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Elektromagnetische Antriebsvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung
gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei dieser Antriebsvorrichtung geschieht die Umwandlung elektrischer
Energie in magnetische Energie durch von Gleichstrom durchflossene Erregerspulen.
Die so erhaltene magnetische Energie wird durch einen sich linear bewegenden Anker
in mechanische Energie umgewandelt. Werden Antriebe dieser Art zur Krafterzeugung
längs eines gegebenen Weges (Hubes) benutzt, so ist die Zeit, in welcher der Weg
(Hub) durchlaufen wird, von ausschlaggebender Bedeutung für 1.) die Anzahl der Zyklen
(Hübe), die pro Minute durchlaufen werden können, und 2.) die kinetische Energie
des sich bewegenden Ankers, die u.a. durch dessen Geschwindigkeit bestimmt wird.
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Bei elektromagnetischen Antriebsvorrichtungen der genannten Art ist
die Geschwindigkeit des Ankers durch die Stromstärke in der Erregerspule und durch
mechanische Dämpfer (Federn usw.) gegeben. Die Rückzugskräfte werden durch Federn
erzeugt, die bei der Vorwärtsbewegung gespannt werden müssen und die - einmal gespannt
- nicht in ihrer Kraftwirkung verändert werden können.
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Für kleine Hübe ist es bekannt, für die Rückzugsbewegung eine zweite
Erregerwicklung vorzusehen.
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Der Anker ist in den vorgesehenen Endanschlägen nur mechanisch verriegelbar.
("Magnettechnik kurz und bündig" von Eugen Schäfer, Ausgabe 1969; "Der Gleichstrtmmagnet"
von E.Kallenbach. Leipzig 1969.) Bei den bekannten Antriebsvorrichtungen ist nachteilig,
daß die Zeiten für die Ausübung der Zug- und Druckkräfte nicht getrennt einstellbar
sind, sowie die Kraftwirkung des sich bewegenden Teiles nicht verstellbar ist. Die
Betriebssicherheit ist nicht in ausreichendem Maße gegeben. Bei Ausfall oder Abschaltung
des Stromes besteht die Gefahr, daß der Anker unkontrollierte Bewegungen ausführt.
Die bei den bekannten Antriebsvorrichtungen verwendeten Verriegelungsvorrichtungen
für die Endanschläge machen einen nicht unwesentlichen Teil der Baugröße aus.
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Ferner sind Antriebsvorrichtungen bekannt, bei denen die Umwandlung
der elektrischen in mechanische Energie mittels eines Elektromotors vollzogen wird,
dessen Rotationsbewegung auf verschiedene Art und Weise in lineare Bewegung überführt
wird, beispielsweise mit Hilfe von Exzenterscheiben, Spindel-Spindelmuttersystemen
oder Pumpen, welche mittels Hydraulikflüssigkeit Kolben bewegen. Diese Vorrichtungen
weisen einen relativ kleinen Wirkungsgrad auf wegen der Multiplizierung des Wirkungsgrades
des Elektromotors mit dem der mechanischen Umsetzung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebs vorrichtung
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Geschwindigkeit in Vor- und/oder
Rückwärtsrichtung des Ankers in so weiten Grenzen steuerbar ist, daß selbst im Kriechfall
(der Anker nimmt auch ohne mechanische Lastabgabe keine kinetischeEnergie auf) ein
kontrollierbarer Bewegungsablauf gewährleistet ist, daß der Anker in den jeweiligen
Endlagen auch bei Ausfall oder Abschaltung des Stromes durch einfache, die Baugröße
nicht nachteilig beeinflussende Mittel definiert gesichert ist und daß ein wirtschaftlicherer
Betrieb möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen nach dem Kennzeichen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebsvorrichtung
handelt es sich also um einen gleichstrombetriebenen magneto-mechanischen Antrieb,
der lineare Vor- und Rückwärtsbewegungen
ausführt, wobei in beiden
Bewegungsrichtungen die wirkende Kraft als auch die Bewegungsenergie des Ankers
in weitem Umfang beeinflußt werden kann.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die vollkommene
Steuerbarkeit der Ankerbewegung. Es sind schnelle wie auch kriechende Bewegungsabläufe
möglich. Auf dem gegebenen Weg (Hub) wirkt auf den Anker eine beschleunigende magnetische
Kraft. Sie ist u.a. abhängig von dem elektrischen Strom durch die Erregerwicklungen.
Gibt der Anker (z.B. im Leerlauf) keine mechanische Energie nach außen ab, wird
sich dessen Geschwindigkeit während des Weges (Hubes) erhöhen. Diese Bewegung des
Kolbens verdrängt die Flüssigkeit im Zylinder und bewirkt einen Flüssigkeitsstrom
nach außen, der beispielsweise durch Drosseln oder Ventile begrenzt werden kann,
wodurch sich im Zylinder ein Druck aufbauen läßt, der der magnetischen Kraft entgegenwirkt
und durch den die Geschwindigkeit des Kolbens steuerbar ist und beispielsweise auf
einen konstanten Wert einstellbar ist. Für die Konstanz der Geschwindigkeit ist
es nun gleichgültig, ob nach außen mechanische Energie (Last) abgegeben wird oder
nicht, es muß nur die Kraft zur Verrichtung der äußeren Arbeit (Last) kleiner sein
als die Kraft, die durch das Magnetfeld mit dem Anker erzeugt wird.
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Die Druckmittelströme aus dem Zylinder, die sich bei bewegtem Kolben
einstellen, können für die Vor- und Rückwärtsrichtung (beispielsweise durch Ventile)
getrennt gesteuert werden. Diese äußere Steuerung unterstützt die elektrische Steuerung,
die durch Variation der Stromstärke in den Erregerwicklungen erzielbar ist. ~
Die
erfindungsgemäße Ausbildung schafft durch die Kombination elektromagnetischer Kräfte
und durch Druckmittel erzeugte mechanische Kräfte praktisch universelle Einsatzmöglichkeiten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 sieht getrennte Erregerwicklungen
vor, so daß auch die Rückzugsbewegun<j elektrisch steuerbar ist.
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Die Ausbildung gemäß den Ansprüchen 7 und 4 sichert eine definierte
Arretierung des Ankers in irn jeweiligen Endlagen (Umkehrpunkten der Bewegung),
so d eine sich selbsttätig auslösende Bewegung unmöglich gemacht wird und die erfindungsgemäße
Antriebsvorrichtung absolut betriebssicher ist. Diese Ausbildung hat zudem den Vorteil
der Vormagnetisierung. Vormagnetisierte Elektromasllete sind während des Betriebs
günstig in bezug auf niedrigen Energieverbrauch.
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Zur Anpassung an einen erforderlichen Kraft-Weg-Verlauf können die
Magnetkraftkennlinien bekanntlich durch geometrische Gestaltung der Polschuhe in
gewünschter Weise geändert werden, wie dies in den Unteransprüchen 5 bis 7 gekennzeichnet
ist.
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Durch die Weiterbildung nach Anspruch 9 wird eine Geräuschentwicklung
beim Anschlagen in den Endlagen bzw. Umkehrpunkten vermieden, so daß sich ein sehr
leises Laufverhalten ergibt.
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Zusammengefaßt ergeben sich im wesentlichen folgende Vorteile
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Steuerbarkeit der wirkenden Kraft für den Vor- und Rückhub, - Steuerbarkeit der
kinetischen Ankerenergie für den Vor- und Rückhub, - Unfallsicherheit durch automatische
Fixierung des Ankers bzw. Kolbens in den Endlagen, beispielsweise bei Stromausfall,
- geringe Geräuschentwicklung durch Anschlagsdämpfung mittels Puffer, - niedrige
Betriebskosten durch Vormagnetisierung, - Möglichkeit der Anpassung des Kraft-Weg-Verlaufs.
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Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnung, die Ausführungsbeispiele
zeigt, näher erläutert werden.
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Es zeigen Fig. 1 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Antriebsvorrichtung im Schnitt, Fig. 2 eine Seitenansicht der Antriebsvorrichtung
nach Fig. 1 im Schnitt, Fig. 3 Aufsichten auf Schnitte A-B und B-C, die in der Fig.
1 eingetragen sind, Fig. 4 eine dreidimensionale Ansicht der Antriebsvorrichtung
nach den Fig. 1 bis 3, Fig. 5 einen Funktionsplan eines hydraulischen Steuerkreises
mit geschlossenem Kreislauf für die Antriebsvorrichtung nach den Fig. 1 bis 4,
Fig.
6 einen Funktionsplan eines hydraulischen Steuerkreises mit offenem Kreislauf, Fig.
7 ein Anwendungsbeispiel der Antriebsvorrichtung nach den Fig. 1 bis 4 für einen
Hammer bzw. eine Presse mit nur einer Kolbenstange zur Kraftübertragung und Fig.
8 ein weiteres Anwendungsbeispiel, ähnlich dem nach Fig. 7, jedoch mit zwei Kolbenstangen
zur Kraftübertragung.
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Es soll zunächst Bezug genommen werden auf die Fig. 1 bis 4, die
bei der nachfolgenden Beschreibung nicht nur einzeln, sondern im Zusammenhang zu
betrachten sind, da sie Schnitte und Ansichten ein und derselben Antriebsvorrichtung
wiedergeben. Dabei sind, was auch für die weiteren Fig. 6 bis 8 zutrifft, identische
Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Bezugsziffer 1 stellt jeweils eine Kolbenstange, die Ziffer 2
einen Anker und die Ziffer 3 einen Zylinder dar. Bei symmetrisch erforderlichen
Bauelementen sind zusätzlich die Bezugszeichen der Bauelemente der rechten Seite
mit dem Buchstaben a, der linken mit dem Buchstaben b, der oberen mit dem Buchstaben
c und der unteren Seite mit dem Buchstaben d gekennzeichnet. Mit der Bezugsziffer
4 sind immer Permanentmagnete, mit 5c und 5d Wicklungspakete bezeichnet. Die Ziffern
6a bis 6d bezeichnen Stahlmantelteile, 7c und 7d sowie 8c und 8d Strömungskanäle
mit Anschlußmöglichkeiten und die Ziffer 9 mittlere Polschuhe. Ein
Hohlraum,
der von den Stirnflächen des Ankers 2, der Gegenfläche des Mantels 6c bzw. 6d und
von der Wandung des Zylinders 3 begrenzt wird, ist mit der Ziffer 19c bzw. 19d bezeichnet.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen Aufbauvarianten äußerer Steuerkreise, wobei
die Ziffer 10 einen geschlossenen und die Ziffer 13 einen offenen Vorratsbehälter
darstellt. Die Ziffern 11 und 12 bezeichnen Ventile bzw. Durchflußbegrenzer und
die zusätzlichen Buchstaben d kennzeichnen hierbei Ventile und Durchflußbegrenzer
für den Vorlauf und die Buchstaben c die Bauteile für den Rücklauf.
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Die Zug- und Schubstange 1 ist mit dem Kolben 2 zu einer Einheit
verschraubt. Die sich bewegende Einheit wird von dem unteren Polschuh 6d und der
Zylinderwandung 3 geführt. Die Schubkräfte werden von dem Wicklungspaket 5d und
den Permanentmagneten 4a, 4b über den Polschuh 6d erzeugt. Damit ergibt sich rechtsseitig
ein Magnetkraftlinienfluß durch den Anker 2, den Polschuh 9a, den Magneten 4a, die
Seitenfläche 6a und den Polschuh 6d, linksseitig ein gleicher Kraftlinienfluß über
die entsprechenden Bauelemente mit der Bezeichnung b. Sollen Zugkräfte auftreten,
so ist der Kraftlinienfluß durch den Anker 2, Polschuh 9a, b, Magnet 4a, b, Seitenfläche
6a, b und Polschuh 6c durch die Wicklung 5c zu aktivieren. Der Strömungskanal 7d
mit der Anschlußmöglichkeit 8d läßt bei Bewegung des Ankers das Gas bzw. die Flüssigkeit
aus dem unteren Raum ein- bzw. ausströmen, während der Strömungskanal 7c mit der
Anschlußmöglichkeit 8c den Inhalt des oberen Raumes ein- bzw. ausströmen läßt. Betrachtet
man
den Raum der von dem Anker 2 und dem Pol schuh 6d gebildet wird, so kann bei Einströmen
eines Mediums in diesem Raum, wie in den Fig. 5 und 6 ersichtlich, der Durchfluß
durch den Durchflußbegrenzer 12c geregelt werden, beim Ausströmen jedoch durch den
Begrenzer 12d. Die Ventile 11c und 11d sorgen für eine Trennung der Strömungsrichtungen.
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Von Bedeutung ist, daß der Anker eines mit zwei Wicklungen für Vor-
und Rückwärtsbewegung und Permanentmagneten ausgestatteten Topfmagneten als Kolben
ausgebildet ist und durch Druckmittel (Gas oder Flüssigkeit) steuerbar gebremst
werden kann. Als weiteres ist die Anordnung der Permanentmagneten hervorzuheben;
sie sind an den Polschuhen angeordnet, die gleichzeitig vom magnetischen Fluß für
die Vor- und vom magnetischen Fluß für die Rückwärtsbewegung durchsetzt werden,
so daß die Magneten, die ein Haften des Ankers im oberen Umkehrpunkt verursachen,
ebenfalls den Anker im unteren Umkehrpunkt halten können. Gleichzeitig ist die Aufteilung
des mittleren Polschuhs (für beide Bewegungsrichtungen) in einen rechten und linken
Polschuh für die hier vorgeschlagene Bauweise erforderlich, die die minimalen Abmessungen
für die gleiche Arbeitsausbeute besitzt.
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Die Anwendungsbeispiele nach den Fig. 7 und 8 zeigen einen möglichen
Einsatz der Antriebsvorrichtung nach den Fig.
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1 bis 4 in einer Hammer- bzw. Presseneinrichtung. Eine Kolbenstange
1 (Fig. 5) überträgt die Kraftwirkung auf einen Hammerbären bzw. Pressenstößel 21,
der an der als Ständer ausgebildeten Verlängerung der Seitenflächen 6a und 6b des
Magnetkörpers 6 geführt wird. Um bei außermittiger Belastung des
Bären
bzw. Stößels 21 eine mögliche Verkippung zu verringern, kann die Krafteinleitung
in diese auch durch zwei Kolbenstangen gemäß Fig. 6 erfolgen. Im Zwischenraum 18
können Werkzeuge zur Bearbeitung der Werkstücke eingebaut werden.
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Ein Hammer bzw. Stößelgegenstück 22 nimmt den vom Antrieb ausgehenden
mechanischen Kraftfluß auf und leitet ihn in die Ständer 6a und 6b zurück. Damit
ergibt sich ein geschlossener magnetischer Kraftfluß : Anker 2, Kolbenstange 1,
Stößel 21, eingelegtes Werkstück, Stößelgegenstück 22, Ständer 6a und 6b und die
Ankergegenplatte 6c als Teil des Magnetgehäuses zurück zum Anker 2.