DE10204460A1 - Drehmagnet - Google Patents

Abstract

Ein Drehmagnet weist ein mit einer Erregerwicklung (13) versehenes Joch (11), an dem mindestens ein Paar voneinander diametral gegenüberliegenden Polschuhen (12) ausgebildet ist, und einen zwischen den Polschuhen (12) drehbar angeordneten Anker (14) auf, der mindestens ein Paar von zueinander diametral ausgerichteten Ankerschenkeln (141, 142) hat, deren Außenflächen (14a) eine gleiche Kontur wie die Polschuhflächen (121) besitzen und jeweils mit einem der Polschuhflächen (121) einen Luftspalt (17) begrenzen. Zur Erzielung eines ausreichend großen Drehmoments über einen relativ großen Drehwinkel des Ankers (14) ist die Konturenausbildung der Polschuhflächen (121) und der zugeordneten Ankerschenkel-Außenflächen (14a) so vorgenommen, daß mit zunehmendem Drehwinkel des Ankers (14) sich die radiale Breite der Luftspalte (17) zwischen den Polschuhen (12) und den Ankerschenkeln (141, 142) verkleinert (Fig. 1).

Description

Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem Drehmagneten, insbesondere für rotatorisch zu betätigende Dichtelemente in Strömungsventilen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein bekannter Drehmagnet dieser Art wird beispielsweise in einem Drehankerrelais oder Z-Ankerrelais als Antriebsglied für den Schaltkontakt eingesetzt (Philippow, Band 5, Seite 862, Tafel 4.6, VEB Verlag Technik, Berlin 1980). Die Konturen der Polschuhoberflächen der beiden Polschuhe und die Außenkonturen der beiden Ankerschenkel haben die Form von Kreisbogenabschnitten und weisen damit eine konstante Krümmung auf. Ein solcher Drehmagnet liefert ein ausreichend großes Drehmoment und damit eine ausreichende Verstellkraft in einem kleinen Drehwinkelbereich. Für Verstellbewegungen über einen größeren Drehwinkelbereich, z. B. 60°, mit einer großen, vorzugsweise über den gesamten Drehwinkelbereich konstanten Verstellkraft ist dieser Drehmagnet dagegen weniger geeignet, da bei einem solchen Drehwinkelbereich sehr große Luftspalte zwischen Anker Joch auftreten und damit der magnetische Widerstand zur Ausbildung des Magnetfelds sehr hoch ist. Die Magnetkraft und das daraus resultierende Drehmoment zur Ankerbewegung ist dadurch relativ klein.
• Vorteile der Erfindung
• Der erfindungsgemäße Drehmagnet mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die erfindungsgemäße Konturenausbildung an den Jochpolschuhen und an den Ankerschenkeln auch bei großen Drehwinkeln sich das Magnetfeld optimal über den Luftspalt ausbreiten kann. Eine solche Kontur wird in einfacher Weise durch eine sich stetig ändernde Krümmung der einander zugekehrten Flächen von Polschuhen und Ankerschenkeln erreicht, wobei die Krümmung mit zunehmenden Drehwinkel zunimmt. Die am Anker durch Bestromung der Erregerwicklung angreifenden Magnetkräfte stehen in jedem Punkt der Kontur der Ankerschenkel-Außenflächen senkrecht zu einer an den Konturpunkt angelegten Tangente. Diese Magnetkräfte weisen jeweils eine durch die Drehachse des Ankers gehende Kraftkomponente und eine hierzu rechtwinklige, in Drehrichtung des Ankers weisende Kraftkomponente auf. Während die durch die Drehachse verlaufenden Kraftkomponenten sich gegenseitig aufheben, bilden die zu diesen Kraftkomponenten senkrechten Kraftkomponenten mit dem Konturradius des Ankers ein Drehmoment, welches den Anker aus seiner Endlage herausdreht. Mit zunehmendem Drehwinkel des Ankers verringern sich zwar die Wirkflächen zwischen Anker und Joch unter jedem Polschuh, doch wird gleichzeitig die radiale Luftspaltbreite kleiner, so daß insgesamt die Magnetkraft, die den Anker dreht, über den Gesamtdrehbereich annähernd konstant bleibt. Durch Auswahl der Krümmung der Konturen kann die Magnetkraft beeinflußt werden.
• Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Drehmagneten möglich.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat die Kontur der Polschuhflächen und die Kontur der Ankerschenkel-Außenfläche die Form eines Abschnitts einer Spirale. Eine Spirale ist als Kurve definiert, deren Radiusvektor r eine eindeutige Funktion des Winkels φ ist, wobei der Winkel von φ = 0 bis φ = ∞ geht. Bei einer spiralförmigen Kontur der Ankerschenkel-Außenfläche sind die das Drehmoment erzeugenden Magnetkraftkomponenten über den Umfang der Ankerschenkel-Außenflächen gleich groß.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kontur der Polschuhflächen und der Ankerschenkel-Außenflächen einen Abschnitt einer Evolvente auf. Durch die stärkere Krümmung einer Evolvente gegenüber einer Spirale nehmen die zum Drehmoment beitragenden Magnetkraftkomponenten an jedem Punkt der Außenflächen über den Umfang eines Ankerschenkels zu, so daß insgesamt ein größeres Drehmoment erzielt wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Drehachse des Ankers und die Mittelpunkte der Konturen der Polschuhflächen und der Konturen der Ankerschenkel-Außenflächen deckungsgleich.
• Wird ein größeres Drehmoment gewünscht, so sind die Mittelpunkte der Konturen der Polschuhflächen und der jeweils zugeordneten Kontur der Ankerschenkel- Außenflächen um eine Exzentrizität e gegenüber der Drehachse des Ankers versetzt. Die Konturmittelpunkte der Kontur jeder Polschuhfläche und der zugeordneten Kontur der Ankerschenkel-Außenfläche bleiben jedoch kongruent, um die Drehbewegung des Ankers im Joch zu gewährleisten. Durch die Exzentrizität der Konturmittelpunkte gegenüber der Drehachse wird der Hebelarm der an der Außenkontur des Ankers angreifenden Magnetkraftkomponenten, die sich rechtwinklig zu den durch die Drehachse des Ankers gehenden Magnetkraftkomponenten erstrecken, vergrößert und damit das Drehmoment gesteigert.
• Der erfindungsgemäße Drehmagnet wird bevorzugt in Wasserventilen im Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine eingesetzt, wobei der Anker starr mit einem drehbaren Dichtelement des Wasserventils gekoppelt ist. Durch die Steuerung des Durchflusses mittels eines rotatorisch angetriebenen Dichtungselements wird der Strömungswiderstand minimiert, wobei die Rotationsbewegung des Dichtelements ohne Umsetzung direkt von der Drehbewegung des Ankers im Drehmagneten abgeleitet ist.
Zeichnung
• Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
• Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Drehmagneten,
• Fig. 2 und 3 jeweils ausschnittweise eine Seitenansicht des Drehmagneten in Fig. 2 und 3 mit zwei unterschiedlichen Endlagen des Ankers,
• Fig. 4 und 5 jeweils eine gleiche Darstellung wie in Fig. 2 und Fig. 3 eines gegenüber dem Drehmagneten in Fig. 1 modifizierten Drehmagneten,
• Fig. 6 eine Ansicht eines Drehmagneten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
• Fig. 7 einen Längsschnitt eines von dem Drehmagneten betätigten Strömungventils.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• Der in Fig. 1 schematisch in perspektivischer Darstellung gezeigte Drehmagnet weist ein U-förmiges Joch 11 aus ferromagnetischem Material auf, das als sog. Eisenblechpaket aus einer Vielzahl von gleichen Blechstanzschnitten zusammengesetzt ist. An den Schenkelenden des U-förmigen Jochs 11 ist ein Paar von gleichen, einander diametral gegenüberliegenden Polschuhen 12 ausgebildet, die zwischen sich einen drehbar gelagerten Anker 14 aufnehmen. Auf dem die Schenkel des Jochs 11 verbindenden Jochsteg ist eine Erregerwicklung 13 aufgebracht.
• Der ebenfalls aus Blechstanzschnitten zusammengesetzte, walzenförmige Anker 14 weist zwei zueinander diametral ausgerichtete Ankerschenkel 141, 142 auf, die identisch ausgebildet sind. Jeweils ein Ankerschenkel 141 bzw. 142 ist einem der Polschuhe 12 zugeordnet. Die Kontur 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 und die Kontur 16 der den Ankerschenkeln 141, 142 unter Belassung jeweils eines Luftspalts 17 gegenüberliegenden Polflächen 121 sind gleich ausgebildet und weisen eine sich stetig ändernde Krümmung auf, die ausgehend von der Fig. 1 gezeigten Endlage des Ankers 14 (Drehwinkel gleich Null) mit zunehmendem Drehwinkel zunimmt. Dabei ist der Krümmungsmittelpunkt der Kontur 15 der Außenfläche 14a des Ankerschenkels 141 mit dem Krümmungsmittelpunkt 18 der Kontur 16 der in Fig. 1 oberen Polschuhfläche 121 sowie der Krümmungsmittelpunkt 19 der Kontur 15 der Außenfläche 14a des Ankerschenkels 142 mit dem Krümmungsmittelpunkt der Kontur 16 der in Fig. 1 und 2 unteren Polschuhfläche 121 jeweils deckungsgleich. Dies ist erforderlich, damit eine Drehbewegung des Ankers 14 zwischen den Polschuhflächen 121 gewährleistet ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 fallen die beiden genannten Krümmungsmittelpunkte 18, 19 der Konturen 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 und der Konturen 16 der Polschuhflächen 121 zudem mit der Drehachse 20 des Ankers 14 zusammen. Wie nur in Fig. 2 angedeutet ist (ohne, daß es auf die dort dargestellten Konturen 15, 16 zutrifft), können die beiden Krümmungsmittelpunkte 18, 19 auch um einen Radialabstand, einer sog. Exzentrizität e, gegenüber der Drehachse 20 versetzt werden. Hierdurch werden die Konturen 16 der Polschuhflächen 121 und die Konturen 15 der Ankerschenkel- Außenflächen 14a nach außen verschoben, und durch die damit bewirkte Vergrößerung des Hebelarms bei am Anker 14 angreifender, unveränderter Magnetkraft ein größeres Drehmoment erzielt.
• Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1-3 ist die sich stetig ändernde Krümmung der Kontur 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 und der Kontur 16 der Polschuhflächen 121 der Polschuhe 12 dadurch realisiert, daß sie als gleiche Abschnitte einer Spirale ausgeführt sind. In Fig. 2 und Fig. 3 ist dargestellt, wie die durch das Magnetfeld erzeugten Magnetkräfte am Anker 14 durch die Spiralkontur beeinflußt werden. Wird jede in den einzelnen Konturpunkten am Anker 14 angreifende Magnetkraft 21, die immer rechtwinklig auf einer im Konturpunkt angelegten Tangente steht, in ihrer Komponenten 22 und 23 aufgeteilt und zwar in eine durch die Drehachse 20 gehende Komponente 22 und eine dazu senkrecht stehende Komponente 22, die sog. Normale, so erkennt man, daß jede Magnetkraftkomponente 23 mit dem Konturradius des Ankers 14 ein Drehmoment erzeugt, während die Magnetkraftkomponenten 22, die durch die Drehachse 20 gehen, sich gegenseitig aufheben.
• In der Darstellung der Fig. 2 befindet sich der Anker 14 noch in seiner Endlage, in welcher er bei nicht bestromter Erregerwicklung 13 durch eine hier nur schematisch dargestellte Rückstellfeder 10 gehalten bzw. in diese zurückgestellt wird. Durch Bestromen der Erregerwicklung 13 greifen die vorstehend beschriebenen Magnetkräfte am Anker 14 an und drehen diesen in Fig. 2 und 3 entgegen Uhrzeigersinn. In Fig. 3 ist der Anker 14 in seiner maximalen Auslenkung durch das Magnetfeld dargestellt. Bei der Drehung des Ankers 14 werden die Wirkflächen zwischen den Ankerschenkeln 141 und 142 und den zugeordneten Polschuhen 12 zwar stetig verringert, doch verringert sich auch die radiale Breite der Luftspalte 17 zwischen den Polschuhflächen 121 und den Ankerschenkeln 141, 142, so daß der magnetische Widerstand abnimmt. Dadurch wird der Abnahme der Magnetkraft durch die Verringerung der Wirkflächen zwischen Anker 14 und Polschuhen 12 entgegengewirkt, so daß die am Anker 14 über den Drehbereich angreifende Magnetkraft im wesentlichen konstant bleibt.
• Will man bei unveränderter Magnetkraft ein größeres Drehmoment am Anker 14 abnehmen, so sind - wie bereits vorstehend beschrieben - die Krümmungsmittelpunkte 18, 19 der Konturen 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 und der diesen jeweils zugeordneten Konturen 16 der Polschuhflächen 121 gegenüber der Drehachse 20 radial zu versetzen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
• Der in Fig. 4 und 5 dargestellte Drehmagnet ist gegenüber dem zuvor beschriebenen Drehmagneten gemäß Fig. 1-3 insofern modifiziert, als die Konturen 16 der Polschuhflächen 121 und die Konturen 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 jeweils als gleiche Abschnitte einer Evolvente ausgebildet sind. Wie der Darstellung der am Ankerumfang angreifenden Magnetkräfte in Fig. 4 und 5 zu entnehmen ist, sind durch die größere Krümmungsänderung in der Evolvente gegenüber der Spirale die zum Drehmoment am Anker 14 beitragenden Magnetkraftkomponenten 23 größer und nehmen an jedem Ankerschenkel 141 in Drehrichtung 24 zu. Damit wird bei der Konturenausbildung als Evolvente gegenüber der Konturenausbildung als Spirale bei gleichem Radius des Ankers 14 ein größeres Drehmoment erzeugt.
• Bei dem in Fig. 6 dargestellten, weiteren Ausführungsbeispiel eines Drehmagneten sind am Joch 11 zwei Polschuhpaare mit jeweils zwei diametral einander gegenüberliegenden Polschuhen 12' vorhanden, wobei die Polschuhe 12' um gleiche Winkel gegeneinander versetzt angeordnet sind. Entsprechend weist der Anker 14' eine gleiche Anzahl von diametralen Ankerschenkeln 141', 142' auf, die um den gleichen Umfangswinkel zueinander versetzt sind wie die Polschuhe 12'. Jeweils ein Ankerschenkel 141' bzw. 142' ist einem der Polschuhe 12' zugeordnet und weist in der durch die Rückstellfeder festgelegten Grundstellung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, eine Wirkfläche auf, die gleich der Polschuhfläche 121' des zugeordneten Polschuhs 12' ist. Auf die die Polschuhe 12' verbindenden Schenkel des Jochs 11' sind insgesamt vier Erregerwicklungen 13' aufgewickelt, die so bestromt werden, daß im Joch 11' ein durch die in Fig. 6 dargestellten Pfeile symbolisierter Magnetfluß entsteht. Die Wirkungsweise des Drehmagneten gemäß Fig. 6 stimmt mit der Wirkungsweise der zuvor beschriebenen Drehmagneten überein, so daß hierauf Bezug genommen wird. Die Konturen 15 der Außenfläche 14a der Ankerschenkel 141', 142' und die Konturen 16 der Polschuhflächen 121 der Polschuhe 12' sind wiederum als Abschnitt einer Spirale oder einer Evolvente ausgebildet.
• Die vorstehend beschriebenen Drehmagneten werden bevorzugt zur Betätigung von Wasserventilen im Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Bei einem solchen Wasserventil als Ausführungsbeispiel für ein allgemeines Strömungsventil hat sich gezeigt, daß der Strömungswiderstand, den das Ventil dem Wasserdurchfluß entgegensetzt, wesentlich geringer ist, wenn das Dichtelement zum Öffnen und Schließen des Ventils nicht eine - wie bisher üblich - translatorische, sondern eine rotatorische Bewegung ausführt. Daher ist in dem Ventilkörper 26 eine zylindrische Ventilkammer 27 ausgebildet, die mit einem Zuflußstutzen 28 und einem Ablaufstutzen 29 in Verbindung steht. Durch die Ventilkammer 27 läuft eine drehend gelagerte Welle 31 koaxial hindurch, auf der ein Dichtelement 30 drehfest angeordnet ist. Das Dichtelement 30 ist gegenüber der Zylinderinnenwand der Ventilkammer 27 mit Dichtlippen 301 abgedichtet. Die Welle 31 ist drehfest mit dem Anker 14 des Drehmagneten, wie er in Fig. 1-6 dargestellt ist, verbunden. Durch entsprechende Bestromung der Erregerwicklung 13 kann das Dichtelement 30 aus seiner Ventilschließstellung in eine das Ventil öffnende Offenstellung überführt werden, wie sie in Fig. 7 strichliniert eingezeichnet ist.

Claims (11)

1. Drehmagnet, insbesondere für rotatorisch zu betätigende Dichtelemente in Strömungsventilen, mit einem Joch (11) aus ferromagnetischem Material, mit mindestens einer vom Joch (11) aufgenommenen Erregerwicklung (13), mit mindestens einem Paar von am Joch (11) ausgebildeten, einander diametral gegenüberliegenden Polschuhen (12), deren einander zugekehrte Polschuhoberflächen (121) eine gleiche, gekrümmte Kontur (16) aufweisen, und mit einem zwischen den Polschuhen (12) drehbar angeordneten Anker (14), der mindestens ein Paar von zueinander diametral ausgerichteten Ankerschenkeln (141, 142) aufweist, deren Außenflächen (14a) eine gleiche Kontur (15) wie die Polschuhflächen (121) aufweisen und jeweils mit einem der Polschuhflächen (121) einen Luftspalt (17) begrenzen, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Konturen (15, 16) von Polschuhflächen (121) und zugeordneten Ankerschenkel-Außenflächen (14a), daß mit zunehmendem Drehwinkel des Ankers (14) sich die radiale Luftspaltbreite der Luftspalte (17) zwischen den Polschuhen (12) und den Ankerschenkeln (141, 142) reduziert.

2. Drehmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen (15, 16) der Polschuhflächen (121) und der Ankerschenkel-Außenflächen (14a) eine sich stetig ändernde Krümmung aufweisen, die über den Drehwinkelbereich des Ankers (14) zunimmt.

3. Drehmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (15, 16) von Polschuhflächen (121) und Ankerschenkel-Außenflächen (14a) jeweils ein Abschnitt einer Spirale ist.

4. Drehmagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (15, 16) von Polschuhflächen (121) und Ankerschenkel-Außenflächen (14a) jeweils ein Abschnitt einer Evolvente ist.

5. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturmittelpunkte (17, 18) der Konturen (15, 16) jeder Polschuhfläche (121) und der zugeordneten Ankerschenkel-Außenfläche (14a) kongruent sind.

6. Drehmagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (20) des Ankers (14) und die kongruenten Konturmittelpunkte (17, 18) der Konturen (15, 16) der Polschuhflächen (121) und Ankerschenkel-Außenflächen (14a) deckungsgleich sind.

7. Drehmagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kongruenten Konturmittelpunkte (17, 18) der Konturen (15, 16) jeder Polschuhfläche (121) und der zugeordneten Ankerschenkel-Außenflächen (14a) eine Exzentrizität (e) gegenüber der Drehachse (20) des Ankers (14) aufweisen.

8. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß am Anker (14) eine Rückstellfeder (10) angreift, die bei stromloser Erregerwicklung (13) den Anker (14) in einer Enddrehlage hält und diesen nach Auslenkung in die Endlage zurückführt.

9. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhflächen (121) und Ankerschenkel-Außenflächen (14a) annähernd flächengleich ausgebildet sind.

10. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß am Joch (11') mindestens zwei Polschuhpaare mit jeweils diametral einander gegenüberliegenden Polschuhen (12') vorhanden sind und daß der Anker (14') eine gleiche Anzahl von diametralen Ankerschenkeln (141', 142') aufweist, die um einen gleichen Winkel zueinander versetzt sind wie die Polschuhe (12').

11. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem Wasserventil (25) im Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine, indem der Anker (14) starr mit einem drehbaren Dichtelement (30) des Wasserventils (25) gekoppelt ist.