DE4020275C2 - Stellenantrieb zur Einstellung von zwei selbsthaltenden Lagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb zur Einstellung von zwei selbsthaltenden Lagen, welche durch elektrische Bestromung einer elektrisch umpolbaren Elektromagnetanord­ nung in der einen oder anderen Bestromungsrichtung ein­ stellbar sind.

Ein derartiger Stellantrieb ist beispielsweise aus der Druckschrift AT 114 195 bekannt.

Bei herkömmlichen Stellantrieben besitzt die Elektromagnetanordnung eine zylinderförmige Spule, in der ein Anker nach Art eines Kolbens verschiebbar angeordnet ist. Mittels einer Feder wird dieser Anker in eine Endlage gedrängt, in der der Anker etwas aus der Spule herausragt. Somit kann diese Endlage in stromlosem Zustand der Spule durch die Kraft der genannten Feder gehalten werden. In der anderen Endlage wird der Anker durch einen stationären Haftmagneten gehalten, an dem der Anker in dieser Stellung anliegt. Zur Verstellung des Ankers wird die Spule jeweils in der einen oder anderen Stromrichtung mit einer elektri­ schen Spannungsquelle verbunden. Damit läßt sich der Anker aus der einen Endlage gegen die Kraft der Feder durch die von der Spule erzeugten magnetischen Kräfte in die andere Endlage schieben. Wird nun die Spule in entgegengesetzter Richtung elektrisch bestromt, so wirkt das von ihr erzeugte Magnetfeld dem Magnetfeld des Haftmagneten entgegen, so daß die Feder den Anker wieder in die eine Endlage zurückzustellen vermag.

Die Linearbewegung des Ankers kann gegebenenfalls durch entsprechende Getriebeelemente, beispielsweise durch eine mit einem Zahnritzel zusammenwirkende, mit dem Anker verbun­ dene Zahnstange, in eine Drehbewegung umgesetzt werden.

Dieser bekannte Stellantrieb ist trotz seiner prinzipiell einfachen Konstruktion herstellungsmäßig recht aufwendig.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen konstruktiv besonders einfachen Stellantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei magnetisch entgegengesetzte Pole der Elektromagnetanordnung sowie ein oder mehrere Pole der einen magnetischen Polarität einer relativ zur Elektromagnetanordnung beweglichen Perma­ nentmagnetanordnung miteinander zusammenwirken und je nach elektrischer Bestromungsrichtung der Elektromagnetanordnung die eine oder andere Lage relativ zueinander einnehmen, daß den Polen der Elektromagnetanordnung Halteele­ mente aus magnetisierbarem bzw. ferromagnetischem Material zugeordnet sind, und daß sich der eine Pol bzw. einer der Pole der einen Polarität der Permanentmagnetanordnung in jeder der beiden Lagen maximal an eines der Halteelemente annähert.

Beim erfindungsgemäßen Stellantrieb werden beide einzu­ stellenden Lagen in prinzipiell gleicher Weise eingestellt, indem jeweils die Wechselwirkung zwischen den von der Perma­ nentmagnetanordnung und den von der Elektromagnetanordnung erzeugten bzw. erzeugbaren Magnetfeldern ausgenutzt wird. Je nach elektrischer Bestromungsrichtung sucht jeweils einer der beiden genannten Pole der Elektromagnetanordnung den Pol bzw. einen der Pole der einen magnetischen Polarität der Permanentmagnetanordnung anzuziehen, während zwischen dem anderen Pol der Elektromagnetanordnung und dem genannten Pol bzw. den genannten Polen der Permanentmagnetanordnung abstoßende Kräfte auftreten. Bei entsprechend symmetrischem Aufbau lassen sich daher ohne weiteres gleich große Stellkräfte in beiden mögli­ chen Stellrichtungen erzielen.

Die Halteelemente aus magnetisierbarem bzw. ferromagnetischem Material können in den jeweils einzustellenden Lagen mit der Permanentmagnetanordnung berührungsfrei oder auch unter Berührung zusammenwirken. In beiden Fällen kann die jeweils eingestellte Lage mittels der Magnetkräfte gehalten werden, die zwischen der Permanentmagnetanordnung und dem jeweiligen Halteelement wirksam sind und in den jeweils einzustellenden Lagen des Stellantriebes ein (relatives) Maximum erreichen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Halteelemente als mit dem Pol bzw. den Polen der einen magnetischen Polarität der Permanentmagnetanordnung zusammenwirkende Anschläge ausgebildet, wobei in einer besonders zweckmäßigen Version vorgesehen ist, daß diese Anschläge nach Art von Polschuhen mit einem eine Elektro­ magnetspule durchsetzenden Kern aus weichmagnetischem Material verbunden bzw. an den Kern angeformt sind.

Diese Ausbildungsform ist auch für solche Stellantriebe besonders geeignet, bei denen die Umstellung zwischen den selbsthaltenden Lagen durch Drehhübe erfolgen soll. In diesem Falle kann beispielsweise die Permanentmagnetanordnung als Exzenter ausgebildet sein, an dem der Pol bzw. die Pole der einen magnetischen Polarität exzentrisch zur Drehachse angeordnet sind, derart, daß sie mit den polschuhartigen Halteelementen an der Elektromagnetanordnung zusammenwirken können.

In der Regel wird die Elektromagnetanordnung stationär angeordnet, und die Permanentmagnetanordnung bildet den beweglichen Teil des Stellantriebes.

In jedem Falle kann dabei der bewegliche Teil zusammen mit dem vom Stellantrieb anzutreibenden Getriebe- oder Maschinen­ organ od. dgl. gelagert sein oder auch einen Teil desselben bilden.

Im übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche verwiesen.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine Achsansicht eines als Drehantrieb ausgebildeten erfindungsgemäßen Stellantriebes,

Fig. 2 eine Seitenansicht entsprechend dem Pfeil II in Fig. 1,

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines als Linearantrieb ausgebildeten erfindungsgemäßen Stellantriebes.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Stellantrieb besitzt eine zylinderförmige Magnetspule 1 mit einem Kern 2 aus weichmagnetischem Material. Die Magnetspule 1 läßt sich mit einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle in umpolbarer Weise verbinden, so daß die Spule 1 in zwei entgegengesetzten Richtungen mit Strom beaufschlagt werden kann. Je nach elektrischer Stromrichtung weist dann die magnetische Nord-Süd-Richtung des Kernes 2 in Fig. 1 von rechts nach links bzw. von links nach rechts.

Jedes Ende des Kernes 2 ist jeweils mit einem Halteelement 3′ bzw. 3′′ verbunden, welches ebenso wie der Kern 2 aus weich­ magnetischem Material besteht.

Im dargestellten Beispiel sind die Halteelemente 3′ und 3′′ als Blechteile ausgebildet, welche im wesentlichen aus jeweils einer am Stirnende der Magnetspule 1 angeordneten Platte mit zur Spulenachse radialer Plattenebene bestehen. Die Halteelemente 3′ und 3′′ besitzen an ihren in Fig. 1 unteren Rändern nach außen abgewinkelte Flansche zur Befesti­ gung auf einer Montageebene. An den in Fig. 1 oberen Enden der Halteelemente 3′ und 3′′ sind in einer gemeinsamen Ebene gegeneinander gerichtete Lappen 4′ und 4′′ angeordnet, welche relativ zur Achse der Magnetspule 1 gemäß Fig. 2 zur Seite versetzt sein können.

Zwischen den einander zugewandten freien Enden der Lappen 4′ und 4′′ verbleibt ein Abstandsraum für ein Exzenterteil 5, welches drehfest auf einer Welle 6 angeordnet ist, deren Achse etwa in der Ebene der Lappen 4′ und 4′′ quer zur Achse der Magnetspule 1 verläuft.

In dem Beispiel der Fig. 1 und 2 besteht das Exzenterteil 5 aus nichtmagnetisierbarem Material, beispielsweise Kunst­ stoff.

Das Exzenterteil 5 besitzt einen kreissegmentförmigen Abschnitt 5′, durch den der mögliche Drehhub des Exzenter­ teiles 5 im Zusammenwirken mit den Lappen 4′ und 4′′ begrenzt wird, d. h. in der einen Endlage des Exzenterteiles 5 wirkt der Lappen 4′ als Anschlag, während der Exzenterteil 5 in seiner anderen Endlage am Lappen 4′′ anschlägt.

Im Abschnitt 5′ des Exzenterteiles 5 sind zwei stabförmige Permanentmagneten 7′ und 7′′ eingebettet, und zwar derart, daß an den radialen Endflächen des Abschnittes 5′ des Exzenterteiles 5 jeweils Pole gleicher magnetischer Polarität - im Beispiel der Fig. 1 die magnetischen N-Pole - angeordnet sind.

Die Pole der entgegengesetzten magnetischen Polarität der Permanentmagnete 7′ und 7′′ können, wie es in Fig. 1 darge­ stellt ist, etwa in der radialen Mittelebene des Abschnittes 5′ des Exzenterteiles 5 aneinanderstoßen.

Mittels der Welle 6 ist das Exzenterteil 5 drehfest mit einem anzutreibenden Organ, im Beispiel der Fig. 1 und 2 mit einer Segmentwalze 8 einer Anzeigetafel, verbunden, wobei axial zwischen der Segmentwalze 8 und dem Exzenterteil 5 ein für beide Teile gemeinsames Wellenlager 9 angeordnet ist.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Stellantrieb funktio­ niert wie folgt:

Die möglichen Endlagen des Exzenterteiles 5 werden bei stromloser Magnetspule 1 durch Zusammenwirken der Permanent­ magnete 7′ bzw. 7′′ mit dem Lappen 4′ bzw. 4′′ gesichert. Die in Fig. 1 gezeigte Endlage wird durch den Permanent­ magneten 7′ gehalten, der mit seinem einen Pol (N-Pol) dem Lappen 4′ zugewandt ist und denselben anzuziehen sucht. Da der Abstand zwischen dem Lappen 4′ und dem zugewandten Pol des Permanentmagneten 7′ wesentlich geringer ist als der entsprechende Abstand zwischen dem Lappen 4′′ und dem zugewandten Pol des Permanentmagneten 7′′, sind die zwischen dem Permanentmagneten 7′ und dem Lappen 4′ wirkenden anzie­ henden magnetischen Kräfte deutlich größer als diejenigen zwischen dem Permanentmagneten 7′′ und dem Lappen 4′′.

Entsprechend umgekehrt sind die Verhältnisse in der anderen Endlage des Exzenterteiles 5.

Wird nun die Magnetspule 1 bestromt, so bilden die Lappen 4′ und 4′′ Magnetpole entgegengesetzter magnetischer Polarität, da die Halteelemente 3′ und 3′′ aus magnetisierbarem Material bestehen und in magnetisch leitender Verbindung mit dem Kern 2 der Magnetspule 1 stehen.

Wenn nun die Richtung der elektrischen Bestromung der Magnetspule 1 so gewählt wird, daß der Lappen 4′ einen magnetischen Südpol bildet, so sucht dieser den zugewandten magnetischen Nordpol des Permanentmagneten 7′ anzuziehen, während der Lappen 4′′, welcher bei der angegebenen Bestro­ mungsrichtung der Magnetspule 1 einen magnetischen Nordpol bildet, den zugewandten Nordpol des Permanentmagneten 7′′ abstößt. Damit wird ein auf das Exzenterteil 5 einwirkendes Drehmoment in Richtung der in Fig. 1 dargestellten Endlage bewirkt.

Entsprechend Umgekehrtes gilt in der entgegengesetzten Bestromungsrichtung der Magnetspule 1.

Somit können die beiden Endlagen des Exzenterteiles 5 durch entsprechende elektrische Polung der elektrischen Verbin­ dungen der Magnetspule 1 mit der Gleichspannungsquelle eingestellt werden.

Sobald die Endlagen erreicht sind, kann die Magnetspule 1 stromlos geschaltet werden.

Abweichend von der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausfüh­ rungsform können die Permanentmagnete 7′ und 7′′ auch so im Abschnitt 5′ des Exzenterteiles 5 eingebettet sein, daß sie in den Endlagen des Exzenterteiles 5 jeweils auf dem Lappen 4′ bzw. 4′′ aufliegen. Dadurch können die die Endlagen des Exzen­ terteiles 5 sichernden Haltekräfte vergrößert werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform, bei der zwischen den Lappen 4′ und 4′′ sowie den Permanentmagneten 7′ und 7′′ in den Endlagen des Exzenterteiles 5 jeweils ein geringer Abstand verbleibt, verhindert, daß die Permanentmagnete 7′ und 7′′ "hart" auf die Lappen 4′ bzw. 4′′ aufschlagen können, wodurch die permanente Magnetisierung der Permanentmagnete 7′ und 7′′ tendenziell geschwächt werden kann.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 lediglich dadurch, daß das Exzenterteil 5 als Permanentmagnet ausgebil­ det ist, wobei der Abschnitt 5′ den Pol der einen Polarität (N-Pol) und der der Welle 6 benachbarte Bereich den Pol der entgegengesetzten magnetischen Polarität bildet.

Die Funktion dieser Ausführungsform entspricht derjenigen der Fig. 1 und 2.

Bei der in Fig. 4 schematisch dargestellten Ausführungsform, welche als Linearantrieb ausgebildet ist, ist zwischen den Halteelementen 3′ und 3′′ ein Schieber 10 parallel zur Achse der Magnetspule 1 beweglich angeordnet, welcher beispiels­ weise aus Kunststoff bestehen kann. Im Schieber 10 sind wiederum zwei Permanentmagnete 7′ und 7′′ eingebettet, die einander ihre Pole der einen magnetischen Polarität zuwenden, so daß den Halteelementen 3′ und 3′′ jeweils Pole derselben magnetischen Polarität zugewandt sind.

Bei Bestromung der Magnetspule 1 bilden die Halteelemente 3, und 3′′ jeweils Magnetpole mit einander entgegengesetzten magnetischen Polaritäten, so daß auf den Schieber 10 jeweils eine Schubkraft mit einer von der Bestromungsrichtung der Magnetspule 1 abhängigen Richtung ausgeübt wird.

Bei allen bisher abgehandelten Ausführungsformen wirken die Halteelemente 3′ und 3′′ bzw. an ihnen angeformte Lappen 4′ und 4′′ mit dem Exzenterteil 5 bzw. dem Schieber 10 nach Art von Anschlägen zusammen.

Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, Anschläge anzu­ ordnen, die mit dem jeweils vom Stellantrieb angetriebenen Organ, z. B. mit der Segmentwalze 8, zusammenwirken. In diesem Falle werden die Halteelemente 3′ und 3′′ bzw. die Lappen 4′ und 4′′ nicht als mechanische Anschläge benötigt.

Im übrigen ist es grundsätzlich auch möglich, auf mechanische Anschläge völlig zu verzichten und allein magnetische Kräfte zwischen den Halteelementen 3′ und 3′′ bzw. damit verbundenen Teilen und relativ dazu beweglichen Permanentmagneten, die als zur Magnetspule 1 bewegliches Teil oder als Elemente desselben angeordnet sind, zur anschlagartigen Sicherung der einzustellenden Lagen auszunutzen.

Um gegebenenfalls ein Signal erzeugen zu können, welches anzeigt, daß die eine oder andere Lage des Exzenters 5 bzw. des Schiebers 10 erreicht ist, können Hallgeneratoren oder sonstige Sensoren angeordnet sein, die in diesen Lagen auf das Magnetfeld der Permanentmagneten ansprechen.

Bei der Erfindung ist besonders vorteilhaft, daß die einzu­ stellenden Lagen auch bei stromlosen Elektromagneten mit großer Kraft eingehalten werden können, wobei gegebenenfalls durch Bestromung des Elektromagneten eine stark erhöhte Haltekraft möglich ist, und zwar bei beiden Lagen.

Zur Umschaltung zwischen den beiden Lagen genügt ein kurzer Stromstoß, d. h. der Energieaufwand ist gering.

Claims (9)

1. Stellantrieb zur Einstellung von zwei selbsthaltenden Lagen, welche durch elektrische Bestromung einer elektrisch umpolbaren Elektromagnetanordnung in der einen oder anderen Bestromungsrichtung einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei magnetisch entgegengesetzte Pole der Elektromagnetanordnung (1, 2) sowie ein oder mehrere Pole der einen magnetischen Polarität einer relativ zur Elektromagnetanordnung beweglichen Permanentmagnetanordnung (5; 7′, 7′′) miteinander zusammenwirken und je nach elektrischer Bestromungsrichtung der Elektromagnetanordnung die eine oder andere Lage relativ zueinander einnehmen,
daß den Polen der Elektromagnetanordnung (1, 2) Halteelemente (3′, 3′′; 4′, 4′′) aus magnetisierbarem Material zugeordnet sind, und
daß sich der eine Pol bzw. einer der Pole der einen magnetischen Polarität der Permanentmagnetanordnung (5; 7, 7′′) in jeder der beiden Lagen maximal an eines der Halteelemente (3′, 3′′; F4′, 4′′) annähert.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (3′, 3′′, 4′, 4′′) mit der Permanentmagnetanordnung (5; 7′, 7′′) als mechanische Anschläge zusammenwirken.

3. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (3′, 3′′; 4′, 4′′) nach Art von Polschuhen mit einem Kern (2) der Elektromagnetanordnung (1, 2) verbunden sind.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetanordnung (5; 7′, 7′′) als Exzenter bzw. als Teil desselben ausgebildet ist.

5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektromagnetanordnung eine zylinderförmige Spule (1) mit einem stabförmigen Kern (2) angeordnet ist, dessen Enden an Halteteile (3′, 3′′) aus magnetisierbarem Material anschließen, welche nach Art von Polschuhen mit der Permanentmagnetanordnung (5; 7′, 7′′; 10) zusammenwirken.

6. Stellantrieb nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem exzentrischen Abschnitt (5′) des Exzenters zwei Permanentmagnete (7′, 7′′) eingebettet bzw. angeordnet sind, deren Pole der einen magnetischen Polarität jeweils an einer radialen Endfläche des Abschnittes (5′) angebracht sind.

7. Stellantrieb nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter als Permanent­ magnet ausgebildet ist, wobei ein exzentrischer Bereich (5′) den Pol der einen magnetischen Polarität bildet.

8. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (5) zwischen zwei Endlagen verstellbar ist, in denen ein exzentrischer Abschnitt (5′) jeweils an einem der Halteelemente (3′, 3′′) bzw. damit verbundenen Teilen (4′, 4′′) anschlägt.

9. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen linear beweglichen Schieber (10), an bzw. in dem zwei Permanentmagneten (7′, 7′′) angeordnet sind, deren Pole der einen magnetischen Polarität jeweils an den voneinander abgewandten axialen Enden des Schiebers angeordnet sind.