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Elektromagnetsystem mit gegen eine Polfläohe bewegbarem Magnetanker
Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetsystem mit gegen eine Polfläche bewegbarem
Magnetanker.
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Derartige Elektromagnetsysteme werden in vielen Einrichtungen wie
biispielaweiße elektromagnetischen Relais oder elektromagnetiaohen Impulseählwerken
verwendet, wobei die
Bewegung des Magnetankers zur Betätigung nachfolgender
Glieder dient. Diese Glieder sind im Falle von elektromagnetischen Relais gontaktarme
oder können im Falle von elektromagnetischen Impulszählwerken Schaltanker zur Fortschaltung
von Ziffernrollen sein. Bei solchen Einrichtungen ist dabei der Verlauf der auf
den Magnetanker in Abhängigkeit von seinem sich ändernden Abstand einwirkenden magnetischen
Kraft in aller Regel sehr ungünstig. Dies liegt daran, daß bei abgefallenem Magnetanker
die magnetische Kraft erst sehr klein ist, dann aber bei zunehmender Annäherung
des Magnetankers an die Polfläche sehr stark ansteigt, bis eie sich bei Anliegen
des Magnetankere an der Polfläche schließlich extrem hohen Werten nähert. Für die
von dem Magnetanker betätigten Glieder wäre aber bei so t wie allen entepreohenden
hinriohtungen ein ganz 1 anderer Verlauf vorteilhafter. Für sie wäre es günstiger,
daß in dem Bereich, in dem die Glieder die größte Arbeit leisten müssen, die magnetische
Kraft ihr Maximum hätte. Statt dessen steigt die magnetisohe Kraft erst gegen Ende
des Ankerweges extrem stark an, was zu einem starken Aufschlagen des Magnetankers
auf die Polfläche oder einen entsprechenden Anschlag führt und zu Beschädigungen
und Prellschwingungen Anlaß gibt. Ebenso wird durchWdiesen steilen Kraftanstieg
ein Kleben des Magnetankers an der Polfläche stark gefördert. Dieses Kleben tritt
bei abgeschaltetem Elektromagneten aufgrund des Remanenzmagnetismus auf und wird
durch Selbst induktion der Magnetspule beim Abschaltvorgang unterstützt. Dieses
magnetische Kleben ist naturbedingt um so höher, Je höher der magnetische Kraftfluss
und somit die magnetische Kraft bei angezogenem Magnetanker ist. Außer diesem magnetischen
Kleben tritt auch noch ein rein mechanisches Kleben des Magnetankers auf,
das
auf Feuchtigkeit und Verschmutzungen und dadurch verstärkt auftretende Molekularkräfte
zu'rückzuführen ist.
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Dieses mechanische Kleben ist naturbedingt stark abhängig von der
Größe der Fläche des Magnetankers, die an der Polfläche anliegt.
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Zur Verhinderung des Klebens des Magnetankers ist bereits vorgeschlagen
worden, für den Magnetanker einen gesonderten Anschlag vorzusehen, der die Bewegung
des Magnetankers in Richtung auf die Polfläche derart beschränkt, daß im angezogenen
Zustand des Magentankers noch ein kleiner Luftspalt zwischen diesem und der Polfläche
verbleibt. Abgesehen davon, daß bei einer solchen Ausgestaltung ein zusätzliches
Teil hergestellt und befestigt werden muß, ist hier auch eine sehr genaue Justierung
dieses kleinsten Luftspaltes notwendig, die den Preis eines Gerätes nicht unwesentlich
beeinfluß, Anstelle eines solchen Anschlages sind auch bereits Trennbleche aus nicht
magnetischem Material bekanntgeworden, die zwischen Polfläche und Magnetanker angeordnet
sind und die Bewegung des Magnetankers in Richtung auf die Polfläche begrenzen.
Auch hier sind zusätzliche Teile und gesonderte Befestigungseinrichtungen für das
Trennblech erforderlich, damit dieses auch bei schnellem Betätigungsrhythmus des
Magnetankers und starker Beanspruchung an seinem Platz verbleibt.
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Außerdem sind solche Trennbleche, die üblicherweise äußerst dünn sein
müssen, starken Abnutzungserscheinungen und Beschädigungen
unterworfen,
die ihre Wirksamkeit herabsetzen oder völlig zunichte machen. Obwohl üblicherweise
sehr dünn, müssen solche Trennbleche eine exakt dimensionierte Dicke besitzen, um
die maximale Annäherung des Magnetankers an die Polfläche genau festzulegen. Die
Dicke variiert bei üblichen Materialien von Hause aus und wird zusätzlich durch
Beanspruchung verändert.
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In ähnlicher Weise wie die erwähnten Trennbleche wirken auch bekannte
Antiklebstifte , die in der Regel am Anker angebracht sind und sich beim Anzug des
Ankers gegen die Polfläche legen. Auch diese Antiklebstifte stellen zusätzliche
Teile dar, die sorgfältig am Anker befestigt sein müssen und in der Regel aus einem
Kunststoffmaterial bestehen. Sie werden beim Aufprall gegen die Polfläche abgenutzt
und beschädigt und stellen somit auch kein besonders gut geeignetes Mittel dar,
um den minimalen Abstand zwischen Spulenkern und Magnetanker auf die Dauer exakt
zu definieren. Außerdem neigen sie zu mechanisch-chemischem Kleben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektromagnetsystem
zu schaffen, bei dem der Verlauf der magnetischen Kraft in Abhängigkeit vom variierenden
Abstand zwischen Magnetanker und Polfäche bei entsprechender Reduzierung der Energieaufnahme
verbessert wird, und bei dem sich im angezogenen Zustand des MagnetankerB ein genau
bestimmter Maximalfluß ergibt, der sich nicht durch Abnutzung von irgendwelchen
Teilen verändern kann, wobei gleichzeitig ein magnetisches wie auch ein mechanisches
Kleben verhindert wird. Dabei sollen
zur Erreichung dieses Zieles
keine zusätzlichen Teile oder Einrichtungen verwendet werden.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem eingangs ererwähnten Elektromagnetsystem
dadurch gelöst, daß die Polfläche und/oder die mit ihr zusammenwirkende Fläche des
Magnetankers aus einer Grundfläche und dieser gegenüber hervorspringenden Flächen
besteht, wobei der Abstand der hervorspringenden Flächen von der Grundfläche in
Bezug auf die Auswirkung auf die magnetische Anzugskraft auf den Magnetanker bei
maximalem Abstand zwischen Polfläche und Magnetanker sehr klein ist, aber bei Annäherung
des Magnetankers an die Polfläche bedeutend wird.
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Durch eine derartige Ausgestaltung wird ein wesentlich verbesserter
Verlauf der auf den Magnetanker wirkenden Kraft Kraft erreicht. Im abgefallenen
Zustand des Magnetankers, also bei maximalem Abstand zwischen Polfläche und Magnetankerfläche,
sind die hervorspringenden Flächen nahezu ebenso weit wie die Grundfläche von der
mit ihr zusammenwirkenden Gegenfläche entfernt, so daß sich das Vorhandensein der
hervorspringenden Flächen auf die auf den Magnetanker im abgefallenen Zustand einwirkende
magnetische Kraft praktisch überhaupt nicht auswirkt. Bei Annäherung des Magnetankers
an die Polfläche macht sich jedoch der gegenüber den hervorspringenden Flächen größere
Abstand der Grundfläche mehr und mehr bemerkbar, so daß die magnetische Kraft nicht
so stark ansteigt wie bei glatter Pol- oder Magnetankerfläche und beim Anliegen
des Magnetankera an der Polfläche gegenüber bekannten
Anordnungenweaentlich
geringer ist, da bestenfalls nur die hervorspringenden Flächen zur Berührung kommen,
während vor der zurückliegenden Grundfläche noch ein Luftspalt verbleibt.
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Dadurch werden die Stärke des Aufpralls des Magnetankers auf den Spulenkern
und damit einhergehende Prellschwingungen und Beschädigungen stark reduziert . Außerdem
wird im Vergleich zu den bekannten Magnetsystemen die Fertigung vereinfacht, da
keine zusätzlichen Teile benötigt und befertigt werden müssen und keine Justagearbeiten
erforderlich sind. Dabei wird durch die geringere maximale Kraft und den entsprechend
reduzierten Magnetfluß die Gefahr des magnetisohen und/oder mechanischen Klebens
vermindert, was durch die geringere Auflagefläche noch unterstützt wird.
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In Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens wird dabei vorgeschlagen,
daß die Summe der im angezogenen Zustand des Magnetankers wirksamen hervorspringenden
Flächen derart gering ist, daß im Bereich zumindest einiger dieser Flächen maximale
magnetische Sättigung auftritt. Hierdurch wird der magnetische Widerstand des Magnetkreises
im angezogenen Zustand des Magnetankers zusätzlich stark erhöht. Durch diese Maßnahmen
ist es möglich, einen definierten maximalen Fluß einzustellen, der sich, da keine
nachgiebigen und leicht zerstörbaren Materialien wie bei Trennblechen oder Antiklebstiften
verwendet werden, nicht verändern kann. Durch die Vergrößerung des magnetischen
Widerstandes bei gleichzeitig stark verringerten Auflagefläche kann auch die Remanenz
des
Eisens nur noöh stark reduzierte M»gnetkräfte entwickeln, so
daß bei geeigneter Dimensionierung der hervorspringenden Flächen der Magnetanker
nach Abschalten der Erregerspule nicht kleben bleiben kann.
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Vorteilhafterweise werden die Grundfläche und die dieser gegenüber
hervorspringenden Flächen dergestalt gebildet, daß die Polflächen und/oder die mit
ihr zusammenwirkende Fläche des Magnetankers durch Rillen getrennte Rippen aufweist.
Durch diese Ausbildung ergibt sich eine einfache Fertigung, da die Polfläche oder
die Magnetankerfläche in einem einfachen Arbeitsgang beispielsweise durch Prägen,
Rollen oder Fräsen entsprechend gestaltet werden können.
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Eine weitere, zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltung besteht
darin, daß die Rippen parallel zur Schwenkachse des Magnetankers verlaufen und ihre
Frontflächen jeweils eine Wölbung mit zu dieser Schwenkachse parallelen Mantellinien
besitzen. In Sonderheit ist es möglich und erwünscht, überhaupt nur eine derartige
Rippe vorzusehen, wobei dann Magnetanker und Polfäche sich im angezogenen Zustand
nur längs einer Nantellinie dieser Rippe berühren. Hierdurch wird erreicht, daß
Toleranzen bei der Lagerung des Magnetankers sich in bezug auf die magnetisoh wirksame
Pol- bzw. Magnetankerfläche selbsttätig ausgleichen, da die Berührungsfläche zwischen
Magnetanker und Spulenkern unabhängig von der Lagerung des Magnetankers immer gleich
bleibt und auch der von der
Grundfläche verbleibende wirksame Luftspalt
sich nicht nennenswert ändert.
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Damit bei diesen Ausführungsformen der magnetische Widerstand bei
angezogenem Magnetanker aufgrund von Toleranzen bei der Lagerung des Magnetankers
nicht verändert wird und die Endkraft zwischen Magnetanker und Polfläche unabhängig
von der Lagerung des Magnetankers ungefähr gleich bleibt, wird in Weiterbildung
der Erfindung die Grundfläche so ausge-;bildet, daß sie die Form einer gewölbten
Fläche mit zur Schwenkachse des Magnetankers parallelen Mantellinien besitzt.
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Hierdurch kann erreicht werden, daß die Summe der Quadrate aller Abstände
zwischen Grundfläche und der entsprechenden Gegenfläche unabhängig von der Magnetankerlagerung
etwa konstant ist. Somit ist also neben der berührenden Rippe ein stets etwa gleich
wirksamer Luftspalt vorhanden, der einen ebenso gleichbleibenden magnetischen Widerstand
ergibt.
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Eine weitere Vereinfachung in der Ausgestaltung kann dadurch erreicht
werden, daß die Rippe und die Grundfläche zu einer einzigen gewölbten Fläche mit
zur Schwenkachse des Magnetankers parallelen Mantellinien vereinigt sind.
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Auch hier ergibt sich durch die Wölbung eine unabhängig von Lagertoleranzen
des Magnetankers immer etwa gleiche Auflagefläche, ein nahezu unveränderter wirksamer
Luftspalt und somit ein entsprechend gleichbleibender magnetischer Widerstand bei
angezogenem Magnetanker.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen
in
Ausführungsbeispielen näher erldutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagnetsystems, Fig. 2 einen Schnitt gemäß
II-II in Fig. 1, Fig. 3 ein den Verlauf der auf den Magnetanker eines herkömmlichen
Magnetsystems in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Magnetanker und Spulenkern einwirkenden
magnetischen Kraft zeigender Diagramm, Fig. 4 ein gleiches Diagramm wie in Fig.
3 für ein erfindungsgemäßes Elektromagnetsystem, Fig. 5 eine Seitenansicht einer
im Vergleich zu Fig. 1 und 2 modifizierten erfindungegemäßen Ausbildung eines Magnetankers
und Fig. 6 eine weitere modifizierte Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Magnetankers.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Magnetsystem
besitzt einen mit einer Magnetspule 1 umgebenen Spulenkern 2, der an seinem rückseitigen
Ende mit einem
Magnetjoch 3 verbunden ist. An dem nach vorne weisenden
freien Schenkel des Magnetjoches 3 ist ein Magnetanker 4 schwenkbar gelagert, der
durch eine Druckfeder 5 bei nicht eingeschalteter Magnetspule von der am freien
Ende des Spulenkerns 2 befindlichen Polfläche 6 weg verschwenkt wird.
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Die mit der Polfläche 6 zusammenwirkende Fläche 7 des Magnetankers
ist dabei so ausgebildet, daß sie gegenüber einer Grundfläche 8 hervorspringende
Flächen 9 besitzt. Der Abstand der hervorspringenden Flächen 9 von der Grundfläche
8 ist dabei so bemessen, daß er klein ist im Vergleich zu dem maximalen Abstand
zwischen Polfläche 6 und Magnetankerfläche 7 im abgefallenen Zustand des Magnetankers.
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Durch die beschriebene Ausbildung des Magnetankers wird der Verlauf
der auf ihn wirkenden magnetischen Kraft günstig beeinflußt. Wie aus Fig. 3 zu ersehen
ist, steigt diese Kraft bei herkömmlichen Elektromagnetsystemen vom größten Abstand
f0 zwischen Spulenkern und Magnetanker von einem niedrigen Wert erst relativ sehr
langsam an, um dann bei Annäherung des Magnetankers an den Spulenkern sehr stark
bis zu extrem hoben Werten weiter zu wachsen. Dieser Kraftverlauf zeigt die bereits
erwähnten Nachteile, die in einem unnötig starken Aufschlages des Magnetankers auf
die Polfläche mit den damit verbundenen Nachteilen und einer großen Neigung zum
Kleben des Magnetankers der Polfläche bestehen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung
der Magnetankerfläche 7 bekommt dieser Kraftverlauf in etwa die in Fig. 4 gezeigte
Form. Beim weitesten Abstand f0 zwischen
Magnetanker und Polfläche
wird durch die Ausbildung der F1äche 7 mit einer Grundfläche und dieser gegenüber
hervorspringenden Flächen 9 die auf den Magnetanker wirkende magnetische Kraft praktisch
nicht geändert, da im Vergleich zum Abstand f0 der Abstand zwischen Grundfläche
und hervorspringenden Flächen unbedeutend ist. Der sich von der Polfläche 6 zum
Magnetanker erstreckende Streufluß ist praktisch der gleiche wie bei einer glatten
Magnetankerfläche.
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Wenn sich jedoch die Magnetankerfläche 7 auf die Polfläche 6 zubewegt,
wirkt sich der Abstand zwischen Grundfläche und dieser gegenüber hervorspringenden
Flächen mehr und mehr aus.
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Wenn die Magnetankerfläche 7 nahe an der Polfläche 6 liegt, besitzen
die hervorspringenden Flächen nur noch einen geringen Abstand zur Polfläche, während
die zurückliegende Grundfläche einen merklich größeren Abstand zur Spulenkernfläche
besitzt. Die Anzugskraft wächst dementsprechend nicht in dem gleichen Maße wie bei
ebenen Magnetankerflächen. Im angezogenen Zustand des Magnetankers liegen nur die
hervorspringenden Flächen 9 an der Polfläche 6 an, während die Grundfläche 8 noch
einen relativ großen Luftspalt zur Polfläche 6 besitzt. Dadurch steigt die magnetische
Kraft nicht wie bei den herkömmlichen Magnetsystemen auf extrem hohe Werte an. Die
Remanenzkraft wird dadurch ebenfalls reduziert, was das Abfallen des Magnetankers
bei Abschalten der Magnetspule erleichtert.
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Um das Ansteigen der magnetischen Kraft auf den Anker noch weiter
zu begrenzen, werden in vorteilhafter Weise die
an der Polfläche
6 zur Anlage kommenden hervorspringenden Flächen 9 so dimensioniert, daß in ihrem
Bereich extreme Sättigung auftritt. Eine Reduktion der Remanenzwirkung tritt infolge
Verringerung der Auflagefläche und des Remanenzflusses ebenfalls ein. Durch die
stark reduzierte Auflagefläche ist auch ein mechanisches Kleben praktisch ausgeschlossen.
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Statt des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Magnetankers kann beispielsweise
auch vorteilhaft ein entsprechend der Fig. 5 oder der Fig. 6 ausgebildeter Magnetanker
verwendet werden. Der Magnetanker gemäß Fig. 5 besitzt als Grundfläche eine gewölbte
Fläche 10, deren Mantellinien parallel zur Schwenkachse des Magnetankers verlaufen,
während eine hervorspringende Fläche durch eine Rippe11 gebildet wird, die parallel
zur Magnetankerschwenkachse verläuft und eine Frontfläche mit einer ebenfalls zu
dieser Achse parallel verlaufenden Mantellinien besitzende Wölbung aufweist. Durch
die Wölbung der Grundfläche und der Rippenfrontfläche wird erreicht, daß auch bei
z.B. durch Fertigungstoleranzen bedingter etwas variierender Lagerung des Magnetankers
immer eine gleich große Berührungsfläche zwischen Spulenkern und angezogenem Magnetanker
und ein dabei immer etwa gleich großer wirksamer Luftspalt auftreten, so daß auch
der magnetische Widerstand und damit die auf den Magnetanker wirkende Kraft unabhängig
von der exakten Anordnung der Schwenkachse immer etwa gleich groß ist.
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Mit dem in Fig. 6 gezeigten Magnetanker wird praktisch
das
gleiche Ziel mit einer etwas einfacher gestalteten Ausbildung erreicht. Hier sind
Rippe und Grundfläche praktisch zu einer einzigen gewölbten Fläche 12 vereinigt.
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Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt ist. So kann das Magnetsystem auch anders als das in Fig. 1 gezeigte
ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Magnetsystem wie bei den sogenannten Flachrelais
gestaltet sein, bei denen die Polflächen, auf die sich die Magnetanker zubewegen,
nicht die Stirnflächen der freien Enden des Spulenkerns sind, sondern parallel zu
dessen Achse verlaufen. Bei erfindungsganäß ausgebildeten Magnetsystemen kann, obgleich
dies in aller Regel nicht nötig sein wird, auch noch zusätzlich zur der Ausbildung
der Magnetankerfläche 7 zur weiteren Verstärkung des gewünschten Effekts eine Antiklebschicht
vorgesehen sein, die beispielsweise direkt auf die hervorspringenden Flächen 9 aufgebracht
und fest mit diesen verbunden sein könnte.
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Statt der gezeigten oder einer ähnlichen Ausbildung der Magnetankerfläche
7 kann stattdessen mit gleichem Erfolg auch die Polfläche 6 eine Grundfläche und
dieser gegenüber hervorspringende Flächen besitzen. Auch eine entsprechende Ausbildung
sowohl der Magnetankerfläche als auch der Polfläche mit Grundflächen und demgegenüber
hervorspringenden Flächen kann vorteilhaft sein und fällt unter den Rahmen der Erfindung.
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- Ansprüche-