DE548390C - Elektromagnet mit Eisengehaeuse mit einem Kern und mehreren Ankern (Haupt- und Hilfsanker), die bei erregter Wicklung nacheinander bis zur gegenseitigen Beruehrung angezogen, bei nichterregter Wicklung voneinander und von dem Kern durch Anschlaege in bestimmten Abstaenden gehalten werden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit Eisengehäuse mit einem Kern und mehreren Ankern (Haupt- und Hilf sanker), die bei erregter Wicklung nacheinander bis zur gegenseitigen Berührung angezogen, bei nichterregter Wicklung voneinander und von dem Kern durch Anschläge in bestimmten Abständen gehalten werden, und besteht darin, daß diese Hilfs- und Hauptanker im Kraftlinienfluß innerhalb des Solenoids hintereinanderliegen.

Der magnetische Kraftliniennuß nimmt gleichmäßig zu in dem Maße, wie die Anker nach dem festen Polstück hingezogen werden.

Der Punkt größter Anziehungskraft befindet sich zunächst zwischen dem Kern und dem ersten Hilfsanker, dann zwischen diesem und dem Hauptanker. Durch die Anzugsbewegung jedes Hilf sankers für sich wird dann die Bewegung des Hauptankers veranlaßt. Die Verbindung zwischen dem Anker ist unmagnetisch, so daß die Permeabilität der Verbindung dieselbe ist für alle Ankerstellungen. Dieses Verbindungsglied niedriger Permeabilität trägt mehrere Anschlagflächen, ebenso sind in der Ankerführungsbuchse Anschläge zur Trennung der Hilfsanker vorgesehen. Die Anschläge in der Ankerführungsbuchse sind derart angeordnet, daß die Lufträume zwischen den Ankern fortschreitend größer werden. Hierdurch wird ein Maximum an Anziehungskraft bei geringstem Gewicht und Raumbedarf und einfachster Bauart erreicht, was besonders bei elektromagnetischen Werkzeugen wesentlich ist.

Um die magnetischen Eigenschaften des Eisengehäuses noch besser auszunutzen, kann das massive Gehäuse dadurch ersetzt werden, daß das Magnet] och aus rechtwinklig zur Achse der Ankerbewegung angeordneten Blechen und einem den magnetischen Kreis zwischen den Blechen schließenden Wellblechgehäuse besteht. Die inneren Wellungen des Gehäuses stehen dann in Berührung mit dem Solenoid, und die Teile des Gehäuses zwischen den Berührungsflächen bilden wärmeausstrahlende Rippen.

An Stelle einer einzigen Solenoidwicklung können zwei parallel geschaltete Wicklungen mit ungleicher Anzahl von Windungen vorgesehen sein, so daß die bei Stromunterbrechung entstehende resultierende gegenelektromotorische Kraft eine Funktion der Differenz der Windungszahlen der Wicklungen bildet.

Der Elektromagnet ist in bekannter Weise mit einer Feder zur Zurückführung des Ankers in seine Ruhelage bei Stromunter-

brechung im Solenoid ausgerüstet. Bei diesen bekannten Elektromagneten benötigte der Anker dieselbe Zeit für seinen Arbeitshub wie unter Einwirkung der Feder für seinen Leerhub. Gemäß der Erfindung wird aber die Kraft der Feder um so viel kleiner bemessen als die magnetische Zugkraft, daß der Arbeitshub des Ankers in kürzerer Zeit stattfindet als der Rückhub.

ίο Die Erfindimg ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt, insbesondere nicht auf die Verwendung von Eisen als Material für das Gehäuse und den Kern oder das Magnet] och, weil hierfür ebensogut jedes andere Material geeigneter Permeabilität verwendbar ist. In der Zeichnung zeigen: Abb. ι bis 4 Längsschnitte durch einen eisenarmierten Kolbenmagneten, wobei Abb. 1 die beweglichen Teile in den verschiedenen Stellungen zeigt, die sie einnehmen, wenn der Magnet nichterregt wird, und die anderen Ansichten die fortschreitenden Bewegungen der Teile, wenn das Solenoid erregt wird, Abb. S ein Schema des elektrischen Stromkreises des Magneten,

Abb. 6 den Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform,

Abb. 7 einen mit einem Elektromagneten nach der Erfindung ausgestatteten elektrischen Hammer im Längsschnitt,

Abb. 8 eine Endansicht, teilweise im Schnitt zu Abb. 7,

Abb. 9 ein Schema der elektrischen und magnetischen Stromkreise zu Abb. 7 und 8.

Der eisenarmierte Kolbenmagnet hat gemäß Abb. ι bis 4 einen von den Platten 1, 2 und dem zylindrischen Gehäuse 3 gebildeten Bügel. Die Platte 2 hat einen Innenfiansch 4 zur Bildung eines festen Pols, und die Platte ι hat eine Öffnung zur Aufnahme des Hauptankers 5. Ein Paar Hilfsanker 6, 7 sind hintereinander in der Bahn des magnetischen Kraftflusses zwischen dem Pol 4 und dem Hauptanker 5 angeordnet. Eine starre Einwegverbindung zwischen den Ankern wird von der abgestuften Stange 8 gebildet, die an dem Anker 1 befestigt ist und mit den Absätzen 9, 10 an die Anker 6, 7 stößt. Die Rückbewegung der Hilfsanker nach Abschalten der Erregung wird durch innere Stufen der Hülse 11 gesichert, die als Stütze zwischen den beiden Platten 1, 2 eingesetzt ist. Der Raum zwischen der Hülse 11 und dem Gehäuse 3 nimmt das Solenoid 12 auf, das mit Strom von einer beliebigen Quelle zur Erregung des Magneten versorgt wird.

Die abgestufte Stange 8 und die abgestufte Hülse 11 sind aus einem Material von niedriger Permeabilität, wie Messing oder nichtmagnetischem Stahl, hergestellt. Die ver schiedenen Anker und der Bügel bestehen aus Metallen oder Materialien hoher Permeabilität oder weichem Eisen oder Stahl.

Der Hauptanker 5 gleitet in der Öffnung der Platte 1 mit geringem Spielraum, um die magnetische Verbindung von hoher Permeabilität zwischen diesen Teilen während der Tätigkeit des Magneten aufrechtzuerhalten.

Besonders beachtenswert ist, daß alle Anker hintereinander in der Bahn des Kraftflusses angeordnet sind, wenn das Solenoid erregt wird, und daß, wenn das Solenoid stromlos wird, die Anker voneinander und von dem Pol durch eine Reihe von Lufträumen verschiedener Länge getrennt sind. Die verschiedenen Längen der Lufträume bei stromlosen Magneten sind in Abb. 1 dargestellt. Der Luftraum ο zwischen dem Pol und dem ersten Hilfsanker 7 ist kleiner als der Luftraum b zwischen dem Hilfsanker, und der Luftraum b ist wieder kleiner als der Luftraum c, welcher zwischen dem Hilfsanker 6 und dem Hauptanker 5 liegt.

Gemäß dem Schema der Abb. 5 wird die Wicklung 12 von einer beliebigen Quelle durch Leitungen erregt, die einen Schalter S enthalten. Wenn der Arm 14 auf dem offenen Kontakt liegt (Abb. 5), ist das Solenoid stromlos, und das Gewicht des Ankers läßt die verschiedenen Teile die in Abb. 1 gezeigte Stellung einnehmen. Wenn der Arm 14 auf dem Kontakt 15 des Schalters 5¹ bewegt wird, geht Strom durch die Reihenwiderstände 16, 17, und der für eine vorher bestimmte Last erzeugte Kraftfluß kann den Hilfsanker 7 zur Berührung mit dem Pol 4 bringen, d. h. in die in Abb. 2 gezeigte Lage. Wenn der Anker 7 an den Pol 4 angezogen wird, hebt er, da er unter die Stufe 10 der Stange 8 greift, eine Stange und bewegt den Hauptanker 5 um die Strecke, die der Länge des Luftraumes α entspricht. Der Anker 6 wird gegen den Pol 4 und den Zwischenanker 7 angezogen, aber der zweite Luftraum b wird nicht geschlossen, wenn die Last von der Größenordnung derjenigen des Maximalgewichtes ist, das gehoben werden kann, wenn das Solenoid durch die Reihenwiderstände 16, 17 mit Strom versorgt wird. no

Bei der Bewegung des Schalterarmes 14 zum Kontakt r8 wird der 'Stromfluß durch die Wicklung 12 vergrößert, und der entsprechend vermehrte Kraftfluß ergibt eine Zugkraft, die den Anker 6 zum Abschluß des zweiten Luftraumes b bewegt. Die Teile nehmen dann die in Abb. 3 gezeigte Lage ein. Obwohl der vermehrte Kraftfluß genügt, um den zweiten Luftraum zu schließen, kann das Gewicht, das auf den Anker 5 wirkt, so groß sein, daß der dritte Luftraum c nicht geschlossen wird. Beim Ausschalten des verbleibenden Wider-

Standes 17 durch Bewegung des Armes 14 zum Kontakt 19 wird der Strom vergrößert, und der vermehrte. Kraftfluß genügt, um eine solche Zugkraft auszuüben, daß der Hauptanker zum Schließen des letzten Luftraumes sich bewegt. Die Teile nehmen die in Abb. 4 gezeigte Lage ein.

Die Größe der Bewegung des Hauptankers 5 ist gleich der Summe der Längen der drei Lufträume. Ein Elektromagnet von etwa derselben Bauart, aber mit nur einem einzigen Anker, der sich über denselben Bereich bewegt, übt eine weit kleinere Zugkraft aus, da diese sich über die ganze Luftlücke erstreckt.

x5 Als Zahlenbeispiel für den erheblichen Zuwachs an Zugkraft, der mit einem Elektromagneten gemäß der Erfindung erreicht wird, mögen die folgenden Angaben für Kolbenelektromagnete der üblichen Bauart dienen.

Die festen Eisenteile haben bei beiden Magneten dieselbe Bauart, und auch die Wicklungen sind dieselben, und zwar solche, daß sie 7 500 AW bei 110 Volt ergeben. Beide Kolben sind über eine Strecke von etwa 20 mm (0,75 Zoll) beweglich, aber das Bewegungssystem des einen Magneten war in einen Hauptanker und zwei Hilfsanker geteilt, wie beschrieben. Das tote Gewicht der Kolben der beiden Magneten war dasselbe. Die Nutzlast, die von dem Elektromagneten mit einem Kolben üblicher Bauart gehoben werden konnte, betrug 6,6 kg (14,5 pounds), während das von dem Magneten nach der Erfindung gehobene Nutzgewicht 10,2 kg (25,5 pounds) betrug. Die Elektromagnete wurden nach der Kurve bestimmt, die in »Electrical Engineer's Handbook« H. A. Foster, 1918, Seite 129, angegeben ist. Die Resultate entsprechen nahezu den Punkten der Kurve für ΐ¹^ des Luftraumes.

Die stufenweise Bewegung des Magneten gestattet die Überwachung von Einrichtungen, wie Eisenbahnsignalen, Vielpunktschaltern, veränderlichen Indikatoren und anderen Einrichtungen, bei welchen ein Indikator oder ein Arm in eine von vielen Stellungen beweglich ist. Für viele Zwecke jedoch ist der stufenweise Betrieb nicht wesentlich, und der Schalter v? oder ein anderes Steuerelement kann durch geeignete Schalter ersetzt werden, und die Reihe von Lufträumen kann. dieselbe Länge haben, oder ihre Längen können andere sein, als für den stufenweisen Betrieb gefordert wird.

Bei der in Abb. 6 gezeigten Ausführungsform des Elektromagneten gemäß der Erfindung hat der Magnet einen Kolben und Platten 20, 21 sowie ein Gehäuse 22. Wie bei der ersten Ausführungsform hat die eine Kappe einen Flansch 23 zur Bildung eines festen Pols für den Hauptanker 24 und den Hilfsanker

25. Diese Reihenelemente des magnetischen Stromkreises sind aus einem Material von hoher Permeabilität hergestellt. Die Einwegverbindung zwischen den Ankern wird von einer nichtmagnetischen Stange 26 gebildet, auf welche der Hilfsanker 25 geschraubt ist, die Stange tritt über den Hilfsanker hinaus durch den Hauptanker 24 hindurch. Das äußere Ende des Hauptankers ist versenkt zur Aufnahme einer Mutter oder eines Bolzenkopfes 27, der an der versenkten Endfläche anliegt. Das andere Ende der Stange 26 trägt eine Mutter 28 zur Auflage auf der Platte 21, um die Bewegung der Anker von der Spule fort zu begrenzen, wenn die Wicklung 29 stromlos wird. Das äußere Ende des Ankers 24 hat zur Aufnahme der Last z. B. die Ansätze 30.

In Abb. 7, 8 und 9 ist ein elektrischer Hammer dargestellt. Die allgemeine Anordnung der Elemente des magnetischen Systems entspricht derjenigen in Abb. 1. Die Platten 31, 32 werden von mehreren dünnen Blechen aus einem Material von hoher Permeabilität, wie weichem Eisen oder Stahl, gebildet. Die Bleche sind in Ringe 33, 34 von T-förmigem Querschnitt eingepaßt und ruhen in dem einen Ringabschnitt, während der gegenüberliegende Ringabschnitt zur Sitzfläche für ein gewelltes 9c Gehäuse dient. Das Gehäuse 35 besteht aus dünnem Wellblech von solcher Gestalt, daß ein wesentlicher Teil des· Gehäuses in dichter Berührung mit dem Solenoid ist und die dazwischenliegenden Rippen nicht nur das Ge- Ö5 häuse versteifen, sondern große Ausstrahlungsfiächen bilden. Die Wellenform hat den weiteren Vorteil, daß für eine gegebene Querschnittsfläche des magnetischen Materials die Dicke des Gehäuses wesentlich verringert werden kann, da die Umfangslänge des Wellblechgehäuses weit größer ist als der Umfang eines zylindrischen. Die Umfangslänge kann z. B. dreimal so groß sein wie der Umfang eines zylindrischen Gehäuses, dann kann das Blech ¹J₃ der Dicke haben, die für das zylindrische Gehäuse nötig wäre.. Das feste Polstück besteht aus einer Hülse 36 mit Flansch 37, der auf der inneren Fläche der Platten 31 anliegt, die durch eine Mutter 38 gehalten werden. Die Platte 32 nimmt eine geflanschte Hülse 39 auf, die zur Führung für den Hauptanker 40 dient und durch die Mutter 41 gehalten wird. Eine konische Schraubenfeder 42 liegt auf der Mutter 41 und stößt gegen eine Kappe 43, die von dem Hauptanker 40 getragen wird, um den Hauptanker 40 und die Hilfsanker 44, 45 von dem Pol 36 zu bewegen, wenn der Magnet stromlos wird. Die Anker sind durch die Stufenstange 46 von nichtmagnetischem Material verbunden, und die Bewegung der Hilfsanker von dem Pol 36

fort wird durch die inneren Stufen auf der Hülse 47 begrenzt, die auch aus Material niedriger Permeabilität besteht.

Um die Bildung von Wirbelströmen und Transformatorwirkung zu vermeiden, sind Gehäuse 35, Pol 36 und Hülse 47 mit Längsschlitzen 48, 49, 50 versehen.

Die Teile des magnetischen Stromkreises werden in der richtigen gegenseitigen Lage gehalten, und der Handgriff 51 und der Werkzeughalter 52 sind an dem magnetischen Gehäuse durch Bolzen 54 befestigt. Der Handgriff ist pistolenartig und hat einen Abzug 55 für den Schalter (nicht dargestellt), der zwisehen der biegsamen Leitung 56 und den Wicklungen des Magneten angeordnet ist. Der Werkzeughalter 52 hat eine mittlere Öffnung zur Aufnahme und Führung des Schaftes 57 des Werkzeuges oder des Werkzeughalters. Der Schlag des Hammers wird dem Schaft 57 durch die Stange 46 erteilt, und die Länge des Hubes kann durch Schraube 58 geregelt werden, welche die Rückwärtsbewegung des Hauptankers 40 begrenzt.

Die Feder 42 ist so stark, daß das Gewicht des sich bewegenden Systems und die verbleibende magnetische Zugkraft nicht den Rückwärtshub der Anker und der Stange 46 verhindern, wenn der Hammer in aufrechter Stellung gehalten wird (Abb. 7). Bei den bisherigen Bauarten waren die Federn, die zur Umkehr des Kolbens benutzt wurden, verhältnismäßig schwer und von solcher Kraft, daß der Rückhub etwa in derselben Zeit gemacht wurde wie der Arbeitshub. Bei dem Elektromagneten gemäß der Erfindung j edoch ist die Feder verhältnismäßig leicht, und der Rückhub erfordert einen weit längeren Zeitraum als der Arbeitshub. Der Verlust an Energie, der bei der Verwendung einer Feder entsteht, ist daher wesentlich verringert und die Schlagenergie vermehrt. Bei den früheren Vorrichtungen wurde der Gesamtzeitraum eines Arbeitskreislaufes durch den Zeitraum des Arbeitshubes und den Zeitraum des Rückhubes im wesentlichen symmetrisch geteilt, während bei der Erfindung und infolge der Verwendung einer leichteren Feder der Zeitraum unsymmetrisch geteilt ist und der Arbeitshub einen verhältnismäßig kleinen Teil des Kreislaufes einnimmt.

Gemäß dem Diagramm der Abb. 9 enthält das Solenoid zwei Wicklungen 59, 60, die parallel über die Quelle des Speisestromes verbunden, aber die in Reihen in dem magnetischen Stromkreis angeordnet sind. Die Anzahl der Wicklungen in den Spulen 59, 60 ist nicht gleich, aber beide Wicklungen werden von demselben magnetischen Kraftfluß durchkreuzt; die Bahn des Kraftflusses ist durch Pfeile angedeutet. Wenn der Schalter S' geöffnet ist, schneidet dieselbe Anzahl von Kraftlinien beide Spulen, und die so in den Spulen erzeugten gegenelektromotorischen Kräfte stehen in direktem Verhältnis zu der Anzahl der Windungen in den Spulen. Da die entstehende elektromotorische Kraft, die von den beiden ungleichen Windungen gebildet wird, eine Funktion der Differenzen der Anzahl der Wicklungen in beiden Spulen ist, wird die Funken- und/oder Bogenbildung an den Kontakten des Schalters verringert.

Die Verringerung der Funkenbildung durch die Verwendung von zwei parallel geführten elektrischen Wicklungen wird natürlich von einer Verzögerung in der Rückkehr des Ankers begleitet, da eine Abnahme an effektiver elektromotorischer Kraft entsteht. Für jedes gegebene elektromagnetische Werkzeug oder jede Maschine sind das Gewicht des sich bewegenden Systems und die Arbeitsgeschwindigkeit Faktoren, die beim Entwerfen der doppelten Wicklung berücksichtigt werden müssen. Für eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit kann natürlich die doppelte Wicklung nicht erwünscht sein wegen des Verlangsamens der Rückkehrgeschwindigkeit des Ankers. In diesen Fällen werden natürlich die üblichen Kondensatoren zur Verringerung der Funkenbildung an den Kontakten angewendet. Um den Hammer ununterbrochen zu betreiben, ist ein Unterbrecher neben dem Hauptschalter vorgesehen, der, wenn gewünscht, in den Hammer eingesetzt werden kann.

Die verhältnismäßig große Zugkraft kann mit verschiedenen Formen von Magneten erhalten werden unter Verwendung von mehreren Ankern, die so angeordnet sind, daß einer der Anker in der Zone der maximalen Zugkraft liegt, und daß der Hauptanker, der die Last hebt, mit dem oder den anderen Ankern durch eine starre Einwegverbindung verbunden ist, die die Bewegung des Hauptankers sichert, wenn der Anker in der Zone der Maximalzugkraft sich gegen den Kern bewegt. Wenn mehrere Zwischenanker verwendet werden, tritt jeder der Hilf sanker nacheinander in die Zone der Maximalzugkraft ein, da ein benachbarter Anker sich so bewegt, daß er den Luftraum schließt, über welchen die Maximalkraft vorher ausgeübt wurde. Die starre Verbindung kann verschieden gestaltet sein, und zwar anders als die oben beschriebene Stufenstange. DieHauptforderung bleibt, daß die Zugkraft eines jeden Hilfsankers auf den Hauptanker übertragen wird, daß die Verbindungsstange, das Gelenk o. dgl. zu dem Hilfsanker gleitet, wenn dieser den Kern oder einen benachbarten Anker berührt, und daß die Verbindungen aus einem Material von niedriger Permeabilität hergestellt sind.

Wenn der Anker Kolbenform hat oder auf, dem Bügel drehbar gelagert ist, hat die Verbindung zwischen dem Anker und dem Bügel vorzugsweise die Form, daß der magnetische Kontakt auf dem ganzen Bewegungsbereich des Ankers geschlossen bleibt. Bei allen praktischen Ausführungen ist natürlich ein nennenswerter Spielraum erforderlich, um die Relativbewegung des Ankers zu gestatten,

ίο aber der Spielraum, der an dieser Stelle in den magnetischen Stromkreis eingeführt wird, kann auf ein Mindestmaß verringert werden, wenn man für die Schmierung der Teile sorgt.

Wenn eine stufenweise Bewegung des Magneten gewünscht wird, kann der Bereich der Bewegung für eine oder mehrere Stufen vergrößert werden, indem man die relativen Längen der Lufträume so bemißt, daß zwei Räume für jedes Anwachsen der Stromstärke geschlossen werden.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   I. Elektromagnet mit Eisengehäuse mit einem Kern und mehreren Ankern (Haupt- und Hilfsanker), die bei erregter Wicklung nacheinander bis zur gegenseitigen Berührung angezogen, bei nichterregter Wicklung voneinander und von dem Kern durch Anschläge in bestimmten Abständen gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hilfs- und Hauptanker im Kraftlinienfluß innerhalb des Solenoids hintereinanderliegen.
2. 2. Elektromagnet nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzugsbewegung jedes Hilf sankers für sich die Bewegung des Hauptankers veranlaßt.
3. 3. Elektromagnet nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptanker und Hilfsanker durch ein Verbindungsglied (8) niedriger Permeabilität mit mehreren Anschlagflächen (9, 10) verbunden id

   ·
4. 4. Elektromagnet nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ankerführungsbuchse (11) Anschläge zur Trennung der Hilfsanker vorgesehen sind.
5. 5. Elektromagnet nach Anspruch 4, da-,50 durch gekennzeichnet, daß die Anschläge in der Ankerführungsbuchse (11) derart angeordnet sind, daß die Lufträume (a, b, c) zwischen den Ankern fortschreitend größer werden.
6. 6. Elektromagnet nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch aus rechtwinklig zur Achse der Ankerbewegung angeordneten Blechen (31, 32) und einem den magnetischen Kreis zwischen den Blechen (31, 32) schließenden Wellblechgehäuse besteht.
7. 7. Elektromagnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Wellungen des Gehäuses (35) in Beruhrung mit dem Solenoid stehen und die Teile des Gehäuses zwischen den Berührungsflächen wärmeausstrahlende Rippen bilden.
8. 8. Elektromagnet nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallel geschaltete Wicklungen (59, 60) mit ungleicher Anzahl von Windungen vorgesehen sind, so daß die bei Stromunterbrechung entstehende resultierende gegenelektromotorische Kraft eine Funktion der Differenz der Windungszahlen der Wicklungen bildet.
9. 9. Elektromagnet nach Anspruch 1 bis 8 mit einer Feder zur Zurückführung des Ankers in seine Ruhelage bei Stromunterbrechung im Solenoid, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft dieser Feder (42) kleiner ist als die magnetische Zugkraft, daß der Arbeitshub des Ankers in kürzerer Zeit stattfindet als der Rückhub.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen