstelle 44 ausgebildet, in der das becherförmige Aufnehmerrohr 24 mit seinem offenen Ende, an dem ein verdickter Außenbund angeordnet ist, in dem Ankerrohr 23 dicht befestigt ist. Das Aufnehmerrohr 24, das aus magnetisch nicht leitendem Material besteht, wird in der Befestigungsstelle 44 in der Regel hart verlötet. Die Befestigungsstelle 44 liegt auf diese Weise in der gleichen radialen Ebene wie der zweite Abschnitt 19 der Hohlbohrung 15 und somit im Bereich des als Polschuh 32 dienenden Druckrohrteils 26. Da die dem zweiten Abschnitt 19 der Hohlbohrung 15 zugeordnete Gehäusewand 45 relativ dünn ausgebildet ist, kann das im dritten Abschnitt 22 angeordnete Wegmeßsystem 12 relativ nahe an den Permanentmagneten 36 bzw. die Spule 18 herangebaut werden, so daß sich eine in axialer Richtung besonders kurze Bauweise ergibt.

[0013] Das Wegmeßsystem 12 weist einen die Meßspulen 46 tragenden Spulenkörper 47 auf, der axial verschiebbar auf dem Aufnehmerrohr 24 angeordnet ist. Der Spulenkörper 47 ist allseitig von einer eisenmetallischen Ummantelung 48 umgeben, aus der lediglich nach oben die Anschlußkabel 49 herausgeführt sind. Zwischen der Ummantelung 48 und dem Druckrohrteil 26 sind Tellerfedern 51 angeordnet, so daß der Spulenkörper 41 zusammen mit seiner Ummantelung 48 mit Hilfe einer selbstsichernden Mutter 52 axial justierbar ist. Zum Schutz gegen Verdrehen ist außen an der Ummantelung 48 eine Verdrehsicherung 53 angeordnet. Der dritte Abschnitt 22 der Hohlbohrung 15 ist nach außen hin durch eine Abschlußkappe 54 verschlossen.

[0014] Im Inneren des Aufnehmerrohrs 24 ist als Teil des Wegmeßsystems 12 ein Ferritkern 55 angeordnet, der mit Hilfe einer Druckfeder 56 kraftschlüssig auf einem Kerntäger 57 fixiert ist, der seinerseits im Ende 42 der Hubstange 38 befestigt ist, wobei dessen axiale Festlegung mit Hilfe einer Verstemmung 58 leicht durchführbar ist.

[0015] Die Wirkungsweise des Linearmotors 10 wird wie folgt erläutert, wobei zusätzlich auf die Figuren 2 und 3 Bezug genommen wird.

[0016] Der als polarisierter Proportionalmagnet ausgebildete Linearmotor 10 bezieht seine Hubenergie aus den zwei gegenpolig eingebauten, axial magnetisierten Permanentmagneten 35, 36 und aus einer in Abhängigkeit der Stromrichtung die Kraftwirkrichtung vorgebende Spule 18.

[0017] Die Figur 2 zeigt nun in vereinfachter Darstellung den Verlauf der magnetischen Flußlinien im Linearmotor 10 nach Figur 1, wenn dessen Spule 18 nicht bestromt ist. Bei der in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Mittelstellung des Ankers 33 bilden sich im unbestromten Zustand die magnetischen Flußlinien über beide Permanentmagnete 35, 36 symmetrisch derart aus, daß sie im Norden austreten, unter gemeinsamer Nutzung des Polstücks 37 und des magnetisch leitenden Mittelstücks 29 radial in den Anker 33 eingeleitet werden und dort parallel zu den jeweils nicht magnetischen, eingelöteten Zwischenstücken 27 bzw. 28 verlaufen. Von dort werden sie im Bereich der beiden Stirnflächen des Ankers 33 über die Luftspalte 59, 61 im wesentlichen in radialer Weise in den Polschuh 31 des Druckrohrstücks 25 bzw. in den Polschuh 32 des Druckrohrteils 26 und weiter in die Gehäusewand 45 überführt, von wo sie in die Südpole der Permanentmagneten 35, 36 eintreten und den Magnetkreis schließen. Dabei fließt nur ein relativ geringer Streufluß von den Nordpolen der Permanentmagneten 35, 36 über die Spule 18 und das Gehäuse 13 zurück zu den Südpolen. Gering ist auch der Nutzfluß vom Anker 33 unmittelbar über dessen Stirnflächen in axialer Richtung zu dem Magnetkern 41 bzw. zum Druckrohrteil 26. In diesem Betriebszustand bei unbestromter Spule 18 ist die resultierende Kraft bei einer Mittelstellung des Ankers 33 gleich Null.

[0018] Wie die Figur 3 näher zeigt, überlagert sich bei einer Bestromung der Spule 18 deren Feld dem Permanentmagnetfeld und führt somit innerhalb des einen Permanentmagneten 36 zu einer Feldabschwächung bzw. einer Feldauslöschung im Luftspalt 61, während innerhalb des gegenüberliegenden, ersten Permanentmagneten 35 eine Feldverstärkung im Luftspalt 59 mit entsprechender Kraftwirkung auf den Anker 33 entsteht. In Abhängigkeit von der Stromrichtung durch die Spule 18 lassen sich auf diese Weise die Magnetfelder in den Arbeitsluftspalten 59, 61 verstärken oder abschwächen und damit magnetische Kräfte axial in zwei Wirkrichtungen erzielen. Der Linearmotor 10 kann auf diese Weise bei relativ kleiner Baugröße und geringer Strom- und Leistungsaufnahme sowie einem hohen maximalen Kraftniveau eine hohe Dynamik erreichen. Begünstigt wird dies auch dadurch, daß durch möglichst gleichmäßige Querschnitte im Magnetkreis und durch das Einbringen von axialen Schlitzen in einzelnen Bauteilen parasitäre Wirbelströme unterdrückt werden. Dabei lässt sich trotz der einfach aufgebauten Bauelemente der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinien leicht beeinflussen, indem die Polnasenüberdeckung in den Luftspalten 59 und 61 variiert werden kann. Äußerst günstig für die kompakte Bauform des Linearmotors 10 ist dabei die Verlegung der Befestigungsstelle 44 hinein in das vom Magnetfluß durchströmte Druckrohrteil 26, so daß Spule 18 und Wegmeßsystem 12 in axialer Richtung des Linearmotors 10 gesehen relativ nahe beieinander liegen können. Begünstigt wird diese kurze Bauform des Linearmotors 10 auch durch die Ummantelung 48, welche die Meßspulen 46 von dem störenden Magnetfluß des Proportionalmagneten 11 schützt. Ferner wird die kurze Bauweise auch durch die flachen Tellerfedern 51 unterstützt. Vorteilhaft für die kompakte Bauform ist ferner auch die kraftschlüssige Fixierung des Ferritkerns 55, so daß eine einwandfreie Montage und Justierung des Wegmeßsystems 12 möglich ist. Bei dem Linearmotor 10 lässt sich somit mit Hilfe des Druckrohrs 21 auch bei nasser Bauweise eine in axialer Richtung kurze Bauform erzielen.

[0019] Selbstverständlich sind an der gezeigten Ausführungsform Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So kann anstelle des gezeigten Wegmeßsystems in Drosselbauweise ein Spulenkörper mit drei Meßspulen für eine Transformatorbauweise verwendet werden. Auch bleiben die Vorteile des Linearmotors erhalten, wenn die Befestigungsstelle 44 des Aufnehmerrohrs 24 im Druckrohrteil 26 noch weiter nach links, in Richtung zu den Polschuhen 32 hin, verlagert wird. Auch wäre es möglich, anstelle des gezeigten Aufnehmerrohrs 24 an dessem offenen Ende einen radialen Flansch vorzusehen und es damit an der radialen Stirnseite des Druckrohrteils 26 zu befestigen so daß hierbei wenig axialer Bauraum verloren geht. Fernerhin wäre es möglich, die Verstemmung 58 für eine weitere Baulängenreduzierung auf die andere Seite der zweiten Lagerstelle 43 zu verlegen, wobei sie auch innerhalb des Ankers 33 angeordnet werden kann.

Ansprüche

1. Doppeltwirkender elektromagnetischer Linearmotor, insbesondere für Ventilschieber, mit einem Anker und einer radial außerhalb des Ankers liegenden elektrischen Spule, die durch einen zwischen ihnen angeordneten rohrförmigen Körper voneinander getrennt sind, der die Spule von einem druckmittelgefüllten Ankerraum trennt, sowie mit zwei axial magnetisierten Permanentmagneten, die entgegengesetzt gepolt innerhalb der Spule eingebaut sind und zwischen ihren einander zugewandten, gleichnamigen Polen wenigstens ein magnetflußleitendes Polstück aufweisen, während ihren außenliegenden, gleichnamigen Polen Polschuhe zugeordnet sind, die mit dem Anker Arbeitsluftspalte bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrfömige Körper als ein den Anker (33) aufnehmendes im wesentlichen hülsenförmiges Druckrohr (21) ausgebildet ist, an dessen Außenumfang die Permanentmagneten (35, 36) angeordnet sind und daß das Druckrohr (21) zwischen seinen die beiden Polschuhe (31, 32) bildenden Abschnitten (25, 26) zwei nichtmagnetische Zwischenstücke (27, 28) aufweist, zwischen denen ein magnetflußleitendes Mittelstück (29) angeordnet ist.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der beiden Permanentmagneten (35, 36) mit ihrem dazwischenliegenden Polstück (37) im wesentlichen der Länge der Spule (18) entspricht.

3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (33) mit den Polschuhen (31, 32) des Druckrohrs (21) Arbeitsluftspalte (59, 61) bildet, in denen der Magnetfluß im wesentlichen radial überführt wird.

4. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Mittelstücks (29) im Druckrohr (21) im wesentlichen dem Abstand der beiden Permanentmagnete (35, 36) voneinander enspricht, der insbesondere dem einzigen Polstück (37) gleicht.

5. Linearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge eines Zwischenstückes (27, 28) im wesentlichen die halbe Länge eines Permanentmagneten (35, 36) beträgt.

6. Linearmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckrohr (21) aus einem die Permanentmagnete (35, 36) und die Spule (18) tragenden Ankerrohr (23) und einem dem Wegmeßsystem (12) zugeordneten Aufnehmerrohr (24) besteht, das mit seinem offenen Ende in einer Befestigungsstelle (44) dicht und fest mit dem Ankerrohr (23) verbunden ist, wobei das Ankerrohr (23) im Gehäuse (13) gelagert und in seinem Inneren der Anker (33) gleitend geführt ist.

7. Linearmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem als Polschuh (32) dienenden Druckrohrteil (26) des Ankerrohrs (23) die Befestigungsstelle (44) des Aufnehmerrohrs (24) angeordnet ist.

8. Linearmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsstelle (44) des Aufnehmerrohrs (24) im wesentlichen in der gleichen radialen Ebene liegt, wie der das Ankerrohr (23) la gernde, zweite Abschnitt (19) der Hohlbohrung (15).

9. Linearmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die außen auf dem Aufnehmerrohr (24) angeordneten Meßspulen (46) des Wegmeßsystems (12) von einer abschirmenden Ummantelung (48) umgeben sind.

10. Linearmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen (46) mit Ummantelung (48) axial justierbar auf dem Aufnehmerrohr (24) angeordnet sind und insbesondere sich über Tellerfedern (51) am Druckrohr (21) abstützen.

11. Linearmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Anker (33) ein in das Aufnehmerrohr (24) hineinragender Kernträger (57) befestigt ist, auf dem ein Ferritkern (55) des Wegmeßsystems (12) gleitend geführt und von einer Feder (56) in einer Endstellung gehalten ist.

Zeichnung