DE3402768A1

DE3402768A1 - Bistabiles magnetisches stellglied

Info

Publication number: DE3402768A1
Application number: DE19843402768
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Dr Ing Huebner; Wolfram Dr Ing Stanek
Original assignee: Thyssen Edelstahlwerke AG
Current assignee: Thyssen Stahl AG
Priority date: 1984-01-27
Filing date: 1984-01-27
Publication date: 1985-08-01
Also published as: DE3402768C2

Description

Bistabiles magnetisches Stellglied.

Die Erfindung betrifft ein bistabiles magnetisches Antriebs- oder Stellglied mit veränderbarer Kraft-Weg-Kennlinie für die Steuerung pneumatischer, hydraulischer und mechanischer Anlagen, sowie den Antrieb selbst, insbesondere Positionierantriebe, Pumpen oder dergleichen, für die hohe Kräfte aufgewendet werden müssen.

Das bistabile Antriebs- und Stellglied soll hohe stromlose Haltekräfte in den beiden Endstellungen ermöglichen und das Umschalten von einer Stellung in die andere mit elektromagnetischen Steuerspulen durchführen.

Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse Kolbenhubmagnete mit zwei ringförmigen axial gegeneinander polarisierten Permanentmagneten im Zusammenwirken mit elektromagnetischen Steuerspulen zu verwenden. Hierbei wird ein den Kolbenanker mittig umfassender, zentraler Weicheisenpol angeordnet, während die anderen entgegengesetzten Pole des ringförmigen Dauermagneten an gleichachsig angebrachten weichmagnetischen Statorpolringen anliegen, die einerseits den äußeren magnetischen Rückschluß um die angrenzenden, gleichachsig liegenden ringförmigen Steuerspulen zu den beiderseitigen weichmagnetischen Endpolen bilden und andererseits unter Bildung axialer Arbeitsluftspalte zu den Endpolen hin je nach anzusteuernder Ankerstellung mit auf dem Kolbenanker geformten Ringpolen durch radiales Gegenüberstehen in magnetischen Eingriff gelangen (DE-PS

12 53 821). Es ist ebenfalls bekannt, das Umschalten des Ankers von einer Endstellung in die andere durch eine den Dauermagnet-Nutzfluß verstärkende Erregerwicklung und eine weitere Wicklung, welche den auftretenden dauermagnetischen Ilaltefluß schwächt, zu erreichen (DE-PS 14 39 524).

Weiterhin ist bekannt, daß ein stromloses Haften auch mit nur einem Dauermagneten erreicht werden kann. Einmal sind ebene Anordnungen mit sich zwischen zwei Anschlägen bewegender Weicheisenplatte, durch elektrische Impulse gesteuert, beschrieben worden (DE-PS 912 721). Zum anderen ist bekannt, daß man zwei mit Abstand voneinander und konzentrisch zueinander angeordnete Weicheisenkerne, je von einer Wicklung umgeben, aufbauen kann. Hierbei ist zwischen den beiden Kernen ein hin- und herbewegbarer Weicheisenzylinder angeordnet. Die magnetischen Kerne sind über einen Rückschluß miteinander verbunden und der Zylinder ist von einer vorzugswiese radial magnetisierten dauermagnetischen Führung umgeben (DE-OS 31 32 896).

.r Es ist außerdem bekannt, daß man mit nur einem axial oder radial magnetisierten Dauermagnetring ohne Spulen nur durch axiale Relativbewegung zu zwei durch eine axial angeordnete Feder getrennte konzentrische Weicheisenteile über die resultierende Reluktanzkraft zwei durch Anschläge begrenzte Endstellungen erreichen kann

(DE-OS 30 27 351).

Alle beschriebenen Anordnungen haben den Nachteil, Kraft-Weg-Kennlinien schnell vor Ort sich ändernden Prozeßbedingungen nicht anpassen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bistabiles magnetisches Antriebs-oder Stellglied mit großen Kräften in den Endstellungen, hohen Losbrechkräften, flexibler Kraft-Weg-Kennlinie und minimaler Schaltleistung bei kleinstmöglichem Bauraum kostengünstig zu entwickeln.

Diese Aufageb wird bei einem gattungsgemäßen Antriebs- oder Stellglied durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche gelöst.

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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile gegenüber den erwähnten bekannten Antriebs- und Stellgliedern sind:

1. Der Hub bzw. die Kraft-Weg-Kennlinie kann nach Vorgabe des

·* Änderungswertes vor Ort schnell sich ändernden Prozeßbedingungen angepaßt werden,

2. Reduzierung der Schaltleistung zur Erzeugung hoher Losbrechkräfte. Dadurch werden die Kosten für den mechanischen Aufbau

der Ansteuerelektronik und die Steuerspulen minimiert,

3. Schnellere Schaltzeit, da bremsende Reluktanzkräfte in der Umschaltphase minimiert werden,

4. Durch die verstellbaren Schubhalseinsätze bzw. Polringe braucht man sich kein ganzes Sortiment von kompletten Stell- und Antriebsgliedern auf Lager zu halten, um schnell auf sich ändernde Prozeßbedingungen reagieren zu können,

5. Die Einstellung einer zu ändernden Kraft-Weg-Kennlinie kann auch

von angelerntem Personal durchgeführt werden,

6. Hohe Haftkräfte können mit minimalem Magnetvolumen erzeugt

werden, wobei axial magnetisierte Magnete eingesetzt werden können, die preiswerter sind als radial magnetisierte Magnete.

Der prinzipielle Aufbau des Antriebs- oder Stellgliedes und dessen Wirkungsweise geht aus Fig. 1 hervor.

Ein Zylinder 4 aus magnetisierbarem Material mit definiert versetzten starren oder verstellbaren Zähnen 3, 3 sitzt auf einem Betätigungsstößel 12 aus nicht-magnetisierbarem Material und ist durch Klebung oder Verstiftung mit diesem fest verbunden. Der Betätigungsstößel 12

mit dem Zylinder 4 wird von zwei topfförmigen Rückschlußteilen 10,11 umgeben. Die Rückschlußteile 10,11 schließen einen axial magnetisierten Dauermagnetring 1 und zwei auf dessen Polflächen aufgesetzte Polringe 2,2' ein. In die Rückschlußteile 10,11 sind die Schaltspulen 5, 6 eingesetzt.

In den Boden der topfförmigen Rückschlußteile 10,11 sind Schubhalseinsätze 7, T axial bewegbar eingesetzt, z.B. eingeschraubt. Die Innenflächen der Schubhalseinsätze 7, T bilden die Anschlagflächen für den Zylinder 4 in dessen jeweiliger Endstellung. Der Hub des Betätigungsstößels 12 entspricht dem Abstand zwischen der einen Endfläche des Zylinders 4 und der gegenüberliegenden Fläche des Schubhalseinsatzes 7 und ist mit S ,. bezeichnet. Durch Herausdrehen oder

· alt

-schrauben des Schubhalseinsatzes 7 aus dem Rückschlußteil 10 kann der Hub auf den Abstand S vergrößert werden. Hierdurch wird eine

neu ⁶

Änderung der Kraft-Weg-Kennlinie erreicht.

Die versetzte Zahnpolstelle 3, 2 ist feldnumerisch so dimensioniert, daß zusätzlich zu der an der Haftfläche 13 durch den äauermagnetischen Nutzfluß 16 verursachten Haftkraft noch eine zusätzliche Reluktanzkraft die effektive Haftkraft erhöht. Die versetzte Zahnpolstellung 3', 2' ist feldnumerisch andererseits so dimensioniert, daß hierüber vom dauer-

magnetißchen Gesamtfluß nur ein vernachlässigbarer Streufluß auftritt.

Für die Umschaltphase z.B. von der unteren in die obere Endstellung muß gewährleistet sein, daß der Steuerstrom der Spule 6 den magnetisehen Nutzfluß 16 an der Haftfläche 13 exakt kompensiert. Diese Forderung wird optimal mit Spannungsüberhöhung und Strombegrenzung erfüllt. Da jedoch für hohe Anforderungen exakt in der Umschaltphase die dynamische Losbrechkraft F_n mindestens genauso groß sein soll

wie die statische Haltekraft F , muß zusätzlich ein den dauermagnetischen Nutzfluß verstärkender elektrischer Impuls auf die Spule beaufschlagt werden, der am besten mit Spannungsüberhöhung, aber nicht unbedingt mit Strombegrenzung, durchgeführt werden kann.

Die Reluktanzkraft kann verändert werden durch Verstellung der Polringe 3, 3* in axialer Richtung auf dem Zylinder 4. Es ist aber auch möglich, stattdessen den Zylinder 4 mit anders angeordneten PoI-ringen auszutauschen.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Dauermagnetring mit Polschuhen auf den Zylinder anzuordnen und die Polringe statt auf den Zylinder im Gehäuse 10,11 anzuordnen. Für die effektiv erzielbaren Haftkräfte ist jedoch die dargestellte Anordnung günstiger.

- Leerseite

Claims

THYSSEN EDELSTAHLWERKE AG

Patentansprüche

flj Bistabiles magnetisches Antriebs- und Stellglied mit veränderbarer Kraft-Weg-Kennlinie, gekennzeichnet durch mindestens einen axial magnetisierten Dauermagnetring (1) und zwei zu diesem koaxiale, in axialer Richtung benachbarte Polschuhe (2, 2') sowie ferner einen auf dem axial beweglich gelagerten Betätigungsstößel (12) aus nichtmagnetisierbarem Material angeordneten Zylinder (4) aus magnetisierbarem Material, auf dessen Umfang Ringe (3, 3') aus magnetisierbarem Material in koaxialer Richtung zu den Polschuhen (2,2') versetzt angeordnet sind, derart, daß in jeder der beiden Endstellungen des Betätigungsstößels (12) jeweils nur einer der beiden Ringe (3 bzw. 3') dem entsprechenden Polschuh (2 bzw. 2*) gegenüberliegt, sowie durch axial an die Polschuhe (2,2') sich anschließende topfförmige Rückschlußteile (10,11), in die jeweils eine getrennt steuerbare Schaltspule (5,6) eingesetzt ist und deren

Böden (8,9) die Anschlagflächen für den Zylinder (4) bilden. 20
2. Stellglied nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Böden (8, 9)·Schubhalseinsätze (7,7') in axialer Richtung bewegbar sind.
3. Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (3,3') am Zylinder (4) bewegbar sind.
3_ 4. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Dauermagnetringe mit Polschuhen im Zylinder (4) und die Polringe diesen gegenüberliegend im Gehäuse (10, 11) angeordnet sind.
5. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltspulen ( 5, 6) mit Spannungsüberhöhung

und im Kompensationsfall mit einer zusätzlichen Strombegrenzung «

betrieben werden.