DE19722013C2

DE19722013C2 - Magneto-mechanisches Kraftsystem

Info

Publication number: DE19722013C2
Application number: DE19722013A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Steingroever; Erich Steingroever
Original assignee: Magnet Physik Dr Steingroever GmbH
Current assignee: Magnet Physik Dr Steingroever GmbH
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: DE19722013A1; US5864274A

Description

Die Erfindung betrifft ein magneto-mechanisches Kraftsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, das insbesondere zur schnellen Betätigung von mechanischen und/oder elektrischen Einrichtungen durch einen Stromimpuls geeignet ist.

Aus DE 39 22 297 A1 ist eine elektromagnetische Haltevorrich tung für Wechselteile, wie beispielsweise Werkzeuge oder Meßtaster, mit einem oder mehreren Permanentmagneten und einem Elektromagneten bekannt, dessen Feld dem des Permanent magneten während des Wechselvorganges gleichsinnig bzw. ge gensinnig überlagerbar ist und es dabei verstärkt oder neu tralisiert. Um ein möglichst kleines Bauvolumen und geringes Gewicht bei einer möglichst hohen Haltekraft zu erzielen, ist bei dieser bekannten Haltevorrichtung der mit seinen Polen radial zur Achse des Elektromagneten ausgerichtete Permanent magnet von der Wechselfläche aus gesehen vor dem Elektroma gneten in dem aus dem topfartigen Weicheisenteil und dem Eisenkern des Elektromagneten gebildeten Ringspalt angeord net. Bei angezogenem Wechselteil verlaufen die Feldlinien des Elektromagneten in einem vollständig geschlossenen Flußfüh rungsteil, das an keiner Stelle von einem Luftspalt unter brochen ist. Diese elektromagnetische Haltevorrichtung ist jedoch als ein magneto-mechanisches Kraftsystem zur schnellen Betätigung von mechanischen und/oder elektrischen Einrichtun gen durch einen Stromimpuls nicht geeignet. Tatsächlich wird bei dieser bekannten Haltevorrichtung nur durch Kompensation des Halteflusses auf Null das Abheben der Polplatte erleich tert.

Dies gilt auch für eine weitere magnetische Haltevorrichtung mit Unterbrechung des Magnetflußes nach FR 2 216 657 (Regi striernummer 73.03835), bei der allerdings ein Permanentma gnet am Boden eines Weicheisentopfes angeordnet ist und sich eine Spule mit elektrischem Ein- und Ausschalter im Inneren des Weicheisentopfes an der dem zu haltenden Teil zugewandten Seite der Haltevorrichtung befindet. Auch diese bekannte magnetische Haltevorrichtung dient nur zum Festhalten von Teilen aus ferromagnetischem Material, kann jedoch nicht zur schnellen Betätigung von mechanischen und/oder elektrischen Einrichtungen durch einen Stromimpuls eingesetzt werden.

Aus US 3 992 687 ist zwar weiterhin ein Solenoid mit einem im Innenraum der Stromspule längsverschiebbaren Stößel aus fer romagnetischem Material bekannt, der mit einem Anschlagstück ebenfalls aus ferromagnetischen Material am unteren Teil einer Wechselstromspule zusammenwirkt und an seiner unteren Stirnfläche einen Kurzschlußring trägt, dessen Aufgabe al lerdings in dieser Entgegenhaltung nicht näher definiert ist. Er soll anscheinend eine schnelle Betätigung des Stößels bremsen.

Aus DE 10 22 712 C1 ist außerdem ein Haftmagnetsystem mit elektrisch ausschaltbarer Haftkraft bekannt, bei dem der Magnetfluß eines ringförmigen, in axialer Richtung magneti sierten Dauermagneten mittels einer elektrischen Schaltwick lung aus dem Arbeitsluftspalt in einen Nebenschluß-Luftspalt verdrängt werden kann.

Das Haftmagnetsystem hat einen ringförmigen Dauermagneten mit den Polen N und S, eine erste Polplatte mit zylindrischer Bohrung an der einen Stirnseite des Dauermagneten sowie eine zweite Polplatte mit Polkern, der von der anderen Stirnseite des Dauermagneten in die Bohrung der ersten Polplatte hinein ragt und so den Arbeitsluftspalt bildet. Mit dieser ersten Polplatte verbunden ist ein Topf aus Weicheisen, dessen Boden mit der anderen Polplatte den Nebenschluß-Luftspalt bildet, der zweckmäßig mit einem unmagnetischem Werkstoff ausgefüllt ist. Im stromlosen Zustand verläuft der Magnetfluß über den Arbeitsluftspalt und den Polkern; durch Einschalten der elek trischen Schaltwicklung wird der Magnetfluß über die Wandung des Weicheisentopfes und den Nebenschluß-Luftspalt gedrängt, so daß der Arbeitsluftspalt unmagnetisch wird und anhaftende Teile losläßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von die sem vorbekannten Stand der Technik ein magneto-mechanisches Kraftsystem zu schaffen, das aus wenigen robusten Teilen einfach aufgebaut ist und insbesondere zur schnellen Betäti gung von mechanischen und/oder elektrischen Einrichtungen, insbesondere auch zur Schnellauslösung von elektrischen Si cherheitsschaltern durch einen Stromimpuls geeignet ist.

Diese Aufgabe findet ihre Lösung, ausgehend von einem magne to-mechanischen Kraftsystem der eingangs genannten Art, gemäß der Erfindung dadurch, daß an der Polplatte in dem den abge setzten Hals der Flußleitplatte umgebenden Ringraum spulen seitig ein Ring aus elektrisch leitendem Material, wie Kup fer, Aluminium oder dergleichen, derart befestigt ist, daß der Magnetfluß des Dauermagneten durch den beim Einschalten der Stromspule schnell ansteigenden Strom in den Nebenschluß- Luftspalt verdrängt und gleichzeitig in dem Ring ein entge gengesetzter Strom induziert wird, der von der Stromspule abgestoßen wird, so daß die Polplatte mit dem Ring durch die sich addierenden Kräfte der Feder und des Stromes schlagartig von dem Weicheisentopf abgehoben wird und eine daran ange schlossene Einrichtung betätigt.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß ein solches magneto-mecha nisches Kraftsystem in besonders einfacher Weise aus wenigen, einfach zu bearbeitenden Werkstücken zusammengebaut werden kann.

Am Boden des Weicheisentopfes kann entweder ein ringförmiger Dauermagnet oder eine Anzahl von Dauermagneten angeordnet werden, die durch einen ringförmigen Käfig aus Isoliermateri al gleichmäßig über den Boden des zylindrischen Weicheisen topfes verteilt sind.

Die auf den ringförmigen Dauermagneten oder die ringförmig angeordneten Dauermagnete aufgesetzte Flußleitplatte kann von oben in den Weicheisentopf so eingesetzt werden, daß sie zur Wandung des Weicheisentopfes einen Nebenschluß-Luftspalt bildet und außerdem eine Stromspule aufnimmt, die über ein Kabel mit einer Stromquelle verbunden ist.

Schließlich ist auf den Hals der Flußleitplatte und den Rand des Weicheisentopfes eine magnetisch haftende Polplatte auf gesetzt, an der spulenseitig ein Ring aus elektrisch leiten dem Material, wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen, befe stigt ist. Dieser ist in sich kurzgeschlossen.

An der Polplatte ist außerdem ein Stößel vorgesehen, der zur Betätigung einer angeschlossenen Einrichtung dient.

Der an der Polplatte befestigte Stößel kann dabei gegen den Boden des Weicheisentopfes gerichtet sein und diesen ebenso wie die Dauermagnetanordnung und die Flußleitplatte in einer zentralen zylindrischen Öffnung oder Bohrung durchdringen.

Zweckmäßigerweise ist die Polplatte oder der Stößel von einer Feder beaufschlagt, so daß das Kraftsystem nach jeder Aus lösung entweder in der geöffneten Stellung gehalten oder automatisch wieder in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird.

Zur Betätigung des Kraftsystems wird zum gewünschten Zeit punkt ein Stromimpuls auf die Stromspule geschickt. Dieser wird zweckmäßig aus der Entladung eines Kondensators gewon nen, der über einen schnellen Hochstrom-Schalter (Thyristor oder dergleichen) mit der Stromspule verbunden wird. Es kön nen so Schaltzeiten von unter 1 ms erreicht werden.

Der schnell ansteigende Strom in der Stromspule bewirkt, daß der Magnetfluß des Dauermagneten bzw. der Dauermagnete in den Nebenschluß-Luftspalt verdrängt wird. In dem Kurzschluß-Ring der Flußleitplatte wird hierdurch ein entgegengesetzter Strom induziert, der von der Stromspule abgestoßen wird, so daß die auf dem Hals der Flußleitplatte und auf dem stirnseitigen Rand des Weicheisentopfes aufliegende Polplatte mit dem daran befestigten Ring aus Kupfer, Aluminium oder dergleichen schlagartig von dem Weicheisentopf abgehoben wird und eine daran angeschlossene Einrichtung betätigt.

Die im Kondensator gespeicherte Energie kann vielfach höher sein als die Energie der die Polplatte und/oder den Stößel spannenden Feder. Beim Auslösen addieren sich beide Energien bzw. Kräfte und bewirken deshalb eine entsprechend größere Beschleunigung des Stößels und/oder der Polplatte. Das ist für Sicherheitsschalter, die schnell ansprechen sollen, sehr wichtig.

Im Falle der Dauerbereitschaft kann eine Überwachungsschal tung für die Betriebsbereitschaft des Impuls-Gerätes vorgese hen sein.

Beispiele für weitere Anwendungen des magneto-mechanischen Kraftsystems sind:

a) Betätigen von Stanzwerkzeugen, von Hydraulik- oder Pneu matik-Ventilen,
b) Erzeugen von Druck- oder Schockwellen in einer Flüssig keit,
c) Betätigen von Sicherheitsvorrichtungen in Kraftfahrzeu gen im Zusammenhang mit einem Crash-Sensor.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch ein magneto-mecha nisches Kraftsystem im Ruhezustand und

Fig. 2 das Kraftsystem nach Auslösung durch einen elek trischen Stromimpuls.

Das magneto-mechanische Kraftsystem 1 dient insbesondere zur schlagartigen Betätigung von mechanischen und/oder elektri schen Sicherheitseinrichtungen durch einen Stromimpuls.

Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, sind am Boden 2 eines zylindrischen Weicheisentopfes 3 ein oder mehrere Dauerma gnete 4 angeordnet. Entweder kann ein geschlossener ringför miger Dauermagnet 4 vorgesehen sein oder eine Vielzahl von mehreckigen Dauermagneten 4, die dann rings um die Längsachse 5 des Weicheisentopfes 3 in an sich bekannter Weise durch einen ringförmigen Käfig aus Isoliermaterial festgehalten werden.

Der oder die Dauermagnete 4 tragen eine Flußleitplatte 6, die zur Wandung 7 des Weicheisentopfes 3 einen Nebenschluß-Luft spalt 8 bildet.

Die Flußleitplatte 6 hat, wie in der Zeichnung zu erkennen ist, einen stufenförmig abgesetzten Hals 9 geringeren Durch messers, dessen Stirnseite 10 mit dem Rand 11 des Weicheisen topfes 3 in einer gemeinsamen Ebene liegt.

Der Hals 9 der Flußleitplatte 6 ist von einer Stromspule 12 umgeben, die durch eine Leitung 13 (Fig. 2) mit einer Strom quelle 14 verbunden ist.

Auf dem Hals 9 der Flußleitplatte 6 und auf dem Rand 11 des Weicheisentopfes 3 liegt eine magnetisch haftende Polplatte 15 auf.

An der Polplatte 15 ist in dem den abgesetzten Hals 9 der Flußleitplatte 6 umgebenden Ringraum ein Ring 16 aus elek trisch leitendem Material, wie Kupfer, Aluminium oder der gleichen, spulenseitig befestigt. Die Polplatte 15 selbst oder ein daran befestigter Stößel 17 dient zur Betätigung einer angeschlossenen Einrichtung, beispielsweise einer me chanischen und/oder elektrischen Sicherheitseinrichtung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Der an der Polplatte 15 befestigte Stößel 17 durchdringt den Weicheisentopf 3 und das darin angeordnete Magnetsystem in einer zentralen zylindrischen Öffnung, in der ein Führungs rohr 18 aus nicht magnetischem Material, wie z. B. Messing, für den Stößel 17 befestigt ist, das auch als axiale Führung für die Polplatte 15 dient. Der Weicheisentopf 3, der oder die darin angeordneten Dauermagnete 4 und die Flußleitplatte 6 können mit dem Führungsrohr 18 zweckmäßig verklebt oder in anderer Weise fest verbunden sein, so daß alle Teile mit dem Weicheisentopf 3 einwandfrei zentriert sind.

Die Polplatte 15 oder der Stößel 17 kann von einer Feder 19 beaufschlagt sein, wobei im letzteren Falle der Stößel 17 an seinem unteren freien Ende einen ringförmigen Kragen 20 auf weist, an dem die am Boden eines Gehäusetopfes 21 abgestützte Feder 19 anliegt. Die Feder 19 kann als Druckfeder ausgebil det sein, so daß das Kraftsystem nach jeder Auslösung in der geöffneten Stellung gehalten wird, oder als Zugfeder, so daß das Kraftsystem wieder in seine Ausgangsstellung zurückge führt wird. Sie kann auch als Druckfeder zwischen dem am Stößel 17 befestigten Kragen 20 und dem Boden 2 des Weich eisentopfes 3 angeordnet sein, so daß sie den Stößel 17 nach der Betätigung wieder in die Ausgangslage von Fig. 1 mit aufliegender Polplatte 15 zurückführt. Erforderlichenfalls kann auch eine Haltevorrichtung für die Polplatte in geöff neter Stellung vorgesehen sein.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, liegt die Polplatte 15 im stromlo sen Zustand des Magnetsystems durch die magnetische Anzie hungskraft der Dauermagnete 4 mit ihrem äußeren Rand auf dem Rand 11 des Weicheisentopfes 3 auf.

Beim Einschalten der Stromquelle 14 bewirkt der in der Strom spule 12 schnell ansteigende Strom, daß der Magnetfluß 22 des Dauermagneten bzw. der Dauermagnete 4 in den Nebenschluß- Luftspalt 8 verdrängt und in dem tellerförmigen Ring der Flußleitplatte 6 ein entgegengesetzter Strom induziert wird, der von der Stromspule 12 abgestoßen wird, so daß die auf dem Hals 9 der Flußleitplatte 6 und auf dem stirnseitigen Rand 11 des Weicheisentopfes 3 aufliegende Polplatte 15 mit dem daran befestigten Ring 16 aus Kupfer, Aluminium oder dergleichen schlagartig von dem Weicheisentopf 3 abgehoben wird und eine daran angeschlossene Einrichtung betätigt.

Liste der Bezugszeichen

1

magneto-mechanisches Kraftsystem

2

Boden

3

Weicheisentopf

4

Dauermagnete

5

Längsachse

6

Flußleitplatte

7

Wandung

8

Nebenschluß-Luftspalt

9

Hals

10

Stirnseite

11

Rand

12

Stromspule

13

Leitung

14

Stromquelle

15

Polplatte

16

Ring

17

Stößel

18

Führungsrohr

19

Feder

20

Kragen

21

Gehäusetopf

22

Magnetfluß

Claims

1. Magneto-mechanisches Kraftsystem, insbesondere zur schlagartigen Betätigung von mechanischen und/oder elek trischen Einrichtungen durch einen Stromimpuls, bei dem am Boden (2) eines zylindrischen Weicheisentopfes (3) ein oder mehrere Dauermagnete (4) angeordnet sind, die eine Flußleitplatte (6) tragen, die zur Wandung (7) des Weicheisentopfes (3) einen Nebenschluß-Luftspalt (8) bildet und einen stufenförmig abgesetzten Hals (9) ge ringeren Durchmessers hat, dessen Stirnseite (10) mit dem Rand (11) des Weicheisentopfes (3) in einer gemein samen Ebene liegt, wobei der Hals (9) der Flußleitplatte (6) von einer mit einer Stromquelle (14) verbundenen Stromspule (12) umgeben ist und auf dem Hals (9) der Flußleitplatte (6) und auf dem Rand (11) des Weicheisen topfs (3) eine magnetisch haftende Polplatte (15) auf liegt, die selbst oder mittels eines daran befestigten Stößels (17) und einer Feder (19) zur Betätigung einer angeschlossenen Einrichtung dient, dadurch ge kennzeichnet, daß an der Polplatte (15) in dem den abgesetzten Hals (9) der Flußleitplatte (6) umgebenden Ringraum spulenseitig ein Ring (16) aus elek trisch leitendem Material, wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen, derart befestigt ist, daß der Magnetfluß des Dauermagneten (4) durch den beim Einschalten der Stromspule (12) schnell ansteigenden Strom in den Neben schluß-Luftspalt (8) verdrängt und gleichzeitig in dem Ring (16) ein entgegengesetzter Strom induziert wird, der von der Stromspule (12) abgestoßen wird, so daß die Polplatte (6) mit dem Ring (16) durch die sich addieren den Kräfte der Feder (19) und des Stromes schlagartig von dem Weicheisentopf (3) abgehoben wird und eine daran angeschlossene Einrichtung betätigt.

2. Magneto-mechanisches Kraftsystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der an der Polplatte (15) befestigte Stößel (17) den Weichei sentopf (3) und das darin angeordnete Magnetsystem in einer zentralen zylindrischen Öffnung, in der ein Füh rungsrohr (18) aus nicht magnetischem Material, wie z. B. Messing, für den Stößel (17) befestigt ist, durchdringt und als axiale Führung für die Polplatte (15) dient.

3. Magneto-mechanisches Kraftsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polplatte (15) oder der Stößel (17) von einer Druckfeder (19) beaufschlagt ist.

4. Magneto-mechanisches Kraftsystem nach einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß der Stromimpuls auf die Stromspule (12) aus der Entladung eines Kondensators über einen schnellen Hochstrom-Schalter gewonnen wird.