DE2360973C2 - Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigüngsvorrichlurig mit einem einen permanenten magnetischen Fluß erzeugenden Stator und mit einem in axialer Richtung im Stator durch eine Führungseinrichtung hin und her verschiebbaren Anker, der mit dem die Betriebsfunktion ausübenden Betätigungsglied verbunden ist und der eine vorzugsweise von Gleitstrom-Signalen erregte Feldspule enthält, wobei der Stator zur Schließung des magnetischen Kreises eine ferromagnetische Schiene, deren Länge dem maximalen Auslenkhub des Ankers entspricht, einen stabförmigen Dauermagneten von im wesentlichen gleicher Länge, der so angeordnet ist, daß der eine Pol der Spuie und der andere Pol dem magnetischen Rückschluß zugewandt ist, sowie eine in einem vorbestimmten Abstand parallel zur Schiene und zum Dauermagneten angeordnete ferromagnetische Stange aufweist, die stationär angeordnet ist und auf der die Feldspule längsbeweglich ist.

Bei dieser elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung handelt es sich um eine Antriebseinrichtung, welche zur Gruppe der GIeichstrom-Lin;armotoren gehört, da der auf das Betätigungsglied einwirkende Anker eine lineare Bewegung ausführt. Derartige Betätigungsvorrichtungen werden zweckmäßig beispielsweise zur Positionierung von Schreibeinrichtutigen in Registriergeräten oder von Druckköpfen in Druckern verwendet oder auch zur schnellen und genauen Einstellung der Magnetköpfe beim Einschreiben oder Lesen von codierten Daten bei Plattenspeichern in Datenverarbeitungsanlagen. Auch in Steuer- und Regeleinrichtungen können derartige Betätigungsvorrichtungen eingesetzt werden.

Es ist eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung bekannt, die zur Erzeugung einer Linearbewegung eines Druckkopfes bei einer Fernschreibmaschine dient (DE-OS 21 26 48I). Diese Betätigungseinrichtung besteht aus einem einen permanenten magnetischen Fluß erzeugenden Stator und einem in axialer Richtung im Stator durch eine Führungseinrichtung hin und her verschiebbaren Anker. Der Anker ist mit dem die Betriebsfunktion ausübenden Betätigungsglied, in diesem Fall mit dem Druckkopf. :-:rbunden und enthält eine durch Gleichstromsignale erregte Feldspule. Der Stator enthält zur Schließung des magnetischen Kreises eine ferromagnetische Schiene, deren Länge dem maximalen Auslenkhub des Ankers entspricht. Parallel zu dieser Schiene ist ein im wesentlichen gleichlanger Dauermagnet so angeordnet, daß der eine Pol der Feldspule und der andere dem magnetischen Rückfluß zugewandt ist. In einem vorbestimmten Abstand parallel zum Dauermagneten und zur ferromagnelisehen Schiene ist eine ferromagnetische Stange stationär angeordnet, auf der die Feldspule durch Rollen längsverschiebbar gelagert ist. Diese Anordnung erfordert einen erheblichen Herstellungsaufwand und weist quer zur Längsausdehnung des Stators keinen geschlossenen Magnetfluß auf. wodurch ihre Wirksamkeit beeinträchtigi wird.

Es ist ferner eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung bekannt, bei der ein linear beweglicher Anker eine Spule mit kreisförmigem Querschnitt aufweist (US-PS 34 40 464). Der freie Hohlraum der Spule wird von einem zylinderförmigen, ferromagnetischen Stab durchsetzt, dessen Enden beiderseits der Spule durch ferromagnetische Brücken miteinander Verbunden sind, Zwischen jeder dieser Brücken und der Spule befindet sich je ein Permanentmagnet mit quer zur Spule Verlaufender Magnetisierungsrichtung, Auch bei dieser Anordnung liegt quer zur Bewegungsrichtung des Ankers kein geschlossener ferromagnetischer Ringpfad

vor, und auch für das Ankerfeld existiert zumindest quer zur Längsausdehnung des Stators kein geschlossener ferromagnetischer Kreis. Die Wirksamkeit dieser Anordnung ist daher ebenfalls nicht optimal.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung mit einfachem Aufbau anzugeben, die einen geringen und längs der Verschiebestrecke weitgehend gleichbleibenden magnetischen Widerstand und damit auch eine weitgehend lineare Abhängigkeit der Bewegung von der Amplitude der Betätigungssigna-Ie aufweist. Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen des Anmeldungsgegenstandes. H

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, welche die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, 2«

Fig. 2 die Ansicht eines Querschnittes durch den Stator der Betätigungsvorrichtung n.ich Fig. 1 entlang der Linie 2-2,

Fig. 3 die Vorderansicht des in axialer Richtung verschiebbaren Ankers der Betätigungsvorrichtung 2> nach Fig. 1 bei einer durch den Pfeil 3 angegebenen Blickrichtung,

Fig. 4 die Ansicht eines Querschnittes durch den kompletten Anker entlang der Linie 4-4 in F i g. 3.

Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung i. in welche auch wie bereits erwähnt wurde, als elektro-mechanischer Wandler oder als Linearmotor bezeichnet werden kann, ist in der Fig. 1 als Ganzes abgebildet. Aus dieser F i g. i ist zu ersehen, daß diese Betätigungsvorrichtung aus zwei Hauptteilen besteht, erstens aus dem langgestreckten Stator 5 (abgebildet in F i g. 2) und zweitens aus dem dazu relativ beweglichen Anker 9. abgebildet in Fig. 3 und 4. Dieser Anker 9 ist in axialer Richtung über die gesamte Länge des Stators 5 relativ verschiebbar bzw. auslenkbar. Um einen möglichst geringen Reibungswiderstand bei der Verschiebung des Ankers überwinden zu müssen, ist er mit Führungsrollen bestückt, welche auf den dafür vorgesehenen Bahnflächen des Stators 5 anliegen. Anstelle der Führungsrollen 11 können auch andere Führungselemente. z.B. Gleitstücke aus Polytetrafluorethylen verwendet werden. Aus den F i g. 1 und 3 ist zu ergehen, daß die Achsen der Führungsrollen 11 an den Enden der loche 10 befestigt sind. Auf jeder Endseite der Feldspule 3 ist ein aus ferromagnetischem Material bestehendes Joch 10 angeordnet. Diese Joi;^l/e 10 dienen als Rückschluß im magnetischen Kreis des permanenten Magnetflusses im Stator 5. unabhängig voi, der Verschiebung des Ankers. Die Führungsrollen 11 sind so angeordnet, daß sich der komplette Anker leichtgängig parallel zu einer Stange 2 und einer dazu parallelen U-förmigen Schiene 6 über die gesamte Länge des Stators 5 in axialer Richtung hin- und herbewegen kann. Auch diese U-förmige Schiene 6 ist ein ferromagnetisches Verbindungsstück und dient als Rückschluß im magnetischen Kreis des permanenten Magnetflusses im Stator 5.

Der Stator 5 enthält als Quelle für den permanenten magnetischen Fluß einen Dauermagneten 4, der die Form eines Flachstabes aufweist, welcher sich über die jesamte Länge des Stators 5 erstreckt und der mit den Rückschlußteiletj des Magnetflußpfades eng gekoppelt ist.
Aus den Fig. I r.r.d 2 ist zu ersehen, daß der flachstabförmige Dauermagnet 4 mit einer Oberflächenseite an der Innenseite eines Schenkels der U-förmigen Schiene 6 angeordnet 'St und über die gesamte Länge an dieser anliegt. Es ist außerdem naheliegend, daß anstelle der U-förmigen Schiene 6 auch eine L-förmige Statorschiene und eine damit verbundene Flachschiene (Schenkel 7) verwendet werden kann. Eine U-förmige Schiene 6 bei der innen am Grund der flachstabförmige Dauermagnet 4 angeordnet ist, hat jedoch den Vorzug, daß durch die beiden Schenkel 7 zwei magnetische Rückschlußpfade vorhanden sind, die sich im Grundteil der Statorschiene 6 vereinigen und in den Dauermagneten 4 übergehen.

Zum Stator 5 gehört noch die Stange 2, wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist. Diese Stange 2, weiche ebenfalls aus ferromagnetische-m Material besteht, erstreckt sich in Längsrichtung über die gesamte Länge der U-förmigen Schiene 6 zwischen deren Schenkeln in einem vorbestimmten Abstand parallel zum Dauermagneten 4 und zu den beiden Schenkeln. Die Stange 2 befindet sich in einem möglichst ""ringen Abstand vor dem Dauermagneten 4, der so gewählt ist. daß sich ein Spalt ergibt, in dem die Feldspule S sich frei in Längsrichtung bewegen kann. Der flachstabfömige Dauermagnet 4 irt so magnetisiert, daß seine beiden ebenen Oberflächenseiten 17, 18, die einerseits zur Grundseite und andererseits zur offenen Seite der U-förmigen Schient· 6 gerichtet sind, ungleichnamige Polflachen N, S bilden. Die Richtung der magnetischen Achse des Dauermagneten 4 ist durch den Pfeil 16 in der Fig.1 angegeben, es ist zu erkennen, daß die magnetischen Feldlinien senkrecht zur Längsachse des Dauermagneten 4 verlaufen. Es ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, daß durch die Polarität des Dauermagneten 4 die axiale Auslenkrichtung des Ankers 9 beeinflußt wird.

Bei diesem \usfuhrungsbeispiel ist die Stange 2 im Querschnitt halbkreisförmig gestaltet. Diese Querschnittsforrp ist an die zentrale zylindrische Öffnung der Feldspule 8 im Anker angepaßt. Im zusammengebauten Zustand der Betätigungsvorrichtung füllt die Stange 2 c'°n zentralen zylindrischen Hohlraum der Feldspule 8 annähernd aus. Die Querschnittsform der Stange 2 könnte auch eine andere Gestalt aufweisen, es ist jedoch zweckmäßig, daß dann auch die Feldspule 8 mit einem entsprechend geformten Hohlraum versehen ist, um möglichst Luftspalte zu vermeiden. Die Stange 2 ist an ihren Enden mit dem Stator 5 bzw. der U-förmigen Schiene 6 verbunden und sie verbleibt in ihrer fixierten Lage, auch wenn der Anker hin- und herbewegt wird.

Der in beide Längsrichtungen verschiebbare Anker 9, dargestellt in den Fig. 1. 3 und 4, besteht aus einer hohlzylindrischen Feldspule 8, einem als Kern dienenden Brückenstab 12, der im zentralen Hohlraum den noch freien Raumteil durchdringt und der mit zwei Jochen 10 verbunden ist, welche 3" den beiden Endseiten der Feldspule 8 angeordnet sind. Diese beiden Joche 10, weiche ebenfalls aus ferromagnetischem Material bestehen, erstrecken sich senkrecht r.ur Längsachse bz^>-. Verschieberichtung der Betätigungsvorrichtung und sie dienen als ein Bestandteil zum Schließen des permanenten magnetischen Kreises. Zusammen mit den Rollen 11 der Führungseinrichtung bilden die vorgenannten Bauteile den kompletten Anker 9, welcher die längsverschiebbare Einheit in der Betätigungsvorrichtung ist, durch die ein damit verbundenes nicht dargestelltes Betätigungsglied zur Ausführung der gewünschten Betriebsfunktion gesteuert wird.

Zur Vervollständigung des magnetischen Kreises, welcher vom Dauermagneten 4 ausgeht, durch den Luftspalt bzw. durch die Wandschicht der Feldspule 8 zur Stange 2 gelangt und von dieser über die Gleitflächen in den Briickenstab 12 eintritt und von dort zu den Jochen 10 gelangt, sind die Enden der Joche 10 so gestallet, daß sie mit den Schenkeln der Schiene 6 in Gleitberührung stehen, d. h. daß nur ein sehr kleiner Luftspalt zwischen den Jochen 10 und den Schenkelflächen besteht. Diese Gleitflächen zwischen den Jochen 10 und den Schenkeln 7 der Statorschiene 6 tragen gleichfalls dazu bei, daß sich während einer Ankerver-Schiebung der permanente magnetische Fluß in seiner Intensität nicht ändert.

Falls es für den Zusammenbau der Betätigungsvorrichtung oder deren Betriebsfunktion zweckmäßig ist, können anstelle der ebenen Gleitflächen zusätzlich noch Rillen, Rippen oder andere Führungsprofile konstruktiv vorgesehen werden.

Nachdem vorstehend die Konstruktion eines Ausführungsbeispieles der crfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung beschrieben würde, erfolgt anschließend eine Erläuterung der Wirkungsweise dieser Betätigungsvorrichtung. Die Bewegungsrichtung des verschiebbaren Ankers 9 ist in der F i g. 1 durch den Pfeil 14 angegeben. Diese axiale Bewegungsrichtung ist senkrecht zu der Ebene, die durch die Richtungen des Stromes in der Feldspule 8 und des magnetischen Flusses des Dauermagneten 4, definiert ist. Die bei einer Erregung der Feldspule 8 durch ein Spannungssignal auf den Anker 9 einwirkende Versehiebekraft ist in ihrer Richtung, in welcher sie den Anker 9 auslenkt, abhängig: erstens von der Polarität der Polflächen 17, 18 des Dauermagneten 4 und zweitens von der Polarität des Spannungssignales bzw. der Richtung der Wicklungsdurchfliitung der Feldspule 8. Wird die Felspule 8 durch einen Gleichstrom erregt, dann ergibt sich eine auf den Ahkcr 9 einwirkende Versehiebekraft. die den Anker 9 in axialer Richtung auslenkt. Die Abhängigkeit der Bewegung des Ankers 9 von der Amplitude der Betätigungssignale über die Verschiebestrecke ist weitgehend linear, wenn die Verteilung des permanenten magnetischen Flusses über die gesamte Länge des Dauermagneten 4 im wesentlichen konstant ist.

Der Anker 9 ist jedoch auch mit einer sich verändernden Geschwindigkeit auslenkbar, wenn entweder die Amplitude des Spannungssignales zur Erregung der Feldspule 8 sich entsprechend ändert und/oder die Dichte des permanenten magnetischen Flusses über die Länge der Betätigungsvorrichtung nicht gleich ist und von einer fest vorgegebenen oder gesteuerten Funktion abhängig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichftsiigen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung mit einem einen permanenten magnetischen Fluß erzeugenden Stator und mit einem in axialer Richtung im Stator durch eine Führungseinrichtung hin und her verschiebbaren Anker, der mit dem die Betriebsfunktion ausübenden Betätigungsglied verbunden ist und eine vorzugsweise von Gleichstromsignalen erregte Feldspule enthält, wobei der Stator zur Schließung des magnetischen Kreises eine ferromagnetische Schiene, deren Länge dem maximalen Auslenkhub des Ankers entspricht, einen stabförmigen Dauermagneten von im wesentlichen gleicher Länge, der so angeordnet ist, daß der eine Pol der Spule und der andere Pol dem magnetischen Rückschluß zugewandt ist, sowie eine in einem vorbestimmten Abstand parallel zur Schiene und zum Dauermagneten angeordnete ferromagnetische Stange aufweist, die stationär angeordnet ist und auf der die Feldspule längsbeweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Schiene (6) einen U-förmigen Querschnitt aufweist, in dessen Grundteil der Dauermagnet (4) mit parallel zu den U-Schenkeln verlaufender Polungsrichtung tngeordnet ist und zwischen dessen U-Schenkeln sich die ferromagnetische Stange (2) befindet, und daß an den Endseiten der Feldspule (8) ferromagnetische Joche (10) angeordnet sind, die zur Schließung des magnetischen Kreises mit der Stange und wenigstens einem U-Schenkel (7) in Gleitberührung itehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennleichnet. daß die Feldspule (8) die Form eines Hohlzylinders aufweist, daß die Stange (2) einen den verfügbaren Hohlraum der FJdspule (8) annähernd lur Hälfte ausfüllenden halbkreisförmigen Querichnilt hat. dessen plane Fläche der Öffnung des U-förmigen Querschnitts der Schiene (6) zugewandt ist und als Gleitfläche der Joche (10) dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Joche (10) durch •inen ferromagnetischen Brückenstab (12) miteinander verbunden sind, der den freien Hohlraum der Feldspule (8) wenigstens teilweise ausfüllt, und daß dieser mit der Feldspule (8) in axialer Richtung verschiebbare Brückenstab (12) an die Hohlraumform der Feldspule (8) angepaßt ist und eine der Stange (2) zugewandte Gleitfläche aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der U-förmigen Schiene (6) der eine Schenkel (7) eine geringere Breite aufweist als der andere Schenkel und daß der fcreitere Schenkel mit jeweils einer Stirnfläche von jedem Joch (10) in Gleitberührung steht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Anker-Führungseinrichtung auf den lochen (10) angeordnete Rollen (11) enthält, die auf den Stirnflächen und/oder den vorderen Innenflächen der U-Schenkel der Schiene (6) anliegen.