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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Drehmagneten und insbesondere einen Drehmagnet mit einer hohen Drehmomentausgabe.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Drehmagnet hat einen Stator und einen Rotor. Der Stator umfasst einen rechteckigen Eisenkern mit zwei Statorpolen, die sich von zwei einander gegenüberliegenden Innenflächen desselben erstrecken, und zwei Spulen, die um die Statorpole gewickelt sind. Der Rotor liegt zwischen den beiden Statorpolen und hat zwei Rotorpole, die sich in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Wenn die beiden Spulen während des Betriebs aktiviert sind, erzeugen die beiden Statorpole ein Magnetfeld, das mit den beiden Rotorpolen interagiert und die beiden Rotorpole anzieht, wodurch der Rotor zur Drehung angetrieben wird. Da jedoch die beiden Spulen um die beiden Statorpole gewickelt sind, ist die Sättigungsflussdichte in dem Eisenkern und in den Statorpolen hoch. Der Magnetflussweg dieses Drehmagnets ist rechteckig und ist relativ lang. Ferner ist der Interaktionsbereich zwischen dem Statorpol und dem Rotorpol klein, da nur zwei Rotorpole vorhanden sind. Alle diese Merkmale würden das Ausgangsdrehmoment des Magnets begrenzen.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen Magneten, der ein hohes Ausgangsdrehmoment hat.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Demzufolge wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Drehmagnet angegeben, der einen Stator, einen Rotor und eine zwischen Stator und Rotor geschaltete Torsionsfeder aufweist. Der Stator hat einen Anker mit zwei Enden und einem dazwischenliegenden zentralen Bereich, wobei sich ein erster Statorpol von dem zentralen Bereich, ein zweiter Statorpol und ein dritter Statorpol von dem jeweils betreffenden der beiden Enden des Ankers erstrecken und wobei eine Spule um den ersten Statorpol gewickelt ist. Der Rotor hat eine Welle, die an dem Stator drehbar montiert ist, und einen Rotorkern, der an der Welle befestigt ist und in dem zylindrischen Raum angeordnet ist. Der Rotorkern hat drei Rotorpole, die den Statorpolen entsprechen. Der Rotor verharrt unter der Kraft der Torsionsfeder in einer ersten Position und dreht sich in Reaktion auf einen Stromfluss durch die Spule in eine zweite Position.
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Ein Drehmagnet einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat einen Stator, einen Rotor und eine zwischen Stator und Rotor geschaltete Torsionsfeder. Der Stator hat einen Anker mit drei Statorpolen, die zusammenwirkend einen im Wesentlichen zylindrischen Raum definieren, und eine Spule, die um einen der Statorpole gewickelt ist. Der Rotor hat eine Welle, die an dem Stator drehbar montiert ist, und einen Rotorkern, der an der Welle befestigt und in dem zylindrischen Raum angeordnet ist. Der Rotorkern hat drei Rotorpole, die den Statorpolen entsprechen. Der Rotor verharrt unter der Kraft der Torsionsfeder in einer ersten Position und dreht sich in Reaktion auf einen Stromfluss durch die Spule in eine zweite Position.
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Ein Drehmagnet einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat einen Stator, einen Rotor und eine Torsionsfeder. Der Stator hat einen Anker mit drei Statorpolen und eine Spule, die um einen der Statorpole gewickelt ist. Der Rotor hat eine Welle, die an dem Stator drehbar montiert ist, und einen Rotorkern, der an der Welle befestigt ist und drei Rotorpole hat, die etwa zwischen zwei der drei Statorpole angeordnet sind. In der ersten Position überlappt ein umfangsseitiges Ende jedes der drei Rotorpole mit einem benachbarten Statorpol, während ein gegenüberliegendes umfangsseitiges Ende jedes der drei Rotorpole in der Umfangsrichtung von einem weiteren benachbarten Statorpol beabstandet ist. Die Torsionsfeder ist streifenförmig, wobei eines ihrer Enden mit dem Stator fest verbunden ist und ihr gegenüberliegendes Ende radial durch die Welle verläuft, und ist derart konfiguriert, dass sie den Rotor in eine erste Position zwingt. Der Rotor dreht sich in Reaktion auf einen Stromfluss durch die Spule in eine zweite Position.
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Da der Drehmagnet in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung drei Statorpole und drei Rotorpole hat, ist der Interaktionsbereich zwischen dem Stator und dem Rotor relativ groß. Da der Magnetfluss in dem Statorpol, der mit der Spule umwickelt ist, an den anderen beiden Statorpolen zweigeteilt ist, ist die Sättigungsflussdichte gering. Diese Merkmale sind von Vorteil für das Ausgangsdrehmoment des Rotors.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand von Beispielen erläutert, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
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1 zeigt einen Drehmagnet gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine zum Teil auseinandergezogene Darstellung des Magnets von 1;
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3 ist eine Ansicht des Statorkerns und eines Rotors des Drehmagnets von 1, wobei sich der Rotor in einer ersten Position befindet;
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4 ist eine Ansicht eines Statorkerns und eines Rotors des Drehmagnets von 1, wobei sich der Rotor in einer zweiten Position befindet;
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5 ist eine Ansicht eines Drehmagnets gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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6 ist eine Ansicht eines Drehmagnets gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. Ein Drehmagnet 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann für den Antrieb einer Vorrichtung verwendet werden, zum Beispiel eines (nicht dargestellten) Ventils, um zwischen zwei Zuständen zu wechseln. Der Drehmagnet 1 hat einen Stator 10, einen Rotor 40, der in dem Stator 10 drehbar aufgenommen ist, und eine Torsionsfeder 50.
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Der Stator 10 hat einen im Wesentlichen E-förmigen Statorkern 12, eine Spule 19, eine erste Abdeckung 20 und eine zweite Abdeckung 30. Der Statorkern 12 hat einen Anker 13, einen ersten Statorpol 14 (in 4 gezeigt) und zwei zweite Statorpole 15. Der Anker 13 hat einen länglichen zentralen Bereich 13a und zwei zueinander parallele Endbereiche 13b, die sich von zwei einander gegenüberliegenden Enden des zentralen Bereichs 13a erstrecken. Der erste Statorpol 14 springt von der Mitte des zentralen Bereichs 13a senkrecht vor. Die beiden zweiten Statorpole 15 springen von den distalen Enden der beiden Endbereiche 13b vor und erstrecken sich in Richtung zueinander. Endflächen 16 des ersten und der zweiten Statorpole 14 und 15 sind gekrümmt, voneinander beabstandet und definieren zusammenwirkend einen im Wesentlichen zylindrischen Raum 18. Der Statorkern 12 definiert ferner vier erste Durchgangsöffnungen 17 an seinen Ecken. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und die zweiten Statorpole 14 und 15 mit dem Anker 13 integral ausgebildet. Eine Spule 19 ist um den ersten Statorpol 14 gewickelt.
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Eine erste Abdeckung 20 und eine zweite Abdeckung 30 sind an zwei gegenüberliegenden Seiten des Statorkerns 12 angeordnet. Die erste und die zweite Abdeckung 20 und 30 haben jeweils eine Befestigungsöffnung 22 und 32 und definieren ferner an ihren Ecken vier zweite Durchgangsöffnungen 24 und 34. Die erste Abdeckung 20 weist ferner einen Zapfen 26 zum Stoppen der Bewegung auf, der von einer der zweiten Abdeckung 30 abgewandten Oberfläche der ersten Abdeckung 20 vorspringt und der Befestigungsöffnung 22 benachbart ist.
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Der Rotor 40 hat eine Welle 42. Ein Rotorkern 44 und eine Federanordnung 46 sind beispielsweise eng sitzend koaxial an der Welle 42 befestigt. Der Rotorkern 44 besteht aus einem paramagnetischen oder magnetisch leitenden Material wie beispielsweise Stahl oder Eisen. Der Rotorkern 44 hat drei Rotorpole 43, die entlang der Umfangsrichtung der Welle 42 gleichmäßig angeordnet sind. Der Rotorkern 44 ist in dem zylindrischen Raum 18 aufgenommen, der durch den ersten und die zweiten Statorpole 14 und 15 des Stators definiert wird, wobei zwei Endbereiche der Welle 42 an den gegenüberliegenden Enden des Rotorkerns 44 über zwei Lager 41 an der Befestigungsöffnung 22 und 32 montiert sind. Auf diese Weise kann sich der Rotor 40 hinsichtlich des Stators 10 drehen. Vier Bolzen 23 schließen die erste Abdeckung 20, den Statorkern 12 und die zweite Abdeckung 30 über entsprechende zweite Durchgangsöffnungen 24 in der ersten Abdeckung 20, die ersten Durchgangsöffnungen 17 in dem Statorkern 12 und die zweiten Durchgangsöffnungen 34 in der zweiten Abdeckung 30 zusammen. Die Federanordnung 46 umfasst ein Rohr 47, das an einem Abschnitt der Welle 42 befestigt ist, der sich aus der ersten Abdeckung 20 heraus erstreckt, einen sich von dem Rohr 47 erstreckenden Flansch 48 und ein Widerlagerelement 49, das sich von dem Flansch 48 im Wesentlichen in der axialen Richtung der Welle 42 erstreckt. Das Rohr 47 ist lose von der Torsionsfeder 50 umschlossen, wobei ihre beiden Enden an dem Widerlagerelement 49 und an dem Zapfen 26 zum Stoppen der Bewegung an der ersten Abdeckung 20 befestigt sind.
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Wenn kein Strom durch die Spule 49 fließt, zwingt die Torsionsfeder 50 den Rotor 40, in einer in 3 gezeigten ersten Position zu verharren, wobei sich das Widerlagerelement 49 mit dem Zapfen 26 zum Stoppen der Bewegung an der ersten Abdeckung 20 in Kontakt befindet. In dieser ersten Position liegt jeder der drei Rotorpole 43 etwa zwischen zwei entsprechenden Statorpolen 14 und 15 (oder zwei Statorpolen 15 und 15). Ein umfangsseitiges Ende des Rotorpols 43 ist in der Umfangsrichtung auf einen angrenzenden Statorpol 14 oder 15 ausgerichtet, während das andere Ende des Rotorpols 43 von den anderen benachbarten Statorpolen 14 oder 15 beabstandet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden die beiden Enden jedes der Rotorpole 43 einen Winkel zwischen 50 und 60 Grad hinsichtlich der zentralen Achse der Welle 42, und die beiden Enden jedes der Statorpole 14 und 15 sind etwa ein bis fünf Grad größer als jene des entsprechenden Rotorpols 43.
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Wenn der Drehmagnet 1 aktiviert wird und elektrischer Strom durch die Spule 19 fließt, erzeugen die Statorpole 14 und 15 ein Magnetfeld in dem zylindrischen Raum 18. Die Richtung und die Stärke des in dem Raum 18 erzeugten Magnetfelds sind abhängig von der Richtung und Größe des in der Spule 19 fließenden elektrischen Stroms. Zum Beispiel kann der erste Statorpol 14 als Nordpol und die beiden zweiten Statorpole 15 können als Südpole des Magnetfelds dienen. Da die Rotorpole 43 aus paramagnetischem Material bestehen, zieht das Magnetfeld in dem zylindrischen Raum 18 die Rotorpole 43 an. Unter der Kraft des Magnetfeldes drehen sich die Rotorpole 43 in Richtung auf die entsprechenden Statorpole 14 und 15 und verdrehen die Torsionsfeder 50. Wenn zwischen der Magnetkraft und der Verdrehkraft der Torsionsfeder 50 ein Gleichgewicht hergestellt ist, verharrt der Rotor 40 in einer zweiten Position, wie in 4 gezeigt. Wird der Strom abgeschaltet, dreht sich der Rotor 40 unter der Kraft der Torsionsfeder 50 zurück in die erste Position.
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Da bei dem Drehmagnet 1 drei Statorpole 14 und 15 und drei Rotorpole 43 verwendet werden, ist der Interaktionsbereich zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 40 größer als bei dem Magnet gemäß dem Stand der Technik, weshalb der Rotor 40 bei gleicher Anzahl von Spulenwindungen und bei gleichem elektrischen Strom ein höheres Drehmoment als der Drehmagnet gemäß dem Stand der Technik erzeugen würde. Da der Magnetfluss in dem ersten Statorpol 14 an den zweiten Statorpolen 15 außerdem zweigeteilt ist, ist die Sättigungsflussdichte in den zweiten Statorpolen 15 gering. Dies ist auch von Vorteil für das Ausgangsdrehmoment des Rotors 40. Da ferner im Vergleich zu einem gleich groß bemessenen Drehmagnet, der unter dem Technischen Hintergrund beschrieben ist, der Magnetflussweg zwischen dem ersten Statorpol 14, den beiden Rotorpolen 43 und dem zweiten Statorpol 15 im Wesentlichen geradlinig ist (wie anhand der gestrichelten Linie 61 in 4 dargestellt) und kürzer ist als der rechtwinkelige Magnetflussweg (anhand der gestrichelten Linie 62 in 4 dargestellt) des bekannten Magnets, ist die Magnetreluktanz in dem Statorkern 12 und in dem Rotorkern 44 deshalb relativ niedrig. Außerdem wurde festgestellt, dass die vorstehend angegebenen Winkel der Stator- und Rotorpole 14, 15 und 43 bei dem Drehmagnet 1 zu einem guten Ausgewogenheit zwischen dem hohen Ausgangsdrehmoment und dem preiswerten Material führen.
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Es versteht sich, dass die Torsionsfeder 50 nicht auf die hier beschriebene Feder beschränkt ist. Erfindungsgemäß kann die Torsionsfeder 50 geeignet sein zu bewirken, dass sich der Rotor 40 aus der zweiten Position in die erste Position dreht, wenn kein Strom durch die Spule 19 fließt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, kann die Torsionsfeder 50 eine streifenförmige Torsionsfeder 60 sein, deren eines Ende an dem Zapfen 26 zum Stoppen der Bewegung befestigt ist, während ihr anderes Ende radial durch die Welle 42 verläuft. In dieser Ausführungsform ist die Torsionsfeder 60 in der zweiten Position verdreht, was anhand der gestrichelten Linie in 5 dargestellt ist.
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Es wird auf 6 Bezug genommen, wobei sich versteht, dass ein umfangsseitiges Ende des Rotorpols 43 sich in Umfangsrichtung mit einem benachbarten Statorpol 14 oder 15 überlappen kann, während das andere umfangsseitige Ende des Rotorpols 43 von dem anderen benachbarten Pol 14/15 beabstandet ist.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
