DE2636985B2 - Tauchankermagnet, sowie dessen Verwendung in einem Drahtmatrixdrucker - Google Patents

Description

Tauchankermagnete, deren Tauchanker sich innerhalb einer Spule in Abhängigkeit von deren Erregung und Entregung hin- und herbewegt, werden beispielsweise in Matrixdruckern verwendet, um einen an dem Tauchanker befestigten Druckdraht zum Abdruck eines Punktelementes gegen einen Aufzeichnungsträger zu bewegen. Zum Abdruck eines aus einzelnen Punktelementen bestehenden Zeichens wird in der Regel eine Gruppe solcher Druckdrähte verwendet, denen jeweils ein eigener Betätigungsmagnet zugeordnet ist. Ein solcher Tauchankermagnet, dessen Tauchanker mit einem Druckdraht fest verbunden ist, ist beispielsweise in der US-PS 37 87 791 beschrieben. Der im wesentlichen zylinderförmig ausgebildete Tauchanker schließt mit den feststehenden Teilen des Magnetflußpfades zwei Luftspalte ein, von denen der eine zwischen der inneren planen Stirnfläche des Tauchankers und einer entsprechenden planen Fläche des feststehenden Teils senkrecht zur Bewegungsrichtung des Tauchankers ausgebildet ist und den eigentlichen aktiven Luftspalt darstellt, während der andere koaxial zwischen der Mantelfläche des Tauchankers und der inneren Mantelfläche einer konzentrischen öffnung eines kreisförmigen Polstückes ausgebildet ist. Demzufolge kann dieser Luftspalt keinen Beitrag zur Beschleunigung des Tauchankers leisten. Der Tauchanker dieses Druckdraht-Betätigungsmagneten weist noch eine rückwärtige Verlängerung mit einem flanschförmigen Ansatz zum Zusammenwirken mit der scheibenförmigen Rückholfeder auf.

Aus der DE-OS 14 64 526 ist ein elektromagnetisch betätigtes Ventil bekannt, bei dem das Ventilglied durch den Tauchanker des Elektromagneten gebildet wird. Der Tauchanker besitzt einen im wesentlichen 1 -förmigen Längsschnitt und die vorderen und hinteren, den beiden Luftspalten zugewandten Flächen sowie die entsprechenden Gegenflächen der feststehenden Magnetflußteile sind jeweils konisch ausgebildet, wodurch die auf den Tauchankern wirkende Magnetkraft wesentlich erhöht wird. In der DE-PS 3 89 930 ist ferner ein Elektromagnet beschrieben, der während des Hubes veränderliche Kräfte ausüben soll. Dieser Elektromagnet besitzt zwei in Betätigungsrichtung des Ankers versetzt angeordnete elektromangetische Wicklungen mit unterschiedlichen Durchmessern. Der nach Art eines Tauchankers wirkende Anker ist stufenförmig ausgebildet, wobei an den Stufen jeweils konische Flächen vorgesehen sind, welche mit entsprechenden konischen Flächen des feststehenden Magnetsystems zusammenwirken. Diese konischen Flächen definieren jedoch lediglich den ersten Luftspalt für die beiden voneinander unabhängig arbeitenden Magnetspulen, während der jeweils zweite Luftspalt koaxial verläuft und so keinen Kräftebeitrag leisten kann.

Schließlich ist in der US-PS 33 78 732 ein weiteres Magnetventil beschrieben, bei dem das nach Art eines Tauchankers ausgebildete Ventilglied einen ringförmigen Flansch aufweist. Dieser Flansch wird im nicht erregten Zustand des Elektromagneten durch eine zwischen diesem Flansch und dem Spulenkörper des Elektromagneten angeordnete kegelförmige Schraubenfeder gegen den Ventilsitz gedrückt. Konisch ausgebildete Luftspaitflächen sind bei diesem bekannten Tauchankermagneten nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Tauchankermagnet der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art sicherzustellen, daß der größte Teil des magnetischen Flusses im zweiten ringförmigen Luftspalt zwischen der konischen Abschrägung des außerhalb der Spule liegenden flanschförmigen Teils des Tauchankers und der benachbarten, auf diese passenden konischen Ausnehmung des nach innen gerichteten flanschförmigen Teils der Flußführungsmittel verläuft, und nur ein möglichst geringer Magnetflußanteil zwischen keinen Beitrag zur Bewegungskraftkomponente leistenden Teilen des Magnetflußpfades entsteht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung gelöst.

Durch den gemäß der Erfindung ausgestalteten Tauchankermagnet ergibt sich der Vorteil, daß praktisch der gesamte Magnetfluß zur Umsetzung in die gewünschte Bewegungskraftkomponente genutzt werden kann, was insbesondere bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Tauchankermagneten als Antriebsmittel für den Druckdraht eines Drahtmatrixdruckers von großer Bedeutung ist, da zur Erzielung hoher Druckgeschwindigkeiten eine hohe Beschleunigung bzw. eine kurze Zykluszeit der Druckdrähte gefordert wird, ohne daß ein übermäßig hoher Erregungsstrom benötigt wird, welcher zu einer starken Erwärmung führen würde. Ein weiterer Vorteil des gemäß der Erfindung ausgestalteten Tauchankermagneten besteht darin, daß Raum für eine kegelförmige Rückstellfeder geschaffen wird. Dadurch erübrigen sich auch spezielle Vorkehrungen am Tauchanker zum Befestigen der

Rückholfeder, wie dies beispielsweise bei dem in der oben bereits erwähnten US-PS 37 87 791 beschriebenen Tauchankermagnet der Fall ist, wo der Tauchanker einen eine zusätzlich zu beschleunigende Masse darstellenden Ansatz zum Befestigen der Rückholfeder erfordert

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Tauchankermanget gemäß der Erfindung, welcher mit einem Druckdraht für einerr Matrixdrucker verbunden ist; und

Fig.2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, jedoch mit einer Abwandlung gegenüber der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform.

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeisbeispiel des erfinuungsgemäßen Tauchankermagneten als Betätigungsmagnet für einen Matrixdruckdraht dargestellt, wobei die gekrümmten Pfeile den Verlauf des Magnetflußpfades andeuten. Ein äußeres Gehäuse 102, ein feststehendes Kemteil 104 und ein bewegbarer Tauchanker 106 bilden zusammen mit zwei Luftspalten 170 und 175 den magnetischen Hauptflußpfad, wobei das Gehäuse 102. das Kernteil 104 und der Tauchanker 106 aus Weicheisen bestehen. Das Gehäuse 102 weist einen nach innen gerichteten ringförmigen Teil 158 auf. welcher einen Teil des Magnetflußpfades bildet. Der innere Umfang des Teiles 158 definiert eine ringförmige öffnung, durch welche sich der Tauchanker 106 erstreckt, wobei ein Teil des inneren Umfangs, d. h. der jo nach innen gerichteten Fläche des Teils 158 als konische Fläche 108 ausgebildet ist. Der Tauchanker 106 ist mit einem Flansch 112 ausgestattet, welcher ebenfalls eine konische Fläche 114 besitzt, die mit der konischen Fläche 108 unter Bildung des ringförmigen Luftspaltes 175 zusammenwirkt, wobei der Flansch 112 außerdem als Auflagefläche für die die Rückbewegungskraft für den Tauchanker liefernde Feder 126 dient. Das vordere Ende des Tauchankers 106 (dies ist das rechte Ende in Fig. 1) besitzt ebenfalls eine konische Fläche 124, welche einer weiteren an diese angepaßten konischen Fläche 122 des festehenden Kernteils 104 gegenüberliegt, um den Luftspalt 170 zu bilden. Der Kernteil 104 wurde mit seinem rechten Ende, d. h. mittels seiner Fläche 116, auf das Gehäuse 102 aufgepreßt, nachdem eine Spule 118 mit einer darauf befindlichen Wicklung 120 in das Gehäuse eingeschoben wurde. Der Kernteil 104 erstreckt sich in die Wicklung 120 hinein, um den Magnetflußpfad bis zu dem Luftspalt 170 zu bilden.

Wird die Wicklung 120 erregt, dann wird der Tauchanker 106 und der an diesem befestigte Druckdraht 132 durch den in dem oben definierten magnetischen Flußpfad erzeugten Magnetflrß in Vorwärtsrichtung (d. h. in der Darstellung gemäß F i g. 1 nach rechts) angetrieben, so daß die Luftspalte 170 und 175 geschlossen werden. Nach Entregen der Wicklung 120 werden der Tauchanker 106 und der Druckdraht 132 durch die Feder 126 in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt. Es sei darauf hingewiesen, daß die konischen Flächen 108 und 114 zu der Achse 110 der Spule 120 hin in Richtung der Bewegung des Tauchankers 106 beim Erregen der Spule geneigt sind.

Die Tauchanker-Rückholfeder 126 ist in Fig. 1 als Kegelfeder dargestellt, während sie in dem in F i g. 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel als zylindrische b5 Schraubenfeder ausgebildet ist. Die Feder 126 besteht vorzugsweise aus nichtmagnetischem Federdraht, wie beispielsweise Beryllium-Kupfer, mit ausreichender Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung und einer geringen Anzahl von Windungen, um eine hohe Resonanzfrequenz, vorzugsweise größer als 3000 Hz, zu erreichen, wodurch hohe Geschwindigkeiten des Tauchankers erzielt werden, ohne daß es zu Federschwingungen kommt Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Feder 126 aus vier Windungen.

Der Bereich der konischen Fläche 114, durch welchen der magnetische Fluß verläuft, ist größer als die Querschnittsfläche des Hauptkörpers des Tauchankers 106, so daß der Flansch 112 des Tauchankers 106 keine Einengung des magnetischen Flußpfades mit sich bringt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Luftspalt 175 ein wirksamer Luftspalt ist, da der durch diesen verlaufende magnetische Fluß eine parallel zu der Achse des Tauchankers 106 verlaufende Komponente enthält und dadurch beim Erregen der Spule dazu beiträgt, daß der Tauchanker nach rechts bewegt wird. Der Luftspalt 170 ist ebenfalls ein wirksamer Luftspalt. Die konische oder kegelförmige Ausgestaltung der einander gegenüberliegenden Flächen des Luftspaltes 170 dient dazu, den magnetischen Widerstand dieses Luftspalts für einen gegebenen maximal vorhandenen Hub des Tauchankers zu vermindern, was sehr erwünscht ist, da dadurch die zur Erzeugung eines besimmten Magnetflusses innerhalb des Magnetflußpfades erforderliche magnetische Spannung (Ampere-Windungen) verringert wird. Wird beipielsweise ein Winkel α (Fig. 1) von 30° für die Tauchankerfläche 124 in bezug auf eine senkrecht zu der Achse 110 der Spule 120 verlaufende Ebene gewählt, dann ergibt sich eine Verminderung des magnetischen Widerstandes an dem Luftspalt 170 von etwa 36% gegenüber dem magnetischen Widerstand, welcher vorhanden wäre, wenn der Winkel α 0° betragen würde, d. h. gegenüber dem Fall, wenn die den Luftspalt 170 definierenden Flächen senkrecht zu der Achse der Spule 120 verlaufen würden.

Die Innenfläche des ringförmigen Teils 158 des Gehäuses 102 besitzt eine weitere konische Fläche 128, weiche dem Hauptkörper des Tauchankers gegenüberliegt. Diese konische Fläche 128 ist so geneigt, daß sie sich von dem Körper des Tauchankers entfernt, um zu vermeiden, daß ein wesentlicher Betrag des magnetischen Flusses über die Fläche 128 zum Körper des Tauchankers fließt und um außerdem Raum für die Rückstellfeder 126 zu schaffen. Da die nichtmagnetische Feder 126 keinen Streufluß leitet, wird durch diese Anordnung eine maximale Flußdichte innerhalb des Luftspalts 175 erreicht.

Annähernd die gesamte Tauchankermasse wird für den magnetischen Flußpfad ausgenutzt und kein Teil des Tauchankers 106 wird zu anderen Zwecken (d. h. zu Zwecken, die nicht die Erzeugung der magnetischen Kraft unterstützen), wie beispielsweise Federbefestigungsmittel, verwendet, wodurch nur zusätzliche Masse zu bewegen wäre und dadurch die Beschleunigung des Tauchankers verringert würde. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Tauchankers 106 unterscheidet sich diesbezüglich sehr wesentlich von bekannten Tauchankern, wie beispielsweise dem Tauchanker des in der US-PS 37 87 791 beschriebenen Tauchankermagneten, bei dem ein wesentlicher Teil des Tauchankers sich aub>:rhalb des magnetischen Flußpfades erstreckt und zur Federbefestigung dient.

Der Tauchanker 106 enthält eine zentrale Bohrung, durch die sich der Druckdraht 132 erstreckt und mittels eines Epoxy-Klebers mit dem Tauchanker 106 fest verbunden ist. Ais Epoxy-Kleber wird vorzugsweise ein

halbflexibler Einkomponentenepoxy-Kleber für hohe Temperaturen verwendet, welcher eine ausreichende Scherfestigkeit aufweist, um der bei Druckern dieser Art auftretenden häufigen Schlagbeanspruchung standzuhalten. Das oben beschriebene Verfahren zum Befestigen des Druckdrahtes 132 an dem Tauchanker 106 beeinträchtigt die magnetischen Eigenschaften desselben nicht. Dieses Befestigungsverfahren unterscheidet sich somit von bekannten mechanischen Befestigungsverfahren, bei denen der Tauchanker durch mechanische Deformation mit dem Druckdraht verbunden wird, wodurch aber eine Beeinträchtigung des magnetischen Flußpfades erfolgt

An der geschlossenen Seite des Gehäuses 102 befindet sich eine Abschiußkappe 134, welche mittels eines Federrings 136 festgehalten wird. Dieser Federring 136 greift in eine ringförmige Nut 140 ein, welche sich in der Innenfläche einer hinteren zylindrischen Verlängerung des Gehäuses 102 befindet. Die Nut 136 besitzt eine hintere Abschrägung 138, gegen die der Federring 136 drückt. Es ist von großer Bedeutung, daß diese Endkappe in der beschriebenen Weise sicher in der dargestellten Stellung gehalten wird, da ansonsten, d. h. wenn die Endkappe 134 nicht in bezug auf das Gehäuse 102 sicher befestigt wäre, die Ausgangsstellung des Tauchankers an der Fläche 142 variieren könnte, wodurch sich wiederum die Breite der Luftspalte 170 und 175 in der Ausgangsstellung verändern würde, was Unregelmäßigkeiten bei der Betätigung des Tauchankermagneten bei hohen Geschwindigkeiten zur Folge haben würde.

Die Lagerung der aus dem Tauchanker 106 und Druckdraht 132 bestehenden Eüinheit wird erreicht durch eine öffnung 130 im hinteren Teil der Endkappe 134 und durch ein Lagerteil 144, welches in eine Bohrung 146 des Kernteils 104 eingepreßt ist. Ausgehend von dem Tauchanker 106 verläuft der Druckdraht K'2 zunächst durch eine Durchstecköffnung 148 innerhalb des Kernteiles 104 und anschließend durch das Lagerteil 144. Die Endkappe 134 und das vordere Lagerteil 144 bestehen vorzugsweise aus einem Kunststoff, wie beispielsweise mit Teflon gefüllten Acetal (hergestellt von E. I. duPont deNemours and Co, Inc. unter dem Handelsname^ Delrin AF), welcher einen geringen Reibungskoeffizienten und eine hohe Lebensdauer besitzt. Da die innere Oberfläche 142 der Endkappe 134 als Anschlag für den Tauchanker 106 bei seiner Rückwärtsbewegung dient, soll die Endkappe ebenfalls aus einem Material bestehen, welches bei den wiederholten Aufschlägen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen kalten Fluß aufweist. Das vordere Lagerglied 144 ist stufenförmig ausgebildet, d. h. es besitzt einen Teil mit einem größeren Durchmesser und einen Teil mit einem kleineren Durchmesser. Der Teil mit dem größeren Durchmesser ist, wie bereits beschrieben, im Preßsitz mit dem Kernteil 104 verbunden, während der Teil mit dem kleineren Durchmesser zur Führung Jes Druckdrahtes dient und frei von äußerem Druck is;. In dem Teil des Lagerteils 144, welches den größeren Durchmesser aufweist, ist auch eine Bohrung 150 mit größerem Durchmesser vorgesehen, welche dazu dienen kann, eine Hülse aufzunehmen, welche als weitere Führung für den Druckdraht oder als Halterung in dem Matrixdruckkopf dienen kann.

Der Spulenkörper 118 kann aus glasfaserverstärkem Nylon gegossen sein und die darauf aufgebrachte Wicklung kann beispielsweise 450 Windungen aus Kupferdraht AWG Nr. 32 besitzen. Der Spulenkörper kann so ausgebildet sein, daß er als Gegenlager für die Rückstellfeder 126 dient, wie dies durch die Fläche 154 in Fi g. 1 dargestellt ist. Die Anschlußleitungen 152 der Spule 120 verlaufen durch eine öffnung in dem Gehäuse 102, um sie mit nichtgezeigten äußeren Treiberschaltungen zu verbinden, welche im Betrieb die erforderlichen Erregungsimpulse für den Druckvorgang liefern.

Der Spulenkörper 118 wird innerhalb des Gehäuses durch eine gekrümmte Tellerfeder 156 in seiner Stellung

ίο festgehalten. Diese Tellerfeder 156 liegt am vorderen Ende des Spulenkörpers 118 und ist zwischen diesem und dem Kernteii 104 eingepreßt. Die Tellerfeder ist außerdem so angeordnet, daß sie ihre Andruckkraft in der Nähe des Zentrums des Spulenkörpers und nicht auf den äußeren Wicklungsbereich desselben ausübt, um den auf die Wicklung ausgeübten Druck so gering wie möglich zu halten.

In einem Matrixdruckkopf werden selbstverständlich mehrere der beschriebenen Tauchankermagneten benötigt. Um beispielsweise Zeichen in einer 5x7 Punkt-Matrix zu drucken, werden in dem Druckkopf sieben Druckdrähte benötigt. Jeder der hierzu erforderlichen Tauchankermagnete ist an einem Trägerelement des Druckkopfes befestigt, beispielsweise durch Einschieben des nach vorn gerichteten zylindrischen Teils 160 des Kemteils 104 (Fig. 1) in entsprechende öffnungen eines nichtgezeigten Trägergliedes, wo sie beispielsweise durch eine Federscheibe oder andere nichtgezeigte Befestigungsmittel, welche in eine zu diesem Zweck an der vorderen Verlängerung 16Ci des Kernteils 104 vorgesehene ringförmige Nut 1162 einrasten, festgehalten werden.

In dem anhand der Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α (dies ist der Winkel, welchen die konischen Flächen 108,114,122 und 124 mit einer senkrecht zu der Achse 110 der Spule 1120 verlaufenden Ebene einschließen) 30°, und zwar für beide Luftspalte 170 und 175; und der Tauchanker besitzt ein Gewicht von nur 0,29 g im Vergleich zu einem Gewicht von 0,46 g bei der oben erläuterten bekannten Vorrichtung. Es hat sich gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform eine 29% ige Steigerung der Spitzenbeschleunigung erreicht werden kann bei gleichzeitiger Verminderung der Ampere-

αϊ Windungszahl um 21%. Dies führt wiederum zu einer kleineren Spulenform mit einer geringeren Anzahl von Windungen mit einem geringeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu der erwähnten bekannten Einrichtung.

so Es sei auch darauf hingewiesen, daß ein Winkel α von 30° für die Luftspalte 170 und 175 nicht unbedingt zur Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile erforderlich ist. Es hat sich gezeigt, daß für die beiden Luftspalte der Winkel « vorzugsweise innerhalb sines Bereichs von 20° bis 35° liegen soll, um ein Optimum zwischen einem erwünschten niedrigen magnetischen Widerstand und einer erforderlichen hohen Tauchanker-Beschleunigungskraft zu erreichen. Eine typische Tauchanker-Zykluszeit beträgt weniger als 035 Millisekunden bei einem Arbeitshub von 038 mm und einer Leistungsaufnahme von 0,011 Wsec.

In Fig.2 ist eine andere AusfOhrungsform der Erfindung dargestellt, bei der statt der Kegelfeder gemäß F i g. 1 eine zylinderförmige Schraubenfeder 202 verwendet wird, welche den Vorteil aufweist, daß beim Zusammenbau nicht auf eine spezielle Orientierung der Feder geachtet zu werden braucht
Die einzigen hierzu erforderlichen Änderungen

bestehen in einem etwas verkürzten Polstück 204 des Gehäuses, einer größeren Ausnehmung in dem Spulenkörper 206 und einer zusätzlichen Schulter 208 an dem Tauchanker 210, um der Feder genügend Spielraum für die Tauchankerbewegung zu verleihen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Tauchankermagnet bestehend aus einer Spule (118), einem teilweise in diese Spule hineinragenden Tauchanker (106), welcher beim Erregen der Spule aus einer ersten in eine zweite Stellung und beim Entregen wieder zurück in die erste Stellung bewegt werden kann, und aus Flußführungsmitteln (102,104, 158), welche zusammen mit dem Tauchanker einen Magnetflußpfad für das durch die Spule erzeugte Magnetfeld bilden, wobei in der ersten Stellung des Tauchankers ein erster Luftspalt (170) zwischen dem innerhalb der Spule liegenden konischen Ende (124) des Tauchankers (106) und einer benachbarten, auf dieses passenden konischen Ausnehmung (Ϊ22) der Flußführungsmittel (104) und ein zweiter, ringförmiger Luftspalt (175) zwischen einer konischen Abschrägung (114) eines außerhalb der Spule (118) liegenden flanschförmigen Teils (112) des Tauchankers und einer benachbarten, auf diese passenden konischen Ausnehmung (108) eines nach innen gerichteten flanschförmigen Teils (158) der Flußführungsmittel vorhanden ist, wobei die konischen Flächen (108, 114, 122, 124) in der Richtung der Bewegung des Tauchankers beim Erregen der Spule zur Spulenachse hin verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Mantelfläche des flanschförmigen Teils (158) der Flußführungsmittel eine zweite konische Ausnehmung (128) aufweist, die in der Richtung der Bewegung des Tauchankers beim Erregen der Spule von der Spulenachse weg verläuft.

2. Verwendung des Tauchankermagneten nach Anspruch 1 als Antriebsmittel eines Druckdrahtes in einem Drahtmatrixdrucker.