DE29801860U1

DE29801860U1 - Electromagnet

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Publication number: DE29801860U1
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Authority: DE
Original assignee: Kuhnke GmbH
Current assignee: Kuhnke GmbH
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2008-02-06
Also published as: DE19901679A1; DE19901679B4

Description

Kuhnke GmbH
Lütjenburger Straße 101
23714 MalenteKuhnke GmbH
Lütjenburger Strasse 101
23714 Malente

ElektromagnetElectromagnet

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Elektromagneten mit mindestens einer elektrisch bestrombaren Spule, die von einem weichmagnetischen Joch wenigstens teilweise umgriffen ist, mit mindestens einem, zumeist ortsfestem Kern, wenigstens einem beweglich gelagerten Anker, wobei der Anker unter Bildung eines Luftspaltes teilweise oder ganz von einer Jochbrücke umgriffen ist.This invention relates to an electromagnet with at least one electrically energizable coil, which is at least partially surrounded by a soft magnetic yoke, with at least one, usually stationary core, at least one movably mounted armature, wherein the armature is partially or completely surrounded by a yoke bridge to form an air gap.

Derartige Magnete sind bekannt als Zug- oder als Hubmagnete. Hierbei wird ein axial beweglich gelagerter Anker bei Bestromung einer Spule mit Kraftüberschuß translatorisch bewegt, wobei der Kraftüberschuß als Nutzkraft zur Verfügung steht. Es sind auch Schwenkmagnete bekannt, deren beweglich gelagerte Anker vorzugsweise radial beweglich gelagert ist. Bei Bestromung der Spule baut sich hier ebenfalls ein magnetisches Feld auf, das auf den Anker wirkt, der hierdurch eine zuvor definierte Strecke durchschwenkt. Auch dieser Schwenkmagnet stellt an einer Abtriebswelle eine nutzbare Kraft als Drehmoment zur Verfügung.Such magnets are known as pull magnets or lifting magnets. Here, an axially movable armature is moved translationally when a coil is energized with excess power, whereby the excess power is available as usable power. There are also known pivoting magnets whose movably mounted armature is preferably mounted radially. When the coil is energized, a magnetic field is also built up here that acts on the armature, which then pivots through a previously defined distance. This pivoting magnet also provides usable power as torque on an output shaft.

All diesen Elektromagneten ist gemeinsam, daß sie nach Durchfahren ihrer Wegstrecke zum Verbleiben in dieser Position eine entsprechend hohe elektrische Halteleistung erfordern.What all these electromagnets have in common is that after they have travelled their distance, they require a correspondingly high electrical holding power in order to remain in this position.

Diese aufzubringende Halteleistung bewirkt eine zusätzliche Erwärmung der Elektromagnete, d. h., daß sie für Dauerlast entsprechend groß augelegt werden müssen, um eine ausreichende Wärmeabfuhr zu erfüllen.This holding power causes additional heating of the electromagnets, i.e. they must be designed to be large enough for continuous load in order to ensure sufficient heat dissipation.

Es ist auch bekannt, Elektromagnete derart auszulegen, daß sie einerseits für die Zeit der aufzubringenden Arbeit von der Ruhe- in die Sollposition eine erhöhte elektrische Aufnahmeleistung erfordern, während diese Leistung in der Sollposition reduziert werden kann. Dieses geschieht beispielsweise durch die Verwendung von zwei unabhängig zu bestromenden Spulen. Es sind auch Einspulensysteme bekannt, bei denen die Anzugsleistung nach Erreichen der Sollposition abgesenkt wird. Dieses läßt sich z.B. dadurch erreichen, daß für den Beginn der Bewegungsphase bis zum Erreichen der vorgegeben Sollposition der Elektromagnet mit einer Überspannung kurzfristig betrieben wird, die nach Erreichen der Sollposition auf die zulässige Betriebsspannung abgesenkt wird. Gleiches läßt sich auch durch Takten der Ansteuerspannung erreichen, indem die Taktverhältnisse zwischen der Ein- und Ausschaltzeit der Spannung den entsprechenden Erfordernissen angepaßt werden.It is also known to design electromagnets in such a way that they require an increased electrical input power for the time it takes to move from the rest position to the target position, while this power can be reduced in the target position. This can be done, for example, by using two coils that are powered independently. Single-coil systems are also known in which the pull-in power is reduced once the target position is reached. This can be achieved, for example , by briefly operating the electromagnet with an overvoltage at the start of the movement phase until the specified target position is reached, which is then reduced to the permissible operating voltage once the target position is reached. The same can be achieved by cycling the control voltage by adapting the cycle ratios between the on and off times of the voltage to the relevant requirements.

All diesen Magneten ist zu eigen, daß sich aufgrund der geringeren Halteleistung letztendlich auch ein geringerer Kraftüberschuß bzw. ein geringeres nutzbares Enddrehmoment ergeben.A common feature of all these magnets is that due to the lower holding power, they ultimately result in a lower excess force or a lower usable final torque.

Hieraus leitet sich die Aufgabe ab, an sich bekannte Magnetsysteme dahingehend zu verbessern, daß diese bei entsprechender elektrischer Leistungsreduzierung eine hohe Endhaltekraft bzw. ein hohes Enddrehmoment zur Verfugung stellen.This gives rise to the task of improving known magnet systems so that they provide a high final holding force or a high final torque with a corresponding reduction in electrical power.

Diese Aufgabe ist gemäß des kennzeichnenden Merkmals des Anspruches 1 gelöst. Der Elektromagnet gemäß dieser Erfindung weist eine elektrisch bestrombare Spule auf, die vorzugsweise auf einen isolierenden, magnetisch nicht leitenden Spulenkörper gewickelt ist. Dieses Spulensystem ist mindestensThis object is achieved according to the characterizing feature of claim 1. The electromagnet according to this invention has an electrically energizable coil, which is preferably wound on an insulating, magnetically non-conductive coil body. This coil system is at least

teilweise von einem weichmagnetischen Joch umgriffen, das bodenseitig mit einem Kern, möglichst ohne Zwischenraum, flächig verbunden ist. Bei Zugoder Haftmagneten ist dieser Kern teilweise in das Spuleninnere hineinragend. Der bewegliche Teil ist ein Anker, der bei Hub- und Zugmagneten eine translatorische Bewegung ausführt, bei Schwenkmagneten eine winkelbegrenzte Verschwenkung. Der erfindungsgemäße Gedanke wird im folgenden beispielhaft an einem Hub-/Zugmagneten erläutert.partially surrounded by a soft magnetic yoke, which is connected to a core on the bottom side, if possible without a gap. In the case of pull or holding magnets, this core partially protrudes into the interior of the coil. The movable part is an armature, which carries out a translatory movement in the case of lifting and pulling magnets, and an angle-limited pivoting movement in the case of pivoting magnets. The inventive concept is explained below using a lifting/pulling magnet as an example.

Das, das Spulensystem umhüllende Joch wird gegenüber seiner Kernseite mit einer Jochbrücke abgedeckt, die in der Materialdicke eine Durchbrechung aufweist, die von dem bewegbaren Anker durchdrungen ist. Der Anker taucht vorzugsweise bis über die Hälfte der Spulenlänge in die Spule ein. Die Durchbrechung der Jochbrücke für den Anker bildet zur Mantelfläche des Ankers ein Spiel aus, das als magnetischer Luftspalt bezeichnet wird, das möglichst klein sein sollte, um einen geringen magnetischen Übergangswiderstand zwischen Jochbrücke und Anker zu bilden.The yoke that encloses the coil system is covered on the opposite side of its core with a yoke bridge that has an opening in the material thickness that is penetrated by the movable armature. The armature preferably dips into the coil to more than half the length of the coil. The opening in the yoke bridge for the armature forms a gap with the outer surface of the armature, which is referred to as a magnetic air gap, which should be as small as possible in order to create a low magnetic transition resistance between the yoke bridge and the armature.

Die Stirnfläche des Ankers, die der in die Spule eingetauchten Stirnfläche des Ankers gegenüberliegt, ist mit einer Haftvorrichtung verbunden, wobei die Verbindung beispielsweise durch Schrauben erfolgen kann. Diese Haftvorrichtung kann als planparallele, glatte Scheibe ausgebildet sein, ebenso auch als Scheibe mit einer axialen Ausnehmung, als Abschnitt einer Scheibe oder in anderer Geometrie.The face of the armature, which is opposite the face of the armature immersed in the coil, is connected to an adhesive device, whereby the connection can be made, for example, by screws. This adhesive device can be designed as a plane-parallel, smooth disk, as well as a disk with an axial recess, as a section of a disk or in another geometry.

Die Länge des Ankers ist so bemessen, daß die Haftvorrichtung vorzugsweise an der Jochbrücke dann zur Anlage kommt, wenn der Anker die bestromte Endposition einnimmt. Zweckmäßigerweise erfolgt der mechanische Anschlag bei Erreichen der bestromten Endposition des Ankers durch die Anlage der Haftvorrichtung an der Jochbrücke.The length of the armature is dimensioned such that the holding device preferably comes into contact with the yoke bridge when the armature assumes the energized end position. The mechanical stop is expediently made when the armature reaches the energized end position by the holding device coming into contact with the yoke bridge.

Der Anker seinerseits erhält im annähernden Bereich der Haftvorrichtung eine Querschnittsschwächung als in die Ankeroberfläche eingebrachte umlaufende Nut oder als z. B. gefräste Teilnut oder als angedrehten Rezeß oder aber auch beispielsweise als gefräste Flächen.The anchor, for its part, receives a cross-sectional weakening in the area close to the holding device as a circumferential groove introduced into the anchor surface or as, for example, a milled partial groove or as a turned recess or even as, for example, milled surfaces.

Die Länge dieser Querschnittsschwächung sollte in bestromter Endposition des Ankers den Bereich der Materialdicke der Jochbrücke vorzugsweise überspringend überdecken. Hierdurch ergibt sich eine enorme Vergrößerung des ursprünglich geringen Luftspaltes zwischen der Mantelfläche der Durchbrechung der Jochbrücke und der Mantelfläche des diese Durchbrechung durchgleitenden Ankers. Das magnetische Wirkprinzip ist wie folgt:The length of this cross-sectional reduction should, in the energized end position of the armature, preferably cover the area of the material thickness of the yoke bridge. This results in an enormous increase in the originally small air gap between the surface area of the opening in the yoke bridge and the surface area of the armature sliding through this opening. The magnetic operating principle is as follows:

Es ist bekannt, daß magnetischen Feldlinien den Weg des geringsten Widerstandes wählen. Dieses ist normalerweise ein in sich geschlossener weichmagnetischer Eisenkreis. Der magnetische Kreis beispielsweise eines unbestromten Hubmagneten ist nicht geschlossen, sondern durch Luftspalte gekennzeichnet. Hierbei findet sich zunächst einmal ein Luftspalt, der sich zwangsläufig durch das Erfordernis der Bewegung des Ankers ergibt. Dieser Luftspalt ist in dem beschriebenen Beispiel das Spiel zwischen der inneren Mantelfläche der Durchbrechung in der Jochbrücke und der äußeren Mantelfläche des Ankers in unbestromter Endposition. Dieser Luftspalt wird möglichst gering gehalten. Weiterhin ist ein Luftspalt als Arbeitsluftspalt vorgesehen, der in diesem Beispiel gleichzeitig den Arbeitsweg beschreibt.It is known that magnetic field lines choose the path of least resistance. This is normally a self-contained soft magnetic iron circuit. The magnetic circuit of a de-energized lifting magnet, for example, is not closed, but is characterized by air gaps. First of all, there is an air gap, which is inevitably caused by the need for the armature to move. In the example described, this air gap is the play between the inner surface of the opening in the yoke bridge and the outer surface of the armature in the de-energized end position. This air gap is kept as small as possible. An air gap is also provided as a working air gap, which in this example also describes the working path.

Wird die Spule bestromt, bildet sich ein magnetisches Kraftfeld aus. Die Feldlinien treten aus der Spule überwiegend im Spuleninneren aus und finden ihren geringsten magnetischen Widerstand in dem mit der Spule zusammenwirkenden weichmagnetischen Kreis aus Kern, Joch, Jochbrücke und Anker.If the coil is energized, a magnetic force field is formed. The field lines emerge from the coil mainly inside the coil and find their lowest magnetic resistance in the soft magnetic circuit consisting of the core, yoke, yoke bridge and armature that interacts with the coil.

Hierbei ist das magnetische Kraftfeld bestrebt, den Luftspalt möglichst zu verringern. Der radiale Luftspalt zwischen der inneren Mantelfläche der Durchbre-The magnetic force field strives to reduce the air gap as much as possible. The radial air gap between the inner surface of the breakthrough

• r ·• r ·

chung der Jochbrücke und der äußeren Ankermantelfläche läßt sich nicht weiter verringern, wohl aber der durch den Arbeitsweg bedingte Arbeitsluftspalt. Ist die eingegebene elektrische Leistung ausreichend, ist das Kraftfeld in der Lage, den Arbeitsweg, den sogenannten Hub oder Arbeitshub zu durchfahren und hierdurch den Arbeitsluftspalt zu verringern. Dabei taucht der Anker tiefer in das Spuleninnere ein; er wird von der im Spuleninneren liegenden Kernseite angezogen. Nach einer bestimmten Wegstrecke weist der erfindungsgemäße Anker die genannte Querschnittsschwächung auf. Diese Querschnittsschwächung taucht in den Bereich der Durchbrechung der Jochbrücke, wodurch sich der diesbezügliche Luftspalt wesentlich erhöht, d. h., daß der magnetische Widerstand in diesem Bereich stark zunimmt. Kurz vor der bestromten Endposition hat sich jedoch bereits die Haftvorrichtung der Oberfläche der Jochbrücke soweit genähert, daß nunmehr die Feldlinien aus der der Haftvorrichtung zugeneigten Oberfläche der Jochbrücke austreten und in die Haftvorrichtung eintreten. Hier ergibt sich nunmehr ein wesentlich geringerer magnetischer Widerstand für die Feldlinien, als der Luftwiderstand durch die Querschnittsschwächung des Ankers, so daß sich das magnetische Kraftfeld nunmehr über die Haftvorrichtung ausbildet und wirksam wird. Aufgrund dessen und der größeren Fläche des Kraftfeldüberganges steht somit eine entsprechend hohe Magnetkraft zur Verfugung. Mit entsprechendem Kraftüberschuß durchfährt der Anker die verbleibende Reststrecke des Arbeitsweges, der etwa in der Größenordnung der Materialdicke der Jochbrücke liegt. Am Ende des vorgegebenen Arbeitsweges gelangt die Haftvorrichtüng an der dieser zugeneigten Oberfläche der Jochbrücke zweckmäßigerweise zur mechanischen Anlage. Es ergibt sich eine vielfach erhöhte Haltekraft im Zustand der bestromten Endposition des Ankers.The cross-sectional area of the yoke bridge and the outer armature surface cannot be reduced any further, but the working air gap caused by the working path can. If the electrical power input is sufficient, the force field is able to travel through the working path, the so-called stroke or working stroke, and thereby reduce the working air gap. The armature then penetrates deeper into the coil interior; it is attracted by the core side located inside the coil. After a certain distance, the armature according to the invention has the cross-sectional weakening mentioned. This cross-sectional weakening penetrates into the area of the opening in the yoke bridge, whereby the air gap in question increases significantly, i.e. the magnetic resistance in this area increases significantly. Shortly before the end position with current, however, the holding device has already approached the surface of the yoke bridge so far that the field lines now emerge from the surface of the yoke bridge inclined towards the holding device and enter the holding device. This results in a significantly lower magnetic resistance for the field lines than the air resistance due to the cross-sectional weakening of the armature, so that the magnetic force field now forms and becomes effective via the holding device. Due to this and the larger area of the force field transition, a correspondingly high magnetic force is available. With a corresponding excess of force, the armature travels the remaining distance of the working path, which is approximately the same order of magnitude as the material thickness of the yoke bridge. At the end of the specified working path, the holding device conveniently reaches the mechanical system on the surface of the yoke bridge that is inclined towards it. This results in a holding force that is many times higher when the armature is in the energized end position.

Hieraus läßt sich ableiten, daß in diesem so eingenommenen Zustand der erhebliche und z. T. nicht erforderliche Kraftüberschuß durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung genutzt werden kann, um die elektrische Leistung entsprechend zu reduzieren. Neben dem reduzierten Energieverbrauch ergibt sichFrom this it can be deduced that in this state the considerable and partly unnecessary excess power can be used by the inventive design to reduce the electrical power accordingly. In addition to the reduced energy consumption,

vorteilhaft gleichzeitig eine geringere Erwärmung des Elektromagneten, so daß von vornherein der Elektromagnet baulich kleiner, nur auf die tatsächlich erforderliche Kraft hin, ausgelegt werden kann.At the same time, this advantageously means that the electromagnet heats up less, so that the electromagnet can be designed to be smaller from the outset and only to handle the force actually required.

Die mit dem Anker verbundene Haftvorrichtung kommt vorzugsweise an einem als Anschlagfläche ausgestaltetem Steg zur Anlage. Dieser Steg kann entweder auf der Haftvorrichtung und/oder auf der Jochbrücke ausgebildet sein.The holding device connected to the anchor preferably rests on a web designed as a stop surface. This web can be formed either on the holding device and/or on the yoke bridge.

Der Vorteil eines solchen Steges ist einerseits eine einfach herstellbare gleichmäßige Anschlagfläche, andererseits bei entsprechender Ausgestaltung eine Fokussierung der magnetischen Feldlinien - mit den bekannten Vorteilen auf den Bereich des Steges.The advantage of such a bridge is, on the one hand, an easily produced, uniform stop surface, and, on the other hand, with appropriate design, a focusing of the magnetic field lines - with the known advantages on the area of the bridge.

Es ist aber auch möglich, Haftvorrichtung und Jochbrücke vollflächig oder teilflächig zur Anlage bzw. zum Anschlag zu bringen.However, it is also possible to bring the adhesion device and yoke bridge into contact or to a stop over the entire surface or part of the surface.

Zur Lösung mancher Anwenderaufgaben kann es auch sinnvoll sein, zwischen beiden Anschlagflächen, der der Haftvorrichtung und der der Jochbrücke, einen magnetischen Luftspalt vorzusehen. Dieser Luftspalt kann z. B. durch Galvanikverfahren dadurch erreicht werden, indem die Anschlagflächen mit einer magnetisch nichtleitenden Schicht überzogen werden. Der mechanische Anschlag beider Anschlagflächen erfolgt dann auf dieser galvanischen Schicht, wobei diese Schicht dann den magnetischen Luftspalt darstellt. Durch einen solchen Luftspalt lassen sich z. B. werkstoffbedingte Remanenzerscheinungen nach Abschalten der elektrischen Steuerspannung weitgehend kompensieren.To solve some user tasks, it can also be useful to provide a magnetic air gap between the two stop surfaces, that of the holding device and that of the yoke bridge. This air gap can be achieved, for example, by means of a galvanic process by coating the stop surfaces with a magnetically non-conductive layer. The mechanical stop of both stop surfaces then takes place on this galvanic layer, with this layer then representing the magnetic air gap. Such an air gap can, for example, largely compensate for material-related remanence phenomena after the electrical control voltage is switched off.

Die Querschnittsschwächung - im, der Haftvorrichtung zugeordneten Ankerbereich kann z. B. eine umlaufende, in den Anker eingestochene Nut sein: Die Breite und Lage dieser Nut auf dem Anker ist so bemessen, daß diese in der bestromten Endposition des Ankers die Dicke der Durchdringung der Jochbrücke vorzugsweise geringfügig überschreitet. Das heißt, in bestromter End-The cross-sectional weakening - in the anchor area assigned to the holding device can be, for example, a circumferential groove cut into the anchor: The width and position of this groove on the anchor is dimensioned such that in the energized end position of the anchor it preferably slightly exceeds the thickness of the penetration of the yoke bridge. This means that in the energized end position

position des Ankers liegt die Durchdringung der Jochbrücke innerhalb der Breite der eingebrachten Nut. Fertigungstechnisch dürfte diese Querschnittsschwächung jedoch rationeller herstellbar sein, wenn diese - statt einer Nut als von der Stirnfläche her angedrehter Rezeß ausgeführt ist. Hierbei endet die Rezeßlänge, von der Ankerstirnseite der Haftvorrichtung her gesehen, an der vergleichbaren, der Haftvorrichtung entfernteren Einstichfläche einer Nut.position of the anchor, the penetration of the yoke bridge lies within the width of the groove. From a manufacturing point of view, however, this cross-sectional weakening could be produced more efficiently if it were designed as a recess turned from the front face instead of a groove. In this case, the recess length, seen from the anchor front face of the holding device, ends at the comparable recess surface of a groove further away from the holding device.

Bei Erfordernis läßt sich die Haftvorrichtung auch mit hartmagnetischen Eigenschaften ausgestalten. Hierbei kann die Kraft eines Hartmagneten dann die elektromagnetische Haltekraft unterstützen.If required, the holding device can also be designed with hard magnetic properties. The force of a hard magnet can then support the electromagnetic holding force.

Der nutzbare Kraftabgriff steht über den translatorisch bewegten Anker zur Verfügung. Bei Schwenkmagneten erfolgt der Abgriff an einer schwenkbeweglich gelagerten Abtriebswelle. Hier steht die Kraft als nutzbares Drehmoment zur Verfügung.The usable force is available via the translatory moving armature. With swivel magnets, the force is taken from a swivel-mounted output shaft. Here, the force is available as usable torque.

Anhand der Zeichnung wird das Funktionsprinzip im einzelnen näher erläutert. Hierin zeigen:The functional principle is explained in more detail using the drawing. Shown here:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Elektromagneten in unbestromter Ausgangsposition, Figure 1 shows a longitudinal section through an electromagnet in the de-energized starting position,

Figur 2 zeigt den Magneten nach Figur 1, jedoch in bestromter Endposition, Figur 3 einen weiteren Magneten in unbestromter Ausgangsposition, Figur 4 den Magneten nach Figur 3, jedoch in bestromter Endposition, Figur 5 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm.Figure 2 shows the magnet according to Figure 1, but in the energized end position, Figure 3 shows another magnet in the de-energized starting position, Figure 4 shows the magnet according to Figure 3, but in the energized end position, Figure 5 shows a force-displacement diagram.

Der Elektromagnet 1 besteht aus einer bestrombaren Spule 2, die vorzugsweise auf einen elektrisch isolierenden, magnetisch nicht leitendem Spulenkörper aufgebracht ist. Dieser Spulenkörper ist innen hohlzylindrisch ausgebildet, um sowohl den Anker 8, wie auch den Kern 5 aufzunehmen.The electromagnet 1 consists of an energizable coil 2, which is preferably mounted on an electrically insulating, magnetically non-conductive coil body. This coil body is hollow-cylindrical on the inside in order to accommodate both the armature 8 and the core 5.

Dieses Spulensystem, besteht aus der Spule 2 und dem Spulenkörper 3 und wird mindestens teilweise von einem weichmagnetischen Joch 4 umgriffen. Dieses Joch kann beispielsweise ein U-förmiges Stanzbiegeteil sein, das an seinem U-Boden mit dem Kern 5 verbunden ist.This coil system consists of the coil 2 and the coil body 3 and is at least partially surrounded by a soft magnetic yoke 4. This yoke can, for example, be a U-shaped stamped and bent part that is connected to the core 5 at its U-bottom.

Der Kern 5 weist an seiner zum Spuleninneren geneigten Seite einen Innenkegel auf, der durch die Mantelfläche 6 und den Kegelboden 7 begrenzt ist. Im hohlzylindrischen Teil der Spule ist ein Anker 8 beweglich gelagert, der an seiner, in die Spule hineinragendem Teil mit einem Außenkegel versehen ist, welcher durch die Kegelmantelfläche 9 und die Stirnseite 10 begrenzt ist. Der Innenkegel des Kernes 5 und der Außenkegel des Ankers 8 sind geometrisch aufeinander abgestimmt. Zwischen der Stirnfläche 10 des Außenkegels und dem Kegelboden 7 besteht im nichtbestromten Zustand, d. h., in der Ausgangsposition dieses Elektromagneten ein Abstand, der als Arbeitsweg S bezeichnet ist. Über diesen Arbeitsweg hinweg liefert der beschriebene Elektromagnet bei Bestromung eine entsprechende Nutzkraft, die umso größer wird, je weiter sich der Anker 8 dem Kern 5 nähert. - Abhängig von der einander zugeneigten Ausgestaltung von Kern und Anker lassen sich der nutzbare Arbeitsweg S und der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie eines Elektromagneten festlegen. The core 5 has an inner cone on its side inclined towards the coil interior, which is limited by the outer surface 6 and the cone base 7. An armature 8 is movably mounted in the hollow cylindrical part of the coil, which is provided with an outer cone on its part protruding into the coil, which is limited by the outer surface 9 of the cone and the front side 10. The inner cone of the core 5 and the outer cone of the armature 8 are geometrically coordinated with one another. In the non-energized state, i.e. in the starting position of this electromagnet, there is a distance between the front side 10 of the outer cone and the cone base 7, which is referred to as the working path S. Over this working path, the electromagnet described delivers a corresponding effective force when energized, which becomes greater the closer the armature 8 approaches the core 5. - Depending on the design of the core and armature, which are inclined towards each other, the usable working path S and the course of the force-displacement characteristic curve of an electromagnet can be determined.

Der Anker 8 ragt um mindestens diesen nutzbaren Arbeitsweg S in unbestromtem Zustand aus dem Magneten heraus. Auf dieser, aus der Magnetspule herausragenden Seite ist der Anker 8 mit einer Querschnittsschwächung 11 versehen, die beispielsweise als umlaufende Nut in den Anker eingestochen ist. Auf seinem, der inneren Stirnfläche 10 gegenüberliegenden äußeren Stirn-The armature 8 protrudes from the magnet by at least this usable working distance S in the de-energized state. On this side protruding from the magnet coil, the armature 8 is provided with a cross-sectional weakening 11, which is, for example, cut into the armature as a circumferential groove. On its outer face opposite the inner face 10

fläche ist der Anker mit einer Haftvorrichtung 12 verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise eine Schraubverbindung 15 sein. Die Haftvorrichtung 12 ist mit einer Ausnehmung 13 versehen, so daß sich in Richtung Spulensystem eine Anlagefläche 14 ausbildet.The armature is connected to an adhesive device 12 on the surface. This connection can be, for example, a screw connection 15. The adhesive device 12 is provided with a recess 13 so that a contact surface 14 is formed in the direction of the coil system.

Das das Spulensystem umgreifende Joch 4 ist U-förmig ausgebildet und auf seiner offenen U-Seite durch eine Jochbrücke 16 aus weichmagnetischem Material abgedeckt, so daß diese Jochbrücke 16 an der jeweiligen Anlagefläche 19 der offenen U-Schenkel zur Anlage kommt. Die Jochbrücke 16 weist eine Durchbrechung auf, durch welche der Anker mit radialem Spiel beweglich hin- und herverschiebbar ist. Die innere Mantelfläche 161 dieser Durchbrechung innerhalb der Jochbrücke 16 ist umfänglich größer, als die Außenmantelfäche 81 des Zylinders 8. Hierdurch ergibt sich das Spiel zwischen den Mantelflächen 161 und 81, daß in dieser Anordnung bei einem Elektromagneten als Luftspalt Li bezeichnet wird.The yoke 4 that surrounds the coil system is U-shaped and covered on its open U-side by a yoke bridge 16 made of soft magnetic material, so that this yoke bridge 16 comes into contact with the respective contact surface 19 of the open U-legs. The yoke bridge 16 has an opening through which the armature can be moved back and forth with radial play. The inner surface 161 of this opening within the yoke bridge 16 is larger in circumference than the outer surface 81 of the cylinder 8. This results in the play between the surface surfaces 161 and 81, which in this arrangement in an electromagnet is referred to as the air gap Li.

Um entsprechend hohe Haltekräfte im angezogenen Zustand zu erreichen, ist es zweckmäßig, den Abstand Av zwischen den Anlageflächen 14 und 18 geringfügig kleiner zu halten, als die Strecke S. Hierdurch wird erreicht, daß in bestromter Endposition die Anlageflächen 14 und 18 Berührungskontakt haben und eine maßliche Beabstandung der Kegelstirnflächen 7 und 10 gegeben ist.In order to achieve correspondingly high holding forces in the tightened state, it is advisable to keep the distance Av between the contact surfaces 14 and 18 slightly smaller than the distance S. This ensures that in the energized end position the contact surfaces 14 and 18 are in contact and a dimensional spacing of the conical end surfaces 7 and 10 is provided.

Die Ausnehmung 13 der Haftvorrichtung 12 wählt man, um einerseits eine höhere magnetische Flußdichte durch Fokussierung der magnetischen Feldlinien im Bereich der Anlageflächen 14, 18 zu erhalten, andererseits ist es mit der verbleibenden Anlagefläche 14 einfacher, einen flächigen Kontakt zur Anlagefläche 18 herzustellen, als wenn die Haftvorrichtung 12 ohne Ausnehmung wäre.The recess 13 of the adhesive device 12 is selected in order to obtain a higher magnetic flux density by focusing the magnetic field lines in the area of the contact surfaces 14, 18, on the one hand, and on the other hand, with the remaining contact surface 14 it is easier to establish a surface contact with the contact surface 18 than if the adhesive device 12 were without a recess.

Wie bereits vorn erwähnt, erfolgt die magnetische Flußrichtung bei Bestromung in der nach Figur 1 dargestellten Ausgangsposition derart, daß die aus der Spule, vornehmlich im Spuleninneren, austretenden magnetischen Feldlinien über den Kern 5, das Joch 4, die Jochbrücke 5, den Luftspalt Li in den Anker 8 eintreten und bestrebt sind, den magnetischen Widerstand der durch den Arbeitsweg S gegeben ist., zu überwinden bzw. zu reduzieren.As already mentioned above, the magnetic flux direction when energized in the starting position shown in Figure 1 is such that the magnetic field lines emerging from the coil, primarily in the coil interior, enter the armature 8 via the core 5, the yoke 4, the yoke bridge 5, the air gap Li and strive to overcome or reduce the magnetic resistance given by the working path S.

Die in Figur 2 dargestellte Arbeitsposition zeigt den in die Spule eingetauchten Anker 8, wobei sich die Strecke des Arbeitsweges S auf das minimal mögliche Maß reduziert hat. Die Querschnittsschwächung 11 im Anker 8 überdeckt nunmehr die Dicke 17 der Jochbrücke 16, so daß sich für die magnetischen Feldlinien von der Jochbrücke 16 in den Anker 8 hinein ein erheblich größerer Luftspalt L₂ ergibt. Andererseits kommt die Anlagefläche 14 der weichmagnetischen Haftvorrichtung 12 an der Anlagefläche 18 der Jochbrücke 16 zur Anlage. Hierdurch ergibt sich für die magnetischen Feldlinien ein anderer, wesentlich widerstandsärmerer Weg, in dem die Feldlinien nunmehr im Bereich der Anlagefläche 14 aus der Jochbrücke 16 in die Haftvorrichtung 12 eintreten. Aufgrund das flächigen Kontaktes zwischen der Haftvorrichtung 12 und der äußeren Stirnseite des Ankers 8, ist nun der magnetische Feldlinienverlauf wie folgt:The working position shown in Figure 2 shows the armature 8 immersed in the coil, whereby the distance of the working path S has been reduced to the minimum possible. The cross-sectional weakening 11 in the armature 8 now covers the thickness 17 of the yoke bridge 16, so that a considerably larger air gap L ₂ results for the magnetic field lines from the yoke bridge 16 into the armature 8. On the other hand, the contact surface 14 of the soft magnetic holding device 12 comes into contact with the contact surface 18 of the yoke bridge 16. This results in a different, much less resistant path for the magnetic field lines, in which the field lines now enter the holding device 12 from the yoke bridge 16 in the area of the contact surface 14. Due to the flat contact between the holding device 12 and the outer face of the armature 8, the magnetic field line course is now as follows:

Aus dem Spuleninneren in den Kern 5 eintretend, weiter in das Joch 4, die Jochbrücke 16, im Bereich 18 aus der Jochbrücke 16 austretend in die Haftvorrichtung 12, und in die Sirnseite des Ankers 8.Entering from the coil interior into the core 5, then into the yoke 4, the yoke bridge 16, in the area 18 exiting the yoke bridge 16 into the holding device 12, and into the front side of the armature 8.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der einerseits der Kern 50 eine Durchbrechung 51 für einen vorzugsweise unmagnetischen Kraftabgriffsstößel 151 aufweist. Dieser Kraftabgriffsstößel durchdringt gleichzeitig den Anker 80 auf seiner gesamten Länge und dient außerdem als Schraubbefestiguhg 150 für die Haftvorrichtung 120. Dieser Kraftabgriffsstößel 151 ist mit dem Anker kraft- und/oder formschlüssig verbunden. Der Kern 50 ist hier ebenfalls imFigure 3 shows a further embodiment in which the core 50 has an opening 51 for a preferably non-magnetic force-tapping plunger 151. This force-tapping plunger simultaneously penetrates the armature 80 over its entire length and also serves as a screw fastening 150 for the holding device 120. This force-tapping plunger 151 is connected to the armature in a force-locking and/or form-locking manner. The core 50 is also in the

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hohlzylindrischen Teil eines Spulenkörpers 30 aufgenommen, der mit einer Spule 20 bewickelt ist. Gleichzeitig weist der Kern auf der in das Spuleninnere gerichteten Seite einen Innenkegel 60 auf, der auf den Außenkegel 90 des Ankers 80 geometrisch abgestimmt ist.hollow cylindrical part of a coil body 30, which is wound with a coil 20. At the same time, the core has an inner cone 60 on the side facing the interior of the coil, which is geometrically matched to the outer cone 90 of the armature 80.

Das, das Spulensystem 20, 30 umgreifende weichmagnetische Joch 40 kann in diesem dargestellten Beispiel als rotationssymmetrisches Teil ausgebildet sein, das einseitig und einstückig durch einen Boden 160, der als Jochbrücke dient, verschlossen ist. Dieser Boden 160 enthält ebenfalls eine Durchbrechung 200, durch welche der Anker 80 mit seiner Mantelfläche 210 beweglich gleiten kann. Zwischen der inneren Mantelfläche der Durchbrechung 200 und der äußeren Mantelfläche 210 des Ankers 80 besteht ebenfalls ein Spiel, daß den magnetischen Luftspalt Li im unbestromten Zustand des Elektromagneten darstellt. Die dem Boden 160 gegenüberliegende Seite des Joches 40 wird im Bereich 400 durch den entsprechend ausgestalteten Kern 50 durch dessen Außenumfang 500 verschlossen. Hierbei wird Wert darauf gelegt, daß möglichst zwischen den Berührungsflächen 400, 500 kein Spiel auftritt, sondern daß entsprechender Flächenkontakt gegeben ist, um den magnetischen Feldlinien einen möglichst geringen Widerstand in diesem Bereich zu bieten.The soft magnetic yoke 40, which encompasses the coil system 20, 30, can be designed in this example as a rotationally symmetrical part, which is closed on one side and in one piece by a base 160, which serves as a yoke bridge. This base 160 also contains an opening 200, through which the armature 80 can slide with its outer surface 210. There is also a clearance between the inner surface of the opening 200 and the outer surface 210 of the armature 80, which represents the magnetic air gap Li when the electromagnet is not energized. The side of the yoke 40 opposite the base 160 is closed in the area 400 by the correspondingly designed core 50 through its outer circumference 500. It is important here that there is as little play as possible between the contact surfaces 400, 500, but that there is appropriate surface contact in order to offer the magnetic field lines the lowest possible resistance in this area.

Der Jochboden 160 ist auf seiner nach außen gerichteten Fläche mit einer Ausnehmung 130 versehen, so daß eine Restdicke 170 des Bodens 160 verbleibt. Durch diese Ausnehmung bildet sich die Anlagefläche 180, die mit der Anschlagfläche 140 der Haftvorrichtung 120, die in diesem Fall z. B. eine planparallele, gestanzte Scheibe aus weichmagnetischem Werkstoff sein kann, im bestromten Zustand zusammenwirkt.The yoke base 160 is provided with a recess 130 on its outward-facing surface, so that a residual thickness 170 of the base 160 remains. This recess forms the contact surface 180, which interacts with the stop surface 140 of the holding device 120, which in this case can be, for example, a plane-parallel, punched disk made of soft magnetic material, when energized.

Der Anker 80 weist an seiner der Haftvorrichtung 120 zugeneigten Seite eine Querschnittsschwächung 110 auf, die vorzugsweise als abgestufter Rezeß kleineren Durchmessers als die Mantelfläche 210 des Ankers ausgebildet ist.The anchor 80 has a cross-sectional weakening 110 on its side inclined towards the adhesive device 120, which is preferably designed as a stepped recess with a smaller diameter than the outer surface 210 of the anchor.

In Figur 4 ist die bestromte Anker-Endposition des Elektromagneten nach Figur 3 dargestellt. In dieser Position sind die Anlageflächen 140 der Haltevorrichtung 120 und die Anlagefläche 180 des Bodens 160 zur Anlage gebracht. Zwischen der inneren Mantelfläche der Durchbrechung 200 und dem Rezeß 110 ergibt sich auch in diesem Fall der große Luftspalt L₂.Figure 4 shows the energized armature end position of the electromagnet according to Figure 3. In this position, the contact surfaces 140 of the holding device 120 and the contact surface 180 of the base 160 are brought into contact. In this case, the large air gap L ₂ also results between the inner surface of the opening 200 and the recess 110.

Aus Figur 5 lassen sich die Vorteile dieser Neuerung gegenüber dem Stand der Technik aus zwei vergleichenden Kraft-Weg-Kennlinien deutlich erkennen. Hierbei entspricht die Kraft-Weg-Kennlinie I den Verhältnissen, die den Grundgedanken dieser Erfindung verwirklichen. Die Kennlinie Il zeigt das Kraft-Weg-Verhalten eines Elektromagneten gemäß dem bekannten Stand der Technik.Figure 5 clearly shows the advantages of this innovation compared to the state of the art from two comparative force-displacement characteristics. The force-displacement characteristic curve I corresponds to the conditions that implement the basic idea of this invention. The characteristic curve II shows the force-displacement behavior of an electromagnet according to the known state of the art.

Werden beide Kennlinien verglichen, ist zu erkennen, daß bereits zu Beginn der Ankerbewegung mit dem erfindungsgemäßen Magneten einerseits eine höhere Anfangskraft, andererseits auch eine höhere Endkraft zur Verfügung steht. Diese Vorteile lassen sich zur Reduzierung der elektrischen Energie nutzen. Gleichzeitig ist auch bei gleicher Kraftabgabe, wie bei einem Magnet gemäß dem Stand der Technik, eine erhebliche Reduzierung der Bäugröße des erfindungsgemäßen Elektromagneten gegeben.If both characteristics are compared, it can be seen that at the beginning of the armature movement with the magnet according to the invention, a higher initial force is available on the one hand and a higher final force on the other. These advantages can be used to reduce electrical energy. At the same time, even with the same power output as with a magnet according to the state of the art, there is a significant reduction in the size of the electromagnet according to the invention.

Claims

Protection claims:

1. Electromagnet with at least one electrically energizable coil (2, 20) which is at least partially surrounded by a soft magnetic yoke (4, 40), with at least one, usually stationary core (5, 50), at least one movably mounted armature (8, 80), the armature (8, 80) being partially or completely surrounded by a yoke bridge in (16) or a yoke base (160) to form an air gap (l_i), characterized in that the armature (8, 80) has a cross-sectional weakening (11,110), whereby the air gap (L ₁ ) increases shortly before the end of the working path (S) and at the end of the working path (S) assumes its maximum (L ₂ ) as the largest possible air gap, that the armature (8, 80) is further connected to an adhesion device (12, 120) and that in the electrically energized End position of the anchor (8,80) the contact surface (14, 140) of the adhesive device (12, 120) preferably comes to rest on the contact surface (18, 180) of the yoke bridge (16) or the yoke base (160).

2. Magnet according to claim 1, characterized in that the distance (A ₁ ) at the end of the working path (S) is smaller than the air gap (L ₂ ).

3. Magnet according to one of the preceding claims, characterized in that the armature (8, 80) is connected to the adhesive device (12, 120) in a force-fitting and/or form-fitting manner.

4. Magnet according to one of the preceding claims, characterized in that the cross-sectional weakening (11, 110) of the armature (8, 80) is assigned to the armature side on which the adhesive device (12, 120) is attached.

5. Magnet according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive device (12) has a recess (13) on the armature side.

6. Magnet according to one of claims 1 to 4, characterized in that the holding device (120) is a disk.

7. Magnet according to one of the preceding claims, characterized in that the cross-sectional weakening (11) is preferably a circumferential groove.

8. Magnet according to claims 1 to 6, characterized in that the cross-sectional weakening (110) opens out at the end face of the armature associated with the adhesive device (12, 120).

9. Magnet according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive device (12,120) consists of soft magnetic material.

10. Magnet according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnet (1) is a lifting and/or pulling magnet.

11. Magnet according to one of claims 1 to 11, characterized in that the electromagnet is a pivoting magnet.