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Gleichs trommagnet
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Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommagneten gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Gleichstrommagneten der gattungsmäßigen Art sind so ausgebildet, daß
der Wirkungsgrad zwischen der installierten elektrischen Energie und der zur Verfügung
stehenden mechanischen Eneryie möglichst günstig ist. Der magnetische Widerstand
des Kreises, d. h. dessen Luftspalte werden hierzu möglichst gering ausgebildet.
Bei zunehmender elektrischer Leistung müssen die Gleichstrommagneten sehr robust
ausgeführt sein, damit die statische Kraft mechanisch übertragen werden kann.
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Derartige Gleichstrommagneten haben sehr große Änzugszeiten weit oberhalb
von Millisekunden. Insbesondere bei Gleichstrommagneten höherer Leistung, die sehr
robust ausgeführt sind, ergeben sich aufgrund der relativ großen bewegten Masse
sehr große Reaktionszeiten, d. h., die Gleichstrommagneten sprechen sehr langsam
an.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei gleicher Leistung der
Gleichstrommagneten deren Anzugs zeiten zu verringern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch eine Mehrzahl von Pol scheiben wird der magnetische Widerstand
von den Pol scheiben zum Anker wesentlich verringert, da aufgrund der stirnseitigen
Isolation zwischen den Pol scheiben große Wirbel ströme beim Aufbau des Magnetfeldes
vermieden werden, so daß sich das Magnetfeld schnell und ohne elektrische Hindernisse
aufbauen kann. Aufgrund des großen magnetischen Flusses ist die Anfangskraft sehr
groß, wodurch eine schnelle Ansprechzeit erzielt wird. Die Ansprechzeiten liegen
im Bereich von einer Millisekunde, so daß mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten
Gleichstrommagneten Schaltfrequenzen von mehr als 500 Hz verarbeitet werden können.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird das dem Anker zugewandte
Ende des Kerns mit einem Außenkonus, das dem Kern zugewandte Ende des Ankers mit
einem zur Aufnahme des Außenkonus entsprechend ausgebildeten Innenkonus versehen,
wodurch die bewegte Masse des Ankers erheblich kleiner wird, ohne den magnetischen
Widerstand des Kreises zu erhöhen. Die geringere Masse des Ankers kann schneller
beschleunigt werden, so daß bei gleicher Leistung des Gleichstrommagneten eine wesentlich
geringere Anzugszeit erreicht wird.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist im Mantel ein Axialschlitz
vorgesehen, um die den Aufbau des Magnetfeldes störenden Wirbelströme zu unterdrücken.
Eine derartige Ausführung ist insbesondere bei größeren Gleichstrommagneten mit
höheren Leistungen vorteilhaft, da hier die auftretenden Wirbelströme beim Aufbau
des Magnetfeldes die Anzugs zeit erheblich verlängern können. Weiterhin ist es vorteilhaft,
im ,elnen Kern oder/und dem AnkerXradialen, strahlenförmigen Schlitz vorzusehen,
der vorteilhafterweise über die gesamte Länge des Ankers bzw. des Kerns verläuft.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Gleichstrommagneten, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Gleichstrommagneten
gemäß Pfeil II aus Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht auf eine Dämpfungsscheibe, Fig. 4
einen Schnitt gemäß -Linie IV-IV aus Fig. 1.
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Der Gleichstrommagnet 1 gemäß Fig. 1 besteht aus einem ringförmigen,
zylindrischen Spulenkörper 2, in dessen Aufnahmeraum 3 nicht dargestellte Wicklungen
eingebracht sind. Der Spulenkörper 2 mitsamt den nicht dargestellten Wicklungen
ist von einem Mantel 4 umgeben, der axial über die Stirnseiten des Spulenkörpers
übersteht und dessen Stirnseiten durch Polscheiben 5, 6, 7 gebildet sind. Der Mantel
4 ist vorzugsweise durch ein Rohrstück (Rohrabschnitt) gebildet.
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Die Polscheiben 5, 6, 7 sind zumindest auf einer Stirnseite elektrisch
isoliert, so daß bei entsprechender Aneinanderreihung von Polscheiben 5, 6, 7 jede
einzelne Polscheibe axial elektrisch isoliert gegenüber den anderen Polscheiben
ist. Ebenso kann es vorteilhaft sein, die Polscheiben auf beiden Seiten zu isolieren,
so daß beim Aneinanderschichten die Lage der Polscheiben
zueinander
nicht beachtet werden muß. Als Isolierschicht kann eine Lackschicht oder auch eine
Kunststofffolie auf die Stirnseite einer Pol scheibe aufebract erden.
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Die in der Fig. 1 links eingezeichneten Polscheiben 7 haben einen
ein Ausdrehung 36 im stirnseitigen Mantelende entsprechenden Außendurchmesser und
eine zentrale öffnung zur Aufnahme eines Kerns 8, der im Inneren des Spulenkörpers
2 liegt. Der Kern 8 liegt radial weitgehend spielfrei im Spulenkörper 2, sein den
Pol scheiben 7 zugewandtes Ende 9 ist im Durchmesser kleiner ausgebildet und sitzt
fest in den zentralen öffnungen der beiden elektrisch voneinander isolierten Polscheiben
7, so daß kein radialer Luftspalt entsteht. Die äußere der beiden Polscheiben 7
ist auf ihrer Außenkante angefast, so daß durch Verstemmen des Mantelrandes ein
fester Sitz der Pol scheiben 7 in der Ausdrehung 36 auf der Stirnseite 28 des Mantels
4 erzielt werden kann.
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Auf der anderen Stirnseite 11 des Mantels 4 ist eine Polscheibe 5
angeordnet, die im Außendurchmesser dem Innendurchmesser einer endseitigen Ausdrehung
37 im Mantel 4 entspricht. Diese Polscheibe 5 hat eine größer als der Außendurchmesser
eines Ankers 10 ausgebildete zentrale öffnung, so daß ein radialer Luftspalt zwischen
Anker 10 und Polscheibe 5 besteht, der möglichst gering ausgebildet ist und eine
leichte, axiale Beweglichkeit des Ankers 10 gewährleistet Der Anker 10 und der Kern
8 sind mit gleichem Außendurchmesser ausgebildet, wobei der Kern 8 nur eine etwa
2/3 der axialen Länge des Spulenkörpers 2 entsprechende Länge hat, so daß der Anker
10 in seiner Arbeitsstellung (nicht dargestellt) in den Innenraum 38 des Spulenkörpers
2 eintauchen kann. Um auch im Innenraum 28 die axiale Beweglichkeit des Ankers 10
sicherzustellen, ist der Innenraum 38 des Spulenkörpers geringfügig ausgedreht,
so daß bei eingetauchtem Anker 10 über dessen gesamte Länge ebenfalls ein radialer
Luftspalt sichergestellt ist.
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Auf die Polscheibe 5 sind weitere Polscheiben 6 aufgesetzt, die eine
der öffnung der Pol scheibe 5 entsprechende zentrale öffnung haben, im Außendurchmesser
jedoch geringer ausgebildet sind. Die Polscheiben 6 liegen mit ihren zentralen öffnungen
deckungsgleich aufeinander und auf der Polscheibe 5, so daß ein rohrförmiger Aufnahmeraum
12 entsteht, der an den Innenraum 38 des Spulenkörpers 2 anschließt und diesen über
den Rand des Mantels 4 hinaus verlängert. Der Aufnahmeraum 12 sowie der Innenraum
38 des Spulenkörpers 2 haben hierbei vorzugsweise gleichen Innendurchmesser.
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Die drei Polplatten 6 liegen formschlüssig in einem Deckel 13, der
auf seiner dem Mantel 4 zugewandten Stirnseite einen umlaufenden Flansch 14 trägt,
der bündig in der endseitigen Ausdrehung 37 auf der Stirnseite 11 des Mantels 4
festliegt.
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An das freie Ende des Aufnahmeraums 12 schließt ein im Durchmesser
größer ausgebildeter, axialer Freiraum 16 an, dessen Boden 17 als Anschlag für den
in Ruhestellung (Fig. 1) kraftbeaufschlagten Anker 10 dient.
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Der Anker 10 ist fest auf einer Druckstange 15 befestigt, die gleichachsig
den Kern 8 sowie den Deckel 13 durchdringt. Im Bereich ihrer Enden 19, 22 ist die
Druckstange 15 in im Deckel 13 bzw. im Kern 8 eingelassenen Lagern 18 axial verschieblich
gehalten, wobei der Kern 8 und der Anker 10 etwa gleichachsig zueinander ausgerichtet
sind. Das über die Stirnseite 28 herausgehende freie Ende 19 der Druckstange 15
trägt eine Pralltopf 20; das andere freie Ende 22 der Druckstange 15 ragt aus dem
Deckel 13 geringfügig heraus.
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Die zur Aufnahme der Druckstange 15 durchgehende Bohrung 39 im Kern
8 ist in seinem dem Anker 10 zugewandten Endabschnitt im Durchmesser erweitert ausgeführt
und dient zur Aufnahme
einer Druckfeder 21, die mit ca. 2/3 ihrer
Länge im Kern 8 liegt. Die Druckfeder 21 stützt sich mit einem Ende im Kern 8, mit
dem anderen Ende am Anker 10 ab und bestimmt so die in Fig. 1 gezeichnete Ruhelage
des Ankers 10 in Anlage am Boden 17 des Freiraums 16.
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Der Mantel 4, die Polscheiben 5, .6 und 7, der Kern 8 sowie der Anker
10 bestehen aus einem weichmagnetischem Material, während der Spulenkörper 2 und
die Druckstange 15 aus nicht magnetischem Material gefertigt sind. Der Deckel 13
kann aus para- oder diamagnetischem Material bestehen, wobei durch einen ferromagnetischen
Deckel 13 ggf. auftretende Streufelder begrenzt werden können, so daß die Leistungsfähigkeit
des Gleichstrommagnetens gesteigert und damit dessen Anzugs zeit weiter verringert
wird.
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Durch die Anordnung mehrerer Pol scheiben 5 und 6 um den Anker 10
wird das Streufeld des zur Beweglichkeit des Ankers radial benötigten Luftspaltes
begrenzt, so daß ein verbesserter magnetischer Fluß zum Anker 10 erzielt wird. Aufgrund
der stirnseitigen elektrischen Isolation der Polscheiben gegeneinander kann sich
sofort nach Einschalten des Gleichstrommagneten das Magnetfeld rasch und ohne Behinderung
durch Wirbelströme aufbauen, wodurch ein verbessertes Ansprechverhalten des Gleichstrommagneten
erzielt wird, so daß Anzugszeiten im Millisekundenbereich erreicht werden.
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In Arbeitsstellung des Ankers 10 liegt dieser eng am Außenkonus 25
des Kerns 8 an. Auch wenn hierdurch einige Polplatten 6 aufgrund des Arbeitshubes
freigestellt werden, verringert sich der magnetische Fluß nicht, da aufgrund des
nun geringeren Luftspaltes zwischen Kern 8 und Anker 10 der Gesamtwiderstand des
magnetischen Kreises erheblich gesunken und die kinetische Energie groß genug geworden
ist, so daß die geringfügige Erhöhung des magnetischen Widerstandes zwischen Pol
scheiben und Anker aufgrund der Freistellung ohne Wirkung bleibt.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, ist zur Verringerung der bewegten Masse der
Kern 8 auf seinem dem Anker 10 zugewandten Ende 24 mit einem Außenkonus 25 versehen,
während das dem Kern 8 zugewandte Ende 29 des Ankers 20 mit einem zur Aufnahme des
Außenkonus 25 entsprechend ausgebildeten Innenkonus 26 versehen ist. Die bewegte
Masse des Ankers 10 ist so erheblich reduziert, ohne daß der magnetische Widerstand
des Kreises erhöht ist. Bei gleichbleibender Aufnahmeleistung eines Gleichstrommagneten
ist durch eine derartige Ausbildung eine geringere Anzugszeit zu erzielen, da die
zu beschleunigenden Massen geringer sind. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen
Anordnung mehrerer Polscheiben 5, 6, 7 sind mit einer derartigen Anordnung Anzugs
zeiten des Gleichstrommagneten im Bereich von einer Millisekunde zu erzielen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist, wie insbesondere aus Fig.
2 ersichtlich, im Mantel 4 ein Axialschlitz 27 vorgesehen, der bis auf verbleibende
Verbindungsstege 23 etwa über die gesamte axiale Länge des Mantels läuft. Die Stabilität
des Mantels bleibt durch die Verbindungsstege 23 erhalten, während durch den Axialschlitz
27 die Bildung größerer Wirbelströme im Mantel 4 vermieden wird, so daß sich das
Magnetfeld ungestört aufbauen kann, wodurch die Ansprechzeit des Magneten weiter
verringert wird.
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Um eine Ausbildung von größeren Wirbelströmen im Kern bzw. im Anker
zu vermeiden, wird ein strahlenartiger, vorzugsweise radialer Schlitz vorgesehen,
der von der Achse 31 ausgehend vorzugsweise über die gesamte axiale Länge läuft.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Schlitz 30 im Ausführungsbeispiel im Kern vorgesehen,
da sich hier aufgrund der großen Abmessungen die Wirbelströme ungestört ausbilden
können. Der Schlitz 30 ist ausgehend von der Achse 31 strahlenförmig angeordnet
und trennt den Kern bis zur Achse 31 auf. Selbstverständlich ist die Anordnung eines
derartigen Schlitzes gleichzeitig im Kern 8 und Anker 10 möglich
und
insbesondere bei größeren Bauausführungen von Gleichstrommagneten sinnvoll.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Gleichstrommagneten 1 sind
nunmehr alle Bereiche, in denen sich verstärkt störende Wirbelströme ausbilden könnten,
weitgehend "entstört", so daß sich beim Einschalten des Gleichstrommagneten das
magnetische Feld ungestört aufbauen kann und daher schneller anwächst als bei herkömmlichen
Gleichstrommagneten. Die Ansprechzeiten eines Gleichstrommagneten können so bis
zu etwa einer Millisekunde gesenkt werden, so daß erheblich höhere Schaltfrequenzen
(über 500 Hz) erzielbar sind, was den Anwendungsbereich der Gleichstrommagneten
erweitert.
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Aufgrund der schnellen Bewegungen des Ankers 10 ist dessen Bewegungsraum,
bestehend aus Innenraum 28, Aufnahmeraum 12 und Freiraum 16 über eine Öffnung 32
mit der Umgebungsluft verbunden, um einen Druckausgleich zu erzielen. Die bewegten
Teile sind dadurch von jeglicher Druck- und Sogwirkung weitgehend befreit, insbesondere
kann die Rückstellung des Ankers 10 in seine Ruhestellung (Fig. 1) schnell und ohne
großen Kraftaufwand erfolgen. Die Rückstellfeder, nämlich die Druckfeder 21 kann
daher relativ schwach ausgebildet sein, so daß die Feder die Anzugszeit nicht ungünstig
verlängert.
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Um ein ungünstiges Prellen des Ankers 10 bei der Rückstellung zu vermeiden,
ist auf dem Boden 17 des Freiraums 16 eine Dämpfungsscheibe 33 angeordnet, die auf
ihrer dem Anker 10 zugewandten Stirnseite 35 Noppen 34 trägt (Fig. 3). Eine derartige
Ausführung stellt eine prellfreie Rückstellung des Ankers 10 sicher, so daß hohe
Schaltfrequenzen störungsfrei ausgeführt werden können.
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Selbstverständlich ist die Zahl der auf einer Stirn seite anzuordnenden
Pol scheiben beliebig und kann entsprechend den
Einsatzbedingungen
und der Bauart des Gleichstrommagneten angepaßt werden. Ebenso sind die zusätzlichen
Maßnahmen (Axialschlitz 27 im Mantel 4, Radialschlitz 30 im Kern bzw.
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Anker, Entlüftungsöffnung 32 sowie Dämpfungsscheibe 33) einzeln oder
in Kombination je nach Bauart oder Einsatzbedingung der Gleichstrommagneten anwendbar.
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