DD213265A1

DD213265A1 - Elektromagnetisch betriebener wandler

Info

Publication number: DD213265A1
Application number: DD24693382A
Authority: DD
Inventors: Reiner Martin; Max Muehlig; Klaus Nitsche; Dieter Naundorf; Ruediger Salomon
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl; Max Muehlig; Klaus Nitsche; Dieter Naundorf; Ruediger Salomon
Priority date: 1982-12-31
Filing date: 1982-12-31
Publication date: 1984-09-05
Also published as: GB2133225A; GB8334597D0; DE3338626A1

Abstract

Der erfindungsgemaesse elektromagnetisch betriebene Wandler ist als Druck- bzw. Kraftuebertragungsmittel undin Kombination mit Verschlussgliedern als Vibrator bz w. als elektromagnetisch betriebene Pumpe einsetzbar. Ziel der Entwicklung war es, einen elektromagnetisch betriebenen Wandler zu schaffen, der Schwankungen des elektrischen Stromes in Kraftwirkung umwandelt, wenig stoeranfaellige Teile aufweist, einen geringen Geraeuschpegel besitzt und eine gleichmaessige Kraftuebertragung ermoeglicht. Die Aufgabe bestand deshalb darin, einen Wandler zu entwickeln, dessen Kern sichautomatisch den Abmessungen des Spulenkoerpers und de r zu betaetigenden Koppelelemente zur Kraftuebertragung anpasst. Erfindungsgemaess wird dies dadurch geloest, dass in einem von separat ansteuerbaren Spulen umgebenen Behaeltnis ein magnetisches Fluid so angeordnet ist, dass es den Anker fuer dese Spulen bildet. Durch eine wechselseitige Ansteuerung der Spulen erfolgt eine zielgerichtete Bewegung desmagnetischen Fluides. Die dabei entstehende Kraft- bz w. Durckwirkung kann an dem Fluid selbst bzw. an elastischen Membranen oder anderen Elementen abgenommen werden.

Description

Titel der Erfindung Elektromagnetisch, betriebener Wandler

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die erfindungsgemäße technische Lösung ist als Vandler— element in Druck- bzw. Kraftübertragungsmitteln (Eub- und Zugmagnet, Arbeitszylinder u. ä.) bzw. kombiniert mit-Verschlußgliedeam und zyklisch erfolgender Aasteuerung auch als Vibrator oder als elektromagnetisch betriebene Pumpe für kleine Fördermengen vielseitig und dabei insbesondere dort einsetzbar, wo es wenig mechanisch bewegte und untereinander gekoppelte Teile und ein niedriger Geräuschpegel gefordert werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Außer solchen Vorrichtungen wie Zugmagnet, Hubmagnet, Schwingankermotoren und elektromagnetischen Pumpen ist es bekannt, Vorrichtungen zur Umwandlung von Schwankungen des elektrischen Stromes in Kraft— bzw. Lage— und Formver— änderungen unter der Ausnutzung der piezoelektrischen Eigenschaften von Kristallen (DE 23 5^ 2^9, DE 30 07 001) und der magnetostriktiven Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen (DE 21 63 667) zu realisieren. Da hierbei in beiden Fallen eine Form- und Volumenänderung erfolgt, sind die damit erreichbaren Kraftwirkungen sehr klein.

Größere Volumenänderungen und desmzufolge Kraftwirkungen erfordern deshalb dementsprechend große Äusgangsmengen an ¥erkstoffen.

Schwingankermotoren und elektromagnetische Pumpen sind in den Schriften DE 16 53 563, ΏΒ 21 06 055, DD 143 650 und ΏΏ 151 207 dargestellt. Das Grundprinzip ist dabei in fast allen Fällen gleich.

Ein Elektromagnet und ein Kern bilden eine Magnetanordnung, wobei der Kern bei Stromfluß durch, das Magnetfeld bewegt wird, vorzugsweise in die Spule hinein. Die Rückwärtsbewegung des Kern erfolgt dabei durch die Zugkraft einer Feder (DE 1ö 53 563, DD 1^3 650, DE 21 06 055). Durch den sich beilegenden Kern erfolgt in einer sich, anschließenden mit Ifentilen ausgerüsteten Kammer eine Druckänderung, die

•J5 als Pumpwirkung an diesen Ventilen auftritt (DE 16 53 563) · In der DE-Gebrauchsmusterschrift 7^- 30 028 ist der Kern als Stößel ausgebildet, der in etwa die Form des Pumpenraumes aufweist. Die stoßartig erfolgende Belastung der Membran führt zu einer sehr starken Deformierung und dem« zufolge zur frühzeitigen Zerstörung derselben» Eine in der Patentschrift DE 8O7 058 beschriebene Wasser— pumpe arbeitet mit einem sehr starken Elektromagneten, was einen massiven Ankeraufbau erfordert. Auf die Jietallmembran wirken deshalb äußerst hohe mechanische Belastun— gen· Für eine solche Pumpe sind deshalb frühzeitige Hißbildungen und Ermüdungserscheinungen charakteristisch· Die dargestellten Möglichkeiten der Umwandlung von Schwankungen des elektrischen Stromes in mechanische Kraftwirkungen beruhen darauf, daß ein massiver Kern aus magnetischem Material durch das sich auf- bzw. abbauende Magnetfeld einer Spule bewegt wird· Trotz spezieller Führungen kann es dabei zum Verklemmen bzw. Verkanten des Kerns in der Spule kommen· Zum Abschließen des Pumpenraumes werden Membranen ge— nutzt, wobei durch ihre elastische Deformierung jeweils die Druck- bzw· Kraftübertragung erfolgt. Trotzdem der Anker in seiner Form entsprechend den Abmessungen des

Pumpraumes und. der Membran gestaltet ist, erfolgt dabei immer eine starke stoßartige und vor allem ungleichinäßige Belastung der Membran· Desweiteren wird nicht die gesamte Meaibranf lache zur Kraftübertragung ausge— iiutzt· Aus diesen Gründen treten die o· g, Ausfälle an Membranen auf· Desweiteren ist die Bewegung eines massiven Körpers ständig von einem honen Geräuschpegel begleitet« Der Nachteil der Anordnungen Spule mit beweglichen Kern z· B. in der Form als Zugmagnet besteht darin, daß die Kraftübertragung nur über die Querschnittsfläche des Kerns, die entsprechend ausgestaltet sein muß, erfolgt· Eine gleichmäßige Kraftübertragung bezogen auf die Membran- bzw. Kernfläche ist auch hier nicht möglich· Das bedeutet weiterhin, daß auf Grund der unterschiedlichen Flächen nur ein Teil der Kraft des magnetischen Feldes auf die Membran bzw, anderen Koppeleleraente übertragen wird·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektromagnetisch betriebenen ¥andlers für die Umwandlung der Schwankungen eines elektrischen Stromes in eine mechanische Kraftwirkung mit wenigen störanfälligen Teilen, einem geringen Geräuschpegel und einer gleichmäßigen Kraftübertragung je Flächeneinheit.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetisch betriebenen Wandler zu entwickeln, der einen sich den Abmessungen des Spulenkörpers und der zu betätigenden Koppelslemente zur Kraftübertragung selbsttätig anpassenden beweglichen Kern besitzt, der eine weitgehend vollständige Kraftübertragung Spule - Kern ermöglicht. Erfdbadungsgemäß wird die Aufgabe in einem elektromagnetisch betx'iebenen Wandler, bestehend aus einem Behältnis, das Öffnungen aufweisen kann, aus mindestens zwei dieses

Behältnis jeweils umfassenden Spulen, einem inagnetisierbaren Mittel, einer Stromversorgungseinheit, dadurch gelöst, daß das magnetisierbare Mittel ein magnetisches Fluid ist, welches in dem Behältnis angeordnet ist und dort den Anker für die Spulen darstellt, daß die Spulen mit einem elektronischen Umschalter und dieser mit der Stromversorgungseinheit elektrisch gekoppelt sind* Der elektronische Umschalter besitzt einen Eingang für den Anschluß der Stromversorgungseinheit, Ausgänge für den Anschluß der Spulen und Glieder zur zeitlich gesteuerten Verbindung der Stromversorgungseinheit mit den Spulen· Die Stromversorgungseinheit dient dabei zur Versorgung mit elektrischem Strom bestimmter Form und Art. Das magnetische Fluid ist in dem Behältnis so angeordnet, daß es sich im Bereich der Spulen befindet. Das Behältnis weist Mittel zur Lagefixierung des magnetischen Fluids auf. Das können z. B. elastische Membranen bzw. Dauermagneten sein. Zum Druckausgleich und zur Kraftübertragung kann das Behältnis Öffnungen, ausgestaltet z. B. als Ansaugverschlußglied und Verdrängungsverschiußglied, besitzen. Das magnetische Fluid kann im direkten Kontakt bzw. mit Hilfe eines Trennmittels z. B. einer Membran Verbindung zu einer Kraftübertragungseinrichtung oder einem Druckmittel haben. Die elastische Membran kann da— bei selbst das Druckmittel darstellen.

Der erfindungsgemäße elektromagnetisch betriebene Wandler zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und zuverlässige Funktionsweise aus

Wesentlich ist dabei, daß die Umwandlung der Schwankungen eines elektrischen Stromes über ein Magnetfeld in mechanische Bewegungsenergie ohne Zuhilfenahme zusätzlicher mechanisch bewegter Teile erfolgt. Als kraftübertragendes Mittel dient eine Flüssigkeit, die eine zu vernachlässigende Reibung aufweist und deren Bewegung keinerlei Geräusche verursacht. Eine der bisher häufigsten Ausfallursachen die elastische Membran - kann dadurch beseitigt werden.

Ausf ührungsbeispiel

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. In der Darstelltang zeigt Fig. 1 Elektromagnetisch betriebener Wandler in der Ausführung als Membranpumpe Fig. 2 Detail zu Fig. 1 unter Versieht einer Membran Fig. 3 Elektromagnetisch betriebener ¥andler in der

Ausführung als Zugmagnet Die Schnittdarstellung in Fig. 1 zeigt ein Behältnis 1,

•jO das vorzugsweise einen runden Querschnitt aufweist, ein in ihrem Mittelteil untergebrachtes magnetisches Fluid 2, zwei in diesem Bereich das Behältnis 1 umfassende Spulen 3 und k, die jeweils mit dem elektronischen Umschalter 5 und dieser mit der Stromversorgungseinheit 6 elektrisch über Signalverbindungen gekoppelt sind· Die Lage des magnetischen Fluids 2 im Mittelteil des Behältnisses 1 wird durch zwei elastische Membranen 7 begrenzt· Das sich links und rechts vom Mittelteil des Behältnisses fortsetzende Behältnis 1 weist jeweils zwei funktionell miteinander gekoppelte Ansaugverschlußglieder 8 und Ver— drängungsVerschlußglxeder 9 auf«

Fig. 2 zeigt im Detail einen Ausschnitt des Mittelteils des Behältnisses 1, wobei die Lage des magnetischen Fluids 2 im oben genannten Bereich durch das Magnetfeld eines Ringmagneten 10 begrenzt wird« Zweckmäßig ist es, wenn das Behältnis 1 eine längliche Form mit kreisförmigem Querschnitt aufweist· Wobei der Durchmesser dieses Behältnisses in Abhängigkeit von den Eigenschaften des magnetischen Fluids 2 und der mit den Spulen 3 und 4 erreichbaren Feldstärken ausgewählt wird· Als Material für das Behältnis 1 ist jeder nichtelas tische ¥erkstoff geeignet. Die Spulen 3 und k haben die Aufgabe, durch das um sie aufbasibare Magnetfeld das magnetische Fluid 2 im Mittelteil des Behältnisses 1 festzuhalten. Um Lageveränderungen des magnetischen Fluids zu verhindern und zur räumlichen Trennung dieses Fluids von den in den angrenzenden Teilen des Behält-

nisses 1 befindlichen Medien zu erreichen, sind elastisch verformbare Membranen 7 vorgesehen.

Das Behältnis 1 wird durch die sich beim Ansaugen bzw. Verdrängen von Medien selbsttätig öffnenden bzw. ver— schließenden Gliedern abgeschlossen. Die Spulen 3 und 4 werden über den elektronischen Umschalter 5 wechselseitig von der Stromversorgungseinheit β mit Energie versorgt. Das sich jeweils um die angeschlossene Spule aufbauende Magnetfeld bewirkt dabei eine symmetrische Anordnung des magnetischen Fluids 2 zur entsprechenden Spule. Dabei wird jeweils auf eine der Membranen 7 ein mechanischer Druck ausgeübt, der zu einer elastischen Verformung dieser führt. Das bewirkt in den abschließenden Teilen des Behältnisses 1 die Ausbildung eines Unter- bzw. Überdruckes, der über die Verschlußglieder 8 und 9 abgenommen werden kann. Bei ständig wechselnder Ansteuerung der Spulen kommt es deshalb zu einer über den elektronischen Umschalter 5 zeitlich gesteuerten Bewegung des magnetischen Fluids 2 im Mittelteil des Behältnisses 1.

Die Ansteuerfrequenz des elektronischen Umschalters 5, die Art der Anschaltung der Spulen und der von der Stromver— sorgungseinheit 6 bereitgestellte elektrische Strom hängt weitestgehend vom Verwendungszweck des Wandlers und seinem konstruktiven Aufbau ab. Insbesondere ist ein ver— änderter Aufbau des Behältnisses 1, seiner Verschlußglie— der 8 und 9, ihrer Zahl, und Anordnung wie auch der ein Magnetfeld um das Fluid aufbauenden Spulen denkbar. Es kann sich als günstig erweisen, eine andere Zahl von Spulen zur Erzwingung einer Lageveränderung des magnetischen Fluids 2 zu verwenden.

Die durch das magnetische Fluid 2 wirksam werdende Kraftwirkung des elektrischen Stromes umgewandelt in eine mechanische Bewegung kann auf die verschiedenste Art und ¥eise wirksam und abgenommen werden. Diese Funktion ist auch unter Weglassung der Membranen gewährleistet. Um aber z· B» bei einer Verwendung als Vibrationsmotor ein Abreißen bzw. Aufschäumen des Fluids zu verhindern, kann

ixx den abschließenden Teilen des Behältnisses 1 ein in Fig. 3 dargestellter Ringmagnet 10, der das magnetische Fluid 2 jeweils zurückdrängt, angeordnet sein. Gleichzeitig hält er das Fluid bei vollständig abgeschalteten Spulen dun Mittelteil des Behältnisses 1 zusammen· Gleichzeitig kann dabei auf die Membranen 7> die eine häufige Ausfallursache darstellen verzichtet werden. Die durch das magnetische Fluid 2 übertragene i£raftwirkung kann dabei ohne mechanische Trennwände direkt über Arbeitskolben oder dergleichen abgenommen werden. Auch die Verwendung des magnetischen Fluids als Druckmittel ist denkbar·

Die Schnittdarstellung in Fig· 3 zeigt ein Behältnis 1, in deren Mittelteil ein magnetisches Fluid 2 durch eine dieses Teil umschließende Spule 3 gehalten wird· Durch 2 Membranen 7 wird es dabei von den anschließenden Teilen des Behältnisses abgetrennt. Eine der Membranen 7 dient dabei zur Kraftübertragung auf einen Arbeitszylinder 11. Auf die Darstellung der zum Aufbau eines Magnetfeldes durch die Spule 3 notwendigen Funktionsblöcke wurde dabei verzichtet.

Die Funktionsweise ist analog zu den in Fig· 1 und 2 dargestellten ¥andlera· Auch hier wird durch die Spule 3 eine symmetrische Anordnung des magnetischen Fluids 2 im Behältnis 1 bewirkt» Als rück treibende Kraft bei Fehlen eines Magnetfeldes treten dabei die elastisch verformten Membranen 7 auf. Denkbar ist aber auch ein Verzicht auf die Membranen 7» wobei die rückstellende Kraft durch ein unter überdruck stehendes Luftpolster erzeugt wird· Diese dargestellte Lösungsvariante ist besonders günstig für einmalig zu erzeugende Kraftwirkungen, wie sie für Hub- und Zugmagneten typisch sind· Die Kraftübertragung kann hierbei auf die unterschiedlichste Art und Weise ähnlich den in Fig. 1 und 2 erläuterten Varianten erfol-

Claims

J <J

Erf indungs ans pruch

1. Elektromagnetisch, betriebener Wandler bestellend, aus einem Behältnis, das Öffnungen aufweisen kann, aus mindestens zwei dieses Behältnis jeweils umfassenden Spulen, einem magnetisierbaren Mittel, einer Stroinversorguagseinheit, gekennzeichnet dadurch, daß das magnetisierbare Mittel ein magnetisches Fluid ist, welches in dem Behältnis angeordnet ist und dort den ,Anker für die Spulen darstellt, daß die Spulen jO mit einem elektronischen Umschalter und dieser mit der Stromversorgungseinheit elektrisch gekoppelt sind.
2. Elektromagnetisch betriebener ¥andler nach Pkt· 1, gekennzeichnet dadurch, daß der elektronische Um— schalter einen Eingang für den Anschluß der Stromversorgungseinheit und Ausgänge für den Anschluß der Spulen hat·

3» Elektromagnetisch betriebener ¥andler nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch., daß der elektronische Umschalter Glieder zur zeitlich gesteuerten Verbindung

der Stromversorgungseinheit mit den Spulen enthält. k» Elektromagnetisch betriebener Ifandler nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromversorgungseinheit eine Stromversorgungsquelle für Strom spezieller Polarität und Form ist.
5. Elektromagnetisch betriebener ¥andler nach. Pkt. 4. , gekennzeichnet dadurch, daß die Stromversorgungseinheit eine Gleichspannungsquelle ist.
6. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Pkt. 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromversorgungseinheit eine Vechselspannungsquelle ist.
7. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Behältnis nur im Bereich der Spulen magnetisches Fluid aufweist.
8. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Pkt. 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Behältnis Mittel zur Lagefixierung des magnetischen Fluids aufweist.

9« Elektromagnet is cli betriebener Wandler nach. Pkt. 8, gekennzeichnet dadurch., daß die Mittel elastische Membranen sind.
10. Elektromagnetisch, betriebener Wandler nach Pkt. 8,

gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel Dauermagneten sind.
11. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Öffnungen Verschlußglieder darstellen.
12. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Verschlußglieder Ansaugverschlußglieder und Verdrängungsverschlußglieder darstellen.

13· Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß das als Anker ausgebildete magnetische Fluid über Druckmittel mit Kraftübertragungseinrichtungen verbunden ist. 14. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Pkt. 13 j

gekennzeichnet dadurch, daß das Druckmittel ein gasförmiges, flüssiges oder festes Medium darstellt. 15« Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Pkt. 13, gekennzeichnet dadurch, daß das Druckmittel eine elastische Membran darstellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnung