DE3417357A1 - Elektromagnetische vorrichtung - Google Patents

Description

LUCAS INDUSTRIES public limited company

Great King Street

Brimingham B19 2XF Großbritannien

Elektromagnetische Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Vorrichtung mit einem Kern oder Ständer, einem relativ zum Kern verschiebbaren Anker, wenigstens einem durch den Kern definierten Polstück, einer um einen Teil des Kerns gewickelten Erregerwicklung, die bei Zuführung von elektrischem Strom magnetischen Kraftfluß durch das Polstück treibt, wobei das Polstück eine Polfläche bildet und zwischen dieser und dem Anker Kraftfluß durch einen Luftspalt geht, der sich in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Anker und dem Kern erstreckt, und einem zwischen dem Anker und dem Kern definierten Rückfluß-Luftspalt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektromagnetischen Vorrichtung der oben genannten Art mit verbessertem Wirkungsgrad.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich der Rückfluß-Luftspalt in einer im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung der Relativbewegung zwischen Kern und Anker verlaufenden Richtung erstreckt, daß der Kern eine weitere

Wicklung trägt, die Kraftfluß durch das Polstück in die gleiche Richtung wie die erstgenannte Wicklung treibt, und daß die Vorrichtung einen weiteren Rückfluß-Luftspalt für den von der weiteren Wicklung erzeugten Kraftfluß aufweist, wobei sich der weitere Rückfluß-Luftspalt ebenfalls in einer im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung der Relativbewegung zwischen Kern und Anker verlaufenden Richtung erstreckt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 jeweils zwei Ansichten von elektromagnetischen bis 3 Vorrichtungen, wobei jeweils die linke Seite

eine konventionelle Vorrichtung und die rechte Seite die Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt; und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei der konventionellen Vorrichtung von Fig. 1 ist der Kern ringförmig und stellt im Schnitt ein E dar mit einem äußeren ringförmigen Polstück 10 und einem inneren Polstück 11, das sich über das Polstück 10 hinaus erstreckt und eine Öffnung in einem Anker 12 durchsetzt. Das innere Polstück 11 ist von einer Wicklung 13 umgeben. Das Polstück 10 bildet eine ringförmige Polfläche, die dem Anker zugewandt ist, und der Luftspalt zwischen der Polfläche und dem Anker verläuft in Richtung der Relativbewegung der aus Anker und Kern aufgebauten Vorrichtung. Der Luftspalt zwischen dem inneren Polstück 11 und der Wand der Öffnung in dem Anker verläuft rechtwinklig zu der Richtung der Relativbewegung zwischen Anker und Kern. Wenn der Wicklung elektrischer Strom zugeführt wird, nehmen die Polstücke 10 und 11 entgegengesetzte magnetische Polarität an, wobei der Kraftfluß die beiden Luftspalte durchsetzt. Der den Luftspalt zwischen der Polfläche 10 und dem Anker 12 durchsetzende Kraftfluß erzeugt eine den Anker beaufschlagende Kraft, so daß der Anker zum Polstück 10 hin bewegt wird.

Bei der Anordnung von Fig. 2 hat das innere Polstück 14 die gleiche axiale Länge wie das Polstück 10, und der Anker 15 hat keine Öffnung. Daher sind hier wiederum beide Luftspalte zwischen dem Anker und dem Kern gebildet, jedoch verlaufen beide Luftspalte in Richtung der Relativbewegung von Anker und Kern. Zwar sind die bekannten Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 2 sowie diejenige nach Fig. 3, die der Vorrichtung nach Fig. 2 entspricht, zylindrisch, sie brauchen jedoch nicht diese Form aufzuweisen, sondern können einfache Ε-Kerne sein.

Die konventionellen Vorrichtungen haben einen einfachen Magnetkreis mit einer Einzelwicklung, so daß die zur Erzeugung des Flusses erforderliche MMK geliefert wird. Wenn man den Leckfluß außer acht läßt, ist der Querschnitt des Eisenkreises für eine spezifizierte Flußdichte im Eisenkreis durch den Pol-Spalt-Querschnitt und die erforderliche Pol-Spalt-Flußdichte gegeben.

Faktoren, die die Geschwindigkeit der Kraftsteigerung und damit die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Kern und Anker begrenzen, sind die Induktivität, insbesondere die induktive Zeitkonstante, die die Stromanstiegsgeschwindigkeit in der Wicklung begrenzt, sowie die Wirbelströme im Magnetwerkstoff, die die Anstiegsgeschwindigkeit des Flusses im Magnetwerkstoff begrenzen. Bei dem Versuch, ein schnelleres Ansprechen der Vorrichtung zu erzielen, muß darauf geachtet werden, die induktive Zeitkonstante sowie die Zeit zu minimieren, die für das Eindringen des Flusses in den Magnetwerkstoff, auch als Flußeindringzeit bezeichnet, erforderlich ist. Die Induktivität ist eine Funktion der Abmessungen des Kerns, des Werkstoffs desselben, des Erregungsniveaus und des Leckflusses. Die Flußeindringgeschwindigkeit hängt von dem Kernwerkstoff und dem Erregungsniveau ab, und die Flußeindringzeit hängt von der Flußeindringgeschwindigkeit und dem Querschnitt des Eisenkreises oder dem Querschnitt der Einzelbleche ab, wenn es sich um einen aus Einzelblechen bestehenden Eisenkreis handelt.

Eine Lösung dieses Problems besteht in der Erzeugung von Kraftfluß für jedes Polstück, das einem während der Relativbewegung von Anker und Kern abnehmenden Luftspalt zugeordnet ist, durch zwei Eisenkreise, und damit bleibt für eine gegebene Polarbeitsfläche, gegebene Flußdichte und gegebenen Leckfluß die Gesamteisenfläche konstant und wird zwischen den beiden Eisenkreisen aufgeteilt. Der Schnitt jedes so gebildeten Eisenkreises ist gegenüber dem konventionellen Aufbau verringert, und daher ergibt sich eine Verringerung der Zeit, die für das Eindringen des Kraftflusses erforderlich ist. Eine Erregerwicklung ist für jeden Eisenkreis erforderlich, und die Polarität der MMK muß so sein, daß der resultierende Kraftfluß in demjenigen Polstück additiv ist, das dem Luftspalt zugeordnet ist, dessen Länge sich während der Relativbewegung zwischen Kern und Anker verringert.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Kern so abgewandelt ist, daß ein zentrales ringförmiges Polstück 16 und zwei äußere Polstücke 17, 18 vorhanden sind. Wicklungen 19 sind in die zwischen dem zentralen Polstück und den äußeren Polstücken befindlichen Zwischenräume gewickelt. Der Anker 20 ist abgestuft hohlzylindrisch und überlappt das Polstück 16 in Radialrichtung. Somit ist zwischen dem Polstück 16 und der Stufe des Ankers ein in Axialrichtung verlaufender Luftspalt gebildet, während zwischen dem Anker und den Polstücken 17, 18 radiale Luftspalte vorhanden sind, deren Dimensionen sich nicht ändern, wenn zwischen dem Anker und dem Kern eine Relativbewegung stattfindet. Die Wicklungen sind gegeneinander reihengeschaltet, und jede Wicklung induziert, wenn sie mit Strom beaufschlagt wird, Kraftfluß in ihrem Magnetkreis, und der Kraftfluß der beiden Eisenkreise ist in dem Polstück 16 additiv. Für einen bestimmten Erregerstrom hat jede Wicklung 19 ungefähr die gleiche Anzahl Windungen wie die Wicklung 13.

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Wenn die Wicklungsabmessungen für beide Konstruktionen gleich sind, ist im Fall der modifizierten Vorrichtung der Widerstand der beiden Wicklungen 19 doppelt so hoch wie derjenige der Wicklung 13. Jedoch ist die Reiheninduktivität der beiden Wicklungen weniger als die doppelte Reiheninduktivität der Einzelwicklung, und zwar wegen der Gegeninduktivität zwischen den beiden Wicklungen. Da die Induktivität der beiden Wicklungen geringer als die doppelte Induktivität der Einzelwicklung ist, der Widerstand jedoch doppelt so hoch ist, ist die induktive Zeitkonstante kleiner als für eine Einzelwicklung.

Gemäß Fig. 2 bilden zwei ringförmige Polstücke 21 das Äquivalent der Polstücke 10 und 14, und der Anker 22 ist so geformt, daß er den Seiten der Polstücke 21 zugewandte Abschnitte aufweist, die die axial verlaufenden Luftspalte begrenzen. Der Kern weist ferner zwei weitere Polstücke 23 auf, die mit dem Anker radial verlaufende Luftspalte begrenzen. Eine Wicklung 24 ist in der zwischen den Polstücken 21 gebildeten Nut angeordnet, und Wicklungen 25 sind zwischen den Polstücken 23 und 21 vorgesehen. Die drei Wicklungen sind wiederum reihengeschaltet, wobei die Stromflußrichtung in benachbarten Wicklungen entgegengesetzt verläuft. Wenn die Wicklungen erregt werden, nehmen die Polstücke 21 entgegengesetzte magnetische Polarität an, aber jedes Polstück 21 empfängt Kraftfluß von zwei Magnetkreisen, deren einer den beiden Polstücken gemeinsam zugeordnet ist. In diesem Fall weisen die Wicklungen 25 die halbe Anzahl Windungen wie die Wicklung 24 auf.

Die Ausführungsform von Fig. 3 entspricht im wesentlichen derjenigen von Fig. 2; der Unterschied besteht darin, daß der Anker im wesentlichen geradzylindrisch ist und anstatt der Stufen des Ankers von Fig. 2 nach innen verlaufende Rippen aufweist.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 ist eine Modifikation der rechts in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung. Dabei liegt der Anker innerhalb des Kerns. Der Kern 26 umfaßt einen hohlen becherförmigen Körper 27, in dessen Basis 28 eine Öffnung 29 ausgebildet ist. Die Basis trägt ferner einen in Axialrichtung verlaufenden ringförmigen Vorsprung 30, dessen radial innere Fläche geradzylindrisch ist. Die radial äußere Wand des Vorsprungs 30 ist von der Basis weg nach innen geneigt. Die Einfassung des Körpers 27 bildet eine Stufe 31, an der ein ringförmiges Polstück 32 des Kerns anliegt. Das Polstück ist in seiner Lage durch ein rohrförmiges Element 33 gehalten, das seinerseits in seiner Lage durch ein Endverschlußteil 34 gehalten ist, das im offenen Ende des Körpers 27 in irgendeiner geeigneten Weise lagegesichert ist. Das Endverschlußteil 34 weist einen damit einstückigen und in Axialrichtung verlaufenden ringförmigen Vorsprung 35 mit einer radial inneren Fläche in Form eines Geradzylinders und einer radial äußeren Fläche auf, die vom Endverschlußteil weg nach innen geneigt verläuft. Alle vorstehend erläuterten Teile bestehen aus magnetisierbarem Werkstoff.

Die Vorsprünge 30 und 35 sind von Wicklungen 36 bzw. 37 umgeben, die jeweils auf entsprechenden Spulenkörpern angeordnet sind. Vorteilhafterweise sind die Wicklungen reihengeschaltet, wobei die Stromflußrichtung derart ist, daß, wenn die Wicklungen von Strom durchflossen sind, das Polstück 32 des Kerns eine magnetische Polarität und die Vorsprünge entgegengesetzte Polarität annehmen. Die Anzahl Windungen jeder Wicklung ist dieselbe.

In dem Kern ist ein verschiebbarer Anker 38 vorgesehen, der im wesentlichen hohlzylindrisch ist und eine geradzylindrische Außenfläche aufweist, die so bemessen ist, daß sie relativ zu den Innenflächen der Vorsprünge 30 und 35 verschiebbar ist. Der Anker weist eine Innenrippe 39 mit einer Mittenöffnung auf, so daß er mit einem Leistungsabgabeorgan (nicht gezeigt) verbind-

bar ist, das sich durch die Öffnung 29 erstreckt. Der Anker hat eine Außenrippe 40 mit einer Radialfläche 41, die einer Radialfläche des Polstücks 32 des Kerns zugewandt ist. Die anderen Seiten und Endflächen der Rippe 40 und des Polstücks 32 sind so geformt, daß der Leckfluß minimiert und im Fall des Ankers dessen Masse vermindert wird. Ferner verlaufen die Innenflächen des Ankers von der Innenrippe sich konisch verjüngend nach außen, wodurch wiederum die Ankermasse vermindert wird. Es ist zu beachten, daß der Kern stufenweise um den Anker herum zu montieren ist.

Die veröffentlichten GB-Anmeldungen 2 036 453A und 2 105 912A zeigen elektromagnetische Vorrichtungen, die den modifizierten Ausfuhrungsformen nach den Fig. 1 und 2 ähnlich sind. Die in den genannten Anmeldungen gezeigten Vorrichtungen weisen jedoch mehr Polst'ücke auf, wobei aber in jedem Fall zu beachten ist, daß die Endpolstücke zusammen mit dem Anker axial verlaufende Luftspalte begrenzen; bei einer in der Praxis angewandten Ausführungsform ist es üblich, die End-Luftspalte mit verringertem Querschnitt vorzusehen und so zu versuchen, die Flußdichte im Spalt aufrechtzuerhalten.

Der Nachteil der vorstehend genannten Vorrichtung liegt darin, daß die Aufteilung des Kraftflusses zwischen dem Luftspalt (nutzbarer Kraftfluß) und den Leckstrecken (Leckfluß) von dem Verhältnis zwischen dem magnetischen Widerstand des Luftspalts und dem dem Luftspalt zugeordneten Leckwiderstand abhängt. Der magnetische Leckwiderstand ändert sich nicht wesentlich mit der Luftspaltüberlappung, wogegen der magnetische Widerstand des Luftspalts der Spaltüberlappung umgekehrt proportional ist. Daraus resultiert ein verminderter Polstück-Wirkungsgrad. Ein weiterer Faktor, der den Wirkungsgrad der äußeren Polstücke weiter vermindert, ist der erhöhte Leckfluß, der durch den umgebenden Magnetwerkstoff außerhalb des Magnetkreises bewirkt wird. Durch Modifikation der äußeren Polstücke derart, daß sie

radiale Luftspalte definieren, kann eine erhebliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung erzielt werden. Außerdem wird der Leckfluß minimiert.

Die radialen Luftspalte sollten möglichst klein sein; sie können so klein sein, daß sie Lager zur Abstützung des Ankers relativ zum Kern bilden. Zwischen den Polstücken und dem Anker kann ein geeignetes Lagermaterial angeordnet sein.

Claims (1)

1. Anspruch

   Elektromagnetische Vorrichtung mit
   einem Kern oder Ständer,

   einem relativ zum Kern verschiebbaren Anker, wenigstens einem durch den Kern definierten Polstück, einer um einen Teil des Kerns gewickelten Erregerwicklung, die bei Zuführung von elektrischem Strom magnetischen Kraftfluß durch das Polstück treibt, wobei das Polstück eine Polfläche bildet und zwischen dieser und dem Anker Kraftfluß durch einen Luftspalt geht, der sich in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Anker und dem Kern erstreckt, und einem zwischen dem Anker und dem Kern definierten Rückfluß-Luftspalt,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß sich der Rückfluß-Luftspalt in einer im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung der Relativbewegung zwischen Kern und Anker (20; 22) verlaufenden Richtung erstreckt, - daß der Kern eine weitere Wicklung (19; 24) trägt, die Kraftfluß durch das Polstück (16; 21) in die gleiche Richtung wie die erstgenannte Wicklung (19; 25) treibt, und daß die Vorrichtung einen weiteren Rückfluß-Luftspalt für den von der weiteren Wicklung erzeugten Kraftfluß aufweist, wobei sich der weitere Rückfluß-Luftspalt ebenfalls in einer im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung der Relativbewegung zwischen Kern und Anker verlaufenden Richtung erstreckt.

   67-30094-Schö