-
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Antrieb mit
einem um eine Drehachse unter der Wirkung eines Magnetfeldes schwenkbaren Anker,
der unter dem Einfluß einer seine Verschwenkung aus der Ruhelage hemmenden und seine
Rückführung in die Ruhelage anstrebenden Rückstellkraft steht, und mit in den Anker-Polschuhen
und den ihnen gegenüberliegenden Stator-Polschuhen ausgebildeten rechteckförmigen
Zähnen, die bei Verschwenkung des Ankers ineinandergreifen.
-
Mit der Erfindung wird das Ziel verfolgt, bei der Verwendung als Stehantrieb
das entwickelte elektromagnetische Drehmoment unabhängig von der Auslenkung des
Ankers im gesamten Verschwenkbereich praktisch konstant zu halten.
-
Die Auslenkung des Ankers bei einem Antrieb der genannten Art kann
mit Hilfe von zwei Arten von Flußwegen bewirkt werden. Einerseits sind Flußwege
anwendbar, welche quer zur Schwenkrichtung des Ankers verlaufen und zur Voraussetzung
haben, daß sich der Anker bei seiner Schwenkbewegung entlang einem Gegenpol bewegt.
Das hierbei entwickelte elektromagnetische Drehmoment hat bei Beginn der Schwenkbewegung
des Ankers einen Maximalwert, der in Abhängigkeit von der Schwenkbewegung des Ankers
stark bis zum Wert Null absinkt. Andererseits kann ein Flußweg für die Entwicklung
des Drehmoments Anwendung finden, welcher in der Schwenkrichtung des Ankers verläuft,
was zur Voraussetzung hat, daß sich die in die Schwenkrichtung weisende Stirnfläche
des Ankerpols der gegenüberliegenden Fläche des Gegenpols nähert. Hierbei ist das
am Beginn der Schwenkbewegung des Ankers entwickelte Drehmoment klein und erreicht
seinen Maximalwert gegen Ende der Ankerschwenkbewegung. Die von den beiden Arten
Flußwegen entwickelten Drehmomente haben somit eine entgegengesetzte Charakteristik.
Die abfallende Drehmomentcharakteristik ist entsprechend der deutschen Patentschrift
651921 für die Entwicklung eines elektromagnetischen Antriebes, der z. B. zum Aufziehen
von Uhrwerken bestimmt ist, ausgenutzt worden. Obwohl dabei der Ankerpol und der
feststehende Gegenpol derart zahnartig profiliert sind, daß sie bei der Auslenkung
des Ankers ineinandergreifen, wird kein mit dem Schwenkhub des Ankers zunehmendes
Drehmoment erzeugt, weil die Lücken der Statorzähne in der Hubrichtung offen sind
oder nur über eine geringe Länge geschlossen werden.
-
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die überlegung zugrunde,
daß sich durch gleichzeitige Anwendung von Flußwegen, die quer zur Schwenkrichtung
des Ankers verlaufen, und von Flußwegen, die in Richtung der Schwenkbewegung des
Ankers verlaufen, ein Ausgleich der erläuterten, gegensinnig verlaufenden Drehmomentcharakteristik
erzielen läßt.
-
Die Erfindung besteht darin, daß bei Verwendung als Stehantrieb die
gezahnten Anker- und Stator-Polschuhe mit in Schwenkrichtung bodenseitig über ihre
ganze Länge eisengeschlossenen Nuten rechteckiger Form versehen sind, daß die Zähne
der Anker- und Stator-Polschuhe bereits in der Ruhelage in die zugehörigen Nuten
eingreifen und daß die zwischen den Nuten und den Zähnen gebildeten Luftspalte derart
bemessen sind, daß die in Schwenkrichtung des Ankers verlaufenden Flußwege, die
in den zwischen den Bodenflächen der Nuten und den gegenüberliegenden Stirnflächen
der Zähne gebildeten Luftspalten auftreten, die von den Zahnflanken quer zur Schwenkrichtung
verlaufenden Flußwege über den ganzen Verschwenkweg so ergänzen, daß das durch die
magnetische Zugkraft auf den Anker ausgeübte elektromagnetische Drehmoment unabhängig
vom Verschwenkveg praktisch konstant bleibt.
-
Durch die deutsche Patentschrift 847 465 ist es bereits bekannt, bei
einem topfförmigen Elektromagneten mit hohlem Ankergegenstück die Charakteristik
der Hubkraft durch besondere Gestaltung der zusammenwirkenden Polflächen des Ankers
und des Gegenpols zu verändern, insbesondere die Hubkraft über einen großen Teil
des Hubes praktisch konstant zu machen. Es ist dabei von einem Elektromagneten ausgegangen,
dessen Anker die Form eines konisch erweiterten Topfes und dessen Gegenpol die Form
eines konisch verjüngten, an seiner Stirnseite hohlen Zapfens hat. Der Anker ist
mit einem von seinem Topfboden vorstehenden Zapfen ausgestattet, welcher bei der
Ankerbewegung in den stirnseitigen Hohlraum des Gegenpols eindringt. Für die Auslegung
eines solchen Magnets soll das Verhältnis zwischen der Hubkraftcharakteristik des
konischen Magnetteils und der Magnetcharakteristik des zentral vorspringenden Zapfens
des Ankers von entscheidender Bedeutung sein. Dabei ist zur Erzielung einer angenähert
konstanten Hubkraft der zentral vorstehende Zapfen des Ankers an seinem freien Ende
konisch verjüngt.
-
Gegenüber der letzterwähnten Anordnung nach der deutschen Patentschrift
847 485 zeichnet sich die erfindungsgemäße Anordnung durch ihre vollständige Unabhängigkeit
von Konusflächen aus. Darüber hinaus kann die Anzahl der zusammenwirkenden Zähne
des Ankerpols und des Gegenpols bei geringer Raumbeanspruchung beliebig groß sein.
-
Eine zweckmäßige Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß
der Anker von einer Erregerspule umgeben ist und daß der Polschuh des Ankers in
einem sich über zwei Polschuhe des Stators schließenden magnetischen Feld eines
Permanentmagnets angeordnet ist und mit den beiden Stator-Polschuhen in der Ruhelage
des Ankers zwei symmetrische Luftspalte bildet.
-
Die Erfindung kann auch dadurch weitergebildet werden, daß der Anker
beiderseits der Ankerschwenkwelle von je einer Erregerspule umgeben ist und je einen
Anker-Polschuh trägt, daß beide Anker-Polschuhe von jeweils einem sieh über zwei
Stator-Polschuhe schließenden magnetischen Feld eines Permanentmagnets gleichsinnig
durchsetzt sind und daß jeder Anker-Polschuh mit den beiden zugeordneten Stator-Polschuhen
in der Ruhelage des Ankers zwei symmetrische Luftspalte bildet.
-
Die vorgenannten Merkmale sind für sich bei einem polarisierten Relais
bereits bekannt (R o t e r s , »Electro Magnetic Devices«, 1941, S. 498 und 499).
-
Die Erfindung soll in Verbindung mit dem in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiel eines Stellantriebes näher erläutert werden. Es zeigt F i g.
1 einen elektromagnetischen Stehantrieb in Draufsicht, F i g. 2 eine Seitenansicht
des Stellantriebes nach F i g. 1, F i g. 3 eine gegenüber F i g. 2 um 90° versetzte
Seitenansicht des Stellantriebes, F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in
F i g. 2, F i g. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 3,
F
i g. 6 einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie 6-6 in F i g. 4, F i g. 7
eine schematische Darstellung des Stellantriebes nach F i g. 1 und F i g. 8 eine
vergrößerte Teildarstellung der Luftspalte in einem Stellantrieb nach F i g. 1 bis
5.
-
Der in der Zeichnung dargestellte Stellantrieb enthält ein erstes
Paar Polschuhe 10 und 12, die an zwei Permanentmagneten 14 und 16 anliegen. Die
Länge der Permanentmagnete 14 und 16 ist so gewählt, daß ein gewünschter
Abstand zwischen den Polschuhen 10 und 12 entsteht. Die Polschuhe 10 und 12 bilden
einen allgemein mit 18 bezeichneten Luftspalt. Zwei weitere gleichgestaltete Polschuhe
20 und 22 liegen an zwei weiteren Permanentmagneten 24 und 26 an und
bilden einen zweiten Luftspalt 27, der dem Luftspalt 18 gleich ist.
-
Die Polschuhe 10 und 12 weisen rechteckige Nuten
28 auf. Jeder rechteckigen Nut 28 im Polschuh 10 liegt eine
rechteckige Nut 28 im Polschuh 12 gegenüber. Die Polschuhe
20 und 22 sind in gleicher Weise mit rechteckigen Nuten versehen.
-
Das Gestell des Stellantriebes besteht aus oberen und unteren Platten
30 und 32, die auf den Polschuhen 10, 12, 20 und
22 aufliegen. Die Magnete, die Polschuhe und die oberen und unteren Platten
werden durch nichtmagnetische Schrauben 34 zusammengehalten. Um eine genaue Ausrichtung
der Polschuhe 10, 12, 20 und 22 zu ermöglichen, sind die Löcher für
die Schrauben 34 weiter aufgebohrt, so daß die Polschuhe verschoben und die einander
gegenüberliegenden rechteckigen Nuten 28 genau aufeinander ausgerichtet werden
können. Wenn die genaue Ausrichtung eingestellt ist, werden die Teile in dieser
Stellung fixiert und Paßstifte 36 eingesetzt.
-
Auf einer Welle 40 ist ein Anker 38 angebracht. Der
Anker 38 ist mit der Welle 40 mittels Verzahnung 41 drehfest
verbunden. Die Welle 40 wird von zwei Stegen 42 gehalten, die zwischen den
Platten 30 und 32 liegen und mittels Paßstiften 44 gehalten werden. Die Stege
42 sind mit relativ weiten Löchern 46 ausgestattet, durch welche die
Welle 40 greift. Zwei Klammern 48 sind an den äußeren Enden der Welle 40
unverdrehbar angepreßt. Bei der Montage wird der Anker 38 mittels der Welle 40 und
den Klammern 48 so eingestellt, daß er richtig innerhalb der Luftspalte 18
und 27 symmetrisch zu den Stator-Polschuhen 10, 12 und 20, 22 liegt. Wenn diese
Ausrichtung erfolgt ist, werden durch die Klammern 48
hindurch in die Stege
42 Löcher gebohrt und in diese Löcher Paßstifte 50 eingesetzt, so daß die richtige
Lage des Ankers 38 gesichert ist.
-
Der Anker 38 weist eine Anzahl von rechteckigen Zähnen 52 auf,
von denen je einer in eine der rechteckigen Nuten 28 eingreift. In der mittleren
Lage des Ankers 38 greift jeder der rechteckigen Zähne etwas in eine rechteckige
Nut 28 ein.
-
Zwei Ankerwicklungen 54 und 56 umgeben den Anker 38 auf den beiden
Seiten der Welle 40. Von der Wicklung 54 geht eine Doppelleitung
58 und von der Wicklung 56 eine Doppelleitung 60 ab. An die Leitungen 58
und 60 gegebene Steuerströme steuern den Stellantrieb.
-
Am Anker 38 ist ein Anschlußglied 62 befestigt, welches die Verbindung
mit einer zu betätigenden Einheit ermöglicht.
-
Die den Anker 38 tragende Welle 40 wirkt als Torsionsfeder,
d. h., der Anker 38 kann um die Achse der Welle 40 schwenken; dieser Verschwenkung
aus der Mittellage wirkt jedoch eine Kraft entgegen, die proportional der Auslenkung
ist und die von Torsionskräften in der Welle 40 hervorgerufen wird. Die Welle 40
weist einen Querschnitt auf, der die gewünschte Torsionskraft gegen die Auslenkung
des Ankers 38 und gleichzeitig die erwünschte Federkraft in entgegengesetzter Richtung
liefert. Ein Querschnitt eines Torsionsfederabschnittes der Welle 40 ist in F i
g. 6 wiedergegeben.
-
Die Luftspalte des Stellantriebes werden zwischen den gezahnten Enden
des Ankers 38 und den mit rechteckigen Nuten versehenen Polschuhen 10, 12,
20 und 22 gebildet. Es entstehen je vier gleiche Luftspaltabschnitte
64, wobei die beiden mit P ,, bezeichneten Luftspalte sich bei Verschwenkung des
Ankers in entgegengesetztem Sinne wie die mit P _ bezeichneten Luftspalte ändern.
Die Übereinstimmung der Luftspalte hinsichtlich ihrer geometrischen Gestaltung ist
wesentlich. F i g. 8 gibt einen Teil des Luftspaltabschnittes 64 der F i g. 5 vergrößert
wieder. Dabei sind die verschiedenen Flußlinien schematisch eingezeichnet. Diese
Flußlinien können in drei Gruppen eingeteilt werden. Die erste Gruppe umfaßt die
Linien 66, die im wesentlichen in der Schwenkrichtung des Ankers verlaufen. Die
zweite Gruppe umfaßt die Linien 68, die rechtwinklig zur Schwenkrichtung des Ankers
verlaufen. Die dritte Gruppe umfaßt die Linien, die mit 70 bezeichnet sind.
-
Es ist zu erkennen, daß die mit P+ und die mit P _ bezeichneten Luftspalte
aus Abschnitten 72 bestehen, deren Länge sich bei der Schwenkbewegung des Ankers
ändert, und aus Abschnitten 74, deren Länge sich bei der Schwenkbewegung des Ankers
nicht ändert.
-
Die gleich lang bleibenden Abschnitte 74 der Luftspalte P und P liefern
über die Feldlinien 70 und 68 den Hauptanteil der Zugkraft. Die veränderlichen Abschnitte
72 der Luftspalte tragen über die Feldlinien 66 zum Gesamtdrehmoment nur den Kraftanteil
bei, der dem Zugkraftabfall in den Abschnitten 74 entgegenwirken kann, der bei größeren
Auslenkungen des Ankers auftritt.
-
In der Schemadarstellung in F i g. 7 sind die Magnete 24 und
26 bzw. 14 und 16 dargestellt, die einen magnetischen Fluß
hervorrufen, der sich in einen Streufluß 78 und einen Arbeitsfluß
80 aufteilt, der durch die Polschuhe 10, 12, 20, 22 und die Luftspalte P
und P führt. Die Spulen 54 und 56 liefern die nötige Feldstärke für einen Steuerfluß
im Anker 38, der sich wieder in Streuflüsse 82 und zwei Arbeitsflüsse 84 aufteilt.
-
Wenn die Spulen 56 und 54 gegensinnig geschaltet sind
und in ihnen gleiche Ströme fließen, heben sich die von ihnen hervorgerufenen magnetischen
Flüsse auf, und der Anker 38 bleibt in seiner mittleren Ruhelage. Wenn die Ströme
in den Spulen 54 und 56 ungleich gemacht werden, verursacht der sich einstellende
effektive Ankerfluß eine Verschwenkung des Ankers 38 entweder in die P+ -Luftspalte
oder in die P--Luftspalte, und zwar gegen die Wirkung der als Torsionsfeder ausgebildeten
Welle 40.