CH692828A5 - Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zur Verschiebung eines Stellglieds zwischen zwei Endlagen. 



  Elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen sind in unterschiedlichsten Ausführungen und breite Anwendungsgebiete bekannt. So offenbart z.B. die DE 2 718 826 C2 eine dort als Hubmagnet bezeichnete elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, die dafür vorgesehen ist, den Durchtrittsquerschnitt eines Strömungsregelventils in streng linearer Abhängigkeit von der durch die elektrische Wicklung fliessenden Stromstärke zu steuern. Dabei weist der Hubmagnet einen zylindrischen Anker auf, der innerhalb eines Rohres konzentrisch dazu gelagert ist. Für eine saubere Linearität soll eine möglichst ungehinderte Bewegung des Ankers innerhalb des Rohres sichergestellt werden. 



  Die DE 2 618 087 C2 zeigt einen Schalter mit einem inneren elektrodynamischen Zusatzantrieb für sein bewegliches Schaltstück. Dieser zusätzliche elektrodynamische Antrieb kompensiert dort die Abbremsung der Schalterbewegung infolge der Kompression und der Erwärmung des Löschgases im Schalter. 



  Die DE 4 304 921 C1 offenbart einen bistabilen elektromagnetischen Antrieb für einen elektrischen Schalter. Ein Anker des Antriebsmechanismus besteht aus lamellierten Weicheisenblechen und ist in einem von einem rechteckigen Joch aus ebenfalls lamellierten Weicheisenblechen umgebenen Raum zwischen zwei, mit gleichen Polen dem Anker zugewandten Dauermagneten axial verschiebbar angeordnet. Die Dauermagnete sind jeweils zwischen dem Anker und einem Polschuh stationär angebracht, der in das Joch des elektromagnetischen Antriebes übergeht. Beiderseits der Polschuhe ist jeweils eine Spule innerhalb des Joches angeordnet. Dieser bekannte elektromagnetische Antrieb soll bei kompaktem Aufbau eine kurze Ansprechzeit aufweisen und eine grosse Kraft zur Bewegung des mechanischen Gliedes erzeugen, das auf den Schalter einwirkt. 



  Aufgrund des Aufbaus dieses Magnetantriebes ergibt sich eine sehr lang gestreckte Bauform, deren Kompaktheit in Richtung der Längserstreckung zu wünschen übrig lässt. Ferner ist der innere Aufbau des Magnetantriebes mit Joch, Polschuhen, stationären Dauermagneten, Anker sowie der Einschalt- und Ausschaltfeder auf die Funktion des Antriebes zur Betätigung eines elektrischen Schalters ausgerichtet. 



  Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine universell einsetzbare elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zu schaffen, die bei bezüglich aller Dimensionen kompaktem Aufbau einen relativ dazu grossen Hub bei schnellem Ansprechen aufweist. Insbesondere soll eine solche elektromagnetische Betätigungsvorrichtung als Ersatz für mechanische Nockensteuerungen oder pneumatische Stellglieder z.B. in Verpackungs-, Umreifungsmaschinen und dergleichen einsetzbar sein. 



  Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben und sieht eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zur Verschiebung eines Stellgliedes zwischen zwei Endlagen vor, die versehen ist mit: 
 - einem topfförmigen, mit einem Boden, einem zentralen Spulenkern und einer Aussenwand versehenen Spulengehäuse,
 - einer im Spulengehäuse zwischen Spulenkern und Aussenwand angeordneten Magnetspule,
 - mindestens einem im Spulenkern parallel zur Spulenachse verschiebbar gelagerten Stellglied,
 - einem im Wesentlichen kappenförmigen, elektromagnetisch angetriebenen Ankerteil, das mit seinem Lagerteil am Stellglied gehalten und mit seinem davon in Richtung der Spulenachse abstehenden, magnetischen Kragenteil in den zwischen Spulenkern und Aussenwand gebildeten Luftspalt des Spulengehäuses eingreift, und
 - einem am Kragenteil angebrachten Permanentmagnet-Ring. 



  Durch die ineinander geschachtelte Anordnung des topfförmigen Spulengehäuses mit dem kappenförmigen Ankerteil wird die gewünschte kleine, kompakte Bauform erreicht. Der am Ankerteil angebrachte Permanentmagnet-Ring wird dabei zur Beschleunigung und Rückstellung bei der Linearbewegung des Ankerteils benutzt. Da im stromlosen Zustand das Kragenteil des Ankerteils mit dem Permanentmagnet-Ring in den Luftspalt des Spulengehäuses eingreift, wird bei einer Strombeaufschlagung der Magnetspule auf Grund der Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagnetfeld und dem elektromagnetischen Feld eine starke Beschleunigung des Ankerteils hervorgerufen. Darüber hinaus dient der Permanentmagnet-Ring zur Rückstellung des Ankerteils beim Übergang vom stromführenden zum stromlosen Zustand der Magnetspule.

   Während bekannte Elektromagnete mit eingebauten Permanentmagneten Letztere nur als Haltemagnet in der stromlo sen Endlage benutzen, wird bei der erfindungsgemässen Betätigungsvorlichtung der Permanentmagnet aktiv zur Erzeugung einer Rückstellkraft. Die Betätigungsvorrichtung ist damit grundsätzlich stossend und ziehend wirksam, wodurch keine Rückzugfeder notwendig ist. Die stromlose Endlage ist dabei monostabil und somit eindeutig definiert. 



  Bevorzugte Ausführungsformen sowie weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes sind den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 und 2 einen Vertikalschnitt durch eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung mit dem Stellglied in den beiden stabilen Endlagen, 
   Fig. 3 einen Vertikalschnitt einer Betätigungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform, 
   Fig. 4 einen schematischen Horizontalschnitt durch das Ankerteil der Betätigungsvorrichtung gemäss der Schnittlinie IV-IV nach Fig. 2, und 
   Fig. 5A bis E schematische Darstellungen von Ankerteilen in unterschiedlichen Umrissgestaltungen. 
 



  Die in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellte elektromagnetische Betätigungsvorrichtung weist ein insgesamt topfförmiges Spulengehäuse 1 auf, das mit einem Boden 2 und einer zylindrischen Aussenwand 3 versehen ist. Boden 2 und Aussenwand 3 bestehen genauso aus magnetischem Weicheisenmaterial, wie der zentral im Spulengehäuse 1 aufragende Spulenkern 4, der in einer \ffnung 5 des Bodens 2 sitzt. Der im Wesentlichen hülsenförmige Spulenkern 4 weist eine zentrale Lagerbohrung 6 und eine umlaufende Ringschulter 7 auf, die am oberen, dem Boden 2 abgewandten Ende des Spulenkerns 4 angeformt ist. 



  In dem Ringraum zwischen Boden 2, Aussenwand 3 und unterer Flanke 8 der Ringschulter 7 ist die Magnetspule 9 der Betätigungsvorrichtung eingesetzt, die über ein zweiadriges Anschlusskabel 10 bestrombar ist. Das Anschlusskabel 10 ist über eine Durchführung 11 nach aussen geleitet. In der Schnittlage der Fig. 1 und 2 sind durch die fehlende Schraffur im Bereich der Aussenwand 3 ferner vertikal gerichtete Schlitze 33 in dieser Aussenwand 3 kenntlich gemacht, von denen mindestens vier über den Umfang der Aussenwand verteilt sind. Die Schlitze 33 dienen zur Verstärkung des Magnetfeldes und zur Belüftung des Gehäuseinnenraumes. 



  Die Magnetspule 9 ist durch eine Verklebung 12 im Spulengehäuse 1 verankert. 



  In der Lagerbohrung 6 ist über zwei nichtmagnetische Lagerbuchsen 13 aus Messing die Hubstange 14 in Betätigungsrichtung B verschiebbar geführt. Unter Weglassung der Lagerbuchsen 13 kann auch die Hubstange 14 selbst aus Messing und damit nichtmagnetischen Material gefertigt sein. Die jeweils mit einem Gewinde 15, 16 versehenen Enden der Hubstange 14 ragen über den Spulenkern 4 nach oben und unten hinaus. Am oberen Gewinde 15 ist das im Wesentlichen kappenförmig ausgestaltete Ankerteil 17 befestigt. Dazu weist das Ankerteil 17 ein scheibenförmiges Lagerteil 18 auf, das mit seiner zentralen \ffnung 19 auf die Hubstange 14 gesteckt ist. Das Lagerteil 18 ruht auf einer bis zum Endanschlag des Gewindes 15 aufgeschraubten Stützscheibe 20 an der Hubstange 14. Die Stützscheibe 20 liegt dabei versenkt im Lagerteil 18.

   Durch eine Mutter 21 ist das Ankerteil 17 auf der Hubstange 14 gesichert. 



  Am Aussenrand des Lagerteils 18 ist ein parallel zur Spulenachse 22 zum Spulengehäuse 1 hin abstehendes Kragenteil 23 vorgesehen, das in den Luftspalt 24 zwischen der Aussenwand 3 und der Aussenflanke 25 der Ringschulter 7 des Spulenkerns 4 eingreift. Das Kragenteil 23 weist dabei einen magnetischen Aussenring 26 auf, an dessen Innenseite ein Permanentmagnet-Ring 27 befestigt ist. Wie aus Fig. 4 deutlich wird, besteht der Permanentmagnet-Ring 27 aus einzelnen, Seite an Seite aneinander gesetzten Permanentmagneten 28, die mittels einer Epoxidharzschicht 29 (Fig. 1) an die Innenseite des Aussenrings 26 geklebt sind. Statt dieser Einzelmagneten kann der Ring 27 auch ein einstückiges Sinterteil sein, das in ihrer Polarisierung abwechselnd einander entgegengerichtete Bereiche aufweist.

   Wie aus Fig. 1 und 2 deutlich wird, weist die Aussenflanke 25 des Spulenkerns 4 eine flache Anfasung 30 auf, sodass der Luftspalt 24 sich in Richtung des Lagerteils 18 des Ankerteils 17 in seiner Breite b (Fig. 2) vergrössert. Durch diese spezielle Formgebung des Luftspalts 24 können die Kräfteverhältnisse auf das Ankerteil 17 und insbesondere dessen Beschleunigungsverhalten beeinflusst werden. Genauso ist der Kraft- und Beschleunigungsverlauf durch eine anderweitige Geometrieänderung des Spulenkerns 4 variierbar. 



  Die in Fig. 1 gezeigte Endanschlagstellung wird bei stromlosem Zustand der Magnetspule 9 eingenommen. Diese Endlage ist monostabil, da die Permanentmagneten 28 für eine Halterung des Ankerteils 17 sorgen. Letz tes liegt mit seinem Lagerteil 18 bzw. der Stützscheibe 20 auf einer Ringscheibe 31 aus Elastomermaterial auf, die mit ihrer Innenöffnung auf die Hubstange 14 aufgeschoben und auf der oberen Lagerbuchse 13 liegt. Die Ringscheibe 31 dient zur Geräuschdämpfung beim Anschlagen des Lagerteils 18 in der in Fig. 1 gezeigten Endanschlagstellung. Ferner ist mit der Ringscheibe 31 der Spalt zwischen dem Ankerteil 17 und dem Spulenkern 4 und damit die Halte- bzw. Losbrechkraft der Permanentmagneten 28 definiert. 



  Bei Strombeaufschlagung der Magnetspule 9 wird durch den im ringförmigen Luftspalt 24 gebildeten magnetischen Fluss das Ankerteil 17 mit seinem Kragenteil 23 nach oben aus dem Luftspalt 24 ausgetrieben, wobei sich die Permanentmagneten 28 positiv auf die möglichen Beschleunigungswerte und erzielbaren Betätigungskräfte auswirken. Das Lagerteil 18 zieht damit die Hubstange 14 in Betätigungsrichtung B mit. Die Hubstange 14 kann nun an einen zu betätigenden Mechanismus, z.B. eine Hebelanordnung oder ein zu verschwenkendes Teil in einer Verpackungs- oder Umreifungsmaschine, angekoppelt werden und ersetzt in dieser Funktion beispielsweise übliche pneumatische Kolben-Zylinder-Antriebe oder mechanische Nockensteuerungen in solchen Geräten. 



  Ausgehend von der in Fig. 2 gezeigten Endanschlagstellung der Hubstange 14 mit Ankerteil 17, die analog dem oberen Ende der Hubstange durch eine auf das Gewinde 16 aufgeschraubte Mutter 21 min  mit darauf sitzender elastomeren Ringscheibe 31 min  definiert ist, wird beim Abschalten des Stromflusses durch die Magnetspule 9 das Ankerteil 17 durch den Einfluss der Permanentmagneten 28 aktiv in den Luftspalt 24 hineingezogen, was auf Grund der erfindungsgemässen Anordnung mit grosser, gleichmässig über den Hub bereich verteilter Kraft und sehr schnell vonstatten geht. Die Betätigungszeit bei einem Hub von 15 mm liegt etwa in der Grössenordnung von 10 ms. Das Anschlaggeräusch des Lagerteils 18 wird dabei durch die Elastomer-Ringscheibe 31 gedämpft, sodass die Betätigungsvorrichtung sehr leise arbeitet. 



  Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung unterscheidet sich nur geringfügig von der gemäss Fig. 1 und 2. Insofern sind übereinstimmende Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen und bedürfen keiner nochmaligen Erörterung. Als Unterschied ist lediglich festzuhalten, dass im Kragenteil 23 die Anordnung des Permanentmagnet-Ringes 27 anders ist. Dieser liegt nämlich auf der Aussenseite des Innenrings 32. Auch ist die Verbreiterung des Luftspaltes 24 durch eine Anfasung 30 an der Innenseite der Aussenwand 3 realisiert. Im Übrigen ist die Funktionsweise dieser Ausführungsform unverändert. 



  In Fig. 5 sind anhand schematischer Darstellungen von Ankerteilen 17 unterschiedliche Möglichkeiten für die Umrissgestaltung von Spulengehäuse 1 und Ankerteil 17 angedeutet. So zeigen die Teilfiguren A, C und D Polygonformen, nämlich Teilfigur A eine sternförmige Umrissgestalt, Teilfigur C eine sechseckige Gestalt und Teilfigur D eine Quadratform. Auch eine Ellipsenform des Ankerteils 17 mit zwei \ffnungen 19 für zwei Hubstangen ist realisierbar (s. Teilfigur B). Teilfigur E gibt zum Vergleich die anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebene Kreisform der Umrissgestalt wieder. 



  Die Fig. 5A bis E dienen in erster Linie zur Deutlichmachung der Variabilität des erfindungsgemässen Konzeptes, wobei bei den jeweiligen Ausführungsformen das Verhältnis zwischen der Pollänge der Permanentma gneten 28 und der Länge des Spulenkerns 4 jeweils optimal zueinander gestaltet werden kann. Je grösser das Verhältnis Pollänge/Volumen des Magneten ist, desto wirkungsvoller ist die Betätigungsvorrichtung.

Claims (12)

1. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zur Verschiebung eines Stellglieds zwischen zwei Endlagen mit: - einem topfförmigen, mit einem Boden (2), einem zentralen Spulenkern (4) und einer Aussenwand (3) versehenen Spulengehäuse (1), - einer im Spulengehäuse (1) zwischen Spulenkern (4) und Aussenwand (3) angeordneten Magnetspule (9), - mindestens einem im Spulenkern (4) parallel zur Spulenachse (22) verschiebbar gelagerten Stellglied (14), - einem im Wesentlichen kappenförmigen, elektromagnetisch angetriebenen Ankerteil (17), das mit seinem Lagerteil (18) am Stellglied (14) gehalten und mit seinem davon in Richtung der Spulenachse (22) abstehenden, magnetischen Kragenteil (23) in den zwischen Spulenkern (4) und Aussenwand (3) gebildeten Luftspalt (24) des Spulengehäuses (1) eingreift, und - einem am Kragenteil (23) angebrachten Permanentmagnet-Ring (27).

2.

Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet-Ring (27) aus in Umfangsrichtung des Ringes aneinander gereihten Einzelmagneten (28) zusammengesetzt ist.

3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet-Ring (27) als gesinterter Permanentmagnet-Ring (27) mit in ihrer Polarisierungsrichtung abwechselnden Polarisierungsbereichen ausgebildet ist.

4. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet-Ring (27) innen oder aussen am Kragenteil (23) angebracht ist.

5. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kragenteil (23) aus einem magnetischen Material und das Lagerteil (18) aus einem nichtmagnetischen Material besteht.

6.

Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (24), bezogen auf seine parallel zur Spulenachse (22) verlaufende Längsrichtung, eine variable Breite aufweist.

7. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine sich in Richtung des Lagerteils (18) des Ankerteils (17) vergrössernde Breite des Luftspaltes (24) durch eine Anfasung (30) des Spulenkerns (4) und/oder der Aussenwand (3).

8. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied als Hubstange (14) ausgebildet ist, die in einer zentralen Lagerbohrung (6) des Spulenkerns (4) verschiebbar gelagert ist.

9. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubstange (14) in nichtmagnetischen Lagerbuchsen (13) in der Lagerbohrung (6) geführt ist.

10.

Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (14) komplett aus nichtmagnetischem Material besteht.

11. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Elastomer-Anschläge (31) zur Begrenzung des Stellweges des Stellgliedes (14).

12. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Spulengehäuse (1) und Ankerteil (17) eine einander entsprechende Umrissgestalt in Kreis-, Ellipsen- oder Polygonform aufweisen.