-
Zug-Schub-Elektromagnet Elektromagnete mit kolbenförmigem Anker werden
in der Industrie in steigendem Maße verwendet. Der Verschiedenartigkeit der Anwendungszwecke
entsprechend verlangt man hierbei sehr verschiedene Hubanzugscharakteristiken.
-
Gleichstromelektromagnete dieser Art haben den bekannten Nachteil,
daß ihre Hubkraftcharakteristik in den seltensten Fällen von vornherein den gewünschten
Verlauf besitzt. So steigt die Hubkraftcharakteristik eines Elektromagnets, der
als Zugmagnet ausgebildet ist, d. h. bei dem die Kolbenstirnfläche an dem Ankergegenstück
zum Anschlagen kommt, bei kleiner werdendem Hub sehr steil an. Bei einem als Schubmagnet
ausgebildeten Elektromagnet, bei dem der Ankerkolben in eine Ausnehmung des Ankergegenstückes,
ohne zum Anschlagen zu kommen, eintaucht, weist die Hubkraftcharakteristik dagegen
ein ausgeprägtes Maximum auf.
-
Zur Anpassung der Hubkraftcharakteristik eines Elektrokolbenmagnets
an die jeweiligen Verhältnisse hat man bereits zahlreiche Wege vorgeschlagen. In
den meisten bekannten Fällen ist man dabei von einem Elektromagnet ausgegangen,
der die charakteristischen Merkmale eines Zugmagnets .mit denen eines Schubmagnets
vereinigt. Bei einem
solchen Zug-Schub-Elelstromagnet kommt zwar
der Ankerkolben am Ende seines Hubes zum Anschlagen an das Ankergegenstück. Vor
Erreichen seiner Endstellung taucht der Anker jedoch in eine Ausnehmung des Ankergegenstückes
ein.
-
Bei einer sehr einfachen Form eines solchen Elektromagnets ist der
Anker gestuft ausgebildet. Das verjüngte Ende des Ankers taucht in eine entsprechende
Ausnehmung im Ankergegenstück ein, während der breitere Abschnitt an dem Ankergegenstück
zum Anschlagen kommt. Es handelt sich bei diesem bekannten Magneten um eine einfache
Addition der Grund-Arbeitskurven eines reinen Zug- und eines reinen Schubmagnets.
Eine Veränderung der resultierenden Arbeitskurve ist lediglich im Rahmen einer gegenseitigen
Verschiebung der beiden Grundkurven erreichbar. Die hierdurch gegebene Möglichkeit
einer Anpassung der Arbeitskurve an die jeweiligen Arbeitsbedingungen reicht jedoch
in den meisten Fällen nicht aus.
-
In weiterer Ausbildung dieser einfachen Grundform der Kombination
eines Zug- und eines Schubmagnets ist es weiterhin bekannt, eine mehrfache Abstufung
sowohl des Ankerkolbens als auch der Ausnehmung des Ankergegenstückes zu wählen,
wobei eine Änderung des Verlaufs der Arbeitskurve durch die Wahl des Verhältnisses
der Schubkomponente zu der Zugkomponente, d. h. der axialen Länge zu der radialen
Breite der Stufen, erhalten werden kann. Die konsequente Weiterführung dieses bekannten
Aufteilens der den Arbeitsluftspalt begrenzenden Flächen in einzelne Stufen ist
ein Zug-Schub-Magnet, bei dem sich Anker und Ankergegenstück mit im wesentlich parallelen
konischen Flächen gegenüberstehen. Es ist auch bereits bekannt, Abschrägungeri an
den Enden der Führungshülsen des Ankers bzw. konische Ausdrehungen der Stirnseite
des Ankers vorzusehen. Diese dienen bei den bekannten Elektromagneten in erster
Linie dazu, den Kraftfluß an den Übergangsstellen zwischen den relativ zueinander
beweglichen Magnetteilen zu konzentrieren.
-
Weiterhin gibt es Zwischenlösungen, bei denen die stufenförmige Ausbildung
mit der konischen Ausbildung der sich gegenüberliegenden Flächen von Anker und Ankergegenstück
kombiniert ist. Durch die Wahl der Größe des Kegelwinkels hat man es in der Hand,
die Abhängigkeit der Größe des Luftspaltes und damit die Abhängigkeit des Widerstandes,
den der Luftspalt dem Magnetfluß entgegensetzt, von der jeweiligen Stellung des
Ankers zu beeinflussen und so die Arbeitskurve des Hubmagnets den Arbeitsbedingungen
anzupassen.
-
Alle diese Kombinationen von Zug-Schub-Elektromagneten haben gemeinsam,
daß die gewünschte Anpassung der Hubkraftcharakteristik an die jeweiligen Betriebsbedingungen
dadurch erreicht wird, daß der die Schubkomponente bestimmende Magnetfluß durch
Änderungen der Größe des quer zur Hubbewegung des Ankers gemessenen Luftspaltes
(Ouerluftspalt) über den Ankerweg geändert wird. Weitere Abwandlungen dieses bekannten
Prinzips bestehen darin, daß man in einem Fall den Ankerkolben in zwei relativ zueinander
bewegliche Teile zerlegt, die nacheinander zur Wirkung kommen, und im anderen Fall
der Mantelfläche eines in der Grundform zylindrischen, in eine zylindrische Ausnehmung
des Ankergegenstückes eintauchenden Teiles des Ankers eine von der Zvlinderform
abweichende Kurvengestalt gibt. Auch hierbei ändert sich während des Ankerhubes
der Querluftspalt, wodurch eine Beeinflussung des Verlaufs der Hubkraftcharakteristik
erreicht wird.
-
Diesen bekannten Lösungen zur Anpassung der Hubkraftcharakteristik
an die jeweiligen Betriebsverhältnisse haftet gemeinsam der Nachteil an, daß zur
Anpassung jeweils die den Luftspalt begrenzenden Flächen, und zwar in der Regel
sowohl die des Ankers als auch die des Ankergegenstückes, geändert werden müssen.
Da die Permeabilität des Luftspaltes gegenüber der der Eisenteile gering ist, müssen
die Flächen erheblich geändert werden, um überhaupt einen merklichen Einfluß auf
den Verlauf der Hubkraftcharakteristik zu erhalten. Dadurch werden aber im allgemeinen
auch die Hubkräfte gerade im Anfangsbereich des Hubweges merklich verringert. Abgesehen
von den Schwierigkeiten, durch die Veränderung der den Luftspalt begrenzenden Flächen
eine genaue Anpassung der Hubkraftcharakteristik an die jeweiligen Verhältnisse
zu erzielen, besteht ein weiterer Nachteil darin, daß - insbesondere bei den konisch
ausgebildeten Begrenzungsflächen - für jeden neuen Verwendungszweck sowohl Anker
als auch Ankergegenstück entsprechend auszutauschen sind, was die Fertigung der
Magnete wesentlich erschwert und verteuert.
-
Um wenigstens teilweise diese Nachteile zu vermeiden, ist man auch
bereits einen ganz anderen Weg zur Anpassung der Hubkraftcharakteristik eines Elektromagnets
mit Ankerkolben gegangen. Der gemeinsame Gedanke, der durchweg allen Maßnahmen zur
Beeinflussung ' der Hubkraftcharakteristik zugrunde liegt, besteht offenbar darin,
wenigstens einen Teil des Magnetflusses im Magnetkreis in Abhängigkeit von der jeweiligen
Ankerstellung zu drosseln. Während nun bei den obengenannten bekannten Magneten
diese Drosselung ausnahmslos im Luftspalt vorgenommen wurde, besteht dieser andere
bekannte Weg darin, die Drosselung im Eisenweg des Magnetflusses vorzunehmen.
-
Eine solche Möglichkeit zur Drosselung des Magnetflusses lediglich
im Eisen des Ankers ist durch einen Elektromagnet bekanntgeworden, der als reiner
Schubmagnet ausgebildet ist, d. h. bei dem der zylindrische Anker in eine zylindrische
Ausnehmung des Ankergegenstückes eintaucht, ohne an dem Ankergegenstück zum Anschlagen
zu kommen. Das vordere, in das Ankergegenstück eintauchende Ende des Ankerkolbens
besitzt Hülsenform und läuft in einen Zahn- oder Zackenkranz aus. Durch entsprechende
Veränderung der Neigung bzw. Form der Zahnflanken kann der
Magnetflul,i
zum Anker gedrosselt und damit die Hubkraftcharakteristik entsprechend eingestellt
werden. Diese Änderung erfolgt an sich ohne Beeinflussung der Größe des nuerluftspaltes,
der über dem gesamten Hubweg sehr klein und konstant ist. Diese bekannte Anordnung
hat gegenüber den zuvor beschriebenen Lösungen den Vorteil, daß wegen der hohen
Permeabilität des Eisens bereits geringe Veränderungen der Zahnform einen merklichen
Einfluß auf den Verlauf der Hubkraftcharakteristik besitzen. Außerdem bleibt der
Luftspalt und ein Teil der beiden zusammenwirkenden Magnetkreisteile unverändert.
-
Diese bekannte Anordnung weist aber andere merkliche Nachteile auf.
So ist die Herstellung der Zähne relativ schwierig. Die Zähne müssen ihrer Form
nach sehr genau übereinstimmen, da sich schon bei geringen Abweichungen starke einseitige
Radialkräfte ausbilden, die den leichten Lauf des Ankers in seiner Führung beeinträchtigen.
Wegen dieser großen Empfindlichkeit gegen Asymmetrie ist es auch außerordentlich
schwierig, zur Änderung der Hubkraftcharakteristik notwendig werdende geringfügige
Änderungen des Eisenquerschnittes gleichmäßig auf alle Zähne zu verteilen. Außerdem
besitzt jeder Zahn ein relativ starkes Streufeld, welches durch die Zahnlücken hindurch
auf das Ankergegenstück übergreift. Mit jeder Zahnformänderung ändert sich auch
die Stärke des Streufeldes, so daß die Verhältnisse nur schwer zu übersehen sind
und eine genaue Einstellung erschwert ist.
-
Bei einem anderen bekannten Magnet ist die Stirnfläche des hülsenförmigen
Ankers kurvenförmig ausgebildet, so daß dieser Anker statt eines Zahnkranzes praktisch
nur einen sich über einen Teil des Stirnendes erstreckenden zahnförmigen Vorsprung
aufweist. Hier treten die oben geschilderten Nachteile noch in viel stärkerem Maße
in Erscheinung.
-
Ein nicht vorveröffentlichter, älterer Vorschlag befaßt sich ebenfalls
bereits mit Maßnahmen zur Beeinflussung der Hubkraftcharakteristik bei Elektromagneten
in Topfform mit einem Ankergegenstück, das einen Hohlraum aufweist. Nach diesem
älteren Vorschlag ist bei einem Topfmagnet mit konischer Ausbildung von Anker und
Polstirnfläche innerhalb des konischen Teils des hohlkonischen Ankers ein axialer
Ankervorsprung vorgesehen, der in einen entsprechenden Hohlraum des Gegenpols einläuft.
Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß der den Hohlraum umgebende'Teil des
Ankergegenstückes einen in Hubrichtung zunehmenden, der gewünschten Anzugscharakteristik
angepaßten Querschnitt aufweist und daß die den Hohlraum begrenzende Innenfläche
des den Hohlraum umgebenden Teils des Ankergegenstückes wesentlich steiler verläuft
als die nach außen geneigte Außenfläche dieses Teiles des Ankergegenstückes.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenmagnet zu schaffen, bei
dem die Drosselung des Magnetflusses ausschließlich im Eisen vorgenommen wird, bei
dem aber die bei den bekannten Lösungen dieser Art auftretenden Nachteile vermieden
sind.
-
Die Erfindung geht von einem Zug-Schub-Elektromagnet aus, dessen zylindrisch
geformter Anker unter Bildung eines in seiner Breite stets gleichbleibenden hohlzylinderförmigen
Luftspaltes in eine zylindrische Ausnehmung des Ankergegenstückes eintaucht und
dessen Hubkraft in der jeweiligen Ankerstellung durch den in dieser Stellung wirksamen,
entsprechend der gewünschten Hubkraftcharakteristik gewählten Eisenquerschnitt eines
der diesen hohlzylinderförmigen Luftspalt begrenzenden Teile bestimmt wird. Der
neue Kolbenmagnet gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der die Hubkraft
in der jeweiligen Stellung des Ankers bestimmende Eisenquerschnitt durch die jeweilige,
durch entsprechende Wahl der Gestalt der Erzeugenden ihrer Außenfläche festgelegte
Stärke der die zylindrische Ausnehmung begrenzenden Wand des Ankergegenstückes gegeben
ist.
-
Diese Maßnahme hat zunächst den rein konstruktiven Vorteil, daß Anker
und Ankergegenstück zylindrisch ausgebildet sein können und damit auf sehr einfache
Weise herzustellen sind. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß
die vom Anker in das Ankergegenstück übertretenden Streufeldlinien nicht durch die
Veränderung der Außenform des hülsenförmigen Abschnittes beeinflußt werden, oder
umgekehrt, daß diese Streufeldlinien die genaue Einstellung der Hubkraftcharakteristik
mittels der besonderen Gestalt der die äußere Form des Abschnittes bestimmenden
Erzeugenden nicht beeinflussen. Vor allem aber - und darin liegt die Überlegenheit
der neuen Anordnung gegenüber allen bisher bekannten Magneten - ist durch die Steuerung
des Eisenquerschnittes durch die Veränderung der Gestalt der äußeren Erzeugenden
eine bisher nicht zu überbietende Genauigkeit für die Festlegung der Hubkraftcharakteristik
gegeben, da bei dem Rotationskörper auch feinste Änderungen der Umrißform vorgenommen
werden können. Durch die Einfachheit und Genauigkeit kommt die Steuerung gemäß der
Erfindung den Bedürfnissen der Praxis in besonders vorteilhafter Weise entgegen.
-
Magnete nach der Erfindung können in Serienfabrikation hergestellt
und auf Lager gehalten werden, und es kann dann durch eine geringfügige Nachbearbeitung
oder sonstige Abänderung der Außenfläche des den Luftspalt umgebenden Teils die
Anzugscharakteristik des einzelnen Magnets ohne jede Schwierigkeit den besonderen
Wünschen des Käufers angepaßt werden, ohne daß die sonstigen Bauteile des Magnets
oder deren Zuordnung zueinander verändert werden müßten.
-
Vorzugsweise ist ein den Anker bis in geringem Abstand vom Ankergegenstück
eng umschließender Rohransatz am Magnetgehäuse vorgesehen, wie dies zur guten Führung
des Ankers an sich bei solchen Elektromagneten bekannt ist. Hierdurch wird vor allem
aber der Übergangswiderstand für den
Übertritt des Magnetflusses
vom Gehäuse auf den Anker so klein wie möglich gemacht, so daß die Regelwirkung
der Maßnahme gemäß der Erfindung besonders gut zur Geltung kommt.
-
Im folgenden wird die Erfindung an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
-
Fig. i veranschaulicht schematisch den Aufbau des Magnets; Fig. 2
zeigt die zugehörige Hubkraftcharakteristik und den Durchflußeisenquerschnitt in
Abhängigkeit vom Hubweg.
-
Fig. i veranschaulicht einen Elektrokolbenmagnet in Topfform mit einem
zylindrischen Anker .4 und einem Ankergegenstück i, welches einen ebenfalls zylindrischen
Hohlraum aufweist. Die Magnetspule 2 wird teils von dem Ankergegenstück i, teils
von einem Gehäuseteil 3 umschlossen. Die Kolbenzugstange 5 besteht aus nichtmagnetischem
Material.
-
Das gezeigte Ausführungsbeispiel stellt einen Magnet für eine Hubhöhe
von etwa io mm dar. Der den Hohlraum umgebende Teil 6 des Ankergegenstückes besitzt
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen kegelförmigen Querschnitt mit senkrecht
verlaufender Innen- und geneigter Außenfläche. Er läuft in einer schmalen ringförmigen
Kante aus. Dem Teil 6 gegenüber steht das hochgezogene hohlzylindrische Stück 7
des Gehäuseteils 3, welches den Anker 4 eng umschließt. Mit d ist in Fig. i die
in der Hubendstellung des Ankers maßgebliche Querschnittsbreite am Fuß des Teils
6 bezeichnet.
-
Die Abmessungen sind so getroffen, daß bei Hubbeginn die vordere Fläche
des Ankers 4 bereits unmittelbar vor dem Hohlraum steht, so daß bereits am Anfang
des Hubweges ein Eisenschluß an der Spitze des Teiles 6 herbeigeführt wird, wodurch
das Auftreten von Streufeldern vermieden wird. Zwischen dem Anker 4 und dem Teil
6 besteht lediglich ein Luftspalt von wenigen zehntel Millimetern, der vorhanden
sein muß, um einen leichten Laufsitz zwischen den Teilen 4 und 6 zu gewährleisten.
Auch die Tatsache, daß der Anker 4 von dem hohlzylindrischen Stück 7 umschlossen
ist, trägt zur Verminderung der magnetischen Streuung bei.
-
Zur Erläuterung des Hubvorganges wird auf das Diagramm gemäß Fig.2
verwiesen, bei dem waagerecht der Hubweg in Millimeter, senkrecht mit Bezug auf
die Kurve i die Hubkraft in Kilogramm und mit Bezug auf die Kurve 2 der Eisendurchflußquerschnitt
in Quadratzentimetern aufgetragen ist. Dieser Querschnitt ist senkrecht zur Zeichenebene
durch das konische Stück 6 gebildet und stellt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine mit dem Hub stetig wachsende Ringfläche dar. Kurve i veranschaulicht die Hubkraftcharakteristik
für den Magnet nach Fig. i. Sie zeigt, daß es möglich ist, über die Gesamthubhöhe
eine etwa gleichbleibende Kraft zu erzeugen. Eine derartige Hubkraftcharakteristik
war bei den bisher üblichen Konusmagneten nicht erreichbar. Genaue Untersuchungen
haben übrigens ergeben, daß, falls eine vollkommen horizontale Hubkraftcharakteristik
gewünscht wird, nicht ein geradliniger, sondern ein etwas gekrümmter Verlauf der
konischen Begrenzungsfläche von Teil 6 des Ankergegenstückes i vorzusehen ist.
-
. Es können im Rahmen der Erfindung jedoch auch andere gewünschte
Hubkraftcharakteristiken verwirklicht werden. Die leichte Anpaßbarkeit des Elektromagnets
an die jeweils gewünschte Charakteristik durch entsprechende Gestaltung der Außenfläche
von Teil 6 ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.
-
Kurve 2, in der der Eisendurchflußquerschnitt in Abhängigkeit vom
Hubweg aufgetragen ist, veranschaulicht den Fall, daß am Anfang des Hubweges bereits
ein geringfügiger Eisenschluß vorhanden ist, der verhindert, daß ein erhebliches
Streufeld sich im Magnet ausbilden kann, das für die Hubkraft im eigentlichen Sinn
verloren ist. Sobald der Magnet einen geringen Hubweg durchlaufen hat, stellt Teil
6 des Ankergegenstückes i einen bestimmten Eisenquerschnitt für den Durchfluß der
Kraftlinien zur Verfügung. Je nach der Größe des Winkels an der Spitze des Teils
6 bemißt sich das Wachsen des Eisenquerschnitts in Abhängigkeit vom Hubweg und damit
von Millimeter zu Millimeter Hubweg jeweils die Zugkraft des Magnets. Man hat ein
Maß für die Zugkraft in der Steigung der Kurve 2, die in Fig. 2 an zwei Stellen
durch die Winkel a und b veranschaulicht ist.