DE1464896B2 - Tauchanker-elektromagnet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tauchanker-Elektromagnet, an dessen Ankergegenpol mindestens eine Ringrippe von trapezförmigem Querschnitt angeformt ist und dessen Ankerpol mindestens eine komplementäre Ringnut von trapezförmigem Querschnitt hat.

Es ist bekannt, einen zylindrischen Ankerpol mit einem hohlzylindrischen Ankergegenpol in einem Elektromagneten zusammenwirken zu lassen, wobei der Ankerpol am Stirnende sich trapezförmig verjüngen kann und in eine komplementäre Trapezöffnung seines Ankergegenpols im Betriebsfall hineingezogen wird (Patentschrift Nr. 15 575 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin). Weiterhin ist es bekannt, bei einem Tauchanker-Elektromagneten einen hülsenförmigen Ankerpol an seinem Arbeitsende hohlkegelförmig zu gestalten und zur Veränderung der Hubkraftcharakteristik darin einen zylindrischen Ankerteil verschraubbar anzuordnen, wobei der Ankergegenpol entsprechend kegelförmig gestaltet ist und eine zylindrische zentrale Ausneh- _ mung aufweist (deutsche Patentschrift 847 £65)..Bei diesen bekannten Elektromagneten wird lediglich angestrebt, bei einer bestimmten -Erregung eine gewünschte Hubkraftcharakteristik zu erzielen, wobei die Kraft allenfalls in einem gewissen Hubbereich konstant sein soll. Die Abhängigkeit der Zugkraft von der Erregung ist nicht angesprochen. Ausgehend von den gegebenen Abmessungen und der erforderlichen Leistungsaufnahme ist ferner als nachteilig die verhältnismäßig geringe Zugkraft dieser Elektromagneten anzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tauchanker-Elektromagneten bei gegebener Leistungsaufnahme mit möglichst hoher Zugkraft zu versehen, welche in einer eindeutigen, nahezu linearen Beziehung zur Erregung des Elektromagneten steht.

Dies wird bei einem Tauchankermagneten der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß Ankergegenpol und Ankerpol eine hohlzylindrische Grundform haben und daß die an deren jeweils kreisringförmiger Stirnfläche vorgesehene Ringrippe bzw.' Ringnut in ihrem trapezförmigen Querschnitt derart\ ausgebildet ist, daß die Basisfläche der Ringrippe gleich der Summe der seitlichen Ringflächen der Nut (Kegelstumpf-Mantelflächen) ist

ίο und die seitlichen Ringflächen der Nut jeweils gleich dem kreisringförmigen Querschnitt sind, der am Grunde der Nut zwischen dieser und der äußeren bzw. inneren Zylinderfläche des Ankerpols besteht. Damit ist es gelungen, eine überraschende Steigerung der Zugkraft solcher Elektromagnete zu erzielen, obwohl man gleiche geometrische Abmessungen beibehält und für gleiche elektrische Leistungsaufnahme sorgt. Die Steigerung der Zugkraft gegenüber bisher üblichen Elektromagneten beträgt bei vergleichbaren Dimensionen und gleicher elektrischer Leistungsaufnahme etwa 100%.

Besonders vorteilhaft ist die Tatsache, daß bei der angegebenen Dimensionierung von Ankerpol und Ankergegenpol die Zugkraft bei allen Erregungen auf dem ganzen Ankerwege praktisch konstant bleibt, während bei üblichen Elektromagneten diese Kraft erheblich, z. B. im Verhältnis 3 :5 oder noch mehr, schwankt und allenfalls nur bei einer einzigen Erregungsstärke eine geringere Schwankung erzielt werden kann. Aus der Lagenunabhängigkeit der Zugkraft bei konstanter Erregung ergibt sich ferner eine eindeutige Beziehung zwischen Zugkraft und Erregung, wobei diese Beziehung in weiten Grenzen praktisch linear ist. Der Elektromagnet eignet sich daher vorzüglich zum Einbau in Reguliervorrichtungen, z. B. Regulierventile, in Bremsvorrichtungen, Prüfvorachtungen u. dgl.

Für die praktische Bemessung der Elektromagnete erwies es sich ferner als sehr zweckmäßig, die kreisringförmige Querschnittsfläche des Ankergegenpols in an sich bekannter Weise annähernd doppelt so groß auszubilden wie die kreisförmige Querschnittsfläche der Ringrippe in deren halber Höhe. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
, Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Tauchanker-Elektromagneten nach der Erfindung und

F i g. 2 einen Längsschnitt durch die einander gegenüberliegenden Stirnflächen von Ankerpol und Ankergegenpol in größerem Maßstab.

Der Elektromagnet weist einen zylindrischen Ankergegenpol 1 aus Weicheisen auf, der an einem

Ende mit einem Flansch2 versehen ist,.dessen Peripherie eines der Enden eines zylindrischen Mantels 3

'55.von innen berührt.-Das andere Ende des Mantels3 umschließt einen ;Rückschlußdeckel 4, der ein zentrales Loch aufweist,, durch , welches eine Zugstange 6 hindurchgeht. Das innere Ende der Zugstange 6 ist mit einem zylindrischen Ankerpol 7 fest verbunden, der gleichen Außendurchmesser hat wie der Ankergegenpol 1. Der Mantel 3, der Deckel 4 und der Ankerpol 7 bestehen aus Weicheisen und bilden einen magnetischen Kreis, der bis auf einen Luftspalt s 1 zwischen Ankerpol 7 und Ankergegenpoll sowie die Luftspaltes2 und s3 zwischen dem Ankerpol 7 und dem Deckel 4 in ferromagnetischem Material verläuft.
Im Luftspalt s 2, der sich zwischen der unteren

Stirnfläche des Ankerpols 7 und dem dazu parallelen Teil des Deckels 4 befindet, ist eine Ringscheibe 8 aus nicht magnetisierbarem Material angeordnet, welche verhindert, daß der Luftspalt s 2 die dargestellte, minimale Breite unterschreitet. Im Luftspalt ί3, der sich zwischen dem unteren Teil des äußeren Umf angs des Ankerpols 7 und einem ihn umgebenden Teil des Deckels 4 befindet, ist eine ebenfalls aus nicht magnetisierbarem Material bestehende Buchse 9 angeordnet, in welcher der Ankerpol 7 geführt ist. Zur Führung des Ankers 7 dient ferner noch ein in der Achse des Elektromagneten liegender Bolzen 10 aus nicht magnetisierbarem Material, dessen unteres Ende von leicht verringertem Durchmesser fest mit diesem Anker 7 verbunden ist, während sein oberes Ende von leicht vergrößertem Durchmesser in einer zentralen Sackbohrung 11 des Ankergegenpols 1 geführt ist.

In dem zwischen dem Ankergegenpol 1 und dem Ankerpol 7 einerseits und dem Mantel 3 andererseits vorhandenen, in Axialrichtung durch den Flansch 2 und den Deckel 4 begrenzten Hohlraum ist eine Erregerwicklung 12 untergebracht, welche auf ein mit Flanschen 13 versehenes Spulenrohr 14 aufgebracht ist. Von der dem Ankerpol 7 gegenüberliegenden, ebenen Stirnfläche des Ankergegenpols 1 ragt eine ringförmige Rippe 15 von trapezförmigem Querschnitt vor, der eine ringförmige Nut 16 gleichen Querschnitts gegenübersteht, die in der betreffenden, im übrigen ebenfalls ebenen Stirnfläche des Ankerpols 7 vorgesehen ist.

Gemäß F i g. 2 der Zeichnung gelten folgende Bezeichnungen:
F₁ ist die Fläche des kreisringförmigen Querschnitts des Ankergegenpols 1;

F₂ ist die Fläche des kreisringförmigen Querschnitts der ringförmigen Rippe 15 in ihrer halben Höhe; F₃ ist die äußere Kegelsrumpf-Mantelfläche der ringförmigen Nut 16;

F₄ ist die innere Kegelstumpf-Mantelfläche der ringförmigen Nut 16;

F₅ ist die Fläche des äußeren kreisringförmigen Querschnitts des Ankerpols 7, welche sich an den Boden der Nut 16 bis zur Zylinderaußenfläche anschließt;

F₆ ist die Fläche des inneren, kreisringförmigen Querschnitts des Ankerpols 7, welche sich im Anschluß an den Boden der Nut 16 bis zur inneren Zylinderfläche anschließt;
F₇ ist die Fläche des kreisringförmigen Querschnitts der ringförmigen Rippe 15 an ihrer Basis.

Nach der Erfindung werden nun die vorerwähnten Flächen nach folgenden Beziehungen gestaltet: »

2. F₄ = F₆
4. F₁ = 2. F₂

Zur Verdeutlichung der Basis der Erfindung können die folgenden Überlegungen dienen. Zu den Beziehungen 1 bis 3 gelangt man, ausgehend von der Erkenntnis, daß im Luftspalt s 1 die Kraftliniendichte zwischen den einander gegenüberliegenden Kegelstumpf-Mantelflächen der Ringrippe 15 und der Ringnut 16 am größten ist, mit der Forderung, daß der an dieser Stelle durch die Flächen F₃ und F₄ gehende magnetische Fluß weder im Ankerpol 7 noch

ίο im Ankergegenpol 1 an irgendeiner Stelle, weder bei F₆ und F₅, noch bei F₇, auf eine kleinere Fläche eingeengt werden darf als in diesen Flächen F₃ und F₄. Andererseits wird davon ausgegangen, daß es Platz- und Materialverschwendung bedeuten würde, wenn

is man F₅, F₆ und F₇ größer machen würde, als es die obigen Beziehungen fordern. Die obenerwähnte Beziehung 4 erwies sich bei der praktischen Bemessung dieses Elektromagneten als äußerst zweckmäßig. Aus diesen Beziehungen 1 bis 4 erhält man in der Praxis

ao meist eine Nutentiefe, die etwa gleich dem zehnten Teil des Ankerpol- bzw. Ankergegenpol-Außendurchmessers ist.

Ein erfindungsgemäßer Elektromagnet der vorerwähnten Gestaltung mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 120 mm würde bei der jeweils nachfolgend angegebenen Gleichstromerregung die folgende Zugkraft aufweisen:

etwa 25 kg bei 2000 Amperewindungen

etwa 35 kg bei 2500 Amperewindungen

etwa 45 kg bei 3000 Amperewindungen

etwa 60 kg bei 4000 Amperewindungen.

Bei einer Leistungsaufnahme von 40 Watt betrug die Arbeitsleistung etwa 30 cm/kg. Bei Abweichung von den angegebenen Dimensionsbeziehungen 1 bis 4 verringert sich die Zugkraft des Elektromagneten sehr rasch, so daß eine Toleranz von ± 10% in diesen Beziehungen nicht überschritten werden sollte. Es sei noch erwähnt, daß gegen Ende der Ankerbewegung, also bei sehr kleinem Luftspalt si, zwar ein erheblicher Teil des gesamten magnetischen Flusses nicht mehr durch die Flächen F₃ und F₄ hindurchgeht, daß aber dann die Kraftliniendichte sehr stark abnimmt, während andererseits die spezifische Anziehungskraft dem Quadrat der Kraftliniendichte proportional ist. Die Versuche zeigen, daß bei Einhaltung obiger Beziehungen diese beiden Effekte sich praktisch kompensieren.
Es versteht sich, daß gleich gute Ergebnisse auch erzielt werden könnten, wenn der Ankerpol 7 und der Ankergegenpol 1 ihre Funktion miteinander vertauschen würden. Ferner könnte man auch mehrere

komplementäre Ringrippen und Ringnuten am Ankerpol und Gegenankerpol anbringen. Diese beiden Pole müssen dann in Paare von koaxialen hohlzylindrischen Elementen aufteilbar sein, die dem Ankergegenpol 1 und dem Ankerpol 7 von F i g. 2 entsprechen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Tauchanker-Elektromagnet, an dessen Ankergegenpol mindestens eine Ringrippe von trapezförmigem Querschnitt angeformt ist und dessen Ankerpol mindestens eine komplementäre Ringnut von trapezförmigem Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, daß Ankergegenpol (1) und Ankerpol (7) eine hohlzylindrische Grundform haben und daß die an deren jeweils kreisringförmiger Stirnfläche vorgesehene Ringrippe (15) bzw. Ringnut (16) in ihrem trapezförmigen Querschnitt derart ausgebildet ist, daß die Basisfläche der Ringrippe (F.) gleich der Summe der seitlichen Ringflächen (F₃, F₄) der Nut (Kegelstumpf-Mantelflächen) ist und daß die seitlichen Ringflächen (F₃ bzw. F₄) der Nut jeweils gleich dem kreisringförmigen Querschnitt sind, der am Grunde der Nut zwischen dieser und der äußeren (F₅) bzw. inneren (F₆) Zylinderfläche des Ankerpols besteht.

2. Tauchanker-Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisringförmige Querschnittsfläche (F₁) des Ankergegenpols (1) in an. sich bekannter Weise annähernd doppelt so groß ist wie die kreisringförmige Querschnittsfläche (F₂) der Ringrippe (15) in deren halber Höhe.