-
Steuerung der Stellung eines angetriebenen drehbaren Organs in Abhängigkeit
von der Stellung eines treibenden drehbaren Organs mittels einer magnetischen Kupplung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Stellung eines angetriebenen
drehbaren Organs in Abhängigkeit von der Stellung eines treibenden drehbaren Organs
mittels einer magnetischen Kupplung ohne mechanischen Kontakt zwischen den Beiden
Organen.
-
Es sind bereits mit magnetischer Kupplung arbeitende Antriebsvorrichtungen
dieser Art bekannt, bei denen jedes der Organe einen Teil eines Magnetkreises bildet,
dessen magnetischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Winkelstellung des betreffenden
Organs ändert.
-
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art steuert ein vierpoliger
drehbarer Magnet über einen feststehenden Magnetkreis einen zweipoligen drehbaren
Magnet. Bei dieser Vorrichtung hat das angetriebene Organ nur zwei stabile Gleichgewichtsstellungen,
so daß dieses Organ zwar eine fortlaufende Drehung ausführen, aber keine feste,
zwischen den Gleichgewichtsstellungen liegende Winkelstellung annehmen kann. Die
Übertragung kann also bei dieser bekannten Vorrichtung nicht so durchgeführt werden,
daß jeder beliebigen Stellung des treibenden Organs eine und nur eine genau definierte
Winkelstellung des angetriebenen Organs entspricht. Vorrichtungen dieser Art eignen
sich also nicht für die Fernübertragung einer Winkelstellung.
-
Hierzu kommt noch, daß die durch die rotierenden Magnete verursachte
Hysteresis beträchtlich ist. Dies hat zur Folge, daß die auf das angetriebene Organ
ausgeübten Anziehungskräfte verschieden sind, wenn das treibende Organ zweimal nacheinander
die gleiche Lage einnimmt.
-
Das Ziel der Erfindung liegt demgegenüber in der Schaffung einer
Vorrichtung, bei welcher jeder Stellung des treibenden Organs eine genau definierte
Winkelstellung des angetriebenen Organs entspricht, so daß es möglich ist, die Winkelstellung
des treibenden Organs stetig auf das angetriebene Organ zu übertragen.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das treibende Organ
und das angetriebene Organ jeweils ein Teil aus magnetisch permeablem, aber nicht
magnetisiertem Material enthalten, das in einem magnetischen Feld beweglich ist,
das durch Joche erzeugt wird, die in sich verzweigenden Magnetkreisen durch eine
gemeinsame, feststehende Magnetisierungsquelle magnetisiert werden, und daß das
angetriebene Organ unter der Wirkung einer federnden Rückstellkraft steht, welche
der veränderlichen Anziehungskraft entgegenwirkt, die in Abhängigkeit von dem im
Magnetkreis des treibenden Organs gebildeten Luftspalt auf das angetriebene Organ
einwirkt.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine
sehr genaue und reproduzierbare
Übertragung der Winkelstellung des treibenden Organs auf das angetriebene Organ,
so daß die Vorrichtung zur Fernübertragung von Meßwerten, zur Fernsteuerung und
für ähnliche Zwecke geeignet ist.
-
Sie weist gegenüber anderen, für diese Aufgaben brauchbaren Vorrichtungen
den Vorteil auf, daß sie sehr einfach und robust aufgebaut ist und keine äußere
Energiequelle erfordert.
-
Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeidmung
dargestellt. Darin zeigt Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, Fig. 2 die entsprechende Seitenansicht in größerem Maßstab, Fig. 3
die Anwendung der Erfindung zur Bildung eines Durchflußmessers und Fig. 4 eine andere
Anwendung der Erfindung bei einem Elektroventil.
-
Bei der in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Ansführungsart
besteht das treibende Organ aus einem Zylinder 1, der um eine Achse 2 beweglich
ist, und das angetriebene Organ aus einem Zylinder 8, der um eine Achse 9 beweglich
ist. Senkrecht zu den Zylindern 1 und 8 sind zwei Joche 5 und 6 aus Weicheisen
angeordnet,
die in Ausnehmungen 51, 61 und 52, 62 enden. Diese Ausnehmnngen liegen konzentrisch
zu den Zylindern 1 und 8 und umschließen diese über einen Teil ihres Umfangs, wobei
jedoch ein ausreichendes Spiel besteht, um die freie Drehung der Zylinder zu ermöglichen.
-
Die- Joche 5 und 6 stehen ihrerseits in Berührung mit einem als Stabmagnet
ausgebildeten Permanentmagnet 16, der die zum Betrieb erforderliche Vormagnetisierung
erzeugt.
-
Jeder der Zylinder 1 und 8 ist durch Verbindung von zwei magnetisch
heterogenen Sektoren gebildet: einem Sektor3 bzw. 11 aus magnetisch permeablem Material
(z.B. Schwedenstahl) und einem Sektor 4 bzw. 12 aus einem nichtmagnetischen Material,
beispielsweise Edelstahl.
-
Der angetriebene Zylinder 8 trägt einen Anschlag 20. Ferner steht
er unter der Wirkung einer Spiralfeder 15, die an der Achse 9 befestigt ist. Diese
Feder sucht den Zylinder 8 in die Stellung zu bringen, in welcher der magnetische
Sektor 11 völlig außerhalb der Polschuhausnehmungen 52, 62 steht (Stellung des größten
magnetischen Widerstands), wobei die Linie 21, welche die beiden Sektoren 11 und
12 trennt, in der Richtung A-A liegt und der Anschlag 20 mit einem feststehenden
Gegenlager in Berührung kommt.
-
Die Vorrichtung hat folgende Wirkungsweise, wobei angenommen wird,
daß in der Ausgangsstellung der Magnetsektor 11 des angetriebenen Zylinders 8 in
der Stellung des maximalen magnetischen Widerstands liegt, während der Magnetsektor
3 des treibenden Zylinders 1 völlig im Inneren der Polschuhausnehmungen 51, 61 steht
(Stellung des minimalen magnetischen Widerstands).
-
Der vom Magnet 16 kommende Magnetfluß F teilt sich auf der Höhe der
Joche 5 und 6 in zwei Teile: der eine Teil Ei entspricht dem Magnetfluß, der zu
der Polschuhausnehmung 51 über den Sektor 3 des Zylinders 1, die Polschuhausnehmung
61 und zurück zum Joch 6 verläuft.
-
Der andere Teil F2 des Flusses geht zur Polschuhausnehmung52, über
den Sektor 11 des Zylinders8, die Polschuhausnehmung 62 und zurück zum Joch 6.
-
Die Flüsse sind in Fig. 1 schematisch dargestellt.
-
Bis auf die Streuung entsprechen sie der Gleichung F = F1 + Fs" wobei
in der angenommenen Ausgangsstellung, sehr viel größer als F2 ist.
-
Wenn man durch beliebige mechanische Mittel den Zylinder 1 um einen
Winkel a in der Richtung k dreht (Fig. 2), vergrößert sich der Luftspalt auf der
Höhe der Polschuhausnehmungen 51, 61, und als Folge davon nimmt das Verhältnis F11F2
ab. F2 wächst, wodurch das magnetische Drehmoment vergrößert wird, das dauernd auf
den Zylinder 8 einwirkt.
-
Dieser dreht sich dann in der Richtung h' um einen Winkel a', bis
wieder Gleichgewicht zwischen dem magnetischen Drehmoment und dem (von der Feder
15 erzeugten) Rückstelldrehmoment besteht.
-
Jeder Stellung des treibenden Zylinders 1 bei seiner Drehung entspricht
also eine bestimmte Stellung des angetriebenen Zylinders 8.
-
Die Erfahrung zeigt ferner, daß die so gebildete Kopplungsanordnung
keine Hysteresis aufweist, und daß dementsprechend das angetriebene Organ eine sehr
große Einstellgenauigkeit zeigt, selbst dann, wenn das treibende Organ Hin- und
Herbewegungen ausfiihrt.
-
Dieses Ergebnis läßt sich dadurch erklären, daß die Verschiebung
des Punktes, der den Magnetisierungszustand jedes Volumenelements des Magnets (in
einem
System mit den Koordinaten B= Induktion und H = Feldstärke) darstellt, auf
einer sehr schmalen Rücklaufschleife stattfindet, die in erster Annäherung einem
Abschnitt einer Geraden entspricht.
-
Infolge dieser Eigenart ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in erster
Linie zur Durchführung einer Ferneinstellung geeignet, die insbesondere bei Meßinstrumenten
anwendbar ist.
-
Ein besonderes Anwendungsfeld findet die Erfindung auf dem Gebiet
der chemischen Industrie und der Atomtechnik, wenn es beispielsweise infolge der
Radioaktivität der Umgebung erforderlich wird, eine Fernübertragung einer Winkelstellung
oder eine Fernsteuerung durchzuführen.
-
In dem Beispiel von Fig. 3 ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung
die Messung einer Strömung in einem Kanal 31, der von einem korrodierenden oder
radioaktiven Medium 32 durchströmt wird, ohne mechanischen Kontakt.
-
Der Zylinder 1, der eine Kugel 33 trägt, liegt in einer Kammer 34,
die in dem Kanal 31 angebracht ist.
-
Diese Kammer weist eine Wand 35 auf, die in dem Luftspalt zwischen
dem Zylinder 1 und der Ausnehmung 51 des Jochs 5 liegt. Die Wand 35 kann auf der
Höhe der Polschuhausnehmungen 51 und 61 aus einem permeablen Material bestehen,
so daß der Luftspalt und damit das Volumen des Magnets verringert werden. Der angetriebene
Zylinder 8, der mit einer Rückstellfeder 15 versehen ist, trägt einen Zeiger 36,
der sich vor einer Skala 37 bewegt.
-
Die Verstellungen des Zeigers 36 folgen den Stellungen der Kugel
33 und ändern sich also im gleichen Sinn wie die Strömungsmenge des Mediums.
-
Es genügt also, die Skala 37 zu eichen, um einen sehr genauen Durchflußmesser
zu erhalten.
-
Ohne Eichung kann eine solche Vorrichtung dazu verwendet werden,
den Umlauf des Mediums in der als unzugänglich angenommenen Leitung 31 zu überwachen.
-
Es ist zu bemerken, daß es die Form der in dem Kanal 31 und der Kammer
34 untergebrachten Teile ermöglicht, sie ohne Schwierigkeit aus einem korro sionsbeständigen
nichtmagnetischen Material zu fertigen oder mit einem solchen zu überziehen.
-
Wenn die Vorrichtung an einer Leitung angebracht werden soll, die
nicht waagerecht liegt, braucht man nur den Schwerpunkt der Gesamtheit der treibenden
Teile auf die Drehachse 2 zu legen.
-
Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung zeigt die Anwendung der Erfindung
zur Servosteuerung. Sie ermöglicht es, automatisch einen zusätzlichen Widerstand
41 in Serie zu der Wicklung42 eines Elektroventils zu schalten, dessen Schaft bei
43 und dessen Ventilteller bei 44 dargestellt sind. Dies geschieht dann, wenn der
Schaft eine bestimmte Stellung erreicht hat. Das Ventil liegt in einer Leitung 45,
46, durch die ein radioaktives Gas strömt.
-
Der Schaft 43 des Elektroventils ist über eine Kurbel 47 mit dem
Zylinder 1 verbunden, der innerhalb des dichten Raumes liegt. Der angetriebene Zylinder
8 trägt den beweglichen Kontakt 48 eines Schalters, der parallel zum Widerstand
41 im Speisestromkreis 49 der Spule 42 liegt. Dieser Stromkreis enthält einen Schalter
51 und eine Stromquelle 52.
-
Diese Anordnung hat die folgende Wirkungsweise, wenn angenommen wird,
daß sie die in Fig. 4 gezeigte Stellung einnimmt, in welcher das Ventil 44 geschlossen
ist.
-
Wenn der Schalter 51 geschlossen wird, wird die Wicklung 42 erregt,
so daß sie den Schaft 43 anzieht.
-
Dadurch öffnet sich das Ventil 44, wodurch der Zylinder 1 gedreht
wird.
-
Dies hat zur Folge, daß sich der Zylinder 8 in der gleichen Richtung
dreht, so daß der Kontakt 48 geöffnet wird und den Widerstand 41 zur Wirkung bringt.
Dadurch wird es möglich, den Verbrauch der Wicklung42 herabzusetzen, sobald der
Schaft43 die obere Stellung erreicht hat.
-
Es ist offensichtlich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß diese alle möglichen konstruktiven Veränderungen
erfahren können. Dies trifft insbesondere den Aufbau der drehbaren Zylinder, deren
Abschnitte nicht unbedingt symmetrisch zur Drehachse angeordnet sein müssen. Ferner
kann das Rückstelldrehmoment des angetriebenen Organs auch dadurch erreicht werden,
daß der Schwerpunkt exzentrisch zur Drehachse angeordnet wird.
-
Andererseits kann der Magnet 16 durch einen Elektromagnet ersetzt
werden. Schließlich müssen die Joche 5 und 6 nicht notwendigerweise rechteckig sein.
-
PATENTANSPROCHE: 1. Vorrichtung zur Steuerung der Stellung eines
angetriebenen drehbaren Organs in Abhängigkeit von der Stellung eines treibenden
drehbaren Organs mittels einer magnetischen Kupplung ohne mechanischen Kontakt zwischen
den beiden Organen, wobei jedes der Organe einen Teil eines Magnet kreises bildet,
dessen magnetischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Winkelstellung des betreffenden
Organs ändert, dadurch gekennzeichnet, daß das treibende Organ (1) und das angetriebene
Organ (8) jeweils ein Teil (3 bzw. 4) aus magnetisch permeablem, aber nicht magnetisiertem
Material enthalten, das in einem magnetischen
Feld beweglich ist, das durch Joche
(5, 6) erzeugt wird, die in sich verzweigenden Magnetkreisen durch eine gemeinsame,
feststehende Magnetisierungsquelle (16) magnetisiert werden, und daß das angetriebene
Organ (8) unter der Wirkung einer federnden Rückstellkraft (15) steht, welche der
veränderlichen Anzitehungskraft entgegenwirkt, die in Abhängigkeit von dem im Magnetkreis
des treibenden Organs (1) gebildeten Luftspalt auf das angetriebene Organ (8) einwirkt.