DE3627661A1 - Gleichstrom-elektromagnet fuer eine translationsbewegung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstrom- Elektromagnet für eine Translationsbewegung.

Für einen gegebenen Gleichstrom-Elektromagnet gibt es bekanntlich eine optimale Luftspaltlänge, für die das Produkt aus der Anziehungskraft bei dieser Länge und der restlichen zu durchlaufenden Strecke ein Maximum er­ reicht. Wenn nämlich diese Länge abnimmt, steigt die Anziehungskraft auf Grund von magnetischen Sättigungs­ effekten und dem Vorhandensein von Restluftspalten oder von Antiremanenzen nicht bis unendlich an, vielmehr strebt das Produkt gegen Null. Wenn auf der anderen Seite diese Länge anwächst, nimmt die Anziehungskraft annähernd mit dem Quadrat der Strecke ab und das Produkt nimmt auch ab. Experimentell wurde festgestellt, daß diese optimale Luftspaltlänge etwa bei einem Zehntel der Quadratwurzel der Luftspaltfläche liegt.

Im allgemeinen führt die Verwirklichung eines solchen optimalen Luftspalts zur Überwindung des mechanischen Widerstands wie bei Relaiskontakten dazu, daß die Luft­ spaltfläche gegenüber dem Eisenquerschnitt vergrößert wird, beispielsweise dadurch, daß an den Enden eines Kerns eine Polverbreiterung vorgesehen wird, deren Flä­ che doppelt so groß ist wie die des Eisens.

Gleichzeitig kann eine Wirkungsverstärkung mit Hilfe einer Rotation durch ein Schwenken des Ankers um ein Ende eines U-Schenkels, dessen anderer Schenkel die Spule trägt, angewandt werden. Der Schließweg des Luft­ spalts kann kleiner sein als die nutzbare Verstellung durch den Elektromagnet, beispielsweise entsprechend der Relaiskontaktverstellung.

Wenn es trotzdem nötig ist, daß der Anker eine Transla­ tion ausübt, beispielsweise um Doppeltrennkontakte in Schützen direkt zu steuern, kann man den Kunstgriff der Verstärkung durch eine Rotation nicht mehr anwenden. Man kann die Verwendung eines Tauchankers ins Auge fassen; aber diese Anordnung ist von einer nicht vernachlässig­ baren Veränderung des magnetischen Widerstands begleitet. Man ist daher gezwungen, zu einer Konfiguration mit zwei in Reihe liegenden Luftspalten (ein ebener Anker, der einem U oder einem E gegenübersteht, oder einem U- oder einem E-Anker, der einem Anker der gleichen Gestalt gegenübersteht) Zuflucht zu nehmen.

Um nun aber mit zwei in Reihe geschalteten Luftspalten die gleichen Charakteristiken (magnetischer Widerstand, Induktion, magnetischer Fluß, Anziehungskräfte) wie mit einem einzigen Luftspalt wiederzugewinnen, ist es er­ forderlich, die Fläche der Luftspalte zu verdoppeln (unveränderter magnetischer Gesamtwiderstand der Luft­ spalte und unveränderter Fluß mit zwei gleichen Kräften, jeder mit der Hälfte der vorhergehenden Kraft).

Das Wiedergewinnen der Wirkungen einer Verdoppelung der Fläche eines einzigen Luftspalts erfordert daher zwei Verbreiterungen eines jeden mit dem vierfachen Eisen­ querschnitt. Es sind nicht nur keine gleichen Kreise in Form eines E oder eines U, die sich gegenüberstehen, mehr verwendbar, sondern selbst mit einem ebenen Anker ist der Raumbedarf zu groß und der Streufluß beachtlich.

Zum Lösen dieses Problems wurden nicht-ebene abgewinkelte Luftspaltflächen vorgeschlagen. Man kommt aber nicht über das Äquivalent einer Verdoppelung der Flächen hinaus. Und es entstehen dabei Führungsprobleme. In der FR-A 25 22 871 ist einer der Luftspalte zur Rückgewinnung mit Überdeckung ausgebildet, also mit einem geringen magnetischen Widerstand versehen, aber die entsprechenden Flächen müssen mit einem Plastikmaterial wie Polytetra­ fluoräthylen bedeckt werden. Dies verursacht ein heikles und kostspieliges Herstellungsverfahren, ohne daß damit die Risiken eines Verschleißes und eines Verklemmens beseitigt werden.

Die vorliegende Erfindung hat einen Aufbau eines Gleich­ strom-Elektromagneten für eine Translationsbewegung zum Ziel, die zwei in Reihe liegende Luftspalte erlaubt, von denen beide eine Fläche bis zum Zehnfachen des Eisen­ querschnitts aufweisen, um die optimalen Bedingungen eines einzigen Luftspalts mit einer großen Verbreiterung und mit einer Verstärkung durch eine Rotation zu erhalten, und zwar trotz eines nur geringen Raumbedarfs und einer billigen Herstellung.

Die Erfindung ist auf einen Gleichstrom-Elektromagnet für eine Translationsbewegung gerichtet mit einem ersten und einem zweiten Magnetstück, die gegeneinander verstell­ bar sind, und einer Wicklung, die auf einen Wickelkörper gewickelt ist, der einen Kern umgibt, der dem ersten Magnetstück zugeordnet ist und von dem ein erstes Ende mit einer Polverbreiterung versehen ist, die einem ersten Bereich des zweiten Magnetstücks gegenübersteht und dabei einen ersten großflächigen Luftspalt bildet.

Nach der Erfindung ist dieser Elektromagnet dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende des Kernes über den Wickelkörper der Wicklung hinaus verlängert und mit einer zweiten Polverbreiterung versehen ist und daß das zweite Magnetstück einen zweiten Bereich aufweist, der zwischen dem Wickelkörper und der zweiten Polverbreite­ rung liegt und dabei zusammen mit dem letzteren einen zweiten großflächigen Luftspalt bildet, der magnetisch in Reihe mit dem ersten Luftspalt liegt und sich gleich­ zeitig mit ihm schließt.

Die beiden in Reihe liegenden Luftspalte befinden sich am einen axialen Ende der Spule und können also eine überaus große Fläche aufweisen, ohne daß dadurch der Platzbedarf des Elektromagneten in der senkrecht zur Spulenachse liegenden Ebene beeinträchtigt wird.

Was den Platzbedarf in der Richtung der Spulenachse betrifft, wird er durch das Vorhandensein des zweiten Luftspalts kaum erhöht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Die beigefügten Zeichnungsfiguren sollen die Erfindung nicht einschränken.

Fig. 1 ist ein Teilschnitt durch einen Elektromagneten nach der Erfindung längs der Schnittlinie I-I von Fig. 2;

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung längs der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Teilschnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1 und zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 ist eine Ansicht ähnlich der Fig. 3 und zeigt die gleiche Variante des Ausführungsbeispiels.

Der in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Elektromagnet umfaßt eine Wicklung 1, die auf einen Spulenwickelkörper 2 gewickelt ist. Dieser Wickelkörper besteht aus Plastik­ material. Als Spule wird die Baugruppe aus der Wicklung 1 und dem Wickelkörper 2 bezeichnet.

Der Wickelkörper 2 umgibt einen Magnetkern 3 und gehört zu einem ersten Magnetteil, das beim Ausführungsbeispiel ortsfest ist.

Ein erstes Ende 3 a des Kerns 3 ist, angrenzend an eine Außenfläche einer Seitenwand 2 a des Wickelkörpers 2, mit einer Polverbreiterung versehen. Diese Polverbreiterung wird mit Hilfe eines Polstücks 4 hergestellt, die auf das Ende 3 a gegen eine Schulter des Kerns 3 aufgepreßt ist.

Wie Fig. 2 zeigt, weisen die Seitenwände 2 a und 2 b (es ist nur die Seitenwand 2 a sichtbar) des Wickelkörpers 2 eine im wesentlichen rechtwinklige Form auf. Die Ver­ breiterung 4 hat eine rechtwinklige Gestalt, wobei ihre Länge und ihre Breite ähnlich denen der Seitenwände 2 a und 2 b sind.

Der Elektromagnet umfaßt außerdem ein zweites Magnetteil, das beim Ausführungsbeispiel beweglich ist und das zwei Magnetanker 5 und 6 umfaßt, die symmetrisch beiderseits der Spulenachse angeordnet sind.

Die Anker 5, 6 umfassen einen ebenen zentralen Bereich 5 b, 6 b, der seitlich der Spule und parallel zu ihrer Achse liegt und parallel zu dieser Achse versetzt zwischen zwei Nockenpaaren 2 c an den Seitenwänden 2 a, 2 b geführt wird. Die beiden zentralen Bereiche 5 b, 6 b liegen beider­ seits der Spule parallel zueinander.

Am Ende des zentralen Bereichs 5 b, 6 b, das an die Ver­ breiterung 4 angrenzt, sind die Anker 5, 6 rechtwinklig gegeneinander gebogen und bilden je für sich einen ersten Luftspaltbereich 5 a, 6 a, der der Verbreiterung 4 auf der gegenüberliegenden Seite der Seitenwand 2 a gegenübersteht. Die Bereiche 5 a, 6 a der Anker 5, 6 bilden zusammen mit der Verbreiterung 4 einen großflächigen (4/5 a, 6 a) ersten variablen Luftspalt e 1. Der Anschlag der Bereiche 5 a, 6 a an die Verbreiterung 4, nämlich das Schließen des ersten Luftspalts, legt einer der Enden der Verstellungsbewegung der Anker 5, 6 fest.

Die Anker 5, 6 sind durch einen Trägerarm 7 aus Plastik aneinander befestigt, im Trägerarm sind die beweglichen Kontakte 13 eines Schützes befestigt, dessen Elektro­ magnet das antreibende Element bildet. Die beweglichen Kontakte 13 werden gegen ein Abstützlager 14 durch Federn 16 vorgespannt. Zum Befestigen der Anker 5, 6 am Träger 7 sind die Bereiche 5 a, 6 a gegen die untere Fläche des Trägers 7 zwischen zwei Spannschienen 7 a gepreßt, die auf zwei gegenüberliegenden Kanten des letzteren vor­ gesehen sind. Nach der Montage der Spule und des ersten Magnetteils wie auch des Trägers der beweglichen Kontakte und des Trägers der festen Kontakte (nur die festen Kontakte sind strichpunktiert mit dem Bezugszeichen 17 dargestellt) können die beiden Anker 5, 6 durch ein seitliches Einschieben beiderseits der Spule in die zugehörigen Spannschienen 7 a eingebaut werden.

In der zusammengebauten Stellung liegen die Anker 5 und 6 mit dem freien Ende ihres Bereichs 5 a, 6 a aneinander in Anlage. Sie bilden währenddessen zwischen sich einen kreisförmigen Durchbruch 5 d und halten das breite Ende einer schraubenkegelförmigen Druckfeder 8 fest, die zwischen die untere Fläche des Trägers 7 und das Ende 3 a des Kerns 3, das durch das Loch zum Aufpressen des Polstücks 4 blickt, eingebaut ist.

Nach der Erfindung ist das zweite Ende 3 b des Kerns 3 über den Wickelkörper 2 hinaus verlängert und bis zu einem gewissen Abstand über die Seitenwand 2 b mit einer zweiten Polverbreiterung versehen, die mit Hilfe eines Polstücks 9 hergestellt wird, das eine zentrale Ausnehmung 9 a aufweist, durch die es eingefügt und um das Ende 3 b herum eingefaßt ist und sich dabei an einer Schulter 3 c des Kerns abstützt. Die Verbreiterung 9 ist im wesentli­ chen ein Rechteck, dessen Länge und dessen Breite unge­ fähr gleich den entsprechenden Abmessungen des bewegli­ chen Teils sind. Um in Radialrichtung einen konstanten Eisenquerschnitt beim Übergang vom Kern 3 zum Polstück 9 sicherzustellen, ist ein Eisenring 10 auf das Ende 3 b gegen das Polstück auf der gegenüberliegenden Seite der Spule 1, 2 aufgesetzt.

Nach einer anderen wichtigen Einzelheit der Erfindung sind die Anker 5, 6 am Ende des zentralen Bereichs 5 b, 6 b, das an das Ende 3 b des Kerns angrenzt, ein zweites Mal um 90° zueinander gebogen und bilden einen zweiten Luftspaltbereich 5 c, 6 c, der zwischen der Wand 2 b und der Verbreiterung 9 liegt, so daß ein zweiter variabler Luftspalt gebildet wird, der magnetisch in Reihe mit dem ersten Luftspalt e 1 liegt. In der Endstellung, in der der erste Luftspalt e 1 geschlossen ist, ist auch der zweite Luftspalt e 2 geschlossen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen dann die beweglichen Kontakte 13 auf den Festkontakten 17 mit einer Kraft, die durch die Federn 16 bestimmt wird.

Wenn die Wicklung 1 nicht erregt ist, werden die Anker 5, 6 durch die Feder 8 in die in den Figuren gezeigte Endstellung zurückgeführt, in der die Bereiche 5 c, 6 c im Anschlag an die Seitenwand 2 b des Wickelkörpers 2 anliegen.

Wie der erste Luftspalt e 1 weist auch der zweite Luft­ spalt e 2 eine verhältnismäßig große Fläche von beispiels­ weise dem Fünf- bis Zehnfachen des Eisenquerschnitts des magnetischen Kreises auf, also des Kernquerschnitts, oder die Summe der Querschnitte der zentralen Bereiche 5 b und 6 b der Anker 5 und 6, die magnetisch parallel liegen. Die beiden Luftspalte besitzen vorzugsweise eine gleiche Fläche.

Eine Muffe 11 aus Kupfer oder aus Messing, also aus einem unmagnetischen, aber elektrisch leitenden Material, ist auf den Kern 3 zwischen der zweiten Polverbreiterung 9 und der angrenzenden Wand 2 b des Spulenwickelkörpers aufgezogen. Die Muffe 11 hat mehrere Funktionen. Einer­ seits legt sie den axialen Abstand zwischen der Pol­ verbreiterung 9 und dem Wickelkörper 2 fest. Anderer­ seits ist ihr äußerer Durchmesser ähnlich dem des inneren Durchmessers einer Öffnung 5 e, die von den zueinander gerichteten Bereichen 5 c und 6 c gemeinsam bestimmt wird. Die Öffnung 5 e arbeitet mit der Muffe 11 zusammen und vervollständigt die Führung bei der Ver­ stellung der Anker 5 und 6, wobei aber zwischen ihnen und dem Kern 3 ein Luftspalt mit festem Abstand e 3 ein­ gehalten wird, der die Streuverluste minimiert.

Darüber hinaus spielt die Muffe 11 die Rolle eines Ver­ zögerungsringes und vermindert die Überspannung, die durch ein schlagartiges Abschalten der Versorgungsspan­ nung der Spule 1 hervorgerufen wird.

Auf der Seite der Wand 2 b weist die Muffe 11 einen Kragen 11 a auf, der die Seitenwand 2 b mechanisch ab­ stützt und damit vermeidet, daß sich im Lauf der Zeit die Wand 2 b unter dem Druck der Wicklung 1 verformt und sich der größtmögliche Abstand des Luftspalts e 2 ver­ ringert.

Man sieht, daß zwischen der Schmalseite des Polstücks 4 und dem zentralen Bereich 5 b oder 6 b der Anker 5, 6 ein Luftspalt e 4 konstanten Abstands belassen ist, der die magnetischen Streuverluste zwischen dem Polstück 4 und den Ankern 5, 6 minimiert.

Die Erfindung ermöglicht für die variablen Luftspalte eine Oberfläche, die ungefähr zehn Mal so groß ist wie die des Eisenquerschnitts des Kerns 3 und die magnetisch einem Magnetkreis gleichwertig ist, der nur einen ein­ zigen Luftspalt umfassen würde mit einer Fläche, die fünf Mal so groß ist wie die des Kerns, oder auch einem Magnetkreis mit einem einzigen Luftspalt, dessen Fläche zweieinhalb Mal so groß ist wie die des Querschnitts des Kerns in Verbindung mit einer Vergrößerung mit Hilfe einer Rotation, die den Nutzweg verdoppelt.

Wenn die vorgesehene Luftspaltfläche übertrieben groß ist, ist sie selbstverständlich auf einfache Weise zu verringern. Man kann daher eine optimale Luftspaltfläche auswählen. Es nützt nämlich nichts, die Luftspaltfläche übermäßig zu vergrößern, weil dann der magnetische Eisen­ widerstand bei offenem Kreis an den des Luftspalts heran­ kommt und andererseits die Feldstärke bei geschlossenem magnetischem Kreis bis zu einem Punkt vermindert, der Probleme beim Zusammendrücken der Federn der Arbeits­ kontakte zur Folge hat.

Wird die Muffe 11 weggelassen, kann der Kern in dem Spulenwickelkörper verschoben werden, wobei die Pol­ stücke 5 und 6 an der Seitenwand 2 c des Wickelkörpers befestigt sind.

Die Fig. 5 und 6 zeigen in entsprechenden Vereinfa­ chungen der oben im einzelnen beschriebenen Fig. 1 und 3 eine solche Ausführungsvariante. In diesem Fall bildet das Magnetteil 5, 6 den festen Teil und wird zusammen mit der Spule 1, 2 in einem Gehäuse 35 gehalten, während das Magnetfeld 3, 4 das bewegliche Teil bildet.

Der Kern 3 ist verschiebbar in einer Bohrung 32 des Wickelkörpers 2 gehalten, während eine Rückholfeder 28 des beweglichen Magnetteils 3, 4 auf den Kern 3 zwischen die zweite Polverbreiterung 9 und die anliegende Seiten­ wand 2 b, die zum Wickelkörper 2 gehört, aufgesetzt ist.

Andererseits ist analog zur Wirkungsweise des oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels die erste Polverbreiterung 4 ungefähr um einen rechten Winkel in einer zur zweiten Polverbreiterung 9 entgegengesetzten Richtung beiderseits des Isolierstücks (Trägers) 7, das die beweglichen Kontakte 13 trägt, umgebogen und bildet Bereiche 4 b, die bewegungsschlüssig mit dem Isolierstück 7 verbunden sind, während dieses natürlich von den Be­ reichen 5 a, 6 a des festen Teils 5, 6 gelöst ist.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht beschränkt auf die beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispiele. Zahlreiche Ausgestaltungen können vorgenommen werden, ohne das Wesen der Erfindung zu verlassen.

Wenn man sich mit Luftspalten mit einer Fläche, die fünf Mal so groß ist wie der Kernquerschnitt, begnügt, ist es möglich, einen der Anker 5 oder 6 wegzulassen.

Es ist ohne weiteres möglich, nur einen einzigen Anker vorzusehen, ohne die Luftspaltflächen zu vermindern, und zwar unter der Bedingung, daß in einem der Luftspalt­ bereiche dieses Ankers eine Ausnehmung zum Durchgang der Verlängerung des Kerns vorgesehen wird, der das Polstück 9 trägt.

Der Kern kann einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und beispielsweise aus einem Stapel von Blechschnitten gebildet sein oder aus zwei Blechen, die in entgegenge­ setzter Richtung rechtwinklig über die Enden der Spule hinaus abgebogen sind, so daß der Kern und seine zwei Polverbreiterungen aus einem Stück bestehen.

Claims (10)

1. Gleichstrom-Elektromagnet für eine Translationsbe­ wegung, mit einem ersten (3, 4) und einem zweiten (5, 6) Magnetstück, die gegeneinander beweglich sind, und einer Wicklung (1), die auf einen Wickelkörper (2) gewickelt ist, der einen Kern (3) umgibt, der dem ersten Magnet­ stück zugeordnet ist und von dem ein erstes Ende (3 a) mit einer Polverbreiterung (4) versehen ist, die einem ersten Bereich (5 a, 6 a) des zweiten Magnetstücks (5) gegenübersteht und dabei einen großflächigen Luftspalt bildet (4/5 a, 6 a), dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (3 b) des Kerns (3) über den Wickelkörper (2) hinaus verlängert und mit einer zweiten Polverbreiterung (9) versehen ist, und daß das zweite Magnetstück (5, 6) einen zweiten Bereich (5 c, 6 c) aufweist, der zwischen dem Wickelkörper (2) und der zweiten Polverbreiterung (9) eingesetzt ist und dabei zusammen mit der letzten (9) einen zweiten großflächigen Luftspalt (9/5 c, 6 c) bildet, der magnetisch in Reihe mit dem ersten Luftspalt (4/5 a, 6 a) liegt und sich gleichzeitig mit ihm schließt.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Luftspalte (4/5 a, 6 a; 9/5 c, 6 c) fünf- bis zehnmal so groß wie der Eisenquerschnitt des Kerns (3) ist.

3. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Magnetstück (5, 6) einen ungefähr parallel zu der Achse der Spule (1, 2) liegenden zentralen Bereich (5 b, 6 b) umfaßt und beiderseits der Spule ungefähr rechtwinklig zu ihrer Achse abgebogen ist und dabei den ersten (5 a, 6 a) und den zweiten (5 c, 6 c) Bereich des zweiten Stücks (5, 6) bildet.

4. Elektromagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das zweite Magnetstück (5, 6) zwei identische U-förmige Halbanker (5, 6) umfaßt, die beiderseits der Spule (1, 2) seitlich eingefügt und jeweils an einem Ende der unteren Fläche eines Träger-Isolierstücks (7) befestigt sind, das bewegliche Kontakte (13) trägt.

5. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Muffe (11) aus nicht­ magnetischem, aber elektrisch leitendem Material wie Kupfer auf den Kern (3) zwischen die zweite Polverbreite­ rung (9) und eine angrenzende Seitenwand (2 b), die zum Spulenwickelkörper (2) gehört, aufgesetzt ist.

6. Elektromagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (11) einen Kragen (11 a) zur Verstärkung der Seitenwand (2 b) umfaßt.

7. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Magnetstück (5, 6) zwei identische U-förmige Halbanker (5, 6) um­ faßt, die sich seitlich beiderseits der Spule (1, 2) erstrecken und an je einer Seitenwand (2 c) des Wickel­ körpers (2) befestigt sind.

8. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polverbreiterung (4), mit der das erste Ende (3 a) des Kerns (3) versehen ist, auf der der zweiten Polverbreiterung (9) gegenüberlie­ genden Seite und beiderseits eines Isolierstücks (7), das bewegliche Kontakte (13) trägt, ungefähr rechtwinklig abgebogen ist und Bereiche (4 b) bildet, die bewegungs­ schlüssig mit dem Isolierstück (7) verbunden sind.

9. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückholfeder (28) für das bewegliche Stück (3, 4) auf den Kern (3) zwischen der zweiten Polverbreiterung (9) und einer danebenliegenden Wand (2 b), die zum Wickelkörper (2) gehört, aufgesetzt ist.

10. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Stück (5, 6) und die Spule (1, 2) in einem Gehäuse (35) gehalten sind.