DE2703788A1

DE2703788A1 - Polarisierter elektromagnetischer antrieb fuer einen begrenzten stellbereich

Info

Publication number: DE2703788A1
Application number: DE19772703788
Authority: DE
Inventors: Heinz Ing Grad Stahl; Harald Ing Grad Wagner
Original assignee: ELMEG Elektro Mechanik GmbH
Current assignee: ELMEG Elektro Mechanik GmbH
Priority date: 1977-01-29
Filing date: 1977-01-29
Publication date: 1978-08-03
Also published as: GB1587772A; DE2703788B2; IT7819750A0; IT1091825B; FR2379188B1; DE2703788C3; JPS5396410A; FR2379188A1

Description

Elektro-Mechanik GmbH 5961 Wendenerhütte

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27.1.1977 Ebert/mh

Polarisierter elektromagnetischer An trieb für einen begrenzten Stellbereich

Die Erfindung betrifft einen polarisierten, elektromagnetischen Antrieb vorzugsweise zur Betätigung eines Servo-Drehventils entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs

Unter einem polarisierten, elektromagnetischen Antrieb für den vorgenannten Zweck versteht man einen elektromechanischen Wandler, dessen Aufgabe darin besteht, elektrische Eingangssignale in Form von elektrischen

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Strömen in proportionale mechanische Ausgangsgrößen umzuwandeln , wie beispielsweise Drehmoment, Kraft« Drehwinkel oder Weg. Die als Steuermotore bekannten polarisierten elektromagnetischen Antriebe, auch. Torque-Kotoren genannt, dienen u.a. zur Ansteuerung von Servoventilen. Sie erfüllen ihre Aufgabe im allgemeinen nur im kleinen Drehwinkel-oder Vegbereich, beispielsweise im Drehwinkelbereich bis etwa 2 Grad, also im Bereich proportionaler Beziehung zwischen Ausgangsgröße zu Eingangsgröße. Bei größerem Drehwinkel als etwa 2 Grad ändert sich die Ausgangsgröße bezogen auf die Eingangsgroße systenbedingt exponentiell, so daß in diesem Bereich eine proportionale Beziehung zwischen Ein- und Ausgangsgröße nicht mehr besteht und daher dieser Bereich, der mehr als die Hälfte des geometrisch möglichen Bereiches ausmacht, üblicherweise nic'it ausgenutzt werden kann. Eine Vergrößerung des Drehwinkelbereiches über etwi 2 Grad, bei gleichzeitig proportionaler Beziehung zwischen Ein-und Ausgangsgröße und gleicher Kraft bzw. Drehmoment, läßt sich bei den bekannten elektromagnetischen Antriebseinrichtungen aber nur durch eine Vergrößerung des Gesamtvolumens erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Antriebseinrichtung zu schaffen, die einen erheblichen größeren Drehwinkelbereich bei gleichem Drehmoment und gleichem Gesamtvolumen besitzt und ein· proportional· Beziehung zwischen Eln-und Ausgangsgröße hat. Diese Aufgabe

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wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Anker und Dauermagnete, den Ankerpolen radial gegenüberliegend, die Feldeisenteile mit Vorsprüngen versehen sind derart, daß zwischen Anker und Feldeisenteilen große und kleine Luftspalte vorhanden sind, wobei die Kraftkomponenten der großen und der kleinen Luftspalte eine Gesamtkraft ergeben, deren Llnearitätsbereich größer ist als der Linearitätsbereich der einzelnen Kraftkomponenten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt der elektromagnetischen Antriebseinrichtung und Figur 2 einen Querschnitt der der Antriebseinrichtung zugehörigen Federzentrierung. Figur 3 zeigt ein Diagramm des Auslenkdrehmomentes bzw. Drehwinkels über den Steuerstrom.

In Figur 1 sind mit 1 die Dauermagnete bezeichnet, die von zwei Feldeisenteilen 2 teilweise umschlossen sind. Auf der Antriebswelle 3 befindet sich der Anker 4, der mit Dämpfungswindungen 5 versehen ist. Zwischen Anker 4 und Dauermagneten 1, den Ankerpolen radial gegenüberliegend, sind die Feldeisenteile 2 mit Vorsprüngen 13 versehen, so daß zwischen Anker und Feldeisenteilen 2 sowohl kleine Luftspalte 12 als auch große Luftspalte 11 vorhanden sind. Den Anker 4 in Querrichtung umschließend sind Steuerspulen 6 angeordnet. Die gemäß Figur 2 dargestellte Federzentrierung besteht aus

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Hebelarm 7, Federn 8, Federaufnnhmeteilen 9 und Nullpunkteinstellschraube 10.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung ist folgende.

Die beiden Dauermagnete 1 bewirken einen Magnetfluß χ «,^ in den großen Luftspalten 11 und einen Magnetfluß?«p in den kleinen Luftspalten 12. Fließt ein elektrischer Strom durch die Steuerspulen 6, so entsteh+· eine magnetische Durchflutung, die einen magnetischen Steuerfluß J¹ im Anker 4- bewirkt. Der magnetische Steuerfluß φ teilt sich auf die

großen Luftspalte 11 und die kleinen Luftspalte 12 entsprechend ihren magnetischen Widerständen auf und überlagert sich in den großen Luftspalten 11 dem Magnetfluß $> _M1 und in den kleinen Luftspalten 12 dem Magnetfluß χ m?· Als Ergebnis der Überlagerungen der Magnetflüsse entsteht eine Auslenkkraft am Anker 4 und damit ein Au3lenkdrehmoment, das den Anker 4 in eine Drehbewegung versetzt, bis das von der Federzentrierung von dem Hebelarm 7 und den Federn 8 aufgebrachte Gegendrehmoment im Betrag gleich groß, aber in Richtung dem Auslenkdrehmoment entgegengesetzt ist und dadurch den Anker 4 stillsetzt. Der Drehwinkel des Ankers 4 1st innerhalb des durch die Geometrie der Luftspalte 11 und 12 bestimmten Bereiches proportional der Größe und Richtung des durch die Steuerspulen 6 fließenden Stromes.

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Die Ajslenkkraftwirkung des Anker3 4 beruht in den großen Luftspalten 11 auf der Differenz der in Drehrichtung und ent!^op;en der Drehrichtung wirkenden Anziehungskräfte der £ich gegenüberliegenden und von den überlagerten Magnetflüssen durchsetzten Teile, nämlich Feldeisenteile 2 und Ank'?rpole 14, und in den kleinen Luftspalten 12 auf der Kraftwirkung zweier senkrecht aufeinanderstellender magnetischer Felder, im vorliegenden Fall der die kleinen Luftspalte 12 durchfließenden und in den Ankerpolen 14 querfließenden Magnotflüsse T m_P und dem senkrecht deraufstossenden stromrichtun^sabhängigen Steuerfluß ψ .

Der lineare Zusammenhang zwischen dem durch die Steuerspulen 6 fließenden Steuerstrom und der Auslenkkraft des Ankers 4 beruht auf der Addition der in gleiche Richtung wirkenden Kraftkomponenten der großen und kleinen Luftspalt e 11 und 12, wobei die Kraftkomponenten der großen und kleinen Luftspalte 11 und 12 im kleinen Auslenkberoich jeweils in einem linearen Verhältnis zu dem durch die Steuerspulen 6 fließenden Steuerstrom stehen, bei größeren Auslenkungen jedoch die Kraftkomponente der großen Luftspalte 11 exponentiell zunimmt, weil sich die Ankerpole 14 den Feldeisenteilen 2 in Drehrichtung nähern und damit die magnetischen Widerstände der großen Luftspalte 11 in Drehrichtung verkleinern und entgegen der Drehrichtung vergrößern, wodurch in den großen Luftspalten 11 in Drehrichtung die überlagerten Magnetflüsse zunehmen und sich

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Ankerpole 14 und Feldeisent«ile 2 entsprechend stärker anziehen und sich außerdem in den großen Luftspalten 11 entgegen der Drehrichtung durch Erhöhung der magnetischen Widerstünde und damit Reduzierung der überlagerten Magnetflüsse die Kraftwirkung verringert und somit die Steilheit des exponentiellen Kraftanstieg noch vergrößert wird. Die Kraftkomponente der kleinen Luftspalte 12 reduziert sich aber demgegenüber bei größeren Auslenkungen (Figur 3), weil sich die wirksamen magnetischen Widerstände der kleinen Luftspulto 12 durch Sättigungserscheinungen vergrößern und damit dia in den kleinen Luftspalten 12 wirksamen überlagerten Magnetflüsse verringert werden. Durch die gemeinsame Kraftwirkungen der großen und kleinen Luftspalte 11 und 12 ergibt sich ein wesentlich größerer linearer Auslenkbereich des Ankers 4 als der der einzelnen Kraftkomponenten (Figur 3).

Das Trägheitsmoment des Ankers 4 bildet zusammen mit der Federzentrierung ein Feder-Masse-System, das durch die auf dem Anker 4 befindlichen Dämpfungswindungen 5 ausreichend gedämpft wird. Eine ähnliche Dämpfungswirkung wird erzielt, wenn die Dämpfungswindungen 5 la dem Spulenraum der Feldeisenteile 2 angeordnet werden oder die Steuerspulen 6 selbst direkt oder über ein Impedanznetzwerk kurzgeschlossen werden. Mit Hilfe der Nullpunkteinstellsehrau« be 10 kann der Nullpunkt der Antriebeinrichtung verändert werden.

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Mit Hilfe der Bleche 15» die von den Dauermagneten 1 oränefc sind, und damit einen kleinen magnetischen Nebenschluß bilden, kann die Steilheit der Antriebseinrichtung, d.h. die Abhängigkeit des Anker-Drehwinkels vom Steuerstrom, verändert werden.

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Claims

Patentansprüche

olarisierter elektromagnetischer Antrieb vorzugsweise zur Betätigung eines Servo-Drehventils, bestehend aus zwei Dauermagneten, den die Dauermagnete teilweise umschließenden Feldeisenteilen, dem Anker mit Antriebswelle sowie Steuerspulen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anker (4) und Dauermagneten (1), den Ankerpolen (14) radial gegenüberliegend, die Feldeisenteile (2) mit Vorsprüngen (13) versehen sind derart, daß zwischen Anker und FeIieisenteilen große und kleine Luftspalte (11,12) vorhanden sind, wobei die Kraftkomponenten der großen und kleinen Luftspalte eine Gesamtkraft ergeben, deren Linearitätsbereich wesentlich größer ist, als der Linear!tatsbereich der einzelnen Kraftkomponenten.

2.) Polarisierter elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der Antriebseinrichtung Dämpfungswindungen (5) raf des Anker (4) angeordnet sind.

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5.) Polarisierter elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der Antriebseinrichtung Dämpfunerswindungen (5) im Spulenraum der Feldeisenteile (?) angeordnet sind.

4.) Polarisierter elektromahnetischer Antrieb nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der Antriebseinrichtung die Steuerspulen (6) direkt oder über ein Impedanznetzwerk kurzgeschlossen werden.

5.) Polarisierter elektromagnetischer Antrieb nach Ansprüchen 1 und 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Federzentrierung, bestehend aus Federn (8) und Hebelarm (7) zur Erzeugung des Gegendrehmomentea vorgesehen ist.

6.) Polarisierter elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 5»

dadurch gekennzeichnet, daß die Federzentrierung mit einer Schraube (10) zur Einstellung des Nullpunktes versehen ist.

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7·) Polarisierter elektromagnetischer Antrieb nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Bleche (I5) die Steilheit des Antriebs verändert werden kann.

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