DE2363818A1 - Drehmagnet - Google Patents

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Dipl.-Ing. Thomas WÜcken

Patentanwälte
24 Lübeck, Breite Straße 52-54 . _Q -

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Drehmagnet

Die Erfindung betrifft einen Drehmagnet mit einem von einer Erregerspule umgebenden Kern und einem Anker, der auf einer drehbeweglich gelagerten und zentrisch durch Anker und Kern .verlaufenden Welle sitzt, wobei ein Arbeitsluftspalt durch sich im Abstand gegenüberliegende Polflächen des Kerns und Ankers bestimmt ist und wobei bei Erregung der Spule die Ankerbewegung eine Drehbewegung der Welle verursacht.

Bei herkömmlichen Drehmagneten dieser Art kann prinzipiell unterschieden werden zwischen zwei Typen, nämlich solchen mit axial angeordnetem Luftspalt und solchen mit radialem Luftspalt. In beiden Fällen wird bei Erregung der Spule der Anker aufgrund der auftretenden Magnetkräfte bewegt, wobei die Ankerbewegung in eine Drehbewegung der Welle umgesetzt wird, um beispielsweise Schalt- Oder Steuervorgänge auszulösen.

Bei Drehmagneten mit radialem Luftspalt führt aufgrund baulicher Gegebenheiten¹:^ Axialrichtung unbewegliche Welle nur eine Drehbewegung aus, während bei Drehmagneten mit axialem Luftspalt neben der erwähnten Möglichkeit mit nur einer drehbeweglichen Welle auch noch so vorgegangen werden kann, daß die Welle gleich-

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zeitig sowohl eine Drehbewegung als auch eine Axialbewegung ausführt. Hierdurch ist eine Reihe unterschiedlicher Konstruktionen bedingt, auf die nachfolgend kurz eingegangen werden soll,

Drehmagneten mit axialem luftspalt und einer nur drehbeweglichen Welle können so aufgebaut sein, daß zur Übertragung der Hubbewegung des Ankers auf.die Drehwelle ein Steilgewinde vorgesehen wird, dessen Mutterteil in einer Innenbohrung des nur axial beweglichen Ankers und dessen Schraubenteil auf dem im Anker verlaufenden Abschnitt der Welle ausgebildet ist. Bei axialer Verstellung bzw. Hubbewegung des Ankers erfolgt somit zwangsweise eine vom Ankerhub und der Gewindesteigung abhängige Drehbewegung der Welle.

Bei anderen bekannten Drehmagneten mit axialem Luftspalt und mit einer sowohl drehbeweglichen als auch axial beweglichen Welle können in sich gegenüberliegende Stirnflächen von gehärteten Ringen teilkreisförmige schräge Laufflächen eingearbeitet sein, die mit dem Anker bzw. Kern in fester Verbindung stehen und zwischen denen Rollkörper vorgesehen sind. Bei Erregung der Magnetspule wird der Anker zum Kern hingezogen, wobei unter Abrollen der Rollkörper auf den Laufflächen dem Anker und damit der mit ihm verbundenen Welle eine Drehbewegung erteilt wird, die der Axialbewegung überlagert ist.

Bei Drehmagneten mit radialem Luftspalt ist der ein- oder mehrpolig ausgebildete Anker mit der nur drehbeweglich gelagerten

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Welle fest verbunden. Die Ankerpole wirken mit entsprechend ausgebildeten Statorpolen zusammen. Bei Erregung der Spule des Magneten ergibt sich aufgrund des dabei entstehenden Magnetflusses eine Anziehungskraft zwischen den ungleichnamigen Polen des Ankers und Stators mit der Folge, daß der Anker und die Welle eine Drehbewegung erfahren, bis bei etwa völliger Polüberdeckung- und bei minimal verbleibendem magnetischen Widerstand kein Drehmoment mehr wirksam ist.

Andere Drehmagnete dieser Art haben einen im feststehenden Kern gelagerten und mit der Welle verbundenen Anker, der unter der Einwirkung tangentialer Komponenten der Kraftlinien eine Drehbewegung macht, wobei die einander zugewandten profilierten Flächen von Anker und Kern einen sich in Arbeitsdrehrichtung keilartig verjüngenden Arbeitsluftspalt begrenzen.

Vielfach wird bei Drehmagneten ein hohes Anfangsdrehmoment gewünscht, um beispielsweise die Massenträgheit relativ großer zu bewegender Bauteile anfänglich schnell überwinden zu können. Man kann ein relativ großes Anfangsmoment dadurch erhalten, daß man bei bekannten Drehmagneten mit axialem Luftspalt von einer bestimmten anfänglichen Luftspaltbreite ausgeht und dieser damit eine optimal zu berechnende Ahfangsstellung der sich gegenüberliegenden Flächen von Anker und Kern zuordnet. Nachteilig ist allerdings, daß sich der Luftspalt bei Magneten dieser Art während der Hubbewegung des Ankers ändert, wodurch man hinsichtlich des Verlaufs des Drehmoments während der restlichen Ver-

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Stellbewegung des Ankers an die einmal gegebene Konstruktion gebunden ist. Entsprechendes gilt sinngemäß für Drehmagnete mit einem radialen Luftspalt, der sich bei Verdrehung des Ankers in Arbeitsdrehrichtung verringert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung der aufgezeigten Nachteile und in der Schaffung eines Drehmagneten, bei dem unter Vermeidung der ungünstigen Einflüsse eines variablen Luftspalts eine einfach durchzuführende Beeinflussung und Berechnung des Drehmoments möglich ist, und zwar über den gesamten möglichen Drehwinkelbereich der Welle des Magneten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der eingangs erwähnte Drehmagnet erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß am Anker und Kern jeweils mindestens ein ausgeprägter Pol vorgesehen ist, dass der Anker zur Bildung eines konstanten Arbeitsluftspalts ortsfest auf der Welle angebracht ist und daß jeder Pol am Anker oder Kern bezüglich seiner Konturen im Bereich des Arbeitsluftspalts so gestaltet ist, daß sich die wirksame Polfläche zur Beeinflussung des drehwinkelabhängigen Drehmoments des Magneten zumindestens teilweise über die Pollänge ändert.

Erfindungswesentlich ist es also, daß die wirksame Fläche der Pole am Anker oder Kern, also im wesentlichen eine der beiden sich gegenüberliegenden Anker- und.Polflächen, so bemessen wird, daß das gewünschte Drehmoment erzielt wird. Dabei kann die Polflächenänderung vorzugsweise dadurch erreicht werden, daß die

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bei Magneten mit axialem Luftspalt in Radialrichtung und bei Magneten mit radialem Luftspalt in Axialrichtung zu messende Polflächenbreite über .die umfangsmäßig bzw. in Arbeitsdrehrichtung zu messende Pollänge variiert wird.

Durch die ortsfeste Anbringung des Ankers auf der nur drehbeweglich gelagerten Welle ergibt sich, daß der zwischen den ausgeprägt ausgebildeten Polen am Anker und Magnetkern befindliche Luftspalt über den gesamten Drehwinkelbereich der Welle konstant gehalten wird. Somit ist die Möglichkeit gegeben, den Luftspalt so klein wie möglich zu halten, was bei weitestgehender Vermeidung von Streuflüssen zu einer optimalen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Magnetflusses führt und vor allem die Berechnung des Magneten hinsichtlich des zu erwartenden Drehmomentverlaufs erleichtert.

Die Variation des Drehmoments über den gesamten Drehwinkelbereich wird gemäß den vorstehenden Ausführungen allein dadurch gegeben, daß die Pole am Anker und/oder Kern bezüglich ihrer Konturen im Bereich des Arbeitsluftspalts so gestaltet werden, daß sich die jeweils wirksame Polfläche wenigstens teilweise über die Pollänge ändert. So kann z.B. erreicht werden, daß ein hohes Anfangsdrehmoment bei sich anfänglich relativ großflächig gegenüberstehenden Polflächen vorliegt. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, durch entsprechend zu berechnende Polflächen das Drehmoment über den gesamten Drehwinkelbereich im wesentlichen konstant zu halten oder gar das Drehmoment bei

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Verdrehung des Ankers in Arbeitsdrehrichtung ansteigen und auf Wunsch wieder abfallen zu lassen.

In der anliegenden Zeichnung sind einige praktische Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend im einzelnen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Drehmagnet mit axialem.Arbeitsluftspalt innerhalb der Magnetspule,

Fig/ 2 einen Querschnitt durch den Magnet nach Fig. - gemäß der Schnittlinie X-X und in Richtung der Pfeile'A gesehen,".

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie X-X in Richtung der Pfeile B gesehen,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Drehmagneten nach der Erfindung mit einem außerhalb der Spule befindlichen Luftspalt,

Fig. 5 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie Y-Y durch den Magneten nach Fig. 4, gesehen in Richtung der Pfeile C,

Fig. 6 einen ähnlichen Querschnitt durch den Magneten nach Fig. 4 in Richtung der Pfeile D gesehen,

Fig. 7 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Drehmagneten mit einem radial verlaufenden Luftspalt innerhalb der Magnetspule,

Fig. 8 einen Querschnitt nach der Schnittlinie Z-Z durch den Magneten nach Fig. 7, gesehen in Richtung der Pfeile E,

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Fig. 9 einen entsprechenden Querschnitt durch den gleichen Magneten, jedoch in Richtung der Pfeile F gesehen,

Fig. 10 die Seitenansicht eines Ankerpols in vergrößertem Maßstab und

Fig. 11 die Seitenansicht eines weiteren Ankerpols in größerem Maßstab.

Bei dem in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Magnet topfartig ausgebildet und besteht aus einem mehrfach abgesetzten, an einer Stirnseite befindlichen Kernplatte ϊ, die mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. In einer von Gehäuse und Kernplatte umschlossenen Ausnehmung liegt die Erregerspule 3, die über die elektrischen Anschlüsse 4 gespeist wird.

In Bohrungen 5 und 6 der Kernplatte 1 und des Gehäuses 2 sind Drehlager 7,8 für die aus antimagnetischem Material bestehende Welle 9 eingesetzt. Der Magnetanker 10 ist mittels einer Siekenverbindung bei 11 ortsfest auf der Welle 9 befestigt.

Ein antimagnetischer Druckring 12, der ebenfalls unverschiebbar auf der Welle 9 sitzt und beispielsweise mit dieser über die bei 13 angedeutete Sickenverbindung verbunden sein kann, stützt sich auf dem Innenring des lagers 7 ab, der gegen eine axiale Yerschiebung auf der Welle 9 durch einen Greifring 14 gesichert ißt, der in eine Umfangsnut der Welle greift. Im übrigen werden Lager 7 und 8 mittels versickter Druckringe 15,16 am Kern

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bzw. an der oberen Stirnseite des Gehäuses 2 festgesetzt.

Am Anker 10 und auch am Magnetkern bzw. an der Kernplatte 1 sind je zwei ausgeprägte Pole vorgesehen, und zwar sichelförmig ausgebildete Pole 17,18 am verdrehbaren Anker und ringsektorförmige Pole 19,20 am feststehenden Kern. Beide Anker- und Kernpole, die zwecks Verdeutlichung ihrer Form und Konturen in den Figuren 2 und 3 dunkelflächig hervorgehoben sind, liegen sich mit geringem axialen Abstand gegenüber und begrenzen mit ihren wirksamen Polflächen einen Arbeitsluftspalt 21, Da der Anker 10 fest auf der Welle 9 sitzt und die Welle ihrerseits nur drehbeweglich und nicht auch axial verstellbar gelagert ist, bleibt der Luftspalt 21 im Betrieb des Magneten stets konstant, was zu den eingangs erwähnten Vorteilen führt.

Bei Erregung des Magneten aufgrund einer Stromzufuhr über die Anschlüsse 4 zur Erregerspule 3 wird ein Magnetfluß aufgebaut, der über den Anker 10, die Ankerpole 17,18, den Luftspalt 21 und über die Kernpole 19,20 zur Kernplatte 1 verläuft. Der magnetische Rückschluß wird durch das metallische Gehäuse 2 gebildet. Gemäß einem an sich bekannten Prinzip ziehen sich also bei Erregung der Spule die ungleichnnamigen Pole von Anker und Kern gegenseitig an, wobei sich eine Verdrehung des Ankers und damit der Welle relativ zum feststehenden Magnetgehäuse ergibt, bis sich die Anker und Kernpole etwa in Überdeckung befinden. Eine nicht weiter dargestellte Rückstelleinrichtung mit einer Rückholfeder kann nach dem Abschalten der Stromzufuhr den

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Magnetanker wieder in die Ausgangsstellung zurückbringen. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Anfangs- und erforderlichenfalls auch die Endstellung des Ankers durch gesonderte Anschläge genau zu definieren.

Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung soll jeder Pol am Anker oder Kern bezüglich seiner Konturen im Bereich des Arbeitsluftspalts so gestaltet sein, daß sich die wirksame Polfläche zur unmittelbaren Beeinflussung des drehwinkelabhängigen Drehmoments wenigstens teilweise über die Pollänge ändert. Beim vorher.beschriebenen Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß sich bei den Polen 19,20 des Kerns 1 die radial zu messende Breite bzw. Tiefe der Pole über die umfangsmäßig zu messende Länge der Pole wegen der Ringsektorform nicht ändert, während bei den Ankerpolen 17,18 die Polbreite über die gesamte Pollänge wegen der sichelartigen Polform nicht konstant ist.

Wenn man von einer durch den Pfeil in Fig. 2 angedeuteten Anzugsbzw. Arbeitsdrehrichtung des Magneten ausgeht, werden also bei Erregung der Spule 3 zunächst die vorderen spitzen Enden der Pole 17,18 mit den zugeordneten vorderen Flächenbereichen der Pole 19,20 in Überdeckung gelangen, während bei weiterer Verdrehung des Ankers der Überlappungsbereich zwischen den sich gegenüberliegenden Polen in Abhängigkeit von der Sichelform der Ankerpole größer wird und den Drehmomentverlauf bestimmt. Man hat es hier also in der Hand, durch sinnvolle Formgebung der Ankerpole und durch eine sich mit der Pollänge ändernde Polbreite

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das gewünschte Drehmoment erzielen zu können.

Der in den Figuren 4 bis 6 gezeigte Drehmagnet ist ähnlich wie der vorher beschriebene aufgebaut und besteht aus einer Kernplatte 22, die mit dem Gehäuse 25 verbunden ist. Die teilweise vom Gehäuse umfaßte Erregerspüle 24 wird über die Anschlüsse mit Steuerstrom versorgt. In Bohrungen 26,27 sind Kugellager 28, 29 für die Welle 30 eingesetzt.

Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 legen die Druckringe 31,32 und 33 sowie der· in eine Nut der Welle 30 einfassende Greifring 34 die Welle und ihre Lager relativ zum stationären Magnetteil fest, während der Anker 35 auf .der Welle 30 mittels einer quer durch Anker und Welle fassenden Stiftverbindung 36 befestigt ist.

Auch in diesem Fall sind die am Anker 35 und Kern 22 vorgesehenen Pole 37 und 38 bzw. 39 und 40 als vorstehende ausgeprägte Pole geformt, und zwar am Anker ringsektorartig und an der Kernplatte— sichelförmig, wie es in den Figuren 5 und 6 zur Verdeutlichung durch die dunkel angelegten Flächen hervorgehoben ist. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 gezeigten Magneten mit einem innerhalb des von der dortigen Spule umschlossenen Raums liegenden Luftspalt liegt bei diesem Ausführungsbeispiel der axiale Luftspalt außerhalb der Spule 24.

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Diese Konstruktion "bietet insbesondere die Möglichkeit, die Pole des Ankers und Eerns relativ groß ausbilden zu können, da der für die Pole zur Verfügung stehende Raum nicht durch den Spulenkörper, sondern im wesentlichen nur durch das äußere Gehäuse 23 begrenzt wird. Im übrigen entspricht die Betriebsweise dieses Magneten nach Fig. 4 der des in Fig. 1 dargestellten, indem bei Erregung der Spule 24 und somit erfolgender Verdrehung des Ankers 35 in Richtung des in Fig. 5 gezeigten Pfeils die Ankerpole 37, 38 zunächst mit den vorderen spitzen Enden der feststehenden Pole 39,40 in Überdeckung gelangen. Das Anfangsdrehmoment wird in diesem Fall aufgrund des größeren Abstandes des Kraftangriffspunktes von der Welle größer sein als beispielsweise bei der Ausführung nach Fig. 1.

Schließlich zeigen die Figuren 7 bis 9 eine weitere mögliche Ausführungsform für einen Drehmagneten nach der Erfindung, bei dem der Luftspalt radial verläuft. Die mit mehreren Absetzungen versehene Kernplatte 42 steht in Verbindung mit einem den Mantel des Magneten bildenden Gehäuse 43. Die teilweise vom Gehäuse und Kern umfaßte Erregerspule 44 wird über die elektrischenAnschlüsse 45 versorgt.

In zwei Bohrungen 46,47 des Kerns und des Gehäuses sind Drehlager 48,49 eingesetzt, welche die Welle 50 drehbeweglich lagern. Druck- und Halteringe 51,52,53 und 54 sichern die Welle 50 und d:.e lager 48,49 wie bei der in den Figuren 1 und 4 gezeigten

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Ausführungsform gegen eine axiale Verschiebung. Der Anker 55 sitzt an der bei 56 angedeuteten Sickenverbindung unverdrehbar und nicht verschiebbar auf der Welle 50.

Am Anker 55 sind zwei radial nach außen gerichtete, ausgeprägte Pole 57,58 vorgesehen, während die beiden feststehenden Kernpole durch zwei vertikal nach oben gerichtete Vorsprünge 59,60 an der Kernplatte 42 gebildet werden. Die Kernpole haben die aus Fig. 9 ersichtliche Querschnittsform und im übrigen eine rechteckige Polfläche, wenn man in Richtung der beiden in Fig. gezeigten Pfeile auf die Kernpole sieht.

Die Ankerpole 57 und 58 können eine wirksame Polfläche haben, wie sie z.B. aus den dunkelflächigen Teilen nach den Figuren 10 und 11 hervorgehen; sie können also in Richtung der in Fig.

z.B.
befindlichen Pfeile gesehen trapezförmig oder dreieckförmig geformt sein, und zwar je nach Art des gewünschten Drehmomentverlaufs.

Bei Erregung der Spule 44 wird der Magnetfluß, wenn man beispielsweise vom Anker 55 ausgehen will, vom Anker über die Ankerpole 57,58 und über den hier innerhalb der Erregerspule befindlichen radialen Luftspalt radial nach außen zu den Kernpolen 59,60 laufen und sich von dort aus über die Kernplatte 42 und das Gehäuse 43 als magnetischer Rückschluß wieder bis zum Anker 55 fortzusetzen. Die Welle 50 besteht auch in diesem Falle wieder aus antimagnetischem Material, um den Magnetfluß den vorher er-

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-- 13 läuterten Weg eindeutig laufen zu lassen.

Der Anker 55 und damit die Welle 50 werden sich unter dem Einfluß der auftretenden Magnetkräfte relativ zu dem stationären Teil des Drehmagneten verdrehen, bis sich die Anker- und Kernpole im wesentlichen in Überdeckung befinden. Das hierbei auftretende und an der Welle abzunehmende Drehmoment richtet sich dabei nach der speziellen Formgebung der Ankerpole und ist relativ einfach voraus^zu^berechnen, da der radiale Luftspalt konstant bleibt und da man bei Zugrundelegung der dargestellten Kernpolflächen im wesentlichen von Rechteckflächen ausgehen kann, während bei der Berechnung des Drehmoments der Verlauf der Ankerpolflächen im Vordergrund steht.

Es ist verständlich, daß sich der Verlauf bzw. die Breite der über die Pollänge ändernden Polfläche nach der mathematischen Funktion richten wird, die man für den Drehmomentverlauf zu erhalten wünscht. Neben der Sichel-, Keil- und Ringsektorform kommen somit auch Scheibensektoren als wirksame Polflächenform in Betracht. Andere Polflächenformen sind natürlich je nach geplantem Drehmomentverlauf ebenfalls nicht ausgeschlossen.

Hinsichtlich der Lage des Luftspalts ergeben sich ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten, da ein axial oder radial gelegener Luftspalt wahlweise oder in Kombination innerhalb oder auch außerhalb der Spule bzw. des von der Spule umschlossenen Raums liegen kann. In diesem Zusammenhang sei auch noch erwähnt, daß

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ein Drehmagnet sowohl einen radialen als auch einen axialen Luftspalt, haben kann, und zwar unter Berücksichtigung einer Polflächenausbildung nach der Erfindung.

Weiterhin sei noch darauf hingewiesen, daß anstelle der erwähnten zwei Pole für den Anker und den Kern auch jeweils nur ein ausgeprägter Pol vorgesehen werden könnte. Eine hierdurch zu erwartende Verringerung des zur Verfügung stehenden Drehmoments würde in einem solchen Falle wenigstens teilweise durch den Vorteil wieder aufgehoben, daß bei nur einem Pol am Anker und Kern ein größerer Drehwinkelbereich ermöglicht wird. Falls im übrigen nur geringe Steuerdrehwinkel der Welle des Magneten bei bestimmten.Anwendungsfällen erforderlich sind, könnte man auch mit mehr als zwei Polen für Anker und Kern arbeiten.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß zur Beeinflussung des Drehmoments außer einer Änderung der Polflächenbreite über die Pollänge gemäß der vorstehenden Beschreibung auch eine Variation der Polhöhe in Abhängigkeit vom gewünschten Drehmomentverlauf in Betracht kommen kann. Diese Polhöhe würde sich bei Drehmagneten mit axialem Luftspalt in axialer Richtung und bei Drehmagneten mit radialem Luftspalt in radialer Richtung gemessen ändern.

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Claims (5)

1. Dr. Hugo Wilcken ρ ο c q ο α ο

   Dipl.-Ing. Thomas Wilcken

   Patentanwälte

   Lübeck, Breite Straße 52-54 Fernruf 75888

   19. Dez. 1973

   Anmelder:

   H; Euhnke Elektrotechnische Fabrik GmbH EG Malente, Markstraße

   Ansprüche

   (1J Drehmagnet mit einem von einer Erregerspule umgebenen Eern und einem Anker, der auf einer drehbeweglich gelagerten und zentrisch durch Anker und Eern verlaufenden Welle sitzt, wobei ein Arbeitsluftspalt durch sich im Abstand gegenüberliegende Polflächen des Eerns und Ankers bestimmt ist, und wobei bei Erregung der Spule die Ankerbewegung eine Drehbewegung der Welle verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß am Anker und.Eern jeweils mindestens ein ausgeprägter Pol vorgesehen ist, daß zwischen Anker und Eern ein konstanter Arbeitsluftspalt ausgebildet ist, wobei der Anker selbst ortsfest auf der Welle angebracht ist, und daß Jeder Pol am Anker oder Eern bezüglich seiner Eonturön im Bereich des Arbeitsluftspalts so gestaltet ist, daß sich die wirksame .Polfläche zur Beeinflussung des drehwinkelabhängigen Drehmoments des Magneten zumindest teilweise über die Pollänge ändert.
2. 2. Drehmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker- und/oder Eernpolflächen wahlweise sichel- oder keil-
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4. förmig, ringsektor- oder scheibensektorartig ausgebildet sind.
5. 5. Drehmagnet nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axial oder radial verlaufende Arbeitsluftspalt innerhalb oder außerhalb der Spule bzw. des von der Spule umgebenen Raums vorgesehen ist.

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