DE3313333A1

DE3313333A1 - Vorrichtung zur erzeugung von magnetischen kraeften

Info

Publication number: DE3313333A1
Application number: DE19833313333
Authority: DE
Inventors: Peter 6382 Friedrichsdorf Lohberg
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1983-04-13
Filing date: 1983-04-13
Publication date: 1984-10-18
Also published as: DE3313333C2

Description

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Vorrichtung zur Erzeugung von magnetischen Kräften ================================================== Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von magnetischen Kräften mit unter Einhaltung eines Luftspalts ineinander angeordneten topfartigen leitenden Elementen und einen zwischen diesen vorgesehenen scheibenförmigen Permanentmagneten, wobei in den Luftspalt eine Tauchspule einbringbar ist.
Bei magnetischen Kraftkompensationseinrichtungen in Waagen, für Schallwandler, schnelle Positioniereinrichtungen, Magnetventile und dergleichen werden Einrichtungen auf der Basis von Permanentmagneten und stromdurchflossenen Leitern nach dem Tauchspul- bzw. Ringspaltprinzip verwendet. Es sind z.B. sogenannte Topfsysteme bekannt, die gegeneinander gepolte scheiben- bzw. ringförmige Magnete enthalten, wodurch die Streuung des Magnetsystems reduziert werden kann. Bei Anordnungen mit ebenen Luftspalten ist es üblich, Haftplatten durch die wechselweise Anordnung von Magnetplatten und Eisenpolen zu realisieren. Solche Systeme sind jedoch nicht geeignet, wenn z.B. der Bereich der erzeugten Kraft eines magnetischen Linear- oder Schwenkarmantriebes größer sein soll, als es der Strombereich der verfügbaren Quelle gestattet. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn bei einer Analysenwaage der Wägebereich 100 g bis 20 > 9 realisiert werden soll, also ein Bereich von 107 und eine Stromquelle mit dem Bereich von 1 V A bis 100 mA, also ein Bereich von 105 zur Verfügung steht. Um den gewünschen Kraftbereich zu realisieren, muß die Stromquelle an unterschiedliche. Wicklungen einer Tauchspule geschaltet werden, d.h. die Tauchspule wäre mit zwei oder mehr Wicklungen auszurüsten. Abgesehen von dem erhöhten Fertigungsaufwand gegenüber einer einfachen Tauchspule, läßt sich ion der Regel der Luftspalt eines Magnetsystems nicht gleichzeitig an jede Wicklung anpassen. Da sich, im angegebenen Beispiel, erwünschter Kraftbereich und verfügbarer Strombereich um den Faktor 100 unterscheiden, muß die Tauchspule mit Wicklungen ausgerüstet werden, derenWindungszahlen sich um den Faktor 100 unterscheiden. Dieser Umstand kann dazu führen, daß der kleinen Wicklung nur wenige Windungen zuerkannt werden, damit die große Wicklung nicht zu unförmig ausfällt. Die Fertigungspräzision einer Wicklung mit nur wenigen Windungen muß bei gleichem zulässigen Kraftfehler jedoch hundertmal höher sein, als die der großen Wicklung. Erwünscht wäre für beide Spulen eine gleich günstige mittlere Windungszahl.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von magnetischen Kräften zu realisieren, mit dem der Bereich der erzeugten Kraftwirkung eines magnetischen Linear- oder Schwenkarmantriebes größer gestaltet werden kann, als es der Strombereich der verfügbaren Quelle es gestattet.
Diese Aufgabe ist gemäß vorliegender Erfindung dadurch gelöst, daß in der Vorrichtung mindestens drei leitende Elemente vorgesehenen sind und die magnetischen Flüsse jeweils zweier Permanentmagneten das zwischen diesen befindliche leitende Element durchsetzen. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 erläutert.
Erfindungsgemäß werden topfartige leitende Elemente und scheibenförmige Permanentmagnete in wechselnder Folge übereinander bzw. ineinander geschichtet, so daß mit dem Hinzufügen eines zusätzlichen Magneten und eines zusätzlichen leitenden Elementes ein zusätzlicher Luftspalt entsteht, wobei die magnetischen Flüsse zweier benachbarter Magneten jeweils ein leitendes Element gemeinsam durchsetzen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Vereinfachung Fig. 1a und b eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit 2 bzw. 5 Permanentmagneten.
Fig. 2 ein symmetrisches System, das aus der Verdopplung der in Fig. 1a dargestellten Anordnung entsteht.
Fig. 3a und b im Schnitt und in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 4 ein Kraftkompensationsystem für eine Wägeeinrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung.
Fig. 5 die in Fig. 4 dargestellte Anordnung, bei der ein Luftspalt zur Wirbelstromdämpfung herangezogen wird.
Aus den Figuren 1a und b geht hervor, daß mehrere topfartige leitende Elemente 1 bis 6, die zylindrisch oder rechteckig ausgebildet sein können, kaskadenartig übereinander geschichtet werden, so daß sich dazwischen jeweils ein scheibenförmiger Permanentmagnet 7 bis 11 befindet. Es entstehen dabei die Luftspalte 12, 13, usw.
die bei diesen Ausführungsformen konzentrisch zueinander verlaufen. Erfindungsgemäß wird von der tiberlegung ausgegangen, daß bei bekannten Systemen, bestehend aus nur zwei ineinandergestellten leitenden Elementen und einem Permanentmagneten dazwischen, durch geschickte Wahl der Materialstärke erreicht werden kann, daß beide leitenden Elemente nahezu keine Polwirkung zeigen. Dies bedeutet nichts anderes, als der gesamte Fluß der Permanentmagneten dem Luftspalt zugeführt wird, wobei das Eisen der leitenden Elemente noch nicht vollständig gesättigt ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ebenfalls ermöglicht, daß keine äußerliche Polwirkung auftritt. Bei der in Fig. 1a gezeigten Ausführungsform wird demzufolge ein weiterer Permanentmagnet 8 vorgesehen, der gemeinsam mit dem Permanentmagnet 7 auf das mittlere leitende Element 2 wirkt. Das äußere leitende Element 3 erzeugt mit dem Außenteil des mittleren leitenden Elementes 2 einen zusätzlichen Ringspalt 13. Für die Realisierung von zwei Ringspaltsystemen sind hier nur drei Elemente erforderlich, statt vier bei herkömmlichen Systemen. Die Polung der Magneten zueinander ist aufgrund des Prinzips ohne Bedeutung für die generelle Funktionsweise. Die Obereinanderstellung vom Permanentmagneten und leitenden Elementen kann fortgeführt werden. Fig. 1b zeigt eine Anordnung mit fünf Permanentmagneten, einem äußeren leitenden Element 6, einem inneren leitenden Element 1 sowie vier dazwischen liegenden leitenden Elementen.
In Fig. awird ein symmetrisches Zweifachsystem gezeigt, das man sich aus der Verdopplung eines Systems gemäß Fig. ib entstanden denken kann. Die Geometrie der Luftspalte 12 und 15 ist in dieser Ausführungsform unterschiedlich gestaltet, um die individuelle Anpassungsmöglichkeiten an die jeweils zugehörige Tauchspule zu verdeutlichen. Die Kraftübertragung von den Tauchspulen durch das Magnetgestell hindurch kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden. Hierfür sind unterschiedliche Lösungen denkbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, dargestellt in Fig. 3a für eine zweiachsige Anordnung, erfolgt die Anordnung der Permanentmagneten 16, 17, 18, 19 unter räumlichen Versatz in Richtung der drei Hauptachsen. Zu diesem Zweck werden die äußeren und inneren sowie die dazwischen liegenden leitenden Elemente 20, 21, 22 als einander umhüllende Schalen mit quaderförmiger Grundstruktur ausgebildet. Fig. 3b ist ein Blick auf die Ebene der Schnittfläche. Die Luftspalte 23 und 24 werden orthogonal zueinander angeordnet. Die Bewegungsrichtungen der Tauchspulen wurden mit Doppelpfeile gekennzeichnet.
Solche Anordnungen sind für den Einsatz in räumlichen Positioniereinrichtungen bzw. Wandlern von Ortsgrößen oder zur Verwirklichung räumlicher Schallwandler bzw.
ähnlicher Sensoren und Aktuatoren geeignet.
In Fig. 4 wird ein Kraftkompensationssystem für eine Wägeeinrichtung dargestellt, das auf dem erfindungsgemäßen Lösungprinzip beruht. Das Magnetgestell und die Tauchspuleinrichtung, die sich relativ zueinander bewegen können, sind über Schraubverbindungen 25, 26 mit entsprechenden Masseteilen A und B verbunden. Hierbei ist es möglich es möglich, daß B ortsfest ist und A beweglich geführt oder auch umgekehrt. Das Magnetgestell wird als übereinander geschichtete Teile 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 aufgebaut mit den Magneten 28, 30, 33, dem äußeren leitenden Element 32, dem inneren leitenden Element 27 sowie den dazwischen liegenden Elementen 29, 31. Ferner wird eine magnetische Abschirmung 34 vorgesehen. Die Magnete können z.B. aus Kobalt-Samarium-Material gefertigt sein und weisen eine Lochscheibenform auf. Ähnlich topfartig ineinandergeschachtelt sind die drei zugehörigen Tauchspulenträger 35, 36, 37, mit Tauchspulzuführungen 38, die durch die Abschirmung 34 geführt werden. Zur Herausführung der Zuleitungen kann die Halterung 25 dieses Systems als Hohlkörper ausgeführt sein.' Die bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform entspricht das Magnetgestell nahezu der in Fig. 4 gezeigten Anordnung. Hier wird jedoch das äußere leitende Element 39 so ausgebildet, daß der Luftspalt 40 möglichst schmal wird, um eine hohe Luftspaltinduktion zu erreichen. Die Tauchspule 41 kann z.B. zur Kompensation eines Gewichtsbereiches von 10 wg bis 1 g, die Tauchspule 42 zur Kompensation eines Gewichtsbereichs von 200 g bis 2 mg und ein Aluminiumrohr 43 zur Wirbelstromdämpfung des Wägesystems dienen. Durch die Breite des Luftspaltes und die Höhe des Aluminiumrohres läßt sich die erforderliche Dämpfung einstellen. Eine solche integrierte Dämpfung ist vorteilhaft, wenn die Dämpfung genau justiert werden soll und/oder die Dämpfung nicht ausreicht, die durch Tauchspulkörper aus Aluminium bereits erzielbar ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist leicht herstellbar.
Die zwischen dem äußeren und inneren leitenden Element liegenden Elemente können ohne zusätzlichen Aufwand an die gewünschte Geometrie der Luftspalte angepaßt werden.
Durch Übereinander bzw. ineinander Anordnung von Komponenten lassen sich besonders kompakte und raumsparende Magnetsysteme herstellen.

Claims

Patentansprüche & Vorrichtung zur Erzeugung von magnetischen Kräften mit unter Einhaltung eines Luftspalts ineinander angeordneten topfartigen, leitenden Elementen und einen zwischen diesen vprgesehenen scheibenförmigen Permanentmagneten, wobei.im Luftspalt eine Tauchspule einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei leitende Elemente (1-6, 20-22, 27, 29, 31, 32, 39) vorgesehen sind und die magnetischen Flüsse jeweils zweier Permanentmagneten (7-11, 16-19, 28, 30, 33) das zwischen diesen befindliche leitende Element durchsetzen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Elemente (1-6, 20-22, 27, 29, 31, 32, 39) einen zylindrischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen und mehrere leitende Elemente und Permanentmagnete (7-11, 16-19, 28, 30, 33) in wechselnder Folge übereinandergeschichtet sind, wobei mehrere konzentrische'Luftspalte (12, 13, 23, 24, 40) entstehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Luftspalte (12, 13, 23, 24, 40) Tauchspulen (14, 15, 35-37, 41, 42) hineinragen, die auf ineinander geschaltelten Träger angebracht sind und daß das äußerste leitende Element mit einer magnetischen Schirmkappe (34) versehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen mit übereinander geschichteten leitenden Elementen und Permanentmagneten auf der Seite der Luftspalte (12, 13) miteinander verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Elemente (20, 21, 22), einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und als aneinander umhüllende Schalen ausgebildet sind und daß zwischen den leitenden Elementen die Permanentmagnete (16-19) unter räumlichen Versatz in Richtung der'drei Hauptachsen angeordnet sind, wobei die Luftspalte (23, 24) jeweils senkrecht zueinander verlaufen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der einzelnen Luftspalten voneinander verschieden sind.
7. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung in elektromagnetisch kompensierenden Waagen mindestens einer der Luftspalte (40) zur Wirbelstromdämpfung dient.