DE2229332A1

DE2229332A1 - Wandler

Info

Publication number: DE2229332A1
Application number: DE2229332A
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: CARTWRIGHT JOHN BRYAN FRANCIS WOLVERHAMPTON STAFFORDSHIRE; CARTWRIGHT JOHN BRYAN FRANCIS; Sperry Rand Ltd
Current assignee: Vickers Inc
Priority date: 1971-06-15
Filing date: 1972-06-13
Publication date: 1973-01-11
Also published as: DE2229332B2; SE392372B; CA955637A; FR2141956A1; DE2229332C3; FR2141956B1; JPS542115B1; GB1398083A; US3755699A; IT956559B

Description

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1 BERLIN 33 (DAHLEM)
HOTTENWEG 15
Telefon: 0311/8324066
Telegramme: Consideration Berlin

738/13.852 DE 13. Juni 1972

Patentanmeldung der Firma

Sperry Rand Limited

Remington House 65 Holborn Viaduct London E.G. 1

und

des Herrn

John Bryan Francis Cartwright 31, Church Road

OxI ey ¥olverhampton, Staffs«, England

"Wandler"

Die Erfindung betrifft einen elektro-mechanisehen Wandler mit einer gegenüber magnetischen Polen axial bewegbaren Spule.

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Wandler der vorstehenden Art verwendet man insbesondere um in Abhängigkeit von einem elektrischen Eingangswert eine Stellkraft zu erzeugen. Sie lassen sich beispielsweise in hydraulischen Systemen verwenden, die mit Hilfe eines Ventils gesteuert werden, in dem eine äußere Kraft eine hydraulische Druckdifferenz ausgleicht.

Bekannt ist ein "Wandler zur Abgabe eines Drehmomentes, dessen Aufbau dem Aufbau eines Elektromotors ähnelt, welcher ständig angehalten wird. Falls man von einem derartigen Wandler anstelle eines Drehmomentes eine geradlinige Kraft ableiten will, versieht man seinen Anker mit einer Kurbel. Der bekannte Wandler vermag insofern nicht voll zu befriedigen, als seine Abmessungen im Verhältnis zu den mit ihm realisierbaren Kräften groß sind und er ein großes Trägheitsmoment besitzt, das seinem Einsatz in Fällen, in denen es auf kurze Ansprechzeiten ankommt, entgegensteht.

Ein anderer bekannter Wandler besitzt eine bewegbare Spule, die in einem Topfmagneten angeordnet ist. Der Nachteil dieses Wandlers besteht darin, daß mit ihm nur kleine Kräfte erzeugt werden können und seine Herstellung im Hinblick auf hohe Genau igkeitsansprüche teuer ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler zu schaffen, der die Mangel bekannter Wandler nicht aufweist, und der in der Lage ist, bei einfachem Aufbau und geringer Trägheit eine vergleichsweise große Linearkraft abzugeben. Diene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Wandier der eingangs beschriebenen Art die Spule auf oLrtüi Spuienkörper aus weichem ferromagnetischen Material pjv/Uikeit ist, der an seinen Enden mit einem Wangenpaar veraeheii ist, und daß jede Wange in einem Spa it zwischen einem L'üLpaar¹ inLb paraileitm Piatten angeordnet ist, die Öffnungen für¹ die Wangen aufweinen und ο inen Abstand voneinander einnuhmen, der etwa iU«i^:--h uar Dicke der Wangtm ist.

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Der erfindungsgemäße Wandler gestattet es, spontan große Kräfte zu erzeugen. Er eignet sich zur Erfüllung verschiedenster Aufgaben und ist sehr einfach aufgebaut.

Zur Erzeugung einer linearen Strom/Kraft-Charakteristik müssen die Pole ständig magnetisiert bleiben. Dies erreicht man dadurch, daß die inneren Pole und die äußeren Pole durGh Paare von Weicheisenmagnetjochen verbunden sind und gegen ein Jochpaar die Nordpole und gegen das andere Jochpaar die Südpole von Permanentmagneten anliegen. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß man einen Rückflußweg niedriger Reluktanz durch die Pole und Joche für die Magnetisierung des Spulenkörpers erhält.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform sind die inneren Pole eines jeden Polpaares mit den äußeren Polen eines jeden Polpaares über Weicheisenmagnetkerne verbunden, die Magnetisierungswicklungen tragen· Im Betrieb werden die Magnetisierungswicklungen durch einen elektrischen Strom erregt, um so die erwünschten Polaritäten der Pole zu erzeugen.

Versorgt man bei einem derartigen Wandler die Windungen für die Pole mit einem konstanten Magnetisierungsstrom, erhält man eine lineare Kraft/Strom-Charakteristik für den Wandler, dessen Empfindlichkeit durch Veränderung des durch die Magnetisierungswindungen fließenden Stromes eingestellt werden kann.

Schaltet man die Wicklung der Spule und die Magnetisierungswicklungen in Reihe, so erhält man eine quadratische Charakter ristik. Der Wandler kann in diesem Fall mit Wechselstrom betrieben werden, dessen Frequenz gegenüber der Eigenfrequenz der Hin- und Herbewegung seines beweglichen Teiles groß ist.

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Falls die Spulenwicklung und die Magnetisierungswicklungen an verschiedene Wechselspannungsquellen der gleichen Frequenz angeschlossen werden, arbeitet der Wandler als Phasenanzeiger, und zwar verläßt er seine Normallage nicht, wenn_x die Phasenverschiebung 90° beträgt und die stärkste Verlagerung wird erreicht, wenn die Phasenverschiebung 0 oder 180° beträgt. Werden die Wicklungen für die Spule und die Magnetisierungswicklungen mit Gleichstrom beschickt, so arbeitet der Wandler als ein analoges Multipliziergerät. Die entstehende Verlagerung oder Kraft ist in diesem Fall proportional zu den Strömen in den Magnetisierungswindungen und der Spule.

Der Spulenkörper wird vorzugsweise durch membranartige federnde Träger in seiner Ruhelage gehalten, in der die Wangen des Spulenkörpers bei abgeschalteter Erregung eine Mittenlage in den PoIpaarspalten einnehmen. In einem derartigen Fall kann der Spulenkörper mit einer zentrischen Stange aus unmagnetischem Material versehen sein, mit deren Enden die Träger durch Kiemmuttern verbunden sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Wandler Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Pole des Wandlers gemäß Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Pole eines abgewandelten Ausführungsbeispiels.

Der Wandler gemäß Fig. 1 und 2 besitzt ein Gehäuse, von dem in der Zeichnung lediglich die Endplatten 1 und 2 erscheinen. Diese Endplatten halten den als Anker ausgebildeten Spulenkörper 3 des Wandlers, der aus Weicheisen besteht und an den

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Enden in Trägern 4 und 5 gelagert ist, die von jeweils einer in einer Öffnung der Endplatten angeordneten flexiblen Membran gebildet werden. Durch die Mitte des Ankers bzw. Spulenkörpers 3 verläuft eine Stange aus nichtmagnetischem Stahl, mit deren Hilfe eine Kraft aus dem Wandler ableitbar ist. Die Stange . kann mit nicht dargestellten Mitteln mit einem zu steuernden hydraulischen Ventil oder einem anderen Aggregat, zu dessen Steuerung der Wandler verwendet werden soll, verbunden werden. Auf dem Spulenkörper 3 ist eine Spule 7 aufgewickelt, die mit den nicht dargestellten Eingängen des Wandlers in Verbindung steht.

An jedem Ende des Wandlers befinden sich zwei Pole 8,9 und 10,11. Sie werden von Weicheisenplatten gebildet und formen Magnetspalte, in denen an den Enden des Spulenkörpers 3 angeordnete Wangen frei bewegbar sind. Die beiden äußeren Pole 8 und 11 haben eine Polarität und die beiden inneren Pole 9 und 10 die entgegengesetzte Polarität. Der Abstand zwischen den die Pole 8 und 9 und den die Pole 10 und 11 bildenden Platten ist etwas geringer als die Dicke der Wangen des Spulenkörpers 3t und die Öffnungen in den Platten sind etwas größer als die Endwangen, so daß der Spulenkörper sich ohne die Gefahr von Berührungen frei bewegen kann.

Die äußeren Pole 8 und 11 sind über Wdcheisenmagnetjoche 12 und 13 mit dreieckigem Querschnitt und die Pole 9 und 10 durch ähnliche Joche 14 und 15 miteinander verbunden. Zum besseren Verständnis sind die vorgenannten Teile in Fig. 3 perspektivisch dargestellt.

Um die Magnetisierung des Magnetspaltes zwischen den Polen aufrecht zu erhalten, verwendet man Permanentmagnete, die auf die Weicheisenmagnetjoche einwirken. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, erstreckt sich ein kanalförmiger Permanentmagnet 16 über fast die gesamte Länge des Wandlers und liegt mit seinem Nordpol gegen·

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das Joch 12 und mit seinem Südpol gegen das Joch 15 an. Ein ähnlicher Permanentmagnet 17 befindet sich auf der anderen Seite des Wandlers. Sein Nordpol liegt gegen das Joch 13 und sein Südpol gegen das Joch 14 an. Die Permanentmagneten halten die Weicheisenmagnetjοehe und die Polplatten in dem in Fig. 1 angedeuteten Magnetisierungszustand.

Wird die Spule 7 derart erregt, daß, in Fig. 1 betrachtet, sich ah der linken Seite des Spulenkörpers ein Nordpol und an der rechten Seite des Spulenkörpers ein Südpol bidet, dann wird die linke Wange des Spulenkörpers durch den Pol 8 abgestoßen und den Pol 9 angezogen, während die rechte Wange vom Pol 10 abgestoßen und vom Pol 11 angezogen wird. Es entsteht eine Kraft, die den Spulenkörper nach rechts zu drücken sucht. Diese Kraft wird auf die Stange 6 übertragen und gelangt von dort zum zu steuernden Gerät.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hatte der Wandler eine Gesamtlänge von 76,2 mm und einen Außendurchmesser von 57,15 mm. Der Anker wurde von einem Spulenkörper aus 50 % Nickel und 50 % Eisen gebildet, auf den 1600 Windungen eines selbstbindenden PVA Kupferdrahtes der Nummer 34 der Normendrahtlehre gewickelt waren. Die Wangen des Spulenkörpers hatten einen Durchmesser von 21,3 mm und eine Dicke von 5,08 mm. Die Magneten 16 und 17 bestanden aus Alcomax 3 (eingetragenes Warenzeichen). Sie hatten abgeschrägte Kanten, um in der in Fig. 2 dargestellten Weise zusammen zu passen. Die Pole 8,9, 10,11 und die Joche 12,13,14 und 15 bestanden aus einer 50:50 Nickel-Eisenlegierung.

Beaufschlagt man den vorstehenden Wandler mit einem Strom von 300 Milliampere, wurde eine Kraft von ungefähr 5 Kilopond erzielt. BeL einer Verminderung des Stromes nahm die Kraft im Rahmen der Meßgenauigkeit linear ab. Eine Auslenkung von 0,5 mm aus der Normallage führte zu einem AbfaLl der Kraft auf ihren halben Werb. Die Eigenfrequenz der Schwingungen des Spulenkörper-! i \ir_} ungefähr bei 75 Hertz.

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Fig. 4 zeigt ein abgewandeltes Aueführungsbeispiel der Erfindung. Bei einem zweiten Wandler befinden sich an einem Ende des Wandlers zwei Pole 18 und 19 und am anderen Ende zwei Pole 20 und 21. Der äußere Pol 18 am einen Ende ist mit dem inneren Pol 20 am anderen Ende über Magnetkerne 22 und 23 verbunden. Zur Verbindung des anderen Polpaares 19,21 dienen ähnliche Kerne 24,25. Auf die Kerne 22 bis 25 ist jeweils eine Magniisierungswicklung 26 aufgebracht, wie sie in Fig. 4 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die Wicklungen können in Reihe oder parallel geschaltet werden, dergestalt, daß die inneren Pole 19 und 20 Nordpole und die äußeren Pole 18 und 21 Südpole bilden oder umgekehrt. Sämtliche Eisenteile sind aus einem Material mit niederer Hysterese hergestellt, so daß ihre Magnetisierung innerhalb der durch die magnetische Sättigung gesetzten Grenzen proportional zum Strom ist, der durch die Wicklungen fließt.

Falls die Magnetisierungswicklungen und die Wicklung der Spule von voneinander unabhängigen Quellen mit Gleichstrom versorgt werden, ist die auf den Spulenkörper ausgeübte Kraft proportional zu den Strömen. Der Wandler arbeitet mithin wie ein analoges Multiplikationsgerät. Falls die Wicklungen von der gleichen Quelle beaufschlagt werden, indem man sie parallel oder in Reihe geschaltet, hat der Wandler eine quadratische Charakteristik. Versorgt man die Wicklungen mit Wechselstrom, dessen Frequenz im Verhältnis zur Eigenfrequenz der Schwingung des Spulenkörpers hoch ist, arbeitet der Wandler als Phasenanzeiger oder als Wechselspannung swandler mit quadratischer Charakteristik.

MB: BD

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Claims

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PATENTANWÄLTE

Patentansprüche :

(1. Wandler mit einer gegenüber magnetischen Polen axial bewegbaren Spule, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule (7) auf einen Spulenkörper (3) aus weichem ferromagnetischen Material gewickelt ist, der an seinen Enden mit einem Wangenpaar versehen ist, und daß jede Wange in einem Spalt zwischen einem Polpaar mit parallelen Platten (8,9» 10,11) angeordnet ist, die Öffnungen für die Wangen aufweisen und einen Abstand voneinander einnehmen, der etwa gleich der Dicke der Wangen ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Pole (9,10) und die äußeren Pole (8, 11) durch Paare von Weicheisenmagnetjochen (14,15 bzw. 12,13) verbunden sind und gegen ein Jochpaar (12,13) die Nordpole und gegen das andere Jochpaar (14,15) die Südpole von Permanentmagneten (16,17) anliegen.
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Pole (19,20) eines jeden Polpaares (18, 20 bzw. 19»21) mit den äußeren Polen (18,21) einesjeden Polpaares über Weicheisenmagnetkerne (22,23 bzw. 24,25) verbunden sind, die Magnetisierungswicklungen (26) tragen.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet , daß der Spulenkörper (3) durch membranartige federnde Träger (4,5) in seiner Ruhelage gehalten wird, in der die Wangen des Spulenkörpers bei abgeschalteter Erregung eine Mittenlage in den Polpaarspalten einnehmen.
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (3) mit einer zentrischen Stange (6) aus unmagnetischem Material versehen ist, mit deren Enden die Träger (4,5) durch Kiemmuttern verbunden sind.

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6. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Spule (7) und die Magnetisierungswicklungen (26) in Reihe geschaltet sind.
7. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Spule (7) an eine erste und ,die Magnetisierungswicklungen (26) an eine zweite Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
8. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Spule (7) an eine erste Wechselspannungsquelle und die Magnetisierungswicklungen (26) an eine zweite Wechselspannungsquelle gleicher Frequenz angeschlossen sind.

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