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Elektromagnetischer Steuermechanismus Die vorliegende Erfindun7 betrifft
ein -1 Solenciden und insbesondere eine,i solchen mit einer in Drehbewegung versetzbaren
Welle.
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In der einfachsten Form besteht ein Solenoid aus einer Spule, in welcher
ein axial beweglicher StUssel angeordnet ist. 'Nenn die Spule vom Strom durchflossen
ist, nimmt der Stössel. eine bestimmte Zage innerhalb der Spule ein. Die durch Schließen
und Öffnen des Stromkreises hervorgerufene Bewegung des Stössels.,
kann
zur Betätigung irgendwelcher Vorrichtungen benutzt werden.-In vielen Fällen ist
jedoch keine axiale Hubbewegung, sondern eine Drehbewegung erwünschtg.Eine axiale
Hubbewegung kann zwar mittels eines Kurbelgetriebes oder eines äperrklinkengetriebes
in eine Drehbewegung umgewandelt werden. In vielen 'Fällen ist das jedoch unzweckmässig.
So ist beispielsweise bei vielen Steuerungen eine begrenzte Drehbewegung erforderlich.
Hierfür ist ein einfaches Betätigungselement gedrängter Bauart sehr erwünscht. in
Solenoid,welcher eine delle verdreht, anstatt einen Stössel in hin- und her gehende
Bewegung zu versetzen, stellt ein Betätigungselement dar, welches diesen ÄnforderungeM
in zuiriedenstellender v'teise gerecht wird. Eine derartige Vorrichtung sei in folgendem
als Drehsolenoid bezeichnet. Derartige Solenoide sind bekannt. Diese erteilen der
Betätigungswelle jedoch neben der Verdrehung auch eine axiale Hubbewegung. In vielen
Fällen ist aber eine axiale Hubbewegung unerwünscht. Die grundlegende _Aufgabe der
vorliegenden Erfindung besteht somit in der Schaffung eines äolenoiden,dessen Betätigungswelle
eine Drehbewegung ausführt, ohne dass sie hierbei in axialer Richtung verschoben
wird..
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Die vorliegende Erfindung hat weiterhin einen Drehsolenoiden zum Gegenstand.,
dessen abgegebenes Drehmoment während der gesamten Tierdrehung im wesentlichen konstant
oder aber auch nach
. den jeweiligen Eridiernissen veränderlich
sein kann.
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Die vorliegende Erfindung hat weiterhin einen Drahsolenoiden zum Gegenstanc4
der sich durch eine einfache und zuverlässige
| Konstruktion ausig(zeichnet ünd der nach modernen !'ertigungs- |
verfahren herstellbar ist, sodass er in grosser Stückzahl preisgünstig hergestellt
werden kann.
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Die vorliegende Erfindung hat weiterhin einen Drehsolenoiden zum Gegenstand,
dessen sämtliche Zilemente in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, wodurch
äussere Ninwirkungen zum Beispiel von Staub und dgl. weitgehend ausgeschaltet werden.
Die vorliegende Erfindung hat weiterhin einen Drehsolenoiden zum Gegenstand, welcher
sich durch eine möglichst geringe Anzahl der bewegten Teile auszeichnet, wodurch
ein. langer störungsfreier Betrieb gewährleistet ist.
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Die Vorteile des iinneldungsgegenstandes werden aua der folgenden
speziellen Beschreibung einer bevorzugten -usführungsfozm und aus der Zeichnung
ersichtlich. Es zeigen: rig. 1 einen Längsschnitt durch den Drehsolenoiden
in der Ausgangsstellung bei nicht stromdurchflossener Spule.
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7ig. 2 einen Längsschnitt wie Fig. 1 bei atromdurchflossener Spule
mit entsprechenden Positionen der bewegten Elemente.
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?fig. 3 einen vergrösserten Teilquerschnitt entlang der
Linie
3- 3 der Tigur 1, welcher den Kurventrieb und die Laufrollen in der rusgangsstellung
bei nicht strohdurchflossener Spule zeigt.
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Fig.4 einen der Fig.> 3 entsprechenden Querschnittx jedoch bei stromdurchflossener
Spule.
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Tig.5 eine Seitenansicht des.Solenoiden teilweise geschnitten im verkleinerten
Masstab: Fig.6 einen Teillängsschnitt der die Drehbewegung des Ankers verhindernden
Sperrelemente bei einer anderen kusführungsfo rm.
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fach Mg. 1 besteht der Drehsolenoid aus einem normalerweise, zylindrischen
Gehäuse 1o, welches mit geeigneten in der Zeichnung nicht dargestellten Befestigungselementen
versehen sein kann, sowie aus einer sich in axialer Richtung erstreckenden nicht
magnetischen Antriebswelle 11, die-beidaeitig aus dem GehäuseServorragt. Das Gehäuse
1o besteht aus magnetischem 'Werkstoff, beispielsweise aus Weichem $isen. Innerhalb
des Gehäuses ist eine Magnetspule 12 angeordnet, Welcher über die Zuleitungen 13
der Strom zugeführt werden kann. Koaxial zur Spule 12 ist ein feststehender Kern
14 angeordnet, der der Spule angepasst ist und an einem Ende mit einem der Verbindung
mit dem Gehäuse. dienenden Vorsprung versehen ist, sodass nur ein geringer
magnetischer Widerstand für den von der Spule erzeugten magnetischen Fluss entsteht.
Es sei bemerkt, dass der feststehende Kern 14 sich nicht über das ganze Gehäuse
1o, sondern nur über einen Teil desselben erstreckt.
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.Hm anderen Ende des Gehäuses 1o ist ein Statosing 15, gleichfalls
koaxial
zum Gehäuse angeordnet, der sich nach innen erstreckt, sodass die Spule 12 fast
ganz umschlossen ist. Der Statorring 15? wie augh der reststehende Kern 14 und das
Gehäuse 1o bestehen aus magnetischem Werkstoff reit geringem magnetischem Widerstand.
Ein Deckel oder eine Endplatte 16, vorzugsweise aus nicht magnetischem Werkstoff,
welche nachfolgend noch näher beschrieben. werden wird, überdeckt den ätatorring
und ist im Gehäuse 1o festgeklemmt oder in anderer geeigneter Wae: se an diesem
befestigt. Die Achse der Betätigungswelle 11 fällt mit der Achse des Gehäuses 1o
zusagen. In einem Ende ist die Welle 11 in einem Lager 20 gelagert, welches
innerhalb des feststehenden Kernes 14 angeordnet ist. Eine axiale Bohrung 21 erstreckt
sich durch den Kern 14 und die Uelle 11 ist durch diese Bohrung hindurchgeführt.
tim anderen Ende des Gehäuses ist die Welle in einer gleichzeitig einen Einschlag
22 bildenden Bohrung des Deckels 16 gelagert. Die Uelle 11 weist einen Einsatz 23
auf, welcher sich an einer Seite des Lagers 2o abstützt. Dieses Lager ist
als @ixial= und Badialdrucklager ausgebildet. rin der der inneren Oberfläche
des Deckels 16 anliegenden Seite weist die stelle einen Sicherungsring 24 auf, durch
welchen eine axiale Verschiebung der *lelle auf der Zeichnung in Richtung nach links
verhindert wird, sddazs also der tlnsatz 23 ständig am Lager 2o anliegt. Eine axiale
Verschiebung der Welle 21 während ihrer Virdrehbewegung wird somit verhindert.
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Zwischen dem innen gelegenen Ende des Kernes 14 und dem Deckel 16
befindet sich ein Ringraum,welcher sich zwischen der Welle 11 und der inneren
Ringfläche das Statorringes 15 erstreckt.
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Der Durchmesser dieses Ringraumes ist etwas geringer, als der
innere Durchmesser der Spüle 12. In diesem Ringraum ist ein
Anker
25 angeordnet. UTie aus der Zeichnung zu ersehen, ist der Durchmesser des Ankers
25 im wesentlichen gleich dem inneren Durchmesser des Statorringes 15. Die axiale
Länge des ankers ist um einen gewissen Betrag kleiner als der Abstand zwischen dem
feststehenden Kern 14 und dem Deckel 16. Somit ist eine axiale Bewegung des hnkers
15 möglich, wenn der Stromkreis der Spule 12 geschlossen bzw. geöffnet wird. Liittels
geeigneter Elemente, beispielsweise einer aus nicht magnetischem t'lerkstoff bestehenden
Zwischenplatte 2ö, wird der @,,nker 2; an einer Berührung des Kern 14 gehindert,
sodass zwischen diesen beiden Teilen immer ein magnetischer Spalt aufrechterhalten
bleibt.
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Ein rohrfözniges ülement 27 umgibt die Betätigungswelle 11 und kann
auf dieser gleiten. Das eine Ende dieses rohrförmigen Mementes ist I.'est mit dem
Linker 25 verbunden, so4ass weder eine axiale Verschiebung noch eine relatiite Verdrehung
zwischen diesen Teilen möglich ist. Das rohrförmige Element 26 ist so ausgebildet,
dass es den magnetischen Kraftlinien einen hohen 'k'liderstand bietet. Dies geschieht
entweder durch Wahl eines geeigneten ,Merkstoffes oder aber durch eine spezifische
Raumform. Beide 1,Iassnahmen können gleichzeitig angewendet werden. Die Belastung
der Betätigungswelle erfordert eine kräftige Verbindung zwischen denn rohrförmigen
Element. 26 und denn Anker 25. Diese Verbindung erfolgt durch eine Verzahnung oder
Rändelung, Wie sie bei 27 angedeutet ist. Es kann jedoch eine andere ge-eignete
Verbindung gewählt Werden.
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Das entgegengesetzte Ende des rohrförmigen Elementes 26 Weist eia
Kurvengetriebe 30 auf, Welches mit einem Paar Laufrollen 31 zusam@nWirkt.
Diese Laufrollen sind an der Betätigungswolle
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angeordnet. Wie am besten aus den eig. 3 und 4 ersichtlich, ist die Ulelle
11 vorzugsweise an zwei diametral gegenüberliegenden Seiten in der Nähe des Lagers
2o abgeflacht. Die Laufrollen 31 sind drehbar an einem Bolzen 32 oder an einem anderen
geeigneten Element gelagert. Bei sehr kleinen Solenoiden können die Laufrollen 31
aus Gründen der Raumersparnis weggelassen Werden und der Bolzen 32 unmittelbar in
Wirkverbindung mit dem 3o gebracht werden. Der Kurventrieb 30. besteht aus einem
Hohlzylinder@bei dem sich in axialer Richtung erstreckende husnehmungen der 7tandung
die Führungskurven 33 bilden, mit welchen die Laufrollen 31 bzw: der Bolzen 32 zusaamenwirkei.
Die gegen Verdrehung gesicherte kxialbewegüng des Ankers 25 in Richtung auf den
feststehenden Kern 14 ruft eine axiale Verschiebung des Kurventriebes hervor, wodurch
die Welle, da die Laufrollen der Kurvenbahn folgen, in eine Drehbewegung versetzt
wird, da sie selbst und somit auch die Rollbn 31 gegen axiale Verschiebung gesichert
ist.
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Es ist möglichlder Führungskurve eine gleichmässige Steigung zu geben,
sojdass einerVeerschiebung des Inkers eine proportionale Winkeldrehung der Welle
11 bei allen Bewegungelrhasen des Imkers entspricht. Im allgemeinen ist dies jedoch
nicht wünschenswert. So ist beispielsweise zu Beginn des nnkerhubes die nutzbare
Kraft geringer als diejenige kurz vor Erreichung der Totgunktlage; folglich ist
es normalerweise wünschenswert) die Führungskurve 33 so auszubilden, dass sie den
Kraftunterachied kompensiert. Dann verläuft die l`ührungskurve anfänglich ateiler.
Auf diese .leise wird ein im wesentlichen gleiches Drehmoment, während. der gesamten
Verdrehung der Welle 11 erhalten.
Bei einer Vorrichtung der vorliegenden
Ärt. ist es wUnschenswert, den magnetischen Widerstand möglichst klein zu halten.
Aus diesem Grunde müssen alle Luftspalte ausgeschaltet bzW.
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auf ein Minimum reduziert werden. IUt Hilfe enger Herstellungstoleranzen
kann die Passung des feststehenden Kerns 14 mit de. Gehäuse 1o so ausgeführt werden,
dass überhäupt kein nennenswerter Luftspalt entsteht. Das gleiche gilt für die Passung
des Gehäuses 1o mit dem Statorring 15. Der Spalt zwischen Anker 25 und dem feststehenden
Kern. 14 ist für die Bewegung des Ankers und somit für die Funktionsfähigkeit der
Anordnung erforderlich. Der Luftspalt zwischen dem Statorring 15 und dem
Anker 25 muss jedoch so klein wie möglich. gehalten werden.
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Es können verschiedene Verfahren angewandt werden@um dies
zu
erreichen. Es wurde jedoch gefunden, dass der einfachste und wirtschaftlichste
Weg darin besteht, den Anker 25 und den Statorring 15 mit kleinstem Spiel
zu passen und dann ein trockenäs Schmiermittel, wie Liolyddändisulfid@ oder ein
anderen geeignetes Mittel auf die einander anliegenden Oberflächen aufzubringen.
Ein solches Schmiermittel, Welches lediglich eine Schichtstärke von 0,0 25 mm oder
noch weniger aufweist, gewährleistet eine einwandfreie Bewegung des Ankers bei einem
gleichzeitig minimalen Luftspalt zwischen.
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Anker und Statorring 15. Die Verwendung einen derartigen Schmier-,
mittels gewö.hrleistet ausserdem die Verwendung sogenanater . totgeglühter magnetischer
ferkstoffe,die aus magnetischen Gründen wünschenswert sind, aber normalerweise erheblichem
. , Verschleiss unterworfen sind und zum fressen neigen.
die bereits
ausgeführt, ist es für die einwandfreie ?Funktion der vorliegenden Anordnung von
Bedeutung, dass der Anker 25 gegen Vetdrehbewegungen gesichert wird. Dies kann in
verschiedener Weise geschehen, beispielsweise dadurch, dass der Anker nicht als
Rotationskörper ausgei°ührt ist. Um ein Verkanten und Verklemmen des knkers und
hierdurch hervorgerufenes ?ressen zu verhindernlist es jedoch vorteilhaft den Anker
rotationssymmetrisch auszuführen. So wurde gefunden, dass ein rotationssymmetrischer
linker 25, der mit dem Statorring 15 eng gepasst ist und der in der beschriebenen
Art und 'leise trocken geschmiert ist, eine sehr zufriedenstellende Ausführungsform
darstellt, sofern geeignete @Hilfsmittel vorgesehen Werden, die eine Relativverdrehung
zwischen Anker und Statorring verhindern. "Eine äusserst befriedigende Massnahme
zur Verhinderung der@Relativverdrehung besteht darin, eine Bohrung vorzusehen,deren
Ahhse parallel der :ellenachse 11 ist und welche auf dem (auf dem) Trennkreis von
Statorring 15 und Anker 25 liegt, sodass die Bohrung also beide Teile erfasst. In
der Bohrung 35 ist ein Sperrkörper in testalt eines zylindrischen Nylonstopfens
36, der aber auch aus einem anderen Werkstoff' mit entsprechenden Lagereigenschaften
gefertigt sein kann, angeordnet. Da der Nylonstopfen nahezu den gleichen
Durchmesser wie die Bohrung 35 hat, wird eine Relativverdrehung zwischen
Anker 25 und Statorring 15 somit verhindert, Wohingegen eine axiale Relativverschiebung
des Ankers zur Welle bzw. zum Statorring gewährleistet ist.
Damit
der Anker 25 nach Öffnen des Stromkreises der Spüle 12 in seine Ausgangslage zurückkehrt,
ist eine den Anker mit der Welle .verbindende Feder 3? vorgesehen. Diese wird vorteilhafterweise
in einer an dem dem Deckel 16 anliegenden Ende des Ankers vorgesehenen Aufnahme
38 angeordnet. Die Feder wird von einem zu einer Spirale aufgewickelten Bandstreifen
gebildet. Das am äußeren Umfang befindliche Ende der Feder wird am Anker und das
am inneren Umfang befindliche Ende an der Welle 11 befestigt. Die Feder setzt also
der durch den Kurventrieb 30 hervorgerufenen Drehbewegung der Welle 11 Widerstand
entgegen. Wenn der Stromkreis der Spule 12 geschlossen wird, erfährt der Anker eine
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axiale Verschiebung, wobei er gegen Verdrehung gesichert ist, während die
Welle 11 entgegen der Federkraft eine Verdrehbewegung erfährt, wobei sie gegen axiale
Verschiebung gesichert ist. Durch die axiale Verschiebung des Ankers wird die Feder
zu einem kegelförmigen Gebilde verzerrt und gleichzeitig durch die Drehung der Welle
11 gespannt. Durch Vorspannung der Feder ist es möglich, die vom Solenoiden geleistete
Arbeit in jedem beliebigen Verhältnis auf die Vorwärts- bzw. Rückwärtsdrehung aufzuteilen,
d.h. die von der Feder gespeicherte Energie wird bei der Rückdrehung nutzbar gemacht.
Manchmal wird ein verhältnismäßig großes Drehmoment für die Bewegung eines Maschinenteiles
bei der Vorwärtsdrehung benötigt, während bei der Rückwärtsdrehung praktisch überhaupt
kein Drehmoment benötigt wird. Dies ist manchmal bei Sperrklinkengetrieben der Fall.
Bei anderen, von dem Solenoiden zu betätigenden Vorrichtungen wird ein nahezu gleiohen
Drehmoment bei der vorwärts- und Rüokwärtsdrehung benötigt. In anderen Grenzfällen
wird ein sehr geringee@ Drehmoment für die Vorwärtsdrehung benötigt, während
für die xüakwärtedrehnxrt
ein großes erforderlich ist. All
den geschilderten Grenzfällen und den dazwischenliegenden Fällen wird man. durch
entsprechende Vorspannung der Feder gerecht. .
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Weiterhin ist es möglich, den Verdrehwinkel der Welle -11 zu verändern.
Durch entsprechende Wahl der Führungskurve 33 kann eine Wellenverdrehung von beispielsweise
209 oder 50o erhalten werden. Es ist zweckmäßig, den Verlauf der Führungskurve so
zu wählen, daß die volle Hubbewegung des Ankers und somit die gesamte Arbeit auch
bei einem kleineren Verdrehwinkel zur Verfügung steht.
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Die Verwendung eines zylindrischen Nylonstopfens 36 hat den Vorteil,
daß der sich über eine bestimmte Länge erstreckende zylindrische Körper eine einwandfreie
Ausrichtung des Ankers 25 im Statorring gewährleistet, so daß kein Verkanten oder
Verklemmen desselben auftritt. Normalerweise wird eine Mehrzahl über den Umfang
gleichmäßig verteilter Stopfen 36 verwendet. Unter Umständen genügt auch ein einziger
Stopfen.
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Anstelle der zylindrischen Stopfen können auch Kugeln, z.B. von Wälzlagern,
Verwendung finden. Wie aus der Fig.6 ersichtlich, bleiben bei der Verwendung von
Kugeln 40 anstelle der zylindrischen Sperrkörper 36 die übrigen Konstruktionselemente
unverändert. Die Kugeln haben denselben Durchmesser wie die Bohrungen 35. Der dem
Deckel 16 ähnliche Deckel 16a wird, beispielsweise in einem Prägevorgang, mit Höckern
versehen, an welchen die Kugeln bei nicht stromdurchflossener Spule anliegen. Gleichzeitig
liegen ,die Kugeln mit ihrer-nach innen gerichteten Oberfläche an dem Boden
der Bohrung 35 im Anker an.
Wenn der Anker seinen Hub in Richtung.
auf den Kern ausführt, legen die Kugeln einen Weg zurück, der etwa halb so groß
ist wie *der vom Anker zurückgelegte Weg. Wird der Stromkreis geöffnet, so kehren
auch die Kugeln in ihre Ausgangsstellung zurück. Somit ist sämtlichen Kugeln in
jeder Bewegungsphase eine bestimmte Stellung zugeordnet, so daß ein Verkanten
oder Verklemmen des Ankers verhindert wird.
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Aus den vorangegangenen Ausführungen wurde ersichtlich, daß die zylindrischen
Sperrkörper bzw. die Kugeln die Aufgabe haben, den Anker gegen Verdrehung zu sichern
und ihn vor Verklemmungen mit dem Stat orring zu bewahreng Die Verwendung eines
Schmiermittels kann sie hierbei unterstützen, wodurch auch der Wirkungsgrad der
Anordnung verbessert wird: Dadurch, daß beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung
die Antriebswelle keine Verschiebung in axialer Richtung sondern nur eine Verdrehung
erfährt, ergibt sich @`,er erteil, daß' -die durch die Bewegung hervorgerufenen
Massenkräfte sehr klein sind. Dieser Umstand ist häufig von großer Bedeutung. Weiterhin
weist der Gegenstand der vorliegenden Erfindunden Vorzug auf, daß seine Antriebswelle
sowohl Radial- wie auch Axialkräfte aufnehmen kann.
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Tie vorliegende Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung dargestelite
Ausführungsbeispiel beschränkt.