DE1589914A1

DE1589914A1 - Rotierendes,elektromagnetisches Betaetigungselement

Info

Publication number: DE1589914A1
Application number: DE19671589914
Authority: DE
Inventors: Hereford John Robert
Original assignee: HEREFORD JOHN ROBERT
Current assignee: HEREFORD JOHN ROBERT
Priority date: 1966-12-30
Filing date: 1967-12-29
Publication date: 1970-05-14
Also published as: GB1192180A; US3638550A

Description

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John Robert Hereford
Florrissant, Mississipi, USA

Rotierendes, elektromagnetisches Betätigungselement.

Die Erfindung bezieht sich auf ein rotierendes elektromagnetisches Betätigungselement, bestehend aus wenigstens einem Paar gegenüberliegender Polstücke und wenigstens einem zwischen den Polstücken um eine Achse rotierbaren Rotor.

Als rotierende Betätigungselemente für Servomechanismen wurden bisher gewöhnlich in linearer Richtung arbeitende Solenoide mit einem Linearroatation-Übersetzer verwendet. Obwohl derartige

Betätigungselemente ihre Aufgabe wie vorgesehen erfüllen, so arbeiten sie jedoch unter allen Betriebszuständen zufriedenstellend, da relativ hohe Reibungskräfte und Trägheitsmomente innerhalb der notwendigerweise verwendeten Bewegungsübersetzer auftreten. Ferner sind derartige Mechanismen oft sehr kompliziert und teuerund benötigen zur Erzielung einer zufriedenstellenden Funktionsweise eine regelmäßige Störüberwachung·

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BADORlGlNAi.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein rotierendes, elektromagnetisches Betätigungselement zu schaffen, das diese Nachteile nichtaufweist und das durch direkte Erzeugung einer Rotationsbewegung bei hohen magnetischem Wirkungsgrad eine sehr schnelle Ansprechzeit aufweist und ferner bei äußerst geringem Herstellungskosten sehr zuverlässig im Betrieb ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß jeder Rotor aus zwei halbkreisförmigen, gegeneinander versetzten gegenüber der Drehachse axial symmetrisch angeordneten Rotorstücken besteht und daß die mit Hilfe einer Wicklung magnet!sierbaren Polstücke gekrümmte Polflächen aufweisen, die zusammen mit den halbkreisförmigen Botorstücken ein Paar von gekrümmten veränderlichen Luftspalten ergeben.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß zwei übereinander angeordnete, durch eine Welle aus magnetisierbarem Material miteinander verbundene Rotorelemente vorgesehen sind, die zwischen entsprechendmen Polstücken innerhalb eines zylindrischen Gehäuses aus magnetisierbarem Material angeordnet sind und daß der innerhalb des Gehäuses vorhandene Raum zwischen Polstücken, Rotoreleinenten von einer um die Welle auf einer Spule gelegten Wicklung gefüllt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht

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darin, daß mehrere Rotoren in den Ecken eines regelmäßigen Polygonale angeordnet sind und daß die den Rotoren entsprechenden Pol·- ßtücke entlang den Seiten des Polygonais über mit Wicklungen versehene Joche Miteinander verbunden sind.

Eine besonders vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Betätigungselementes ergibt sich, wenn die einzelnen Rotoren mit den Verechlußblättern eines Kameraverschlusses fest verbunden sind..

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand eines Ausführungs· beispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügtcnZeichnung Bezug genommen wird. Es zeigen:

Figur la, Ib, Ic perspektivische Ansichten einer ersten Ausführungsfora des erfindungsgemäßen Betätigungselement es in entregtem_t halb erregtem und voll erregte« Zustand;

Figur 2 eine perspektivische Teilansicht - teilweise im ¹ Schnitt - einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsei eaen te ε alt dem Rotor in entregtem Zustand;

Figur 3 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform

des erfindungsgemäßen Betätigungselementes mit de· Rotor in entregtem Zustand;

Figur 4 eine Draufsicht auf einen Kameraverschlußmecha-

nismus, der für die Betätigung mit Hilfe des er-

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findungsgemäßen Betätigungselementes gemäß Figur 3 ausgebildet ist. In den verschiedenen Ansichten der Zeichnung·entsprechen gleiche Bezugszeichen entsprechenden Bauteilen des erfindungsgemäßen Betätigungselementes·

In dem folgenden soll auf die Figuren la, Ib und Ic der Zeichnung Bezug genommen werden, in welcher ein über einen begrenzten Bereich rotierbares, elektromagnetisches Betätigungseienent 1 gezeigt ist. Dieses besteht aus zwei Statoren, bzw. Polstücken 3 und 5. Diese Polstücke weisen bogenförmig gekrümmte Polflächen 7 bzw. 9 auf. Die Polstücke 3 und 5, die aus einem beliebigen magnetischen Material hergestellt sein können, bestehen vorzugsweise aus einem weichen ferro-magnetisehen Material, beispielsweise reinem Eisen mit hohem Beinheitsgrad. Ferner ist eine nicht gezeigte, elektrische Wicklung vorgesehen, um die Polstücke 3 und 5 entgegengesetzt zu magnetisieren. Wie dies in den Figuren dargestellt ist, kaanbeispielsweise das Polstück 3 im Sinne eines Nordpolesund das Polstück5im Sinne eines Südpoles magnetisiert sein.

Zur Erzielung einer Rotationsbewegung ist ein, im allgemeiinen durch das Bezugszeichen 11 bezeichneter Rotor auf einer Welle ait einer Achse 13 zwischen den Polstücken 3 und 5 angeordnet, wobei die Welle in geeigneter Weise in einem nicht gezeigten Lager geführt ist. Der Rotor 11 besteht ebenfalls aus einem magnetischen Material - vorzugsweise einem weichen ferro»magnetisehen

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Material - und weist zwei·halbkreisförmige Rotorhälften 17 und 19 auf. Die Grundflächen der halbkreisförmigen Rotorhälften 17 und 19 liegen in der Axialebene der Achse 13 des Rotors 11 und liegen größtenteils übereinander. Während jedoch der Krümmungsmittelpunkt 21 der ersten Rotorhälfte 17 gegenüber der Achse 13 in der einen Richtung versetzt ist, liegt der Krümmungsmittelpunkt 32 der zweiten Rotorhälfte 19 um einen gleichen Betrag in der anderen Richtung gegenüber der Achse 13 versetzt.

Das Polstück 13 ist im Hinblfck auf den Rotor 11 derart angeordnet, daß der Krümmungsmittelpunkt 25 der Polfläche 7 auf einer seit« lieh gegenüber der Achse 13 und des Grundflächen der Rotorstükke 17, 19 versetzt liegt* In gleicher Weise ist das Polstück 5 derart angeordnet, daß der Krümmungsmittelpunkt 2? der Polfläche 7 achssymmetrisch gegenüber der Achse 13 und den Grundflächen der Rotorhälften 17 und 19 angeordnet ist. Die Radien der Polflächen und Rotorhälften sind im wesentlichen identisch, so daß die Rotorhälften und die Polflächen einander berühren, wenn der Rotor 11 - sowie dies in Figur Ic dargestellt ist - in der Lage gemäß dem erregten Zustand sich befindet. Wenn jedoch der Rotor sich in entregtem Zustand gemäß Figur la oder teilerregtem Zustand gemäß Figur Ib befindet, ist ein Luftspalt 29 bzw. zwischen den entsprechenden Rotorhälften 17, 19 und den Polflächen 7 und 9 vorhanden. Da die Krümmungsmittelpunkte 25 und 27 der Polflächen 7 und 9 seitlich gegenüber der Achse 13 des Rotors versetzt sind, vertiert der Luftspalt 29, 31 zwischen den Enden

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und den Enden 37; 39 hinsichtlich seiner Breite von einem Maximalwert bis zu einem Minimalwert·

In den durch die Figuren Ib und ic dargestellten Betriebszuständen des elektromagnetischen Betätigungsei ententes I werden die Polstücke 3, 5 durch eine nicht gezeigte, die Polstücke 3, 5 umschließende dieselben magnetisierende Wicklung gebracht, wobei beispielsweise ein Nordpol am Polstück 3 und ein Südpol am Polstück 5 entsteht. Da die Polstücke 3, 5 in entgegengesetzter Richtung magnetisiert werden, entsteht ein magnetischer Fluß von dem Polstück 3 über den Luftspalt 29, durch den Rotor 11, durch den Luftspalt 31 und das Polstück 5» von wo derselbe zurück zum Polstück 3 führt. Der den Rotor 11 durchdringende magnetische Fluß erwirkt, daß die Rotorhälften 17, 19 entgegengesetzt magnetisiert werden, so daß beispielsweise die Rotorhälfte 17 einen Südpol und die Rotorhälfte 19 einen Nordpol darstellt. Demgemäß sind gegenüber liegende Polstücke und Rotorhälften durch Induktion über die Luftspalte 29 und 31 hinweg entgegengesetzt magnetisiert. Durch Magnetisation der Polstücke 3 und 5 und der Rotorhälften 17 und 19 in der bereits angegebenen Art und Weise und durch die dadurch entstehenden anziehenden Kräfte zwischen gegen- , über liegenden Polstücken und Rotorhälften dreht sich der Rotor um die Achse 13. Die auftretenden Kräfte erzeugen nämlich ein resultierendes Drehmoment, durch das der Rotor 11 um die Ahcse 13 so lange gedreht wird, bis die Rotorhälften 17 und 19 mit den Polflächen 7 und 9 in Berührung gelangen.

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Ferner sind nicht gezeigte 'Rotorrückholeinrichtungen vorgesehen', durch welche der Rotor 11 aus seinem erregten, in Figur ic dargestellten Zustand In seinen entregten, in Figur la gezeigten Zustand zurückgebracht wird. Diese Bückholeinrichtung kann entweder eine spiralförmig um die Welle 15 gewickelte Feder oder eine an der Welle 15 angreifende Last sein.

Es soll hervorgehoben werden, dafl die Krümmungsmittelpunkte 21, 23 der Rotorhälften 17, 19 relativ nahe an der Rotationsachse angeordnet sein sollen, damit die beiden Luftspalte 29». 31- möglichst klein gehalten werden können. Da durch Verringerung der beiden Luftspalte die erzeugte Kraft umgekehrt quadratisch mit der Luftepaltbrelte sumimmt, tritt bei Verringerung der Luftspaltbreite eine Zunahme des durch den Rotor erzeugten Drehmomentes auf, obwohl der Ärbeitsweg dabei vermindert wird. Letzterer geht? nämlich linear In die Drehmomentgleichung ein, so daß der quadratische Drehmomentsgewinn den linearen Verlust mehr als kompensieren kann.

Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform eines elektromagnetischen Betätigungselementes ist hinsichtlich ihrer Funktionsweise identisch mit der Ausführungsform gemäß Figur 1. Sie stellt jedoch eine kompaktere Bauform eines Betätigungsmeohansimus dar« Das Betätigungselement 41 besteht aus einem, im allgemeinen zylindrischen Gehäuse 43 aus magnetischem Material, an welchem Endstücke 45, 47 befestigt sind, die aus einem nicht magnetischen Material bestehen. Während ein Paar von oberen Polstücken 49, 51

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magnetflußleitend mit dem oberen Teil des Gehäuses 43 verbunden ist, ist ein Paar von unteren Polstücken 53, 55 magnetflußleitend mit dem untern Teil des Gehäuses 43 verbunden.

Enlang der Längsachse des Betätigungselementes 41 ist eine aus magnetischem Material 57 bestehende Welle drehbar innerhalb des Gehäuses 43 mit Hilfe eines Paares von !Lagern 58 gelagert, welehe innerhalb der Endstücke 45, 47 angeordnet sind. Auf der Welle 57 sind ein oberer und ein unterer Rotor 59 bzw. 61 befestigt, wobei die Rotoren 59, 61 in räumlicher Zuordnung zu den entsprechenden Polstücken 49, 51 bzw. 53» 55 stehen, wobei obere und untere Paare von Luftspalten 63, bzw. 65 auftreten. Innerhalb des Gehäuses 43 ist eine ringförmige Spule 67 mit einem Paar von Endf^lanshen 69, 71 für die Aufnahme einer zum Teil in Figur 2 gezeigten Wicklung 73 angeordnet, Diese Wicklung 73 füllt den Baum zwischen der inneren Spulenw4Rd 67 des Gehäuses 43 und den Endflanshen 69, 71. Die nicht gezeigten Enden der Wicklung 73 sind durch das Gehäuse 43 nach außen geführt und mit einer geeigneten Energiequelle verbunden.

Die geometrische Konfiguration der Rotoren 59, 6l der Poletücke 49, 51 und 53, 55 und der Luftspalte 63, 65 sind identisch zu der im Zusammenhang mit Figur 1 besprochenen Ausführungsform des Betätigungselementes. Somit besteht jeder der Rotoren 59 und 61 aus einem Paar von gegeneinander versetzten halbkreisförmigen Rotorhälften, welche zusammen mit den entsprechenden Pdstücken 49,

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51 und 53, 55 Luftspalte 63, 65 variabler Breite ausbilden.

Die Punktionsweise des in Figur gezeigten elektromagnetischen Betätigungselementes 41 ist derart, dafc beim Erregen der Wicklung 73 durch eine beliebige Stromquelle die Welle 57 und damit eine daran befestigte Last gedreht wird. Sobald nämlich die Wicklung 73 erregt wird, entsteht ein magnetischer Fluß, der durch das magnetische Material des zylindrischen Gehäuses 34 und die Polstücke 49» 51 über die Luftspalte 63 zu dem Rotor 59 und von dort durch die Welle 57» den Rotor 6l über die Luftspalte zu den Polstücken 53 und 55 fließt, von wo aus sich derselbe über zylindrische Gehäuse 43 schließt. Da die Polstücke 49, 51 und 53» 55 an gegenüberliegenden Enden des magnetischen Feldes liegen, werden entgegengesetzte Polaritäten in denselben erz-eugt, die wiederum entgegengesetzte Polaritäten innerhalb der Rotoren 59 und 6l hervorrufen. Sowie dies in Figur 2 dargestellt ist, bil. den die oberen Polstücke 51, 59 Südpole und der obere Rotor 59 einen Nordpol, während die unteren Polstücke 531 55 Nordpole und der untere Rotor 6l einen Südpol ausbilden. Die Polarität der oben beschriebenen Komponenten hängt selbstverständlich von der Stromrichtung durch die Wicklung 73 ab und kann durch Stromrichtungsumkehr umgepolt werden. Beim Schließen eomes magnetischen Kreises - was im wesentlichen gleichzeitig mit der Erregung der Wicklung 73 eintritt - werden die Rotoren 59» 6l zwischen den Polstücken 49, 51 und 53, 55 in ihre erregte Lage gebracht, wodurch eine in der Welle 57 verbundene Last gedreht

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wird. Auch in diesem Fall kann die Bäckkehrvorrichtung des Betätigungselementes ^l aus einer mit der Welle 57 verbundenen Feder bestehen oder kann einen Teil der Belastung ausmachen.

Dir Figuren 3 und k stellen eine weitere Ausführungsform des elektromagnetischen Betätigungselementes gemäß der Erfindung dar, welche für die Betätigung eines sehr schnell arbeitenden Verschlus· ses einer Kamera, beispielsweise für Luftreconnaissance-Fotogeräte verwendet werden kann. Das Mehrfachbetätigungselement besteht aus einer Mehrzahl von Polstücken 77, 79, 81, 83, 85 und 87, die eine Mehrzahl von Wicklungen 89, 91 und 93 aufweisen, welche zum Magnetisieren der Polstücke in der Figur 3 angegebenen Richtung dienen. Die Wicklungen 89, 91 und 93 sind - beispielsweise in Serie - mit einer geeigneten, nicht gezeigten Energiequelle verbunden. Eine Mehrzahl von Rotoren 95, 97 und 99 sind an entsprechendenRotorwellen 101, 103 und 105 zwischen gegenüberliegenden Polstückpaaren 77 und 79, 81 und 85 und 83 und 87 angeordnet. Wieder ist die geometrische Konfiguration der Rotoren, der Luftspalte und Polstücke identisch mit dem in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Betätigungselement, so daß dieselben nicht weiter beschrieben werden sollen«

Sowie dies in Figur k dargestellt ist, besteht der an einer schnell arbeitenden Kamera angeordnete Verschluß 107 aus einem Verschlußring 109, an welchem eine Verschlußplatte 111 befestigt ist. In ihrem Mittelpunkt weist die Verschlußplatte 111 eine Öffnung II3 für den Lichtdurchgang auf. Sowie dies allgemein

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bekannt ist, dient die Licht durchlassende Öffnung 113 dazu, auf eine noch nicht entwickelte Schicht, eine? lichtempfindlichen ' Filmes Licht zum Belichten desselben auffallen zu lassen. Die übrigen Teile der Kamera bestehen aus der Filmschicht und Ein« .richtungen zum Vorbeibewegen des Filmes an der Öffnung 113· Diese Einrichtungen sind jedoch weder dargestellt, noch besehrieben, da dieselben nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind» Die Hotorwellen 101,103 und 105 erstrecken sich nach oben hin durch die. Abschlußplatte 111 hindurch und sind mit entsprechenden Verschlußblättern 115» 117 und 119 des Verschlusses* 107 verbunden· Obwohl das Verschluflblatt 115 vollkommen in geöffneter Position, das Blatt 117 vollkommen geschlossen und das Blatt in einer teilweise geöffneten Position gezeigt sind, so soll es doch verstanden sein, daf dies nur zur Erläuterung mit Hilfe der Zeichnung erfolgt ist und daß die Blätter gleichzeitig betätigt werden und daß dieselben zu jedem beliebigem Zeitmoment sich in derselben Rotationspotftion befinden· Eine Hehrzahl von Bückholfedern 121, 123, und 125 sind mit den entsprechenden Verschlußblättern 115, 117 und 119 verbunden, so daß die Verschlußblätter zurück in die vollkommen geschlossene Position gemäß der Darstellung des Verschlußblattes 117 gebracht werden können.

Die Funktionsweise des in Figuren 3 und 4 gezeigten Verschlusses erfolgt dadurch, daß zum Öffnen der lichtdurchlassenden Öffnung bzw. zum Belichten der Schicht des vorbeigeführten Filmstreifens die Wicklungen 89, 91 und 93 gleichzeitig durch eine geeignete,

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nicht gezeigte Energiequelle erregt werden. Die Erregung der Wicklungen 89, 91 und 93 bedingt eine Magnetisation der Polstücke 77 - 87 und der Rotoren 95, 97 und 99 in der in Figur 3 angegebenen Art und Weise, wodurch die Rotoren 95, 97 und 99 und die Wellen 101, 103 und 105 in Drehung versetzt werden, Die Drehung der Wellen 101, 103 und 105 bewirkt,daß die Verschlußblätter 115, 117 und 119 gleichzeitig von einer vollkommen geschlossenen Position - sowie dies an Hand eines Blattes 117 in Figur k dargestellt ist - zu einer vollkommen offenen Position geführt werden - sowie diesan Hand des Verschlußblattes 115 dargestellt ist. Die Schicht des an der Licht durchlassenden Öffnung 11 vorbeistreichenden Filmes wird solange belichtet, bis die Wicklungen 89, 91 und 93 von der Energiequelle getrennt werden,¹ wodurch die Federn 121, 123 und 125 die Verschlußblätter 117 und 119 zurück in die vollkommen geschlossene Position zurückziehen. Während der Drehung der Verschlußblätter 117, 115 und 119 zurück in die vollkommen geschlossene Position werden die Rotoren 95, 97 und 99 zurück in ihre entregte Position gebracht, so daß dieselben für eine erneute Betätigung bereit stehen.

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Claims

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Patente η sp r ü c h e

(1·) Rotierendes,elektromagnetisches Betätigungselement, bestehend aus wenigstens einem Paar gegenüberliegender Polstücke und wenigstens einem zwischen den Polstücken um eine Achse rotierbaren Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor (11, 59, 61, 95-97) aus zwei halbkreisförmigen, gegeneinander versetzten, gegenüber der Drehachse (13) axialsymmetrisch angeordneten Rotorstücken (17, 19) besteht, und daß die Polstücke (3, 5, ^9-55, 77 -87), die mit Hilfe einer Wicklung magnetisierbar sind gekrümmte Polflächen (7, 9) aufweisen, die zusammen mit den halbkreisförmigen Rotorstücken (17, 19) je ein Paar von gekrümmten, veränderlichen Luftspalten ( 29, 31, 63, 65) ergeben.

2, Betätigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pederelemente (121, 123, 125) zum Zurückbringen des Rotors (11, 59, 61, 95-97) in seine Ausgangsposition vorgesehen sind.

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3. Betätigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei übereinander angeordnete, durch eine Welle (57) aus magnetisierbarem Material miteinander verbundene Rotorelemente (59, 61) vorgesehen sind, die zwischen entsprechenden Polstücken (49-53) innerhalb eines zylindrischen Gehäuses (43) aus magnetisierbarem Material angeordnet sind und daß der innerhalb des Gehäuses (43) vorhandenenRaum zwischen Polstücken (49-53), Rotorelementen (59, 61) von einer um die Welle (57) auf einer Spule (67) gelegten Wicklung (73) gefüllt ist.

4. Betätigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rotoren (95, 97, 99) in den Ecken eines regelmäßigen Polygonais angeordnet sind und daß die den Rotoren (95, 97, 99) entsprechenden Polstücke 177-87) entlang den Seiten des Polygonais über mit Wicklungen (89, 91, 93) versehene Joche miteinander verbunden sind.

5. Betätigungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rotoren (95, 97, 99) mit den Verschlußblättern (115, 117, 119) eines KameraverSchlusses fest verbunden sind,

6, Betätigungselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Magnetelemente aus magnetisch weichem Material gefertigt sind.

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