Elektromagnetische Drehantriebsvorrichtung <B>Die</B> Edindung betrifft e4ne elAtromagnetische Drehantriebsvorrichtung, insbesondere für Schritt- schaltwerke, Schrittschaltmotoren, Stellungse-euer- schalter oder dergleichen.
Elektromagnetische Drehantriebe, welche die Hauptkomponente von Schrittschaltwerkein u. dg bilden, verwenden oft ein Paar elektromagnie-tisch-c Spulen, welche mit einem bestimmten Abstand parail- lel- anigeordnet.sind. Die Spulen, wenn sie erregt wer den, sind in #ensgegengesetzter Richtung polairisiert, <B>,d.</B> h. der Nordpol der eTsten Spule befindet sich in der Nähe vom Südpol der zweiten Spule.
Ein aus magnetischem Material bestehender Stab ist<B>in,</B> einer solchen Stellung geleigt, dass er gegen ein Ende von beiden Spulen anstösst, welche zu ihm senkrecht.sind, wodurch die beiden Spulen und der genannte Stab einen Hufeisenmagnet bilden. Ein Anker ist senk recht zu den Spulen und zwischen denselben dreh bar gelagert. Wenn. die Spulen erregt werden, dreht sich der Ankerunter der Wirkung der magnetischen Kräfte. Ein am Anker verbundener Antriebsmecha,- nismus wandelt,die magnetischen Kräfte in mechani sche Dreh-ki-iaft um. Trotzdem diese Vorrichtungen eine relativ hohe Drehkraft erzeugen, sind sie, un wirksam.
Eine Ursache deir Unwirksamkeit besteht in dem zwischen den ungleichen Polstücken der Spulen exi stierenden Flussverlustweg, so dass, um einen Fluss- verlust zu kompensieren, ein Fluss im übermüss be nötigt wird, damit die e#rwünschte Drehkraft erzeugt wird. Durch den nötigen grösseren Strom sind starke Kontaktpunkte und Unterdrückungsvorrichtungen für den Schaltlichtbogen notwendig.
Eine andere Ursache der Unwirksamkeit b,-,steht darin, dassdie Anfangsdrehkraft kleiner als,die End- drebkraft ist, weil die Drehtkraft, eine umgekehrt-.
Funktion vom Quadrat des Abstandes zwischen den aktiven Polflächen und dem Ankerist. Ein üb.-irmäs- siger Fluss ist nötig, um die nötige anfänglichf, Dreh kraft zu =engen, da dieser Abstand ein Maximum ist, wenn der Anker in seiner Ruhe#steflung ist. Das Resultat ist eine geräuschvolle und selbstzerstörende Arbeitsweise und eine starke Begrenzung dz[r mögli chen Ankerbelastung.
Eine bekannte Anordnung, um den Flussverlust zu reduzieren, besteht darin, dass man den Abstand zwischen den elektromagnetischen Spulen vergrös sert, wobei der magnetische Widerstand des Verlust- wege-s exhöht wird. Dadurch wird jedoch der An- trileb,sm,ech,anis,mu,s grösser und dickeT, und der<B>Ab-</B> stand zwischen den aktiven Polflächen und dem An ker wird natürlich grösser.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaf fung eines wirksamen, kompakten, wirtschaftlichen, und leicht zu erzeugenden elektromagnetischen Dreh antriebes, in welchem der Flussverlust auf einem minimalen Wert gehalten wird und die Anfangsdreh- kraft erhöht wird, der eine erhöhte Drehkraft pro Stromeinheit aufweist, der klein und kompakt ist, eine grosse Drehkraft erzeugt und aus einem Mini mum von Teilen besteht,.
Die vorliegende elektromagnetütsiche Drehan- triebsvorrichtung beisteht aus einer ersten Spule mit Nord- und Südpol, wenn die Spule erregt wird, aus einer zweiten Spule mit Nord- und Südpol, wenn die Spule erregt wird, aus einem, magnetisichen Rück- schluss, welcher zwei geigenisinnige Polc der genann ten ersten und zweiten Spule verbindet, um einen Weg mit niedrigem magnetischem Widerstand zwi schen den Polen zu schaffen, aus einem Anker im KraftlInienweg zwischen den nicht verbundenen Polen der ersten und zweiten Spule, aus einem Zapfen,
auf welchen sich der genannte Anker aus einer Normalstellung in, eine Arbeksstellung bewegt, wenn er bei Erregung der Spulen durch eine vom Magnetfeld erzeugte Drehkraft beansprucht wixd, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Spu len parallel zueinander und so, dass gleichsinnige Pole beider Spulen einander benachbart sind, ange ordnet sind, und, wefierdadurchgekennzeichnet, dass ,
der Anker einen ersten Kraftlinienweg von relativ niedrigem magnetischem Widerstand für den Fluss von den nicht verbundenen Polen und einen zweiten Kraftlinienweg g von relativ hohem magnetischem Widereand für den Fluss von den verbundenen Polen darstellt, wodurch der Anker so polarisiert wird, dass er durch die genannten verbundenen Pole abgestossen wird, wenn die Spulen,e=.eigt werden.
Die oben erwähnten und andeTe Zwecke dieser Erfindung und die Art, auf welche sie erreicht wer den, werden in der folgenden Beschreibung einer be vorzugten Ausführung dex Erfindung erläutert. Die Beschreibung wird anhand der beiliegenden Zeich nung dargelegt, in welcher: Fig. <B>1</B> eine parspektivische. Darstellung einer be vorzugten Ausführung der Erfindung ist; Fig. 2a ist eine schematische Darstellung der be vorzugten AusfühTung in ihrer unbetätigten oder Ruhestellung;
Fig. <B>2b</B> ist eine schematische, Darstellung der be vorzugten Ausführung in Ihrer betätigten Stellung; Fig. <B>3</B> ist ein Diagramm der Dreh-kraft in Funk tion des abnehmenden Luftspaltes.
Fig. <B>1</B> zeigt einen clektromagnefischen Drehan trieb mit Mitteln, um ein magnetisches Feld<B>zu</B> erzeu gen, bestehend aus Drahtkernspulen 11,a und llb. Wenn die, Spulen erregt werden, werden sie in dersel ben Richtung magnetisiert;
<B>d.</B> h. der, Nordpol jeder Spule ist in der gleichen relativen Steillung. Dies ist in der Zeichnung gezeigt, wo der rechte Teil dar Spule <B>1</B> la und der rechte Teil, der Spule<B>1</B> lb durch ein <B> N </B> als Nordpol bezeichnet sind und in, gleicher Weise die linken Teile jeder Spule als Südpol durch ein<B> S </B> bezeichnet sind.
Die Polaritäten. können natürlich an beiden Spulen umgekehrt werden, ohne etwas in der Arbeitswei#si5,de,s Drehantuiebes zu ändern, Die Spulen lla und llb sind magnetisch, zusam men verbunden, um den, magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises zu reduzieren und um da mit über einen grösse:,rün Flussbe4mag in den Luftspal- te-n verfügen, zu können. Bei den bisher üblichen An.
ordnungen sind die getrennten Spulen in umgekehrter Richtung magnetisiert, so dass, der Nordpol einer Spuledem <B>Südpol</B> der,anderen Spule näher als dem Nordpol der anderen Spule ist.
Eine magnetische Verbindung wird dann zwischen zwei von den Polen, die am nächsten zueinander liegen, herigDst.e11,,t. Dage gen sind beim vorliegenden AusfühTungsbeispiol die beiden Spulen durch einen magnetischen Rück- schluss 12 verbunden, der von einem Ende der Spule <B>1</B> la zum andem Ende der Spule<B>1</B> lb diagonal durch geht. Der Rückschluss kann durch BefestigungsnÜt- tel, z. B. Schrauben,<B>13,</B> anden Spulen befestigt sein.
Diese Spulenanordnung vermindert in weitem Mass den Flussverlust, der nor#m#alrrwe-ise zwischen den Polen der Spulen, die durch den magnetischen Shunt nicht verbunden sind, durchläuft. Diese Flussab- p des Fluss- nahme resultiert vonder zrhöhten Läng weges zwischen dem Nordpol einer Spule und dem Südpol der andem Spule.
Eine magnütische Flussänderung soll eine mecha nische Kraft bewirken. Ein Anker 14, der auf einem Zapfen<B>15</B> zwischen den beiden Spulen drehbar gela gert ist, führt die UmwancHung des magnetischen Flusses in mechanische Energie, durch. Der Anker <B>g,</B> die er behält, während die hat- eine Ruhestellung Spulen, nicht erregt sind.
In dieser Stell, ung ist der Luftspalt zwischen den Spulen und:dDm, Anker maxi mal und der Anker 14 liegt an den Enden des magnetischen Rückschlusses 12 eng an, Ein Rück- stellmittel, durch die Feder<B>6</B> dargestellt, ist ge braucht, um den Anker in dieser Stellung zu halten. Die Ankeirenden bilden. die Polflächen 18a und<B>18b,</B> .die den Polstücken 17a und 17bder Spule gegenüber stehen.
Dem Anker ist so geformt, dass die Oberfläche der Polflächen 18.a und<B>18b</B> zu dlei Oberfläche der Polstücke 17a und 17.b wesentlich gMch isit und dass sie so einen viel kleineren, magnetischen Widerstand aufweisen als der magnetische Widerstand, welcher durch die kleine Fläche, die durch die sich, anstossen den, Kanten.,dDs Anker & und des magnetischen Rück schlusses 12 geibildet ist, erzeugt wird.
Wenn, dir, Spulen erregt werden, bewegt sich der Anker in eine betätigte Stellung, in, welch-er der Luft spalt minimal ist. Wenn die Spulen dann, #ab.-iregt werden, zieht die H.altefeideT, <B>16</B> den Anker 14 in seine Ruhesitellung zurück. Entsprechend der Erre gung und Abeirmgung,der Spulen oszilliert der Anker 14 zwischen seineir Ruhe- und betätigten Stellung. Ein Sperrad 21 und Sperrklinken 221a und<B>22b</B> sind vorgesehen, um die vor- und rückwältsgeihienidr Be wegung in eine nur vorwärtsgehende Bewegung um zuwandeln.
Das Sperrad 21 ist mit der Steuerwelle<B>23</B> fest verbunden. Wennder Anker 14 aus seiner Ruhestell- lung in seine betätigte Stellung dreht, kliniken die Speorklinken 221a und[ 22b, die auf dem, Anker fixiert sind, in das Rad 21 ein, wodurch sich che# Welle<B>23</B> mit dem Anker dreht.
Wenn der Anker in, seine Ruhesteillung zurückgeht, bewegien sich die Sperr klinken 22a und<B>22b</B> frei vom Sperrad, und lassen dieses sich nicht,ckehien,. So wimd,die. Welle,<B>23</B> nur in einer Richtung gedreht.<B>Es</B> ist klar, dass das Sperrad und die Sperrklinken auch, :so montiert werdien kön nen, #dass das Rad 21 und<B>die</B> SV--uerwellD <B>23</B> sich drehen, wenn der Anker aus seiner betätigten Stel lung in seine Ruhestellung zurückgeht.
Um,d,##e Wirksamkeit der Vorrichtung zu erhöhen, besteht der Zapfen aus einem nicht magnetischen Material, z. B. Müssing, so dass keine magnetische Blockieriung vom Zapfen auftreten kann.
Ein zusätzlicher Vorteil der Vorrichtung ist die kleine Anzahl benötigter Teile. Dieser Vorteil ist möglich, weil der Anker 14 und der Shunt 12 aus ähnlichen Teilen bestehen, wie es in der Fig. <B>1</B> zu sehen ist. Ein anderer Vorteil #dieser Vorrichtung ist, dassdei Anker undder Shunt ausgestanzt statt ge fräst worden können. Dadurch werden die Erzen- gungskos,ten kleiner, mit denselben mechanischen Toleranzen.
Anhand der schematischen Darstellung der Fig. 2a und<B>2b</B> wird jetzt eine ausführlichere Be- schreibung,derArbeitsweise der bevorzugten Ausfüh rung der Erfindung erklärt. Die komponenten Teile der Vorrichtung der Fig. 2a und 2b sind dieselben wie in der Fig. <B>1.</B> Deswegen werden in be-Iden Figu- reindie, Komponente mitdenselben Zeichen besetzt.
Wenn,die Spulen<B>1</B> Ia und<B>1</B> lb erregt werden, er scheint ein magnietisches Feld. Der Fluss geht vom Nordpol der Spule,<B>1</B> la durch den Rückschluss 12, den Südpol<B>dem</B> Spule<B>1 1,b,</B> den Kein der Spule zum Nordpol der Spule, durch den, Luftspalt zwischen dem Polstück<B>17b</B> undder Polfläche<B>18b,</B> den Anker 14, den Luftspalt zwischen der Polfläche 18a und dem Polstück 17,a und schliesslich vom Südpol der Spule lla zu ihrem Nordpol.
Die Unverschiede in den querschnittsflächen, die durch, die Kante der Pol fläche, die den Rückschluss, anstös#st, und durch den Teil der Polfläche, der dem Polstück gegenüberliegt, dem Fluss angeboten sind, bewiTkt, dasis dort ein relativ kleinerer magnetischer Widerstand im Fluss- weg zwischen dem Polstück und d-.r Polfläche exi stiert, als im Flussweg zwischen dem Rückschluss und der Polfläche.
Deswegen fliiessit cin relativ kleiner Fluss zwischen dem magnetischen Rückschluss 12 und dem Anker 14 im Vergleich zum Fluss, der durchdie aktiven, Luftspalten zwischen den Polstük- ken 17a, 17b und den Polflächen 18a,<B>18b</B> durch- fliesst. Der Anker 14 ist dann so magnetisiert, dass eine Abstosskraft zwischendem magnetischen Shunt 12 und dem Anker auftritt.
Diese Abstosisknaft ist<B>so</B> gerichtet, dass sie bewirk#den. Anker sich so zu be wegen, dass die Luftspalten kleiner werden. Gleich zeitig bewirkt eine Anzugskraft zwischen den Pol stücken<B>17a,</B> 17b,dDr Spulen lla, llb und den Pol flächen 18:a,<B>18b</B> des Ankers 14, den Anker sich so zu bewogen, dass die Luftspalten kürzer werden.
Der Verlauf des magnetischen Flusses ist in Fig. 2a durch Richtungspfeile schematisch darge stellt. Die schwarzen Pfeile, zeigen die Gebiete in den Kernen der Spulen<B>11</B> a,<B>1</B> lb und im Anker 14, und die weissen Pfeile zeigen die Gebiete im Rückschluss 12. Die durch, die, Flussfeldererzeugten, Abstosskräfte sind durch sich Spitze gegen Spitze gegenüberste hende Pfeile dargestellt.
Werindeir Anker 14 in seiner Ruhestellung ist, ist die Anzugskraft minimal, da diese Kraft eine umge kehrte Funktion, des Quadrates des Abstandes zwi,- sehen den PäIstücken 17a,<B>17b</B> und den Polflächen 18a,<B>18b</B> -ist. Gleichzeitig ist die Abstosskraft maxi mal, da diese Kraft auch eine umgekehrte Quadrat funktion von derselben Länge ist. Wenn der Anker 14 sich den Spulen nähert, nimmtdie Abstosskwaft ab und die Anzugsknaft nimmt bis-auf einen maximalen Wert zu.
Schliesslich, wie in Fig. 2 gezeigt, bewegt sich der Anker geigen diiie üblichien, Trägheitskräfte, Reibungskräfte und Rückhaltekräfteder Feder<B>16</B> in seine betätigte Stellung, in welcher seine Polflächen 18a,<B>18b</B> die Polstücke 17a,<B>17b</B> der Spulen<B>1</B> la, <B>1</B> lb genau überdecken.
Die Wirksamkeit der Abstos,skräfte hängt natür lich vom Abstand zwischen den Polstücken und den Polflächen ab. Eine bevorzugte Ausführung der Er findung arbeitete wirksamer, wenn der Drehantrieb rechteckig ausgebildet war,<B>d.</B> h., wenn die Abmes sungen x und<B>y</B> ungefähr gleich waren.
Der Effekt der Abstosskraft ist graphisch in der Fig. <B>3</B> dargestellt. Indiesern, Diagramm -ist die Dr.ehkraft (T) in Funktion des abnehmenden Luft spaltes<B>(g)</B> dargestellt. Die ausgezogene Linie ( p ) zeigt die Drichkrafticharakteristik elektromiagnetischer Drehantriebe gemäss der bisherigen Ausführung.
Die strichpunktierte, Linie ( r ) zeigt die durch, die Ab- stosskraft erzeugte Driehkraft. Die gestrichelte Linie ( e ) zeigt,die Drehkraftcharakteristik einer elektro magnetischen Drehantriebsvorrichtunig gemäss der Erfindung.
Wenn der Luftspalt maximal ist, ist der grösste Teil der Ankerdrehkraft #durch die Abstoss- kraft (Kurve er##) erzeugt, welche, durch den Rück- schluss ausgeübt wird, wenn dieser im Kontakt mit ,dem Anker, liegt. Wie es leicht zu sehen ist, ist diese Drehkraft maximal, wenn die Luftspaltlänge maximal, ist, und sie fällt schnell ab, wenn die Luftspaltlänge abnimmt.
Die andere auf den Anker ausgeübte Dreh kraft stammt von der Anzugskliaft zwischen den Pel- stücken und den, Polflächen. Diesie Drehkraft ist nor malerweise minimal, wenn die Luftspaldänige, maxi mal ist, wie dies aus der Kurve<B> p </B> zu schien ist. Die auf den Anker ausgeübte Gesamtdrehkraft e ist relativ gross und wird ausgeübt, auch wenn der An ker in seiner Ruhestellung ist, d. h., wenn die Luft- spaltIlänge maximal ist.
Dagegen war hoi bisher be kannten Drehanitriebendle auf deni Anker ausgeübte Drehkraft (Kurve<B> p )</B> inseiner Ruhestellung relativ klein.