DE2502017C2 - Elektromagnet - Google Patents

Description

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fläche in Berührung steht ...·-■ . Fig. 1 eine Seitenansicht des Elektromagneten mit

Durch diese besondere Ausgestaltung des Magnet- seinen wichtigsten Elementen,

kerns und des Ankers kann sich unmittelbar-nach Ein- Fig.2 eine genauere Darstellung der geometrischen schalten der Spule ein starkes Magnetfeld zwischen Ma- Merkmale des MagnetkreLes,

gnetkern und Anker aufbauen, das zusammen mit den 5 F i g. 3 eine Darstellung der Bewegungsverläufe von von der Endfläche des gekrümmten Ankerarmes und verschiedenen Elektromagnettypen in bezug auf die Wider in die Spulenöffnung eingreifenden Anschlagfläche derstandskräfte und

des längeren Magnetkernschenkels gebildeten Polflä- Fig.4 eine Darstellung der Zerlegung der Anzie-

chen für ein schnelles und kräftiges Anziehen des An- hungskräfte, die zwischen zwei einander gegenüberste-

kefi, sorgt io henden Polflächen ausgeübt werden.

Nachteilig ist hierbei, daß die Ankerbewegung nicht Der Magnetkreis besteht einerseits aus dem festste-

gesteuert ist und daß vom Magnetfeld erzeugte Kräfte henden Magnetkern 3, der die allgemeine Form eines

das Ankerlager in Radialrichtung belasten. U's mit Magnetkernschenkeln 5 und 7 und einer Basis 13

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen gat- hat, und andererseits aus einem beweglichen Anker 2,

tungsgemäßen Elektromagneten so auszubilden, daß is der mit dem feststehenden Magnetkern 3 durch einen

bei sich über den Schwenkbereich des Ankers ändern- Zapfen 4 verbunden ist und der die allgemeine Form

dem Anzugsmoment die auf das Ankerlager wirkenden eines L's mit einem ersten Ankerarm 8 und einem zwei-

Kräfte minimiert werden. ten Ankerarm 6 hat Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. Im Ruhezustand und in der Arbeitsstellung des Elek-

daß die Achse des Ankerlagers in einer Querebene an- 20 tromagneten treten der erste Magnetkernschenkel 7

geordnet ist, die senkrecht zur Spulenachse verläuft und und der erste Ankerarm 8 in die Spulenöffnung 9 der

diese im Bereich des Spulenzentrums schneidet; daß der Spule 1 ein.

Krümmungsmittelpunkt der schwächer gekrümmten Die gekrümmten Oberflächen des ersten Magnet-Fläche des ersten Magnetkernschenkels auf der dem kernschenkels 7 und des ersten Ankerarms 8 bilden zwizweiten Ankerarm gegenüberliegenden Seite der Ebene 25 sehen sich einen Luftspalt, dessen Entwicklung während und auf der der Spule gegenüberliegenden Seite einer der Bewegung des Ankers 2 von den Krümmungsradien zur Spulenachse parallelen, durch die Achse des Anker- und -mittelpunkten dieser Oberflächen abhängt Der lagers verlaufenden Ebene liegt; ,daß dem stärker ge- Anziehungsverlauf ist somit seinerseits eine Funktion krümmten Abschnitt des ersten Magnetkernschenkels von diesen Variablen.

in der Spulenöffnung gegenüberliegend ein rait der Ba- 30 Wenn der zwischen diesen beiden Oberflächen beste-

sis verbundener Polschuh vorgesehen ist, der zusammen hende Luftspalt konstant wäre, wäre die Anziehungs-

mit dem ersten Magnetkernschenkel und der Basis ei- kraft zu dem Hub des Ankers proportional, was mit der

nen Raum zur Aufnahme des stärker gekrümmteil Ab- Kurve EC von F i g. 3 dargestellt ist In diesem Fall sind

Schnitts des ersten Ankerarms bildet wobei die den die radialen Kräfte zu hoch gegenüber den tangentialen Raum begrenzenden Flächen auf den stärker gekrümm- 35 Kräften.

ten Abschnitt des ersten Ankerarms wirkende Polflä- Um die Widerstandskräfte CR unter günstigen Bedin-

chen darstellen. gungen zu üBerwinden, ist ein Verlauf der Kraft ähnlich

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines wie in der Kurve EVvorzuziehen. Elektromagneten ist es besonders vorteilhaft, daß durch Zu diesem Zweck zerlegt man die verschiedenen Andie Entlastung des Lagers die im Lager auftretende Rei- 40 Ziehungskräfte, die auf den Anker ausgeübt werden, in bung verringert wird und somit das Bewegungsverhai- drei aufeinanderfolgende Phasen, ten des Ankers verbessert wird, wodurch eine erhöhte Die gekrümmte Oberfläche des ersten Magnetkern-Beschleunigung des Ankers und eine präzisere Steuer- schenkeis 7 besteht infolgedessen aus zwei aufeinanderbarkeit gewährleistet sind. Darüber hinaus erhöht die folgenden Flächen 10 (schraffiert) und 11 (punktiert), erfindungsgemäße Entlastung des Ankerlagers die Le- 45 wobei sich die schwächer gekrümmte Fläche 10 von bensdauer des Elektromagneten und stellt auch mit zu- dem Ende des Schenkels 7 bis zur stärker gekrümmten nehmender Lebensdauer ein zuverlässiges Bewegungs- Fläche 11 erstreckt, die in Nähe der Basis 13 des Maverhalten sicher. gnetkems 3 endet.

Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Gegenüber der stärker gekrümmten Fläche 11 ist ei- Elektromagneten ist dadurch gekennzeichnet, daß die 50 ne Polfläche 15 vorgesehen, die zu einem Polschuh 17 Polfläche des Polschuhs als gekrümmte Fläche ausgebil- gehört, der mit der Basis 13 fest-verbunden ist. Zwischen

det ist, deren Krümmungsmittelpunkt ebenso wie der diesen beiden Flächen ist somit ein leerer Raum 20 vor-

Krümmungsmittelpunkt des stärker gekrümmten Ab- gesehen.

Schnitts des ersten Magnetkernschenkels auf einer Ge- Der erste Ankerarm 8 kann in zwei Abschnitte 12 und raden liegt, die die Achse des Ankerlagers und den 55 14 geteilt werden, die verschiedene Funktionen haben. Raum verbindet. Der schwächer gekrümmte Abschnitt 12 hat im we-Durch diese spezielle Ausbildung der Polfläche des sentlichen die Aufgabe, mit der schwächer gekrümmten Polschuhs wird der Luftspalt zwischen dem stärker ge- Fläche 10 des Magnetkernschenkels 7 in einem ersten krümmten Abschnitt des ersten Ankerarms und des Pol- Teil seines Hubes zusammenzuarbeiten, der mit dem schuhs verringert, so daß die in diesem Bereich auftre- 60 Zeitpunkt endet, an dem der stärker gekrümmte Abtende, das Lager entlastende Radialkraft besonders schnitt 14 (schraffiert dargestellt) in den Raum 20 einwirksam ist. tritt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfin- Zu diesem Zeitpunkt wird_ die magnetische Anzie-

dungsgemäßen Elektromagneten ist Gegenstand des hung, die durch eine starke Änderurg des Luftspaltes

Anspruchs 3. 65 bewirkt wird, durch einen magnetischen Anziehungsef- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispie- fekt ersetzt, der dem eines Tauchkerns vergleichbar ist,

len unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in und zwar während eines zweiten Teils des Hubes, der

dieser zeigt den stärker gekrümmten Abschnitt 14 im wesentlichen

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in die Mitte des Raums 20 bringt in den Raum 20 definiert und A ist ein Punkt in Nähe des Da dieser stärker gekrümmte Abschnitt 14 eine Pol- Endes des ersten Magnetkernschenkels 7 und damit

fläche 18 besitzt, die zur Bewegungsrichtung Fdes An- auch in Nähe der Kante, die die Aussparung für die

kers 2 im wesentlichen sich quer erstreckt, ist seine An- Spule abgrenzt. Der Krümmungsmittelpunkt C1 liegt

näherung an die Polfläche 19, die den Boden des Raums 5 somit auch in Nähe der Mittelsenkrechten des Segments 20 bildet und zwischen den Flächen 11 und 15 liegt, der A, B.

Anfang einer stark tangentialen magnetischen Anzie- Zahlreiche Versuche haben gezeigt, daß der gehung, die den dritten Teil des Hubes des Ankers be- wünschte Verlauf der Kraftkurve erreicht wird, wenn herrscht der Krümmungsradius der schwächer gekrümmten Flä-Die Entwicklung der tangentialen Anziehungskraft io ehe 10 zwischen dem l,3fachen und 2fachen des Wertes die mit der Kurve EV von F i g. 3 dargestellt ist, ent- des Abstands R des Punktes A von der Achse 0 ist spricht also der Aufeinanderfolge und der Vereinigung Wenn nämlich dieser Krümmungsradius zu gering ist der drei beschriebenen Anziehungsarten. äußert sich die Änderung des Luftspaltes in einem zu Wenn sich der Anker 2 in seiner vollständig angezo- hohen Wert der radialen Komponente in bezug auf die genen Stellung befindet stößt seine Polfiäche 18 an ei- 15 tangentiale Komponente. Wenn dagegen der KrOmner dünnen Messinglamelle an, die Remanenzerschei- mungsradius zu groß ist ist der Luftspalt zu groß und nungen verhindern soll, und der erste Ankerarm 8 ist die Erhöhung der magnetischen Verluste beeinträchtigt von der schwächer gekrümmten Fläche 10 nur durch den Wirkungsgrad.

einen geringen Luftspalt mit konstanter Stärke ge- Wenn der Ursprung des Krümmungsradius der trennt 20 schwächer gekrümmten Fläche 10 in dem Quadrant Qi In derselben Stellung hebt der Schenkel eines isolie- läge, würde der Luftspalt dazu neigen, während der renden Rechens 21, der an dem Anker befestigt ist das Drehung des Ankers 2 zuzunehmen. Ende 22 einer biegsamen Lamelle 23 an, die einen Kon- Dieser Effekt wurde jedoch für die Flächen U des takt 24 trägt der sich infolgedessen öffnet wenn die ersten Magnetkernschenkels 7 und 15 des Polschuhs 17 Spule 1 erregt ist 25 gewählt um einen quasi konstanten Verlauf der Anzie-Die oben beschriebene Anordnung läßt den Verlauf hungskraft zu erreichen, der der Drehung etwa zwider Kräfte des Ankers in Abhängigkeit seiner Bewegun- sehen 3° und 8° in F i g. 3 entspricht gen von einer gewissen Anzahl von voneinander unab- Der Krümmungsradius der stärker gekrümmten FIahängigen Parametern abhängen, deren Grenzen zu un- ehe 11, der bei C2 endet, wurde kleiner als der Krümtersuchen sind und deren Werte festzulegen sind, um 30 mungsradius der Polfläche 15 gewählt, der bei C3 endet, das beste Ergebnis zu erhalten, das hauptsächlich von so daß erreicht wird, daß die radiale Kraftkomponente, der Energie, die der Spule verliehen werden soll, und der die durch den Luftspalt zwischen dem stärker ge-Summe der Widerstandskräfte abhängt wenn der Eiek- krümmten Abschnitt 14 des Ankers 2 und der Polfiäche tromagnet zusätzliche Kontakte oder Vorrichtungen 15 des Polschuhs 17 erzeugt wird, den in der Achse 0 zur pneumatischen Verzögerung betätigen soll, deren 35 angeordneten Zapfen 4 entlastet Widersundskräfte bei verschiedenen Stellungen des Wegen der Notwendigkeit des Durchgangs des stär-Ankers auf treten. ker gekrümmten Abschnitts 14 in dem Raum 20 liegen Die Änderung der verschiedenen Luftspalte bei der die Mittelpunkte C3 und C2 der Krümmungsradien in Bewegung des Ankers hängt von der Stellung des Dreh- Nähe einer Geraden, die durch die Punkte 0 und B läuft punktes des Ankers, von den Krümmungsradien der ein- 40 Die Bedeutung, die der rein tangentialen Anziehung, ander gegenüberstehenden Flächen und von den Stel- die durch die Änderung des Luftspaltes zwischen den lungen der Krümmungsmittelpunkte dieser Flächen ab. Polflächen 18 und 19 erzeugt wird, beigemessen wird, F i g. 2, in der der Magnetkreis in seinem Ruhezustand hat dazu geführt, diesen Werte zu geben, die nahe bei dargestellt ist zeigt die Achse 0 des Ankers, die Achse dem Wert des Querschnitts des Fußes des ersten Ms-XV der Spule 1, eine Ebene PP¹, die zu XX' senkrecht 45 gnetkernschenkels 7 liegen. Wenn 5 der maximale ist und durch die Achse 0 läuft, und eine Ebene TT, die Querschnitt des ersten Ankeranns 8 ist der in die Spuparallel zu AX'durch die Achse 0 läuft lenöffnung 9 eintritt so ist vorteilhaft der Querschnitt Die Ebenen Pfund 7T'grenzen vier Quadranten Qi, Si des Fußes des ersten Magnetkernschenkels 7, die Qi, Qi und <?4 ab. Wenn Cl der Krümmungsmittelpunkt Fläche 52 der Polfläche 19 und der Querschnitt 53 des der schwächer gekrümmten Fläche 10 ist so kann er nur 50 Fußes des Polschuhs 17 jeweils im wesentlichen gleich in einem der Quadranten φ oder Qi liegen. Läge Cl einem Drittel des Querschnitts 5. nämlich in einem der Quadranten Q3 oder Qi, so wäre Der Flächenabschnitt des stärker gekrümmten Abdie Bewegung des Ankers bezüglich des Magnetkerns Schnitts 14 des ersten Ankerarms 8, der sich gegenüber mechanisch unmöglich. der stärker gekrümmten Fläche 11 befindet, besitzt ei- _ Wenn Cl im ersten Quadranten liegt, so findet eine 55 nen ähnlichen Verlauf wie diese. Um jedoch seine leich-Änderung des Luftspaltes zwischen der schwächer ge- te Einführung in den Raum 20 zu ermöglichen, mußte krümmten Räche 10 und dem beweglichen ersten An- man ihm einen größeren Krümmungsradius verleihen, kerarm 8 statt die sich in einer hohen tangentialen Kraft Die Achse 0 des Ankerlagers liegt in einer Ebene PP', Ft (d. h. in Richtung des Pfeils F) bezüglich der radialen die zur Achse XX' senkrecht ist und in Nähe des Zen-Kraft Fr (auf die Achse zu gerichtet) äußert (vgL insbe- 60 trums Ω der Spule 1 verläuft Dieses Merkmal ist nicht sondere Fig.4). willkürlich festgelegt da es mit sich bringt daß die AbWenn man andererseits erreichen will, daß die ma- messungen der Spulenöffnung 9 ein Verhältnis der Längnetischen Sättigungsbedingungen des Fußes des ersten ge zu dem Querschnitt besitzen, das für eine gegebene Magnetkernschenkels 7 mit denen des Fußes des Pol- Winkelbewegung des Ankers 2 optimal ist schühs 17 vergleichbar sind und daß die gesamte Länge es Zweckmäßigerweise wird der Elektromagnet nach des ersten Magnetkernschenkels 7 benutzt wird, muß der Erfindung bei Automatikrelais oder kleinen Kondie schwächer gekrümmte Fläche 10 durch die Punkte B taktgebern verwendet deren Kontaktzahl veränderlich und A laufen. B ist als ein Punkt in Nähe der Achse XX' ist und/oder einer Verzögerung unterliegt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

des in die Spulenöffnung (9) eintretenden ersten AnPatentansprüche: kerarms(8)isL

1. Elektromagnet, bestehend aus einer Spule und

einem festen, U-förmigen, mit einem ersten Magnet- 5
kernschenkel in eine Spulenöffnung eintauchenden

Magnetkern, einem zweiten Magnetkernschenkel, Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten, besteder außerhalb der Spule parallel zum ersten ange- hend aus einer Spule und einem festen, U-förmigen, mit ordnet ist, einer diese beiden Magnetkernschenkel einem ersten Magnetkernschenkel in eine Spulenöffverbindenden Basis, und einem im wesentlichen L- io nung eintauchenden Magnetkern, einem zweiten Maförmigen, mit dem ersten Ankerarm in die Spulen- gnetkernschenkel, der außerhalb der Spule parallel zum öffnung eintauchenden Anker, der mit seinem zwei- ersten angeordnet ist, einer diese beiden Magnetkernen Ankerarm um eine Achse schwenkbar am zwei- schenkel verbindenden Basis, und einem im wesentliten Magnelkernschenkel gelagert ist, wobei der in chen L-förmigen, mit dem ersten Ankerarm in die Spudie Spulenöffnung eintauchende erste Ankerarm 15 lenöffnung eintauchenden Anker, der mit seinem zwei- und der in die Spulenöffnung eintauchende erste ten Ankerarm um eine Achse schwenkbar am zweiten Magnetkernschenke] unter Ausbildung eines Luft- Magnetkernschenkel gelagert ist, wobei der in die Spuspaltes einander gegenüberliegend angeordnet sind lenöffnung eintauchende erste Ankerarm und der in die und wobei an den luftspaltbildenden Flächen des Spulenöffnung eintauchende erste Magnetkernschenke] ersten Ankerarms und des ersten Magnetkernschen- 20 unter Ausbildung eines Luftspaltes einander gegenüberkels jeweils ein stärker gekrümmter und ein schwä- liegend angeordnet sind und wobei an den luftspaltbilcher gekrümmter Abschnitt derart ausgebildet sind, denden Flächen des ersten Ankerarms und des ersten daß bei voll eingetauchtem Ankerarm gekrümmte Magnetkernschenkels jeweils ein stärker gekrümmter Flächenabschnitte mit im wesentlichen gleichem und ein schwächer gekrümmter Abschnitt derart ausge-Krümmungsradius des ersten Ankerarms und des 25 bildet sind, daß bei voll eingetauchtem Ankerarm geersten Magnetkernschenkels einander gegenüber- krümmte Flächenabschnitte mit im wesentlichen gleiliegen, dadurchgekennzeichnet, chem Krümmungsradius des ersten Ankerarms und des

ersten Magnetkernschenkels einander gegenüberliegen.

— daß die Achse (0) des Ankerlagers in einer Ein derartiger Elektromagnet ist beispielsweise aus Querebene (PP') angeordnet ist, die senkrecht 30 der DE-PS 4 69 313 bekannt Bei dieser Entgegenhalzur Spulenachse (XX') verläuft und diese im tung sind die luftspaltbildenden Flächen des ersten Ma-Bereich des Spulenzentrums (Ω) schneidet; gnetkernschenkels oder/und des ersten Ankerarms stu-

— daß der Krüinmungsmittelpunkt (Q) der fenförmig ausgebildet, so daß über den Eintauchwinkel schwächer gekrümmten Fläche (10) des ersten des Ankers ein stufenförmiger Verlauf der Zugkraft ent-Magnetkernschenkels (7) auf der dem zweiten 35 steht Die Achse des Ankers ist von der durch die Spu-Ankerarm (6) gegenüberliegenden Seite der lenachse laufenden Mittelebene und der zur Spulenach-Ebene (PP') und auf der der Spule (1) gegen- se orthogonalen Symmetrieebene der Spule entfernt
überliegenden Seite einer zur Spulenachse Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß sich das An- (XX') parallelen, durch die Achse (0) des Anker- zugsmomtnt über den Verdrehwinkel des Ankers beim lagers verlaufenden Ebene (TT') liegt; 40 Eintauchen in die Spule nur stufenweise verändert und

— daß dem stärker gekrümmten Abschnitt des er- daß auf dit Achse des Ankerlagers große Radialkräfte sten Magnetkernschenkels (7) in der Spulenöff- wirken, die die Lebensdauer und Funktionssicherheit nung (9) gegenüberliegend ein mit der Basis (13) des Magneten negativ beeinflussen.

verbundener Polschuh (17) vorgesehen ist, der Aus der US-PS 33 25 660 ist ein Elektromagnet mit zusammen mit dem ersten Magnetkernschenkel 45 einer Spule bekannt, die von einem Magnetkern umge-(7) und der Basis (13) einen Raum (20) zur Auf- ben ist, wobei der Magnetkern einen kürzeren und einahme des stärker gekrümmten Abschnitts (14) nen längeren Schenkel sowie einen diese Schenkel an des ersten Ankerarms (8) bildet, wobei die den einem ihrer jeweiligen Enden verbindenden Basis, die Raum (20) begrenzenden Flächen (11, 15, 19) parallel zur Spulenachse verläuft, aufweist. Die Endfläauf den stärker gekrümmten Abschnitt (14) des 50 ehe des der Basis gegenüberliegenden Endes des kürzeersten Ankerarms (8) wirkende Polflächen dar- ren Magnetkernschenkels ist gekrümmt. Ein im wesentstellen. liehen L-förmiger Anker greift mit seinem einen Arm in

die Spulenöffnung und besitzt eine derartige Kxüm-

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch ge- mung, daß er mit der Endfläche des kürzeren Magnetkennzeichnet, daß die Polfläche (15) des Polschuhs 55 kernschenkels einen Luftspalt bildet. Am Ende des anil 7) als gekrümmte Fläche ausgebildet ist, deren deren Armes ist der Anker schwenkbar an dem länge-Krümmungsmittelpunkt (C₃) ebenso wie der Krüm- ren Schenkel des Magnetkerns gelagert. Dabei ist die mungsmittelpunkt (C₂) des stärker gekrümmten Ab- Achse des Ankerlagers in einer Querebene angeordnet, Schnitts des ersten Magnetkernschenkels (7) auf ei- die senkrecht zur Spulenachse verläuft und diese im ner Geraden liegt, die die Achse (0) des Ankerlagers 60 Bereich des Spulenzentrums schneidet.

und den Raum (20) verbindet. Vom längeren Magnetkernschenkel greift ein Zwi-

3. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, da- schenteil, das eine Anschlagfläche für den in die Spulendurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (S 1) des öffnung eingreifenden Ankerarm besitzt, in die Spulenbasisseitigen Fußes des Magnetkernschenkels (7), öffnung ein und besitzt an der zur Ankerlagerung geder Querschnitt (S3) des basisseitigen Fußes des 65 wandten Seite der Spulenöffnung eine bis etwa zur Spu-Polschuhs (17) und die Fläche der diese voneinander lenmitte eingreifende Nase. Der in die Spulenöffnung trennenden Polfläche (19) im wesentlichen jeweils eingreifende Ankerarm besitzt eine Endfläche, die im gleich einem Drittel des maximalen Querschnitts (S) eingeschwenkten Zustand des Ankers mit der Anschlag-