DE2401135A1

DE2401135A1 - Bistabiler elektromechanischer wandler

Info

Publication number: DE2401135A1
Application number: DE2401135A
Authority: DE
Inventors: Robert Siegfried Lundin
Original assignee: GEN TIME CORP
Current assignee: GEN TIME CORP
Priority date: 1973-03-29
Filing date: 1974-01-10
Publication date: 1974-10-03
Also published as: JPS49129110A; JPS5626215B2; IT1004735B; CH110974A4; CA996173A; US3816779A; FR2223881A1; CH589883B5; GB1452100A; FR2223881B3

Description

betreffend
Bistabiler elektromechanischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen bistabilen elektromechanischen Wandler mit einem Stator mit einem Kern und einer um den Kern gewickelten Betätigungsspule, wobei der Kern an seinen Enden getrennt ist, so daß ein etwa kreisförmiger Luftspalt gebildet ist, dessen Umfang wenigstens zwei Statorpolflächen aufweist, einer Vorrichtung zum Beaufschlagen der Betätigungsspule mit nieder energetischen Eingangsimpulsen mit niederem Arbeitszyklus, einem Rotor mit einem Permanentmagneten und einem Paar Scheiben aus hochpermeablem Material, die an jedem Ende des Permanentmagneten etwa parallel zueinander befestigt sind, wobei οede Scheibe eine Mehrzahl von Polflächen aufweist und einer Vorrichtung mit wenigstens einem Haltepol zum Halten des Rotors in einer seiner beiden stabilen Lagen während des Zeitraumes zwischen den Pulsen.

In elektrisch betätigten Zeitteilen, beispielsweise Uhren, ist ein Wandler erforderlich, um elektrische Impulse, die von

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einem Eingang, beispielsweise einem Hochfrequenzoszillator abgeleitet sind, in mechanische Bewegung zu übersetzen. Ein solcher Wandler muß wegen der geringen Kapazität von kleinen Batterien, die typischerweise in Uhren untergebracht sind, einen sehr niederen mittleren Energieverbrauch haben. Am Markt sind eine Vielzahl von Wandlern; es hat sich aber herausgestellt, daß diese ernsthafte Nachteile hinsichtlich ihrer Verlässlichkeit und ihrer Wirksamkeit im Umwandeln sehr nieder energetischer Eingangspulse mit niederem Arbeitszyklus in mechanische Bewegung aufweisen.

Einige typische Nachteile solcher bekannten bistabilen elektromechanischen Wandler sind:

a) unzureichende Freiheit von einer dritten stabilen La- " ge irgendwo nahe der Mitte des Hubes,

b) hohe Empfindlichkeit in Bezug auf mechanische Toleranzen beim Inbeziehungsetzen der körperlichen Grenzen des Eotorhubes zu der magnetischen Mitte des Hubes, wodurch der Schrittmacher verletzbar wird in Beziehung auf entweder

1) ein hohes Verhältnis des Haltemoments zum Drehmoment, wodurch der Eotor in einer der beiden bistabilen Lagen gesperrt wird, oder ein

2) kleines Verhältnis des Haltemoments zum Antriebsmoment, wodurch der erwartete stabile Zustand ungenügend stabil wird.

Jede dieser beiden Bedingungen hat eine katastrophale !Folge auf das Verhalten eines Wandlers in einem System, in dem der Wandler verläßlich eine mechanische Bewegung entsprechend der Anzahl der zugeführten Impulse erzeugt.

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Dies ist wichtig für die Zextgebergenauigkeit in der Eichung von Uhren, in denen solche Vorrichtungen verwendet werden.

Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, einen verläßlichen bistabilen elektromechanischen Wandler zu schaffen, der mit einer sehr nieder energetischen elektrischen Energiequelle betrieben werden kann und

a) ein im wesentlichen konstantes Verhältnis von Antriebsmoment zu Haltemoment hat und

b) frei von jeder stabilen Lage zwischen den beiden stabilen Lagen am Ende des Stufen- bzw. Schalthubes ist.

Diese Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Wandler zum Umwandeln nieder=energetischer elektrischer Impulse mit niederem Arbeitszyklus in mechanische Bewegung gelöst, der einen Stator mit einem Kern und einer um den Kern gewickelten Betätigungsspule aufweist. Der Kern ist an seinen Enden aufgetrennt, wodurch ein etwa kreisförmiger Luftspalt und zumindest zwei Statorpolflächen gebildet werden. In dem Luftspalt ist ein Rotor angeordnet, der einen Permanentmagneten aufweist, der zwischen einem Paar paralleler Scheiben hoher Permeabilität angeordnet ist. Der Rotor hat eine Mehrzahl von Arbeitspolflächen, von denen jede eine Bogenlänge hat, die groß genug ist, damit unabhängig von der Lage des Rotors beim Bewegen von einer bistabilen Lage

an den Rändern ..

in die andere die/auftretenden Anderungsraten der magnetischen Leitfähigkeitbeim Eintreten und Verlassen der Pole über den Arbeitshub des Rotors innerhalb seiner bauartbedingten Grenzen hinsichtlich ihrer Größe (im Vorzeichen einander entgegengesetzt) im wesentlichen gleich sind.

Es ist ein Haltepol vorgesehen, der vom Statorkern durch einen im wesentlichen konstanten radialen Luftspalt getrennt

ist, wenn er in zunehmende winkelige Ausrichtung mit den Bereichen des Stators, von denen er angezogen wird, kommt. Entsprechend ist die Kraft, mit der der Haltepol auf jedes Ende des Statorkerns hingezogen wird, im wesentlichen konstant, wenn der Haltepol sich der einen oder der anderen seiner beiden bistabilen Lagen nähert. Wegen dieser Eigenschaft bewirken auch merkliche Veränderungen in den mechanischen Toleranzen des Wandlers nicht, daß der Haltepol in einer seiner bistabilen Lagen gesperrt wird und entsprechend wird ein einfacher aber verläßlicher Wandler geschaffen, der leicht einer Massenherstellung zugänglich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Darstellung beispielsweise und mit vorteilhaften Einzelheiten erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen herkömmlichen elektromechanischen Wandler,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen erfindungs gemäß en Wandler,

Fig. 3 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Rotors längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Drehmomentkurven, wie sie bei den elektromechanischen Wandlern gemäß Fig. 1 auftreten,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Drehmomentkurven, wie sie bei dem elektromechanischen Wandler der Fig. 2 auftreten,

Fig. 6a eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen Hotors und Stators, bei der der Rotor in einer ersten bistabilen Lage ist,

4088^0/09?/,

Fig. 6b eine Teilaufsicht auf den Rotor und Stator der Erfindung, bei der der Rotor in der zweiten bistabilen Lage ist,

Pig. 7a eine lineare Darstellung des kreisförmigen Systems gemäß den I¹Xg. 2 und 6, bei dem die Aakerpole dem erfindungsgemäßen Rotor entsprechen und

I¹Xg. 7b eine Darstellung, die insbesondere die auftretende Beziehung der magnetischen LeitfäMgMit eines Satzes Ton Stator- und Mkerpolen darstellt.

In !ig. 15. in der ein herkömmlicher fcistabiler elektromechanischen Wandler dargestellt ist, weist ein Stator 11 eine Betätigungsspuie 13 auf, die me. eis lasatzt eil 15 des Stators 11 gewickelt ist«. Der Stator- ist an seinen Enden aufgetrennt, wodurch ein etwa kreisförmiger Luftspalt gebildet wird* Die Enden des Stators sind eingekerbt, so daß eine Mehrzahl von Polflächen 1? und 19 gebildet wird» Innerhalb des Luftspaltes ist ein kreisförmiger Sofcor angeordnet, der einen nicht dargestellten Permanentmagneten aufweist, der zwischen einem Paar iron Scheiben 21 umd 23 angeordnet ist« Wegen des Permanentmagneten hat die Scheibe 21 eine Südpolpolarisierung und di® Scheibe 23 eis.© ITordpolpolarisierung« In den Scheiben 21 bzw» 23 ist eine Hehrsahi iron Zähnen 25 und 27 ausgebildet» Biese Zahne "bilden eine Mehrsah.1 fiotorpolfläehea, die mit den Statorpolflachen *1? und 19 zusammenwirken,-um den Rotor ansutreiben₂ wenn die Betätigungsspule 13 mit Energie beaufschlagt ist»

Von der Südpolscheibe 21 erstreckt sieh ein Haltepol 29 in einen Kanal, der zwischen den Enden des Stators 11 ausgebildet ist. Der Pol weist ein Paar Seitenflächen 31 auf, die ein Paar Polflächen bilden. Dieser Pol hat eine doppelte Funktion, er hält nämlich den Rotor in einer der beiden bistabilen Lagen und verhindert eine kontinuierliche Drehung

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des Rotors wie in einem Drehmotor. An der Achse 35 des Rotors ist ein Hemmungsarm 37 befestigt, der ein Paar Hemmst eine 39 aufweist, die an ,jedem Ende des Hemmarms 37 "befestigt sind. Diese Hemmungssteine erteilen einem Hemmungsrad 41 durch intermittierendes Schlagen auf einen Zahn des Hemmungsrades eine intermittierende Bewegung, wenn der Rotor um die Achse 35 oszilliert. Wie bei Uhrantrieben typisch,hat, wenn der Rotor in eine mittlere Lage kossit, wobei der Haltepol 29 senkrecht angeordnet ist, keiner der Eemmungssteine 39 Berührung mit dein Hemmungsrad 41. Entsprechend kann das Hemmungsrad 41 in οede Richtung drehen, wodurch die Möglichkeit eines Zeitnehmerfehlers gegeben ist, auch wenn er nicht wahrscheinlich ist. In einigen Fällen, beispielsweise wenn in der Uhr eine Ealen&er-oewegung vos Hemmungsrad 41 getrieben wird, kann das Hückarehmoment, das vom kalender hervorgerufen wird, bewirken» da£ sich das Hessungsr-aa 41 schnell in Gegenrichdreirt, wodurch die angezeigte Zeit der Uhr falsch wird.

Ia !"ig. 4 sind die bei herköaimlichen Wandlern auftretenden Drehmomente dargestellt. Die senkrechte Linie 32' sxi der liäkezi Seite des Diagramms stellt die lolfläche 32 des Stators -.¹XiCL die Linie 33' am rechten. Ende des Diagramms die PoIflache 33 dar. Die Entfernung zwischen der- Linie 32* und 40- stellt die Dicke des umnagnetiscLen Spalttrennelementes 38 au dsr- dem Element 36 gegenüberliegenden Seite des Kältepols dar. Sei vereinbahrt-, daß positive Drehmomente den Rotor iii Gegenniarzeigerrichtung, d.h. den Haltepol 29 nach rechts treiben, so ist aus der Kurve 44 ersichtlich, daß das Haltemoment, das den Pol 29 zur Polfläche 33 ä.os Stators zieht, schnell ansteigt, wenn, sich der Haltepol der Polfläche 33 des Stators nähert. Der Grund dafür liegt darin, da£ die magnetische Leitfähigkeit zwischen den Haltepol und der Polfläche 33 umgekehrt proportional sur Entfernung zwischen der Seitenfläche 31 des Kältepols und der PoI-

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fläche ist. Weil das den Haltepol zum Stator ziehende Drehmoment proportional .zur Änderungsrate der Leitfähigkeit ist, leuchtet ein, daß die magnetische Kraft, die den Haltearm anzieht, umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen der Polfläche des Haltepols und der des Stators ist.

Ein zweites ruhendes Drehmoment beruht auf der Ungleichen den Rand err]

heit der Anderungsrate der/auftretenden magnetischen Leitfähigkeiten jedes eintretenden Poles und des entsprechenden austretenden "bzw. verlassenden Poles. Dieses Drehmoment "bewirkt, daß der Rotor eine stabile Lage in der Mitte oder nahe der Mitte des Hubes hat, wo seine Drehmomentkurve die Nullachse kreuzt und eine negative Steigung hat. Der Grund für seine Existenz hängt mit dem Unterschied der Inderungsrate der/auftretenden magnetischen Leitfähigkeit des eintretenden Poles und der des austretenden Poles zusammen. Um dies besser zu verstehen, sei die Aufmerksamkeit auf die lineare Darstellung eines kreisförmigen Systems in Fig. 7a gelenkt.

Sei der Einfachheit halber angenommen, daß alle Luftspalte gleiche Länge haben, dann ergibt 'sich für die Verschiebung des Ankers in jede Richtung

P_{1 +} P₄ - P_{2 +} P₃.

Die magnetomotorische Kraft über die Luftspalte P₂ und P^ ist daher gleich der magnetomotorischen Kraft über die Luftspalte P^ und P₇,. Es folgt daher, daß die magnetomotorische Kraft über P₂ und P, ebenso wie die magnetomotorische Kraft über P_x, und P^ gleich der Hälfte der gesamten zur Verfugung stehenden magnetomotorischen Kraft des Magneten ist.

4098^0/09? ''·

Sei die Mittellage des Ankers die Startlage, so sollte eine Bewegung in jede von beiden Richtungen keine Nettokraft (im Ruhezustand) hervorrufen, wenn aufgrund der Haupt arbeitspole keine stabile Lage existieren soll. Weil die magnetomotorische Kraft jedes Luftspaltes gleich der Hälfte der zur Verfugung stehenden magnetomotorisehen Kraft des Magneten ist, kann die Gleichung der Kraft als Funktion der Ankerverschiebung wie folgt angegeben werden:

² dl> flm\² dP /Im\² dl> /Im\²

,Im\² dl> flm\² . dP~ /Im\² dl> /Im\² () L + _ __£+[__) —2 + —

*2 ' dV \2 / d* ^X2 I

mit P^ = 'S-, in Jeder Lage und Pp = Ρή. in jeder Lage. Des weiteren:

cLE> p

* in j eder Lage

dX ^

= -¹ in jeder Lage,

dX dX

weil P_x, = P, und Pp = P₁^ leuchtet ein, daß:

dP. dP, dPp dP L = —2 und —ä = —

d-χ dX dX

^dP1

kann die Kraftverschiebungsgleichung in geschrieben

werden:

/Im\² dP. /ImN²ZdP₁^ / Im\² cLE> /imf / dP^ \2 / d-X \2 ¹XdXJ \2 I dX \ 2 ' \ dX

IMÄGHQEREJCHT

ersichtlich ist₅ daß ϊ¹ ständig gleich O₀ Wenn die on der auftretenden magnetischen Leitfähigkeiten berücksichtigt werden, müssen die obigen Gleichheiten entsprechend den aa den Ränder« °

auftretenden magnetischen !Leitfähigkeiten abgeändert werdenο . Wenn diese., 'magnetischer! .' Rand-Leitfähigkeiten entsprechend jeder Arbeitsleitfähigkeit durch den Zusatz eines Index F bezeichnet werden, kann die Gleichung für die Hettokraft wie folgt geschrieben werden:

Es wurde bereits gezeigt_s daß sich die ersten vier Ausdrücke -in der Klammer in allen Lagen sn Hull aufsummieren_o Des weiteres 'ist aus S^nametriegriiadeii . ersichtlich _s dass

gilt 1 ■ ·

a ami':- die Kraft F gleich Muli ist, muß die Summe aus

■——'— und gleich Null sein. Damit dies gilt, müssen

W. jK G. **

beide Ausdrücke in allen Zuständen gleiche Größe und entgegengesetztes Torseichen haben. Ihr Torzeichen ist in de: I'at entgegengesetzt, für Fachleute auf diesem Gebiet ist jedoch klar, daß ihre Größen bei verschiedenen Verschiebungen des Ankers nicht gleich sind.

Unter spezieller Bezugnahme auf Fig. Tb gilt:

= A - G

ι
I_n

_ 2u 1 , (A + X\ j •2F " τ- ^±u \ G^ 'i X

wobei t - Permeabilität des i/uftSpaltmediums, 1 = Länge längs der Achse senkrecht zur dargestellten Ebene,

0- = Liif tspaltlänge j
L - Fortsatz der Ankerpollänge über die Grenzer., des

3tatc>rp3ls, Anker zentriert, χ = waagerechte Yerschiebung des Ankers aus der Mittel-

i _aB ^_en Bändern ρ = entsprssliende/auftreteiide magnetische Leitfähigkeiten bzw. Ranaleitfähigkeiteij.

Differenzieren jedes dieser Ausdrücke nachX ergibt:

UILd

- 11 -

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2 u 1

_1F dPo-π,

Die Summe aus — und —— ist dann:

2 u 1

Es leuchtet ein, daß diese Größe niemals gleich Null sein kann mit Ausnahme der Mittellage, bei der X=O. Wenn A relativ zur maximalen beabsichtigten Verschiebung sehr groß ist, kann die Größe des Ausdrucks aber sehr nahe an Null gehalten werden.

Herkömmliche Bauarten haben dies nicht berücksichtigt und leiden unter dem Drehmoment, das durch den Therm

A +X A -t

verursacht wird, das verursacht, daß der Eotor in der Mitte des Hubes eine stabile Lage hat. Dieses Drehmoment ist in Jig. 4 durch die Kurve 47 dargestellt.

Das Vorhandensein relativ vieler Rotor- und Statorpole in herkömmlichen Bauarten macht es unmöglich, die obigen Betrachtungen zu berücksichtigen.

Das zentrierende Drehmoment kann, obwohl es in seiner Größe klein ist, einen wesentlichen Einfluß haben, weil die Eingangspulse in die Betätigungsspule 13 eines Uhrenantriebs

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-ΛΖ -

typisch nur sehr kurze Dauer haben, d.h. nur einen kleinen Arbeitszyklus im Vergleich zur Frequenz des bistabilen Wandlers haben. Wegen dieser Tatsache kann das Antriebsmoment nicht während der gesamten Übergangsdauer des Rotors von einer bistabilen Lage in die andere vorhanden sein. Wenn der Puls endet, bevor der Rotor durch die zentrale bzw. Mittellage hindurchtritt, wird der Rotor zeitweise in einer Mittellage unbeweglich. Wie beschrieben, kann das Hemmungsrad 4-1 dann frei in jede Richtung drehen, wodurch in den Zeitanzeigemechanismus ein Fehler eingeführt wird.

Wieder Bezug nehmend auf Fig. 4- wird, wenn die Betätigungsspule einen Puls zum Antrieb des Rotors in Uhrzeigerrichtung empfängt, vom Stator und Rotor ein Drehmoment erzeugt, das graphisch durch die Kurve 4-3 dargestellt ist. Wenn die Spule erregt ist, ist das Nettodrehmoment, das den Pol 29 an der Polfläche 33 hält, durch die gestrichelte Kurve 4-5 (unter Vernachlässigung des zentrierenden Momentes) dargestellt. Weil das Nettodrehmoment negativ ist, verschiebt sich der Haltepol zu der Polfläche 32. In Betrieb

sich y.

aber hat sich herausgestellt, daß/die Entfernung • \ χ zwischen den Linien 33' und 4-2 ändert, wenn die nicht magnetischen Spalttrennelemente 36 und 38 keine genauen Abmessungen haben. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß, wenn /\ χ sich um einen sehr kleinen Betrag ändert, die Änderung in der JSiettodrehmomentkurve erheblich ist und dieses sogar positiv werden kann. Wenn dies auftritt, genügt das Antriebsmoment nicht, den Pol 29 zu entsperren und den Rotor in seine andere bistabile Lage zu drehen. Wegen dieses sehr scharfen Toleranzerfordernisses für die Abstandsstücke bzw. Spalttrennelemente 36 und 38 hat sich herausgestellt, daß die Bauart des Wandlers gemäß Fig. 1 kommerziell nicht praktikabel ist.

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. In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf einen erfindungsgemässen bistabilen Wandler dargestellt, der die erwähnten Schwierigkeiten löst. Dort ist ein Stator 51 dargestellt, um dessen Kernbereich eine Betätigungsspule 53 gewickelt ist. Der Kern ist an seinen Enden aufgetrennt und bildet einen etwa kreisförmigen Luftspalt. An den Enden des Stators ist ein Paar Polflächen 55 und 57 ausgebildet, die eine vorbestimmte Bogenlänge und Tiefe haben. Ein Rotor hat einen Permanentmagneten 69, wie aus J¹Xg. 3 ersichtlich, der sandwichartig zwischen zwei parallelen Scheiben 59? 61 aus Material mit hoher Permeabilität gepackt ist. Die Scheibe 59 ist wegen des Permanentmagneten als ein Nordpol und die Scheibe 61 als ein Südpol polarisiert. In der Südpolscheibe 61 ist ein Haltepol 63 ausgebildet, der einen nach oben gebogenen Armbereich 64- aufweist, um eine Polfläche zur Wechselwirkung mit den Flächen 65 und 67 des Statorkerns zu bilden. Die Fläche 64 des Haltepoles hat relativ zu den Flächen 65 und 67 des Statorkems eine konstante radiale Verschiebung« Wegen der Bauart des Haltepols und seiner konstanten räumlichen Beziehung relativ au den St at orf lächert 65 "uncL 67 steigt die magnetische Leitfähigkeit zwischen dem Stator und dem Haltepol etwa linear, wenn sieh der Kältepol in ζιιηβίπϋβηάβ winkelige Ausrichtung mit den St at orf lachen 65 und 67 bewegt«, Entsprechend leuchtet ein, daß, weil' das Drehmoment, das den Haltepol beispielsweise in Eiehtung zur Statorfläche 67 zieht, proportional zur Inderungsrate der zwischenliegenden magnetischen Leitfähigkeit (die im wesentlichen konstant ist, wenn sich der Rotor in zunehmende winkelige Ausrichtung mit dem Stator bewegt) ist, das Drehmoment, das den Pol 63 in Richtung auf die Statorfläche 67 zieht, im wesentlichen konstant ist, wenn sich der Haltepol seiner bistabilen Lage nähert. Wie im folgenden erläutert werden wird, verhindert die Konstantheit des Drehmoments, daß den

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Pol 63 am Statorkern hält, die Möglichkeit, daß der Rotor in der einen oder anderen beider bistabilen Lagen gesperrt wird. Ein Hemmungsarm 70 ist fest an der Achse 35 befestigt. Der Hemmungsarm 70 ist unmagnetisch und weist ein Paar Steine 71 an jedem seiner Enden auf, die in Hemmungsrad eingreifen und dieses schrittschalten. Einteilig Eiit dem Hemmungsarm 70 ist ein Gabelansatz 72 ausgebildet, der mit einem stationären Bauteil auf der Brücke des Antriebs (nicht dargestellt) zusammenwirkt und als ein positiver Anschlag in jeder Oszillationsrichtung des Rotors dient.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt des Rotors dargestellt, aus dem die Anordnung des Permanentmagneten 69 zwischen den Scheiben 59 und 61 ersichtlich ist. Wie dargestellt, sind die Zähne des Rotors einwärts aufeinander zu gebogen, so daß eine Mehrzahl von im Abstand befindlichen Poiflächen zum Wechselwirken mit den Polflächen des Statorkerns entsteht. Durch ein Loch in jeder Scheibe und durch ein Loch in dazwischen angeordneten Permanentmagneten ist eine Buchse 28 eingeschoben. Diese Buchse ist mittels eines geeigneten, herkömmlichen Klebers starr mit den Permanentmagneten und den Scheiben verbunden. Der Haltepol 63 ist nach oben verlängert dargestellt, so daß er mit den Statorflächen 65 und 67 wechselwirken kann. Ein Gegengewicht 74 ist zum Ausbalancieren oder Ausgewichten der Rotorbaugruppe an der Buchse 28 befestigt.

In I*ig. 5 sind die bei dem erfindungsgemäßen bistabilen Wandler auftretenden Drehmomente dargestellt. Die linke Linie bezeichnet die extreme in Uhrζeigefrichtung liegende Drehlage des Rotors und die rechte Linie bezeichnet die extreme Drehlage des Rotors in Gegenuhrzeigerrichtung. In der bevorzugten Ausführungsform dreht sich der Eotor um

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einen Gesamtwinkel von 15°i so daß jede Linie eine Winkel-Verschiebung von 7 1/2° aus der Mittellage darstellt. Sei angenommen, daß positive Drehmomente den Rotor in Gegenuhrzeigerrichtung treiben, so ist aus der Kurve 90 ersichtlich, daß das Haltemoment, das durch das permanente magnetische Feld durch den Haltepol 63 und den Statorkern hindurchtritt, schnell zunimmt, wenn der Haltepol in Gegenuhrzeigerrichtung aus der Mittellage auf die Fläche 67 des Statorkerns hin dreht. Wenn die Fläche des Haltepols 63 beginnt, sich in winkelige Ausrichtung mit der Fläche 67 zu bewegen, wird das Haltemoment bei weiterer Drehung des Rotors im wesentlichen konstant.

Durch Prüfen der Haltemomentkurve wird klar, daß auch merkliche Änderungen der Lage des Anschlags die Größe des Haltemoments nicht wesentlich ändern. Weil das Antriebsmoment, das durch die Hauptpole hervorgerufen wird, über den gesamten Hub (innerhalb der Baugrenzen) im wesentlichen konstant ist, führt ein im wesentlichen konstantes Haltemoment zu einem Nettomoment (Antriebsmoment minus Haltemoment), das relativ unempfindlich gegenüber Toleranzen in der Anschlagslage ist. Das Verhältnis zwischen Haltemoment und Nettoantriebsmoment kann so leicht durch das Verhältnis der Hauptpolluftspalte zu den Haltepolluftspalten eingerichtet werden und wenn es durch die Bauart bestimmt ist, kann es bei der Herstellung relativ konstant gehalten werden, ohne daß auf .Genauigkeit besondere Sorgfalt gelegt werden muß. Vergleichsweise kann der erfindungsgemäße Wandler Toleranzen aufnehmen, die zu einem etwa 10 Mal größeren £i χ in Vergleich zu dem Gesamt Ax herkömmlicher Bauarten führen.

Wenn durch einen Strom durch die Betätigungsspule 53 ein Drehmoment hervorgerufen wird, wird durch den Stator 51 und den Rotor ein im wesentlichen konstantes Antriebs-

moment hervorgerufen. Dieses Antriebsmoment ist graphisch durch die Linie 81 (Fig. 5) dargestellt. Entsprechend ist das Nettodrehmoment, das auf den Rotor wirkt, die algebraische Summe aus dem Antriebsmoment 81 und dem Haltemoment und ist durch die Kurve 83 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß durch eine Änderung des maximalen Drehwinkels, um den sich der Eotor drehen kann, in einem relativ kleinen Maß, das Haltemoment in den entsprechenden bistabilen Lagen nur leicht verändert wird. Entsprechend ist der erfindungsgemäße Wandler frei von unerwünschten Sperrmomenten, die bei herkömmlichen Wandlern auftreten; dies kommt daher, daß der Haltepol 63 vom Stator mit einem im wesentlichen konstanten Drehmoment angezogen wird.

Durch Begrenzen der Bogenlänge des Haltepols 63 auf eine Bogenlänge, die etwas größer als die Breite des Kanals 85 gemäß Fig. 2 ist, wird der Rotor mit einer größeren Kraft (Kurven 90 und 83 gemäß Fig. 5) in Richtung auf die eine oder andere der stabilen Lagen angetrieben, als wenn der Haltepol eine Bogenlänge gleich oder größer als die Breite des Kanals.85 (Kurven 90' und 83' in Fig. 5) hätte. Der Grund dafür liegt darin, daß, wenn der Rotor aus einer mittleren oder neutralen Lage in Richtung auf eine der bistabilen Lagen dreht, die magnetische Leitfähigkeit monoton zunimmt, anstatt anfänglich abzunehmen (aufgrund von Randeffekten). Dies führt zu einem stark positiven Drehmoment, das den Haltepol in seine bistabile Ruhelage zieht.

Es wurde bereits gezeigt, daß das unerwünschte Ruhemoment, das aus der Ungleichheit der Änderungsraten der an den Rändern auftretenden magnetischen Leitfähigkeiten jedes eintretenden Pols und des entsprechenden austretenden Pols herrühren, dadurch minimalisiert werden kann, daß das Verhältnis der Bogenlänge des Ansatzes (Abmessung A in Fig»7b)

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des Rotorpols (über die Grenze des Statorpols hinaus) relativ zum beabsichtigten Hub des Rotors groß gemacht wird.

Die praktische Ausführung dieses Prinzips ist in den Fig. 6a und 6b dargestellt, die teilweise aufgeschnittene Ansichten der beiden bistabilen Lagen des Rotors sind. Anfänglich ist, wie in Fig. 6a dargestellt, der Pol der Nordpolscheibe 59 in seiner extremen in Uhrzeigerrichtung liegenden stabilen Ruhelage angeordnet. Die Linien des magnetischen Flusses treten zwischen dem Uordarbeitspol 90 des Rotors und dem Statorpol 55» wie durch die magnetische Leitfähigkeit Pp gezeigt, hindurch. Ein Leckfluß tritt vom Rotorpol durch die magnetische Leitfähigkeit Pg' zum Statorpol längs der Seite 54-^f des Statorpols, die sich vom Hauptkörper des Stators zur Fläche des Statorpols 55 erstreckt. Die Südpolscheibe des Rotors weist ebenfalls einen Arbeitspol 91 auf, der gegenüber dem Statorpol 55 angeordnet ist. Die Flußlinien erstrekken sich zwischen dem Südpol 91 des Rotors und dem Statorpol 55 durch die magnetische Leitfähigkeit P^. Zusätzlich sind Leckflußlinien dargestellt, die sich zwischen dem Rotorpol 91 und der Seitenfläche 56 des Statorpols 55 durch die magnetische Leitfähigkeit P^' hindurch erstrekken. In dieser stabilen Lage hat der Südpol 91 des Rotors eine genügende Länge, damit sich wenigstens ein !Teil von ihm nach unten über die normale Oberfläche hinaus erstreckt, in die die Fluß- und Leckflußlinien eintauchen.

Theoretisch sollte, wie bereits gezeigt, der Fortsatz der Bogenlänge des Rotorpols über die Grenzen des Statorpols hinaus relativ zu der beabsichtigten Verschiebung des Rotors so groß wie möglich sein. Aus praktischen Gründen aber erstrecken sich die Kanten 54- und 56 des Statorpols

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nicht um eine unendliche Strecke von der Statorpolfläche

Randaus zurück; die .magnetischen/Leitfähigkeiten Pp¹ und P^¹ sind so von einem maximalen äußeren Radius R begrenzt, der gleich der Summe des radialen Luftspaltes und der radialen Länge der St at or polkante 54- bzw. 56 ist. Fachleuten leuchtet ein, daß die Länge der Polkanten 54 und 56 etwa 10 Mal so groß sein sollte, wie die radiale Luftspaltlänge, um in der Praxis ein gutes magnetisches Verhalten zu erreichen. Weil die äußeren Begrenzungen der magnetischen Randleitfähigkeiten Pg¹ und P^¹ durch Bogen begrenzt sind, deren Eadius gleich der radialen Länge der Polkante 54- (oder 56)des Stators plus der radialen Luftspaltlänge ist, folgt, daß das Ausmaß der Bogenlänge des Rotorpolfortsatzes, das beim eintretenden Pol 91 (in der .stabilen Lage) entsprechend der eingetretenen Lage dieses Pols erforderlich ist, (gemäß Fig. 6a) gleich der radialen Luftspaltlänge plus radialer Länge der Polkante 54- (oder 56) des Stators sein sollte.

Bei einem typischen Luftspalt mit 0,05 mm und einem Rotorradius von 2,5 mni entspricht dieser Polansatz etwa 7°. Um herstellungsbedingte Änderungen zu erlauben, wird dieses Maß in einer bevorzugten Ausführungsform auf 10° vergrößert.

Fig. 6b stellt den Rotor 59 in seiner äußersten Gegenuhrzeigerlage dar. Aus gleichen Gründen ist hier der Rotorpol 90 mit einer Bogenlänge dargestellt, die groß genug ist, daß mindestens ein 10° Bogenstück sich über die Kante 54- des Statorpols hinaus erstreckt.

Wenn der Rotor aus der Stellung gemäß Fig. 6a in die Stellung gemäß Fig. 6b dreht, bleiben die magnetischen

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Randleitfähigkeiten P^' und P₂ ¹ unverändert, insoweit sich die äußere Grenze von P^' und P₂' (Radius R) bei Bewegen des Rotors aus einer stabilen Lage in die andere nicht verringert. Dies wird durch die Tatsache erreicht, daß R niemals größer als die Länge der Polkante 54- (oder 56) plus dem Rotorspalt ist und daß sich in allen Lagen die Rotorpolbogenlänge über den Schnittpunkt von R und der Rotorpolfläche hinaus erstreckt. Auf diese

dP ' dP '
Art sind 1 und 2 beide im wesentlichen Null und d O d θ

das unerwünschte im Ruhezustand zentrierende Moment ist in allen praktischen Fällen ausgeschaltet.

Somit ist gezeigt, daß die Bauart des geschilderten bistabilen Wandlers zentrierende bzw. auf die Mittellage gerichtete Momente ausschaltet und zusätzlich den Wandler gegenüber leichten Änderungen in mechanischen Toleranzen des Rotors und Stators unempfindlich macht. Entsprechend ist ein sehr verläßlicher Wandler geschaffen, der von einem Eingangssignal mit kleinem Arbeitszyklus und niederer Energie sehr verläßlich angetrieben werden kann.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

Λ J Bistabiler elektromechaniseher Wandler mit einem Stator mit einem Kern und einer um den Kern gewickelten Betä-

auf= tigungsspule, wobei der Kern an seinen Enden/getrennt ist, so daß ein etwa kreisförmiger Luftspalt gebildet ist, dessen Umfang wenigstens zwei Statorpolflächen aufweist, einer Vorrichtung zum Beaufschlagen der Betätigungsspule mit nieder=energetischen Eingangsimpulsen mit kleinem Arbeitszyklus, einem Eotor mit einem Permanentmagneten und einem Paar Scheiben aus hochpermeablem Material, die an jedem Ende des Permanentmagneten etwa parallel zueinander befestigt sind, wobei jede Scheibe eine Mehrzahl von Polflächen aufweist und einer Vorrichtung mit wenigstens einem Haltepol zum Halten des Rotors in einer seiner beiden stabilen Lagen während des Zeitraumes zwischen den Eingangs impuls en, dadurch gekennzeichnet , daß die Inderungsrate der magnetischen Leitfähigkeit des Luftspaltes zwischen dem Haltepol (63) und dem Stator (51) beim Annähern des Rotors (59, 61, 69) an jede seiner stabilen Lagen etwa konstant ist.
2. Bistabiler elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, der geeignet zum Betrieb mit sehr kleiner elektrischer Energie ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Halten des Rotors (59? 61, 69) in jeder seiner stabilen Lagen einen Haltepol (63) aufweist, der von den Bereichen des Stators (65, 67),zu denen er gezogen wird, durch einen im wesentlichen konstanten radialen Luftspalt getrennt ist, daß die Inderungsrate der magnetischen Leitfähigkeit zwischen dem Haltepol (63) und den Bereichen (65,

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67) des Stators im wesentlichen konstant ist, wenn sich der Rotor (59, 61, 69) einer seiner stabilen Lagen nähert, wodurch der Rotor (59, 61, 69) zwischen den "beiden stabilen Lagen frei von irgendwelchen weiteren stabilen Lagen ist.
3« Bistabiler elektromechanischer Wandler nach Anspruch

2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die verhindert, daß der Rotor (59» 61, 69) zeitweilig in einer neutralen Mittellage zwischen den beiden stabilen Lagen festgesetzt wird und beinhaltet, daß die Bogenlänge der Polflächen (90, 91) des Rotors (59, 61, 69) groß genug ist, damit die gesamte magnetische Leitfähigkeit des Luftspaltes zwischen dem Rotor (59, 61, 69) und dem Stator (51) etwa konstant bleibt, wenn sich der Rotor (59, 61, 69) von einer stabilen Lage in die andere bewegt.
4. Bistabiler elektromechanischer Wandler nach Anspruch

3, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung, die verhindert, daß der Rotor (59, 61, 69) zeitweilig in einer mittleren Lage festgelegt wird, Rotorpolflächen (90, 91) aufweist, deren Bogenlänge derart ist, daß unabhängig von der Lage des Rotors (59, 61, 69) im wesentlichen der gesamte Leckfluß von den Statorpolflächen (55, 57) in die Rotorpolflächen (90, 91) eintaucht.
5. Bistabiler elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (51) einen Kern hoher Permeabilität aufweist, der Umfang des Luftspaltes zwei Statorpolflächen (55, 57) aufweist und die Scheiben (59,61) als Anker mit Je zwei Polflächen ausgebildet sind.

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6. Bistabiler el ektrome cliani scher Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Haltepol (63) eine vorbestimmte Bogenlänge aufweist und neben einem im Stator (51) ausgebildeten Kanal (85) von einer
stabilen Lage in die andere stabile Lage schwingt, wobei
der Kanal (85) eine Öffnung hat, die etwas größer ist als die Bogenlänge des Haltepols (63), wodurch die magnetische Leitfähigkeit zwischen Rotor (59, 61, 69) und Stator (51) zunimmt, wenn der Rotor (59, 61, 69) über seine mittlere
oder neutrale Lage hinaus in Richtung auf eine der stabilen Lagen dreht.

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