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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Elektromagneten dieser Art sind in der Praxis weithin bekannt, beispielsweise
in Form eines Topfmagneten, in den ein beweglicher, zylindrischer Anker hineingezogen
wird.
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Charakteristisch für bekannte längsbewegliche Magnete ist ein Verlauf
der Anzugskraft, der gegen Ende
der Anzugsbewegung zu forciert ansteigenden Werten
führt. Um die dabei auftretenden Kräfte zu begrenzen, wird oft ein Klebblech aus
Kupfer oder dgl. nicht-ferromagnetischem Material vorgesehen, welches einen Anschlag
zwischen Anker und Magnetpol definiert.
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Gleichwohl sind Magnete dieser Art für verschiedene magnetische Betätigungssysteine
unvorteilhaft, sofern sich bei diesen die Ansprüche an die Stellkraft nicht lediglich
auf die Überschreitung von Minimalwerten beschränken. Besondere Anforderungen an
den Verlauf der Stellkraft in Abhängigkeit vom Stellweg lassen sich mit den bekannten
Elektromagneten nicht verwirklichen.
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Diese Schwierigkeiten werden besonders deutlich am Beispiel eines
versuchsweise zur Betätigung einer Blutpumpe vorgesehenen Magneten, der nicht einfach
eine vorgegebene Pumpleistung erbringen soll, sondern in seinem Kraftverlauf und
damit auch im Druckverlauf des gepumpten Blutes an die natürlichen Meßwertverläufe
des pulsierenden menschlichen Kreislaufs anzupassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektromagneten zu schaffen,
dessen Kraft-Weg-Kennlinie möglichst frei vorgegeben und möglichst einfach und weitgehend
verändert werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe von einem Elektromagneten
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgehend durch dessen kennezeichnende Merkmale
gelöst.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Zugkraftverlauf des Elektromagneten
erzielt, der beidseitig eines oder zumindest eines hohen Längskraftbereichs abklingt,
so daß das Anschlagen mit Maximalkraft entfällt, welches regelmäßig einer kennlinienartigen
Becinflussung des Kraftverlaufs über den Weg entgegensteht.
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Die sich dann ergebende Weg-Kraft-Kennlinie läßt sich durch die hierzu
vorgesehenen ferrormagnetischen Abstimm-Einsätze beeinflussen, um beispielsweise
einen möglichst konstanten und glatten Kraftverlauf zu erzielen oder besondere Kennlinien
zu erlangen.
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Ein derart modifizierter Elektromagnet ist in vielen technischen
Bereichen einsetzbar, wo immer ein beherrschter Kraftverlauf von einer elektrischen
Energiequelle ausgehend benötigt wird. Bei Handhabungsgeräten ist es in vielen Fällen
wünschenswert, gleichzeitig einen zweiten Bewegungs-Freiheitsgrad zu steuern, was
mit einer zylindrischen Ausbildung des Elektromagneten und einem Drehanker in diesem
gelingt, so daß die Welle des Drehankers nicht nur drehbeweglich, sondern auch längsverschieblich
ist.
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Ein besonders interessanter Anwendungsfall eines solchen Elektromagneten
ist eine Blutpumpe, die einen dem natürlichen Puls angeglichenen Blutdruckverlauf
zu erzeugen vermag und sich damit als externes Kunstherz für den Anschluß an den
menschlichen Körper eignet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der drei Ausführungsbeispiele
des Gegenstandes der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert sind. In der
Zeichnung zeigen: Fig. 1 Längsschnitt durch einen Eiektromagneten.
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Fig. 2 Detail aus Fig. 1. teilweise schnittbildlich, Fig. 3 Ansicht
nach Linie 111-111 in Fig.2, Fig. 4 weiteres Detail aus Fig. 1, teilweise schnittbildlich,
Fig. 5 Ansicht nach Linie V-V in Fig. 4, Fig. 6 ein Magnetisierungsdiagralllnl zum
l-lektromagnelerl
nach den Fig. 1 bis 5, Fig. 7 eine zweite Ausführungsform
eines Elektromagneten im Längsschnitt, Fig. 8 Schnitt nach Linie VIII-VIII in Fig.
7, Fig. 9 Teilschnitt nach Linie IX-IX in Fig. 8, Fig. 10 ein Diagramm mit den Kraft-Weg-Kennlinien
der Elektromagneten nach Fig. 1 u. 7 und Fig. II schematische Darstellung einer
Blutpumpe mit einem Elektromagneten nach Fig. 1.
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Der in Fig. 1 dargestellte, insgesamt mit 1 bezeichnete Elektromagnet
ist generell zylindrisch aufgebaut und zwar als Umkehrhubmagnet mit zwei für eine
Hin- und Rückbewegung nacheinander einzuschaltenden Magnetspulen 2, 3, in deren
magnetischem Feld sich ein doppelt-topfförmiger Anker 4 in Richtung einer Achse
5 bewegen kann, wobei die Führung über eine in Achsrichtung verlaufende und beidseitig
aus diesem Elektromagneten heraus geführte Stange 6 erfolgt, die bei 7 mit dem Anker
4 versplintet ist. Ein umfangsseitig einen zylindrischen Mantel 8 und stirnseitig
zwei Ringplatten 9 bzw. 10 aufweisendes, insgesmat mit 11 bezeichnetes Gehäuse hat
neben einer tragenden Funktion auch eine jochfunktion im Magnetkreis der Spulen
2,3, deren feststehende Magnetpole außenseitig von dem Gehäuse 11 und innenseitig
von einem zweier Kerne 12, 13 gebildet wird. Zwischen Kern 12 bzw. 13 und Mantel
8 ist ein gleichbleibender Ringspalt gebildet, in dem endseitig die Spule 2 bzw.
3 liegt und in dem im übrigen der Topfanker 4 hineinbeweglich ist. Dieser hat beidseitig
vorspringende Ringwände, wie eine im Schnitt dargestellte Ringwand 14 gleichbleibender
Wandstärke. Damit ergibt sich ein Magnetkreis um die Spule 2 (und ein ganz ähnlichen
Magnetkreis um die Spule 3), bei dem der zugehörige Magnetfluß vom Magnetpol (Kern
12, Stirnring 9 und Mantel 8) über einen konstanten Luftspalt 15, die Ringwand 14
und einen zweiten konstanten Luftspalt 16 verläuft.
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Der zweiteilige Luftspalt 15, 16 ist in seiner Weite konstant Er
ändert sich allerdings in seiner wirksamen Luflspaltfläche mit der Breite einer
Überdeckung 17 mit dem Kern 12. Anschaulich hat der Elektromagnet bei Einschalten
der Spule 2 etwa in der Fig. 1 gezeigten Stellung eine besonders hohe Änderung der
magnetischen Feldenergie und damit eine hohe Anzugskraft, die bei weiterem Anziehen
des Ankers nach links abfällt, ehe die Ringwand 14 des Ankers 4 einen Anschlag vor
der Spule 2 findet. In der Gegenrichtung ist es bei Einschalten der Spule 3 ganz
entsprechend. Der Magnet hat also nicht die bei herkömmlichen Magneten typische
maximale Anzugskraft am Ende seiner Anzugsbewegung, sondern eine vergleichmäßigte,
endseitig abfallende Kennlinie, die Voraussetzung für viele Anwendungsmöglichkeiten
von Stellmotoren ist.
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Um die sich ergebende Kennlinie noch näher modifizieren zu können,
sind sowohl der Kern 12 (ganz entsprechend der Kern 13) wie auch der Anker 4 mit
besonderen Einstellhilfen ausgestattet.
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Nach Fig. 2 und 3 besitzt der Kern 12 acht gleichför mig am Umfang
verteilte Gewindesacklöcher 18, die nahe einer Umfangswandung 19 von einer Stirnseite
20 her achsparallel eingebracht sind. In diese Sacklöcher 18 sind Madenschrauben
21 aus ferromagnetischem Material eingesetzt (und mit bekannten Mitteln gegen ungewollte
Verlagerungen gesichert). Diese Madenschrauben 21 bilden Einsätze in den Kanälen
bzw. Löchern 18, mit denen die magnetische Leitfähigkeit des Magnetkreises beeinflußt
werden kann.
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Die hierzu vorgesehenen Verschiebekanäle, d.h. die
Gewindelöcherl8,
erstrecken sich über den aktiven Luftspaltbereich des Kerns von der Spule 2 bis
zur Stirnseite 20. Dementsprechend können Verdichtungen des magnetischen Feldes
zur Stirnseite 20 hin bzw. von dieser weg dadurch verlagert werden, daß die Madenschrauben
21 zur einen oder anderen Seite hin verstellt werden.
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Die Akzentuierung eines Kraftbereichs kann beispielsweise durch die
Wahl von kürzeren Abstimm-Einsätzen, d.h. kürzeren Madenschrauben 21 erreicht werden,
umgekehrt läßt sich eine gleichförmige Magnetfeldverteilung durch längere Abstimm-Einsätze
erzielen.
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Gemäß Fig. 4 und 5 ist auch der Anker 4 in seinem luftspaltaktiven
Teil, d.h. im Bereich seiner Ringwände,wie z.B. seiner Ringwand 14, mit den Abstimm-Einsätzen
ausgestattet. Auch hier ist von einer (ringförmigen Stirnwand 22 ausgehend) in Achsrichtung
ein Satz gleichförmig am Umfang verteilter Abstimmkanäle in Form von Gewinde-Sacklöchern
23 eingebracht, in die Abstimm-Einsätze in Form von Madenschrauben 24 in eine gewünschte
Tiefe eingeschraubt sind. Wie die Fig. 4 zeigt, ist nicht von vornherein vorzugehen,
daß die Abstimm-Einsätze die gleiche Lage in Achsrichtung haben. Axiale Verschiebungen
können durchaus zweckmäßig und notwendig sein, um besondere Kraftverläufe zu erzielen
oder aber um Ungleichmäßigkeiten des magnetischen Kreises auszugleichen. Es versteht
sich ohne weiteres, daß die zu der magnetischen Abstimmung vorgesehenen Kanäle nicht
die Form von Sacklöchern mit Innengewinde haben müssen, wenngleich dies eine besonders
gut zu realisierende Auführungsform ist. Es können Kanäle anderen Querschnitts,
beispielsweise auch in Form umfangsseitig offener Nuten vorgesehen werden, in die
dann entsprechend angepaßt geformte Abstimm-Einsätze einzubringen sind.
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In Fig. 6 sind Kennlinien für den Verlauf des magnetischen Flusses
m in Abhängigkeit vom aufgebrachten elektrischen Strom idargestellt und zwar für
eine Schar von Kennlinien, die sich in der Fläche des Luftspaltes entsprechend der
Überdeckung s unterscheiden. Die gekrümmte, nach einem steilen Anfangsanstieg nur
noch schwach ansteigende Form der Kurven deutet an, daß sich der Magnetkreis im
Bereich der magnetischen Eisensättigung befindet. Diese Magnetkreis-Auslegung sichert
den Abstimm-Kanälen 18, 23 und den Abstimm-Elementen 21,24 eine ausreichende Einflußmöglichkeit.
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Der in Fig. 7 dargestellte, insgesamt mit 25 bezeichnete Elektromagnet
ist wiederum als Umkehrhubmagnet mit einem in der Mitte auf einer axialverschieblichen
Welle 26 gelagerten Anker 27 ausgebildet. Der Anker ist axial zwischen zwei Magnetpolen
längsbeweglich, die unter Einbeziehung eines Gehäusemantels 28 und zweier Ring-Stirnplatten
29, 30 gebildet sind.
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Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die zugehörigen
Magnetspulen nicht koaxial zur Welle 26 und einer in dieser verlaufenden Drehachse
31 angeordnet, sondern in zwei Gruppen zu sechs Einzelspulen 32 am Umfang verteilt.
Jede dieser Einzelspulen umschließt dabei einen Kern 33, der zum Anker 27 einen
sich axial (und in Umfangsrichtung) erstreckenden Magnetspalt 34 konstanter Weite
bildet.
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Die Spulen 32 sind getrennt einschaltbar. Damit kann der Elektromagnet
25 als Hubmagnet arbeiten, indem entweder die sechs einenends angeordneten Spulen
eingeschaltet werden oder die sechs anderenends liegenden Spulen. Dabei kann es
auch genügen wenn nur ein Teil der jeweiligen Spulen aktiviert wird oder auf einer
Seite
ein größerer Teil von Spulen eingeschaltet ist als auf der anderen Seite.
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Die in Umfangsrichtung verteilte Anordnung der Magnete gestattet
in Verbindung der Einzelansteuerung der Magnetspulen 32 aber auch eine veränderbare
Magnetfeldverteilung am Umfang, die in Verbindung mit einem richtungsabhängig magnetisierbaren
Anker 27 ein Verdrehen des Ankers erlaubt.
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In diesem Sinne weist der Anker 27 axial durchgehende, paarweise
einander gegenüberliegend angeordnete Bohrungen 34 auf, die einem quer durch den
Anker 27 verlaufenden Magnetfeld Vorzugsrichtungen aufzwingen und die auch gleichzeitig
als Gewindebohrungen ausgebildet sind, um mit Gewindeeinsätzen 35 ähnlich den Madenschrauben
21 in Fig. 1 Abstimmungen der magnetischen Eigenschaften, insbesondere für den Kraftverlauf
in Axialrichtung zu ermöglichen. In Fig. 8 und 9, teilweise auch in Fig. 7, sind
bei den einzelnen Magnetkernen 33 keine Spulenkörper hinzugezeichnet, um insbesondere
den ferromagnetisch wirksamen Aufbau des Elektromagneten zu veranschaulichen.
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In Fig. 10 sind in einem Kraft (F)' Weg(s#Diagramm eine Kennlinie
36 für den Elektromagneten 1 nach Fig. 1 bis 6 und eine Kennlinie 37 für den Elektromagneten
25 nach Fig. 7 bis 9 dargestellt. Gemeinsam ist beiden, daß sie vom Weg her einen
Arbeitsbereich aufweisen, an dem keines der beiden Enden in eine für Anzugsmagneten
typische Anzugslage hoher Kraft übergeht. In beiden Fällen nimmt die Kraft im Endbereich
mehr oder weniger stark ab. Die Kennlinie 37 ist im übrigen auf einen glatten und
konstanten Magnetkraftverlauf abgestimmt. Man hält über einen großen Teil des Arbeitsbereichs
eine wegunabhängige Kraft. Die Kennlinie 36 ist anders abgestimmt. Sie weist über
den Weg zwei Maximalwerte der axial gerichteten Kraft längs eines Anzugsweges in
Richtung zu der eingeschalteten Seite des Magneten hin auf. Es versteht sich, daß
sich auch diese Kurvenform in weiten Grenzen mit Hilfe der Abstimmelemente 21,24
verändern läßt.
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Entsprechende Kurven lassen sich ' ei Auslegung des Magneten als
Einzelhubcder Doppelhubmagnet realisieren.
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Ein besonders augenfälliges Anwendungsbeispiel eines Elektromagneten
dieser Art stellt eine Blutpumpe da, die schematisch in Fig. 11 skizziert ist. Ein
insgesamt mit 38 bezeichneter Elektromagnet zylindrischer Bauform mit mittig auf
beiden Zylinderenden herausragender Schubstange 39 betätigt über zwei Quetschplatten
40, 41 bei jedem der wechselnden Hübe eine von zwei Blutkammern 42. 43 in Form eines
flexiblen Beutels zu einer Verkleinerung bzw. Vergrößerung des Beutelvolumens. Die
Beutel stehen über Zulaufleitungen 44, 45 bzw. Ablaufleitungen 46, 47 mit dem Kreislauf
eines Menschen in Verbindung, wobei Rückschlagventile 48, 49,50 und 51 für eine
vorgegebene Förderrichtung sorgen. Eine solche Blutpumpe kann grundsätzlich als
externes "Kunstherz" arbeiten, jedoch verlangt dies in verschiedener Hinsicht eine
sorgfältige Anpassung an die Arbeit des menschlichen Kreislaufs. Der natürliche
Kreislauf hat von der Arbeitsweise des Herzens her einen besonderen Druckverlauf,
der aus mehreren Phasen besteht, der sich mit marktüblichen Elektromagneten nicht
realisieren läßt. Mit dem erfindungsgemäßen Elektromagneten ist dies möglich, wobei
die Abstimm-Elemente Möglichkeiten zur näheren Einstellung bieten.
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Für eine Blutpumpe der dargestellten Art ist lediglich ein Umkehrhubmagnet
nicht aber ein zu Hub- und Drehbewegungen befähigter Magnet nach den Fig. 7
bis 9
vorzusehen. Magnete mit zusätzlichen Freiheitsgraden sind aber in sonstigen Anwendungsfällen
oft auch mit der zusätzlichen Auflage gefordert, daß ein besonderer Kraftverlauf
- sei es ein besonders geglätteter oder ein besonders modulierter Kraftverlaufvorliegt.
Beispielsweise können Handhabungsautomaten (Roboter) mit dreh- und längsbeweglichen
Gliedern zur Beherrschung des Bewegungsübergangs und zur Beherrschung der Arbeitsfunktionen
im Kraftverlauf festgelegt sein, wobei insbesondere auch ein steil endseitig ansteigender
Verlauf der Anzugskraft regelmäßig störend ist.
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