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Drehmomentbildendes Antriebssystem
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Die Erfindung betrifft ein drehmomentbildendes Antriebssystem, insbesondere
Stellmotor zum Zeigerantrieb, mit einer stromdurchflossenen Spule und einem zugeordneten
Permanentmagnetsystem.
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Drehmomenterzeugende Stellmotore für beliebige Anwendungszwecke, beispielsweise
zum Nullabgleich innerhalb eines Kompensationskreis als Servomotor, sind bekannt;
solche Elektromotoren wirken als integrierende Endbausteine inncrhalb geschlossener
Regelschleifen und können als Schrittmotore, Asynchronmotore oder ähnliche Systeme
ausgebildet sein. Nachteilig bei den bisher bekannten Stellmotorsystenen ist der
kom»lizierte, einen erheblichen Wicklungsaufwand zusammen mit laminierten Eisenpaketen
erfordernde Aufbau.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein insbesondere für
einfache Anwendungszwecke geeignetes, drehmomentbildendes Antriebsystem zu schaffen,
welches nur einen verhältnismißig geringen, bautechniscllen Aufwand erfordert, zuver
läss ig arbeitet und mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs
genannten drehmomentbildenden Antriebsystem und bestellt erfindungsgemäß tlarin,
daß zwei im wesentlichen gleiche, aufeinanderlegbare Halbschalen mit einer mittleren
Öffnung vorgesehen sind, di( eine toroidförmige Spule aufnehmen, daß von dem Halbschalen
einander gegenüberliegende, Poflächen bildende Vorsprünge ausgehen und daß ein in
einer gegebenen Richtung magnetisierter Drohmagnet zentrisch im Polflächenbereich
angeordnet ist.
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Ein solches Antriebssystem, welches sich insbesondere als Stellmotor
fir einen Zeigerantrieb, beispielsweise bei einem mit einem Ellipsenlenker arbeitenden
Zeigergeradeführungsmechanismus eiqnet, hat den Vorteil, las es aus nur wenigen
linzelteilen mit sehr geringein Wicklungsaufwand herstellbar ist, nur einen verhältnismäßig
geringen Eisenaufwand erfordert, praktisch voll qekanselt werden kann un?. ein für
übliche Anwendungszwecke ausreichendes, kraftvolles Drehmoment erzeugt.
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Tn einer vorteilhaften Ausgestaltung vorliegender Erfindung wird lediglich
eine einzige toroidförmige Erregerspule in einfaclier flacher Form benötigt, die
ringförmig in die aufeinandergelegten Halbschalen eingelegt ist und die ein für
die Bewegung des Motors ausreichendes Luftspaltfeld erzeugt.
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na der Rotor in einer bevorzugten Ausgestaltung lediglich aus
einem
zylindrischen, diametral magnetisierten Drehmagneten besteht, sind keine Schleifkontakte
und keine beweglichen Stromzuführungen erforderlich, so daß sich ein solches Antriebssystem
praktisch nicht abnutzt und eine lange Betriebsdaser garantier.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausqestaltung läßt sich der Rotor
innerhall> der beiden Halbschalen ohne jedes axiale spiel durch die Einwirkung
einer magnetischen Haltekraft lagern, und zwar dadurch, daß unterhalb des zylindrischen
Drehmagnetrotors ein scheibenförmiger Nebenschluß angeordnet ist, der eine den Rotor
in eine axiale Richtung vorspannende Axialkraft erzeugt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindunq sind Gegenstand er Unteransprüche
und in diesen niedergelegt.
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In folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
vorliegender Erfindung anhand der Zeichnung im erzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen
Antriebssystems und Fig. 2 ebenfalls in perspektivischer Darstellung eine der für
das Antriebssystem verwendeten Halbschalen.
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Die Darstellung der Fig. 1 zeigt das erfindungsgemüße Antriebssystem,
welches in folgenden ausschließlich noch als Stellmotor 1 bezeichnet wird, im zusammenqebauten
Zustand. Die Haupbestandteile des Stellmotors sind zwei Halbschalen 2a und 21>,
die in 1>evorzugter Ausgestaltung identisch ausvebildet sein können, so daß sich
hicrdurch der Arbeits-- und Kostenaufwand für das Gerät verringert, eine in den
gebildeten Hohlraum zwischen den beiden aufeinandergelegten Halbschalen 2a und 2b
eingelegte toroidförmige Erregerspule 3 sowie ein
zentrisches Rotorsystem
4.
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Die bevorzugte Ausbildung der beiden llalbschalen ist in Fig. 2 dargestellt;
jede Halbschale verfügt über eine Grundplatte 5, die außen von einem umlaufenden,
zur Grundplatte 5 senkrechten Rand 6 umgeben ist. nie llöhe dieses Randes 6 ist
so bemessen, daß sich bei mit ihren Rändern aufeinandergelegten lialbschalen hierdurch
die Bauhöhe des aus den beiden Halbschalen gebildeten Halbschalenkäfigs bestimmt.
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Jede llalbschale verfiigt über eine zentrale öffnung 7, an deren einen
Seite vorzugsweise einstückig eine sich zur peripheren Umrandung 6 parallel erstreckende
wandfläche 8 angefornt ist, die halbkreisförmig ausgebildet ist und eine Polfläche
bildet.
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Die Höhe der Polfläche 3 ist etwa doppelt so groß wie die höhe des
äußeren Randes 6. GegenViber der Polfläche 8 schließt sich jedoch die öffnung 7
nicht entlang der strichpunktierten, lediqlich zum besseren Verständnis angegebenen,
kreisförmigen Linienführung 9, sondern erweitert sich darüber hinausgehend etwa
halbmondförmig zu einen größeren Ausschnitt 10, dessen Rand 11 in einem vorgegebenen
Abstand A zum Rand der Grundplatte 5 verläuft. dieser größere Ausschnitt 10 gegenüberliegend
der Polfläche 8 ist aus elektromagnetischen Gründen erforderlich; hierauf wird weitcr
unten noch eingegangen.
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Legt man die beiden benötigten Halbschalen entsprechend der Darstellung
der Fig. 2 so aufeinander, daß sich die Außenränder 6 berühren, dann kommcn, wie
die Darstellung der Fig. 1 zeigt, die jeweiliqcn Polflächen 8 einander gegenüberliegend,
jedoch ohne sich zu berühren, so zu liegen, daß sich ein innerer zylinderförmiger
hohlraum 12 ergibt. Dabei erstreckt sich jede Polfläche 8 etwa längs der Linie 9
in die Ausnehmung 10 der jeweils anderen ilalbschale, berührt diese jedoch nicht,
da
die Polfläche 8 nicht ganz einen llalbkreis bildet.
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In den von den beiden halbschalen gebildeten, äußeren umlaufenden
Ringraum 13 wird die Erregerspule 3 eingelegt, die in einfacher flacher Form als
Torus gewickelt ist.
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Vervollstandigt wird das Antriebssystem dann durch die Rotoranordnung,
die in Form eines im mittleren, von den Polflächen 8 gebildeten Raums 12 drehbar
gelaqerten Magneten 14 ausgebildet ist. Dieser Drehmagnet 14 ist von zvlindrischer
Form und paßt daher unter Bildung eines allseitigen Abstands gegenüber den Polflächen
8 in den Mittelraum 14; der Drehmagnet ist diametral magnetisch in einer bestimmten
Vorzugrichtung magnetisiert, so daß sich, wie in Fig. 1 angegeben, an den Außenflächen
des Drehmagnets ein Nordpol (N) und ein Südpol (S) ausbilden. Die Lagerung des Drehmagneten
14 erfolgt mittels einer Drehachse 15, an welcher ein Stellhebel 16 zur heliebigen
Verwendung, beispielsweise zum Antrieh eines Zeigers oder eines Zeigergeradeführungssystems
angeordnet ist. Die Lagerung für den Drehmagneten wird vervollständigt durch einen
oberen Lagerstein 17 und einen unteren Lagerstein 18. Die Lagersteine können in
geeigneter Weise in einem die beiden aufeinander gelegten llalbschalen umgehenden
und in der Darstellung der Fig. 1 bei 19 angedeuteten Gehäuse gehalten sein, welches
auch die llalbschalen in der einmal gewählten Position festhält. Zur Erzielung einer
gewünschten Positionierung jeweils der beiden Halbschalen zueinander und der Iialbschalen
innerhalb dem Gehäuses 19 können an einander zugewandten Flächen Ausnehmungen 20
(siehe Fiq. 2) vorqesehen sein, in welche nasenartige Vorsprünge am anderen Teil
eingreifen.
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Zum besseren Verständnis wird im folgenden noch kurz auf die s1irkungsweise
eines solchen, sehr einfachen Antriebssystems
für Meßwertanzeiger
u. dgl. eingegangen.
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Die Ringspule 3 entwickelt ohne die heiden weichmagnetischen, also
aus ferromagnetisch weichem Material bestehenden Halhschalen ein Magnetfeld, welches
in ihrem Innenraum, also dort, wo der Magnet 14 drehbar gelagert ist, im wesentlichen
parallel zur Achse verläuft. Ein solches axiales Magnetdfeld würde kein Drehmoment
erzeugen mit dem diametral magnetisierten Dauermagneten 14, wie ohne weiteres einzusehen
ist.
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Es ist nun die Aufgabe der beiden weichmagnetischen Halbschalen, den
magnetischen Fluß so umzulenken, daß dieser - wenigstens zum Teil - von der Polfläche
R durch die heiden Luftspalte 12 und den den Rotor bildenden Drehmagneten 14 zur
gegenüberliegenden Polfläche 8' verläuft, oder umgekehrt, falls der Erregerstrom
auch entgegengesetzte Richtung hätte.
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Dies hängt von der polarität des die Pinqsnule 3 speisenden Gleichstroms
ab. Im Bereich des nrehmagneten 14 fließen die von der Spule 3 verursachten magnetischen
Kraftlinien dann in derselben Ebene wie die (inneren und äußeren) Kraftlinien des
aus hartmagnetischem Material bestehenden Drehmagneten 14. Deshalb entsteht ein
Drehmoment, denn der Rotor hat die Tendenz, jene Winkelstellung einzunehmen, die
fiir sein SiuReres Magnetfeld insgesamt den geri ngsten Widerstand ergiht.
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Die erwähnte Umleitung der durch die Ringspule 3 erzeugten Kraftlinien
wird unter anderem erreicht durch den Ausschnitt 10 jeder komplementär unsvmmetrisch
ausgebildeten Halbschale 2a und 2b. Dieser Ausschnitt bewirkt eins Vergrößerung
des magnetischen Widerstands heim direkten Übergang der Kraftlinien vom oberen Rand
des Segmentes oder der Polfläche 8 in
die (obere) gegenüberliegende
Halbschale. Somit wird der Kraftlinienweg von der unteren Stirnseite 5 er in Fig.
2 gezeigten Halbschale zur Polfläche 9 über die heiden Luftspalte 12 und'den Drehmagneten
14 zur Polfläche S' und weiter in die zugehnrige obere Stirnfläche zumindest von
einem Teil der Kraftlinien eingeschlaaen.
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Das Svstem entwickelt ein drehmoment und bewegt sich so lange, bis
die Position des Stellhebels dem Eingangsmeßwert entsrpicht, wenn das Antriebssystem
beispielsweise als Stellmotor in einem Servokreis verwendet wird. Für die Bewegung
des Drehmagneten sind bevorzugt Anschlage vorgesehen, die eine Drehbewegung lediglich
einer einen bestimmten Winkelbereich, beispielsweise von einer mittleren position
ausgehend, um 300 nach rechts und nach links zulassen.
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In der Darstellung der Fig. 1 sind die Pole des nrehmagneten um etwa
900 gegenüber den Polflächen 8, 8' der Halbschalen versetzt angegeben, aus welcher
tage das Svsten ein Drehmoment erzeugen kann; bei einem praktischen Ausführungsbeispiel
genügt eine Versetzung um 450.
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Erfolgt die Ansteuerung der Erregerspule 3 nicht mit alternierendem
Gleichstrom, um beide Drehrichtungen zu umfassen, dann kann gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung auch nur mit einer Polarität des sneisenden Gleichstroms
erregt werden, so daß das vom Drehmagneten 14 erzeugte Drehmoment stets in die gleiche
Richtung arbeitet, jedoch gegen die Wirkung einer mechanischen Feder. Bei einer
solchen Ausgestaltung bleibt bei Ausfall der Hilfsenergie die Anzeige nicht beliebig
irgendwo stehen, was zu Fehldeutungen führen konnte, sondern es erfolgt durch die
Feder einc Rückführung in eine definierte Ausgangsposition
Pei
manchen Antriebsarten ist es von erheblicher t3edeutung, daß sich die Drehachse
15 bei ihrer Drehbewegung oder unter dem einfluß sonstiger Störungen nicht auch
axial verschiebt. Imine solche axiale Verschiebung kann sich besonders dann äußerst
nachteilig auswirken, wenn der Stellhebel die bewegliche Platte eines im Servokreis
als Abgleich eingesetzten Kondensators trägt, denn in diesem Falle würde sich die
Abstandsvoränderung der Kondensatorplatten als Fehler beim Abgleich auswirken.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist daher
unterhalb oder oberhalb des Drehmagneten 14 ein magnetischer Nebenschluß vorgesehen,
der in Form einer ringförmigen Scheibe 22 ausgebildet ist. Die ringförrnie Scheibe
ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 unterhalb des Drehmagneten 14 qelagert,und
sie wird, da sie aus weichem magnetischem Material ist, von dem Magnetfeld durchflutet,
welches vom Drehmagneten 14 selbst erzeugt wird. Es kommt daher zu einer gegenseitigen
Anziehung von den magnetischen Nebenschluß erzeugenden Scheibe 22 un;l Drehmagnet
14; da die Scheibe 22 stationär im C,ehäuse 19 gelagert ist, wird die Drehachse
15 des Rotorsystem 4 axial nach unten in Richtung auf einen weiteren Lagerdeckstein
23 gezogen, der die sich ergebende Axialkraft aufnimmt. Die Scheibe 22 bewirkt daher
eine axiale Spielaufhebung lediglich durch Erzeugung einer magnetischen Vorspannung
auf das !totorsystem 4, so daß komplizierte Lageranordnungen für die Drehachse 4
und deren Justierung nicht erforderlich sind.