DE4409503A1 - Elektromagnetisches Gerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Gerät mit einem Sta­ tor, einem relativ zum Stator begrenzt drehbeweglichen Anker und mindestens einer elektrisch erregbaren Spule, wobei zwischen ausge­ prägten Polen des Stators und Ankers ein radialer Arbeitsluftspalt vorgesehen ist und die Pole des Stators und/oder des Ankers jeweils aus die Polkonturen bestimmenden, magnetisch leitenden Segmenten bestehen, die so mit dem Stator bzw. Anker verbunden sind, daß die benachbarten Segmente der Pole des Stators und/oder des Ankers durch einen axialen Luftspalt getrennt sind und diese Luftspalte größer als der Arbeitsluftspalt sind.

Geräte dieser Art sind als Drehmagnete bekannt (DE-A 33 15 682, US 1,764,658). Bei solchen Geräten wird deren Antriebswelle bzw. Anker bei elektrischer Erregung der Spule aufgrund elektromagneti­ scher Krafteinwirkung um einen definierten Winkel von einer An­ fangs- in eine Endlage geschwenkt. Im Gegensatz zu elektrischen Motoren, deren Wellen kontinuierlich oder in Schritten aufgeteilte umlaufende Bewegungen ausführen, beschreibt die Antriebswelle von Drehmagneten nur eine Teildrehbewegung über einen mechanisch festgelegten Winkel.

Diesen Geräten ist zu eigen, daß ihre Funktion nur durch komplizier­ te Einzelteile mit hohem Fertigungsaufwand in engsten Toleranzen zu realisieren ist. Toleranzadditionen machen oft stückbedingte Anpaß- und Nacharbeit erforderlich, so daß der gesamte Fertigungsprozeß sehr maschinen-, personal-, zeit- und kostenintensiv ist. Weiterhin ist es nachteilig, daß für jeden Schwenkwinkel und jedes Drehmoment Spezialanfertigungen erforderlich sind, wodurch auch die Logistik stark gefordert wird, und daß sich nur ein fest vorgegebener und beim fertigen Gerät nicht mehr veränderbarer Schwenkwinkel durch­ fahren läßt.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, solche elektromagnetischen Geräte so weiterzubilden, daß möglichst viele werkzeuggebundene Teile ohne nennenswerte aufwendige mechanische Nacharbeit für verschiedene Gerätetypen verwendet werden können, daß gleichzeitig die Montage fließbandgerecht vorgenommen werden kann sowie durch geringfügige Modifikationen bei der Montage des Gerätes Schwenk­ winkel- und/oder Drehmomente aufgabenbezogen und variabel ver­ wirklicht werden können. Außerdem soll erreicht werden, das Kon­ zept der bekannten Geräte zur Verwirklichung vorgegebener Schwenkwinkel dahingehend zu erweitern, daß diese bei entsprechen­ der Anpassung mit möglichst viel universell einsetzbaren Einzelteilen auch als bistabile Systeme hergestellt werden können. Schließlich besteht eine weitere Forderung darin, daß die Geräte alternativ auch mit Wechsel- bzw. Drehstrom, also nicht nur mit Gleichstrom betrie­ ben werden können.

Ausgehend von einem elektromagnetischen Gerät der eingangs er­ wähnten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß vorgefertigte Segmente formschlüssig mit dem Stator und/oder Anker verbunden und in ihrer Position fixiert sind. Zweckmäßigerweise sind die Segmente abgelängte Abschnitte von Profilsträngen, die in der Kontur ihres Querschnittes mit der gewünschten Kontur der Segmente übereinstimmen, so daß die Segmente hinsichtlich ihrer Form keiner mechanischen Nacharbeit mehr bedürfen.

Es bietet sich beispielsweise an, daß die Formschlußverbindungen durch Eingriff von Köpfen in zumindest teilweise formgleiche Aus­ nehmungen hergestellt sind. Hierbei sind die die Köpfe von Segmen­ ten aufnehmenden Gegenpartner mit entsprechend formgleichen inver­ tierten Ausnehmungen zu versehen. Diese Ausnehmungen und Köpfe können z. B. im Querschnitt schwalbenschwanzartig ausgebildet sein. Hiervon kann man jedoch abweichen und etwa auf halbschwalben­ schwanz- oder nutenförmige Ausnehmungen zurückgreifen. Vorteil­ haft bei einer halbschwalbenschwanzförmigen Ausführung ist, daß das umfangsmäßige Raster hinsichtlich des gegenseitigen Abstandes der Ausnehmungen bzw. Köpfe kleiner gehalten werden kann und somit eine über den Umfang gesehen feinere Segmentaufteilung und bei Bedarf auch eine entsprechend große Anzahl von Polen möglich sind.

Ein den Schwenkwinkel des Ankers begrenzender Anschlag kann ebenfalls ein Segment sein, das bezüglich seiner Mittel zur Verbin­ dung mit dem Gegenpartner wie die Polsegmente ausgebildet ist. Dieser in der Bewegungsbahn von Ankersegmenten liegende Anschlag kann je nach Aufgabenstellung aus elastischem, nicht elastischem, magnetisch leitendem oder hartmagnetischem Werkstoff bestehen. So ist es etwa bei bistabilen Drehmagneten sinnvoll, den Anschlag aus magnetisch leitendem Werkstoff zu wählen, um zwischen dem betref­ fenden permanentmagnetisch aktivierten Ankersegment und dem magnetisch leitendem Anschlag im Zustand ihrer gegenseitigen An­ lage eine magnetische Haltekraft ohne Bestromung der Spule zu bewirken. Es sind auch Ausführungen vorstellbar, wo dieser An­ schlag einstückig an einem die Spule tragenden Spulenkörper ange­ formt ist oder einstückig mit einem rohrförmigen Gehäuse des Gerä­ tes ausgeführt wurde.

Außerdem kann der Anschlag zweckmäßigerweise mit mindestens einem Dämpfungselement ausgestattet sein, das aus elastischem Material besteht und aufgrund seiner Formgestaltung eine vorgegebe­ ne Dämpfungscharakteristik aufweist, so daß das gegen den Anschlag treffende Segment eine den jeweiligen Erfordernissen entsprechende Dämpfung erfährt.

Die Ausnehmungen zur Aufnahme von Segmentköpfen verlaufen in bezug auf die Achse des Gerätes achsparallel oder bei einer anderen Ausführung radial, und die Köpfe werden entsprechend axial oder radial in zweckentsprechend ausgewählte Ausnehmungen geschoben. Aufgrund der magnetischen Gesetze ist es zweckmäßig, die magne­ tisch leitenden Segmente bei der achsparallelen Ausführung der Ausnehmungen von beiden Seiten bzw. Enden her einzubringen, wobei die Segmente in ihrer axialen Länge so zu bemessen sind, daß beispielsweise zwei axial benachbarte und einen Pol bildende Seg­ mente jeweils im Bereich der Querschnittsmitte des rohrförmigen Gerätegehäuses axial beabstandet sind. Dieser Abstand bzw. Luftspalt ist größer zu wählen als der Arbeitsluftspalt, damit der Magnetfluß im wesentlichen über die Arbeitsluftspalte zwischen den Polen ver­ läuft.

Um die axialen Abstände zwischen den Segmenten zu fixieren, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, ein federndes und magnetisch nicht leitendes Zwischenstück zwischen die benachbarten Segmente ein­ zusetzen, welches die Segmente bei fertig montiertem Gerät in der einen bzw. anderen Richtung axial nach außen drückt. Erst durch Anbringen von das Gehäuse an den Enden verschließenden Deckeln wird dieses elastische Zwischenstück derart verformt, daß das ur­ sprünglich vorhandene Übermaß ausgeglichen wird und die sich gegenüberliegenden Enden der Segmente auf den vorgesehenen Ab­ stand kommen. Im übrigen ergibt sich eine jeweils nach außen ge­ richtete Axialkraft auf die Segmente, so daß deren äußere Enden einen dauerhaften luftspaltfreien magnetischen Übergang zu den Gehäusedeckeln bilden und die Segmente gleichzeitig in ihrer Posi­ tion fest fixiert werden.

Zur Befestigung von Segmenten am Stator besteht die Möglichkeit, den Spulenkörper innen mit Ausnehmungen zur Aufnahme von Köp­ fen der Kernsegmente und des Anschlages zu versehen. Eine andere Möglichkeit ergibt sich, indem das Gehäuse innen mit Ausnehmungen zur Aufnahme von Segmentköpfen versehen ist, während die Spule als Teil des Ankers gewickelt ist. Dabei kann die Spule an ihren Stirnseiten und außen umfänglich durch Kernsegmente umfaßt wer­ den, die wiederum im Bereich der axialen Mitte der Spule einen entsprechenden Abstand aufweisen. Bei dieser Ausführung ist es auch möglich, Achse und Spule als Statorteile stationär zu halten, während das um die Achse rotierende Gehäuse das eigentliche Abtriebselement darstellt, den vorgegebenen Schwenkwinkel durchläuft und mit La­ gern auf der Achse drehbar gelagert ist.

Die Ausnehmungen werden in bezug auf die Achse vorzugsweise achsparallel verlaufen, so daß die Segmentköpfe auch axial in die vorgesehenen Ausnehmungen eingeschoben und fixiert werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Ausnehmungen in bezug auf die Achse radial verlaufen zu lassen, und zwar beispielsweise in den beiden Gehäusedeckeln, und die Köpfe von Kernsegmenten radial von außen in diese Ausnehmungen einzuschieben. Weiterhin ist es mög­ lich, daß die Ausnehmungen auf der Welle ausgebildet sind und die Ankersegmente mit Köpfen hierin durch Klemmittel fixiert werden. Hierbei besteht dann auch die Möglichkeit, die Spulenwicklung unmittelbar auf die Segmente aufzubringen. Der mit mindestens einer Spule bewickelte Anker, der vorzugsweise auch mit vorgefertigten Segmenten bestückt wird, die in ähnlicher Weise mit der Achse z. B. durch Klemmittel verbunden sind, ist im Gehäuse schwenkbar gela­ gert.

Andererseits kann der Anker mit den erforderlichen Polen auch einstückig hergestellt werden, wie etwa aus Ziehteilen, die gegebe­ nenfalls einer mechanischen oder formtechnischen Nachbehandlung unterzogen werden, um den äußeren, auf den Segmenten befindlichen Radius auf der Segmentaußenfläche von einem größten Maß auf ein vorgegebenes kleinstes Maß hin zu reduzieren. Prinzipiell läßt sich der Anker auch aus mehreren Ankerscheiben zusammensetzen, die paketiert auf der Achse verdrehgesichert gefügt werden.

Den Kern des Stators bildende Segmente lassen sich auch am äußeren Umfang der Spule verteilt anordnen, so daß sie jeweils mit einem den Arbeitsluftspalt bildenden Abstand den Ankersegmenten gegen­ überliegen. Ebenso kann der die Spule tragende Spulenkörper innen Ausnehmungen zu Aufnahme der Köpfe von Kernsegmenten aufweisen sowie auch Ausnehmungen zur Aufnahme des Kopfes eines Anschla­ ges, der die Bewegungsbahn des Ankers bzw. der Ankersegmente auf einen ausgewählten Winkelbereich begrenzt.

Wird ein elektromagnetisches Gerät betrachtet, bei dem die Achse stationär ist und das umlaufende Gehäuse als Abtriebselement dient, so ist die Spule vorzugsweise der stationären Achse zugeordnet. Das Gehäuse selbst weist an seiner inneren Oberfläche Ausnehmungen zur Aufnahme der Köpfe von Ankersegmenten auf und ist aus magnetisch nichtleitenden Werkstoff oder Isoliermaterial hergestellt. In diesem Fall dürfen gehäuseseitig nur die Ankersegmente magnetisch leitend sein, so daß es auch zweckmäßig ist, die Gehäusedeckel aus magne­ tisch nichtleitendem Werkstoff herzustellen. Auch hier ist es dann zweckmäßig, am und im Gehäuse wenigstens einen Anschlag zur Begrenzung des Ankerschwenkwinkels so einzubringen, daß jeder Anschlag in der Bewegungsbahn der mit ihm zusammenarbeitenden Kernsegmente liegt. Die werkstoffmäßige Ausführung der Anschläge kann ebenso wie bereits vorher beschrieben realisiert werden. Funk­ tionswichtig ist bei dieser Ausführung noch, daß die stationäre Achse aus magnetisch nichtleitendem Werkstoff besteht und daß das Gehäu­ se in entsprechenden Lagern auf der Achse läuft und um die Achse schwenkbar ist.

Eine bistabile Ausführung des Gerätes läßt sich beispielsweise da­ durch realisieren, daß es mit einem magnetisch leitenden Rückfluß, der rotatorisch um die Spule aufgebaut ist, versehen ist. Außen kann beispielsweise ein magnetisch leitendes Gehäuse vorgesehen werden, das an seinen Stirnseiten die äußeren Spulenbegrenzungen nach außen hin überschreitet und mit zwei magnetischen Scheiben versehen ist.

Im Innenraum der Spule sind magnetisch leitende Kernsegmente sich radial nicht berührend auf Kreisabschnitten um den Anker angeord­ net, wobei diese Segmente gleichzeitig an den magnetisch leitenden, das Gehäuse axial verschließenden Gehäusedeckeln beiderseitig zur Anlage kommen und im Bereich der Spulenmitte berührungsfrei beabstandet sind. Diese Pole bzw. Polschuhe des elektromagnetischen Kreises bildenden Segmente sind auf der zum Anker hin gerichteten Seite so geformt, daß sich durch eine Schwenkbewegung des Ankers in der einen oder anderen Richtung der Arbeitsluftspalt radial ver­ kleinert bzw. vergrößert. Die Ankersegmente, die z. B. kraftschlüssig mit der magnetisch nicht leitenden Welle verbunden sind, entspre­ chend in bezug auf ihre Aufteilung und Anordnung der gleichen Aufteilung am Kreisumfang wie die Kernsegmente. Die den Kernseg­ menten zugeordneten Ankersegmente sind den Kernsegmenten ange­ paßt ausgebildet, so daß sich bei der Schwenkbewegung ein größer oder kleiner werdender Arbeitsluftspalt ergibt. Die Pole des Ankers werden aus mindestens zwei Segmenten gebildet, die gegen jeweils einen zwischen ihnen angeordneten, axial magnetisierten Permanent­ magneten möglichst luftspaltfrei anliegen. Aufgrund dieser Perma­ nentmagnete treten auch bei unbestromter Spule winkelabhängig Drehmomente auf. Das ergibt die Möglichkeit einer mono- oder bistabilen Funktion des Gerätes.

Ein innerer Anschlag begrenzt den Drehwinkel des Ankers und kann einstückig mit dem Spulenkörper oder auch als Einzelstück in das Gerät eingebracht sein, er ist jedoch funktionstechnisch nicht unbe­ dingt erforderlich. Als Anschlag können magnetisch nichtleitende Einsätze dienen, welche die Winkelposition des Ankers vom magneti­ schen Gleichgewichtszustand entfernt halten und dadurch ein gewisses Haltemoment sichern.

Andererseits ist es auch möglich, den Anschlag aus magnetisch leitendem Werkstoff zu wählen, so daß hierdurch Haltemomente aufgebracht werden können. Auch in diesem Fall kann der Anschlag mit wenigstens einem Dämpfungselement ausgestattet werden, wobei die Anpassung der Dämpfungscharakteristik an den jeweiligen An­ wendungsfall durch geeignete Werkstoffwahl und Formgestaltung des Dämpfungselementes gegeben ist. Somit läßt sich eine progressive, weitgehend lineare oder degressive Dämpfung der Bewegung des auf den Anschlag treffenden Segmentes erreichen.

Durch entsprechend gepolte Bestromung der Spule entsteht ein ge­ richtetes Drehmoment. Wird dieses größer als das Haltemoment beim Anschlag, beginnt der Anker sich zu bewegen. An der zweiten, den Schwenkwinkel des Ankers begrenzenden Seite des Anschlages endet diese Schwenkbewegung, und über den magnetisch leitenden Anschlag wird der Anker in seiner nun erreichten Endlage stromlos gehalten. Durch Umkehrung der Stromrichtung bilden sich zwei gleichartige magnetische Pole am Arbeitsluftspalt zwischen den zusammenarbei­ tenden Kern- und Ankersegmenten, wodurch ein entgegengesetztes Drehmoment entsteht, welches beim Überschreiten des Haltemomentes eine Schwenkbewegung des Ankers in die andere Richtung bewirkt. Durch den Anschlag wird wie beim vorerwähnten ersten Vorgang die Schwenkbewegung beendet, und durch die magnetischen Eigenschaf­ ten des Anschlages wird ein Haltemoment erreicht. Der Anschlag ist übrigens so ausgelegt, daß nur ein kleiner Teil des Magnetflusses des Permanentmagneten für das Haltemoment genutzt wird. Im übrigen ist es möglich, das Rückstellmoment durch eine zusätzlich eingebrachte Feder zu unterstützen bzw. zu bewirken.

Zwecks Kraftverstärkung können auch mehrere Spulen, Kern- und Ankersegmente in axialer Richtung in ein gemeinsames Gehäuse eingebracht werden, so daß sich das Magnetsystem axial vergrößert und sich gleichzeitig aber auch die abgegebenen Drehmomente ent­ sprechend erhöhen.

Soll der Schwenkmotor mit Wechselstrom betrieben werden, so kann dies durch Einbringen von Kurzschlußringen realisiert werden. Je nach Ausführungsform des Gerätes können solche Kurzschlußringe entweder den Kern- oder Ankersegmenten zugeordnet werden. Die Kurzschlußringe trennen dann die magnetisch wirksamen Pole in zwei Teile, deren Flüsse zueinander phasenverschoben sind. Weil die erzeugten Drehmomente annähernd proportional zum Quadrat des Magnetflusses sind, erreicht man so, daß die Summe der aus den Teilflüssen resultierenden Drehmomente zu keiner Zeit "Null" be­ trägt.

Wenn das Gerät für einen Betrieb mit Drehstrom eingesetzt werden soll, dann besitzt es drei Anker-Stator-Systeme und für jede Phase eine einem Stator zugeordnete Spule. Die Spulen sind ebenfalls in das magnetisch leitende rohrförmige Gehäuse eingebracht. Die sich durch den Drehstrom aufbauenden elektromagnetischen Felder wirken über entsprechend angeordnete Flußleitmittel und die Kernsegmente auf die zugeordneten Ankersegmente.

Das elektromagnetische Feld gestattet eine weitere Anwendungsmög­ lichkeit für das Gerät, und zwar die eines Winkelgebers. Legt man an eine Hauptspule oder an eine zusätzliche Hilfsspule eine Wechsel­ spannung, oder wird die Versorgungsspannung hiermit überlagert, ergibt sich die Möglichkeit, die augenblickliche Winkelstellung des Ankers mit Hilfe einer Messung der Impedanzveränderungen auch während des Betriebes zu erfassen und auszuwerten. Ein besonderer Vorteil ergibt sich, daß man dann ohne einen zusätzlichen Winkelge­ ber die Möglichkeit einer Winkelregelung hat.

Anhand der anliegenden Zeichnung sollen Aufbau, Funktion und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben werden, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche bzw. gleich wirken­ de Bauteile verwendet werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Radialschnitt durch ein mit Gleichstrom betriebe­ nes elektromagnetisches Gerät,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den oberen Teil des Gerätes nach Fig. 1,

Fig. 3 die Ausgangslage des Ankers eines bistabilen Gerätes,

Fig. 4 die Endlage des Ankers nach Bestromung der Spule des Gerätes nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den oberen Teil des Gerätes nach den Fig. 3 und 4 mit einem Permanentmagne­ ten,

Fig. 6 eine Ausführung des Gerätes als Wechselstromgerät im Längsschnitt,

Fig. 7 eine prinzipielle Lösung für ein mit Drehstrom betriebe­ nes Gerät,

Fig. 8 und 9 im Vergleich zu Geräten nach den Fig. 1 und 2 geänderte alternative Ausführungsformen,

Fig. 10 und 11 Möglichkeiten für die Verbindung von Segmenten mit Gehäusedeckeln und

Fig. 12 eine alternative Möglichkeit zur Verbindung von Anker­ segmenten auf der Geräteachse.

Gemäß den Fig. 1 bis 4 befindet sich in einem rohrförmigen Gehäuse 1 des Stators S eine Spule 2, die auf einen aus Kunststoff bestehenden Spulenkörper 7 gewickelt ist. Der Schutz der Spule gegen Verdrehen kann unterschiedlich realisiert werden, und zwar beispielsweise durch Zapfen 20, die am Spulenkörper 7 angeformt sind und in Ausnehmungen von beidseitigen Gehäusedeckeln 3 ein­ greifen. Denkbar sind auch Verdrehschutzmittel, die sich in die Spulenflansche einfügen oder die Spule an den größten Flanschabmes­ sungen fixieren.

Der Spulenkörper 7 ist axial auf ganzer Länge mit Ausnehmungen 7.1 versehen, die zur Aufnahme annähernd formgleicher Köpfe 7.2 von Stator- bzw. Kernsegmenten 5 dienen, so daß eine formschlüs­ sige Verbindung entsteht. Aus Gründen der Vereinfachung sind übrigens in den Fig. 3 und 4 und im übrigen auch in Fig. 8 die betreffenden Köpfe und Ausnehmungen nicht dargestellt.

Die magnetisch leitenden Segmente 5 können umfangsmäßig mehrfach am Spulenkörper 7 angeordnet sein, wodurch je nach Anordnung dieser Segmente der Schwenkwinkel des Ankers A, die Zahl der Pole und die Abtriebsmomente geprägt und vorgegeben werden. Die Seg­ mente sind einfach als Abschnitte von gezogenen Strangprofilen hergestellt und haben im Bereich des Arbeitsluftspaltes L den Dar­ stellungen entsprechend eine konkave 5.1 oder konvexe Fläche.

Auf der Mittellinie des Gerätes liegt die schwenkbare Achse 9 des Ankers A, mit der die Ankersegmente 6 kraft- und/oder formschlüs­ sig verbunden sind. Die Achse besteht vorzugsweise aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff, während die hiermit fest verbundenen Ankersegmente 6 aus magnetisch leitendem Werkstoff gefertigt sind. Zur Aufnahme der Achse 9 dienen in Gehäusedeckeln 3 eingebrachte nicht magnetisch leitende Lager 4. Der Anker ist radial durch einen sich von der Mittellinie des Gerätes aus gesehen verändernden Radi­ us begrenzt. Zwischen den radial größten Ausmaßen des Ankers A und den radial kleinsten Innenmaßen der Segmente 5 ergibt sich somit ein sich bei Schwenkbewegung des Ankers radial verändernder Arbeitsluftspalt L dergestalt, daß beim anfänglichen Einfahren der Ankersegmente 6 unter die Stator- bzw. Kernsegmente 5 der Arbeits­ luftspalt L am größten ist (Fig. 3) und daß sich aufgrund der Schwenkbewegung des Ankers, welche die Segmente 6 mit den Seg­ menten 5 in zunehmende Überdeckung bringt, auf ein Minimum L′ verkleinert (Fig. 4).

Die axialen Längen der Segmente 5, die bei offenem Gehäuse vor­ zugsweise von beiden Spulenträgerseiten in die Ausnehmungen 7.1 des Spulenkörpers 7 eingeschoben sind, sind so bemessen, daß zwi­ schen den einander gegenüberliegenden Segmenten 5 eines Poles ein größerer axialer und etwa im Bereich der Spulenmitte befindlicher Abstand entsteht als der größtmögliche Arbeitsluftspalt L zwischen den Segmenten 5 und 6. In dem Luftspalt zwischen den Segmenten 5 ist ein magnetisch nichtleitendes, federndes Zwischenstück 8 ein­ gebracht, welches bei geschlossenem Gehäuse die Segmente 5 unter Vorspannung gegen die Gehäusedeckel 3, die ebenfalls magnetisch leitend sind, möglichst luftspaltfrei drückt. Somit ist die Spule 2 im wesentlichen von dem Gehäuse 1, den Gehäusedeckeln 3 sowie den Segmenten 5 umhüllt, die alle magnetisch leitend sind.

In ausgewählte Ausnehmungen 7.1 des Spulenkörpers 7 ist ein An­ schlag 10 mit zugehörigen Köpfen 10.1 eingebracht, wodurch eine Schwenkwinkelbegrenzung des Ankers A vorgegeben wird. Der An­ schlag 10 seinerzeit kann weiterhin mit wenigstens einem Dämpfungs­ element 11 versehen sein, das eine beispielsweise progressive, weit­ gehend lineare oder degressive Dämpfung des auf ihn treffenden Ankersegmentes 6.2 bewirkt. Außerdem kann zwischen permanentma­ gnetisch aktivierten Ankersegmenten und dem magnetisch leitenden Dämpfungselement im Anlagezustand eine magnetische Haltekraft ohne Bestromung der Spule bewirkt werden. Es ist auch eine Aus­ führung vorstellbar, bei welcher der Anschlag einstückig an den Spulenkörper 7 angeformt ist.

Aufgrund der Vielzahl der Ausnehmungen 7.1 im Spulenkörper 7, welche umfangsmäßig in gleichen Winkeln zueinander vorgesehen sind, läßt sich die Plazierung und Anordnung der Segmente 5 und des Anschlages 10 bedarfsbezogen wählen, so daß mit gleichen Bauteilen einfach unterschiedliche Schwenkwinkel, Drehmomente und Polzahlen realisierbar sind.

Die Ausgestaltungen der Ausnehmungen 7.1 am Spulenkörper 7 und der annähernd formgleichen Köpfe 7.2 der Segmente 5 und des Anschlagkörpers 10 können von ihrer Form her unterschiedlich sein. In Fig. 1 sind diese Ausnehmungen und Köpfe beispielsweise in Schwalbenschwanzform dargestellt. Es sind jedoch auch halbschwal­ benschwanzförmige bzw. nutenförmige Konturen der Ausnehmungen denkbar, wodurch die mögliche Anzahl der Ausnehmungen größer als bei schwalbenschwanzförmigen Ausnehmungen sein kann und schließ­ lich auch kleinere Schwenkwinkelabstufungen erreichbar sind. In entsprechender Weise sind dann die Segmentköpfe in ihrer Form diesen Ausnehmungen angepaßt.

In der Fig. 3 ist ein bistabiles Gerät mit in Ausgangslage befindli­ chem Anker A dargestellt, bei welcher der größte Arbeitsluftspalt L gegeben ist. Die Fig. 4 zeigt die nach Bestromung der Spule 2 einge­ nommene Ankerposition kurz vor der Endposition mit kleinerem Arbeitsluftspalt L′. Beide Figuren zeigen lediglich im Prinzip den Aufbau, nicht jedoch konstruktive Einzelheiten, so u. a. auch nicht Ausnehmungen und Köpfe an Segmenten bzw. am Spulenkörper. Glei­ ches gilt auch für einige der später beschriebenen Figuren und die Fig. 5, mit der das Bauprinzip gemäß den Fig. 3 und 4 im Längsschnitt gezeigt wird.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 wird davon ausgegangen, daß die schwenkbaren Segmente 6.2-6.4 permanentmagnetisch magnetisiert sind. Der Anschlag 10 kann bei diesem Beispiel aus Kunststoff oder aus magnetisch leitendem Werkstoff bestehen. In der in Fig. 3 ge­ zeigten Position befindet sich die Fläche 6.41 des Ankersegmentes 6.4 am Dämpfungselement 11.1 des Anschlages 10. Das Element 11.1 wirkt kräftemäßig der permanentmagnetischen Kraft zwischen dem Ankersegment 6.4 und dem Anschlag 10 entgegen, jedoch über­ wiegt die permanentmagnetische Anzugskraft. Wird nun die Spule 2 derart polarisiert bestromt, daß sich zwischen den Segmenten 5 der betrachteten Seite ein magnetischer Südpol ausbildet, so sind alle Segmente 6.2-6.4, die form- und/oder kraftschlüssig mit der Achse 9 verbunden sind, bestrebt, den zwischen dem jeweiligen Südpol und dem durch Permanentmagneten erzeugten Nordpol N des Ankers gegebenen Luftspalt L zu verringern, wodurch eine Ankerbewegung in Pfeilrichtung hervorgerufen wird. Diese ist die Nutzbewegung, bei der ein Drehmoment an der Achse 9 abgegriffen wird.

Nach Abschluß dieser Bewegung wird die Fläche 6.21 des Segmentes 6.2 am Dämpfungselement 11.2 zur Anlage kommen (Fig. 4) und in dieser Position aufgrund des vorab beschriebenen permanentmagneti­ schen Halteeffektes verharren. Durch Bestromung der Spule mit entgegengesetzter Polarität wird sich in den Kernsegmenten 5 ein Nordpol ausbilden, der dem durch den Permanentmagneten erzeugten Nordpol N der Segmente 6 abstoßend entgegenwirkt, wodurch die elektromagnetische Rückstellung des Ankers in die ursprüngliche Position nach Fig. 3 bewirkt wird. Es ist erkennbar, daß zur Funk­ tion bzw. Funktionsumkehrung lediglich ein kurzer elektrischer Impuls erforderlich ist, da die Endlagenfixierung bei Bedarf perma­ nentmagnetisch ausführbar ist.

In Fig. 5 ist die Anordnung des vorerwähnten Permanentmagneten 14 in Wirkverbindung mit den Ankersegmenten 6.5 und 6.6 und den Stator- bzw. Kernsegmenten 5 dargestellt. Die Richtung des durch den Permanentmagneten erzeugen Flusses im Eisenkreis ist gestrichelt dargestellt. Gleichzeitig entsprechen die gestrichelt und ausgezogen gezeigten Flußlinien den durch die gestrichelt und ausgezogenen Symbole dargestellten Stromrichtungen in der Spule. Es zeigt sich, daß bei entsprechend gerichteter Bestromung der Spule die dabei erzeugte Magnetkraft der Permanentmagnetkraft entgegenwirkt. Bei Überschreitung der permanentmagnetischen Haltekraft des Ankers A am Anschlag bewegt sich der Anker vom Anschlag weg und gibt ein nutzbares Drehmoment ab. Je mehr sich der Anker seiner gegenüber­ liegenden magnetisch leitenden Anschlagfläche nähert, um so mehr beschleunigt er aufgrund der Zunahme der permanentmagnetischen Anziehungskraft, die sich bei weitergehender Annäherung der Anker­ fläche an den Anschlag zunehmend unterstützend auf die elektromag­ netische Kraft auswirkt.

Hierbei ist es Voraussetzung, daß die Achse 9 aus nichtmagnetisch leitendem Werkstoff besteht, da sonst ein magnetischer Kurzschluß zwischen den Ankersegmenten 6.5 und 6.6 gegeben wäre. Bei dieser Ausführung muß auch der mittige Abstand zwischen den magnetisch leitenden Kernsegmenten 5 größer sein als der größte zulässige Arbeitsluftspalt L und der Abstand zwischen Nord- und Südpol des Permanentmagneten, um nicht durch einen ungewollten Nebenschluß den Wirkungsgrad des bistabilen Gerätes ungünstig zu beeinflussen.

Eine einfache Möglichkeit des Ankeraufbaues wird Fig. 5 entspre­ chend dadurch erreicht, daß der Anker A in zwei Abschnitte mit den Segmenten 6.5 und 6.6 aufgeteilt ist, zwischen denen der axial mag­ netisierte Permanentmagnet 14 als Scheibe eingebracht ist. Vorzugs­ weise sollte diese stirnseitig mit hoher Oberflächengüte und planpar­ allel bearbeitet sein. Eine hohe Oberflächengüte ist auch bei den den Permanentmagneten berührenden Flächen der Segmente gefordert, um die gegenseitige Anlage dieser Bauteile möglichst luftspaltfrei zu gestalten. Weiterhin sollte die zentrische Ausnehmung des Permanent­ magneten geringfügig größer als der größte Außendurchmesser der Achse 9 gewählt werden.

Die Fig. 6 zeigt eine Ausführung eines mit Wechselstrom betriebenen elektromagnetischen Gerätes. Gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Lösung ist es hier von Bedeutung, daß der magnetisch leitende Anker A im Bereich seiner Segmente 6 von Kurzschlußringen 15 umgeben ist, die in Ausnehmungen der Segmente 6 eingebracht sind. Aufgrund der Kurzschlußringe findet eine entsprechende Phasenverschiebung der Magnetflüsse durch Gegeninduktion statt, was an sich bekannt ist, so daß auf dieses Funktionsprinzip hier nicht im einzelnen einge­ gangen werden muß. Es ist natürlich auch möglich, Kurzschlußringe statt in dem sich bewegenden Anker A in bzw. an den Segmenten 5 des Stators S anzubringen. Bei einer solchen Ausführungsform ist die physikalische Wirkungsweise die gleiche wie vorher beschrieben wurde.

Die Fig. 7 zeigt im Längsschnitt eine Lösung für ein mit Drehstrom betriebenes Gerät. Die Wirkungsweise von Drehstrommotoren ist bekannt, so daß insofern keine weiteren Erläuterungen erforderlich sind, sondern nur der Aufbau des Gerätes kurz beschrieben werden soll. Dieses besteht aus drei in Reihe hintereinander angeordneten Geräten in einem gemeinsamen Gehäuse 1 mit gemeinsamer Achse 9, wobei Segmente 5 und 6 und auch magnetische Rückschlüsse benach­ barter Geräte genutzt werden.

In dem magnetisch leitenden rohrförmigen Gehäuse 1 sind drei Spu­ len 2, die entsprechend der Drehstromkennzeichnung der einzelnen Phasen mit R, S und T bezeichnet sind, eingebracht. Diese Spulen sind untereinander durch Flußleitmittel 16 aus magnetisch leitendem Werkstoff getrennt. Die Flußleitmittel 16 lassen sich als Scheibe mit einer Durchbrechung für die Segmente gestalten. Aufgrund des Tole­ ranzausgleiches kann es auch vorteilhaft sein, die Flußleitmittel 16 zu trennen bzw. geteilt auszubilden oder zu blechen, wie es aus dem Transformatorbau hinlänglich bekannt ist.

Im Inneren der Spulen befinden sich wiederum Segmente 5, 5.2 unterschiedlicher Länge, die durch federnde, nicht magnetisch leiten­ de Zwischenstücke 8 im Bereich der jeweiligen Spulenmitten vonein­ ander getrennt und auf Abstand gehalten sind. Die Länge der Kern­ segmente 5, 5.2 ist so gewählt, daß deren benachbarte Enden jeweils den gleichen Abstand zueinander haben. Hieraus ergibt sich, daß die innen befindlichen Kernsegmente 5.2 zweckmäßigerweise die doppelte Länge der außen befindlichen Kernsegmente 5 zuzüglich der Dicke eines Flußleitmittels 16 aufweisen sollten.

Die Achse 9 ist mit Ankersegmenten 6 bestückt, die in etwa die gleiche Längenausdehnung haben wie die darüber liegenden Spulen 2. Räumlich sind diese Segmente innerhalb der Spuleninnenräume an­ geordnet. Auch die Segmente 6 werden ebenfalls durch nicht magne­ tisch leitende Zwischenstücke 8 voneinander getrennt, die gegen die Innenseiten von Lagern 4 anliegen. Auch hier sind die Segmente aus magnetisch leitendem Werkstoff, während als Material für die Achse A zweckmäßigerweise magnetisch nichleitender Werkstoff gewählt wird.

Gemäß den Fig. 8 und 9 kann das gesamte System auch invertiert aufgebaut werden, d. h., daß die Achse 9 ein stationäres Statorele­ ment ist, während das dann zum Anker A gehörende Gehäuse 1 schwenkt und das nutzbare Drehmoment abgibt. Dieses System kann beispielsweise so ausgestaltet werden, daß die Achse 9 mit der Spule 2 und den die Spule 2 umhüllenden Segmenten 5.3 versehen ist.

Die Spule 2 und die Kernsegmente 5.3 sind form- und/oder kraft­ schlüssig mit der Achse 9 verbunden. Hierbei ist es erforderlich, daß diese Achse ebenfalls aus magnetisch leitendem Werkstoff besteht. Dagegen bestehen das Gehäuse 1 ebenso wie die das Gehäuse ver­ schließenden Deckel 3 aus magnetisch nichtleitendem Werkstoff, und die Gehäusedeckel 3 sind über Lager 4 schwenkbar mit der Achse 9 verbunden.

Am Innendurchmesser des Gehäuses 1 befinden sich die Segmente 6, die auf bereits vorher beschriebene Weise form- und/oder kraftschlüs­ sig mit dem Gehäuse 1 verbunden sind. Diese Ausführungsform ist besonders dann interessant, wenn es sich bei dem Gehäuse 1 nicht ausschließlich um ein rohrförmiges rotationssymmetrisches Bauteil handelt, sondern wenn dieses aufgabenbedingt äußerlich abweichende Konturen aufweist. Solche Gehäuse lassen sich dann beispielsweise äußerst vorteilhaft und preiswert als Mehrfunktionsformteil gestalten, wobei auch kleine Einbaumaße realisierbar sind.

Bei dem in den Fig. 10 und 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die magnetisch leitenden Kernsegmente 5 nicht in einer Spule oder einem rohrförmigen Gehäuse angeordnet, sondern an den Ge­ häusedeckeln 3. Zu diesem Zweck sind die Gehäusedeckel im nach innen gerichteten Bereich mit radialen Ausnehmungen 7. 1 zum Ein­ schieben von Köpfen 7.2 der Segmente 5 versehen.

Eine weitere Möglichkeit, die Segmente des Ankers A form- und kraftschlüssig mit der Achse 9 zu verbinden, ergibt sich gemäß Fig. 12 dadurch, daß die Achse in Längsrichtung mit Ausnehmungen 9.1 versehen ist, in welche Köpfe 6.10 von Segmenten 6.8 greifen. Diese Segmente sind mit Hinterschneidungen 18 versehen, in welche Klemmittel 13 unter Vorspannung eingreifen und somit die Segmente auf der Achse fixieren. Weiterhin können die Segmente Ausnehmun­ gen 25 aufweisen, in welche direkt Spulen 25 gewickelt sind.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Gerätes sind insbesondere ein­ fache, mit geringem Fertigungsaufwand herzustellende Einzelteile, die keine toleranzbedingten Anpassungen und Nacharbeiten erfordern und den gesamten Fertigungsprozeß fließbandgerecht und kostensparend ermöglichen. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß für unterschiedliche Schwenkwinkel und Drehmomente eine Mehrfachverwendung der Einzelteile, insbesondere der Segmente, gegeben ist und daß auch, nachdem der Stator und der Anker zunächst ohne Segmente vorgefer­ tigt sind, noch entschieden werden kann, wie diese Teile mit Seg­ menten und gegebenenfalls Anschlägen bestückt werden sollen, um je nach gewünschtem Gerätetyp die passende Polzahl, das geforderte Drehmoment und einen vorgegebenen Schwenkwinkel realisieren zu können. Selbst nachträgliche Änderung dieser Werte sind bei diesem fertigen Gerät möglich, indem nach Öffnen des Gehäuses Segmente und/oder Anschläge entfernt, hinzugefügt oder anders angeordnet werden.

Claims (21)

1. Elektromagnetisches Gerät mit einem Stator (S), einem relativ zum Stator begrenzt drehbeweglichen Anker (A) und mindestens einer elektrisch erregbaren Spule (2), wobei zwischen ausgeprägten Polen des Stators und Ankers ein radialer Arbeitsluftspalt (L) vorgesehen ist und die Pole des Stators und/oder des Ankers jeweils aus die Polkonturen bestimmenden, magnetisch leitenden Segmenten (5, 6) bestehen, die so mit dem Stator bzw. Anker verbunden sind, daß die benachbarten Segmente der Pole des Stators und/oder des Ankers durch einen axialen Luftspalt getrennt sind und diese Luftspalte größer als der Arbeitsluftspalt (L) sind, dadurch gekennzeichnet, daß vorgefertigte Segmente (5, 6) formschlüssig mit dem Stator (S) und/ oder dem Anker (A) verbunden und in ihrer Position fixiert sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschlußverbindungen durch Eingriff von Köpfen (7.2, 6.10) in formgleiche Ausnehmungen (7.1, 9.1) hergestellt sind.

3. Gerät nach Anspruch 2 mit einer Achse (9), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmungen (7.1, 9.1) in bezug auf die Achse (9) achsparallel oder radial verlaufen und die Köpfe (7.2, 6.10) axial oder radial in die Ausnehmungen eingeschoben sind.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den Kern des Stators (S) bildenden Segmente (5.3) auf dem äußeren Umfang der Spule (2) verteilt angeordnet sind und jeweils mit einem den Arbeitsluftspalt (L) bildenden Abstand den an einem Gehäuse (1) befestigten Segmenten (6.1-6.3) des Ankers (A) gegenüberliegen.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein die Spule (2) tragender Spulenkörper (7) innen Ausnehmungen (7.1) zur Aufnahme der Köpfe (7.2) von Kernsegmen­ ten (5) aufweist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (7) innen Ausnehmungen (7.1) zur Aufnahme von Köp­ fen (10.1) mindestens eines Anschlages (10) aufweist, der in der Bewegungsbahn von Ankersegmenten (6) liegt.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (10) wahlweise aus elastischem, nichtelastischem, magne­ tisch leitendem oder hartmagnetischem Werkstoff besteht.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anschlag (10) mit mindestens einem dämpfenden Anschlag (11.1, 11.2) ausgestattet ist.

9. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 mit einem im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse (1), das an seinen Enden mit Gehäusedeckeln (3) verschlossen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die jeweils einen Pol bildenden Kernsegmente (5) an ihren benachbarten Enden durch ein federndes, nicht magnetisch leitendes Zwischenstück (8) auf Abstand gehalten und mit ihren anderen Enden gegen einen der Gehäusedeckel (3) gedrückt werden.

10. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 mit einem im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse (1), dessen Enden mit Gehäusedeckeln (3) verschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernsegmente (5) mit den Gehäusedeckeln (3) verbunden sind.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusedeckel (3) radiale Ausnehmungen (7.1) zur formschlüssigen Aufnahme von Köpfen (7.2) der Kernsegmente (5) aufweisen.

12. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 mit einem im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse (1), dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (1) aus Isoliermaterial besteht und die Ankersegmente (6) mit dem Gehäuse verbunden sind.

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß am und im Gehäuse (1) ein Anschlag (10) vorgesehen ist, in dessen Bewe­ gungsbahn Kernsegmente (5) liegen.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 12 und 13, gekennzeichnet durch einen Anschlag (10) nach Anspruch 7 oder 8.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spule (2) und die Spule einschließende Kernseg­ mente (5.3) des Stators (S) auf einer Achse (9) aus magnetisch leiten­ dem Werkstoff befestigt sind und daß das die Ankersegmente (6) tragende Gehäuse (1) mit Lagern (4) auf der stationären Achse (9) drehbar gelagert ist.

16. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankersegmente (6.8) mit Köpfen (6.10) in axiale Ausnehmungen (9.1) einer Achse (9) gesteckt und mit Klemmitteln (13) fixiert sind.

17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Spulen (25) auf die Ankersegmente (6.8) gewickelt sind.

18. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Enden der jeweils einen Pol bildenden Ankersegmente (6.5, 6.6) luftspaltfrei gegen einen axial magnetisierten Permanentmagneten (14) anliegen.

19. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Anker (A) und Statoren (S) mit gemeinsamer Achse (9) in einem gemeinsamen Gehäuse (1) vorgese­ hen sind.

20. Gerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß drei Anker (A) und Statoren (S) aneinandergereiht und mit Drehstrom betreibbar sind.

21. Elektromagnetisches Gerät mit einem Stator (S), einem relativ zum Stator begrenzt drehbeweglichen Anker (A) und mindestens einer elektrisch erregbaren Spule (2), wobei zwischen ausgeprägten Polen (5, 6) des Stators und Ankers ein radialer Luftspalt (L) vorgesehen ist, insbesondere Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (A) bzw. die Anker­ segmente (6) oder die Kernsegmente (5) des Stators (S) mit Kurz­ schlußringen (15) versehen sind.