Drehmagnetsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehmagnetsystem mit einem polarisierten Anker, der unter dem Einflu¯ eines von meh- reren um die Drehachse desselben verteilt angeordneten Magnetspulen erzeugten Magnet feldes steht und durch stui'enweises Ändern der Hn'egungszustände dieser Magnetspulen verstellt wird. Durch die Verwendung beispielsweise dreier um 120¯ gegeneinander versetzter Magnetsputen lassen sich mit Hilfe zweier verschiedener Erreg'ungsarten zwölf am Umfang yleiehmässig verteilte Stellungen des polarisierten Ankers erzielen.
Bei der einen Rrregungsart werden jeweils nur zwei Magnetspulen mit gleicher Stromstärke ge- gensinnig errent ; bei der andern dagegen werden zwei Magnetspulen mit halber Stromstärke gleichsinnig und die dritte Ma- gnetspule mit voller Stromstärke gegensinnig erregt. Durch zyklisches Vertauschen der MagnetspuienergebensiehaufdieseWeise je drei Erregungszustände, deren Zahl sich bei Stromrichtungsumkehr in allen gleich- zeitig erregten Magnetspulen verdoppelt.
Diese zwölf Erregungszustände entsprechen den momentanen ErregungszustÏnden, die bei der Speisung der Magnetspulen mit dreiphasigem Weehselstrom in aufeinan- derfolgenden Abständen von 30¯ el, im Nullpunkt irgendeiner Phase beginnend, auftreten würden. An Hand dieses Vergleichs lassen sich die genannten Werte der Stromstärken und die richtige Reihenfolge der Erregwngs- zustande leicht ermitteln.
Derartige Drehmagnetsysteme sind bereits als Empfangsanordnungen für elektrische Signalübertragung vorgeschlagen worden. In der oben beschriebenen Ausführungs- form eignen sie sich besonders auch für die Fernanzeige von Zahlen. Hierbei treten vor allem zwei Probleme in den Vordergrund, nämlich die Erzielung einer kurzen Einstellzeit einerseits und einer hohen Einstellge- nauigkeit anderseits. Diese beiden Forderun- gen laufen einander insofern zuwider, als bei den bisherigen Losungsvorschlägen der polarisierte Anker mit Polschuhen versehen sein muss, um eine genaue Einstellung zu erhalten, diese jedoch im Bestreben, die Massenträgheit des Ankers klein zu halten, eher unerwünscht sind.
Bei der Verwendung eines Ankers, dessen polarisierender Magnet wie üblich über seinen ganzen Querschnitt gleichmässig ausgesteuert wird, können beim Fehlen der Polsehuhe in gewissen Stellungen desselben durch das Erregermagnetfeld Quer- magnetisierungskomponenten im Magneten auftreten, welche eine Versehiebung der magnetischen Achse des Ankers und damit Ungenauigkeiten in der Einstellung desselben zur Folge haben.
Die obengenannten Nachteile werden beim Drehmagnetsystem nach der Erfindung weit gehend vermieden, indem der Anker desselben erfindungsgemäss derart ausgebildet ist, dass der polarisierende Magnet durch das Erregermagnetfeld in jeder Lage des Ankers nur zonenweise und unter Vermeidung von Quermagnetisierungskomponenten ausge- steuert wird.
Die praktische Verwirklichung dieses Grundgedankens gelingt mit einem polarisie- renden Alagneten, dessen Länge im Verhält- nis zu seinem Querschnitt klein ist, und f r den ein Alaterial mit wenigstens angenähert linearer Entmagnetisierungskennline verwendet ist, bei dem das VerhÏltnis Remanenz/Koer zitivkraft weniger als 2 Gau¯/Írsted betrÏgt.
Ein derartiger Magnet lässt sich zonenweise aussteuern, ohne dass nennenswerte Quer magnetisierungskomponenten auftreten.
An Hand der beigefiigten Zeiehnung werden nachstehend einige beispielsweise Ausfüh rungsformen des Erfindungsgegenstandes nÏher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:
Fig. 1 schematische Darstellung des Aufbaues eines Drehmagnetsystems gemäss einer ersten Ausführungsform, Axialschnitt nach der Linie I-I in Fig. 2,
Fig. 2 Ansicht des Drehmagnetsystems nach Fig. 1 von oben bei entferntem Anker,
Fig. 3 Ansicht des zugehörigen Drehankers,
Fig. 4 bis 6 Darstellung der Errcgungs- arten bei drei verschiedenen Stellungen des Ankers bez glich der Magnetspulen,
Fig. 7 bis 9 versehiedene Abwandlungen der Polsehuhformen der Magnetspulen,
Fig.
10 Variante beziiglich der Magneti- sierung des Magneten,
Fig. 11 schematische Darstellung des Aufbaues eines Drehmagnetsystems gemäss einer zweiten Ausf hrungsform,
Fig. 12 konstruktive Ausbildung eines Drehmagnetsystems gemäss Fiig. l, Axialschnitt nach der Linie XII-XII in Fig. 13,
Fig. 13 Ansicht des Drehmagnetsystems nach Fig. 12 von oben, Anker und halbe Polplatte entfernt,
Fig. 14 Ansicht des zugehörigen Magne ten in verkleinertem Massstab.
Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Dreh magnetsystembesitzt,dreiumdieDrehachse des Ankers gleichmässig verteilt angeordnete Magnetspulen l, die je mit einem Kern 2 und einem kreisringsektorförmigen Polsdiuh 3 versehen und auf einer gemeinsamen Jochplatte 4 montiert sind. Die Drehachse 5 des Ankers stcht senkrecht, auf die Jochplatte 4 und ist in der Buehse 6 gelagert. Der Anker besteht aus dem polarisierenden Magneten 7 und einem Rückschlussjoch 8.
Der Magnet 7 ist ein koaxial zur Drehachse angeordneter flacher Kreisring aus einem Alaterial mit wenigstens angenähert lincarer Entmagnetisierungskennlinie, bei dem das Verhältnis Remanenz/Koerzitivkraft weniger als 2 Gau¯/Írsted betrÏgt, der sektorweise mit abweehselnder Polarität axial magnetisiert ist. Wie aus Fig. 3 ersicht- lieh ist, handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen zweipoligen Alagneten, wobei die eine KreisringhÏlfte in der einen und die andere in der umgekehrten Richtung magnetisiert ist. Mif der einen flachen Seite steht der Magnet 7 mit einem axialen Luft- spalt den Polschuhen 3 der Magnetspule 1 gegen ber.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Magneten liegt das R cksehlu¯joch 8 in Form einer Seheibe aus magnetisierbarem Material an.
Beim Erregen der Magnetspulen l wird nun die Induktion im Luttspalt und im lIagneten je nach der Stellung des Ankers und der Art der Erregung zonenweise ver- grössert oder verkleinert, wobei keine Quer magnetisicrungskomponenten auftreten. Der Anker hat stets das Bestreben, sieh so einzustellen, dass sich jene Flächen des Magneten und der Polschuhe gegenüberstehen, in denen der Permanentmagnetfluss und der Steuermagnetfluss gleiche Richtung aufweisen. Die Entstehung und den Verlauf des auf den Anker ausgeübten Drehmomentes werden an Hand der Fig. 4 bis 6 untersucht.
In diesen Figuren sind jeweils oben der Magnet 7 und unten die Polsehuhe 3 des Magnetsystems dargestellt, wobei die gegenseitige Lage derselben durch die die Polgrenze des Magneten andeutende strichpunktierte Linie gekenn- zeichnet ist. Die Magnetisierungsriehtungen sind dureh Pfeilspitzen und-enden (Punkte und Kreuze) angedeutet In Fig. 4 sind die den Polschuhen 3a und 3b zugeh¯rigen beiden Magnetspulen erregt angenommen. Die Polgrenze grenze des Magneten verlÏuft quer ber die Polschuhe 3a und 3c.
Im obern Tei des Pol schuhs 3a addieren sich der Pennanentmagnet- i'luss und der Steuermagnetfluss, da diese @ sind ; im übrigen Teil wird die Differenz der beiden Flüsse wirksam.
Im Luftspalt und in der ber dem Polschuh 3a liegenden Zone des Magneten wird daher im einen Teil der Fläche die Induktion durch den Steuermagnetfluss erhöht, im andern Teil dagegen erniedrigt. Über dem ganzen Polschuh 3b herrseht erhöhte Induktion, da sich der Permanentmagneti'luss und der Steuer- magnetfluss, wie ersichtlich, addieren. i : ber dem Polsehuh 3c ist nur der Permanentfluss wirksam, da die zugehörige Magnetspule nielit erregt ist. An der Polgrenze kehrt sieh ledig- lich die Flussrichtung um.
Die Induktion ist aber ber den ganzen Polsehuh konstant. Beim Drehen des Ankers im Uhrzeigersinn tritt im wesentliehen nur ber dem Polsehuh 3a eine ¯nderung der Flu¯verhÏltnisse ein ; die FlÏche mit hoher Induktion wird grosser, die jenige mit niedriger Induktion dagegen kleiner. tuber dem Polschuh 3b tritt keine Änderung ein, und ber dem Polsehuh 3c wird b) @ die Polgrenze verschoben.
Fiir die Berechnung des Drehmomentes M@ gilt die Formel
Md=1/2 Um2 d?/d? worin Um die magnetische Spannung, ? den agnetisehen Leitwert des magnetischen Kreises und cp den Verdrehungswinkel bedeuten.
I) a im Beispiel nach Fig. 4 nur ber dem Pol schuh 3a eine Änderung der Flussverhältnisse eintritt, ist vorerst nur dieser Teil des Magnetsystems zu betrachten. Die resultieren- den magnetischen Spannungen Um1 und Um2 in den Teilflächen mit hoher bzw. niedriger Induktion ergeben sich zu
Um1 = Ump + ?s bzw. Um2 = Ump - ?s als Summe bzw Differenz der magnetisehen Spannung Ump des Magneten und der Durchflutung On der Magnetspule. Diese beiden Graben sind konstant, unabhängig von der Stellung des Ankers, Bei einer Drehung des Ankers im Uhrzeigersinn wird d?/d? f r den Teil des Polschuhes 3 mit der hoheren In duktion positiv und für den andern Teil negativ.
Daraus ergibt sich schliesslich für das Drehmoment die Formel md=1/2 (Um12-Um22) d?/d? = 2Ump@?8d?/d? Da sich auch der Differentialquotient-- d?/d? nicht verändert, bleibt das Drehmoment konstant. Dies gilt so lange, bis die Polgrenze dieMittezwischen den beiden Polsehuhen 3 und 3b erreicht. In dieser Stellung des Ankers verschwindet das Drehmoment. Der Anker verbleibt in dieser Endstellung, weil beim'W'e.iterdrehen desselben der Fläehen- anteil ber dem Polschuh 3b mit hoher In duktion verkleiriert und somit ein entgegen- g geriehtetes Drehmoment gleicher Grosse auftreten würde.
In analoger Weise lässt sich das auf den Anker ausgeübte Drehmoment ermitteln, wenn der Anker bei gleicher Erregungsart die in Fig. 5 gezeigte Stellung einnimmt, wobei sich die Polgrenze gleichzeitig über die PolflÏchen 3a und 3b erstreckt. Man kommt zum Ergeb- nis, dass in diesem Fall das Drehmoment dop- pelt so gro¯ ist wie oben berechnet.
Beim Erregen aller Wagnetspulen (zwei
Spulen mit halber Durchflutung gleichsinnig, dritte Spule mit voller Durchflutung gegensin- nig erregt) ergeben sich mit einer Ausnahme ähnliche Drehmomentverhältnisse. Im Winkelbereieh 30¯ um die in Fig. 6 dargestellte Symmetriesteihmg des Ankers tritt kein Drehmoment auf, weil beim Verdrehen des Ankers in diesem Bereich die ber den Polschuhen 3b und 3c stattfindenden Induktionsänderungen einander aufheben und über der Polfläche 3s überhaupt keine Indukti'onsänderung auftritt.
Dieser Nachteil w rde sich durch Verkürzung der Bogenlänge der polschuhe vermeiden lassen, womit sich jedoeh derselbe Nachteil beim Erregen von nur zwei Magnetspulen einstellen w rde.
Dieses Resultat bedeutet, dass sich mit dem Magnetsystem in dieser grundsätzlichen Ausf hrung nur sechs Stellungen des Ankers erreichen lassen. Der erwähnte Übelstand kann jedoch gänzlich beseitigt werden durch besondere Formgebung der Polschuhe oder durch geeignete Magnetisierung des Ankers.
Auf diese Weise gelingt es dann, ein Magnetsystem zu sehaffen, dessen Anker in zwölf verschiedene Stellungen gebracht werden kann.
In den Fig. 7 bis 9 sind drei versehiedene Polsehuhformen dargestellt, die sieh f r den vorgenannten Zweck als geeignet erwiesen haben. Gemϯ Fig. 7 sind die Polschuhe an den einander zugekehrten Enden in der Breite abgesetzt. Hierdurch kann erreiclit werden, dass bei beiden Erregungsarten das Drehmoment im kritischen Bereich bis zur eigentlichen Nullage einen endlichen konstanten Wert beibehält. Bei den andern Losungen weisen die Polschuhe an den einander zugekehrten Enden gekrümmte Kanten auf (Fig. 8 und 9), so dass die FlÏchen. der Polsehuhe gegen deren Enden allmählich abnehmen.
Dementsprechend nimmt auch das Drehmoment beim Eintritt des Ankers in den kritischen Bereich nicht plötzlich, sondern allmählich auf Null ab, womit sich der kritisehe Bereich, in dem das Drehmoment den Wert Null hat, auf weniger als 10 reduzieren lässt. Das Rastmoment, das ohnehin vorhanden sein muss, um den Anker in der jeweils eingenommenen Stellung auch bei entregten Magnetspulen festzuhalten, zieht den Anker in die endgültige Stellung.
Anstatt die Form der Polschuhe zu ver Ïndern, kann man mit dem gleichen Effekt auch die Polflächen des Magneten verkleinern, so dass zwischen den magnetisierten Zonen magnetisierungsfreie Zonen vorhanden sind, wie dies Fig. 10 veransehaulicht. Eine weitere Losungsmoglichkeit wird weiter unten im Zu- sammenhang mit der Ausführungsform nach den Fig. 12 bis 14 angegeben.
Fig. 11 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Drehmagnetsystems, das im wesentlichen die gleichenEigenschaftenwiedasjenigege- mäss den Fig. 1 und 2 aufweist, bei dem jedoch die Spulenachsen senkrecht zur Dreliachse des Ankers stehen. Der polarisierende Magnet 17 des Ankers ist ein koaxial zur Drehachse an- geordneter dünnwandiger Hohlzvlinder, d. er mit längs des Umfangs abwechselnder Polarität radial magnetisiert ist. Das Rückschlussjoch bildet ein weiterer, an der äussern Zylin- derilaehe des Magneten 17 anliegender Hohl- zylinder 18 aus magnetisiprbarem Material.
Die Magnetspulen 11 sind im Innern des Magneten 17 auf einem, feststehenden, sternf¯rmigen Kern 12'angeordnet, der mit der innern Zylinderfläche des Magneten gegenüberstehen- den Polsehuhen 13 versehen ist. Auch bei dieser Ausführungsform wird der polarisie- rende Magnet durch das Erregermagnetfeld in jeder Lage des Ankers nur zonenweise und unter Vermeidung von Quermagnetisie- rungskomponenten ausgesteuert, wenn f r denselben ein Matera. l mit wenigstens angenähert linearer Entmagnetisierungskennlinie verwendet wird, bei dem das Verhältnis Rema nenz/Koerzitivkraft weniger als 2 Gauss/Ör- sted beträgt.
Selbstverständlich könnten bei diesem Drehmagnetsystem die Magnetspulen auch ausserhalb des Ankers und das Rüeksehlussjoch. an der innern Zylinderfläehe des Ma gneten angeordnet sein.
Das Drehmagnetsystem nach den Fig.] 2 und 13 stellt eine konstruktive Lösung der ersten Ausführungsform mit. dem grundsätz- liehen Aufbau gemäss den Fig. 1 und 2 dar.
Es ist als Antriebsorgan für einen Nummernanzeiger für die Fernanzeige von Zahlen vor- gesehen.
Der feststehende Teil dieses Drehmagnet- systems besteht wiederum aus einer Jochplatte 24, den Magnetkernen i'2, den Magnetspulen 21 und den Polsehuhen, weleh letztere aus fabrikatorisehen Gründen, dureh Stege un tereinander verbunden, aus einem St ck gefertigt sind. Diese mit 23 bezeichnete Polplatte ist mittels Schrauben 29 auf den Kernen 22 befestigt, die ihrerseits mittels Sehrauben 30 an der Joehplatte 4 montaient sind.
Die Drehachse 25 des Ankers ist am obem Ende zu einem flanschÏhnlichen Ansatz 25a erweitert, der an seinem äussern Umfang das R ckschlu¯joch 28 trÏgt, an dem der kreisförmige Magnet 27 fixiert, zum Beispiel an geklebt ist. Die Achse 2@ 5 ist auf Kugellagern 31, 32 gelagert, welche in eine B chse 26 eingesetzt sind. Letztere ist an ihrem vordern Ende mit der Polplatte 23 durch ein zentrales Gewinde verbunden und am rückwärtigen Ende in einer zentralen Bohrung- der -Joch pla. tte 24 gelagert. Durch Verdrehen der Büchse 26 lässt sieh somit der Anker axial verschieben nnd dadurch der Lnftspalt zwischen Polplatte 23 und Magnet 27 verÏndern.
33 ist ein in die Büchse 2'6 eingesetzter Füh- rungsring- zur Erleichterung der Montage beim Einsetzen der Achse 26 in die Lagerung.
34 ist ein Lagerabsehlussdeckel. l.
Der Drehanker trÏgt eine mit Hilfe der am Rüeksehlussjoch 28 vorgesehenen Zapfen 28a zentrierte Trommel 35, die an der äussern ZylinderflÏehe mit Zahlen versehen ist (in der Zeichnung nicht sichtbar). Zur Befesti glUlg d ! er Trommel 35 am Anker dient eine Federseheibe 36, die im Zentrum einen recht- winklig umgebogenen Lappen 36a mit verbreitertem Ende aufweist. Dieser Lappen ragt in eine zentrale Bohrung des Aehsensatzes 25a, deren Öffnung durch einen einwärts gebör- deiten Rand 25b reduziert ist ; die Federscheibe 36 ist auf diese Weise formsehlüssig mit dem Ansatz 25a verbunden.
Der Rand 25b ist an zwei diametral gegen berliegenden Stellen durch Schlitze unterbrochen, so dal ?, die Federscheibe, nachdem der Lappen 36a dureh Drehen derselben auf die Selilitze eingestellt worden ist, entfernt werden kann.
L'm d'ie beim Einstellvorgang auftretenden Schwingungen des Drehankers mit Rüeksieht auf die geforderte kurze Einstellzeit hinreichend zu dämpfen, sind die Magnetspulen 21 in einen den Raum zwischen denselben ausfüllenden Eörper aus elektrisch leitendem Ma- terial (zum Beispiel Kupfer oder Aluminium) eingebettet. Dieser Korper wird gebildet durch eine Anzahl übereinandergelegter, passend ge formter Seheiben 37, die mit Hilfe der Nieten 38 an der Jochplatte 24 befestigt sind.
Zur Erzielung eines f r beide Erregungsarten günstigen Drehmomentverlaufs im friiher erwähnten kritischen Bereich in der Umgebung bestimmter Einstellagen des Ankers ist nun bei der vorliegenden Ausführungsform ein neuer Weg besehritten worden. Anstatt die Gestalt der Polsehuhe oder des Magneten dem gewünschten Drehmomentverlauf anzupassen, sind hier beim Magneten, wie aus Fig. 14 hervorgeht, Zonen innerhalb der segmentf¯rmigen Pole an den Polgrenzen mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert.
Die- ses Verfahren lϯt sich mit gleichem Erfolg (scharfe Polgrenzen) wie die zonenweise Ams Steuerung des Magneten durch den Steuermagnetfluss anwenden, wenn f r den Magne- ten ein Material mit wenigstens annähernd geradliniger Entmagnetisierungskennlinie verwendet wird, bei dem das Verhältnis Rema nenz/Koerzitivkraft weniger als 2 Gau¯/Írsted betrÏgt. Diese Eigensehaften sind vor nehmlich mit keramischen Magnetmaterialien, insbesondere Metalloxydverbindungen (Oxyd- magnete) erreichbar. Die Rastmomente entstehen durch entsprechende Formgebung der Polschuhe. Die Polschuhzwischenräume bzw.
-kanten 23a weisen bereits eine genügende Rastwirkung auf. Für die übrigen Einstell- lagen sind zu diesem Zweeke die Aussparungen 23b in der Polplatte 23 vorgesehen.
Wie aus den beschriebenen Beispielen her- vorgeht, führt die Verwendung von Magnet- material mit den genannten Eigenschaften zu Magneten mit extrem kurzem Kraftlinienweg, wodurch einerseits die zonenweise Aussteue rung des Magneten unter Vermeidung von Quermagnetisierungskomponenten ermöglicht und anderseits eine geringe Masse des Ankers erzielt wird. Daneben besitzen derartige Magnete den Vorteil geringer Empfindlichkeit gegen entmagnetisierende Felder. Sie können deshalb praktisch bis auf den Induktionswert Null ausgesteuert werden. Ferner können sie ausserhalb des Systems magnetisiert und ohne Verlust der Magnetisierung aus dem System entfernt werden.
Der Luftspalt kann verhält- nismϯig gro¯ gewÏhlt werden, wobei gro¯e Toleranzen zulässig sind. Ein weiterer Vorteil, der sich insbesondere bei der Verwendung des Drehmagnetsystems f r Nummernanzeiger günstig erweist, besteht in der geringen axia- len Ausdehnung desselben, wodurch eine gedrängte Bauweise von mehreren nebeneinander angeordneten Drehmagnetsystemen er möglicht wird.
Im Rahmen der Erfindung sind ausser den oben besehriebenen noch andere A-Lis führungsformen möglich. So kann zum Beispiel der polarisierende Magnet auch vieroder mehrpolig sein. Anderseits könnenstatt drei auch zwei oder mehr als drei Magnet späten vorgesehen sein. Diese Varianten hÏngen von der gewünsehten Anzahl Ankerstellungen ab. Im übrigen eignet sich das Drehmagnetsystem in allen jenen FÏllen,wo Schrittmotoren benötigt werden, beispielsweise auch f r den Antrieb von Drehwählern.