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Elektromagnet mit Wälzanker.
Um während der Anzugsbewegung des Ankers eines Elektromagneten das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Kraftarm und dem Lastarm des Ankers stetig in Anpassung an den am Lastarm auftretenden Kraftbedarf zu ändern, ist es bekannt, den Anker auf einer Wälzbahn anzuordnen, an der er sich während seiner Bewegung abwälzt. Die Ausbildung derartiger Elektromagnete mit Wälzankern bereitet Schwierigkeiten. Die bekannten Elektromagnete dieser Art besitzen einen hohen Widerstand in dem Magnetkreis, insbesondere einen schlechten Rückschluss der magnetischen Kraftlinien zwischen Anker und Joch, so dass grosse Erregungsfeldstärken aufgewendet werden müssen.
Die hiefür erforderlichen Erregungswicklungen benötigen verhältnismässig viel Platz, so dass bei Einhaltung eines bestimmten Übersetzungsverhältnisses eines Übersetzungsbereiches für die Ankerbewegung verhältnismässig grosse Wälzbahnen und damit grosse Massen des bewegten Systems auftreten. Aus diesen Gründen eignen sich die bekannten Elektromagnete mit Wälzanker nicht zu periodischen Fortschaltungen, die mit hoher Schrittgeschwindigkeit ausgeführt werden.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der bekannten Elektromagnete mit Wälzanker.
Gemäss der Erfindung besitzt der die Erregerwicklung tragende U-förmige Eisenkreis annähernd gleiche Breite wie der Anker, und es ist der eine Schenkel dieses Eisenkreises als Wälzfläche für den Anker ausgebildet, während der andere Schenkel den Erregerpol bildet. Durch diese Ausgestaltung des Eisenkreises eines Elektromagneten mit Wälzanker wird ein praktisch widerstandsloser Rück- schluss der magnetischen Kraftlinien über die Wälzfläche herbeigeführt, der es ermöglicht, dass mit geringer elektrischer Erregung eine grosse magnetische Kraft erzielt wird.
Der Elektromagnet bedarf daher auch nur einer kleinen Erregungswicklung, die es möglich macht, das Ende der magnetischen Wälzfläche so nahe an den Erregerpol heranzurücken, dass auch bei Einschaltung eines vorbeschriebenen Übersetzungsbereiches für den Anker die Wälzfläche nur eine geringe Länge aufweist. Hiedurch wird die Masse des Ankers herabgesetzt, so dass das bewegte System nur geringe Trägheit besitzt und in schneller Folge geschaltet werden kann.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen : Fig. 1 einen mit Wälzanker ausgerüsteten Antriebsmagneten für die schrittweise Fortschaltung eines drehbaren Systems in Seitenansicht ; Fig. 2 einen Querschnitt durch den Elektromagneten und Wälzanker ; Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Eisenkreis des Elektromagneten ; Fig. 4 und 5 den Anker des Elektromagneten in zwei verschiedenen Arbeitsstellungen ; Fig. 6-8 drei andere Ausführungsformen für den Eisenkreis des Elektromagneten.
Bei den in den Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsformen ist der Kern 11 des Elektromagneten U-förmig gestaltet. Auf den Schenkel 12 ist die Erregerspule 43 aufgeschoben. Das freie Ende dieses Schenkels dient als Erregerpol. Der zweite weitere Schenkel 13 des Kernes 11 ist an seinem freien Ende als Wälzfläche für den Anker 14 ausgebildet. Der Kern 11 besitzt annähernd die gleiche Breite wie der Anker M, so dass der Anker über seine ganze Breite auf der Wälzfläche des Schenkels 13 liegt. Hiedurch wird in jeder Stellung des Ankers ein guter Übertritt der magnetischen Kraftlinien von dem Kern 11 auf den Anker 14 gewährleistet, so dass nur ein Luftspalt in dem gesamten Eisenkreis zwischen dem Pol des Schenkels 12 und dem Anker 14 besteht.
Die Spule 13 ist als selbständiges Bauelement auf einen Spulenträger gewickelt, welcher auf den Schenkel 12 des Kernes 11 aufgeschoben wird. Hiebei sitzt die Spule auf dem Verbindungsstück der beiden Schenkel 12 und 13 des Kernes 11 auf. Dieses Verbindungsstück des Kernes 11 ist über
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den Schenkel 12 hinaus verlängert, so dass eine Sitzfläche 15 entsteht, an welcher sich die Spule ebenfalls abstützt. Diese Verlängerung des Kernes bewirkt zugleich eine Vergrösserung des Eisenquerschnittes an dem Fuss des Schenkels 12, durch welche ein Austritt magnetischer Kraftlinien weitgehend verhindert wird.
Die Länge der Wälzfläehe des Schenkels 13 beträgt ein Vielfaches der Länge des Poles 12. Die
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auf den Lastarm einwirkenden Gegenkräfte von dem Anker zu durchlaufen ist. Da sich während der Anzugsbewegung die Auflagelinie des Ankers 14 auf der Wälzfläche des Schenkels 13 ständig nach dem Erregerpol 72 zu verschiebt, wird der Kraftarm stetig verkürzt und der Lastarm stetig vergrössert.
In dem angezogenen Zustand tritt somit das grösste Übersetzungsverhältnis zwischen Kraftarm und Lastarm auf. Aus diesem Grunde muss die Länge des Kraftarmes in angezogenem Zustand des Ankers möglichst klein gehalten werden, damit die Gesamtausmasse des Ankersystems innerhalb praktisch verwertbarer Grenzen gehalten werden können.
Der Lastarm 16 trägt eine Stossklinke 17 (Fig. 1), welche in die Zähne eines Schaltrades eingreift. Das Schaltrad 18 treibt ein beliebiges drehbewegliches System an. Statt der Fortschaltung eines drehbeweglichen Schaltarmes könnte in gleicher Weise auch die Fortschaltung einer verschiebbaren Zahnstange od. dgl. bewirkt werden. Am Ende der Anzugsbewegung des Ankers 14 stösst die Klinke 17 gegen einen ortsfesten, gegebenenfalls einstellbar befestigten Anschlag 19. Durch die Einstellung dieses Anschlages ist es möglich, ein Aufschlagen des Ankers auf den Pol auszuschliessen.
An dem Lastarm greift eine Feder 20 an, welche bei Abschaltung der Erregung den Anker in die Ruhelage zurückzieht, in der sich der Anker an einem ortsfesten, gegebenenfalls einstellbar befestigten Anschlag 21 stützt. Der Angriffspunkt der Feder 20 an dem Lastarm kann verändert werden.
Zu diesem Zweck sind in dem U-förmig gebildeten Lastarm 16 mehrere Löcher 22 vorgesehen, in welche ein Aufhängebolzen für die Feder eingesetzt werden kanti. Um eine Veränderung des Angriffspunktes der Rückstellfeder 20 ohne Veränderung der Federspannung zu ermöglichen, sind in den entsprechenden Abständen an einem mit dem Kern 11 verbundenen Träger 23 ebenfalls Aufhängungen für die Feder vorgesehen. Die Veränderung der Aufhängung der Feder bewirkt eine Veränderung der auf den Anker einwirkenden Rückstellkraft nach Massgabe des von dem Anker durchlaufenen Übersetzungsbereiehes.
Hiedurch hat man es in der Hand, auch die Rückstellkraft nichtlinear und mit stätig sich änderndem Übersetzungsverhältnis auf den Anker einwirken zu lassen.
Eine genaue Anpassung der von dem Lastarm abgegebenen Kraft an die durch das anzutreibende System auftretenden Gegenkräfte wird durch entsprechende Krümmung der Wälzfläehe des Schenkels 13 erzielt. Für den praktischen Betrieb genügt es, die Wälzfläche als Mantelfläche eines Kreiszylinders auszubilden, da die Kreiskurve von der theoretischen Kurve nur um geringe Beträge abweicht. Die Ausbildung als Mantelfläche eines Kreiszylinders hat den Vorteil, dass diese Fläche leicht mit den üblichen Hilfsmitteln gefräst und geschliffen werden kann.
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besitzen. Da der Anker sieh bei seiner Bewegung auf der Wälzfläche des Schenkels 13 abwälzt, führt jede mit dem Anker verbundene Achse sowohl eine seitliche, wie eine lotrechte Bewegung aus.
Diese Bewegungen werden am kleinsten, wenn die Lagerstelle in die Ebene der Wälzfläche gelegt wird. Zu diesem Zweck wäre es jedoch erforderlich, an dem Anker seitliche Rippen vorzusehen, welche Lagerzapfen oder Löcher tragen. Da diese Lappen über die Auflagefläche des Ankers herausragen, erschweren sie die Bearbeitung des Ankers, beispielsweise das Einsehleifen der Auflagefläche. Bei der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform ist aus diesem Grunde die Lagerstelle soweit nach oben gelegt, dass die Achse 24 den Anker durchdringt. An Stelle einer durchgehenden Achse könnten auch Zapfen oder Leerlöcher in den äussersten Ankerbleehen vorgesehen sein.
Bei dieser Anordnung der Lagerung wird das Ausmass der seitlichen und vertikalen Bewegung grösser, als bei der theoretisch günstigsten Anordnung. Trotzdem sind diese Bewegungen so gering, dass ein Spiel in der Grössenanordnung von wenigen Zehntelmillimeter zwischen Achse oder Zapfen und Lagerloch genügt, um das richtige Abwälzen des Ankers sicherzustellen. Die Anwendung einer derartigen Achs-oder Zapfenlagerung hat den Vorteil, dass der Anker in jeder Lage des Systems unter der Einwirkung der Rückzugsfeder in der Wälzfläche gehalten wird. Die Lagerschilder 25 besitzen die gleiche Breite wie der Schenkel 13 des Kernes 11. Hiedurch wird zugleich eine seitliche Führung des Ankers erzielt.
Zweckmässig sind die Lagerschilden ebenfalls aus magnetisch leitendem Material gebildet, so dass auch über die Lagerschilder ein Rückschluss der magnetischen Kraftlinien erfolgt. Sowohl der Kern 11 wie der Anker 14 werden zweckmässig aus lamelliertem Eisen gebildet. Es genügt jedoch eine Unterteilung in Blechstärken von etwa 1-2 nun Stärke, um ein schnelles Arbeiten zu erzielen.
Da bei einer Fortschaltung mittels Klinke und Zahnrad stets im abgefallenen Zustand des Ankers eine Leerlaufstrecke für den Eingriff der Schaltklinke vorgesehen sein muss, tritt am Anfang der Anzugsbewegung des Ankers nur ein geringer Kraftbedarf auf. Dieser Kraftbedarf kann auch durch eine
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fläche entsprechend dem gesamten Weg des Lastarmes zu bemessen. Bei den in Fig. 4 und 5 schematisch dargestellten Ausführungsformen kippt der Anker 26 um die Ablaufkante der Wälzfläche des Schenkels 27 bis er auf einen Anschlag 28 stösst, der diese Bewegung begrenzt.
In der Ruhelage steht die Schaltklinke 29 um die Leerlaufstrecke vor dem nächsten Zahn 30 des Schaltrades. Wird der Elektromagnet sodann erregt, dann kippt der Anker um die Ablaufkante der Wälzfläche, bis die Klinke 29 gegen die Flanke des Schaltzahnes 30 stösst. Kurz vor dieser Stellung tangiert der Anker die Wälzfläche, so dass die weitere Bewegung, während der das Schaltrad fortge- schaltet wird, unter stetiger Änderung der Übersetzung zwischen Lastarm und Kraftarm stattfindet.
Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei weitere Ausbildungsmöglichkeiten des grundsätzlich U-förmig gestalteten Eisenkreises, die es ermöglichen, unter weitgehender Ersparnis von Eisen eine grosse Wälz- fläche vorzusehen. Für die Ausgestaltung des breiten Schenkels des Eisenkreises, welcher die Wälz- fläche trägt, ist stets massgebend, dass die magnetischen Kraftlinien auf einem geometrisch kürzesten
Weg von dem Polschenkel < H zu der Wälzfläche 32 gelangen können. Bei der in Fig. 6 gezeigten Aus- führungsform ist der Schenkel 32 deshalb sektorförmig gestaltet. Er besitzt zur Materialersparnis eine Aussparung 33, die zugleich zur Befestigung dient.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist der Eisenkreis entsprechend einem gut zieh- oder wälzbaren Profil gestaltet, so dass der Kern aus scheibenförmigen Abschnitten eines entsprechend profilierten Stabeisens gebildet werden kann. Die Aussparung 34 dient zur Befestigung. Die beiden in Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen ermöglichen wie die in Fig. 1-3 gezeigte Ausführungsform die Verwendung von selbständig gewickelten Spulen, die leicht aufgebracht werden können.
Da mit Rücksicht auf die Ausmessungen des Ankers der Abstand von der Polmitte bis zu dem Ende der Wälzfläche möglichst klein gehalten werden muss, ist bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform der U-förmige Eisenkreis ringartig erweitert. Die Spule 35 sitzt auf dem Verbindungsstück 36, zwischen dem als Erregerpol 37 dienenden Schenkel und dem die Wälzfläche tragenden Schenkel 38. Bei dieser Anordnung muss die Spule auf den Eisenkreis aufgewickelt werden oder der Eisenkreis wird zweiteilig ausgebildet und nach Art der Eisenkreise von Transformatoren geschichtet.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektromagnet mit einem als zweiarmiger Hebel ausgebildeten Anker, bei dem das Längenverhältnis des Kraftarmes zu dem Lastarm während einer abwälzenden Anzug-oder Abfallbewegung sich stetig ändert, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Schenkel (13) des die Erregerwicklung tragenden
U-förmigen Eisenkreises (11, 12, 13) als Wälzfläche annähernd gleicher Breite wie der Anker (14) und der andere Schenkel (12) als Erregerpol ausgebildet sind und dass der Anker (14) auf dieser Wälzfläche (13) unmittelbar aufliegt.