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Bistabiler Hubmagnet - permanent-magnetische Haltefunktion in beiden Endlagen

Die Energieeinsparung in mobilen Anwendungen ist ein Thema, das in den unterschiedlichsten Industriebereichen nachgefragt wird.


Überall dort wo beispielsweise Batteriebetriebsdauer und damit Energieeffizienz eine wichtige Rolle spielen, sind bistabile Hubmagnete von Vorteil. Ein zusätzlicher Vorteil
ist zudem die Sicherheit bei Stromausfall, bei dem ein bistabiler Magnet seine Hublage beibehält.


Üblicherweise werden bistabile Hubmagnete mit einem im Magnetkreis integrierten Permanentmagnet ausgeführt. Durch die elektromagnetische Kraftwirkung erfolgt
die Hubbewegung des Ankers von der Anfangslage in die Endlage. In der Hubendlage wird der Anker durch die permanentmagnetische Kraftwirkung gegen die Federkraft
gehalten.


Mit einer negativen Spulenbestromung wird das Dauermagnetfeld neutralisiert (= kraftlos) und der Anker wird durch die integrierte Rückstellfeder wieder in die Hubanfangslage zurückgestellt. In Bild 1 ist die bisher übliche Gestaltung eines bistabilen Hubmagneten dargestellt. Mit der vorliegenden Neuentwicklung ist es nun möglich, den Anker durch den integrierten Permanentmagneten stabil in beiden Hublagen zu halten. Auf eine Rückstellfeder kann gänzlich verzichtet werden. Realisiert wird diese Funktionalität bisher mit einem bistabilen Umkehrhubmagneten,
bei dem der Magnetkreis jedoch deutlich aufwändiger gestaltet ist und für die Schaltfunktion 2 Spulen benötigt werden.

Bild 1: herkömmliche Konstruktion mit Rückstellfeder für eine definierte Anfangslage

Erläuterung des Funktionsprinzips

Im Hubmagnet wird nun der Permanentmagnet (im Bild gelb dargestellt) im Magnetkreis so platziert, dass in beiden Endlagen eine ausreichende permanentmagnetische Haltekraft realisiert wird. In Bild 2.1, in der die Hubanfangslage dargestellt ist, schließt sich der permanentmagnetische
Kreis (grüne Feldlinien) zunächst über den Mantelansatz, mit dem die entsprechende Haltekraft realisiert wird. Wird die Spule erregt, so wird ein elektromagnetisches
Feld (Bild 2.2) erzeugt, welches das permanentmagnetische Feld überlagert.

Bild 2:  Hubanfangslagen

Damit ändert sich die Magnetkraftrichtung und der Anker bewegt sich in die Hubendlage Bild 3.1.
Die Position des Permanentmagneten im Anker ist für die Funktion entscheidend. Im angezogenen Zustand schließt sich das permanentmagnetische Feld im Wesentlichen über Anker, Kern und Mantel (Bild 3.1). Somit wird eine stabile Hubendlage erreicht.
Für die Rückstellung in die Hubanfangslage (Bild 3.2) wird die Spule umgepolt. Der elektromagnetische Fluss verdrängt den permanentmagnetischen Fluss im Anker. Der permanentmagnetische Flussanteil wirkt über den Mantelansatz in Richtung Hubanfangslage und somit bewegt sich der Anker zurück in die Hubanfangslage.

Bild 3: Hubendlagen

In Bild 4 sind die Magnetkraft-Hub-Kennlinien in Abhängigkeit von der Spulenerregungsrichtung dargestellt (violette und rote Kennlinie). Die grüne Kennlinie zeigt die permanentmagnetische Wirkung, mit der in Hubanfangs- und Hubendlagen die entsprechende Haltekraft realisiert wird.

Die vorliegende Gestaltung zeigt einmal mehr, wie variantenreich ein Magnetkreis aufgebaut werden kann und damit neue Funktionalitäten generiert werden.
Die Neuentwicklung wurde zum Patent angemeldet.

Bild 4: Kennlinen