DE2821842C2 - Elektromagnetische Antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in der DE-OS 27 42 987 vorgeschlagen worden.

Bei Antriebsvorrichtungen der oben angegebenen Art 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.

Bei elektromagnetischen Antriebsvorrichtupgen 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

ίο die — einmal gespannt — nicht in ihrer Kraftwirkung verändert werden können. Für kleine Hübe ist es bekannt, für die Rückzugsbewegung eine zweite Erregerwicklung vorzusehen.

Die Herabsetzung der Geschwindigkeit des Ankers ist nicht wie in der genannten Anmeldung dadurch realisisrbar, daß der Kolben selbst einen Hydraulikoder Pneumatikzylinder darstellt, sondern dies bildet lediglich die Voraussetzung für die Herabsetzung der Geschwindigkeit über Drosselspalte und andere Durchtrittsöffnungen im mittleren Polschuh oder im inneren Verbindungsweg zwischen den Kammern des Hydraulik- oder Pneumatikzylinders.

Der Anker ist in den vorgesehenen Endanschlägen nur mechanisch verriegelbar. (»Magnettechnik kurz und bündig« von Eugen Schäfer, Ausgabe 1969; »Der Gleichstrommagnet« 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

J5 den bekannten Antriebsvorrichtungen verwendeten Verriegelungsvorrichtungen für die Endanschläge machen einen nicht unwesentlichen Teil der Baugröße aus. 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. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

so Antriebsvorrichtung 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 kinetische Energie auf) ein kontrollierbarer Bewegungsablauf gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

ω Bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebsvorrichtung handelt es sich also um einen gleichstrombetriebenen magnetomechanischen Antrieb, der lineare Vor- und Rückwärtsbewegungen ausführt, wobei in beiden Bewegungsrichtungen die

fa5 wirkende Kraft als auch die Bewegungsenergie des Ankers in weitem Umfang beeinflußt werden kann.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die vollkommene Steuerbarkeit der Anker-

bewegung und die von außen leicht durchführbare Beeinflussung der hydraulischen bzw. pneumatischen Elemente. Es sind schnelle wie auch kriechende Bewegungsabläufe möglich. Auf dem gegebenen Weg (Hub) wirkt auf den Anker eine Kraft Sie setzt sich zusammen aus der magnetischen WiiKung der stromdurchflossenen Erregerwicklungen, der Wirkung des Druckmediums, der Gravitationskraft und der Reibungskräfte. 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 durch Drosseln oder Ventile begrenzt werden kann, wodurch sich im Zylinder ein Druck aufbauen läßt, der der magnetischen Kraft entgegenwirkt und dadurch die Wirkung der Magnetkraft aufheben kann.

Als extremes Beispiel läßt sich durch eine Absperrung des Druckmittelstromes eine weitere Bewegung des Kolbens verhindern, wobei die Kompressibilität des Druckmittels eine Schwingung der Kolbenmasse zuläßt, die durch die Reibung des Kolbens an der Zylinderwandung gedämpft wird.

Die Druckmittelströme aus dem Zylinder, die sich bei bewegtem Kolben einstellen, können für die Vor- und Rückwärtsrichtung getrennt gesteuert werden. Die äußere Druckmittelsteuerung 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.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ist auch die Rückzugsbewegang elektrisch steuerbar.

Zur Anpassung an einen erforderlichen Kraft-Weg-Verlauf können die Magnetkraftkennlinien bekanntlich durch geometrische Gestaltung der Polschuhe in gewünschter Weise geändert werden.

Durch die Weiterbildung nach Anspruch 11 wird eine Geräuschentwicklung beim Anschlagen in den Endlagen bzw. Umkehrpunkten vermieden, so daß sich ein sehr leises Laufverhalten ergibt.

Zusammengefaßt ergeben sich im wesentlichen folgende Vorteile:

— Steuerbarkeit der wirkenden Kraft für den Vor- und Rückhub,

— Steuerbarkeit der kinetischen Ankerenergie für den Vor- und Rückhub,

— geringe Geräuschentwicklung durch Anschlagsdämpfung mittels Puffer,

— Möglichkeit der Anpassung des Kraft-Weg-Verlaufes.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele zeigt, näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht einer erfindungsge-näßen elektromagnetischen Antriebsvorrichtung im Schnitt,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Antriebsvorrichtung nach Fig. 1 im Schnitt,

Fi g. 3 Aufsichten auf Schnitte Α-Bund ß-C, die in der F i g. t eingetragen sind,

F ie. 4 eine dreidimensionale Ansicht der Antriebsvorrichtung nach den F i g. 1 bis 3,

Fig.5 einen Funktionsplan eines hydraulischen Steuerkreises mit geschlossenem Kreislauf für die Antriebsvorrichtung nach den F i g. 1 bis 4, Fig.6 einen Funktionsplan eines hydraulischen Steuerkreises mit offenem Kreislauf,

F i g. 7 ein Anwendungsbeispiel der Antriebsvorrichtung nach den F i g. 1 bis 4 für einen Hammer bzw. eine Presse mit nur einer Kolbenstange zur Kraftübertragungund

F i g. 8 ein weiteres Anwendunßsbeispiel, ähnlich dem nach Fig.7, jedoch mit zwei Kolbenstangen zur Kraftübertragung.

Es soll zunächst Bezug genommen werden auf die F i g. 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.

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 Seile mit dem Buchstaben a, der linken mit dem Buchstaben b, der oberen mit dem Buchstaben cund der jnteren Seite mit dem Buchstaben d gekennzeichnet Mit der Bezugsziffer 4 sind immer Permanentmagnete, mit 5c und 5c/ Wicklungspakete bezeichnet. Die Ziffern 6a bis 6c/ bezeichnen Stahlmantelteile, 7c und Td sowie 8c und Bd Strömungskanäle mit Anschlußmöglichkeiten und die Ziffer 9 mittlere Polschuhe. Ein Hohlraum, der von den Stirnflächen des Ankers 2, der Gegenfläche des J5 Mantels 6c bzw. 6c/und von der Wandung des Zylinders 3 begrenzt wird, ist mit der Ziffer 19c bzw. 19c/ bezeichnet.

Die F i g. 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.

Die Zug- und Schubstange 1 ist mit dem Kolben 2 zu einer Einheit verschraubt. Die sich bewegende Einheit wird von dem unteren Polschuh 6</ und der Zylinderwandung 3 geführt. Die Schubkräfte werden von dem Wicklungspaket 5c/ und den Permanentmagneten 4a, Ab über den Polschuh 6c/ erzeugt. Damit ergibt sich rechtsseitig ein Magnetkraftlinienfluß durch den Anker 2, den Polschuh 9a, den Magneten 4a, die Seitenfläche 6a und den Polschuh 6c/, 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 Td bo mit der Anschlußmöglichkeit 8c/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 fc5 man den Raum der von dem Anker 2 und dem Polschuh 6c/gebildet wird, so kann bei Einströmen eines Mediums in diesem Raum, wie in den Fi g. 5 und 6 ersichtlich, der Durchfluß durch den Durchflußbegrenzer 12c geregelt

werden, beim Ausströmen jedoch durch den Begrenzer 12d Die Ventile lic und Wd sorgen für eine Trennung der Strömungsrichtungen.

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 minieren 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.

Die Anwendungsbeispiele nach den F i g. 7 und 3

zeigen einen möglichen Einsatz der Antriebsvorrichtung nach den Fig. 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 F i g. 6 erfolgen. Im Zwischenraum 18 können Werkzeuge zur Bearbeitung der Werkstücke eingebaut werden. 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.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung zur Erzeugung von Zug- und/oder Schubkräften für Werkzeugmaschinen mit einem Elektromagnetkörper, wenigstens einer Erregerwicklung und einem im Elektromagnetkörper bewegbar geführten Anker, dessen Bewegungsablauf elektrisch über die Erregerwicklung und pneumatisch oder hydraulisch über Druckmittel beeinflußbar ist, der Anker (2) als Kolben ausgebildet, in einem Zylinder (3) abgedichtet geführt ist, die Ankerstirnflächen Hohlräume (19) begrenzen, welche mit einem Druckmittel gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume derart miteinander durch äußere Leitungen verbunden sind, daß eine Steuerung und Begrenzung des Druckmittelstromes über Ventile (lt)und Drosseln (12) möglich ist

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckmittel entweder Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft verwendet werden kann.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Zug- und Schubkräfte getrennte Erregerwicklungen (5c, Sd) vorgesehen sind.

4. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen (5c, 5d) außerhalb der Zylinder-Kolben-Einheit (2,3) angebracht sind und nicht mit dem Druckmittel in Verbindung stehen.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (3) aus einem nicht magnetisierbaren Material besteht.

6. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh (9a, 9b) des Elektromagnetkörpers (6) zweiteilig und nach außen verbreitert ausgebildet ist.

7. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnetkörper (6) senkrecht zum Kraftfluß geschnitten, stets die gleiche Querschnittfläche aufweist, die etwa gleich groß der Stirnfläche des Ankers (2) ist.