-
Elektromagnet mit einem als zweiarmiger Hebel ausgebildeten Wälzanker
Um während der Anzugsbewegung des Ankers eines Elektromagneten das Übersetzungsverhältnis
zwischen dem Kraftarm und dem Lastarm des Ankers stetig in Anpassung an "den am
Lastarm auftretenden Kraftbedarf zu ändern, ist es bekannt, den Anker auf einer
Wälzbahn anzuordnen, an der er sich während seiner Bewegung abwälzt. Die Ausbildung
derartiger Elektromagnete mit Wälzankern bereitet Schwierigkeiten. Die bekannten
Elektromagnete dieser Art besitzen einen hohen Widerstand in dem Magnetkreis, insbesondere
einen schlechten Rückschluß der magnetischen Kraftlinien ,zwischen Anker und Joch,
so daß große Erregungsfeldstärken aufgewendet werden müssen. Die hierfür erforderlichen
Erregungswicklungen benötigen verhältnismäßig viel Platz, so daß bei Einhaltung
eines bestimmten Übersetzungsverhältnisses eines Übersetzungsbereiches für die Ankerbewegung
verhältnismäßig große Wälzbahnen und damit große Massen des bewegten Systems auftreten.
Aus diesen Gründen eignen sich die bekannten Elektromagnete mit Wälzanker nicht
zu periodischen Fortschaltungen, die mit hoher Schrittgeschwindigkeit ausgeführt
werden.
-
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der bekannten Elektromagnete
mit einem als zweiarmigen Hebel ausgebildeten Anker, bei welchem das Längenverhältnis
des ' Kraftarmes zu dem Lastarm zwecks Anpassung des Kraftmoments an das jeweilige
Lastmoment während einer abwälzenden Ankerbewegung sich stetig ändert. Gemäß der
Erfindung sind der eine Schenkel des die Erregerwicklung tragenden U-förmigen Eisenkreises
eines solchen Elektromagneten als Wälzfläche annähernd gleicher Breite wie der Anker,
der auf dieser Wälzfläche unmittelbar
aufliegt, und der andere Schenkel
als Erregerpol ausgebildet, und dex Abstand des Poles von der benachbarten Ablaufkante
der Wälzfläche ist klein gegen die Länge der Wälzfläche bemessen. Durch diese Ausgestaltung
des Eisenkreises eines Elektromagneten mit Wälzanker wird ein praktisch widerstandsloser
Rückschluß der magnetischen Kraftlinien über die Wälzfläche herbeigeführt, der es
ermöglicht, mit einer geringen elektrischen Erregung eine große magnetische Kraft
zu erzielen. Der kleine Magnet bedarf daher nur einer kleinen Erregerwicklung, die
so wenig Platz beansprucht, daß es möglich ist, das Ende der magnetischen Wälzfläche
nahe an den Erregerpol heranzurücken. Auch bei Einhaltung eines vorgeschriebenen
übersetzungsbereiches für den Anker braucht daher die Wälzfläche nur eine verhältnismäßig
geringe Länge zu besitzen. Hierdurch wird die Masse des Ankers und damit die Trägheit
des beweglichen Systems klein gehalten, so daß der Anker in schneller Folge geschaltet
werden kann.
-
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen: Fig. i einen mit Wälzanker ausgerüsteten Antriebsmagneten für die schrittweise
Fortschaltung eines drehbaren Systems in Seitenansicht, Fig. : einen Querschnitt
durch den Elektromagneten und Wälzanker, Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Eisenkreis
des Elektromagneten, Fig. 4 und 5 den Anker des Elektromagneten in zwei verschiedenen
Arbeitsstellungen., Fig.6 bis ä drei andere Ausführungsformen für den Eisenkreis
des Elektromagneten. Bei den in den Fig. i bis 3 dargestellten Ausführungsformen
ist der Kern i i des Elektromagneten U-förmig gestaltet. Auf den Schenkel 1z ist
die Erregerspule 43 aufgeschoben. Das freie Ende dieses Schenkels dient als Erregerpol.
Der zweite weitere Schenkel 13 des Kernes i i ist an seinem freien Ende als Wälzfläche
für den Anker 14 ausgebildet. Der Kern i i besitzt annähernd die gleiche Breite
wie der Anker 14, so daß der Anker über seine ganze Breite auf der Wälzfläche des
Schenkels 13 liegt. Hierdurch wird in jeder Stellung des Ankers ein guter Übertritt
der magnetischen Kraftlinien von dem Kern i i auf den Anker 14 gewährleistet, so
daß nur ein Luftspalt in dem gesamten Eisenkreis zwischen dem Pol des Schenkels
ia und dem Anker 1.,1. besteht.
-
Die Spule 43 ist als selbständiges Bauelement auf einen Spulenträger
gewickelt, welcher auf den Schenkel 1:2 des Kernes ii aufgeschoben wird. Hierbei
sitzt die Spule auf dem Verbindungsstück der beiden Schenkel 12 und 13 des Kernes
i i auf. Dieses Verbindungsstück des Kernes i i ist über den Schenkel 12 hinaus
verlängert, so daß eine Sitzfläche 15 entsteht, an welcher sich die Spule ebenfalls
abstützt. Diese Verlängerung des Kernes bewirkt zugleich eine Vergrößerung des Eisenquerschnittes
an dem Fuß des Schenkels 12, durch welche ein Austritt magnetischer Kraftlinien
weitgehend verhindert wird.
-
Die Länge der Wälzfläche des Schenkels 13 beträgt ein Vielfaches der
Länge des Poles 12. Die Abmessungen und die Ausgestaltung der Wälzfläche werden
bestimmt durch den Weg, den der Lastarm 16 des Ankers 14 zurÜcklegen muß, und den
Übersetzungsbereich, der hierbei in Anpassung an die auf den Lastarm einwirkenden
Gegenkräfte von dem Anker zu durchlaufen ist. Da sich während der Anzugsbewegung
die Auflagelinie des Ankers 14 auf der Wälzfläche des Schenkels 13 ständig nach
dem Erregerpol 12 zu verschiebt, wird der Kraftarm stetig verkürzt und der Lastarm
stetig vergrößert. In dem angezogenen Zustand tritt somit das größte Übersetzungsverhältnis
zwischen Kraftarm und Lastarm auf. Aus diesem Grunde muß die Länge des Kraftarmes
in angezogenem Zustand des Ankers möglichst klein gehalten werden, damit die Gesamtausmaße
des Ankersystems innerhalb praktisch verwertbarer Grenzen gehalten werden können.
-
Der Lastarm 16 trägt eine Stoßklinke 17 (Fis. i), welche in die Zähne
eines Schaltrades eingreift. Das Schaltrad 1ä treibt ein beliebiges drehbewegliches
System an. Statt der Fortschaltung eines drehbeweglichen Schaltrades könnte -in
gleicher Weise auch die Fortschaltung einer verschiebbaren Zahnstange o. dgl. bewirkt
werden. Am Ende der Anzugsbewegung des Ankers 14 stößt die Klinke 17 gegen einen
ortsfesten, gegebenenfalls einstellbar befestigten Anschlag ig. Durch die Einstellung
dieses Anschlages ist es möglich, ein Aufschlagen des Ankers auf den Pol auszuschließen.
, An dem Lastarm greift eine Feder 2o an, welche bei Abschaltung der Erregung den
Anker in die Ruhelage zurückzieht, in der sich der Anker an einem- ortsfesten, gegebenenfalls
einstellbar befestigten Anschlag 2i stützt. Der Angriffspunkt der Feder 2o an dem
Lastarm kann verändert werden. Zu diesem Zweck sind in dem U-förmig gebildeten Lastarm
16 mehrere Löcher z2 vorgesehen, in welche ein Aufhängebolzen für die Feder eingesetzt
werden kann. Um eine Veränderung des Angriffspunktes der Rückstellfeder 2o ohne
Veränderung der Federspannung zu ermöglichen, sind in den entsprechenden Abständen
an einem mit dem Kern i i verbundenen Träger 23 ebenfalls Aufhängungen für
die
Feder vorgesehen. Die Veränderung der Aufhängung der Feder bewirkt eine Veränderung
der auf den Anker einwirkenden Rückstellkraft nach Maßgabe `des von dem Anker durchlaufenen
Übersetzungsbereiches. Hierdurch hat man es in der Hand, auch die Rückstellkraft
nichtlinear und mit stetig sich änderndem Übersetzungsverhälnis auf den Anker einwirken
zu lassen.
-
Eine genaue Anpassung der von dem Lastarm abgegebenen Kraft an die
durch das anzutreibende System auftretenden Gegenkräfte` wird durch entsprechende
Krümmung der Wälzfläche des Schenkels 13 erzielt. Für den praktischen Betrieb
genügt es, die Wälzfläche als Mantelfläche eines Kreiszylinders auszubilden, da
die Kreiskurve von der theoretischen Kurve nur um geringe Beträge abweicht. Die
Ausbildung als Mantelfläche eines Kreiszylinders hat den Vorteil, daß diese Fläche
leicht mit den üblichen Hilfsmitteln gefräst und geschliffen werden kann.
-
Um den Anker 1q. auf der Wälzfläche zu halten, trägt der Anker eine
Achse 24. An dem Schenkel 13 des Kernes ii - sind zwei Lagerschilder 25 befestigt,
welche je eine Öff-
nung für die Achse 2q. besitzen. Da der Anker sich bei
seiner Bewegung auf der Wälzfläche des Schenkels 13 abwälzt, führt jede mit dem
Anker verbundene Achse sowohl eine seitliche wie eine lotrechte Bewegung aus. Diese
Bewegungen werden am kleinsten, wenn die Lagerstelle in die Ebene der-Wälzfläche
gelegt wird. Zu diesem Zweck wäre es jedoch erforderlich, an dem Anker seitliche
Lappen vorzusehen, welche Lagerzapfen oder Löcher tragen. Da diese Lappen über die
Auflagefläche des Ankers herausragen, erschweren sie die Bearbeitung des Ankers,
beispielsweise das Einschleifen der Auflagefläche. Bei der in den Fig. i bis 3 dargestellten
Ausführungsform ist aus diesem Grunde die Lagerstelle so weit nach oben gelegt,
daß die Achse 24 den Anker durchdringt. An Stelle einer durchgehenden Achse könnten
auch Zapfen oder Leerlöcher in den äußersten Ankerblechen vorgesehen sein. Bei dieser
Anordnung der Lagerung.- wird das Ausmaß der seitlichen und vertikalen Bewegung
größer als bei der theoretisch günstigsten Anordnung. Trotzdem sind diese Bewegungen
so gering, daß ein Spiel in der Größenordnung von wenigen Zehntelmillimeter zwischen
Achse oder Zapfen und Lagerloch genügt, um das richtige -Abwälzen des Ankers sicherzustellen.
Die Anwendung einer derartigen Achs- oder Zapfenlagerung hat den Vorteil, daß der
Anker in ,jeder Lage des Systems unter der Einwirkung der Rückzugsfeder in der Wälzfläche
gehalten wird. Die Lagerschilder 25 besitzen die ,gleiche Breite wie der Schenkel
13 des Kernes ii. Hierdurch wird zugleich eine seitliche Führung des Ankers
erzielt. Zweckmäßig sind die Lagerschilder ebenfalls aus magnetisch leitendem Material
gebildet, so daß auch über die Lagerschilder ein Rückschluß der magnetischen Kraftlinien
erfolgt. Sowohl der Kern i i wie der Anker 1q. werden zweckmäßig aus lamelliertem
Eisen gebildet. Es genügt jedoch eine Unterteilung in Blechstärken von etwa i bis
2 mm Stärke, um ein schnelles Arbeiten zu erzielen.
-
Da bei einer Fortschaltung mittels Klinke und Zahnrad stets im abgefallenen
Zustand des Ankers eine Leerlaufstrecke für den Eingriff der Schaltklinke vorgesehen
sein muß, tritt am Anfang der Anzugsbewegung des Ankers nur ein geringer Kraftbedarf
auf. Dieser Kraftbedarf kann auch durch eine Kippbewegung des Ankers befriedigt
werden, so daß es nicht erforderlich ist, die Länge der Wälzfläche entsprechend
dem gesamten Weg des Lastarmes zu bemessen. Bei den in Fig. d. und 5 schematisch
dargestellten Ausführungsformen kippt der Anker 26 um die Ablaufkante der Wälzfläche
des Schenkels 27, bis er auf einen Anschlag z8 stößt, der diese Bewegung begrenzt.
-
In der Ruhelage steht die Schaltklinke .29 um die Leerlaufstrecke
entfernt vor dem nächsten Zahn 3o des. Schaltrades. Wird der Elektromagnet sodann
erregt, dann kippt der Anker um die Ablaufkante der Wälzfläche, bis die Klinke 29
gegen die Flanke des Schaltzahnes 30 stößt. Kurz vor dieser Stellung tangiert
der Anker die Wälzfläche, so daß die weitere Bewegung, während der das Schaltrad
fortgeschaltet wird,.unter stetiger Änderung der Übersetzung zwischen Lastarm und
Kraftarm stattfindet. ' Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei weitere Ausbildungsmöglichkeiten
des grundsätzlich U-förmig gestalteten Eisenkreises, die es ermöglichen, unter weitgehender
Ersparnis von Eisen eine große Wälzfläche vorzusehen. Für die Ausgestaltung des
breiten Schenkels des Eisenkreises, welcher die Wälzfläche trägt, ist stets maßgebend,
daß die magnetischen Kraftlinien auf einem geometrisch kürzesten Weg von dem Polschenkel
31 zu der Wälzfläche 32 gelangen können. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform
ist der Schenkel 32 deshalb sektorförmig gestaltet. Er besitzt zu Materialersparnis
eine Aussparung 33, die zugleich zur Befestigung dient.
-
Beider in Fig.7 dargestellten Ausführungsform ist der Eisenkreis entsprechend
einem gut zieh- öder wälzbaren Profil gestaltet, so daß der Kern aus scheibenförmigen
Abschnitten eines entsprechend profilierten Stabeisens gebildet werden kann. Die
Aussparung 34
dient zur Befestigung. Die beiden in Fig: 6 und 7
dargestellten Ausführungsformen- ermöglichen wie die in Fig. i bis 3 gezeigte Ausführungsform
die Verwendung von selbständig gewickelten Spulen, die leicht aufgebracht werden
können.
-
Da mit Rücksicht auf die Ausmessungen des Ankers der Abstand von Polmitte
bis zu dem Ende der Wälzfläche möglichst klein gehalten werden muß, ist bei der
in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform der U-förmige Eisenkreis ringartig erweitert.
Die Spule 35 sitzt auf dem Verbindungsstück 36, zwischen dem als Erregerpol
37 dienenden Schenkel und dem die Wälzfläche -tragenden Schenkel 38. Bei
dieser Anordnung muß die Spule auf den Eisenkreis aufgewickelt werden oder der Eisenkreis
wird zweiteilig ausgebildet und nach Art der Eisenkreise von Transformatoren geschichtet.