DE7702926U1 - Drehmomentbildendes antriebssystem - Google Patents

Description

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Dipl. Ing. Peter Otte 7033 Herrenberg (Kuppingen)

Patentanwalt EifelstraBe 7

Telefon (070 32) 31999

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4. Jan. 1977

Firma Camille Bauer Meßinstrumente AG CH-5610 Wohlen/Schweiz

Drehmomentbildendes Antriebssystem

Die Erfindung betrifft ein drehmomentbildendes Antriebssystem, insbesondere Stellmotor zum Zeigerantrieb, mit einer stromdurchflossenen Spule und einem zugeordneten Permanentmagnetsystem.

Drehmomenterzeugende Stellmotore für beliebige Anwendungszwecke, beispielsweise zum Nullabgleich innerhalb eines Kompensationskreises als Servomotor, sind bekannt; solche Elektromotoren wirken als integrierende Endbausteine innerhalb geschlossener Regelschleifen und können als Schrittmotore, Asynchronmotor oder ähnliche Systeme ausgebildet sein. Nachteilig bei den bisher bekannten Stellmotorsysterneη ist der komplizierte, einen erheblichen Wicklungsaufwand zusammen mit laminierten Eisenpaketen erfordernde Aufbau.

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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein insbesondere für einfache Anwendungszwecke geeignetes, drehmomentbildendes Antriebssystem zu schaffen, welches nur einen verhältnismäßig geringen, bautechnischen Aufwand erfordert, zuverlässig arbeitet und mit geringen Kosten hergestellt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten drehmomentbildenden Antriebssystem und besteht erfindungsgemäß darin, daß zwei im wesentlichen gleiche, aufeinanderlegbare Halbschalen mit einer mittleren öffnung vorgesehen sind, die eine toroidförmige Spule aufnehmen, daß von den Halbschalen einander gegenüberliegende, Polflächen bildende Vorsprünge ausgehen und daß ein in einer gegebenen Richtung magnetisierter Drehmagnet zentrisch im Polflächenbereich angeordnet ist.

Ein solches Antriebssystem, welches sich insbesondere als Stellmotor für einen Zeigerantrieb, beispielsweise bei einem mit einem Ellipsenlenker arbeitenden Zeigergeradeführungsmechanismus eignet, hat den Vorteil, daß es aus nur wenigen Einzelteilen mit sehr geringem Wicklungsaufwand herstellbar ist, nur einen verhältnismäßig geringen Eisenaufwand erfordert, praktisch voll gekapselt werden kann und ein für übliche Anwendungszwecke ausreichendes, kraftvolles Drehmoment erzeugt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung vorliegender Erfindung wird lediglich eine einzige toroidförmige Erregerspule in einfacher flacher Form benötigt, die ringförmig in die aufeinandergelegten Halbschalen eingelegt ist und die ein für die Bewegung des Rotors ausreichendes Luftspaltfe.ld erzeugt.

Da der Rotor in einer bevorzugten Ausgestaltung lediglich aus

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einem zvlindrischen, diametral maanetisierten Drehmaqneten besteht, sind keine Schleifkontakte und keine hp^oglichen Stromzuführungen erforderlich, so daf sich ein solches Antriebssvstpm praktisch nicht abnutzt und ei.no lanae Betriebsdauer garantiert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung läßt sich der Rotor innerhalb der beiden Ualbschalen ohne jedes axiale Spiel durch die Einwirkung einer magnetischen Haltekraft lagern, und zwar dadurch, daß unterhalb des zylindrischen Drehmagnetrotors ein scheibenförmiger Nebenschluß angeordnet ist, der eine den Rotor in eine axiale Richtung vorspannende Axialkraft erzeugt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht

des erfindungsgemäßen Antriebssystems und Fig. 2 ebenfalls in perspektivischer Darstellung eine der für das Antriebssystem verwendeten I-Ialbschalen.

Die Darstellung der Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Antriebssystem, welches im folgenden ausschließlich noch als Stellmotor 1 bezeichnet wird, im zusammengebauten Zustand. Die Hauptbestandteile des Stellmotors sind zwei Halbschalen 2a und 2b, die in bevorzugter Ausgestaltung identisch ausgebildet sein können, so daß sich hierdurch der Arbeits-- und Kostenaufwand für das Gerät verringert, eine in den gebildeten Hohlraum zwischen den beiden aufeinandergelegten Hslbschalen 2a und 2b eingelegte toroidförmige Erregerspule 2 sowie ein

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zentrisches Rotorsystem 4.

Die bevorzugte Ausbildung der beiden Halbschalen ist in Fig. dargestellt; jede Halbschale verfügt über eine Grundplatte 5, die außen von einem umlaufenden, zur Grundplatte 5 senkrechten Rand 6 umgeben ist. Die Höhe dieses Randes 6 ist so bemessen, daß sich bei mit ihren Rändern aufeinandergelegten Halbschalen hierdurch die Bauhöhe des aus den beiden Halbschalen gebildeten Halbschalenkäfigs bestimmt.

Jede Halbschale verfügt über eine zentrale öffnung 7, an deren einen Seite vorzugsweise einstückig eine sich zur peripheren Umrandung 6 parallel erstv eckende Wandfläche 8 angeformt ist, die halbkreisförmig ausgebildet ist und eine Polfläche bildet. Die Höhe der Polfläche 8 ist etwa doppelt so groß wie die Höhe des äußeren Randes 6. Gegenüber der Polfläche 8 schließt sich jedoch die öffnung 7 nicht entlang der strichpunktierten, lediglich zum besseren Verständnis angegebenen, kreisförmigen Linienführung 9, sondern erweitert sich darüber hinausgehend etwa halbmondförmig zu einem größeren Ausschnitt 10, dessen Rand 11 in einem vorgegebenen Abstand A zum Rand der Grundplatte 5 verläuft. Dieser größere Ausschnitt 10 gegenüberliegend der Polfläche 8 ist aus elektromagnetischen Gründen erforderlich; hierauf wird weiter unten noch eingegangen.

Legt man die beiden benötigten Halbschalen entsprechend der Darstellung der rig. 2 so aufeinander, daß sich die Außenränder 6 berühren, dann kommen, wie die Darstellung der Fig. 1 zeigt, die jeweiligen Polflächen 8 einander gegenüberliegend, jedoch ohne sich zu berühren, so zu liegen, daß sich ein innerer zylinderförmiger Hohlraum 12 ergibt. Dabei erstreckt sich jede Polfläche 8 etwa längs der Linie 9 in die Ausnehmung 10 der jeweils anderen Halbschale, berührt diese jedoch nicht,

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da die Polfläche 8 nicht ganz einen Halbkreis bildet.

In den von den beiden Halbschalen gebildeten, äußeren umlaufenden Ringraum 13 wird die Erregerspule 3 eingelegt, die in ■ einfacher flacher Form als Torus gewickelt ist.

Vervollständigt wird das Antriebssystem dann durch die Rotoranordnung, die in Form eines im mittleren, von den Polflächen gebildeten Raums 12 drehbar gelagerten Magneten 14 ausgebildet ist. Dieser Drehmagnet 14 ist von zylindrischer Form und paßt daher unter Bildung eines allseitigen Abstands gegenüber den Polflächen 8 in den Mittelraum 14; der Drehmagnet ist diametral magnetisch in einer bestimmten Vorzugrichtung magnetisiert, so daß sich, wie in Fig. 1 angegeben, an den Außenflächen des Drehmagnets ein Nordpol (N) und ein Südpol (S) ausbilden. Die Lagerung des Drehmagneten 14 erfolgt mittels einer Drehachse 15, an welcher ein Stellhebel 16 zur beliebigen Verwendung, beispielsweise zum Antrieb eines Zeigers oder eines Zeigerger adeführungssystems angeordnet ist. Die Lagerung für den Drehmagneten wird vervollständigt durch einen oberen Lagerstein 17 und einen unteren Lagerstein 18. Die Lagersteine können in geeigneter Weise in einem die beiden aufeinander gelegten Halbschalen umgebenden und in der Darstellung der Fig. 1 bei 19 angedeuteten Gehäuse gehalten sein, welches auch die Halbschalen in der einmal gewählten Position festhält. Zur Erzielung einer gewünschten Positionierung jeweils der beiden Halbschalen zueinander und der Halbschalen innerhalb des Gehäuses 19 können an einander zugewandten Flächen Ausnehmungen 20 (siehe Fig. 2) vorgesehen sein, in welche nasenartige Vorsprünge am anderen Teil eingreifen.

Zum besseren Verständnis wird im folgenden noch kurz auf die Wirkungsweise eines solchen, sehr einfachen Antriebssystems

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1238/ot/wi 4. Jan. 1977		eingegangen.
für Meßwertanzeiger u,	dgl.

Die Ringspule 3 entwickelt ohne die beiden weichm'agnetischen, also aus ferromagnetisch weichem Material bestehenden Halbschalen ein Magnetfeld, welches in ihrem Innenraum, also dort, wo der Magnet 14 drehbar gelagert ist, im wesentlichen parallel zur Achse verläuft. Ein solches axiales Magnetfeld würde kein Drehmoment erzeugen mit dem diametral magnetisierten Dauermagneten 14, wie ohne weiteres einzusehen ist.

Es ist nun die Aufgabe der beiden weichmagnetischen Halbschalen, den magnetischen Fluß so umzulenken, daß dieser - wenigstens zum Teil - von der Polfläche 8 durch die beiden Luftspalte 12 und den den Rotor bildenden Drehmacrneten 14 zur gegenüberliegenden PoIflache 8' verlHuft, oder umgekehrt, falls der Erregerstrom auch entgegengesetzte Richtung hätte. Dies hängt von der Polarität des die Ringsnule 3 speisenden Gleichstroms ab. Im Bereich des Drehmagneten 14 fließen die von der Spule 3 verursachten magnetischen Kraftlinien dann in derselben Ebene wie die (inneren und äußeren) Kraftlinien des aus hartmagnetischem Material bestehenden Drehmagneten 14. Deshalb entsteht ein Drehmoment, denn der Rotor hat die Tendenz, jene Winkelstellung einzunehmen, die für sein äußeres Magnetfeld insgesamt den geringsten Widerstand ergibt.

Die erwähnte Umleitung der durch die Ringspule 3 erzeugten Kraftlinien wird unter anderem erreicht durch den Ausschnitt 1o jeder komplementär unsymmetrisch ausgebildeten Halbschale 2a und 2b. Dieser Ausschnitt bewirkt eine Verärgerung des magnetischen Widerstands beim direkten Übergang der Kraftlinien vom oberen Rand des Segmentes oder der Pol fläche 8 in

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die (obere) gegenüberliegende Halbschale. Somit wird der Kraftlinienweg von der unteren Stirnseite ζ der in Fig. 2 gezeigten ITalbsrhale zur Polflnche ·? über die beiden Luftspalte 12 und den Drehmagneten 14 zur Polflnche 8' und weiter in die zugehörige obere Stirnfläche zumindest von einem Teil der Kraftlinien eingeschlnaen.

Das System entwickelt ein Drehmoment und bewegt sich so lange, bis die Position des Stell hebeis dem Eingangsme^wert entsnrich't, wenn das Antriebssystem beispielsweise als Stellmotor in einem Servokreis verwendet wird. Für die Bewegung des Drehmagneten sind bevorzugt Anschläge vorgesehen, die eine Drehbewegung lediglich über einen bestimmten Winkelbereich, beispielsweise ■ von einer mittleren ^Dosi'
und nach links zulassen.

von einer mittleren Position ausgehend, um 30° nach rechts

In der Darstellung der Fig. 1 sind die ^ole des Drehmagneten um etwa 90° gegenüber den PoIflachen 8, 8' der Ilalbschalen versetzt angegeben, aus welcher Lage das Svstem ein Drehmoment erzeugen kann; bei einem praktischen Ausfübrungsbeispiel genügt eine Versetzung um 4 5 .

Erfolgt die Ansteuerung der Erregerspule' 3 nicht mit alternierendem Gleichstrom, um beide Drehrichtungen zu umfassen, dann kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung auch nur mit einer Polarität des sneisenden Gleichstroms erregt werden, so daß das vom Drehmagneten 14 erzeugte Drehmoment stets in die gleiche Richtung arbeitet, iedoch gegen die Wirkung einer mechanischen Feder. Bei einer solchen Ausgestaltung bleibt bei Ausfall der Hilfsenergie die Anzeiae nicht beliebig irgendwo stehen, was zu Fehldeutungen führen könnte, sondern es erfolgt durch die Feder eine Rückführung in eine definierte Ausgangsposition.

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Bei manchen Antriebsarten ist es von erheblicher Bedeutung, daß sich die Drehachse 15 bei ihrer Drehbewegung oder unter dem Einfluß sonstiger Störungen nicht auch axial verschiebt. Eine solche axiale Verschiebung kann sich besonders dann äußerst nachteilig auswirken, wenn der Stellhebel die bewegliche Platte eines im Servokreis als Abgleich eingesetzten Kouiensators trägt, denn in diesem Falle würde sich die Abstandsveränderung der Kondensatorplatton als Fehler beim Abgleich auswirken.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist daher unterhalb oder oberhalb des Drehmagneten 14 ein magnetischer Nebenschluß vorgesehen, der in Form einer ringförmigen Scheibe 22 ausgebildet ist. Die ringförmige Scheibe ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 unterhalb des Drehmagneten 14 gelagert,und sie wird, da sie aus weichem magnetischem riaterial ist, von dem Magnetfeld durchflutet, welches vom Drehmagneten 14 selbst erzeugt wird. Es kommt daher zu einer gegenseitigen Anziehung von den magnetischen Nebenschluß erzeugenden Scheibe 22 und Drehmagnet 14; da die Scheibe 22 stationär im Gehäuse 19 gelagert ist, wird die Drehachse 15 des Rotorsysteins 4 axial nach unten in Richtung auf einen v/eiteren Lagerdeckstein 23 gezogen, der die sich ergebende Axialkraft aufnimmt. Die Scheibe 22 bewirkt daher eine axiale Spielaufhebung lediglich durch Erzeugung einer magnetischen i Vorspannung auf das Rotorsystem 4, so daß komplizierte Lageranordnungen für die Drehachse 4 und deren Justierung nicht erforderlich sind.

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Claims (9)

1. Drehmomentbildendes Antriebssystem, insbesondere Stellmotor zum Zeigerantrieb, mit einer stromdurchflossenen Spule· und einem zugeordneten Permanentmagnetsystem, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im wesentlichen gleiche, aufeinanderlegbare Haibschaien (2a, 2b) mit einer mittleren öffnung

(7) vorgesehen sind, die eine toroidförmige Spule (3) aufnehmen, daß von den Halbschalen (2a, 2b) einander gegenüberliegende, Polflächen (8) bildende Vorsprünge ausgehen und daß ein in einer gegebenen Richtung magnetisierter Drehmagnet (14) zentrisch im Polflächenbereich angeordnet ist.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbschale aus einer kreisförmigen Ringfläche (5) und einer senkrecht hierzu verlaufenden Randkante (6) besteht und daß der die Polfläche (8) bildende Vorsprung vorzugsweise einstückig längs der inneren öffnung (7) ringförmig parallel zur Randkante (6) verlaufend angeordnet ist.

3. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche (8) sich über weniger als einen Halbkreis der inneren öffnung (7) erstreckt und der Polfläche gegenüberliege nc< das Material der Grundplatte (5) zum äußeren Rand zurückspringend halbmondförmig ausgeschnitten ist.

4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den bei mit ihren Randkanten (6) aufeinandergelegten Halbschalen (2a, 2b) gebildeten Hohlraun (13) die torusförmige Erregerspule (3) eingelegt ist.

5. Antriebssystem nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche (8) etwa doppelt so

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hoch wie die Randkante (6) der Halbschalen (2a, 2b) ist.

6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis ?, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen aus weich magnetischem Material bestehen.

7. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrisch innerhalb der Malbschalenöffmangen (7) an einer Drehachse (4) gelagerte Drehmagnet (14) zylindrisch ausgebildet ist und daß an der Drehachse ein Stellhebel (16) befestigt ist.

8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer auf die Drehachse (4) einwirkenden Axialkraft zur axialen Spielaufhebung ein magnetischer Nebenschluß vorgesehen ist.

9. Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Nebenschluß gebildet ist von einer unterhalb des zylindrischen Drehmagneten stationär gehaltenen, ringförmigen Scheibe (22) aus weichmagnetischem Material.

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