Die Erfindung betrifft einen bistabilen Magnetaktor mit einem polarisierten Parallelkreis, wobei zwischen den Außenschenkeln eines U-förmigen Weicheisenjochs ein flacher Permanentmagnet integriert ist, der einen Weicheisenmittelschenkel trägt und einen auf dem Mittelschenkel gelagerten Wippanker mit einem dauermagnetisch erzeugten Magnetfluss beaufschlagt, und wobei auf jedem Außenschenkel eine getrennt ansteuerbare Erregerwicklung Umschwenkimpulse für den Wippanker von einer dauermagnetisch selbsthaltenden Schwenkstellung in die andere liefert. Ein ähnlicher gattungsbildender Magnetaktor ist zum Stand der Technik in der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2004 012 292 U1 beschrieben.

Bistabile, bipolare Magnetaktoren können im stromlosen Zustand zwei stabile Schwenkzustände einnehmen. Sie bestehen häufig aus einer Parallelschaltung zweier magnetischer Kreise aus Weicheisenteilen zur Führung eines magnetischen Flusses, einer oder mehreren elektromagnetischen Erregerwicklungen und mindestens einem Permanentmagnet, welcher über einen oder mehrere Luftspalte auf einen Magnetanker in den beiden Magnetkreisen Kräfte erzeugt und diesen in beiden stabilen Lagen leistungslos fesseln kann. Das Umschwenken des Magnetankers wird im Wesentlichen von der Wechselwirkung zwischen dem von den Erregerwicklungen generierten Fluss und den dauermagnetischen Flüssen durch die weichmagnetischen Parallelkreise bestimmt.

Gemäß der bereits genannten gattungsgemäßen DE 20 20004 012 292 ist zum Stand der Technik für die Betätigung eines Gaswechselventils einer Verbrennungskraftmaschine ein auf dem Mittelschenkel wälzgelagerter Wippanker in flacher Bauart bekannt. Ein in den Mittelschenkel integrierter Permanentmagnet erzeugt eine Haltekraft, die den Wippanker in einer der beiden Schwenkstellungen hält, ohne dass ein Stromfluss erforderlich ist. Durch eine wechselweise Bestromung der beiden Erregerwicklungen mit wechselnder Polarität erfolgt ein wechselweises Umschwenken des Wippankers, indem der jeweilige zur bestromten Erregerwicklung gehörige Flügel des Wippankers infolge der Addition des dauermagnetisch erzeugten Nebenflusses über den offenen Ankerluftspalt und dem jeweils gleichgerichteten elektromagnetischen Fluss über den offenen Ankerluftspalt angezogen wird. Das Umschwenken erfolgt dabei entgegen der Haltekraft des dauermagnetisch erzeugten Magnetfluss durch den unbestromten Parallelkreis, der sich über den geschlossenen Ankerluftspalt ausgebildet und den Wippanker bis dahin in seiner Lage gefesselt hat.

Auf dem beschriebenen Prinzip beruhen viele bekannte Magnetaktoren für elektromagnetische Antriebssysteme mit einer umsteuerbaren oder mit zwei getrennt steuerbaren Erregerwicklungen, beispielsweise gemäß DE 6751 327 DE 1 938 723 U1, DE 43 14 715 A1, DE 696 03 026 T2, EP 0 197 391 B2. Es wird dabei immer die Erregerwicklung in demjenigen Parallelkreises bestromt, nach dessen Seite der Wippanker umschwenken soll, wobei der elektromagnetische Fluss gleichsinnig zum dauermagnetisch erzeugten Nebenfluss gerichtet ist. In jedem Fall muss aber die Haltekraft, die der dauermagnetisch erzeugte Magnetfluss auf den angezogenen Ankerflügel ausübt, überwunden werden, wozu ein erheblicher energetischer Aufwand erforderlich ist.

Es sind ferner aus beispielsweise DE 33 23 481 A1 gepolte bistable Relais mit einem einmaschigen Magnetkreis und einem mit einem Permanentmagnet bestückten drehbeweglichen H-Ankerzug bekannt, bei denen durch das Magnetfeld einer Erregerwicklung der H-Ankerzug in seine zwei Schaltstellungen verschwenkbar ist. Zum Schalten des Relais wird das Magnetfeld jeweils durch Anlegen eines Spannungsimpulses umgepolt, wodurch der H-Ankerzug in die jeweils andere Schaltstellung verschwenkt. Aber auch hier wird der elektromagnetische Fluss auf Seiten des umzuschaltenden H-Ankerzugs erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen energieeffizienten bistabilen Magnetaktor mit einfachem gewichts- und volumenarmen Aufbau und hoher Umschalt- Leistungsdichte zu schaffen, der sich insbesondere für bistabile Relais hoher Schaltleistung eignet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 erfüllt. Vorteilhafte Weiterbildungen geben die begleitenden Ansprüche an. Insbesondere soll in einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung mit ein und derselben Magnetkreisanordnung auch eine asymmetrische Umschwenkkraft erzeugbar sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Magnetaktor wird ein besonders energieeffizientes Umschwenken des Wippankers von einer Schwenkstellung in die andere erreicht, was insbesondere für Magnetaktoren von Vorteil ist, welche strengen äußeren Rahmenbedingungen an Bauraum, Stellenergie und Stellkraft genügen müssen. Im Gegensatz zu den vorbekannten Aktoren, bei welchen aktive Reluktanzkräfte und damit Umschwenkkräfte durch vom Dauermagnet und der Erregerwicklung verursachte gleichgerichtete, sich addierende magnetische Flüsse über den offenen Ankerluftspalt desjenigen Parallelkreises erzeugt werden, in welchem die aktiv angesteuerte Erregerwicklung angeordnet ist, wird erfindungsgemäß mit einem dem dauermagnetischen Magnetfluss entgegen gerichteten elektromagnetischen Fluss der dauermagnetische Magnetfluss aus dem über den Ankerflügel geschlossenen Parallelkreis in den anderen Parallelkreis verdrängt. Hierzu wird an die Erregerwicklung, die im Parallelkreis mit dem geschlossenen Ankerluftspalt liegt, ein Gleichspannungsimpuls in der Weise gelegt, dass der elektromagnetische Fluss entgegen dem dauermagnetischen Magnetfluss wirkt, wodurch dieser in den Parallelkreis mit dem offenen Ankerluftspalt kommutiert. Die resultierende dauermagnetische Kraftwirkung, die sich aus dem zusätzlichen Anteil des dauermagnetisch erzeugten Nebenflusses über den offenen Ankerluftspalt und dem aus dem kommutierten dauermagnetischen Magnetfluss zusammensetzt, bewirkt das Umschalten des Wippankers in seine andere stabile Schaltstellung.

Es sei herausgestellt, dass jeder der beiden parallelen Magnetkreise vorteilhaft bei jeweils geschlossenem Ankerluftspalt einen sehr geringen magnetischen Widerstand besitzt, da der im Mittelschenkel angeordnete Permanentmagnet aufgrund seiner hohen Koerzitivfeldstärke und hohen Remanenz extrem flach gehalten ist und so einen sehr geringen magnetischen Widerstand darstellt. Das U-förmige Joch mit seinen beiden Außenschenkeln ist einteilig hergestellt, wodurch zusätzlich der magnetische Widerstand gegenüber bekannten Anordnungen mit einem zusammengesetzten U-förmigen Joch sinkt. Das Wippankerlager arbeitet durch Rollreibung auf metallischen Oberflächen sehr effizient.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 bis Fig. 3

Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Magnetaktors,

Fig. 4

einen Magnetaktor in einer Explosionsdarstellung,

Fig. 5

den Magnetanker in perspektivischer Ansicht und

Fig. 6 und Fig. 7

eine Variante einer asymmetrischen Erzeugung einer Umschaltkraft.

In den Figuren 1 - 3 ist die Wirkungsweise eines Magnetaktors schematisch dargestellt. Der Aktor hat als tragenden Teil ein U-förmiges Weicheisenjoch 1, auf dessen Außenschenkeln 2, 3 getrennt ansteuerbare Erregerwicklung 4, 5 sitzen. Ein extrem flacher, aber kräftiger Permanentmagnet 6 trägt einen Weicheisenmittelschenkel 7. Auf diese Weise entsteht ein E-förmiger Magnetkern. Auf dem Mittelschenkel 7 ist ein leicht V-förmig abgebogener Wippanker 8 gelagert. Der E-förmige Magnetkern stellt mit dem Wippanker ausgehend vom Mittelschenkel 7 eine Parallelschaltung der Ankerluftspalte dar. An einem Ende trägt der Wippanker 8 ein Betätigungsglied 9 für zum Beispiel ein Kontaktsystem eines bipolaren Relais. In der in Figur 1 und 2 gezeigten Stellung des Wippankers 8 bildet sich im linken Parallelkreis ein dauermagnetischer Magnetfluss 10 über den Permanentmagnet 6, den Weicheisen-Mittelschenkel 7, den linken Flügel des Wippankers 8, den linken Weicheisen-Außenschenkel 2, das Joch 1 und zurück zum Permanentmagnet 6 aus. Auf den linken Flügel des Wippankers 8 wirkt eine dauermagnetische Haltekraft. Über den rechten Parallelkreis fließt ein dauermagnetisch erzeugter Nebenfluss 11, der das Bestreben hat, den Luftspalt12 zwischen dem rechten Flügel des Ankers 6 und dem linken Außenschenkel 3 zu verringern, also den rechten Flügel des Wippankers 6 anzuziehen. Dieser dauermagnetisch erzeugte Nebenfluss 11 ist jedoch schwächer als der dauermagnetische Magnetfluss 11 auf der linken Seite des Magnetaktors, da sich durch den offenen Luftspalt 12 zum Wippanker 8 durch dessen hohen magnetischen Widerstand ein vergleichsweise geringer dauermagnetisch erzeugter Nebenfluss 11 einstellt.

Wird jetzt gemäß Fig. 2 ein Spannungsimpuls auf die linke Erregerwicklung 4 gegeben, so wird über den Erregerstrom im linken Parallelkreis kurzzeitig ein elektromagnetischer Fluss 13 generiert. Bei entsprechender Wickelrichtung der Erregerwicklung 4 und Polarität des Spannungsimpulses ist der elektromagnetische Fluss 13 dem dauermagnetischen Magnetfluss 10 im linken Parallelkreis entgegen gerichtet, wie dies in Fig. 2 durch Pfeile dargestellt ist. Der dauermagnetische erzeugte Magnetfluss 10 wird vom linken Parallelkreis in den rechten Parallelkreis verdrängt. Er kommutiert in den rechten Parallelkreis und übt auf den rechten Flügel des Wippankers 8 eine magnetische Anziehungskraft aus, die den Wippanker 8 im Uhrzeigersinn umschwenken lässt. In Fig. 3 ist die zweite stabile Stellung des Wippankers 8 dargestellt. Der dauermagnetisch erzeugte Magnetfluss 10 im nunmehr rechten Parallelkreis fixiert den Wippanker 8 in dieser zweiten Schwenkstellung. Im linken Parallelkreis bildet sich wiederum ein dauermagnetisch erzeugter Nebenfluss über den offenen Ankerluftspalt 12 aus. Ein Umschwenken im Gegenuhrzeigersinn erfolgt in äquivalenter Weise unter impulsartiger Bestromung der Erregerwicklung 5.

In Figur 4 ist ein Magnetaktor für ein bistabiles Schaltrelais in einer Explosionszeichnung dargestellt. Das U-förmige Weicheisenjoch 1 ist mit seinen beiden Jochschenkeln 2, 3 einteilig aus einem Weicheisenblech gestanzt und gebogen. Auf den Mittelteil des Jochs ist ein Permanentmagnet 6 angeordnet, der seinerseits einen Weicheisenmittelschenkel 7 trägt. Auf den Jochschenkeln 2, 3 sitzen Erregerwicklungen 4, 5, die von einem Isolierkörper 14 getragen werden. Die Erregerwicklungen 4, 5 werden zweckmäßigerweise in einem über mindestens ein Filmscharnier zusammengeklappten Isolierkörper 14 in einem Arbeitsgang unter Herausführung der inneren Wicklungsenden gewickelt. Die vier Enden der Erregerwicklungen 4, 5 werden an drei Wicklungsanschlüssen 15 gelötet, wobei die beiden inneren Wicklungsenden gemeinsam an den mittleren Anschluss geführt sind. Auf diese Weise sind die beiden Erregerwicklungen 4, 5 getrennt steuerbar und gegensinnig vom Erregerstrom durchflossen. Auf dem Mittelschenkel 7 ist der Wippanker 8 schneidengelagert. Eine solche Ankerlagerung ist sehr reibungsarm und verbraucht demzufolge nur eine geringe Umschaltenergie. Die Magnetkraft des extrem dünnen, aber kräftigen Permanentmagneten 6 reicht aus, um alle vier ferromagnetischen Bauteile 1, 6, 7 und 8 zu halten, weshalb eine gesonderte Halterung nicht unbedingt erforderlich ist. Lediglich der Wippanker 8 wird durch den Isolierkörper 14 seitlich geführt und hält sich ansonsten durch die Kraft des Permanentmagneten 6. An einem Flügel des Wippankers 8 ist ein federndes Betätigungsglied 9 angeordnet, welches über ein nicht näher dargestelltes Übertragungselement auf ein Kontaktsystem eines Schaltrelais arbeitet. Je nach Schaltstellung des Wippankers 8 schließt oder öffnet das Relais seinen primären Stromkreis. Es sind aber auch andere Anwendungen für nahezu beliebige Stellaufgaben möglich.

Der Magnetaktor lässt sich sehr gut Miniaturisieren und baut insbesondere sehr flach. Aufgrund seiner wenigen Einzelteile wird er überdies kostengünstig und leicht. Das Umschalten von einer Schaltstellung in die andere erfordert, wie zu den Figuren 1 - 3 dargelegt ist, nur wenig Energie.

In Figur 5 ist der Magnetaktor nach Fig. 4 nochmals in einer perspektivischer Ansicht im zusammengebauten Zustand dargestellt, wobei dieselben Bezugszeichen aus den voranstehenden Zeichnungen verwendet werden. Hervorzuheben ist, dass das am Wippanker 8 befestigtes Betätigungsglied 9 federnd gestaltet ist und je nach Richtung der angreifenden Kraft zwei verschiedene Federkennlinien aufweist. Um eine Betätigung mit einer initialen Kraft > 0 zu erhalten, ist dabei vorteilhaft das federnde Betätigungsglied 9 vorgespannt am Wippanker 8 befestigt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung nach den Figuren 6 und 7 ist mit ein und derselben parallelen Magnetkreisanordnung auch eine asymmetrische Umschwenkkraft erzeugbar. Mit dieser Variante wird erreicht, dass eine Schwenkbewegung eines Wippankers nach einer Richtung mit einer größeren Kraft ausgeführt wird als eine Schwenkbewegung nach der anderen Richtung. Dies kann zum Beispiel für Relais großer Schaltleistung nützlich sein, bei denen ein mögliches Verschweißen eines betätigten Relaiskontaktes gelöst werden soll oder bei denen eine erhöhte Vorspannung auf einen Relaiskontakt aufgebracht werden soll. Erreicht wird dies erfindungsgemäß unter Beibehalten der Symmetrie der mechanischen Anordnung des Magnetaktors mit Hilfe einer asymmetrischen Anordnung der Erregerwicklungen.
Gemäß Fig. 6 soll der Wippanker vom rechten Parallelkreis eines Magnetkerns angezogen werden und umschwenken. Es ist dies diejenige Aufgabe, von der angenommen werden soll, dass der Wippanker eine größere Kraft zum Umschwenken aufbringen soll als zur anderen Seite. Der dauermagnetisch erzeugte Magnetfluss und der dauermagnetisch erzeugte Nebenfluss sind jeweils durch vollschwarze Pfeile symbolisiert. Sie entsprechen den in Fig. 2 gezeichneten dauermagnetischen Flüssen, was bedeutet, dass der dauermagnetisch erzeugte Magnetfluss im linken Parallelkreis aufgrund des geschlossenen magnetischen Kreises stärker ist als der dauermagnetisch erzeugte Nebenfluss im rechten Parallelkreis, in welchem der Ankerluftspalt zu überwinden ist. Auf die Erregerwicklungen 1 und 2 wird zwecks Umschwenkens des Wippankers ein Gleichspannungsimpuls gegeben. Die notwendige Beschaltung der Erregerwicklungen 1 und 2, ihre Wickelrichtung sowie die Polung des Gleichspannungsimpulses symbolisiert die unteren Darstellung von Figur 6. Durch den Gleichspannungsimpuls wird ein elektromagnetischer Fluss im Magnetaktor erzeugt, symbolisiert durch die umrandeten kleinen Pfeile, der sich über beide Parallelkreise schließt, im rechten Außenschenkel zum dauermagnetisch erzeugten Nebenfluss gleichgerichtet ist und im linken Außenschenkel dem dauermagnetisch erzeugten Magnetfluss gegengerichtet ist. Zusätzlich zur Verdrängung des dauermagnetisch erzeugten Magnetfluss aus dem linken Parallelkreis, wie bereits zu den Figuren 1 - 3 erläutert, unterstützt nun, im Gegensatz zur symmetrischen Wicklung, der elektromagnetisch generierte Fluss aus Spule 2 durch seine dem dauermagnetisch erzeugten Nebenfluss gleichgerichteten Feldlinien denselben und es resultiert so eine erheblich gesteigerte Umschaltkraft. Der Wippanker schwenkt im Uhrzeigersinn mit stärkerer Kraft um, als bei symmetrisch angeordneten Wicklungen. Da der Dauermagnet nicht vom Spulenfluss durchsetzt wird, kann er demzufolge nicht entmagnetisiert werden.

Anhand der Figur 7 soll das Umschwenken in die andere Schwenkstellung erläutert werden, der Wippanker soll also vom linken Magnetkreis angezogen werden. Die dauermagnetische Flüsse entsprechen denjenigen zu Fig. 3. Auf die Erregerwicklungen 3 wird zwecks Umschaltens des Wippankers ein Gleichspannungsimpuls gegeben. Die Beschaltung der Erregerwicklungen 3, die Wickelrichtung sowie die Polung des Gleichspannungsimpulses symbolisiert wiederum die untere Darstellung in Figur 7. Durch den Gleichspannungsimpuls wird ein elektromagnetischer Fluss im rechten Parallelkreis erzeugt, symbolisiert durch die umrandeten kleinen Pfeile, der sich über den Mittelschenkel schließt und dem dauermagnetisch erzeugten Magnetfluss im rechten Parallelkreis gegengerichtet ist. Hierdurch wird der dauermagnetisch erzeugte Magnetfluss vom rechten Außenschenkel in den linken Außenschenkel verdrängt und addiert sich dort zu dem dauermagnetisch erzeugten Nebenfluss. Der Wippanker schwenkt im Gegenuhrzeigersinn um, wodurch sich nunmehr ein dauermagnetisch erzeugter Nebenfluss über den rechten Parallelkreis ausbildet und ein dauermagnetisch erzeugter Magnetfluss über den linken Parallelkreis den Wippanker leistungslos in einer anderen stabilen Lage hält. Wenn der Start dieser Bewegung durch eine äußere Kraft z.B. eine Feder unterstützt wird, kann die Spule 3 mit nur wenigen Windungen ausgeführt werden.

Auch für eine Wicklungskonfiguration mit einer Zusatzwicklung werden, wie zeichnerisch dargestellt, nur drei Wicklungsanschlüsse benötigt, wobei jeweils nur an zwei Pole ein Steuergleichspannungsimpuls gelegt wird. Zugleich ist diese Wicklungskonfiguration wie in Figur 6 und 7 dargestellt durch einen Wicklungsvorgang realisierbar, beginnend beim mittleren Wicklungsanschluss über den linken zum rechten Wicklungsanschluss.

1. 1 U-förmiges Weicheisenjoch
2. 2 linker Jochschenkel
3. 3 rechter Jochschenkel
4. 4 linke Erregerwicklung
5. 5 rechte Erregerwicklung
6. 6 Permanentmagnet
7. 7 Weicheisenmittelschenkel
8. 8 Wippanker
9. 9 Betätigungsglied
10. 10 dauermagnetisch erzeugter Magnetfluss durch einen Parallelkreis
11. 11 dauermagnetisch erzeugter Nebenfluss durch einen Parallelkreis
12. 12 Ankerluftspalt
13. 13 elektromagnetischer Fluss durch den Magnetkreis
14. 14 Isolierkörper für die Erregerwicklungen
15. 15 Wicklungsanschlüsse für die Erregerwicklungen