DE3524713A1

DE3524713A1 - Bewegungsanordnung

Info

Publication number: DE3524713A1
Application number: DE19853524713
Authority: DE
Inventors: Werner Auer; Gerd Ruff
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1985-07-11
Publication date: 1987-01-15
Also published as: WO1987000349A1; EP0228427A1; EP0228427B1; DE3687746D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewegungsanordnung insbeson dere zum Einstellen des Rotors eines Hochfrequenzschalters in vorgegebene Schaltstellungen.

Es ist aus der DE-OS 28 50 444 eine Vorrichtung zum Däm pfen der Bewegung eines Primärelements bekannt, das für die oben genannte Anwendung geeignet ist. Diese Vorrichtung zeigt einen Rotor, auf dem Anschläge angeordnet sind, die bei Erreichen einer Endstellung des Rotors auf einen beweglichen Dämpfungsarm treffen. Der Dämpfungsarm ist nachgiebig gela gert, dessen Drehgeschwindigkeit jedoch begrenzt. Damit wird die Geschwindigkeit des Rotors verzögert und ein langsames Einstellen desselben in die Endstellung bewirkt. Durch den mechanischen Kontakt zwischen Rotor und Dämpfungsarm entsteht eine Reibungskraft, die nicht genau definiert werden kann und u. U., d. h., bei zu geringem Rotorantriebsmoment, ein Errei chen der Endstellung verhindert. Außerdem läßt sich mit diesem bekannten Aufbau nur ein Zweistellungsschalter ver wirklichen.

Üblicherweise wird auch zum Antrieb des Rotors ein Gleichstrommotor verwendet, wobei das Einstellen eines Rotors in wenige Schaltstellungen einen solch hohen Auf wand nicht rechtfertigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung einer Bewegungsanordnung, insbesondere für Hohlleiter- und andere HF-Schalter die einen einfachen Aufbau auf weist und zum Einstellen des Schalters in eine beliebige Anzahl von Stellungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß statorseitig we nigstens zwei elektrisch ansteuerbare Spulen und rotor seitig wenigstens ein Permanentmagnet derart angeordnet ist, daß durch wechselweises Ansteuern der Spulen der Rotor wenigstens näherungsweise in die vorgegebenen Schalt stellungen bewegt wird, wobei ein berührungslos arbeiten des Verzögerungselement vorgesehen ist, welches die Ro torbewegung in der Nähe der vorgegebenen Schaltstellung abbremst.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Hohlleiterschal ter beschrieben. Selbstverständlich kann aber auch ein Koaxialschalter und andere Schalter für Hochfrequenz mit er erfindungsgemäßen Anordnung versehen werden.

Ein Hohlleiterschalter ist beispielsweise im "Taschen buch der Hochfrequenztechnik", 2. Auflage, Berlin/Göt tingen/Heidelberg 1962, S. 634, beschrieben. Solche Hohlleiterschalter werden beispielsweise dazu benötigt, Reserve-Mikrowelleneinrichtungen in ein System einzu schalten, um eine defekte Einrichtung zu ersetzen, wenn eine solche Maßnahme aus Gründen der Betriebssicherheit erforderlich ist. Eine Notwendigkeit aus Sicherheits gründen Reserveeinrichtungen vorzusehen, die mittels Hohlleiterschaltern bei Bedarf in Betrieb genommen wer den können, besteht insbesondere bei Raumflugkörpern.

Im allgemeinen wird bei einem Hohlleiterschalter ver sucht, die Übergangswiderstände zwischen den beweglichen und den feststehenden Hohlleiterstrecken gering zu hal ten. Dies bedeutet eine sehr genaue Zuordnung von beweg lichen und feststehenden Teilen des Hohlleiterschalters in den Schaltstellungen. Es wird deshalb in einer Ausge staltung der Erfindung vorgeschlagen, nachdem durch An steuern der Spulen der Rotor in eine der Schaltstellung nahe Stellung bewegt wurde, durch Ausnutzung permanent magnetischer Anziehungskräfte den Rotor in die Schalt stellung zu bewegen und dort zu halten. Beispielsweise geschieht dies dadurch, daß einem auf dem Rotor ange ordneten Permanentmagneten eine statorseitig angeordnete weich- oder hartmagnetische Polausbildung gegenübersteht. Die Anziehungskraft zwischen diesen beiden magnetischen Fixier-Elementen bewirkt eine sehr genaue Zuordnung von Rotor und Stator, außerdem lassen sich durch Anordnung mehrerer solcher Elemente beliebig viele Schaltstellungen verwirklichen.

Außerdem können natürlich auch Schaltstellungen durch mechanische Anschläge definiert sein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vor geschlagen, das Verzögerungselement, welches die Rotor bewegung in der Nähe der Schaltstellungen abbremst, in der Art einer Wirbelstrombremse auszubilden. Hierzu kön nen in vorteilhafter Weise die auf dem Rotor angeordneten Permanentmagnete genutzt werden. Diesen gegenüber sind unter Bildung eines geringen Luftspaltes zwischen den Schaltstellungen elektrisch gut leitende Materialien an geordnet. Selbstverständlich ist auch eine von dem Antrieb getrennte Wirbelstromdämpfungseinrichtung in Form einer hochpolzahligen Magnetanordnung möglich. Ein weiterer Vorschlag zur Dämpfung der Rotorbewegung sieht vor, zusätzlich zu den Spulen zum Antrieb des Rotors sogenannte Bremsspulen auf dem Stator anzuordnen. Diese haben die Aufgabe, zumindest in der Nähe der Schalt stellungen ein Gegenmoment zu dem Antriebsmoment zu er zeugen, und können mit der Versorgungsspannung der An triebsspulen beaufschlagt werden. Die Ansteuerung durch eine Spannung hat den Vorteil eines spannungsunabhängi gen Antriebsmoments. Erhöht sich nämlich die Versorgungs spannung und damit das durch die Antriebsspulen verur sachte Antriebsmoment, so wird gleichzeitig auch das gegengerichtete Moment der Bremsspulen größer. Das resultierende Moment erfährt keine Veränderung.

Weiterbildungsgemäß wird nach Anspruch 8 vorgeschla gen, den Antriebsspulen eine Kurzschlußwicklung zuzuord nen. Diese hat die Aufgabe, Störspannungen, die impuls förmig die Spulen beaufschlagen können, abzudämpfen.

Es wird ferner nach den Merkmalen des Anspruchs 10 vor geschlagen, das statorseitige Rückschlußelement für den magnetischen Rückschluß zumindest in einem Teilbereich mit einem Querschnitt zu versehen, der diesen Teilbe reich dann in die Sättigung treibt, wenn eine überhöhte Versorgungsspannung anliegt. Dadurch läßt sich das An triebsmoment ebenfalls innerhalb eines bestimmten Bereichs begrenzen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeich nungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher be schrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden.

Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer Bewegungsanordnung für einen Hohlleiterschalter,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Spulen anordnung,

Fig. 3 ein Momentendiagramm der Spulenanordnung der in Fig. 2 dargestellten Spulenanordnung,

Fig. 4 eine Bewegungsanordnung in einer Abwicklung,

Fig. 5 ein Momentendiagramm der in Fig. 4 gezeigten Anordnung,

Fig. 6 eine Bewegungsanordnung für vier Schaltstel lungen in einer Abwicklung,

Fig. 7 die in Fig. 6 gezeigte Anordnung in Draufsicht,

Fig. 8 einen Hohlleiterschalter mit magnetischen Fixier elementen,

Fig. 9 die Momentenkennlinie der in Fig. 8 gezeigten Fixierelemente.

Die Bewegungsanordnung wie in Fig. 1 gezeigt, stellt den Rotor eines daran gekoppelten, hier nicht dargestellten, Hohlleiterschalters in zwei um 90° voneinander versetzten Stellungen dar. Nähere Einzelheiten zum Aufbau und zur Wirkungsweise eines Hohlleiterschalters sind in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 33 46 449.9 enthalten.

Das mit dem Rotor des Hohlleiterschalters verbundene Element ist das Rotorteil 1, welches um die Achse 2 dreh bar gelagert ist. An den beiden Polen des Rotorteils 1 sind Magnete 3, 4 angeordnet, die mit Polblechen 5, 6 versehen sind und ein homogenes gleichgerichtetes Magnet feld in dem Luftspalt 7 erzeugen. Der Luftspalt 7 ist radial begrenzt durch ein statorseitiges Spulenträger element 8, welches zur Aufnahme von vier Spulen 9-12 mit radial gerichteten Ansätzen 13-16 versehen sind. Das Spulenträgerelement 8 sowie ein dieses außen ringförmig umschließende Rückschlußring 17 sind aus weichmagnetischem Material hergestellt.

Auf den Ansätzen sind zusätzlich zu den Spulen 9-12 Kurzschlußwicklungen 18-21 in Form von Aluminiumhülsen angeordnet. Durch Ansteuern der Spulen kann der Rotor wahlweise in die gezeigte Stellung - die Spulen 9 und 11 sind angesteuert oder in die um 90° versetzte Stellung - die Spulen 10 und 12 sind angesteuert - bewegt werden. Die Kurzschlußwicklungen haben die Aufgabe, kurze Strom impulse die evtl. durch Störungen auftreten können, zu dämpfen um eine Fehlstellung des Rotors zu verhindern. Ist die Ansteuerspannung der Spulen 9-12 nicht begrenzt, so kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Rückschlußrings 17 dafür gesorgt werden, daß hohe Span nungen zu einem Überschreiten der Sättigungsgrenze in dem Rückschlußring 17 führen und damit den Gesamtluft spalt vergrößern. Dies ist in dem gezeigten Beispiel dadurch verwirklicht, daß der Rückschlußring 17 an vier Stellen einen verringerten Querschnitt aufweist. Diese Maßnahme ist erforderlich, um zu hohe Beschleunigungen des Rotors bei Anliegen einer hohen Versorgungsspannung zu vermeiden.

Eine schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Spulen 9-12 ist in Fig. 2 dargestellt. Zusätzlich zu diesen Spulen 9-12 sind wenigstens zwei Bremsspulen 22, 23 vorgesehen. Diese Bremsspulen erzeugen ein zu dem Feld der Spulen 9-12 entgegengerichtetes Feld und be wirken damit in anderer Weise eine Abschwächung der Wir kung zu hoher Versorgungsspannungen U ₁, U ₂. Selbstver ständlich können alle Spulen mit Bremsspulen ergänzt werden. Durch die Bremsspulen läßt sich ein gebremster Einlauf des Rotors in die Schaltstellung aufgrund einer daraus resultierenden Erhöhung der Verzögerung in der Endphase der Rotorbewegung erreichen.

In Fig. 3 ist eine Momentenkennlinie, die das Antriebs moment der Spulen beschreibt, dargestellt. Hier zeigt die Kurve A den Momentenverlauf bei der Bewegung des Rotors ausgehend von einer Stellung S ₁ in eine Stellung S ₂. Die Kurve B zeigt den Momentenverlauf bei einer Rückstellung des Rotors in die Stellung S ₁. Der Momen tenverlauf beider Kurven ist gekennzeichnet durch ein nahe der Endstellung auftretendes rücktreibendes Moment. Dieses rücktreibende Moment wird durch die Bremsspulen verursacht und bewirkt die oben beschriebene Verzöge rung. Ohne Bremsspulen folgt in der Nähe der Endstel lungen das Moment der gestrichelt dargestellte Verlauf und wird in den Endstellungen zu Null. Um ein Verharren des Rotors in den Endstellungen zu erwirken, werden per manentmagnetische Fixierelemente zwischen Rotorteil und Statorteil angeordnet. Der Aufbau dieser Elemente wird weiter unten anhand der Fig. 8 und 9 näher beschrieben.

Das in Fig. 4 gezeigte Bewegungselement zeigt in einer Abwicklung den zweipoligen Magnet 24 des Rotorteils, an welchem sich ein Ansatz 25 und mehrere Magnetelemente 26 einer Wirbelstromdämpfungseinrichtung 27 befinden. Sta torseitig sind die Antriebsspulen 28, 29 mit einem ringförmigen Spulenträger 30, einem Abschirmblech 31, Anschläge 32, 33 und zwei Ferritteile 34 und 35 angeord net. Die Funktion dieses Bewegungselementes ist entspre chend dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Jeweils eine An triebsspule, die auch - wie in Fig. 1 dargestellt - als Spulenpaar ausgebildet sein kann, bewegt den Rotor zu einer Schaltstellung. Die Antriebsspulen sind dabei jedoch so angeordnet, daß sie das Rotorteil nicht bis in die Schaltstellung bewegen, sondern nur in deren unmit telbaren Nähe. Beispielsweise wird bei Ansteuerung der Antriebsspule 29 das Rotorteil in eine Stellung bewegt, in welcher sich der Ansatz 25 in der gestrichelten Lage befindet. Die Bewegung in die Schaltstellung, in welcher der Ansatz 25 an dem Anschlag 33 anliegt, wird durch die magnetische Anziehungskraft in horizontaler Richtung zwischen den Magneten 24 und dem Ferritteil 35 bewirkt. In gleicher Weise erfolgt die Bewegung des Rotorteils in die gegenüberliegende Schaltstellung. Die Anordnung der Antriebsspulen 28, 29 wie hier dargestellt, erfordert ein Abschirmblech 31, welches als Ringscheibe ausgebil det ist und innerhalb der Spulen auf dem Spulenträger 30 befestigt ist. Dieses Abschirmblech hat die Aufgabe, die Feldlinien der Magnete derart umzulenken, daß diese nicht den unteren Teil der Spulen schneiden und damit ein nahezu gleich großes Gegenmoment erzeugen. Anderer seits soll das Abschirmblech 31 einen Querschnitt auf weisen, welcher derart bemessen ist, daß eine erhöhte Versorgungsspannung zu einer magnetischen Sättigung in dem Abschirmblech führt und damit eine Dämpfungswirkung in diesem Fall erzielt wird. Eine geschwindigkeitsab hängige Dämpfung der Rotorbewegung wird durch eine Wir belstromdämpfungseinrichtung 27 erzielt, die aus mehreren - beliebig an dem Rotorteil angeordneten - Mag netelementen 26 und einem statorseitig befestigten elek trisch leitfähigem Blech besteht. Die Wirkung der Wirbel stromdämpfung kann sich sowohl über den gesamten Ver stellungsbereich, als auch nur über einen Teilbereich erstrecken.

In dem Diagramm Fig. 5 ist der Momentenverlauf des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels dargestellt. Die beiden Schaltstellungen sind durch die Außenbegrenzung S ₁₁ und S ₂₁ definiert. Die in Fig. 4 gezeigte Antriebs spule 28 erzeugt bei Bewegung des Rotorteils in die Schaltstellung entsprechend S ₁₁ den durch die Kurve C dargestellten Momentenverlauf. Im Nulldurchgang der Kur ve ist das durch die permanentmagnetische Anziehung der Magnete 24 und das Ferritteil 34 verursachte Moment - dargestellt durch die Kurve F - so groß, daß nach Ab schalten der Antriebsspannung dieses Moment das Rotor teil an den Anschlag bewegt. Wichtig hierbei ist, daß das Rotorteil mittels der Antriebsspule 28 so nahe an die Schaltstellung bewegt wird, daß dieses Moment (Kur ve F) wesentlich größer als das Reibmoment S _R, das die Lagerung des Rotorteils auszeichnet, ist. In gleicher Weise erfolgt nach Ansteuerung der Antriebsspule 29 die Bewegung des Rotorteils mit den in den Kurven D und E gezeigten Momenten in die Schaltstellung S ₂₁.

Eine Bewegungsanordnung für vier Schaltstellungen zeigt Fig. 6 und 7, wobei Fig. 7 eine Draufsichtdarstellung des in Fig. 6 gezeigten Schnittes ist. Der Roboter besteht hier wiederum aus einem einpolpaarigen Magneten 36 mit einem Ansatz 37 statorseitig sind Anschläge 38, 39, vier Antriebsspulenpaare 40-43, 40 a-43 a, die auf einem Spu lenträger befestigt sind, und Ferritteile 44, 45 zur Er zeugung der Anzugsmomente in die beiden äußeren Endstel lungen vorgesehen. Mit den Spulen 41/41 a und 42/42 a wird der Rotor in zwei Zwischenstellungen bewegt. Wie der Rotor beispielsweise in diesen Zwischenstellungen fixiert werden kann, wird anhand der Fig. 8 erläutert. Dort ist in den Rotor 46 ein zylinderförmiger Permanent magnet 47 mit axialer Magnetisierungsrichtung eingefügt. Statorseitig sind entsprechend den Schaltstellungen zylinderförmige Ferritteile oder gleichfalls Permanent magnete angeordnet. Die Anziehungskräfte bewirken damit eine sehr genaue Zuordnung des Rotors zu den Schaltstel lungen.

Der Momentenverlauf des permanentmagnetischen Drehmoments ist in Fig. 9 dargestellt. Die Stellung A entspricht dabei der in Fig. 8 gezeigten Schaltstellung. Der Ein stellfehler α _R ist bedingt durch die Lagerreibung der Rotorlagerung und kann bei entsprechender Steigung der Momentenkennlinie im Nulldurchgang sehr gering gehalten werden. Zur Weiterschaltung des Rotors ist ein Moment der Antriebsspulen erforderlich, welches oberhalb der Maximalmomente M _max+/max- des permanentmagnetischen Momentenverlaufs liegt. Um den Rotor in die Schaltstel lung zu bewegen, genügt es, mittels der Antriebsspulen diesen innerhalb des Bereichs α _Z zu stellen. Die magne tischen Anziehungskräfte bewirken dann die Fixierung des Rotors innerhalb des Bereichs α _R.

Bezugszeichenliste 1 Rotorteil
2 Achse
3 Magnete
4 Magnete
5 Polblech
6 Polblech
7 Luftspalt
8 Spulenträgerelement
9 Spule
10 Spule
11 Spule
12 Spule
13 Ansatz
14 Ansatz
15 Ansatz
16 Ansatz
17 Rückschlußring
18 Kurzschlußwicklung
19 Kurzschlußwicklung
20 Kurzschlußwicklung
21 Kurzschlußwicklung
22 Bremsspule
23 Bremsspule
24 Magnet
25 Ansatz
26 Magnetelemente
27 Wirbelstromdämpfungseinrichtung
28 Antriebsspule
29 Antriebsspule
30 Spulenträger
31 Abschirmblech
32 Anschlag
33 Anschlag
34 Ferritteil
35 Ferritteil
36 Magnet
37 Ansatz
38 Anschlag
39 Anschlag
40 Antriebsspule
40 a Antriebsspule
41 Antriebsspule
41 a Antriebsspule
42 Antriebsspule
42 a Antriebsspule
43 Antriebsspule
43 a Antriebsspule
44 Ferritteil
45 Ferritteil
46 Rotor
47 Permanentmagnet

Claims

1. Bewegungsanordnung insbesondere zum Einstellen des Rotors eines Hochfrequenzschalter in vorgegebene Schaltstellungen, dadurch gekennzeichnet, daß sta torseitig wenigstens zwei elektrisch ansteuerbare Spulen (9-12) und rotorseitig wenigstens ein Per manentmagnet (34) derart angebracht ist, daß durch wechselweises oder gemeinsames Ansteuern der Spulen der Rotor (1) wenigstens näherungsweise in die vorgegebenen Schaltstellungen bewegt wird, wobei ein berührungsfrei arbeitendes Verzögerungselement (22, 23, 27) vorgesehen ist, welches die Rotor bewegung in der Nähe der vorgegebenen Schalt stellung abbremst.

2. Bewegungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß statorseitig wenigstens zwei Teile aus magnetischem Material (34, 35) derart angeordnet sind, daß diese in Verbindung mit dem oder einem weiteren rotorseitig angeordneten Permanentmagneten (3.4) den Rotor (1) in die definierten Schaltstel lungen bewegen.

3. Bewegungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß Schaltstellungen durch mechanische Anschläge (32, 33) definiert sind.

4. Bewegungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß Schaltstellungen durch die permanent magnetische Kraftwirkung ausnutzende Fixierelemente (47) definiert sind.

5. Bewegungsanordnung nach einem der vorherigen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung des Rotors (1) mittels einer Wirbelstromdämpfungsein richtung (27) bewirkt wird, die in der Nähe der Schaltstellungen wirksam ist.

6. Bewegungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wirbelstromdämpfungseinrichtung (27) aus einem statorseitig angeordneten elektrisch gut leitendem Element besteht, in welchem durch rotor seitig angeordnete Magnetelemente (26) Wirbelströme erzeugt werden.

7. Bewegungsanordnung nach einem der vorherigen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statorseitig zusätzliche Bremsspulen (22, 23) angeordnet sind, die in der Nähe der Schaltstellungen wirksam sind dadurch, daß sie ein zu dem Moment der ersten Spu len ( 9-12) entgegengerichtetes Moment erzeugen.

8. Bewegungsanordnung nach einem der vorherigen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spule (9-12) eine Kurzschlußwicklung (18-21) zugeordnet ist.

9. Bewegungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kurzschlußwicklung (18-21) auf dem Träger der Spule (9-12) derart angeordnet ist, daß hochfrequente Spannungsimpulse auf die Spule gedämpft werden.

10. Bewegungsanordnung nach einem der vorherigen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statorseitig ein Rückschlußelement (17) vorgesehen ist, mit einem Querschnitt der bei Anlegen einer über der Nominal spannung liegenden Spulenspannung eine Sättigung des Rückschlußelements bewirkt.