DE2416119A1

DE2416119A1 - Elektromagnet mit hoher tragkraft und kurzer ansprechzeit

Info

Publication number: DE2416119A1
Application number: DE2416119A
Authority: DE
Inventors: Georges Thomin
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1973-04-03
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1974-10-17
Also published as: GB1434168A; DE2416119B2; US3891953A

Description

Elektromagnet mit hoher Tragkraft und kurzer Ansprechzeit

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten, genauer, einen Elektromagneten mit großer Tragkraft und kleiner Ansprechzeit, welcher auf einer Welle befestigt ist, deren Achse die Richtung der Anziehungskraft bestimmt, welche vom Elektromagneten auf eine koaxial zur selben Achse angebrachte Vorrichtung ausgeübt werden soll, wobei diese eine umlaufende Vorrichtung sein kann» Zum besseren Verständnis sei angegeben, daß z.B. ein Magnet mit einer Tragkraft von wenigstens 25 kg und einer Ansprechzeit von höchstens 2 ms angestrebt wird.

Die beiden geforderten Größen (große Tragkraft und kurze Ansprech- , zeit), welche jedoch bei einer bestimmten Anwendung für die Ausrü-j stung eines Satelliten zusammen erforderlich sind,und welche nocli

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vielfältige Anwendungen finden können, schließen sich mehr oder weniger gegenseitig aus, so daß es bisher nicht möglich war, sie zusammen in ein und demselben Elektromagneten zu erhalten. Darüber hinaus soll der Elektromagnet wieder zu einer Zentrierung führen, wenn der Anker eine Auslenkung in radialer Richtung erfährt.

Mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen wird ein Elektromagnet geschaffen, der diese Aufgabe löst.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfxndungsgemäßen Elektromagneten kann das gewünschte Ergebnis dadurch herbeigeführt werden, daß der feste, als Kern dienende Teil des Elektromagneten und sein beweglicher, als Anker dienender Teil alle beide koaxial zur Achse der den Kern tragenden Welle verlaufen und aus konzentrischen, aus Material mit hoher Sättigungsmagnetisierung hergestellten magnetischen Blechen hergestellt sind, welche aneinander anliegen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromagneten unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Elektromagneten ;

Fig. 2 den Abschnitt der zahnförmigen Pole am Spalt; und Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausfüh- : rungsform eines erfindungsgemäßen Elektromagneten, wel-t

eher einen Spalt F aufweist, der z.B. in einer einzigen,

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in radialer Richtung verlaufenden Ebene liegt, welche durch die Achse X-X geht.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Kern Z eines Elektromagneten auf einer Welle 1 befestigt. Für die vorgesehene, spezielle Anwendung soll der Elektromagnet eine anziehende Kraft in Wohl definierter Richtung ausüben und außerdem eine verhältnismäßig große Tragkraft aufweisen, wobei jedoch seine Ansprechzeit trotzdem kurz sein soll.

Die Richtung der anziehenden Kraft muß so sein, daß bei jeder beliebigen Auslenkung eines Ankers 4 in radialer.Richtung eine Kraftkomponente besteht, durch die der Anker 4 wieder um die Achse X-X der Welle 1 zentriert wird.

Im Bereich schwacher Ströme könnte man hierzu sofort daran denken, einen Kern aus unterteiltem Eisen oder aus Ferrit zu verwenden. Der im vorliegenden Fall für Tragkräfte der angestrebten Größenordnung (25 kg) zu erzeugende magnetische Fluß ist jedoch zu stark, um dieses Material noch anwenden zu können.

Erfindungsgemäß findet ein klassischeres Material mit. hoher Sätti- ^; gungsmagnetisierung in Lamellenform Verwendung: Bleche aus einer j

Fe:Co-Legierung. Durch die Lamellierung wird zum großen Teil das \ Fließen von Induktionsströmen vermieden, welche die Bandbreite der Vorrichtung begrenzen würden, in die der Elektromagnet eingefügt wird, d.h. die Indukt ions ströme würden die Ansprechzeit des Elektro-

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magneten vergrößern. Diese Bandbreite wird durch das frequenzabhängige Ansprechen der anziehenden Kraft (diese wird als Ausgangsgröße der Vorrichtung betrachtet) auf den in einer Wicklung 6 des Elektromagneten fließenden Strom (dieser wird als Eingangsgröße der Vorrichtung betrachtet) gegeben. Erfindungsgemäß umgeben zugleich die gegeneinander isolierten, miteinander verklebten und aneinander anliegenden Bleche koaxial und konzentrisch die Welle 1, so daß sowohl der Kern 2 als auch der Anker 4 gebildet werden. Die gegenseitige Isolierung der Bleche kann z.B. durch eine Oberflächenoxidation erfolgen, es können jedoch auch andere Isolierungen verwendet werden.

In Fig. 1 ist der Kern 2, welcher durch Bleche 2a, 2b und 2c gebildet wird, außen auf eine Hülse 3 aufgepreßt, welche auf der Welle befestigt ist.Dem Kern 2 entspricht ein gegenüberliegender Anker U aus Blechen 4a, Hb und 4-c, welcher an einem konzentrisch zur Achse

X-X verlaufenden Teil 5 befestigt ist, welches die von dem Elektroerzeugte Kraft

magneten/weitergibt. Der Elektromagnet wird durch die ebenfalls konzentrisch zur Achse X-X angebrachte Spule 6 erregt.

Im vorliegenden Fall werden sowohl der Kern 2 als auch der Anker 4 durch drei aneinander anliegende Bleche 2a, 2b, 2c mit hoher Sättigungsmagnetisierung gebildet. Diese Anzahl ist nicht einschränkend zu verstehen, bei dem gewählten Ausführungsbeispiel erhält man je-■doch mit den o,6 bis o,8 mm starken Blechen mit einer geeigneten Schaltung eine Ansprechzeit von 2 ms.

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Der Querschnitt des hier gezeigten Kernes, durch dessen Drehung um die Achse X-X das Volumen des Kernes 2 begrenzt wird, hat hier in etwa die Form eines U, und das gleiche gilt für den Anker 4. Damit kann im Inneren des Kernes 2 die erregende Spule 6 angebracht werden, ohne daß ein Verlust magnetischen Flusses auftritt. In der Spule 6 fließt ein sehr hoher Strom (größenordnungsmäßig 5ooA) und der mit 1 bezeichnete Abstand zwischen den Armen des U (in der Praxis o,3 cm) reicht nicht dazu aus, eine für die Spule 6 ausreichende Anzahl von Windungen unterzubringen; daher hat der weiter außen gelegene Arm des U eine ausgebauchte Form erhalten. Wegen der U-förmigen Form des Querschnitts des Kerns 2 oder des Ankers 4 kann man sagen, daß diese sechs Bleche aufweisen. Diese Bleche werden zunächst großenteils einzeln und mit großer Genauigkeit hergestellt, und dann im Falle des Kernes 2 auf der Hülse 3 und im Falle des Ankers 4 auf dem Teil 5 ineinander geschachtelt, was zu einem festen Anpressen und zu einem festen Sitz führt.

Der Spalt zwischen dem Anker 4 und dem Kern 2 ist etwa o,2 mm, und der nutzbare Hub des Ankers H wird durch nicht gezeigte Anschläge auf o,15 mm begrenzt..Vorteilhafterweise erhält der Spalt eine konische oder quasi konische Gestalt, wobei die gegenüberliegenden Spaltflächen S, S' insgesamt parallel verlaufen, jedoch mit Zähnen versehen sind. Die durch eine gedachte Fortsetzung der beiden Spaltflächen S, S¹ erhaltenen Kegelspitzen liegen,bezogen auf den Kern 2, auf derselben Seite wie der Anker 4. Durch diese Anordnung wird ein Selbstzentrieren des Ankers 4 zur Achse X-X erhalten, d.h. die

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Richtung der anziehenden Kraft ist mit großer Genauigkeit festgelegt.

Hierzu soll der Winkel o< an der Spitze der Kegel zwischen 15o und 17o liegen. Die abgeplatteten Zähne weisen Seitenflächen auf, die mit einer zur Achse X-X parallelen Achse X'-X¹ einen Winkel von 28° bzw. 4o^o bilden.

In Fig. 3 sind die verschiedenen Werte vermerkt, ebenso in u die interessierenden Abmessungen. Diese Angaben sind nicht beschränkend zu verstehen, und dienen nur dem besseren Verständnis.

Ein Vorteil der erfxndungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß sie ein möglicherweise schnelles Umlaufen (größenordnungsmäßig

derselben
lo.ooo U/min)/erlaubt, ohne daß bremsende Drehmomente auftreten, die auf im magnetischen Kreis des Elektromagneten fließende Induktionsströme zurückzuführen wären, da dieser magnetische Kreis in konzentrisch um die Achse verlaufende Zylinder unterteilt wird, auf die der magnetische Fluß gleichmäßig verteilt wird, wobei die Vorrichtung jedoch ihre selbstzentrierenden Eigenschaften behält.

Die Verbindung von Zähnen mit einem konischen oder wenigstens im wesentlichen konischen Spalt führt zu der zentrierenden Eigenschaft des Ankers 4 und zu deren Veränderbarkeit in Abhängigkeit von der genauen Form der Zähne und des Spaltes. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können insbesondere auch kugelförmige Spalte

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oder Spalte mit einer beliebigen anderen Rotationssymmetrie verwendet werden.

Weist die zu zentrierende Vorrichtung einen festen Punkt zum Anbringen auf der Achse auf, so gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Wiederzentrieren durch transversales Schwenken um diesen Punkt; in diesem Fall erhält der Spalt zweckmäßigerweise eine zumindest im wesentlichen sphärische Gestalt, wobei sein Mittelpunkt in diesem Punkt liegt.

Die beschriebene Vorrichtung kann noch weiter verbessert werden. Die lamellenförmige Unterteilung des Kernes 2 und des Ankers U in mehrere Bleche führt zu einer merkbaren Verminderung der in radialer Richtung fließenden Induktionsströme.

Für den in der Erfindung angestrebten Zweck, nämlich eine kurze Ansprechzeit des Elektromagneten zu erhalten, welcher trotzdem eine große Tragkraft aufweisen soll, ist es wichtig,die Induktionsströme auf ein Mindestmaß zu beschränken, da sie den Aufbau des Flusses in den Blechen und folglich den Aufbau des Flusses in den Spalten verzögern, und damit auch den Aufbau der anziehenden Kraft. Diese Ver-j

zögerung kommt noch zu der hinzu, die auf den unvermeidbaren Skin-Effekt an der Oberfläche jedes Bleches zurückzuführen ist.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht völlige Rotationssymmetrie bezüglich der Achse X-X der Welle 1,' wobei die

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Bleche der Wannen mit U-förmigem Querschnitt ringförmige, zur Achse ,X-X konzentrische Kurzschlußwindungen bilden.

Bei Drehzahlschwankungen oder Drehzahlwechsel "erfahren"

diese Windungen oder zumindest die bezüglich der anjderen, im Inneren liegenden Windungen Schwankungen des Flusses, und !dieses gilt sowohl für den vom Kern 2 gebildeten Teil als auch für den vom Anker 4 gebildeten Teil des Elektromagneten.

Die durch das Blech 2c gebildete Schleife sieht die Flußänderungen in den Blechen 2a und 2b; die von dem Blech 2b gebildete Schleife sieht die Flußänderungen im Blech 2a; die von dem Blech 4c gebildete Schleife sieht die Flußänderungen in den Blechen 4a und 4b; und die von dem Blech 4b gebildete Schleife sieht die Flußänderungen in dem Blech 4a.

Durch diese Flußänderungen werden in jeder Windung elektromotorische

Kräfte und kurzgeschlossene Verlustströme erzeugt, welche die oben j beschriebenen nachteiligen Folgen von Induktionsströmen aufweisen.ι

Gemäß einer bevorzugten, weiteren Ausführungsform eines erfindungs-igemäßen Elektromagneten werden Vorrichtungen vorgesehen, durch die das Fließen der genannten Ströme in den kreisförmigen Windungen mit Achse X-X vermieden wird.

Hierzu weist unter den den Kernteil und/oder den Ankerteil des

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Elektromagneten bildenden, ineinander geschachtelten Flächen zumindest jedes der im Inneren des von der erregenden Spule aus gesehen äußersten Bleches gelegenen Bleche wenigstens einen durchlaufenden Spalt auf, durch welchen ein einen freien Arm eines U festlegender Punkt des Spaltes zwischen den Polen mit einem anderen ; Punkt des Spaltes zwischen' den Polen, verbunden wird, welcher auf einem freien Arm des U liegt, welcher dem zuerst genannten gegen- j über liegt.· j

Die durch die Induktionsströme in den kreisförmigen Windungen ganz unnötig hervorgerufene Verzögerung kann dadurch unterdrückt werden, daß, wie in Fig. 2 gezeigt, die Bleche Hb, ¹Ic und 2b, 2c mit einemj Spalt F versehen werden, durch den das Fließen der Indukt ions strö-₍ me verhindert wird, und der sowohl für den den Kern bildenden Teil! als auch für den den Anker bildenden Teil in ein und derselben, ■ radial verlaufenden Ebene liegt, welche durch die Achse X-X geht und sich nur auf einer einzigen Seite derselben erstreckt.

Es können natürlich auch mehrere Spalte in jeder Windung vorgesehen werden, zum Unterbrechen des Fließens der Induktionsströme genügt jedoch ein einziger Spalt.

Man kann auch für den den Anker bildenden Teil einen ersten Spalt in einer ersten, in radialer Richtung verlaufenden Ebene vorsehen und für den den Kern bildenden Teil einen zweiten Spalt in einer anderen, in radialer Richtung verlaufenden Ebene.

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,Man kann auch nur in dem den Kern bildenden Teil einen Spalt vorsehen, wodurch natürlich eine schlechtere Wirkung erhalten wird.

Man kann auch noch die Spalte für die verschiedenen Bleche gegeneinander versetzen, so daß sie in unterschiedlichen und unter ver-* schiedenem Winkel angebrachten, in radialer Richtung verlaufenden Ebenen liegen, welche durch die Achse X-X gehen.

Gleichermaßen kann man in dem von der Spule am weitesten entfernten Blech ebenfalls einen Spalt vorsehen, in der Praxis kann man jedoch davon ausgehen, daß ein nicht geschlitztes äußerstes Blech seinerseits nur zu einer geringen Verzögerung führt, während es dagegen die Festigkeit der verklebten Vorrichtung erhöht.

Bei der vorstehenden Ausführungsform ist die einzig zurückbleibende [Verzögerung praktisch auf den Skin-Effekt in den Blechen zurückzuführen, welcher jedoch umso kleiner ist, je dünner jedes Blech ist.

Bei dieser zuletzt beschriebenen Ausführungsform wird die Ansprech·+ zeit des Elektromagneten um einen"Faktor 2 bis H gegenüber dem ursprünglich, bei der ersten Ausführungsform erhaltenen Wert verbessert.

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Claims

Patentansprüche

1.)Elektromagnet zum Anziehen einer Last, die im wesentlichen konzentrisch um eineWelle verteilt ist, längs der Richtung dieser Welle, auf der ein den Kern bildender Teil des Elektromagneten befestigt ist, während der einen beweglichen Anker bildende Tei: desselben an der Last befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daf der magnetische Kreis eines jeden der beiden Teile (2,4) aus magnetischen Blechen (2a bis 2c, 4a bis 4c) gefertigt ist, wel ehe konzentrisch um die Achse der Welle (1) verlaufen, welche aus Material mit hoher Sättigungsmagnetisierung gefertigt sind, und welche gegeneinander isoliert und ineinander verschachtelt sind, und daß er mit einer Spule (6) zum Erzeugen des magneti- ) sehen Flusses zusammenarbeitet, welche von einem starken Strom· ι durchflossen werden kann, so daß für den Elektromagneten eine große anziehende Kraft und zugleich eine geringe Ansprechzeit bei seiner Erregung erhalten wird.

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2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der ineinander verschachtelten und gegeneinander isolierten Bleche (2a bis 2c), welche den den Kern (2) bildenden Teil des Elektromagneten bilden, die Form einer kreisförmigen Wanne mit Rotationssymmetrie aufweisen, deren erzeugender Querschnitt im wesentlichen die Form eines U aufweist, dessen freie Enden am Spalt zwischen den Polen enden, und deren Achse mit der Welle (1) zusammenfällt, daß der den Anker 0+) des Elektromagneten bildende Teil einen ähnlichen Aufbau aufweist wie der den Kern (2) bildende Teil des Elektromagneten, daß der Elektromagnet so aufgebaut ist, daß die Bleche (4a bis ¹Ic) des einen Teils (4) im wesentlichen gegenüber und in der Verlängerung der Bleche (2a bis 2c) des anderen Teils (2) angebracht sind und zu den Enden der freien Arme der jeweiligen U-förmigen erzeugenden Querschnitte verlaufen, und daß die den Fluß erzeugende Spule (6) im Inneren des den Kern (2)bildenden Teil untergebracht ist und konzentrisch zur Achse der Welle 1 angebracht ist.

3. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Endflächen (S, S¹) des Kerns (2) und des Ankers (4) konisch sind und parallel zueinander verlaufen,daß die Achse der Kegel der konischen Endflächen (S, S^f) mit der Achse der als Träger dienenden Welle (1) zusammenfallen, daß die gedachten Spitzen der konischen Oberflächen (S, S¹) bezüglich des Kerns (2) auf derselben Seite liegen wie der Anker (4), und daß der Winkel an den gedachten Spitzen der

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- 13 konischen Oberflächen (S, S^f) zwischen 15o° und 17o° liegt.

4. Elektromagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Oberflächen (S _s S¹) mit Zähnen versehen sind, daß die Zähne abgeplättet sind, und daß deren innere Flanken wenigstens im wesentlichen mit der Achse der einen Träger bildenden Welle (1) einen Winkel von 4o° bilden und deren äußere Flanken wenigstens im wesentlichen mit dieser Achse einen Winkel von 2 8° bilden.

5. Elektromagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der abgeplatteten Zähne durch ein Ende der Bleche (2a bis 2c, 4a bis 4c) des Kerns (2) und des Ankers (4) gebildet werden.

6. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß unter den ineinander geschachtelten Blechen (2a bis 2c, 4a bis 4c) des den Kern (2) bildenden Teils und/oder des den Anker (4) bildenden Teils des Elektromagneten mindestens jedes der im Inneren des bezüglich der erregenden Spule (6) am weitesten außen gelegenen Bleches (2a, 4a) gelegenen Bleche (2b, 2c; 4b, 4c) wenigstens einen durchlaufenden Spalt (F) aufweist, ! durch welchen ein Punkt des zwischen den Polen liegenden Spaltes, welcher einen der freien Arme eines U festlegt mit einem anderen Punkt des zwischen den Polen liegenden Spaltes verbunden wird, welcher auf einem freien Arm des U liegt, der dem erstgenannten Arm gegenüberliegt.

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7. Elektromagnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur
die innen liegenden Bleche (2b, 2c, Ub, Uc), jedoch nicht das
am weitesten außen gelegene Blech (2a, Ua) einen durchlaufenden
Spalt (F) aufweisen.

8. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich alle Spalte (F) wenigstens eines der Teile
(2,U) in einer gemeinsamen, radial verlaufenden, durch die Achse der Welle (1) gehenden Ebene befinden.

9. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Spalte (F) der Bleche für wenigstens einen der Teile (2,U) des Elektromagneten sich in unterschiedlichen, radial verlaufenden, durch die Achse der Welle (1) gehenden Ebenen befinden, welche winkelmäßig gegeneinander versetzt sind.

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