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Elektromagnetischer Schrittantrieb In Fernzählanlagen, Summenmeßeinrichtungen,
kontaktgesteuerten Zählern sowie in Regelanlagen u. dgl. werden vielfach Drehrelais
verwendet. Mittels dieser Drehrelais, auch Schrittmotore genannt, lassen sich elektrische
Impulse in eine schrittweise Drehbewegung verwandeln. Bei jedem ankommenden Impuls
dreht sich die Achse eines solchen Relais um einen bestimmten Drehschritt jeweils
in der gleichen Richtung und kann dabei ein Zählwerk, insbesondere ein schwergängiges
Tarifzählwerk oder einen Regelmechanismus, antreiben.
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Bei den bekannten Ausführungen wird meist ein lamellierter Stator
mit vier Polen verwendet, auf denen je eine Wicklung sitzt. Bei einer dieser bekannten
Konstruktionen sind die gegenüberliegenden Wicklungen zu einem Ständerpolpaar hintereinandergeschaltet.
In der Mitte befindet sich ein im Prinzip S-förmiger Läufer. Durch einen eintreffenden
Impuls wird dabei das eine Ständerpolpaar beaufschlagt. Dabei stellt sich der Läufer
in die Richtung der magnetischen Achse dieses Ständerpolpaares. Durch den nächsten
elektrischen Impuls wird das zweite Ständerpolpaar erregt, und der Läufer dreht
sich um 90° um die magnetische Achse dieses Ständerpolpaares, denn er hat immer
die Tendenz, sich so einzustellen, daß der magnetische Widerstand zwischen gegenüberliegenden
Polen möglichst klein wird. Da der Läufer unsymmetrisch ausgebildet ist, kann er
sich immer nur in der gleichen Richtung bewegen. Außerdem ist dafür zu sorgen, daß
von jedem Impuls abwechselnd nur ein Ständerpolpaar beaufschlagt wird. Besitzen
die aufeinanderfolgenden Impulse unterschiedliche Stromrichtung, so läßt sich diese
dadurch erreichen, daß man den Ständerpolpaaren Gleichrichter vorschaltet, die entgegengesetzte
Durchlaßrichtung haben.
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Außer diesem schaltungstechnischen Nachteil sind bei dieser Ausführung
vier getrennte Erregerspulen erforderlich, wodurch Kosten und ungenutzte Hohlräume
entstehen.
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Es sind aber auch schon elektromagnetische Schrittantriebe zur Umwandlung
elektrischer Impulse in eine schrittweise Drehbewegung bekannt, bei denen ein Läufer
mit mehreren in Umfangsrichtung abwechselnd polarisierten, durch Dauermagnete gebildeten
Polen vorgesehen ist und die ein Statorgehäuse besitzen, das eine konzentrisch angeordnete
Erregerspule aufnimmt. Bei diesen Antrieben besteht das Statorgehäuse aus Weicheisengehäusehälften,
die auch die Statorpole bilden. Die Statorpole sind zur Erzielung einer eindeutigen
Drehrichtung so ausgebildet, daß die Luftspalte zwischen ihnen und den Rotorpolen
in der Drehrichtung kontinuierlich abnehmen und sich am Ende einer Polteilung sprunghaft
erweitern. Diese Ausbildung ist zwar günstiger als die eingangs erwähnte Konstruktion,
jedoch befriedigt sie auch nicht restlos, denn die Bildung der Statorpole, die von
den Gehäusehälften rechtwinklig abgebogen werden müssen, erfordert verhältnismäßig
viel Aufwand. Außerdem ist hierbei auch nachteilig, daß die magnetischen Feldlinien
die Luftspalte parallel zur Läuferachse durchsetzen müssen, so daß im Läufer axiale
Kräfte auftreten.
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Die Erfindung bezweckt, die an sich günstige Bauweise des elektromagnetischen
Schrittantriebes der zuletzt genannten Art soweit zu verbessern, daß die erwähnten
Nachteile beseitigt werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die
Gehäuseschalen an der Innenseite der Erzeugerspule offen ausgebildet sind und die
Statorpole in den beidseitigen Deckflächen der Gehäuseschalen liegen, wobei sie
von den Rändern dieser Flächen gebildet werden, während die die Rotorpole bildenden
Dauermagnete so angebracht sind, daß die Pole zur Erzielung eines radialen Feldlinienverlaufs
in den Luftspalten ebenfalls in den Ebenen der Deckflächen liegen.
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In einer vorteilhaften Ausführung besteht der Läufer aus einem zylindrischen
Kern aus weichem Eisen, an dessen beiden Stirnflächen permanente Magnete angebracht
sind. Diese Magnete bestehen aus kreuzförmig ausgestanzten Blechen und sind so magnetisiert,
daß, über den Umfang gesehen, jeweils Pole entgegengesetzter Polarität einander
abwechseln. Diese Pole stehen den Statorspulen gegenüber und stellen sich in Richtung
der magnetischen Achse. Durch eine unsymmetrische Ausbildung der Statorpole wird
eine eindeutige Drehrichtung des Läufers. erzielt.
Mit einigen Abänderungen
kann. ein » derartiges Drehrelais auch als mechanisches Umschaltrelais verwendet
werden. Zu dem Zweck ist das Poleisen des Stators etwa oval ausgestanzt, wobei der
kleinste Durchmesser etwas größer als der Durchmesser des Läufers ist. Ein permanenter
Magnet mit zwei Nord-und Südpolen, von denen je ein Nord- und Südpol einmal etwa
60° und das andere Mal etwa 120° versetzt sind, wechselt dann bei der Ummagnetisierung
des Statoreisens jeweils die Drehrichtung. Die Poleisen des Stators können in diesem
Fall auch aus ebenen Eisenscheiben bestehen, die am äußeren Rand der Statorspule
angeordnet sind. Dadurch wird bei einem Läufer, wie er oben beschrieben wurde, der
gleiche Effekt erzielt.
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In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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Fig. 1 a und 1 b zeigen den Aufbau eines Drehrelais, und zwar stellt
Fig. 1 b einen Schnitt in Achsrichtung dar, während Fig. 1 a einen Schnitt quer
zur Achse längs der Linie I-1 in Fig. 1 b zeigt; Fig. 2 stellt entsprechend Fig.1
b einen Axialschnitt des Drehrelais mit einigen Konstruktionsabänderungen dar; in
Fig. 3 a und 3 b ist ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Abänderungen dargestellt;
Fig. 3 a zeigt wieder einen Axialschnitt und Fig. 3 b einen Schnitt längs der Linie
III-III in Fig. 3 a; Fig. 4 zeigt ein Schaltbild, nach dem man das Drehrelais mittels
eines einfachen Ausschalters betätigen kann; Fig. 5 und 6 stellen die Ausführung
des Drehrelais als mechanisches Umschaltrelais dar.
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Einander entsprechende Teile sind in den verschiedenen Figuren mit
den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Teile 1 und 2 in Fig. 1 a und 1 b, die schalenförmig gestaltet
sind, bestehen aus weichem Eisen und bilden den Stator und zugleich auch die Statorpole
des Drehrelais. In dem von ihnen gebildeten Hohlraum ist die Spule 3 untergebracht.
In der Mitte befindet sich der drehbare Läufer. Der Läufer besteht aus der Achse
4, zwei vierpoligen Magneten 5 und 6 sowie einem zylindrischen Innenkern 7 aus weichem
Eisen, an dem die Magnete 5 und 6 befestigt sind. Die beiden Magnete sind hinsichtlich
ihrer Polarität um 90° gegeneinander versetzt. Die Statorpole 8 und 9, die von den
Rändern der ausgeschnittenen Deckflächen der Schalen gebildet werden, sind in Läuferdrehrichtung,
wie insbesondere aus Fig. 1 a hervorgeht, unsymmetrisch ausgebildet. Die Magnete
5 und 6 sind so am Innenkern befestigt, daß ihre Pole in den Deckflächenebenen des
Statorgehäuses liegen. Bei der Erregung durch einen Gleichstromstoß sollen die Pole
8 und 9 die eingetragene Polarität annehmen. Durch die entsprechenden magnetischen
Kräfte- nimmt infolgedessen der Läufer die dargestellte Lage ein, so daß sich ungleichnamige
Pole gegenüberstehen. Wird nun der Erregerstrom umgepolt, so muß der Läufer in eine
solche Lage umspringen, daß sich erneut ungleichnamige Pole gegenüberstehen. Durch
die unsymmetrische Ausbildung der Statorpole wird eine eindeutige Drehrichtung erzielt.
Die Drehmomentbildung hängt dabei von der Luftspaltänderung pro Drehwinkeleinheit
ab.
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Nach dem Umspringen in eine neue Lage kann ohne weiteres die Erregung
weggenommen werden. Der Anker bleibt dann in der jeweils angenommenen Stellung stehen.
Es ist also gleichgültig, ob das Drehrelais mit Dauerstrom oder mit kurzen Impulsen
betrieben wird.
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Gegenüber anderen Drehrelaisausführungen ist bei dieser Ausführung
die zur Erzielung einer eindeutigen Drehrichtung erforderliche unsymmetrische Ausbildung
der Pole nicht in den Läufer; sondern in den Stator gelegt. Da der Stator aus gestanztem
oder gezogenem Eisenblech besteht, ist die erforderliche Formgebung leicht zu erzielen.
Desgleichen sind, wie schon angedeutet, Variationen der Drehmoment-Charakteristik
leicht möglich, indem man die Kurvenform der Pole ändert.
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An Stelle von vierpoligen Magneten lassen sich auch Magnete mit beliebigen
Polzahlen verwenden, wobei natürlich eine entsprechend mehrpolige Ausführung des
Stators erforderlich ist.
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Auch ist es nicht erforderlich, daß die Erregerwicklung ausschließlich
im Statorraum untergebracht ist, sondern sie kann auch in den Läuferraum hineinragen,
so daß jeglicher toter Raum vermieden wird.
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Weiterhin kann man von den beiden permanenten Magneten 5 und 6 unter
Inkaufnahme einer entsprechenden Drehmomentverminderung einen dieser beiden Magnete
weglassen und ihn durch eine am besten runde Scheibe aus weichem Eisen ersetzen.
Es ist nicht erforderlich, daß die permanenten Magnete kreuzförmig ausgebildet sind,
es genügt, wenn sie die Gestalt runder Scheiben haben, aber entsprechend mehrpolig
magnetisiert sind.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind die beiden kreuzförmigen permanenten
Magnete durch vier U-förmige Magnete ersetzt, von denen in der Zeichnung die Magnete
12 und 13 sichtbar sind. Der noch verbleibende Hohlraum in der Mitte des Läufers
ist zur Halterung der Achse mit einem vorzugsweise aus nicht magnetisierbarem Material
bestehenden Teil 14 ausgefüllt. Die U-förmigen Magnete brauchen keine große Schenkellänge
zu besitzen; man kann sogar ganz auf die Schenkel verzichten.
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Eine Ausführung mit derartigen Magneten ist in Fig. 3 a und 3 b dargestellt.
Die in einfache Stabmagnete abgewandelten U-förmigen Magnete sind hier wieder mit
12 und 13 bezeichnet. Um den Läufer möglichst trägheitsarm zu machen,
hat man hier den Zwischenraum zwischen den Magneten und der Achse lediglich mit
zwei aus beliebigem Material bestehenden Scheiben 15, 16 abgedeckt, die zur Halterung
der Magnete benutzt werden. Im übrigen ist das Prinzip des Drehrelais nicht geändert.
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In der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 werden zwei Stromkreise durch
die Spannungsquellen U1 und U2 gespeist. Bei geöffnetem Schalter S fließt von der
Spannungsquelle Ui ein durch den Widerstand R1 begrenzter Strom durch die Wicklung
3, die als Drehrelaiswicklung aufzufassen ist. Wird der Schalter S geschlossen,
so würde der Strom in der Wicklung 3 aufgehoben werden, wenn der Widerstand R2 gleich
dem Widerstand R1 wäre. Die Widerstände sind aber so bemessen, daß bei geöffnetem
Schalter S ein Strom in der einen Richtung und bei geschlossenem Schalter ein gleich
großer Strom in der anderen Richtung durch die Relaiswicklung fließt, und zwar ist
dazu bei gleich großen Spannungen in beiden Stromkreisen der Gesamtwiderstand des
die Spannungsquelle Ui enthaltenden Stromkreises doppelt so groß zu wählen wie der
Gesamtwiderstand des die Spannungsquelle Uz enthaltenden Stromkreises. Mit dieser
Schaltung läßt
sich das Drehrelais mittels eines einfachen Ein-
und Ausschalters betätigen.
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Vielfach wird in der Meß- und Regeltechnik an ein Schaltrelais die
Anforderung gestellt, daß das Relais bei einem ankommenden Impuls eine bestimmte
Stellung einnimmt und bei dem nächsten Impuls umgekehrter Polarität wieder in die
ursprüngliche Lage zurückkehrt. Das Relais soll also dauernd zwischen zwei Stellungen
hin- und herpendeln. Ein derartiges Umschaltrelais kann nach dem gleichen Grundprinzip
arbeiten wie das vorstehend beschriebene Drehrelais.
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In Fig. 5 und 6 sind Beispiele für derartige Umschaltrelais dargestellt.
Ein solches Umschaltrelais unterscheidet sich von dem Drehrelais in erster Linie
durch die Ausbildung des Statorpoleisens. Dieses ist, wie aus Fig. 5 a ersichtlich,
ovalförmig ausgestanzt, wobei der kleinste Durchmesser etwas größer ist als der
Durchmesser des Läufermagneten. Der Läufermagnet hat eine etwa X-förmige Ausbildung,
wobei ein Nord- und ein Südpol einmal um etwa 60° und das andere Mal um etwa 120°
versetzt sind. Bei der Erregung durch einen Gleichstromstoß soll sich die Polarität
im Stator wie in der Figur eingezeichnet ausbilden. Der Läufer stellt sich dann
in Richtung der magnetischen Achse AA ein. Bei Erregung durch einen Gleichstrom
entgegengesetzter Polarität werden dann die anderen Pole des Läufers in die magnetische
Achse AA gezogen. Bei einem nächsten Impuls muß der Läufer wieder in die erste Lage
zurückspringen. Um ein allzulanges Pendeln zu verhindern, sind zwei Anschläge 19
und 20 vorgesehen, die den Läufer arretieren.
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In der Ausführungsform nach Fig. 6 a und 6 b wird der Aufbau noch
dadurch vereinfacht, daß die Statorpoleisen in Form ebener rechteckiger Weicheisenplatten
17, 18 an dem äußeren Rand der Statorspule angebracht sind. Dadurch wird im wesentlichen
derselbe Effekt erzielt wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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In Fig. 5 a und 6 a wurden nur zwei der möglichen Ausbildungen des
Luftspaltes gezeigt. Je nach der Art der Drehmomentcharakteristik, die man braucht,
kann man auch an Stelle der kontinuierlichen Änderung der Luftspaltbreite eine sprunghafte
Änderung vorsehen.