DE1439948B2

DE1439948B2 - Elektromagnetischer schrittantrieb

Info

Publication number: DE1439948B2
Application number: DE1963W0034375
Authority: DE
Inventors: Erling Pittsburgh Pa. Frisch (V.St.A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1962-04-30
Filing date: 1963-04-27
Publication date: 1976-04-29
Also published as: GB973383A; ES287524A1; US3158766A; DE1439948A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schrittantrieb zur Längsbewegung eines stabförmigen, in gleichen Abständen mit Nuten versehenen Bauteiles, insbesondere eines Regel- oder Abschaltstabes für Atomkernreaktoren, in einem rohrförmigen Gehäuse, an dessen Außenmantel die Erregerwicklungen der Magnete angeordnet sind, mit im Inneren des Gehäuses axial beweglichen Magnetankern und zwei abwechselnd vermittels Greiferklauen in die Stabnuten eingreifenden Gruppen von Kupplungselementen, wobei die Kupplungselemente jeder Gruppe über Gelenke mit mindestens einem der Magnetanker derart verbunden und durch diesen derart gesteuert sind, daß die Greiferklauen der Kupplungselemente in der Ruhelage des Ankers zurückgezogen, in der Arbeitsstellung des Ankers dagegen mit genau festgelegter Einrücktiefe in eine Eingriffstellung gebracht sind, in der die Greiferflächen den Komplementärflächen der jeweils zum Eingriff bereitstehenden Nuten des Stabes zunächst berührungsfrei gegenüberstehen.

Während in der US-Patentschrift 27 52 546 ein elektromagnetischer Schrittantrieb angegeben ist, bei dem mit einer starken Reibung zwischen den als Kupplungsgliedern dienenden geschlitzten Rohren zu rechnen ist, die mit Kniehebelwirkung angepreßt werden, ist die Einrücktiefe der Kupplungselemente nach dem Vorschlag des älteren Patentes 12 57 970 genau festgelegt, denn sie wird bei gelenkig gelagerten Greiierklauen durch genau einstellbare Relativbewe-

gungen zwischen ringförmigen Magnetankern und von diesen umschlossenen Traghülsen bestimmt, an denen die Greiferklauen befestigt sind. Allerdings werden hierbei fünf Elektromagnete benötigt.

Im einzelnen handelt es sich um eine erste Gruppe von Kupplungselementen, denen ein Betätigungsmagnet zugeordnet ist, und eine zweite Gruppe von Kupplungselementen, denen ein Hubmagnet, ein Betätigungsmagnet und ein Senkmagnet axial hintereinanderliegend zugeordnet ist, wobei diesen vier Elektromagneten noch ein weiterer Haltemagnet gemeinsam ist, der die Aufgabe hat, zu bestimmen, welche der beiden Gruppen von Kupplungselementen in Eingriff mit der Zahnteilung des Stabes steht, d. h. den Stab trägt, wobei dann die jeweils entlastete Gruppe der Kupplungselemente mit der Zahnteilung des Stabes in bzw. außer Eingriff gebracht werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittantrieb anzugeben, welcher den bewährten Mechanismus einer praktisch verschleißfreien Betätigung der Kupplungselemente im entlasteten Zustand grundsätzlich beibehält, welcher jedoch mit weniger Elektromagneten auskommt.

Diese Aufgabe wird bei einem elektromagnetischen Schrittantrieb der eingangs genannten Art erfmdungsgemäß dadurch gelöst, daß insgesamt drei Elektromagnete vorgesehen und deren Ankern die Kupplungselemente derart zugeordnet sind, daß die erste Gruppe von Kupplungselementen vom Anker des ersten Elektromagneten betätigt ist und — außer der Einrückbewegung — über eine axial verschiebbare Tragbuchse nur einen kleinen Zusatzhubweg von der doppelten Breite des Spaltes zwischen den eingerückten Greiferklauen und den Gegenfiächen der Stabnut ausführt, wobei die erste Hälfte des Zusatzhubweges für den Eingriff der Greiferklauen am Stab und die zweite Hälfte für die Übernahme der Stablast unter Anheben des Stabes um den halben Zusatzhubweg und Überführen der zweiten Gruppe der Kupplungselemente in die stabentlasteten Bereitschaftsstellung vorgesehen ist, und daß die zweite Gruppe der Kuppiungselemente von den Ankern des zweiten, als Einrückmagnet wirkenden und des dritten, als Hubmagnet wirkenden Elektromagneten betätigt ist und bei gleichzeitiger Erregung der beiden Elektromagnete unter gegenseitiger Anziehung der Anker und vermittels einer zweiten mit dem Hubanker verbundenen Tragbuchse einen Hubweg ausführt, der gleich dem Nutabstand ist.

Zwei der Elektromagnete betätigen die jeweils zugeordnete Gruppe der Kupplungselemente, der dritte Elektromagnet bewirkt mit Hilfe des zugehörigen Ankers eine Bewegung des Stabes um einen Schritt in der einen Richtung, wenn er erregt wird, und um einen Schritt in der entgegengesetzten Richtung, wenn er entregt wird.

An Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird der erfindungsgemäße Schrittantrieb und seine Arbeitsweise im folgenden ausführlich erläutert.

Fig. IA und IB zeigen aneinandergefügt einen Schrittantrieb in teilweise geschnittener Darstellung;

F i g. 2 ist ein Querschnitt durch den Schrittantrieb entlang der Linie II-II in F i g. 1B;

F i g. 3 zeigt die obere Greifvorrichtung im Schnitt, und zwar in der Bereitschaftsstellung;

F i g. 4 stellt die obere Greifvorrichtung in ihrer Eingriff stellung dar;

F i g. 5 ist ein Querschnitt durch den Schrittantrieb entlang der Linie V-V in Fig. IA;

F i g. 6 ist ein Teilabschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel.

Zum besseren Verständnis der Beschreibung sei vorausgeschickt, daß die Greiferklauen des Schrittantriebes, bezogen auf das bewegliche Bauteil, drei verschiedene Stellungen einnehmen können. Eine dieser Stellungen wird als entkuppelte Stellung bezeichnet, bei der die Greiferklaue nicht mit einem Zahn oder anderen Rastvorrichtungen des beweglichen Bauteils in Eingriff steht. Die obere in F i g. 1A dargestellte Greiferklaue befindet sich in der entkuppelten Stellung. Eine zweite Stellung der Greiferklaue wird als Eingriffsstellung bezeichnet, in der der Greifer in das bewegliche Bauteil eingreift und mit dem Gewicht des Bauteils belastet ist. Diese Stellung ist für die untere Greiferklaue in F i g. 4 dargestellt. Die dritte Stellung wird als Bereitschaftsstellung bezeichnet. In dieser Stellung ist die Greiferklaue zwar in eine Nut des beweglichen Bauteils eingerückt, aber noch nicht belastet; mit anderen Worten: die Greiferklaue und die gerade zugeordneten Zähne des beweglichen Bauteils berühren sich noch nicht (F i g. 3).

Der Unterschied zwischen der Bereitschafts- und der Eingriffsstellung der Greiferklaue bezieht sich also nicht auf die radiale Stellung der Greiferklaue, die ja die gleiche bleibt, sondern vielmehr auf die axiale Stellung, die das bewegliche Bauteil und der Greiferklaue zueinander einnehmen. In der Eingriffsstellung ruht die Last des Bauteils auf der Greiferklaue, in der Bereitschaftsstellung ist die Greiferklaue unbelastet.

Nach den F i g. 1 bis 5 ist für die Vorrichtung ein Gehäuse 10 aus magnetischem Material mit mehreren ringförmigen Einschweißungen 12 aus nichtmagnetischem Material vorgesehen. Das rohrförmige Gehäuse ist von drei ringförmigen Elektromagnetspulen 14 umgeben, die jeweils in Höhe der nichtmagnetischen Einschweißungen 12 befestigt und jeweils mit einem oberen und einem unteren Tragring 22 bzw. 26 aus magnetischem Material und mit einem rohrförmigen Joch 24 aus magnetischem Material ausgestattet sind. Die so gebildeten Elektromagnete 16, 18 und 20 sind mit Hilfe von Abstandshaltern 38, 40, 42 an einer flanschartigen Erweiterung 28 des Gehäuses 10 in der erforderlichen Lage gehalten. Die Erweiterung 28 ist an einem Gehäuseteil 32 eines Druckbehälters, für den das Antriebssystem verwendet wird, befestigt. Auf den oberen Tragring 22 des Elektromagneten 16 ist eine Abstandsbuchse 56 aufgesetzt, durch die eine Verschiebung der Elektromagnete 16, 18, 20 auf dem Gehäuse 10 verhindert ist.

Im Gehäuse 10 sind zwei Gruppen von Kupplungselementen 58 und 60 angeordnet, die relativ zu einem genuteten Stab 62 axial beweglich sind. Durch Erregung der Elektromagnete 16, 18 und 20 in einer bestimmten Folge werden die Kupplungselemente 58 und 60 unabhängig voneinander in die entkuppelte Stellung, in die Bereitschafts- oder in die Eingriffsstellung bewegt. Die Kupplungselemente 58 und 60 werden von axial beweglichen Tragbuchsen 94 und 110 gehalten, die zwischen fest angeordneten, ringförmigen Anschlägen 64, 66 und 68 sitzen. Die Anschläge 64, 66 und 68 werden durch rohrförmige Abstandshalter 70 und 72 in ihrer Lage gehalten.

Der untere Anschlag 68 wird durch einen in den Flansch 28 eingeschraubten Ring 71 gegen eine Schulter 69 des Gehäuses 10 gepreßt. Die Abstandshalter 70

und 72 sind mittels Gewinden 76,78, 80 und 82 mit den Anschlägen 64, 66 und 68 verschraubt. Der obere Anschlag 64 und der mittlere Anschlag 66 bestehen aus magnetischem Material. Der untere Anschlag 68 und die Abstandshalter 70 und 72 sind dagegen aus nichtmagnetischem Material hergestellt.

Die unteren Kupplungselemente 60 (F i g. 1B und 2) enthalten drei in gleichen Abständen zueinander angeordnete Greiferklauen 84 aus korrosionsbeständigem Material. Am unteren Ende jeder Greiferklaue ist eine Nocke 86 vorgesehen, deren Form derart an die Form einer Nut zwischen zwei benachbarten Zähnen 88 des Stabes 62 angepaßt ist, daß die eingerückte Nocke mit den Seitenwänden benachbarter Zähne schmale Spalte 141 und 143 (F i g. 3) bildet. Zur Erzielung einer langen Lebensdauer sind die Nocken 86 vorzugsweise aus einem besonders harten Material, beispielsweise Stellit, hergestellt. Mit Hilfe von Stiften 90 und 92 sind die Greiferklauen 84 zweifach drehbar befestigt. Die Tragbuchse 94, deren unteres Ende mit drei achsparallelen, am Umfang verteilten Ausschnitten 96 (F i g. 2) versehen ist, nimmt die Greiferklaue 84 auf. An den Flanken der Ausschnitte 96 sind Ansätze 98 vorgesehen, in die die Stifte 90 eingesetzt sind. Als Durchtrittsöffnungen für die Nocken 86 sind im Abstandshalter 70 Schlitze 89 vorgesehen. In einer am unteren Ende jeder Greiferklaue 84 angebrachten Nut 100 ist das eine Ende einer Lasche 102 mit Hilfe des Stiftes 92 drehbar gelagert. Das andere Ende der Lasche ist mit Hilfe eines Stiftes 108 in einem Ausschnitt 106 am unteren Ende eines axial beweglichen Ankers 104 drehbar gelagert. Durch eine Axialbewegung des Ankers 104 werden die Greiferklauen 84 in ihre Eingriffsstellung und in ihre entkuppelte Stellung bewegt.

Die Ausführung der oberen Kupplungselemente 58 entspricht im wesentlichen der der unteren Kupplungselemente 60. Lediglich die Tragbuchse 110 und der Anker 112 sind anders gestaltet als die entsprechenden Teile der unteren Kupplungselemente 60.

Pfeile 114 deuten an, wie der magnetische Fluß das Gehäuse 10, den oberen Anschlag 64 und den Anker 112 durchsetzt. Der eingeschweißte Ring 12 aus unmagnetischem Material verhindert einen magnetischen Kurzschluß im Gehäuse. Zusätzlich kann ein schnellerer Aufbau des Magnetfeldes durch die Anordnung von mehreren axialen Schlitzen 115 in der Ankerbuchse 112 erzielt werden. Die Schlitze 115 sind in F i g. 5 deutlich dargestellt, während sie in F i g. 1A nur gestrichelt eingezeichnet sind. Durch die Schlitze werden die Streuflüsse herabgesetzt. Ähnliche Schlitze können gegebenenfalls in allen den einzelnen Magneten zugeordneten magnetischen Teilen vorgesehen sein.

Zwischen den einander gegenüberstehenden Oberflächen des Anschlages 64 und des Ankers 112 ist eine Scheibe 116 aus nichtmagnetischem, verschleißfestem Material angeordnet, welche die Abbauzeit des magnetischen Flusses im Luftspalt 118 bei einer Entregung der Magnetspule 16 herabsetzt. Ferner ist zwischen dem Anschlag 64 und dem Anker 112 eine Feder 120 eingesetzt, deren Kraft kleiner als die magnetische Anzugskraft zwischen dem Anschlag 64 und dem Anker 112 ist. Auf der Außenfläche des Abstandshalters 72 ist ein Ring 122 an einer Schulter 124 abgestützt. Zwischen diesem Ring und dem oberen Ende der Tragbuchse 110 ist als weiteres Spannglied eine Feder 126 angeordnet. Die Feder 126 wirkt einer Aufwärtsbewegung der Tragbuchse 110 entgegen.

Bei einer Erregung des Elektromagneten 16 beginnt sich der Luftspalt 118 durch eine Aufwärtsbewegung des Ankers 112 zu schließen. Am unteren Ende des Ankers ist mit einem Gewinde 130 ein ringförmiger Tragring 128 befestigt. In Ausschnitten am unteren Ende des Tragringes sind Laschen 134 auf Stiften 132 drehbar gelagert. Das andere Ende jeder Lasche ist durch einen Stift 135 mit einer Greiferklaue 136 verbunden, die mit einem Stift 138 in der Tragbuchse 110 gelenkig gelagert ist.

Wenn der Tragring 128 durch den Anker 112 aufwärts bewegt wird, werden Nocken 140 durch die Öffnungen 141 im Abstandshalter 72 in die Bereitschaftsstellung bewegt, weil die Tragbuchse 110 durch die Feder 126 zunächst an einer Aufwärtsbewegung gehindert ist.

Am unteren Ende des Tragringes 128 ist ein Flansch

142 vorgesehen, der von einem Absatz 144 an der Tragbuchse 110 einen etwas geringeren Abstand hat als der Luftspalt 118 breit ist, so daß der Luftspalt erst endgültig geschlossen wird, nachdem der Flansch den Absatz erreicht hat.

In F i g. 3 hat der Flansch 142 den Absatz 144 gerade erfaßt; die Nocken 140 der Greiferklaue 136 stehen damit in ihrer Bereitschaftsstellung. Beim weiteren Schließen des Luftspaltes 118 bewegen sich die Nocken der Greiferklaue 136 axial aufwärts und kommen mit den Zähnen 88 auf der Stange 62 in Eingriff. In F i g. 4 ist die Stellung dargestellt, bei der der Luftspalt 118 vollkommen geschlossen ist. Die durch den Flansch 142 bewirkte Aufwärtsbewegung der Tragbuchse 110 ist etwa doppelt so groß wie der Spalt

143 zwischen den in der Eingriffsstellung stehenden Nocken 114 und den Zähnen 88. Sobald der Spalt 143 geschlossen ist, ruht die Last des Stabes 62 auf den Nocken 140. Diese Stellung ist definitionsgemäß als Eingriffsstellung bezeichnet. Bis zur endgültigen Schließung des Luftspaltes werden die Nocken und damit auch der Stab noch einmal etwa um die Breite des Spaltes 143 weiterbewegt. Dadurch wird ein gleichgroßer Spalt zwischen den Nocken 86 der unteren Greiferklauen 84 und den zugeordneten Zähnen hergestellt.

Durch den unteren Elektromagneten 20 werden die unteren Kupplungselemente 60 in die verschiedenen Stellungen bewegt. In der in F i g. 1B gezeigten Stellung der Greiferklauen ist der Elektromagnet 20 erregt. Diesem Elektromagneten sind ein erster Anker 104 und ein zweiter Anker 145, beide aus magnetischem Material, zugeordnet. Bei entregtem Elektromagneten 20 liegt zwischen den einander zugekehrten Oberflächen der Anker 104, 145 ein Luftspalt. Die Breite dieses Luftspaltes wird durch die obere Stirnfläche 147 eines Tragbuchsenteils 146 begrenzt, das auf den Anker 104 axial ausgerichtet ist. In einem abgesetzten Teil des zweiten Ankers 145 ist eine Feder 148 angeordnet, die bei entregtem Elektromagnet 20 die Anker 104, 145 auseinanderschiebt. Auf der oberen Stirnfläche des Ankers 104 liegt ein Ring 150 aus nichtmagnetischem Material.

Bei einer Entregung des Elektromagneten 20 bewegt sich der Anker 104 abwärts, bis er die Buchse 146 berührt. Dabei bewegt sich auch der Stift 108 abwärts und bewirkt dadurch eine Drehung der Lasche 102 um dem Stift 108 entgegen dem Uhrzeigersinn, so daß die Nocke 86 aus den zugeordneten Zähnen des Stabes 62 ausgerückt wird. Eine Entregung des Magneten 20 ist jedoch normalerweise erst zulässig,

wenn der Magnet 16 erregt ist, d. h., wenn die oberen Greiferklauen in ihrer Eingriffsstellung (F i g. 4) und infolgedessen die unteren Greiferklauen in ihrer Bereitschaftsstellung stehen.

Das untere Ende 154 der Tragbuchse 94 (F i g. 1 B) ist mit einem Gewinde 156 in das Tragbuchsenteil 146 eingeschraubt. Zwischen einem am unteren Ende des Tragbuchsenteils vorgesehenen Flansch 158 und einem Ring 160, der sich an einer Schulter 162 des Abstandshalters 70 abstützt, ist eine Druckfeder 164 eingesetzt.

Der magnetische Fluß des mittleren Elektromagneten 18 (Hubmagneten) durchsetzt den Anschlag 66, den Anker 145 und den Luftspalt zwischen diesen Teilen, zwischen denen ein Ring 166 aus nichtmagnetischem Material liegt. In dem in den F i g. 1A und 1B dargestellten Betriebszustand ist der Hubmagnet 18 erregt. Bei entregtem Hubmagneten entspricht die Größe des Luftspaltes dem Abstand zwischen der unteren Fläche 168 der Buchse 146 und der Oberseite des unteren Anschlages 68, vermindert um die Höhe zweier oder mehrerer Scheiben 170, die zur Dämpfung des Aufschlages des Tragbuchsenteils 146 auf dem Anschlag 68 angeordnet sind. Die Breite des Luftspaltes ist genau an die Ganghöhe des Gewindes oder an die Zahnteilung auf dem Stab 62 angepaßt.

Zur Beschreibung der Arbeitsweise sei angenommen, daß die Antriebsrichtung in dem in den Fig. IA und IB dargestellten Betriebszustand ist, d.h., daß der Elektromagnet 16 entregt und die Elektromagnete 18 und 20 erregt sind. Ferner sei angenommen, daß die Spalten 141 und 143 zwischen den Zähnen und den Nocken axial je 0,75 mm breit sind, die Steigung des Gewindes oder der Abstand zwischen zwei benachbarten Zähnen auf dem Stab 9,5 mm beträgt und der Luftspalt 118 eine Breite von 11 mm hat.

Zur Aufwärtsbewegung des Stabes wird zunächst der obere Elektromagnet 16 eingeschaltet. Dadurch bewegt sich der Anker 112 in Richtung auf den Anschlag 64, und die Greiferklauen 136 werden infolge der Drehbewegung der Laschen 134 in Richtung auf den Stab 62 bewegt, bis die Nocken 140 die in F i g. 3 dargestellte Stellung einnehmen, in der sie den Stab noch nicht berühren. Die Greiferklauen befinden sich damit in der Bereitschaftsstellung. Während dieser Teilbewegung bleibt die axiale Lage der Greiferklauen 136 unverändert, da die Tragbuchse 110 durch die Feder 126 in ihrer Ausgangsstellung gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt - der Hub beträgt bis jetzt 9,5 mm erfaßt der Flansch 142 am unteren Ende des Tragringes 128 die Schulter 144 der Tragbuchse 110 und bewegt dann die Tragbuchse und mit ihr die Greiferklauen aufwärts, bis der Luftspalt 118 vollkommen geschlossen ist. Durch diese zweite Teilbewegung um 1,5 mm werden der 0,75 mm breite Spalt 143 geschlossen, die Greiferklauen 136 in die Eingriffsstellung gebracht und der Stab um 0,75 mm angehoben, so daß die Last des Stabes von den unteren Kupplungselementen 60 auf die oberen Kupplungselemente 58 wechselt. Jetzt besteht ein Spalt von 0,75 mm Breite zwischen den Nocken der unteren Kupplungselemente 60 und den diesen zugeordneten Zähnen 88, und damit befinden sich die unteren Kupplungselemente 60 in der Bereitschaftsstellung. Als nächster Schritt folgt die Entregung des unteren Elektromagneten 20. Dadurch wird der Anker 104 unter der Wirkung der Feder 148 nach unten bewegt, und die Greiferklauen 84 werden aus der Bereitschaftsstellung in die entkuppelte Stellung gerückt. Nun wird der Hubmagnet 18 entregt, so daß der Hubanker 145, der Anker 104 und das Tragbuchsenteil 146 unter der Wirkung der Feder 164 nach unten bewegt werden, bis die untere Stirnfläche 168 des Tragbuchsenteils 146 auf die Dämpferscheiben 170 trifft.

Zur Dämpfung des Stoßes, der durch den plötzlichen Aufschlag des Ankers 104 und der mit ihm verbundenen Teile hervorgerufen wird, ist der untere Anschlag 68 mit einem ringförmigen Ansatz 174 versehen und die Außenfläche 176 des Tragbuchsenteils 146 entsprechend abgesetzt, so daß eine zwischen der Fläche 168 und den Scheiben 170 eingeschlossene Flüssigkeit durch einen infolge der Bewegung allmählich enger werdenden Spalt zwischen dem Ansatz 174 und der Fläche 176 entweichen muß. Wenn sich dagegen der Luftspalt zwischen dem Anschlag 66 und dem Anker 145 schließt, fließt durch mehrere axiale Öffnungen 178, die in dem unteren Anschlag 68 und in dem Haltering 71 angebracht sind, Flüssigkeit in den Raum 177. Da die Dämpfungsscheiben 170 nicht an dem unteren Anschlag befestigt sind, kann die Flüssigkeit in den Raum 177 eindringen, weil die Dämpferscheiben durch den Druckunterschied der zwischen dem Raum 177 und den öffnungen 178 herrscht, vom Anschlag abgehoben werden. Bei der Abwärtsbewegung der Fläche 168 sind die Öffnungen durch die Dämpferscheiben bedeckt, so daß eine zusätzliche Dämpfung im Moment des Aufschlages eintritt.

Der Raum 177 hat eine Zahnteilung auf dem Stab 62 entsprechende Höhe, so daß Nocken der Greiferklauen 84 unmittelbar auf die Mitte der nächstfolgenden Nut des Stabes ausgerichtet sind, wenn der Zwischenraum 177 geschlossen ist. Durch Erregung des unteren Elektromagneten 20 bewegt sich der Anker 104 bis zur Berührung mit dem Hubanker 145 und bewegt dabei die Greiferklauen 84 aus der entkuppelten in die Bereitschaftsstellung. Jetzt wird der obere Elektromagnet 16 entregt, und dadurch der Anker 112 zusammen mit der Tragbuchse 110 unter der Wirkung der Federn 120 und 126 nach unten bewegt. Die Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung der Tragbuchse ist durch die Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung des Flansches 142 begrenzt. Die Kraft der Feder 126 ist dabei so groß, daß sich die Tragbuchse schneller als der Anker nach unten bewegen kann. Für die ersten 1,5 mm des Weges, den die Tragbuchse zusammen mit den Greiferklauen 136 zurücklegt, bildet die Geschwindigkeit des Flansches 142 die obere Geschwindigkeitsgrenze für die Abwärtbewegung der Tragbuchse, die sich zusammen mit dem Anker während dieses ersten Wegabschnittes im wesentlichen als eine Einheit bewegt. Am Ende dieses Teilweges trifft das untere Ende 180 der Tragbuchse auf eine Scheibe 172 auf und verhindert damit eine weitere Abwärtsbewegung der Tragbuchse. Auf den ersten 0,75 mm der Abwärtsbewegung wird auch der Stab 62 abwärtsbewegt und dabei der Abstand zwischen den Zähnen 88 und den Nocken 86 aufgehoben, so daß die unteren Greiferklauen 84 in die Eingriffsstellung gebracht werden. Die weitere Bewegung um 0,75 mm löst die Berührung der Nocken 140 der oberen Greiferklauen mit dem Stab 62. Während des letzten Teiles der Bewegung der Ankerbuchse (9,5 mm) werden die Nocken 140 aus den Nuten des Stabes 62 ausgerückt, so daß die Greiferklauen die entkuppelte Stellung einnehmen. Die Aufwärtsbewegung des Stabes 62 um einen Schritt wird durch Erregung des

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Hubmagneten 18 fortgesetzt und ist vollendet, sobald der Luftspalt zwischen dem Anschlag 66 und dem Hubanker 145 geschlossen ist. Zur weiteren schrittweisen Aufwärtsbewegung des Stabes ist die Ein- und Ausschaltung der Elektromagnete in der beschriebenen Reihenfolge zu wiederholen.

10

Eine Abwärtsbewegung des Stabes wird analog bei umgekehrter Schaltfolge erreicht. Der Bewegungsablauf der Abwärtsbewegung sowie auch der zuvor geschilderten Aufwärtsbewegung des Stabes wird durch die im folgenden wiedergegebenen Tabelle und 2 in übersichtlicher Weise verdeutlicht.

Tabelle 1

Bewegungsablauf an den Kupplungselementen 58 beim Anheben oder Absenken des Stabes um einen Schritt

Art des Bewegungs- Hub Elektro-

Kommandos phase des magnet

Stabes 62

Anker 112 Greifer- Spalt Spalt 118 Anker

klauen 136 142/144 feder

mit Nocken

Feder

	.	4-*	Y
•π

U	ti
OO	nen !
men	'S
	a •3
S	abes
tabes	co
00	des
des	heben
senken	C
JD

Ausgangs- 0
position

Phase la 0

Phase Ib J-

Phase 2 0

Phase 3 0

Phase 4 0

Phase 5 ^

Phase 6 ^

entregt erregt

erregt erregt erregt erregt

entregt entregt abgefallen entkoppelt Zz₁

teil angezogen Spalt 2S₁ voll angezogen

voll angezogen

abgefallen
abgefallen

in Bereitschaft
Spalt S₁

in Eingriff Spalt 0

entkoppelt entkoppelt

A₁ A₁

A₁ + 2S₁ entspannt entspannt

2S₁ gespannt entspannt

0 gespannt gespannt

A₁ + 2S₁ entspannt entspannt

A₁ + 2^₁ entspannt entspannt

Tabelle 2

Bewegungsablauf an den Kupplungselementen 60 beim Anheben oder Absenken des Stabes um einen Schritt

Art des

Be

Hub

Anker 145

Spalt

Elektro

Anker

Greiferklaue 84

Spalt

Feder

Kommandos

wegungs-

des

magnet

verbun

66/

magnet

104

mit Nocken 86

145/

177

148

164

phase

Stabes

18

den mit

166

20

104

62

Trag

buchse 94

	■4-»	Y
ö	Sehr
Schri	einen
einen	B
e
S	!tabes
tabes	wj
oo	des
des	nken
eben	IU OO
J=!	JD
	<

Aus- 0
gangsposition

Phasela 0
Phase Ib Jj

Phase 2 0

Phase 3 0

Phase 4 0

Phase5 J

Phase 6 f

erregt

erregt erregt

erregt

entregt

entregt erregt

angezogen

abge- A₁ fallen

angezogen erregt ange- in Eingriff zogen Spalt

erregt angezogen

entregt abgefallen

erregt angezogen

in Bereitschaft Spalt S₁

in Eingriff Spalt

A₁

in Eingriff Spalt

in Bereitschaft Spalt J₁

entkoppelt A₁

O

gesp. gesp.

A₁

gesp.	gesp.
gesp.	gesp.
entsp.	gesp.
entsp.	entsp
gesp.	entsp
gesp.	entsp
gesp.	gesp.

Tabelle 1 betrifft den Bewegungsablauf an den Kupplungselementen 58 und Tabelle 2 den an den Kupplungselementen 60 beim Anheben oder Absenken des Stabes um einen Schritt. Die axiale Länge des Spaltes 143 zwischen den Nocken 140 bzw. 86 und ihren Komplementärflächen in der Bereitschaftsstellung der Kupplungselemente ist mit J₁ und die Höhe des eine Zahnteilung betragenden Hubes mit Zz₁ bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß zur Durchführung eines vollen Hubes H₁ des Stabes 62 sechs Bewegungsphasen benötigt werden, wobei die Phase 1 der besseren Übersichtlichkeit halber noch in die Teilphasen la und Ib unterteilt ist. Die Spalte »Hub des Stabes 62« ist in beiden Tabellen enthalten; aufwärts oder abwärts weisende Pfeile verdeutlichen, ob der Stab 62 bei der jeweiligen Phase einen Hub aufwärts oder abwärts durchführt. Wie in der linken Spalte der Tabellen angedeutet, ist es zum Verständnis der Abwärtsbewegung lediglich erforderlich, die Tabellen von unten nach oben zu lesen.

Das in F i g. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schrittantriebes unterscheidet sich von dem bisher erläuterten im wesentlichen dadurch, daß der Betätigungsmagnet 16' mit den zugehörigen Kupplungselementen 58^ am unteren Ende des Schrittantriebes sitzt und demgemäß die Kupplungselemente 60' mit ihren zugehörigen Hub- und Betätigungsmagneten 18', 20' darüber angeordnet sind. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind hier funktionsmäßig gleiche Teile, und zwar im wesentlichen nur diejenigen, die in der Tabelle 1 und 2 vermerkt sind, mit den gleichen Bezugszeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel, jedoch unter Hinzufügung eines Striches, versehen. Die in F i g. 6 dargestellte Position der Kupplungselemente 58', 60' entspricht derjenigen der Phase 5 aus den Tabellen 1 und 2. Der Bewegungsablauf ergibt sich wiederum dadurch, daß

ίο man die Tabellen 1, 2 für die Aufwärtsbewegung des Stabes abwärts und für die Abwärtsbewegung des Stabes aufwärts liest. Im übrigen zeigt F i g. 6 eine weiterentwickelte Ausführungsform mit insgesamt kleineren Abmessungen und weniger Einzelteilen für die Magnetgehäuse sowie einer verfeinerten Abdichtung des Stabgehäuses.

Der beschriebene Schrittantrieb eignet sich auch für Schnellabschaltungen. Die schnelle Abwärtsbewegung, beispielsweise von Absorberstäben zur Schnellabschal-

ao tung eines Atomkernreaktors, wird dadurch erreicht, daß alle Elektromagnete des Schrittantriebes, d. h. die Elektromagnete 16, 18 und 20 der F i g. IA und IB oder die Elektromagnete 16', 18', 20' der F i g. 6, gleichzeitig abgeschaltet werden. Dadurch werden die Kupplungselemente 58 und 60 bzw. 58' und 60' in die entkuppelte Stellung gebracht, und der Stab 62 bzw. 62' fällt nach unten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Schrittantrieb zur Längsbewegung eines stabförmigen, in gleichen Abständen mit Nuten versehenen Bauteiles, insbesondere eines Regel- oder Abschaltstabes für Atomkernreaktoren, in einem rohrförmigen Gehäuse, an dessen Außenmantel die Erregerwicklungen der Magnete angeordnet sind, mit im Inneren des Gehäuses axial beweglichen Magnetankern und zwei abwechselnd vermittels Greiferklauen in die Stabnuten eingreifenden Gruppen von Kupplungselementen, wobei die Kupplungselemente jeder Gruppe über Gelenke mit mindestens einem der Magnetanker derart verbunden und durch diesen derart gesteuert sind, daß die Greiferklauen der Kupplungselemente in der Ruhelage des Ankers zurückgezogen, in der Arbeitsstellung des Ankers dagegen mit genau festgelegter Einrücktiefe in eine Eingriffsstellung gebracht sind, in der die Greiferflächen den Komplementärflächen der jeweils zum Eingriff bereitstehenden Nut des Stabes zunächst berührungsfrei gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt drei Elektromagnete (16, 18, 20) vorgesehen und deren Anker (112, 145, 104) die Kupplungselemente (58, 60) derart zugeordnet sind, daß die erste Gruppe (58) von Kupplungselementen vom Anker (112) des ersten Elektromagneten (16) betätigt ist und — außer der Einrückbewegung ·— über eine axial verschiebbare Tragbuchse (110) nur einen kleinen Zusatzhubweg (2J₁) von der doppelten Breite des Spaltes (143) zwischen den eingerückten Greiferklauen (136) und den Gegenflächen der Stabnut ausgeführt, wobei die erste Hälfte (S₁) des Zusatzhubweges für den Eingriff der Greiferklauen (136) am Stab (62) und die zweite Hälfte (S₁) für die Übernahme der Stablast unter Anheben des Stabes um den halben Zusatzhubweg (S₁) und Überführen der zweiten Gruppe (60) der Kupplungselemente in die stabentlastete Bereitschaftsstellung vorgesehen ist, und daß die zweite Gruppe (60) der Kupplungselemente von den Ankern (104, 145) des zweiten, als Einrückmagnet (20) wirkenden und des dritten, als Hubmagnet (18) wirkenden Elektromagneten betätigt ist und bei gleichzeitiger Erregung der beiden Elektromagnete (18, 20) unter gegenseitiger Anziehung der Anker (104, 145) und vermittels einer zweiten mit dem Hubanker (145) verbundenen Tragbuchse (94) einen Hubweg ausführt, der gleich dem Nutabstand ist.

2. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragbuchsen (110,94) über Druckfedern (126, 164) an im Gehäuse (10) fest angeordneten Anschlagringen (126, 160) abgestützt sind.

3. Schrittantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge (64, 66, 68) für die Anker (104, 112, 145) vorgesehen sind, die stabseitig durch mindestens einen mit Schlitzen (89, 141) für den Durchtritt der Greiferklauen (84, 136) versehenen Abstandshalter (70, 72) miteinander verbunden sind.

4. Schrittantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Anschläge (64, 66) aus magnetischem Material bestehen und als feldführende Teile der Elektromagnete (16, 18) vor-

gesehen sind und daß diese Anschläge und die Anker (104, 112, 145) an ihren Außenflächen mit Längsschlitzen (115) ausgestattet sind.

5. Schrittantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Anschlag (68) mit einem ringförmigen Ansatz (174) versehen ist, an den die Außenfläche (176) des unteren Tragbuchsenteils (146) derart angepaßt ist, daß zwischen dem Ansatz (174) und dem Tragbuchsenteil (146) ein durch Abwärtsbewegung des Tragbuchsenteils (146) enger werdender Spalt gebildet ist.

6. Schrittantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem unteren Anschlag (68) und dem unteren Ende des Tragbuchsenteils (146) gebildete Raum mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist und daß Dämpfungsscheiben (170) mit Zuführkanälen (178) der Dämpfungsflüssigkeit, welche das den unteren Anschlag (68) bildende Teil durchdringen, eine Art Rückschlagventil bilden, wobei bei Abwärtsbewegung der Tragbuchse (94) die Dämpfungsscheiben die Einmündung der Zuführkanäle (178) im wesentlichen abdecken und damit die Dämpfungsflüssigkeit durch den enger werdenden Spalt zwingen, dagegen bei' Aufwärtsbewegung der Tragbuchse (94) das Nachströmen von Dämpfungsflüssigkeit durch die Zuführöffnungen freigeben.

7. Schrittansprüche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einander gegenüberstehenden Oberflächen der Anker (112, 145) einerseits und ihrer Anschläge (64, 66) andererseits bzw. zwischen den einander benachbarten Ankern (145, 104) Zwischenlagen (116, 166, 150) aus nichtmagnetischem Material angeordnet sind.