DE3722756A1 - Spannungsabhaengiger elektrischer drehantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen elektrischen Drehantrieb, zur Ausführung einer Drehbewegung über vorgegebene Winkel und Rückstellung in eine Ausgangsstellung, mit einem Gehäuse, einer darin drehbar gelagerten Welle, einer mit dieser verbundenen insbesondere eisenlos gewickelten Spule und einem Magneten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehantrieb der vorge­ nannten Art so weiterzubilden, daß die Spule und damit die mit ihr ver­ bundene Welle eine Drehbewegung über einen vorgegebenen Winkel ausführt. Dabei soll vorzugsweise diese Winkeldrehung wenigstens im wesentlichen proportional zu der angelegten Spannung sein.

Um dies zu erreichen, ist ein Rückstellsystem erforderlich. Es sind nun z.B. Drehspulmeßwerke bekannt, die zur Erzeugung einer Rückstellkraft Spiral- oder Torsionsfedersysteme verwenden, die hochempfindlich, aber damit auch konstruktiv sehr aufwendig und teuer sind.

Um derartige, aufwendige, elektromechanische Rückstellsysteme zu vermeiden, schlägt die Erfindung zur Lösung der obengenannten Aufgabe vor, bei dem eingangs genannten Drehantrieb über der Spule wenigstens eine weitere Spule anzuordnen, die um einen Winkel zur ersten Spule versetzt ist.

Ein stromdurchflossener Leiter wird in einem Magnetfeld abgelenkt. Eine fest angeschlossene Spule dreht sich jedoch in einem Magnetfeld nur so­ lange bis sie sich in einer neutralen Stellung bzw. Zone befindet. In dieser Stellung sind die linksdrehenden und die rechtsdrehenden Momente gleich groß.

Mit einer weiteren, zu der ersten Spule beispielsweise um 90° versetzt angeordneten Spule ist es nun möglich, diesen Momentenausgleich zu über­ lagern und je nach Polarität der Strombeaufschlagung ein mehr linksdrehendes oder ein mehr rechtsdrehendes Moment zu erzeugen. Je mehr die Spannung an der überlagernden Spule zunimmt, desto mehr wird die darunter (oder darüber) liegende Spule aus der neutralen Zone ausgelenkt, je größer diese Auslenkung oder Drehung ist umso stärker ist aber auch das in der auf diese Weise aus­ gelenkten Spule erzeugte Umkehrmoment. Das Überlagerungsmoment und das Umkehrmoment kann durch Spannungsänderung variiert werden, womit man einen mindestens im wesentlichen spannungsproportionalen Drehantrieb erhält.

Der Winkel, um den die eine Spule gegenüber der anderen Spule versetzt ist, beträgt vorzugsweise 90°, er kann aber auch kleiner oder größer sein.

Die beiden Spulen sind zweckmäßigerweise mechanisch fest miteinander verbunden, z.B. mittels eines Klebstoffes oder auch durch Verbacken der Oberflächen durch Verwendung von Lackdraht.

Vorteilhafterweise hat jede Spule zwei Anschlüsse, nämlich einen ersten Anschluß, in welchem Anfang und Ende der Spule zusammengefaßt sind, so­ wie einen zweiten, eine Zwischenabzapfung bildenden Anschluß, der gegen­ über dem ersten im wesentlichen um 180° versetzt ist.

Diese Anschlußpaare der beiden Spulen sind es, die um den genannten Winkel gegeneinander in Umfangsrichtung der Spule versetzt sind.

Der Drehantrieb kann zweckmäßigerweise mit einer mit der Welle ver­ bundenen Rückmeldeeinrichtung versehen sein, durch welche der erreichte Stellwinkel oder Drehwinkel rückgemeldet wird. Diese Rückmeldeeinrichtung kann eine optische, eine induktive oder eine kapazitive Vorrichtung sein und das rückgemeldete Istwert-Signal kann dann dazu benutzt werden, die an die eine, oder an beide Spulen angelegten Spannungen zu verändern, wodurch ein sehr genauer Stellwinkel erreichbar ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist über den beiden Spulen eine dritte Spule angeordnet, die gegensinnig zu der zweiten Spule bestromt ist, derart, daß die eine, z.B. die zweite Spule, ein rechtsdrehendes und die andere, in diesem Fall die dritte Spule, ein linksdrehendes Moment erzeugt.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Drehantrieb nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht die beiden übereinanderliegenden Spulen des Drehantriebs nach Fig. 1.

Fig. 3 und 4 zeigen Beschaltungspläne für die beiden Spulen nach den Fig. 1 und 2.

Fig. 5 zeigt eine Modifikation des Drehantriebes nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Drehantrieb 10, bestehend aus einem Gehäuse 12, das gleichzeitig einen Eisenrückschluß bildet, sowie einer im Gehäuse dreh­ bar angeordneten Welle 14. Ortsfest mit dem Gehäuse 12 verbunden ist ein Magnet 24, und die Welle 14 ist in Lagern 16 gelagert, von denen eines in der Stirnwand des Gehäuses 12 und das andere an der einen Stirnseite des Magneten 24 angeordnet ist.

Eine eisenlos gewickelte Spule 18, z.B. eine trägheitsarme, selbsttragende Glockenankerspule, ist um den Magneten 24 angeordnet und mit der Welle 14 über eine Scheibe 22 drehfest verbunden.

Zwischen der zylindrischen Innenwand der Spule 18 und der zylindrischen Außenwand des Magneten 24 wird der nicht näher bezeichnete Magnetspalt gebildet.

Über der Spule 18 ist nun eine weitere Spule 20 angeordnet, welche direkt auf die Spule 18 aufgewickelt sein kann oder welche über die Spule 18 geschoben werden kann und mit dieser z.B. mittels eines ge­ eigneten Klebstoffes verbunden wird.

Der Stellantrieb 10 nach Fig. 1 ist ferner mit einer Rückmeldeeinrichtung versehen, die z.B. in Form eines auf der Welle 14 sitzenden Gebers 22 und eines am Gehäuse ortsfest angebrachten Aufnehmers 28 ausgebildet ist. Die Rückmeldeeinrichtung kann eine optische, eine induktive oder eine kapazitive Einrichtung sein, und sie erlaubt es, den effektiv erreichten Stellwinkel zu erfassen, d.h. den Istwert mit dem eingestellten Sollwert zu vergleichen und den Istwert auf den gewünschten Sollwert durch ent­ sprechende Spannungsänderung an der jeweiligen Spule einzuregeln.

Fig. 2 zeigt in Schrägansicht die Welle 14 mit den beiden mit ihr über die Scheibe 22 drehfest verbundenen Spulen 18 und 20.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Spule 18 die Ausgangs­ spule (oder die Rückstellspule), während die Spule 20 die Überlagerungs­ spule ist, durch welche das obengenannte zusätzliche Überlagerungsdreh­ moment erzeugt wird. Dies ist aber nicht Bedingung, es ist vielmehr für die Wirkungsweise und das Funktionieren des erfindungsgemäßen Dreh­ antriebs ohne Bedeutung und nur abhängig von der Beschaltung, welche der beiden Spulen die Ausgangsspule und welche die Überlagerungsspule bilden soll.

In Fig. 2 soll, wie gesagt, die innere Spule 18 die Ausgangsspule (oder Rückstellspule) sein und sie ist mit Anschlüssen 18 a und 18 b versehen. im Anschluß 18 a ist der Anfang und das Ende der Spule zusammengefaßt und der Anschluß 18 b bildet eine Zwischenanzapfung, die zum Anschluß 18 a um zweckmäßigerweise 180° versetzt ist.

Die äußere Spule 20 ist auf die innere Spule 18 aufgeschoben und mit ihr geeignet verbunden, z.B. durch ein Klebmittel, sie kann aber auch direkt auf die innere Spule aufgewickelt sein und die feste Verbindung mit der inneren Spule kann z.B. bewirkt werden durch Verbacken der Oberflächen, wozu z.B. zweifach beschichteter Lackdraht verwendet werden kann. Die Spule 20 hat einen Anschluß 20 a, in welchem wiederum der Anfang und das Ende der Wicklung bzw. des Wicklungsdrahtes zusammengefaßt sind, sowie einen zweiten Anschluß 20 b, der eine Zwischenabzapfung bildet, die wiederum zweckmäßigerweise um 180° gegenüber dem Anschluß 20 a ver­ setzt ist.

Die Anschlüsse 20 a und 20 b der Spule 20 sind nun gegenüber den Anschlüssen 18 a und 18 b der Spule 18, wie Fig. 2 zeigt, um 90° in Umfangsrichtung der Spulen versetzt. Dieser Winkel α, um den die Anschlußpaare der beiden Spulen versetzt zueinander sind, kann aber auch größer oder kleiner als 90° sein.

Fig. 3 zeigt die Art und Weise, wie die beiden Spulen 18 und 20 an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.

Die innere Spule 18 (die im hier dargestellten Beispiel die Rückstell­ spule bildet) ist fest an eine Spannungsquelle angeschlossen, wobei bei­ spielsweise ihr Anschluß 18 a am positiven und ihr Anschluß 18 b am negativen Pol der Spannungsquelle liegt.

Die äußere Spule 20 bildet hier die Überlagerungsspule und ihr Anschluß 20 a liegt beispielsweise am positiven und ihr Anschluß 20 b am negativen Pol einer ebenfalls nicht-gezeigten Gleichspannungsquelle, oder umgekehrt.

Je nach der Polarität der Anschlüsse der Spule 20 läßt sich ein links­ drehendes oder ein rechtsdrehendes Überlagerungsmoment erzeugen.

Wird nun zunächst die Spule 18 an die Spannungsquelle gelegt, so dreht sie sich, wie bereits oben erwähnt, bis sie sich in einer neutralen Zone oder Stellung befindet. Nun wird die Spule 20 an eine Spannungsquelle gelegt, wodurch die Spule 20 und die mit ihr fest verbundene Spule 18 je nach der Polarität der Beaufschlagung der Spule 20 nach links oder rechts gedreht werden, wobei die Spule 18 in jedem Fall die neutrale Zone verläßt. Je höher die an die Spule 20 gelegte Spannung ist, umso höher ist das Über­ lagerungsmoment und umso stärker wird die Spule 18 aus ihrer neutralen Stellung ausgelenkt. Je größer diese Auslenkung ist umso stärker ist aber auch das in der Spule 18 erzeugte Umkehrmoment.

Die Winkelabweichung bzw. der Drehwinkel ist hierbei mindestens im wesent­ lichen proportional zur angelegten Spannung. Wird beispielsweise die Spule 18 mit einer Festspannung betrieben und die an die Spule 20 ange­ legte Spannung variiert, so ergibt sich, jedenfalls im unteren Winkel­ bereich, eine praktisch lineare Winkelabweichung oder Winkelauslenkung. Sind die an die beiden Spulen angelegten Spannungen gleich, so stellt sich bei gleichartigen Spulen eine Auslenkung von 45° ein. Sollen noch größere Auslenkungen erreicht werden, so muß die Spannung an der Überlagerungs­ spule, hier im Beispiel die Spule 20, überproportional gesteigert werden. Theoretisch ist hierbei eine Winkelauslenkung von ± 90° möglich.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß bei Auslenkungen bis zu ± 25° eine Linearität, d.h. ein spannungsproportionales Verhalten im wesent­ lichen erreichbar ist. Auch Winkelbewegungen bis zu ± 45° sind noch problemlos auszuführen, während Winkelbewegungen oberhalb dieses Wertes weniger empfehlenswert sind.

Durch Anlegen der Spannungen an die beiden Spulen 18 und 20 wird die gewünschte Arbeitsstellung des Drehantriebs erreicht, ggf. eingeregelt durch Vergleich des Istwertes mit dem vorgegebenen Sollwert. Wird dann die Überlagerungsspannung abgeschaltet, d.h. im hier beschriebenen Bei­ spiel die an der Spule 20 liegende Spannung, so wird die Spule 18 und die mit ihr verbundene Spule 20 in die Ausgangsposition rückgestellt, d.h. in die Position, welche die Spule 18 einnimmt, wenn nur an sie eine Spannung angelegt wird, das bedeutet, die Ausgangsposition ist die obengenannte neutrale Zone oder neutrale Stellung.

Fig. 4 zeigt eine andere Art der Beschaltung der beiden Spulen 18 und 20.

Der Anschluß 20 a der Spule 20 ist beispielsweise an eine positive Spannung gelegt und der Anschluß 18 a der Spule 18 ist an eine negative Spannung gelegt (oder umgekehrt). Die Anschlüsse 20 b und 18 b sind zu einem virtuellen Nullpunkt zusammengefaßt. Sind die beiden Spannungen (die an 18 a und 20 a liegen) betragsmäßig gleich groß, z.B. ± 6 V, so nehmen die Spulen 18, 20 ihre Ausgangslage ein. Soll gegenüber dieser Ausgangslage eine Drehung der Spulen bewirkt werden, so werden beide Spannungen gleichzeitig und entgegengesetzt verändert, z.B. die eine auf +3 und die andere auf -9 V. Mit anderen Worten, was bei der einen Spule addiert wird, wird bei der anderen subtrahiert, so daß die Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen 20 a und 18 a stets konstant bleibt, z.B. 12 V, wie im hier beschriebenen Beispiel. Diese Betriebsweise bzw. diese Beschaltung hat den Vorteil, daß die Aufnahme­ leistung der Gesamtspule 18 plus 20 auch bei beliebig vorgegebenem Dreh­ winkel nicht zunimmt. Die Gesamtleistung des Systems bleibt unabhängig von der jeweiligen Winkelstellung und damit ebenfalls konstant.

Anstelle von zwei Spulen können, was nicht dargestellt ist, z.B. auch drei Spulen verwendet werden. Beispielsweise kann wiederum die innere Spule 18 die Rückstellspule sein. Die Spule 20 bildet dann die erste und eine weitere Spule die zweite Überlagerungsspule. Beide Überlagerungs­ spulen müssen relativ zur Rückstellspule im Winkel versetzt sein, ebenso wie die Spule 20 gegenüber der Spule 18 versetzt ist, die beiden Über­ lagerungsspulen brauchen aber relativ zueinander nicht versetzt zu sein, können es aber sein.

Die beiden Überlagerungsspulen werden gegensinnig bestromt, derart, daß relativ zur Rückstellspule die eine Überlagerungsspule ein rechtsdrehendes Moment und die andere Überlagerungsspule ein linksdrehendes Moment erzeugt.

Im Betrieb wird dann immer nur eine der beiden Überlagerungsspulen zu­ sammen mit der Rückstellspule betrieben, wobei die eine Überlagerungs­ spule eine rechtsdrehende und die andere Überlagerungsspule eine links­ drehende Auslenkung aus der neutralen Stellung bewirkt.

Die dritte, nicht-gezeigte Spule ist dann über der Spule 20 angeordnet und mechanisch mit dieser verbunden.

Die Schaltbilder nach den Fig. 3 und 4, in denen mit dem Bezugszeichen 30, 32, 34 und 36 die Innenwiderstände der Spulen bezeichnet sind, stellen nur Beispiele dar. Es sind auch andere Beschaltungen möglich.

Der Magnet 24 nach Fig. 1 ist z.B. diametral magnetisiert, d.h. Nordpol und Südpol des Magneten liegen sich diametral gegenüber, es können aber auch andere Magnete, z.B. radial magnetisierte Magnete, verwendet werden. Die z.B. nach dem Schrägwickelprinzip gewickelten Spulen sind zweckmäßiger­ weise, wie bereits ausgeführt, trägheitsarm und eisenlos gewickelt, wodurch eine schnelle Auslenkung der Spulen begünstigt wird, die Verlustleistung gering gehalten und ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Durch die Ver­ wendung von eisenlosen Spulen werden ferner Beeinträchtigungen durch Wirbelstrombildung vermieden.

Fig. 5 zeigt eine Modifikation des Drehantriebs nach Fig. 1. Bei letzterem ist der Magnet 24 fest mit dem Gehäuse verbunden, während die Spulen 18 und 20 über die Scheibe 22 drehfest mit der Welle 14 verbunden sind. Der Magnet 24 bildet somit den ortsfesten Stator und die Spulen 18 und 20 den mit der Welle 16 umlaufenden Rotor.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Magnet 24 direkt auf der Welle 14 angeordnet und z.B. durch Kleben drehfest mit ihr verbunden, so daß er im Betrieb mit der Welle 14 umläuft.

Die Spulen 18 und 20 sind dagegen ortsfest in das Gehäuse 12 einge­ baut, im vorliegenden Beispiel sind sie mit dem ortsfesten Eisen­ rückschluß 40 verbunden.

Der Magnet 24 bildet somit den mit der Welle 14 umlaufenden Rotor, während die Spulen 18 und 20 zusammen mit dem Eisenrückschluß 40 und dem Gehäuse 12 den ortsfesten Stator bilden.

Bei im übrigen gleicher Funktion wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 hat die Ausführungsform nach Fig. 5 den Vorteil, daß die Anschlüsse 42 und 44 zu den Spulen 18 und 20 ortsfest und damit einfacher ausgeführt werden können. Sie unterliegen ferner keiner Bruchgefahr, da sie keiner Bewegung, verursacht durch das Drehen des Rotors, ausgesetzt sind.

Ein weiterer Vorteil ist die bessere Wärmeabfuhr. Bisher wurde die Spule frei im magnetischen Luftspalt aufgehängt, jeweils mit Abstand zum Magneten als auch zum Gehäuse. Dadurch konnte die Wärme der Spule nicht in genügendem Maße abgeführt werden.

Durch die ortsfeste Anordnung der Spulen als Stator kann nunmehr jedoch wesentlich mehr Wärme übertragen und über das Gehäuse abgeführt werden, wodurch es z.B. möglich ist, die Gesamtleistung des Systems zu erhöhen.

Die Wicklungsparameter, insbesondere Werkstoff, Windungszahl, Drahtdurch­ messer und Länge der Spulen, aber auch die rein mechanischen Abmessungen können unterschiedlich ausgebildet sein. Ebenso können die Spulen mit mehr als jeweils zwei Anschlüssen ausgerüstet sein. Die Magneten können anstatt innerhalb auch außerhalb der Spulen liegen, es können ferner eines oder mehrere Polpaare vorgesehen werden.

Die Erfindung ermöglicht es somit, auf mechanische Rückstellmittel, wie z.B. komplizierte Sprial- oder Torsionsfedern, zu verzichten und sie ermöglicht durch Variieren der an die Spulen angelegten Spannungen eine feinfühlige und frei wählbare Einstellung der gewünschten Winkel­ auslenkung.

Claims (7)

1. Spannungsabhängiger elektrischer Drehantrieb, zur Ausführung einer Drehbewegung über vorgegebene Winkel und Rückstellung in eine Aus­ gangslage, mit einem Gehäuse, einer darin drehbar gelagerten Welle, einer mit dieser verbundenen, insbesondere eisenlos gewickelten Spule und einem Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß über der Spule (18) eine weitere Spule (20) angeordnet ist, die um einen Winkel (α) zur ersteren versetzt ist.

2. Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) im wesentlichen 90° beträgt.

3. Drehantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (18, 20) mechanisch fest, z.B. mittels eines Kleb­ stoffes miteinander verbunden sind.

4. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Spule (18, 20) zwei Anschlüsse (18 a, 18 b bzw. 20 a, 20 b) aufweist, nämlich einen ersten Anschluß (18 a, 20 a), in welchem Anfang und Ende der jeweiligen Spule zusammengefaßt sind, und einen zweiten, eine Zwischenanzapfung bildenden Anschluß (18 b, 20 b), der gegenüber dem ersten Anschluß (18 a, 20 a) jeweils um 180° ver­ setzt ist.

5. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er mit einer mit der Welle (14) verbundenen Rückmeldeeinrichtung (26, 28) zur Rückmeldung des erreichten Stell­ winkels versehen ist.

6. Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den beiden Spulen (14, 18) eine dritte Spule angeordnet ist, die gegen­ sinnig zu der Spule (20 oder der Spule 18) bestromt ist, derart, daß die eine ein rechtsdrehendes und die andere ein linksdrehendes Drehmoment erzeugt.

7. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (24) fest mit der drehbaren Welle (14) und die beiden Spulen (18, 20) fest mit dem ortsfesten Eisenrückschluß (40) verbunden sind.