DE19603306C2 - Elektromotorische Vorrichtung zum Drehen einer Welle, sowie Verwendung der Vorrichtung als Antrieb einer Abgas-Absperrvorrichtung und als Antrieb einer drehzahl- und lastabhängigen Ventilsteuerung - Google Patents
Elektromotorische Vorrichtung zum Drehen einer Welle, sowie Verwendung der Vorrichtung als Antrieb einer Abgas-Absperrvorrichtung und als Antrieb einer drehzahl- und lastabhängigen VentilsteuerungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromotorische
Vorrichtung zum Drehen einer Welle gemäß dem Anspruch 1.
Zum Drehen von Wellen im Bereich zwischen 0° und 360° werden
vielfach elektromotorische Antriebe verwendet. Beispielsweise
sind Schrittmotoren bekannt, um Wellen in bestimmten
Winkelstufen (Schritten) zu drehen. Alternativ ist es auch
bekannt Getriebeeinrichtungen vorzusehen, um Wellen weniger
als einen Vollwinkel (360°) mittels eines elektromotorischen
Antriebs zu drehen. Derartige Antriebe sind z. B. in DUBBEL,
Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Auflage, 1981, im
Kapitel S, Fertigungstechnik - Elemente der
Werkzeugmaschinen, 9.2 Antriebe, beschrieben.
Aus DE 40 20 275 C2 ist ein drehbar gelagerter Stellantrieb
bekannt, der mittels Magneten zwischen zwei Endpositionen
hin- und herschaltbar ist. Aus DE 30 05 921 A1 ist ein
monostabiles Drehankersystem bekannt, bei dem ein Anker
elektromotorisch aus einer Ruhelage ausgelenkt werden kann
und bei Wegfall der auslenkenden Kraft selbsttätig wieder
mittels Magnetkraft in die Ruhelage zurückgedreht wird.
Beispielsweise sind Abgas-Absperrvorrichtungen nach
DIN 3388/2 bekannt, sogenannte Diermayer-Klappen, die mittels
eines Elektromotors angetrieben werden. Siehe hierzu den
Prospekt der Firma Diermayer "Diermayerklappen, Abgas-
Absperrvorrichtungen nach DIN 3388/2, Technische Information
und Einbauanweisung, Stand Februar 1994. Diese Abgas-
Absperrvorrichtungen bzw. Abgasklappen werden zwischen
Feuerstätte und Abgaskamin geschaltet, und diese Abgasklappen
schließen während der Betriebspausen der Feuerstätte
automatisch den Abgasweg, so daß die Wärme erhalten bleibt.
Fordert ein Temperaturregler von der Feuerstätte Wärme an, so
hält zunächst der Stellantrieb der Abgasklappe Strom. Der
Getriebemotor öffnet die Absperrscheibe gegen die Kraft einer
Feder. Durch die Kopplung von der Motorwelle zur Klappenwelle
und zurück zum Endschalter ist sichergestellt, daß der
Endschalter nur bei ordnungsgemäß montiertem Stellantrieb und
voll geöffneter Abgasklappe betätigt wird. Erst bei
durchgeschaltetem Endschalter kann der Steuerstrom zum
Stellglied (z. B. Magnet-Motorventil bzw. Feuerungsautomat)
der Feuerstätte fließen, die dann in Betrieb geht. Der
kurzschlußfeste Motor bleibt während der Betriebszeit unter
Spannung. Beim Abschalten wird die Kraft der Feder die
Absperrscheibe über eine Fliehkraftbremse langsam in die
geschlossene Stellung und der Getriebemotor in seine
Ausgangslage zurückgeführt. Durch das langsame Verschließen
der Abgasklappe wird nach dem Ende der Feuerung noch der
Abzug der Rauchgase bzw. Abgase ermöglicht. Nachteilig bei
dieser bekannten Abgasklappe ist es, daß sie vergleichsweise
aufwendig und teuer in der Herstellung ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
elektromotorische Vorrichtung zum Drehen einer Welle
bereitzustellen, die einfach im Aufbau und zuverlässig im
Betrieb ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des
Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung eine Halterung, an der
die zu drehende Welle drehbar gelagert ist. Wenigstens ein
Schwenkarm aus einem nichtmagnetischen Material ist mit
einem Ende fest mit der zu drehenden Welle verbunden und an
dem anderen Ende des Schwenkarms ist ein erster Magnet mit
einem Nord- und einem Südpol befestigt. An der Halterung ist
ein Rahmenprofil befestigt, das eine erste und eine zweite
Gleitfläche aufweist, die einander gegenüberliegend
angeordnet sind. Das Rahmenprofil bzw. die beiden
Gleitflächen sind so geformt, daß sich der erste Magnet über
den gesamten Schwenkbereich des Schwenkarms zwischen den
beiden Gleitflächen bewegt. Dabei ist der Nordpol des ersten
Magneten der ersten Gleitfläche und der Südpol der zweiten
Gleitfläche zugewandt. Durch einen zweiten Magneten wird ein
magnetischer Kreis geschlossen, der ausgehend von dem zweiten
Magneten durch das Rahmenprofil mit der ersten Gleitfläche,
den ersten Magneten, das Rahmenprofil mit der zweiten
Gleitfläche und zurück zum zweiten Magneten gebildet wird.
Wenigstens einer der beiden Magneten ist ein Elektromagnet,
vorzugsweise ist der erste Magnet ein Dauer- oder
Permanentmagnet und der zweite Magnet ist ein Elektromagnet
(Anspruch 2), weil sich zu dem "stationären" zweiten Magneten
die Stromzuführung einfacher realisieren läßt. Durch
Beaufschlagung des Elektromagneten mit Strom entsprechender
Polung und Stärke wird der Dauermagnet mit einer bestimmten
Kraft von dem Elektromagneten angezogen bzw. bei
entgegengesetzter Polung abgestoßen, wodurch auf die starr
mit dem Schwenkarm verbundene Welle ein Drehmoment ausgeübt
wird.
Eine Änderung der magnetischen Kraft führt zu einem
Drehmoment auf die Welle. Gesättigt ist das Rahmenprofil
dann, wenn beispielsweise der elektro- und der
dauermagnetische Kraftfluß den Profilquerschnitt voll
ausfüllen. Jede Änderung der magnetischen Kraft unterhalb dieses Sättigungsgrades führt in
dieser Anordnung zu einer Verdrehung der Welle. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist hinsichtlich ihres
Wirkungsgrades (maximale Stellkraft bei minimaler
elektrischer Energie) sensibel, was die genaue
Dimensionierung von Dauer- und Elektromagneten sowie den
Querschnitt der dazwischen angeordneten Rahmenprofile
betrifft.
Durch die Erfindung können herkömmliche Konstruktionen aus
Elektromotor und Untersetzungsgetriebe ersetzt werden. Die
Größe des Drehwinkels und die Größe des Drehmoments können
durch entsprechende Dimensionierung und durch eine
elektronische Steuerung des Elektromagneten relativ genau
definiert werden. Ein Vorteil der Erfindung besteht in der
robusten und störunanfälligen Arbeitsweise und dem
preiswerten und einfachen Aufbau.
Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem
Elektromagneten und einem Drehbereich zwischen 0°
und 180°;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 1;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit zwei
Elektromagneten und einem Drehbereich zwischen 0°
und 180°;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung der Ausführungsform nach
Fig. 3 entlang der Linie A-A;
Fig. 5 und 6 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die
sich von der zweiten Ausführungsform nach Fig. 3 und
4 dadurch unterscheidet, daß die magnetischen Kreise
der beiden Elektromagnete entkoppelt sind;
Fig. 7, 8 eine vierte Ausführungsform in analoger Darstellung
zu der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4;
Fig. 9 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung mit zwei
Elektromagneten und einem Drehbereich zwischen 0°
und 180°;
Fig. 10 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 9
mit teilweiser Schnittdarstellung;
Fig. 11 und 12 eine sechste Ausführungsform der Erfindung mit
zwei Elektromagneten und einem Drehbereich zwischen 0° und
über 180° entsprechend der Darstellung in Fig. 9 und
10;
Fig. 13 eine siebte Ausführungsform der Erfindung mit zwei
Elektromagneten und einem Drehbereich von 0° bis 360°
entsprechend der Darstellung in Fig. 9;
Fig. 14 eine achte Ausführungsform der Erfindung mit drei
Elektromagneten und einem Drehbereich von 0° bis 360°
entsprechend der Darstellung in Fig. 9;
Fig. 15 eine neunte Ausführungsform der Erfindung, die sich
von der Ausführungsform nach Fig. 14 dadurch
unterscheidet, daß die magnetischen Kreise der
Elektromagnete entkoppelt sind;
Fig. 16 eine zehnte Ausführungsform der Erfindung mit zwei
Elektromagneten und einem Drehbereich von 0° bis 90°
mit dem Schwenkarm in zwei unterschiedlichen
Stellungen;
Fig. 17 die Ausführungsform von Fig. 16, die die Halterung
genauer zeigt;
Fig. 18 und 19 eine elfte Ausführungsform der Erfindung mit
vier Elektromagneten, zwei Schwenkarmen in
unterschiedlichen Schwenkebenen und einem
Drehbereich von 0° bis 180° entsprechend der
Darstellung in Fig. 3 und 4;
Fig. 20 und 21 eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung mit
zwei Elektromagneten, zwei Schwenkarmen in einer
einzigen Schwenkebene und einem Drehbereich von 0°
bis 90° entsprechend der Darstellung in Fig. 3 und
4;
Fig. 22 und 23 eine dreizehnte Ausführungsform der Erfindung,
die sich von der Ausführungsform nach Fig. 21 und 22
dadurch unterscheidet, daß die zwei magnetischen
Kreise entkoppelt sind und daß die zwei
Elektromagneten außerhalb des Schwenkbereichs der
Schwenkarme angeordnet sind;
Fig. 24 eine vierzehnte Ausführungsform, die sich von der
ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, daß
mittels einer Torsionsfeder eine Rückstellkraft auf
den Schwenkarm ausgeübt wird;
Fig. 25 eine Modifikation der fünften Ausführungsform gemäß
Fig. 9 und 10, und
Fig. 26 ein elektrisches Schaltbild zur Erläuterung der
Anwendung der zehnten Ausführungsform nach Fig. 16
und 17 zum betätigen einer Abgasklappe.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung verschiedener
bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche
oder einander entsprechende Teile der Erfindung mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch eine erste
Ausführungsform der Erfindung mit einem Drehbereich zwischen
0° und 180°. Die erste Ausführungsform umfaßt eine Halterung
2 an der ein Schwenkarm 4 mit einem Ende 6 an einer Welle 8
drehbar gelagert ist. An dem anderen Ende 7 des Schwenkarms 4
ist ein Dauermagnet 10 befestigt mit einem magnetischen
Nordpol 11 und einem magnetischen Südpol 12.
An der Halterung 2 ist starr ein Rahmenprofil 14 mit einem
ersten und einem zweiten Rahmenprofilelement 15 und 16
befestigt. Das Rahmenprofil 14 bzw. die beiden
Rahmenprofilelemente 15 und 16 ist/sind halbkreisförmig
geformt und umfassen radial bezüglich der Welle 8 sich
wegerstreckende Profilansätze 17. Im Bereich des
halbkreisförmigen Teils des Rahmenprofils 14 weisen die
beiden Rahmenprofilelemente 15 und 16 eine erste und eine
zweite Gleitfläche 18 und 19 auf, die einander
gegenüberliegend und in konstantem Abstand zueinander
angeordnet sind. Das Rahmenprofilelement 14 ist hierbei so
dimensioniert, daß der Dauermagnet 10 an dem Ende 7 des
Schwenkarms 4 über den gesamten Schwenkbereich zwischen den
beiden Gleitflächen 18 und 19 sich bewegt. Der Nordpol 11 des
Dauermagneten 10 ist hierbei der ersten Gleitfläche 18 bzw.
dem ersten Rahmenprofilelement 15 und der Südpol 12 des
Dauermagneten 10 ist hierbei der zweiten Gleitfläche 19 bzw.
dem zweiten Rahmenprofilelement 16 zugewandt.
Ein Ende 22 des Rahmenprofils 15 wird durch einen Anschlag 24
abgeschlossen. Von dem anderen Ende 23 des Rahmenprofils 14
erstrecken sich in radialer Richtung die Profilansätze 17
weg. Zwischen den beiden Profilansätzen 17 ist ein
Elektromagnet 26 mit einer Spule 27 und einem Weicheisenkern
28 angeordnet. Hierbei sind die beiden Stirnflächen des
Weicheisenkerns 28 mit den beiden Rahmenprofilelementen 15
und 16 bzw. deren Profilansätzen 17 fest verbunden.
Durch die Dimensionierung des Anschlags 24 und des
Weicheisenkerns 28 werden die beiden Rahmenprofilelemente 15
und 16 im konstanten Abstand zueinander gehalten. Wie
insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist jeweils zwischen
den beiden Polen 11 und 12 des Dauermagneten 10 und den
Gleitflächen 18 bzw. 19 ein Luftspalt 30 vorgesehen, so daß
der Dauermagnet 10 sich zwischen den beiden Gleitflächen 18
und 19 ohne Reibung bewegen kann.
Sowohl die Halterung 2 als auch der Schwenkarm 4 bestehen aus
einem nichtmagnetischen Material. Die Rahmenprofilelemente 15
und 16 bestehen ebenso wie der Spulenkern 28 aus
einem ferromagnetischen Material.
Anstelle der beiden Luftspalte 30 kann der Dauermagnet 10
auch mittels Rollen- oder Gleitmaterial, z. B. Teflon,
zwischen den Rahmenprofilelementen 15 und 16 geführt sein.
Im stromlosen Zustand der Spule 27 des Elektromagneten 26
tritt das magnetische Kraftfeld des Dauermagneten 10 über den
oberen Luftspalt 30 in das erste Rahmenprofilelement 15 ein,
durchsetzt den Spulenkern 28, das zweite Rahmenprofilelement
16 und kehrt über den unteren Luftspalt 30 in den
Dauermagneten 10 zurück, so daß der magnetische Kreis
geschlossen ist. Die Dimensionierung der Rahmenprofilelemente
15 und 16, des Dauermagneten 10 sowie des Spulenkerns 28 wird
so gewählt, daß das Rahmenprofil 14 und der Spulenkern
28 den Sättigungswert nicht erreichen.
Beaufschlagt man den Elektromagneten 26, dessen Spulenkern 28
vom Magnetfeld des Dauermagneten 10 durchflossen wird, mit
Gleichstrom, so entsteht im Spulenkern 28 sowie im
Rahmenprofil 14 zusätzlich ein Magnetfeld, das sich dem Feld
des Dauermagneten 10 innerhalb dem Rahmenprofil 14 und dem
Spulenkern 28 überlagert. Ist dieser Gleichstrom in der Spule
27 so gerichtet, daß das daraus resultierende Magnetfeld dem
Magnetfeld des Dauermagneten 10 gleichgerichtet ist, so
bewirkt die Reaktion der beiden magnetischen Kraftfelder
zwischen Dauermagnet 10 und Elektromagnet 26
die Bewegung des Schwenkarms 4 in eine Richtung.
Bei entgegengesetzter Polung des
Stroms durch die Spule 27 bewirkt die Reaktion
eine Bewegung
des Schwenkarms 4 in die andere Richtung.
Im Gegensatz zum Stand der Technik bewirkt hier die Kopplung
des elektromagnetischen und des dauermagnetischen Kraftfeldes im
Rahmenprofil 14, dessen magnetische Flußdichte den Sättigungswert
erreicht hat, eine Bewegung des Dauermagneten 10, wel
che über den Schwenkarm 4 zu einer Verdrehung der Welle 8 führt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der
Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform gemäß den
Fig. 1 und 2 lediglich dadurch unterscheidet, daß neben
dem ersten Elektromagneten 26-1 an dem Ende 23 des
Rahmenprofils 14 aus dem Schwenkbereich des Schwenkarms 4
abgesetzt zwischen zwei Profilansätzen 17 ein zweiter
Elektromagnet 26-2 vorgesehen ist, der in seinem Aufbau dem
Aufbau des ersten Elektromagneten 26-1 entspricht.
Durch das Vorsehen von zwei Elektromagneten 26-1 und 26-2
kann die auf den Schwenkarm 4 ausgeübte und damit auf die
Welle 8 übertragbare Kraft bzw. das auf die Welle 8 ausübbare
Drehmoment erhöht werden, da durch entsprechende Polung der
Elektromagneten 26-1 und 26-2 eine Abstoßung von dem einen
Elektromagneten und gleichzeitig eine Anziehung des
Dauermagneten 10 durch den anderen Elektromagneten
herbeigeführt werden kann.
Die Drehbewegung des Schwenkarms 4 wird bei der zweiten
Ausführungsform nicht durch einen Anschlag an den Enden 23
und 22 des Rahmenprofils 14 begrenzt, sondern der Schwenkarm
4 bzw. der Dauermagnet 10 hält bei geeigneter elektrischer
Ansteuerung der beiden Elektromagnete 26-1 und 26-2 an jener
Stelle - am Ende 22 oder 23 - mit seiner Bewegung inne, an
der das Dauermagnetfeld den kürzesten Weg zum Spulenkern 28
findet. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer
geräuscharmen Ausführung, da der Schwenkarm 4 in seiner
Maximalstellung auf keinen mechanischen Anschlag aufschlägt.
Außerdem kann folglich auch kein mechanischer Verschleiß am
Anschlag entstehen, da er nicht vorhanden ist.
Die Fig. 5 und 6 zeigen schematisch eine dritte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich von der
zweiten Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 lediglich
dadurch unterscheidet, daß die Rahmenprofilelemente 15
und/oder 16 jeweils aus zwei Teilen 15-1 und 15-2 bestehen.
Die beiden Teile 15-1 und 15-2 bzw. 16-1 und 16-2 der
Rahmenprofilelemente 15 und 16 greifen ineinander und sind
durch einen Luftspalt 34 voneinander beabstandet. Durch das
Ineinandergreifen der Teile 15-1 und 15-2 bzw. 16-1 und 16-2
bleibt die halbkreisförmige Form des Rahmenprofils 14
erhalten.
In den Fig. 7 und 8 ist eine vierte Ausführungsform der
Erfindung dargestellt. Diese vierte Ausführungsform
unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen
durch einen Halteelektromagneten 36, der zwischen den sich
von dem Ende 22 weg erstreckenden Profilansätzen 17
angeordnet ist. Der Halteelektromagnet 36 umfaßt eine Spule
37 und ein U-förmiges Joch 38, dessen Schenkel 39 auf die
Welle 8 hin ausgerichtet sind.
Durch entsprechende Beschickung mit Strom des ersten
Elektromagneten 26 wird der Schwenkarm 4 gegen eine nicht
dargestellte auf die Welle 8 einwirkende Federkraft in die
Stellung ausgelenkt, wie sie in den Fig. 7 und 8
gezeichnet ist. Wird nun der erste Elektromagnet 26 stromlos,
versucht die auf die Welle 8 wirkende Rückstellkraft den
Schwenkarm 4 in die Ausgangsstellung zurückzudrehen. Dies
kann vorübergehend durch den Halte-Elektromagneten 36
verhindert werden, der dann, wenn der Elektromagnet 26
stromlos wird, durch eine geeignete Energiequelle (nicht
dargestellt), z. B. in Form eines Akkus oder in Form eines
Elektrolytkondensators, mit Strom versorgt wird, so daß der
Dauermagnet 10 bzw. der Schwenkarm 4 für eine bestimmte
Zeitdauer in der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Stellung
gehalten wird. Ist die Kurzzeitenergiequelle entladen, wird
der Schwenkarm 4 durch die Rückstellkraft in die
Ausgangsstellung zurückgedreht.
Diese Ausführungsform ist insbesondere für die Anwendung der
vorliegenden Erfindung als Antrieb für Rauchgasklappen
geeignet und ersetzt den komplizierten
Fliehkraftreglermechanismus bei Rauchgasklappen nach dem
Stand der Technik.
In den Fig. 9 und 10 ist schematisch eine fünfte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese
Ausführungsform umfaßt ebenfalls zwei Elektromagneten 26-1
und 26-2, die hier den Schwenkbereich des Schwenkarms 4
begrenzen bzw. als Anschlag wirken. Im Gegensatz zu den
vorhergehenden Ausführungsformen liegen hier die Spulenkerne
28 der Elektromagneten 26-i (i kann sein 1, 2, 3 oder 4) senkrecht zur Welle 8. Dies
bedingt eine L-förmige Ausbildung des Schwenkarms 4, wie dies
aus Fig. 10 zu ersehen ist.
Bei einer in Fig. 25 dargestellten Modifikation der fünften
Ausführungsform wird eine anschlagförmige Begrenzung der
Schwenkbewegung des Schwenkarms 4 durch die Elektromagnete
26-1 und 26-2 dadurch vermieden, daß die beiden
Elektromagnete 26-1 und 26-2 zwischen zwei Profilansätzen 17
angeordnet sind, die von dem halbkreisförmigen Rahmenprofil
14 rechtwinklig (parallel zur Welle 8) nach oben oder unten
abgesetzt sind (in Fig. 25 nach oben).
Hinsichtlich ihrer Funktionsweise unterscheidet sich diese
fünfte Ausführungsform (mit Modifikation) nicht von den
vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung.
In den Fig. 11 und 12 ist eine sechste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt, bei der der
Schwenkbereich bzw. der Drehbereich des Schwenkarms 4 größer
als 180° ist. Das Rahmenprofil 14 ist hierbei in Aufsicht
gemäß Fig. 11 in etwa 80% eines Vollkreises ausgebildet, an
dessen Enden 22 und 23 die beiden Elektromagneten 26-1 und
26-2 den Schwenkbereich des Schwenkarms 4 begrenzen. Durch
geeignete Ansteuerung der beiden Elektromagneten 26-i kann in
gleicher Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungen der
Schwenkarm 4 von einer Extremstellung in die andere
Extremstellung bzw. zu Zwischenstellungen bewegt werden.
In Fig. 13 ist eine siebte Ausführungsform der Erfindung
dargestellt, die eine Verdrehung der Welle 8 um 360°
ermöglicht. Das Rahmenprofil 14 ist nahezu vollständig
kreisförmig, lediglich die Enden 22 und 23 werden durch einen
Luftspalt 40 getrennt. Von beiden Enden 22 und 23 erstrecken
sich Profilansätze 17 in radialer Richtung nach außen.
Zwischen den Profilansätzen 17 sind aus dem Schwenkbereich
des Schwenkarmes abgesetzt die beiden Elektromagnete 26-1 und
26-2 angeordnet. Durch entsprechende Beaufschlagung der
Elektromagneten 26-i mit Strom kann der Schwenkarm 4 durch
Schwung mehr als eine Volldrehung ausführen, d. h. der
Luftspalt 40 wird übersprungen.
In Fig. 14 ist schematisch eine achte Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, die ebenfalls eine Drehung der Welle 8
um 360° und mehr ermöglicht und drei Elektromagnete 26-1, 26-
2 und 26-3 aufweist. Das Rahmenprofil 14 bzw. die
Rahmenprofilelemente 15 und 16 sind kreisförmig ausgebildet
und weisen drei in gleichen Abständen voneinander sich radial
von dem kreisförmigen Teil wegerstreckende Profilansätze 17
auf.
Durch entsprechende Ansteuerung der drei Elektromagneten 26-i
kann der Schwenkarm 4 mit dem Dauermagneten 10 um mehr als
den Vollwinkel gedreht werden.
Fig. 15 zeigt eine neunte Ausführungsform der Erfindung, die
sich von der achten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig.
14 dadurch unterscheidet, daß die einzelnen magnetischen
Kreise der drei Elektromagneten 26-i voneinander magnetisch
entkoppelt sind. Dies geschieht in analoger Weise zu der
dritten Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und 6 indem
wenigstens eines der Rahmenprofilelemente 15 oder 16 aus drei
Teilen besteht. In Fig. 15 besteht das erste
Rahmenprofilelement 15 aus den Teilen 15-1, 15-2 und 15-3.
Die Ausführungsformen gemäß den Fig. 14 und 15 sind besonders
für ein neuartiges Motormanagement geeignet, bei der mittels
der vorliegenden Erfindung die Ventilsteuerzeiten drehzahl-
und lastabhängig gesteuert werden. Damit lassen sich
aufwendige hydraulische Lösungen ersetzen.
Mit den
Ausführungsformen gemäß Fig. 14 und 15 ist auf einfache Weise
auch eine Verdrehung der Welle 8 um mehr als 360° und
Vielfache davon möglich.
In den Fig. 17 und 16 ist eine zehnte Ausführungsform der
Erfindung schematisch dargestellt, die zwei Elektromagnete
26-1 und 26-2 umfaßt und eine Drehung der Welle 8 zwischen 0°
und 90° ermöglicht. Das Rahmenprofil 14 weist die Form eines
Viertelkreises auf, an deren Enden sich in radialer Richtung
Profilansätze 17 wegerstrecken, zwischen denen die
Elektromagneten 26-1 und 26-2 außerhalb des Schwenkbereichs
des Schwenkarms 4 angeordnet sind. Die Fig. 17 zeigt die
rechtwinklige Ausbildung der Halterung 8 im Detail und in
Fig. 16 sind die beiden Endstellungen des Schwenkarms 4
dargestellt.
Die gestrichelte Gerade 32 in Fig. 16 gibt die Zug- oder
Druckrichtung einer Rückstellfeder an, durch die der
Schwenkarm 4 nach Auslenkung aus seiner Ausgangslage wieder
in seine Ausgangslage zurückgeholt werden kann.
Die Fig. 18 und 19 zeigen eine elfte Ausführungsform der
Erfindung mit vier Elektromagneten 26-1, 26-2, 26-3 und 26-4.
Wie insbesondere aus Fig. 19 zu ersehen ist, entspricht die
elfte Ausführungsform der Erfindung einer "Verdoppelung" der
zweiten Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4, d. h. auf der
Welle 8 sind in verschiedenen Ebenen zwei Schwenkarme 4-1 und
4-2 angeordnet, die Dauermagnete 10-1 und 10-2 tragen. Das
Rahmenprofil 14 umfaßt drei Rahmenprofilelemente 15, 16 und
17, die untereinander bzw. übereinander angeordnet sind. Die
vier Elektromagnete 26-i sind zwischen Profilansätzen 17
angeordnet, die sich wie bei der zweiten Ausführungsform
radial von dem halbkreisförmigen Teil des Rahmenprofils 14
wegerstrecken. Die beiden Elektromagneten 26-1 und 26-3
einerseits und die beiden Elektromagneten 26-2 und 26-4
andererseits sind untereinander angeordnet. Der Schwenkarm 4-
1 mit dem Dauermagneten 10-1 bewegt sich zwischen den ersten
beiden Rahmenprofilelementen 15 und 16, während sich der
zweite Schwenkarm 4-2 zwischen dem zweiten
Rahmenprofilelement 16 und dem dritten Rahmenprofilelement 17
bewegt. Beide Schwenkarme 4-i sind starr mit der Welle 8
verbunden.
Durch diese elfte Ausführungsform läßt sich eine größere
Kraftwirkung auf die Welle 8 ausüben.
In den Fig. 20 und 21 ist eine zwölfte Ausführungsform der
Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform umfaßt ebenfalls
zwei Schwenkarme 4-1 und 4-2, die jedoch im Gegensatz zu der
elften Ausführungsform in der gleichen Drehebene liegen und
an der Welle 8 um 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
Das Rahmenprofil 14 ist kreisförmig ausgebildet, wobei zwei
Elektromagneten 26-1 und 26-2 ohne Profilansätze zwischen den
Rahmenprofilelementen 15 und 16 angeordnet sind und so den
Drehwinkel der Schwenkarme 4-1 und 4-2 begrenzen.
In den Fig. 22 und 23 ist eine dreizehnte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, die ebenfalls zwei Schwenkarme 4-1
und 4-2 umfaßt, die in gleicher Weise aufgebaut sind, wie die
Schwenkarme 4-1 und 4-2 der zwölften Ausführungsform der
Erfindung. Das Rahmenprofil 14 ist ebenfalls kreisförmig
ausgebildet, wobei es zwei Profilansätze 17 aufweist, die um
180° versetzt angeordnet sind, an denen die beiden
Elektromagneten 26-1 und 26-2 angeordnet sind.
Zur Entkopplung der magnetischen Kreise der beiden
Elektromagneten 26-i ist das erste Rahmenprofilelement 15 aus
zwei Teilen 15-1 und 15-2 aufgebaut, wobei die Teile 15-i
durch einen Luftspalt 34 voneinander getrennt sind.
Bei allen beispielshaft beschriebenen dreizehn
Ausführungsformen der Erfindung kann die Position bzw. Lage
des Schwenkarms 4 und damit der Drehwinkel durch eine
geeignete Sensorik erfaßt werden. Zu diesem Zweck werden die
Spulenwicklungen 27 der Dauermagneten 26-i und ggfs. auch des
Haltemagneten 36 zusätzlich zu dem Gleichstrom mit einem
schwachen hochfrequenten Wechselstrom beschickt. Durch die
Auswertung der sich überlagenden Gleich- und Wechselströme,
durch Messen und Auswerten der magnetischen Sättigung der
einzelnen Spulenkerne und der magnetischen Widerstände der
Spulen läßt sich eine genaue Lokalisierung der Dauermagneten
10 und damit eine Bestimmung des jeweiligen Drehwinkels
erreichen. Durch eine entsprechende Ausbildung der Elektronik
läßt sich so jeder von dem technischen Aufbau her mögliche
Drehwinkel der Welle 8 realisieren.
Fig. 24 (Darstellung entsprechend Fig. 2) zeigt schematisch
eine vierzehnte Ausführungsform der Erfindung, die sich von
der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet,
daß auf den Schwenkarm 4 durch eine in der Welle 8 gekapselte
Torsionsfeder 45 eine Rückstellkraft ausgeübt wird. Hierbei
hat die Welle 8 einen größeren Durchmesser, der es
ermöglicht, von einer Seite her eine Ringnut 47 einzubringen.
Dieser Hohlraum 47 dient zur Aufnahme der Torsionsfeder 45
die mit einem Ende mit der Welle 8 bzw. dem Schwenkarm 4 und
mit dem anderen Ende an der Halterung 2 befestigt ist.
Hauptvorteil dieser Ausführungsform ist die raumsparende und
geschützte Unterbringung einer Rückstell- bzw. Torsionsfeder
45, die z. B. die Aufgabe haben kann, die Welle 8 bzw. den
Schwenkarm 4 nach deren Auslenkung wieder in die Ausgangslage
zurückzudrehen.
Die zehnte Ausführungsform gemäß den Fig. 16 und 17 ist
besonders zur Betätigung einer Abgasklappe geeignet, wie sie in
herkömmlichen Gebäudeheizungen vielfach eingesetzt wird. Fig.
26 zeigt ein elektrisches Schaltbild, das die Einbindung der
zehnten Ausführungsform in die Elektrik einer Heizungsanlage
zeigt.
In herkömmlichen Heizungsanlagen wird die Abgasklappe mittels
eines Elektromotors betätigt. Hierzu liefert der entfernt
lokalisierte Thermostat 220 V Wechselspannung an den
Elektromotor der Klappe. Dieser dreht mit 120 Ncm über ein
Untersetzungsgetriebe langsam die Klappe von ZU nach AUF und
spannt gleichzeitig eine starke Feder. Erst wenn die Klappe
ganz geöffnet ist, verbindet ein elektrischer Schalter die
220 V mit dem Brenner der Heizung. Liefert der Thermostat
keinen Strom mehr, bleibt der Brenner stehen. Unmittelbar
nach Stromausfall beginnt die Feder mit dem Schließvorgang,
wird aber durch Getriebe, Motor und mechanischen
Fliehkraftregler dergestalt abgebremst, daß die Klappe 7
Sekunden bis in die ZU-Stellung benötigt, damit die
verbleibende Abgassäule zwischen Brenner und Klappe abziehen
kann.
Diese komplizierte und aufwendige Vorrichtung wird durch die
vorliegende, Erfindung erheblich vereinfacht. Wie aus Fig. 26
zu ersehen ist, liefert der Thermostat 40 220 V
Wechselspannung an einen Schalter 41, der zwischen Thermostat
40 und Brenner 42 angeordnet ist, so daß der Brenner 42
zunächst noch stromlos bleibt. Über einen parallel dazu
angeordneten Gleichrichter 43 und einen Umschalter 46 wird
die Spule 26-2 versorgt, über den Umschalter 46 und eine
Diode 44 auch die Spule 26-1.
Dadurch wird die Klappe vom ZU- in den AUF-Zustand versetzt.
Außerdem wird der Schalter 41 und der Umschalter 46 betätigt.
Der Schalter 41 leitet die ankommenden 220 V an den Brenner
42 weiter. Der Umschalter 46 leitet den Gleichstrom über
einen PTC-Widerstand 48 nur noch auf die Spule 26-1, die
Spule 26-2 wird ausgeschaltet, da die Diode 44 in Sperr-
Richtung geschaltet ist.
Während der Betriebsdauer des Brenners 42 wird der PTC-
Widerstand 48 warm und erhöht seinen Widerstandswert, wodurch
der Strom zu der einzigen noch aktiven Spule 26-1 zunehmend
verringert wird.
Liefert der Thermostat keinen Strom mehr, bleibt der Brenner
42 stehen. Ein parallel zu dem Gleichrichter 43 geschalteter
Kondensator 50 beginnt sich langsam über den PTC-Widerstand
48 und die Spule 26-1 zu entladen und verschafft der Spule
26-1 bei geeigneter Dimensionierung der beteiligten Elemente
ein kleines Magnetkraftfeld, welches ausreicht, mindestens 7
Sekunden der Feder entgegenzuwirken.
Da die Feder nicht einen Motor und einen Fliehkraftregler
gegen ein Untersetzungsgetriebe in Bewegung versetzen muß,
braucht ihre Konstante nur einen Bruchteil der derzeitigen
Technik zu betragen, um auszureichen, die grundsätzlich
leichtgängige Klappe um 90° in die ZU-Stellung
zurückzudrehen. Weiter ist bei der vorliegenden Erfindung
vorteilhaft: Wesentlich kostengünstigere Herstellung, weit
geringerer Stromverbrauch, geringerer Wartungsbedarf.
Claims (16)
1. Elektromotorische Vorrichtung zum Drehen einer Welle
(8), mit
einer Halterung (2), an der die Welle drehbar gela gert ist,
wenigstens einem im wesentlichen in radialer Rich tung von der Welle abstehenden mit der Welle fest ver bundenen Schwenkarm (4) aus einem nichtmagnetischen Ma terial, an dem ein erster Magnet (10) mit Nord- und Südpol (11, 12) befestigt ist,
einem mit der Halterung verbundenen Rahmenprofil (14), das eine erste und eine zweite Gleitfläche (18, 19) aufweist, die einander gegenüberliegend angeordnet sind,
wobei das Rahmenprofil zumindest im Bereich der Gleitflächen aus einem ferromagnetischen Material be steht,
wobei der Abstand der zwei Gleitflächen voneinander und die Größe des Rahmenprofils, des ersten Magneten und des Schwenkarms so gewählt sind, daß der erste Ma gnet zwischen den beiden Gleitflächen beweglich ange ordnet ist, und
wobei der Nordpol (11) des ersten Magneten (10) der ersten Gleitfläche (18) und der Südpol (12) des ersten Magneten (10) der zweiten Gleitfläche (19) zugewandt ist, und
wenigstens einem zweiten Magneten (26), durch den ein magnetischer Kreis durch den ersten Magneten, das Rahmenprofil, den zweiten Magneten, wiederum das Rah menprofil und zurück in den ersten Magneten geschlossen wird, wobei wenigstens einer der Magneten (10, 26) ein Elektromagnet ist.
einer Halterung (2), an der die Welle drehbar gela gert ist,
wenigstens einem im wesentlichen in radialer Rich tung von der Welle abstehenden mit der Welle fest ver bundenen Schwenkarm (4) aus einem nichtmagnetischen Ma terial, an dem ein erster Magnet (10) mit Nord- und Südpol (11, 12) befestigt ist,
einem mit der Halterung verbundenen Rahmenprofil (14), das eine erste und eine zweite Gleitfläche (18, 19) aufweist, die einander gegenüberliegend angeordnet sind,
wobei das Rahmenprofil zumindest im Bereich der Gleitflächen aus einem ferromagnetischen Material be steht,
wobei der Abstand der zwei Gleitflächen voneinander und die Größe des Rahmenprofils, des ersten Magneten und des Schwenkarms so gewählt sind, daß der erste Ma gnet zwischen den beiden Gleitflächen beweglich ange ordnet ist, und
wobei der Nordpol (11) des ersten Magneten (10) der ersten Gleitfläche (18) und der Südpol (12) des ersten Magneten (10) der zweiten Gleitfläche (19) zugewandt ist, und
wenigstens einem zweiten Magneten (26), durch den ein magnetischer Kreis durch den ersten Magneten, das Rahmenprofil, den zweiten Magneten, wiederum das Rah menprofil und zurück in den ersten Magneten geschlossen wird, wobei wenigstens einer der Magneten (10, 26) ein Elektromagnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Magnet ein Dauermagnet (10) und der zwei
te Magnet ein Elektromagnet (26) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gleitflächen (18, 19) ebene Flä
chen sind und der senkrechte Abstand der beiden Gleit
flächen voneinander konstant ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Nordpol (11) des ersten Magneten (10) und der ersten
Gleitfläche (18) und dem Südpol (12) des ersten Magne
ten (10) und der zweiten Gleitfläche (19) ein Luftspalt
(30) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens
eine Elektromagnet (26) eine mit Strom beaufschlagbare
Spule (27) mit einem Kern (28) aus ferromagnetischem
Material umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnflächen des Kerns (28) der Spule (27) mit
der ersten und zweiten Gleitfläche (18, 19) verbunden
sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektromagnet (26) außerhalb des Schwenkbe
reichs des Schwenkarms (4) angeordnet ist, und daß die
Stirnflächen des Kerns der Spule des Elektromagneten
mit dem Rahmenprofil (14) verbunden sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei
Elektromagneten (26-1, 26-2) räumlich getrennt vonein
ander vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens zwei magnetischen Kreise durch die
wenigstens zwei Elektromagnete (26-i) voneinander ent
koppelt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens zwei magnetischen Kreise dadurch
voneinander entkoppelt sind, daß das Rahmenprofil (14)
mehrteilig (15-i bzw. 16-i) ausgeführt ist und daß die
Teile des Rahmenprofils, die einem bestimmten magneti
schen Kreis zugeordnet sind von den Teilen des Rahmen
profils, die einem anderen magnetischen Kreis zugeord
net sind, durch einen Luftspalt (34) voneinander ge
trennt sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rahmenprofil (14) aus einem ersten und ei nem zweiten Rahmenprofilelement (15, 16) besteht,
daß auf dem ersten Rahmenprofilelement (15) die er ste Gleitfläche (18) und auf dem zweiten Rahmenprofile lement (16) die zweite Gleitfläche (19) angeordnet ist, und
daß der wenigstens eine Elektromagnet (26) die bei den Rahmenprofilelemente (15, 16) verbindet.
daß das Rahmenprofil (14) aus einem ersten und ei nem zweiten Rahmenprofilelement (15, 16) besteht,
daß auf dem ersten Rahmenprofilelement (15) die er ste Gleitfläche (18) und auf dem zweiten Rahmenprofile lement (16) die zweite Gleitfläche (19) angeordnet ist, und
daß der wenigstens eine Elektromagnet (26) die bei den Rahmenprofilelemente (15, 16) verbindet.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei
Schwenkarme (4-1, 4-2) vorgesehen sind, an deren Enden
jeweils Dauermagnete (10-1, 10-2) befestigt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens zwei Schwenkarme (4-i) in einer ein
zigen Schwenkebene angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens zwei Schwenkarme (4-i) in unter
schiedlichen Schwenkebenen angeordnet sind.
15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche als Antrieb einer Abgas-Ab
sperrvorrichtung.
16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche als Antrieb einer drehzahl-
und lastabhängigen Ventilsteuerung in Kraftfahrzeugen.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996103306 DE19603306C2 (de) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | Elektromotorische Vorrichtung zum Drehen einer Welle, sowie Verwendung der Vorrichtung als Antrieb einer Abgas-Absperrvorrichtung und als Antrieb einer drehzahl- und lastabhängigen Ventilsteuerung |
AU19236/97A AU1923697A (en) | 1996-01-30 | 1997-01-30 | Electromotive device for rotating a shaft |
EP97907034A EP0878048A1 (de) | 1996-01-30 | 1997-01-30 | Elektromotorische vorrichtung zum drehen einer welle |
PCT/DE1997/000181 WO1997028597A1 (de) | 1996-01-30 | 1997-01-30 | Elektromotorische vorrichtung zum drehen einer welle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996103306 DE19603306C2 (de) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | Elektromotorische Vorrichtung zum Drehen einer Welle, sowie Verwendung der Vorrichtung als Antrieb einer Abgas-Absperrvorrichtung und als Antrieb einer drehzahl- und lastabhängigen Ventilsteuerung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19603306A1 DE19603306A1 (de) | 1997-07-31 |
DE19603306C2 true DE19603306C2 (de) | 1999-09-30 |
Family
ID=7784056
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1996103306 Expired - Fee Related DE19603306C2 (de) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | Elektromotorische Vorrichtung zum Drehen einer Welle, sowie Verwendung der Vorrichtung als Antrieb einer Abgas-Absperrvorrichtung und als Antrieb einer drehzahl- und lastabhängigen Ventilsteuerung |
Country Status (1)
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Families Citing this family (3)
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DE102006036685A1 (de) | 2006-08-05 | 2008-02-07 | Zf Friedrichshafen Ag | Magnetischer Aktuator zur direkten Erzeugung einer rotatorischen Stellbewegung einer Welle mit stromloser Endlagenfixierung |
WO2012031688A2 (de) * | 2010-08-23 | 2012-03-15 | Accuramics Gmbh | Wärmespeichereinrichtung und steuerung für eine heizungsanlage |
DE102021111366A1 (de) | 2021-05-03 | 2022-11-03 | Technische Universität Chemnitz - Körperschaft des öffentlichen Rechts | Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Energiewandler |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3005921A1 (de) * | 1980-02-16 | 1981-09-03 | Harting Elektronik Gmbh, 4992 Espelkamp | Monostabiles drehankersystem |
DE4020275C2 (de) * | 1990-06-26 | 1993-12-16 | Lucas Ind Plc | Stellenantrieb zur Einstellung von zwei selbsthaltenden Lagen |
-
1996
- 1996-01-30 DE DE1996103306 patent/DE19603306C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE3005921A1 (de) * | 1980-02-16 | 1981-09-03 | Harting Elektronik Gmbh, 4992 Espelkamp | Monostabiles drehankersystem |
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Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
"Diermayerklappen", Abgas-Absperrvorrichtungen nach DIN 3388/2, Prospekt der Firma Diermayer, Stand Februar 1994 * |
DUBBEL: "Taschenbuch für den Maschinenbau", 14. Aufl., Berlin 1981, S. 1062-1069 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19603306A1 (de) | 1997-07-31 |
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