DE4409889A1 - Rotary (moving) magnet, in particular control magnet - Google Patents
Rotary (moving) magnet, in particular control magnetInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Drehmagneten, insbesondere Regelma gneten, mit wenigstens einer Spule, einem begrenzt drehbeweglichen Anker und einem Stator, der wie auch der Anker Pole aus magnetisch leitendem Werkstoff hat, wobei jeweils Pole des Stators und Pole des Ankers Polpaare bilden, durch einen Arbeitsluftspalt beabstandet sind und je nach Richtung des Spulenstromes und Drehrichtung des An kers in größer oder kleiner werdende Überdeckung gelangen.The invention relates to a rotary magnet, in particular Regelma gneten, with at least one coil, a limited rotation Armature and a stator which, like the armature, are made of magnetic poles has conductive material, with poles of the stator and poles of the Armature form pole pairs, which are spaced apart by a working air gap and depending on the direction of the coil current and direction of rotation of the An kers come in over or under cover.
Bei solchen Drehmagneten (DE-A-29 03 033, DE-A-33 15 682) kann der Anker durch eine beispielsweise mit einer Feder erzeugte Kraft in seiner Ausgangsposition gehalten und beim Bestromen der Spule gegen die Wirkung der Feder bis zu einem den größtmöglichen Drehwinkel bestimmenden Anschlag in seine Endposition gedreht werden, so daß zwei vorgegebene Winkelpositionen möglich sind. Wenn man dagegen beliebige Zwischenpositionen anfahren will, kommt ein Winkelsensor mit einer Regelschaltung zur Anwendung, die den Spulenstrom entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Regel abweichung, also der Differenz zwischen Soll- und Ist-Winkel, regelt bzw. einstellt. Drehmagnete dieser Art sind Regelmagnete, bei denen man anstrebt, daß das abgegebene Drehmoment möglichst vom jewei ligen Drehwinkel des Ankers unabhängig ist und, als Funktion des Spulenstromes betrachtet, eine konstante Steilheit hat. Außerdem soll ein Regelmagnet Drehmomente in beide Richtungen ausüben können.With such rotary magnets (DE-A-29 03 033, DE-A-33 15 682) can the anchor by a force generated, for example, with a spring held in its starting position and when energizing the coil against the action of the spring to the greatest possible Rotation angle determining stop rotated to its end position are so that two predetermined angular positions are possible. If, on the other hand, you want to move to any intermediate positions, an angle sensor with a control circuit is used, which the coil current according to the time course of the rule deviation, i.e. the difference between the target and actual angles or sets. Rotary magnets of this type are control magnets in which one strives that the torque delivered from the respective lige rotation angle of the armature is independent and, as a function of Coil current considered, has a constant slope. In addition, should a control magnet can exert torques in both directions.
Zu beachten ist auch, daß vor allem bei kleinen Spulenströmen die Abhängigkeit des erzeugten Drehmomentes vom Strom quadratisch ist, so daß die Forderung nach einer konstanten Steilheit des Dreh momentes nicht erfüllbar ist. Ferner ist es oft von Nachteil, daß der Drehmagnet, um ein resultierendes Drehmoment Null zu erzeugen, schon Leistung verbraucht.It should also be noted that especially with small coil currents Quadratic dependence of the generated torque on the current is, so that the demand for a constant slope of the rotation moment is not achievable. Furthermore, it is often disadvantageous that the Rotary magnet to generate a resulting zero torque, already consumed power.
Einige dieser Probleme ließen sich lösen, indem man zwei Drehma gnetsysteme gegeneinander wirken läßt. Dann kann man auf eine Rückstellfeder oder eine andere Erzeugung eines äußeren Rückstell momentes verzichten. Aber die komplizierte Ansteuerung, die je nach gewünschter Richtung des Drehmomentes für eine höhere bzw. nied rigere Bestromung der einen oder anderen Spule der Magnetsysteme sorgen muß, würde einen solchen Regelmagneten aufwendig und teuer machen.Some of these problems could be solved by turning two spindles magnetic systems can work against each other. Then you can click on one Return spring or other generation of an external return waive the moment. But the complicated control, depending on desired direction of torque for a higher or lower Rigid energization of one or the other coil of the magnet systems would have to worry, such a control magnet would be complex and expensive do.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebauten und sicher funktionierenden Dreh- und Regelmagneten vorzuschlagen, der ein dem Spulenstrom proportionales Drehmoment erzeugt.It is therefore the object of the invention to have a simple structure and propose safe working rotating and control magnets, which generates a torque proportional to the coil current.
Diese Aufgabe wird bei einem Drehmagneten der eingangs erwähnten Art so gelöst, daß zwei bei Bestromung der Spule in bezug auf die von ihnen erzeugten Drehmomente entgegengesetzt wirkende Magnet systeme mit jeweils mindestens einem Polpaar und weiterhin wenig stens ein Permanentmagnet vorgesehen sind, derart, daß sich perma nentmagnetisch erzeugte Flüsse elektromagnetisch erzeugten Flüssen in den Arbeitsluftspalten des einen Magnetsystems gleichsinnig und im anderen Magnetsystem gegensinnig überlagern und die Pole der Polpaare des einen Magnetsystems in größer werdende und des ande ren Magnetsystems in kleiner werdende Überdeckung gelangen.This task is for a rotary magnet of the type mentioned Kind so solved that two when energized the coil with respect to the the torques generated by them counteracting magnet systems with at least one pair of poles each and still little least a permanent magnet are provided, such that perma Magnetically generated fluxes Electromagnetically generated fluxes in the working air gaps of one magnet system in the same direction and overlap in opposite directions in the other magnet system and the poles of the Pole pairs of one magnet system in increasing and the other magnet system in decreasing coverage.
Weil die Drehmomente beider gegeneinander wirkenden Magnetsyste me wenigstens annähernd quadratisch von den Flüssen in den Ar beitsluftspalten abhängen, ist das resultierende und am Anker ab greifbare Drehmoment linear vom Spulenstrom abhängig und im übrigen von der jeweiligen Winkelposition des Ankers unabhängig. Weiterhin lassen sich Änderungen der Drehrichtung des Ankers einfach durch Änderung der Polarität des Spulenstromes durchführen.Because the torques of both opposing magnet systems me at least approximately square from the rivers in the Ar depend on air columns, is the result and depend on the anchor tangible torque linearly dependent on the coil current and in remaining independent of the respective angular position of the anchor. You can also change the direction of rotation of the armature simply by changing the polarity of the coil current.
Die aktuellen Winkelpositionen des Ankers werden in bekannter Weise mit einem Winkelsensor erfaßt, wobei der gemessene Wert des Ist-Winkels und der Wert für den vorgegebenen Soll-Winkel in einer Regelschaltung verglichen werden, die bei Regelabweichungen den Spulenstrom so lange nachregelt und gegebenenfalls auch umpolt, bis der Anker in der gewünschten Soll-Winkelposition steht, bei der sich die auf ihn wirkenden Momente gegenseitig aufheben.The current angular positions of the anchor are known Way detected with an angle sensor, the measured value of Actual angle and the value for the specified target angle in one Control circuit are compared, which in the case of control deviations Readjust the coil current and, if necessary, reverse the polarity until the anchor is in the desired target angular position at which the moments acting on him cancel each other out.
Im übrigen ist der Magnet einfach und mit wenigen Bauelementen kostengünstig herzustellen und funktionssicher, zumal bis auf etwaige Lager keine sonstigen Verschleiß oder Alterung unterliegenden Teile, wie etwa Rückstellfedern und dergleichen, erforderlich sind.In addition, the magnet is simple and with few components inexpensive to manufacture and reliable, especially with the exception of any Stock no other parts subject to wear or aging, such as return springs and the like are required.
Die Pole des Stators und der Ankers haben im wesentlichen gleiche Umfangswinkel, wobei die Pole des Ankers um das Maß eines Um fangswinkels zueinander versetzt angeordnet sind, während die mit diesen Ankerpolen zusammenarbeitenden Pole des Stators axial fluch ten. Umgekehrt können auch die Pole des Ankers in Axialrichtung gesehen fluchten, während die Ankerpole des einen Magnetsystems zu denen des anderen Magnetsystems um das Maß eines Umfangswinkels relativ zueinander versetzt am Stator angebracht sind.The poles of the stator and the armature are essentially the same Circumferential angle, the poles of the armature by the amount of an order are arranged offset to each other, while the with these armature poles cooperating axially curse poles of the stator Conversely, the poles of the armature can also be in the axial direction seen cursing while the armature poles of one magnet system close those of the other magnet system by the measure of a circumferential angle are staggered relative to each other on the stator.
Zwischen benachbarten segmentförmigen Polen des Stators können zur Erzeugung des permanentmagnetischen Flusses axial polarisierte Permanentmagnete in Form von Ringsegmenten vorgesehen sein, die mit ihren Enden luftspaltfrei an den betreffenden Statorpolen anliegen und mittig zu den ihnen jeweils zugeordneten Ankerpolen angeordnet sind. Dabei sind ein Permanentmagnet dem einen Magnetsystem und ein weiterer Permanentmagnet dem andern Magnetsystem zugeordnet, so daß der von jedem Permanentmagneten erzeugte Fluß bei jedem Magnetsystem über zwei Statorpole, zwei Arbeitsluftspalte und einen Ankerpol verlaufen wird. In diesem Fall braucht auch nur eine ein zelne Spule zur Erzeugung des abwechselnd über Stator- und Anker pole verlaufenden elektromagnetischen Flusses vorgesehen zu werden.Can between adjacent segment-shaped poles of the stator axially polarized to generate the permanent magnetic flux Permanent magnets in the form of ring segments can be provided their ends rest against the relevant stator poles without an air gap and arranged centrally to the armature poles assigned to them are. Here are a permanent magnet and a magnet system another permanent magnet assigned to the other magnet system, so that the flux generated by each permanent magnet at each Magnet system via two stator poles, two working air gaps and one Anchor pole will run. In this case, only one needs one individual coil to generate the alternating over stator and armature pole trending electromagnetic flow to be provided.
Andererseits kann auch jedem Magnetsystem eine Spule derart zu geordnet werden, daß beide Spulen gleichsinnig vom Strom durch flossen werden. Mittig zwischen den Spulen wird ein radial magneti sierter Permanentmagnet angeordnet, der mit einem Ende gegen einen zu beiden Magnetsystemen gehörenden Statorpol und mit dem anderen Ende gegen ein die Spulen einschließendes Gehäuse aus magnetisch leitendem Werkstoff luftspaltfrei anliegt. Im übrigen kann der Per manentmagnet ringförmig ausgebildet sein.On the other hand, each magnet system can also have a coil in this way are arranged so that both coils flow through in the same direction be flowed. In the middle between the coils there is a radial magneti Fixed permanent magnet arranged with one end against one stator pole belonging to both magnet systems and with the other End against a magnetic housing enclosing the coils conductive material is free of air gaps. Otherwise, the Per be designed magnetically ring-shaped.
In der anliegenden Zeichnung sind zwei nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch und vereinfacht dargestellt. Es zeigt:In the accompanying drawing, two are described below Embodiments of the invention schematically and simplified shown. It shows:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hälfte eines Regelmagne ten, Fig. 1 a longitudinal section through one half of th rule Magne,
Fig. 2 Teile des Regelmagneten nach Fig. 1 in perspektivischer Ansicht, Fig. 2 parts of the control solenoid of FIG. 1 in a perspective view;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Hälfte eines anders ausge führten Regelmagneten und Fig. 3 shows a longitudinal section through half of a differently performed control magnet and
Fig. 4 perspektivisch dargestellte Teile des Regelmagneten nach Fig. 3.Parts of Fig. 4 shown in perspective of the control magnet of FIG. 3.
Der in Fig. 1 gezeigte Regelmagnet hat einen Anker A und einen Stator S. Auf der nichtmagnetischen Achse 1 des Ankers sind seg mentförmige Pole 2, 3 im Winkel zueinander versetzt angeordnet (Fig. 2), wobei dieser Versatz im wesentlichen dem Umfangswinkel dieser Pole und der auch später noch zu beschreibenden Pole des Stators S entsprechen wird, wenn der größtmögliche Verstellwinkel zwischen den Endpositionen des Ankers dem Umfangswinkel der Pole entsprechen soll. Möglich ist es allerdings auch, den Versatzwinkel kleiner oder größer zu wählen.The control magnet shown in Fig. 1 has an armature A and a stator S. On the non-magnetic axis 1 of the armature seg-shaped poles 2 , 3 are arranged offset at an angle to each other ( Fig. 2), this offset essentially the circumferential angle of these poles and will correspond to the poles of the stator S, which will also be described later, if the largest possible adjustment angle between the end positions of the armature should correspond to the circumferential angle of the poles. However, it is also possible to choose a smaller or larger offset angle.
Eine Spule 4 und weitere Teile des Drehmagneten sind von einem auf der Achse 1 gelagerten Gehäuse aus magnetisch leitenden Werkstoff umgeben, das aus einem Rohrabschnitt 5 und zwei ringförmigen Gehäusedeckeln 6, 7 besteht, gegen die axiale Pole 8, 9 mit jeweils einem ihrer Enden luftspaltfrei anliegen. Ein weiterer Statorpol 10, der axial mit den Polen 8, 9 fluchtet, ist symmetrisch zur Mitte des Drehmagneten angeordnet. Die Pole 2 und 8, 2 und 10, 10 und 3 sowie 3 und 9 bilden Paare von Polen, die sich durch einen Arbeits luftspalt L getrennt gegenüberliegen.A coil 4 and other parts of the rotary magnet are surrounded by a housing on the axis 1 made of magnetically conductive material, which consists of a tube section 5 and two annular housing covers 6 , 7 , against the axial poles 8 , 9 , each with one of its ends without an air gap issue. Another stator pole 10 , which is axially aligned with the poles 8 , 9 , is arranged symmetrically to the center of the rotating magnet. Poles 2 and 8 , 2 and 10 , 10 and 3 and 3 and 9 form pairs of poles, which are separated by a working air gap L.
Zwischen den jeweils benachbarten Enden der Statorpole 8-10 sind axial polarisierte Permanentmagnete 11, 12 in Form von Ringsegmen ten vorgesehen, die mit ihren Enden luftspaltfrei an den jeweiligen Statorpolen anliegen und sich mittig ausgerichtet über den ihnen zugeordneten Ankerpolen 2, 3 befinden.Between the respective adjacent ends of the stator poles 8-10 axially polarized permanent magnets 11 , 12 are provided in the form of Ringsegmen th, with their ends abut the respective stator poles without an air gap and being centered above the armature poles 2 , 3 assigned to them.
Die beiden von den Permanentmagneten 11, 12 erzeugten Flüsse sind in Fig. 1 strichliert dargestellt und in ihrer Richtung durch Pfeile markiert, während ein durch Bestromung der Spule 4 elektromagne tisch erzeugter Fluß in seinem Verlauf durch eine ausgezogene Linie dargestellt und in seiner Richtung ebenfalls mit Pfeilen markiert ist.The two fluxes generated by the permanent magnets 11 , 12 are shown in dashed lines in Fig. 1 and marked in their direction by arrows, while a flow generated by energizing the coil 4 electromagnetic table flow is represented in its course by a solid line and in its direction also with Arrows is highlighted.
Man erkennt, daß sich beide Flüsse in den Luftspalten L zwischen den Polen 10, 2 und 2, 8 gleichsinnig überlagern und in gleiche Richtungen wirken, während sich beide Flüsse in den Luftspalten L zwischen den Polen bzw. Polpaaren 9, 3 und 3, 10 gegensinnig überlagern und in entgegengesetzte Richtungen wirken.It can be seen that both flows in the air gaps L between the poles 10 , 2 and 2 , 8 overlap in the same direction and act in the same directions, while both flows in the air gaps L between the poles or pole pairs 9 , 3 and 3 , 10 overlap in opposite directions and work in opposite directions.
Hieraus ergeben sich zwei in bezug auf die erzeugten Drehmomente entgegengesetzt arbeitende Magnetsysteme. Dabei wirken in dem nach Fig. 1 linken Magnetsystem bei der gezeigten Richtung der Magnet flüsse die im Bereich der Pole 2, 8 und 10 erzeugten Drehmomente entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei der elektromagnetisch erzeugte Fluß in beiden zugehörigen Arbeitsluftspalten L durch den vom Per manentmagneten 11 erzeugten Fluß im Sinne einer Verstärkung überlagert wird. Dagegen wird beim anderen Magnetsystem der in den beiden hierzu gehörenden Luftspalten L erzeugte elektromagneti sche Fluß in seiner Wirkung um den durch den Permanentmagneten 12 erzeugten Fluß reduziert, so daß insgesamt gesehen ein Drehmo ment entsteht, daß den Anker A entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen sucht bzw. verdreht. This results in two magnet systems operating in opposite directions with respect to the torques generated. 1 in the magnet system shown in FIG. 1 in the direction shown, the magnetic fluxes the torques generated in the region of the poles 2 , 8 and 10 counterclockwise, the electromagnetically generated flux in both associated working air gaps L being generated by the permanent magnet 11 River is superimposed in the sense of a reinforcement. In contrast, in the other magnet system, the electromagnetic flux generated in the two associated air gaps L is reduced in its effect by the flux generated by the permanent magnet 12 , so that overall a torque is created that the armature A tries to turn counterclockwise or twisted.
Hierbei werden die Polpaare 2, 8 und 2, 10 weiter in Überdeckung gelangen und die Polpaare 3, 9 und 3, 10 um die gleiche Strecke weiter außer Überdeckung kommen.Here, the pole pairs 2 , 8 and 2 , 10 will continue to overlap and the pole pairs 3 , 9 and 3 , 10 will overlap by the same distance.
Im übrigen ist es klar, daß bei Umkehrung des Spulenstromes bzw. der Richtung des elektromagnetischen Flusses und bei gleichbleiben der Polarität der Permanentmagnete 11, 12 ein entgegengesetztes bzw. im Uhrzeigersinn gerichtetes Gesamtmoment an der Achse 1 entstehen wird. Wie auch bereits erwähnt wurde, übernimmt hierbei ein Winkelsensor mit Regelschaltung die Regelung des Spulenstromes in seiner Richtung in Abhängigkeit eines ermittelten Ist-Winkels von einem vorgegeben eingestellten Soll-Winkel für die Winkelposition des Ankers.Moreover, it is clear that when the coil current or the direction of the electromagnetic flux is reversed and the polarity of the permanent magnets 11 , 12 remains the same, an opposite or clockwise total torque will arise on the axis 1 . As has also been mentioned, an angle sensor with a control circuit controls the direction of the coil current in its direction depending on a determined actual angle from a preset target angle for the angular position of the armature.
Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform entspricht in wesentlichen Bauteilen dem vorher beschriebenen Drehmagneten, so daß bei den Fig. 3 und 4 zur Vereinfachung gleiche Bezugszeichen für insoweit gleiche bzw. gleich wirkende Bauteile verwendet wurden und auf eine ins einzelne gehende Beschreibung des zweiten Aus führungsbeispieles verzichtet werden kann.The embodiment shown in FIGS . 3 and 4 corresponds in essential components to the previously described rotary magnet, so that in FIGS . 3 and 4 the same reference numerals have been used for the same or equivalent components and to a detailed description of the Second example can be dispensed with.
Jedem der beiden in bezug auf das abgegebene Drehmoment gegen einander gerichtet wirkenden Magnetsysteme ist gemäß Fig. 3 eine Spule 4 so zugeordnet, daß die Spulen gleichsinnig vom Strom durch flossen werden. Mittig zwischen beiden Spulen ist ein radial magneti sierter Permanentmagnet 13 angeordnet, der mit seinem äußeren Ende gegen den Gehäuseteil 5 und mit seinem inneren Ende gegen den zu beiden Magnetsystemen gehörenden Statorpol 10 möglichst luftspalt frei anliegt.According to FIG. 3, a coil 4 is assigned to each of the two magnet systems acting counter to one another with respect to the output torque, so that the coils are flowed through in the same direction by the current. A radially magnetized permanent magnet 13 is arranged in the middle between the two coils, and its outer end bears against the housing part 5 and with its inner end against the stator pole 10 belonging to both magnet systems as freely as possible.
Die jeweils benachbarten Enden der Statorpole 8-10 stehen sich frei auf Abstand gegenüber, wobei die beiden so gebildeten axialen Luft spalte größer sein sollen als die radialen Arbeitsluftspalte L, damit der elektromagnetische Fluß und die beiden permanentmagnetischen Flüsse die auch bei dieser Darstellung durch ausgezogene Linie bzw. strichlierte Linien dargestellten Verläufe einnehmen und die von der hier gewählten Richtung des Spulenstromes abhängigen, durch Pfeile angedeutete Richtungen haben.The respectively adjacent ends of the stator poles 8-10 are freely spaced from one another, the two axial air gaps thus formed being intended to be larger than the radial working air gaps L, so that the electromagnetic flux and the two permanent magnetic fluxes are also shown by a solid line in this illustration or take dashed lines and have the directions dependent on the direction of the coil current selected here, indicated by arrows.
Es überlagern sich bei diesem Drehmagneten also der elektromagne tisch erzeugte Fluß und ein permanentmagnetisch erzeugter Fluß in den Luftspalten zwischen den Polpaaren 10, 2 und 2, 8 gleichsinnig, während sich der elektromagnetische Fluß und der andere permanent magnetische Fluß in den Luftspalten zwischen den Polen 10, 3 und 3, 9 gegensinnig überlagern, so daß das vom nach Fig. 3 links be findlichen Magnetsystem erzeugte Drehmoment größer ist als das vom anderen rechts befindlichen Magnetsystem erzeugte Drehmoment und es aufgrund des verbleibenden resultierenden Gesamtmomentes zu einer Verdrehung des Ankers A in Richtung auf seine Soll-Winkelpo sition kommt.It overlaps with this rotary magnet the electromagnetic generated flux and a permanent magnet flux in the air gaps between the pole pairs 10 , 2 and 2 , 8 in the same direction, while the electromagnetic flux and the other permanent magnetic flux in the air gaps between the poles 10 , 3 and 3 , 9 overlap in opposite directions, so that the torque generated by the magnet system shown on the left in FIG. 3 is greater than the torque generated by the other magnet system on the right, and due to the remaining total torque resulting in a rotation of the armature A in the direction of its target angular position comes.
Abweichend von den gezeigten und beschriebenen Ausführungsbei spielen sind im Rahmen der Erfindung weitere und andere Lösungen möglich. So kann etwa jedes der beiden Magnetsysteme mit mehr Polen bzw. Polpaaren als dargestellt mit zubehörigen weiteren Perma nentmagneten ausgestattet werden. Schließlich könnte die Achse auch stationär und Teil eines Stators sein, während das Drehmoment am dann drehbeweglichen Gehäuse abgenommen wird, wobei für diesen Fall die Spule bzw. Spulen mit der Achse eine bauliche Einheit bilden können.Deviating from the embodiment shown and described Playing are further and other solutions within the scope of the invention possible. For example, each of the two magnet systems can do more Poles or pole pairs as shown with additional permas Magnets can be equipped. After all, the axis could too be stationary and part of a stator, while the torque on then rotatable housing is removed, being for this If the coil or coils with the axis form a structural unit can form.
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Legal Events
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