EP0127692A1

EP0127692A1 - Elektromagnetischer Stösselantrieb

Info

Publication number: EP0127692A1
Application number: EP83105444A
Authority: EP
Inventors: Armin Dipl.-Phys. Bohg; Kurt Hartmann; Horst Dipl.-Ing. Matthaei
Original assignee: IBM Deutschland GmbH; International Business Machines Corp
Current assignee: IBM Deutschland GmbH; International Business Machines Corp
Priority date: 1983-06-01
Filing date: 1983-06-01
Publication date: 1984-12-12
Also published as: US4527139A; DE3376912D1; EP0127692B1; JPS6037107A; CA1200831A

Abstract

Elektromagnetischer Stößelantrieb insbesondere für Anschlagdrucker bestehend aus mindestens einem Paar im wesentlichen symmetrisch auf gebauter magnetisierbarer Jochschenkel aufweisende Jochhälften, wobei die einander zugewandten Polenden der Jochschenkel fluchtende Arbeitsspalte bilden, und aus einem zwischen den Arbeitsspalten in Richtung ihrer Fluchtlinie verschiebbaren zungenförmigen Stößel. Der Stößel weist Ankerstege aus magnetisierbarem Material auf, von denen jeder einem Arbeitsspalt zugeordnet ist. Das Volumen der Ankerstege liegt jeweils in der Größenordnung des Arbeitsspaltvolumens. Die Ankerstege befinden sich in der Ausgangslage des Stößels in nicht erregtem Zustand des Elektromagneten vor den Arbeitsspalten und werden bei Erregung des Elektromagneten in die Arbeitsspalte hineingezogen. Die Erregerspule des Elektromagneten wird auf mindestens einen Jochschenkel derart aufgesteckt, daß ein wesentlicher Teil ihrer Windungen zwischen jeweils zwei benachbarten Jochschenkeln verläuft. Innerhalb und/oder außerhalb der Erregerspule (218, 104) verlaufen mehrere jeweils benachbarte Jochschenkel (202-3, 202-4, 202-5, 202-6, 202-1, 202-2, 202-7, 202-8, 100-2, 102-1) der gleichen Jochhälfte (202) oder benachbarter Jochhälften (100, 102). (Eine solche Anordnung kann man sich durch Aufspaltung von Jochschenkeln entstanden denken.) Bei gleichbleibenden äußeren Abmessungen der Jochhälften ergibt sich eine Erhöhung der Kraftwirkung auf den Stößel bzw. ist für eine gleichbleibende Kraftwirkung eine Reduktion der Bauhöhe des Stößels möglich. Vorzugsweise Verwendung des Stößelantriebes bei Anschlagdruckern und Ventilbetätigungen.

Description

Ein derartiger elektromagnetischer Stößelantrieb ist in der deutschen Patentanmeldung 31 14 834.4 (GE 980 048) beschrieben worden.
Das Prinzip des elektromagnetischen Antriebs, welches auch dem hier vorliegenden Anmeldungsgegenstand zugrundeliegt, ist in der deutschen Patentanmeldung 29 26 276.8 (GE 979 026) beschrieben.
Die in der deutschen Patentanmeldung 31 14 834.4 beschriebene Ausführungsform des elektromagnetischen Stößelantriebes ist durch Jochhälften E-förmigen Querschnitts gekennzeichnet, wobei die Windungen der die Jochhälften erregenden Spulen im wesentlichen zwischen den E-Schenkeln verlaufen. Die Spulen sind als Flachspulen ausgeführt, die jeweils auf den mittleren E-Schenkel einer Jochhälfte aufgesteckt werden können.
Die Polenden der Jochschenkel und die Ankerstege im Stößel quer zu seiner Antriebsrichtung mußten bisher eine bestimmte Abmessung (z.B. 10 mm) aufweisen, damit bei Anschlagdruckern die zum Drucken erforderliche Energie bereitgestellt werden konnte.
Es ist Aufgabe der Erfindung, aus Gewichts- und Platzgründen, diese Abmessung zu verringern.
Diese Aufgabe der Erfindung wird in vorteilhafter Weise durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den _Un-teransprüchen zu entnehmen.
Ausführungsform der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Explosionszeichnung einer Druckstößeleinheit mit zwei Paaren jeweils gegenüberliegender Jochhälften, wobei jede Jochhälfte einen U-förmigen Querschnitt aufweist, die Erregerspule als Flachspule ausgeführt und jeweils zwei benachbarten Jochhälften gemeinsam ist.
Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Explosionszeichnung einer Druckstößeleinheit mit einem Joch hälftenpaar, wobei jede Jochhälfte einen kammartigen Querschnitt mit acht Jochschenkeln aufweist und die Erregerspule derart auf eine Jochhälfte aufsteckbar ist, daß sie vier Jochschenkel umschließt und zwischen den beiden jeweils äußeren benachbarten Jochschenkeln keine Windungen verlaufen.
Fig. 3 eine perspektivische vereinfachte Darstellung zum Prinzip des Druckstößelantriebes gemäß der deutschen Patentanmeldung 29 26 276.8 (GE 979 026).
Fig. 4 eine Explosionszeichnung einer Druckstößeleinheit mit zugehörigen elektromagnetischen Antriebseinheiten gemäß der deutschen Patentanmeldung (GE 980 048).
Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch die Stegstruktur entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 4.
Fig. 6 einen zungenförmigen Stößel mit einer anderen Ausführungsform der magnetischen Stege als in Fig. 4 und Fig. 5.
Fig. 7 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares dreischenkliger Jochhälften mit einem drei Ankerstege umfassenden Stößel,
Fig. 8 eine auszugsweise Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch eine Magnetjochstruktur gemäß Fig. 7,
Fig. 9 eine auszugsweise Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch ein Paar dreischenkliger Jochhälften, wobei der mittlere Schenkel zu seiner Polfläche hin verjüngt ist,
Fig. 10 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares vierschenkliger Jochhälften mit einem vier Ankerstege umfassenden Stößel,
Fig. 11 eine auszugsweise Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch eine Magnetjochstruktur gemäß Fig. 10,
Fig. 12 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares vierschenkliger Jochhälften mit einem verkürzten, drei Ankerstege umfassenden Stößel und-mit einem durch ein Weicheisenstück überbrückten magnetischen Arbeitsspalt,
Fig. 13 eine auszugsweise Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch eine Magnetjochstruktur gemäß Fig. 12,
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines um einen Drehpunkt schwenkbaren Druckhammers mit drei Ankerstegen zur Zusammenarbeit mit einer Elektromagneteinheit gemäß Fig. 12.

In Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines elektromagnetischen Druckstößelantriebes gemäß der deutschen Patentanmeldung P 29 26 276.8 gezeigt. Zwischen zwei fest angeordneten Statorhälften 25, 22 ist eine in Richtung des Pfeiles D bewegliche Zuge 28 angeordnet. Die Statorhälften 25 und 22 bestehen jeweils aus einem magnetisierbaren Joch 27 bzw. 24, welches von Spulenwindungen 26 bzw. 23 umfaßt ist. Die Statorjoche können z.B. halbkreisförmig, halbellipsenförmig oder auch u-förmig ausgebildet sein. Die Statorjoche 27, 24 in den beiden Statorhälften 25 und 22 sind derart ausgerichtet, daß die jeweils gegenüberliegenden Jochenden fluchten. Bei Erregung der Spulen 26 und 23 verläuft der magnetische Fluß von einem Joch über einen Arbeitsspalt, in welchem ein Ankersteg 20 angeordent ist, zum Joch der anderen Statorhälfte und von dort aus über einen weiteren Arbeitsspalt zu erstgenannten Joch zurück, so daß der magnetische Kreis aus den beiden Statorjochen und den zwischen den Enden der Statorjoche befindlichen zwei Arbeitsspalten besteht.
Im folgenden soll aus Vereinfachungsgründen bei den einander gegenüberliegenden Statorhälften von eineml Statorpaar (anstelle eines^-Statorhälftenpaares) gesprochen werden.
Der Stromfluß in den Erregerspulen 26 und 23 erfolgt derart, daß die Stromrichtung in den Windungen innerhalb der beiden einander gegenüberliegenden Statorjoche die gleichen und entgegengesetzt zu derjenigen in den Windungen außerhalb der Statorjoche ist. In Fig. 3 sind im vorderen Teil der Darstellung di Windungen schematisch durch einige Drahtschleifen angedeutet, während im hinteren Teil eine entsprechende Schnittdarstellung der Drähte gewählt wurde. Die zwischen den Statorhälften 25 und 22 in Pfeilrichtung D beweglich angeordnete Zunge 28 ist in Richtung des Arbeitsspaltes ungleich kleiner ausgedehnt als in ihren anderen beiden Dimensionen. Der Körper der Zunge 28 besteht aus einem leichten, magnetisch nicht leitenden Material 19 und magnetisch leitenden, sog. Ankerstegen 20 und 21. Diese Ankerstege sind in der Zunge 28 so angeordnet, daß sie bei Erregung der Statorhälften aus einer Ruhe-Ausgangs-Lage in den zwischen den Statorjochen gebildeten Raum hineingezogen und dabei beschleunigt werden. Danach kann die Zunge einer weiteren Bewegung in Pfeilrichtung D folgen. Die Ausbildung der Ankerstege 20 und 21 ist im wesentlichen so gewählt, daß sie mit ihrem Volumen den zwischen den Enden gegenüberliegender Statorjoche umschriebenen Raum in etwa ausfüllen würden.
Die durch die Zunge zurückgelegte Wegstrecke von der Ausgangsstellung bis zur Stellung nach Abschluß der Beschleunigungsphase (wenn sich der Ankersteg im Arbeitsspalt befindet) wird als Beschleunigungshub bezeichnet; die Summe aus Beschleunigungshub und der danachfolgenden weiteren Auslenkung der Zunge in Richtung des Pfeiles D als Arbeitshub. Diese Größe ist von konstruktiven Randbedingungen abhängig sowie von den zur Lagerung der Zunge bzw. zur Rückführung der Zunge in seine Ausgangsstellung vorgesehenen Mitteln. Als solche Mittel können an sich bekannte Rückstellfedern (nicht dargestellt) verwendet werden: z.B. zwei Blattfedern, wie in der DAS 12 37 816 beschrieben: eine Feder im Zusammenwirken mit einer Gleitlagerung der Zunge oder eine Rückholfeder im Zusammenwirken mit einer schwenkbar um eine Achse bewegbaren Zunge. Auch eine elektromagnetisch oder permanentmagnetisch bedingte Rückführung ist möglich.
Aus der Darstellung in Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Spulenwindungen um die Basis der U-förmigen Jochhälften verlaufen. Mit anderen Worten, die Windungen sind innerhalb und außerhalb des Jochpaares angeordnet. Der Aufwand zur Anbringung solcher Wicklungen sowie der damit verbundene Raumbedarf sind relativ hoch. Zur Vermeidung dieser Nachteile macht deshalb der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung insbesondere von einer erfindungsgemäßen Ausbildung der Jochhälften im Zusammenhang mit der Anbringung der Wicklungen Gebrauch.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß wie in der deutschen Patentanmeldung 30 18 407.7 (GE 980 014) erwähnt, die U-förmigen Jochhälften auch hintereinander angeordnet sein können, wobei jedoch die Erregerwicklung auch dort wiederum nur deren Basis umfaßt.
In Fig. 4 ist eine Explosionszeichnung einer Druckstößeleinheit mit zugehörigen elektromagnetischen Antriebseinheiten dargestellt.
Der zungenförmige Stößel 5, dessen Grundkörper aus Kunststoff besteht, ist an verschiedenen Stellen aus Gewichtsgründen mit Bohrungen 31 versehen. Die für die Wirksamkeit des elektromagnetischen Antriebes erforderlichen Weicheisenstege sind mit 60, 61 und 62 dargestellt. Die elektromagnetischen Antriebseinheiten 2-1-2 und 2-1-3, die beidseits des Rahmens 2-1 in einander ausgerichteter Form befestigt sind, enthalten jeweils ein Magnetjoch 41 (51) und eine zugehörige Erregerspule 45 (55). Die Die Magnetjochspulenkombinationen sind mit 40 und 50 gekennzeichnet. Jede dieser Kombination wird von einem Gehäuse 140, 150 aufgenommen mit einem entsprechenden Steckeranschluß 141, 151 mit den Kontakten 142, 152 für die Erregerspulen 45 und 55. Diese Gehäuse sind mittels nicht dargestellter Schrauben oder anderer geeigneter Befestigungslöcher sind im Gehäuse 150 mit 32-1 und 33-1 und im Rahmen 2-1 mit 32 und 33 bezeichnet. Die aus Ubersichtsgründen nicht dargestellten Befestigungselemente sorgen für eine exakte Positionierung der elektromagnetischen Antriebseinheiten, insbesondere der Arbeitsspalte in Bezug auf die Weicheisenstege 6, 19, 20 in dem zungenförmigen Stößel 5. Wie in Zusammenhang mit der Patentanmeldung P 29 26 276.8 erwähnt, muß ein magnetisierbarer Steg im nicht erregten Zustand der Elektromagnete vor einem Arbeitsspalt stehen.
Im vorliegenden Fall haben die Magnetjoche 41 und 51 einen E-förmigen Querschnitt. Die gegenüberliegenden E-förmigen Magnetjoche 51 und 41 sind so aufeinander ausgerichtet, daß durch ihre Schenkelenden 52, 53, 54 und 42, 43, 44 insgesamt 3 Arbeitsspalte gebildet werden: Der erste Arbeitsspalt liegt zwischen den Schenkelenden 52 und 42, der zweite zwischen den Schenkelenden 53 und 43 und der dritte zwischen den Schenkelenden 54 und 44. Jedem dieser Arbeitsspalte ist einer der drei magnetisierbaren Stege 62, 61 und 60 zugeordnet. Die Erregerwicklung für jedes Magnetjoch verläuft, wie in Fig. 4 dargestellt, um den mittleren E-Schenkel so, daß die Erregerspule separat als flache Aufsteckspule für den mittleren E-Schenkel gefertigt werden kann, wobei die parallel verlaufenden Wicklungsstränge in die durch die E-Schenkel gebildeten Zwischenräume passen müssen. Diese spezielle Ausgestaltung der Magnetjoch-Erregerspulen ist äußerst kostengünstig und raumsparend. Die Spulenausdehnung reicht nicht in Richtung senkrecht zur Stößelebene über das Magnetjoch hinaus. Dieser Umstand ist besonders für eine hohe Packungsdichte bei geringer magnetischer Wechselwirkung der Druckstößeleinheiten in Bänken beachtenswert. Außerdem läßt die Flachspule und das E-förmige Magnetjoch eine einfache und kostengünstige Herstellung der Einzelteile und ein problemloses Zusammensetzen beider Teile zu. Die Magnetjochspulenkombination 50 wird in eine entsprechende Aussparung 34 des Gehäuses 150 eingefügt und dort mit dem Gehäuse aus Kunststoff vergossen. Analoges gilt für die Magnetjochspulenkombination 40 und das Gehäuse 140. Es sei an dieser Stelle ausdrücklich betont, daß für eine exakte Arbeitsweise des Druckstößelantriebes insbesondere eine möglichst toleranzfreie Zuordnung der Weicheisenstege im Druckstößel 5 zu den entsprechenden.Arbeitsspalten der Elektromagnete erfolgen soll. Hierdurch ergeben sich auch Forderungen für ein möglichst problemloses Einfügen der magnetisierbaren Stege in den Kunststoffgrundkörper des Stößels 5.
Es kann grundsätzlich davon ausgegangen werden, daß sich diese Stege relativ einfach in den Kunststoffkörper einfügen und mit ihm vergießen lassen. Problematischer hingegen ist im wesentlichen eine exakte Anordnung der Stege zueinander. Aus diesem Grunde sollen die Stege nicht einzeln in den Stößel eingefügt werden, sondern als ein zusammenhängendes gemeinsames Teil. Für die Struktur eines solchen Teiles gibt es verschiedene Alternativen, wie z. B. in den Fign. 5 und 6 dargestellt.
In Fig. 5 ist eine Struktur gezeigt, bei der die magnetisierbaren Stege 60, 61 und 62 durchgehend mit gleichem magnetisierbarem Material dünnnerer Stärke verbunden sind. So hängen die Stege 60 und 61 über die Verbindung 63 und die Stege 61 und 62 über die Verbindung 64 zusammen. Solche Verbindungen 63, 64 zwischen den Stegen sind für eine optimale Wirkungsweise des Antriebs unerwünscht. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei entsprechend dünner Stärke dieser Verbindungen deren nachteiliger Einfluß auf den Wirkungsgrad nur gering ist und daß dieser Einfluß praktisch gesehen ohne weiteres in Kauf genommen werden kann. Dadurch ist es möglich, die Stegstruktur als zusammenhängendes Teil herzustellen und eine einfache Einbettung dieses Teiles in den zungenförmigen Stößel 5 zu bewirken. Hierbei hat man nur die maßgerechte Einpassung dieses einen Teiles in den Stößel 5 zu berücksichtigen (und nicht die dreier Einzelstege). Nach dem Einfügen dieses Teiles in eine entsprechende Aussparung des Stößels erfolgt ein Vergießen mit Kunststoff, wobei auch die bisher leeren Aussparungen (64, 65) des Teiles bis zur Stößelebene mit Kunststoff ausgegossen werden.
In Fig. 6 ist eine andere Stegstruktur gezeigt. Der Stößel selbst ist mit 70, der Stößelkopf wieder mit 5-1 bezeichnet. Die Löcher zur Aufnahme der nicht dargestellten Zugfedern (S. Fig. 4) haben das Bezugszeichen 6 und jene materialeinsparenden Bohrungen haben wie auch in Fig. 4 das Bezugszeichen 31.
Die Stegstruktur 71 selbst hat die Form eines längs- und quergeteilten rechteckigen Rahmens mit vier öffnungen 72. Die für den Stößelantrieb wesentlichen Rahmenteile sind die Stege 73, 74 und 75. Die Stege 73 und 74 sind durch die dazu querliegenden Rahmenteile 76, 77 und 78 aus gleichem Material wie das Stegmaterial verbunden; ebenso sind die Stege 74 und 75 durch die dazu querliegenden Rahmenteile (gleichen Materials) 79, 80 und 81 verbunden. Die querliegenden Rahmenteile sind schmaler und dünnner als die Stege selbst - die Rahmenöffnungen werden bis zur Stößelebene mit Kunststoff vergossen.
Die Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung des in der deutschen Patentanmeldung P 31 14 834.4 beschriebenen elektromagnetischen Stößelantriebs dar. Beim Einsatz eines solchenStößelantriebes in Druckern kommt es insbesondere darauf an, zur Erzielung einer hohen Druckleistung den Druckstößel 28 (Fig. 3) bzw. 5 (Fig. 4) möglichst leicht zu machen. Das Gewicht dieses Stößels wird im wesentlichen von dem Gewicht der Ankerstege 21, 30 (Fig. 3) bzw. 60, 61, 62 (Fig. 4) und des Grundkörpers, in dem diese Ankerstege eingebettet sind, bestimmt. Eine Verkleinerung der Bauhöhe dieses Stößels würde eine geringere Masse des gesamten Druckstößels bedingen, was der Forderung nach einer Erhöhung der Druckleistung entgegen käme. Eine Verkleinerung der Bauhöhe bedeutet jedoch auch eine Verringerung der Ankersteglänge. Dadurch würde die magnetische Kraftwirkung auf die Ankerstege reduziert werden, was wiederum eine Reduzierung der Druckleistung nach sich ziehen würde.
Aus diesem Grunde soll ein Möglichkeit vorgesehen werden, bei gleicher Erregerspule (mti gleichbleibender Amperewindungszahl) die Reduzierung der Kraftwirkung auf den Stößel bei verkürzter Ankersteglänge zu verhindern bzw. eien erhöhte Kraftwirkung zu gewährleisten, um eine Steigerung der Druckleistung zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Anordnung kann man sich z.B. dadurch entstanden denken, daß der mittlere Schenkel 53 bzw. 43 des E-förmigen Magnetjoches 51 bzw. 41 (Fig. 4) in zwei benachbarte Jochschenkeln 100-2, 102-1 (Fig. 1) aufgespalten wird, wobei eine gemeinsame Basis für alle Schenkel beibehalten wird (oder auch nicht).
Im letzteren Falle wäre es möglich_"gemäß Fig. 1 aus zwei Paaren einander benachbarter U-förmiger Jochhälften vorzusehen. Die Jochhälften der Jochhälftenpaare sind mit 100, 101 bzw. 102, 103 gekennzeichnet. Die Jochschenkel der Jochhälfte 100 sind mit 100-1 und 100-2 gekennzeichnet; entsprechendes gilt für die Jcohschenkel 101-1 und 101-2 der Jochhälfte 101, für die Jochschenkel 102-1 und 102-2 der Jochhälfte 102 und für die Jochschenkel 103-1 bzw. 103-2 der Jochhälfte 103. Die Jochhälften 100 und 1.02 sind einander benachbart, ebenso die Jochhälften 101 und 103. Beiden benachbarten Jochhälften 100 und 102 bzw. 101 und 103 ist eine gemeinsame Erregerspule 104 bzw. 105 zugeordnet. Diese als Flachspule ausgeführte Erregerspule 104 wird derart auf die beiden benachbarten Jochhälften 100 und 102 aufgesteckt, daß durch ihr Inneres die Jochschenkel 100-2 und 102-1 verlaufen. Die Windungen der Erregerspule 104, verlaufen zwischen den beiden Jochschenkeln 100-1 und 100-2 der Jochhälfte 100 und den Jochschenkeln 102-1 und 102-2 der Jochhälfte 102. Analoges gilt für den beiden benachbarten Jochhälften 101 und 103, denen die Erregerspule 105 zugeordnet ist.
Wie bereits erwähnt, ist es auch möglich, beiden benachbarten Jochhälften 100 und 102 bzw. 101 und 103 eine gemeinsame, durchgehende Basis zu geben; in diesem Falle läßt sich eine Jochhälfte als ein einziges Sinterteil mit den 4 Schenkeln 100-1, ...., 100-4 herstellen.
Die magnetischen Arbeitsspalte liegen zwischen den Polenden einander gegenüberstehender Jochschenkel.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung werden vier magnetische Arbeitsspalte gebildet, die zwischen den Polenden der Jcohschenkel 100-1, 101-1; 100-2, 101-2; 102-1, 103-1 und 102-2 und 103-2 liegen. Jedem dieser magnetischen _Ar-beitsspalte ist in dem Druckstößel 110 ein Ankersteg zugeordnet. Die Ankerstege sind mit 106, 107, 108 und 109 bezeichnet. Sie werden bei Erregung des Elektromagneten in die ihnen zugeordneten magnetischen Arbeitsspalte hineingezogen. Dabei kommt es zu einer Bewegung des Druckstößels in Pfeilrichtung P (auf die Darstellung eines Stößelkopfes 5-1 wie in Fig. 4 wurde aus Vereinfachungsgründen in Fig. 1 und 2 verzichtet). Maßgebend für die Schnelligkeit dieser Bewegung ist die Kraftwirkung des Magnetfeldes in den einzelnen Arbeitsspalten auf die ihnen zugeordneten Ankerstege aus weichmagnetischem Material. Diese Kraftwirkung ist, insgesamt gesehen, wegen der Beziehung

(K = Kraft pro Flächeneinheit
B = magnetische Induktion)

Nähere Erklärungen hierzu folgen an anderer Stelle.
Für die gleiche Bauhöhe (H) des Stößels gemäß Fig. 4 und Fig. 1 bei gleichbleibender Amperewindungszahl der Erregerspulen ergibt sich im ersteren Fall (Fig. 4) für insgesamt nur drei Arbeitsspalte eine um ca 40% niedere Kraftwirkung auf den Stößel als im Falle der Ausführung nach Fig. 1 mit vier Arbeitsspalten. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse ist es jedoch möglich, die Bauhöhe des Stößels gemäß Fig. 1, im Vergleich zu der nach Fig. 4 bedeutend, d.h. um ca 25% zu verringern, um die gleiche Kraftwirkung auf den Stößel zu erreichen. Da diese Bauhöhenverringerung zudem mit einer Verringerung des Stößelgewichtes verbunden ist und sich kleinere Massen leicher beschleunigen lassen als große, ist dadurch eine zusätzliche Erhöhung der Druckleistung gegeben.
Analoge Überlegungen gelten für eine Auführungsform des elektromagnetischen Stößelantriebes nach Fig. 2. In diesem Falle sind die einander gegenüberliegenden Jochhälftten 202 und 203 jeweils kammförmig mit einer Vielzahl von Jochschenkeln ausgeführt. Jede Jochhälfte besteht aus einer gemeinsamen Basis 202-0 mit beispielsweise acht Jochschenkeln 202-1 bis 202-8. Entsprechendes gilt für die Jochschenkel 203-1 bis 203-8. Auf jede Jochhälfte ist eine als Flachspule ausgeführte Erregerspule 218, 219 aufgesteckt. Die Windungen der Erregerspule 218 verlaufen zwischen den Jochschenkeln 202-2/202-3, und 202-6/ 202-7 für die Jochhälfte 202. Durch das Innere der Spule ragen die Jochschenkel 202-3 bis 202-6.
Zwischen den Polenden der sich gegenüberstehenden Jochschenkel beider Jochhälften werden die magnetischen Arbeitsspalte gebildet. Jedem Arbeitsspalt ist wiederum einer der magnetischen Ankerstege 210 bis 218 des Stößels 220 zugeordnet.
Auch diese Anordnung (Fig. 2) gestattet im Vergleich zur Anordnung nach Fig. 4 eine wesentliche Verringerung der Bauhöhe des Druckstößels, da die gesamte Kraftwirkung auf den Druckstößel durch die Vergrößerung der Anzahl der magnetischen Arbeitsspalte bei gleichbleibender Amperewindungszahl der Spule vergrößert ist. Im Vergleich der Ausführungsform nach Fig. 2 zur Ausführungsform nach Fig. 4 kann man sich vorstellen, daß.die äußeren Schenkel 54 und 52 (Fig. 4) der E-förmigen Jochhälfte 50 in jeweils zwei Schenkel 202-1, 202-2 und 202-7 und 202-8 der Jochhälfte 202 (Fig. 2) aufgeteilt werden, während der mittlere Schenkel 53 des der E-förmigen Jochhälfte 50 (Fig. 4) in insgesamt vier einander benachbarte Schenkel 202-3 bis 202-6 (Fig. 2) aufgeteilt wird.
Entsprechende Überlegungen gelten natürlich auch für die Jochhälfte 40 (Fig. 4) in Verbindung mit der Jochhälfte 203 (Fig. 2). Bei der Ausführungsform der Doppel-U-Joche nach Fig. 1 (die aus der Aufspaltung des gemeinsamen Mittelschenkel 53 der E-förmigen Jochhälfte 50 nach Fig. 4 in zwei getrennte Magnetschenkel hervorgehen) stehen bei praktisch gleicher Erregerspule nunmehr vier (Fig. 1), anstatt der ursprünglichen drei Arbeitsspalte (Fig. 4) zur Krafterzeugung zur Verfügung). Aus diesem Grunde kann die Spule und die Druckstößelhöhe (in Längsrichtung der Ankerstege) nunmehr auf ca. 3/4 der ursprünglichen Höhe (Fig. 4) reduziert werden, um die gleiche Kraft wie bei der F-formigen Struktur der Magnethoche (Fig. 4) zu erzeugen. Eine auf 3/4 reduzierte Spulenhöhe bedeutet aber zugleich auch verringerte Wärmeverluste (proportional Ohm'scher Widerstand x Stromstärke2). Des weiteren ist es, wie bereits erwähnt, möglich, die Magnetjoche aus zwei einfachen Blechen herzustellen, auf die der Spulenkörper entsprechend aufzustecken ist. Dies ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung.
Die kammartige Ausführungsform der Jochhälften nach Fig. 2 gestattet eine Reduzierung der Bauhöhe des Druckstößels (und der damit in Beziehung stehenden Elektromagneteinheit) auf ungefähr die Hälfte im Vergleich zu der Ausführungsform nach Fig. 4 (bei E-förmigen Magnetjochhälften).
Entsprechende Kombinationen der Ausführungsformen sind jederzeit möglich. Wesentlich an allen diesen Ausführungsformen ist die Tatsache, daß in oder außerhalb der Erregerspule mehrere benachbarte Jochschenkel der gleichen Jochhälfte oder benachbarter Jochhälften verlaufen.
Im folgenden wird detaillierter ausgeführt, wie es zu erklären ist, daß die Kraftwirkung bei gleichbleibender Amperewindungszahl der Erregerspule mit zunehmender Zahl der magnetischen Arbeitsspalte größer wird.
Fig. 7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares dreischenkliger Jochhälften mit einem drei Ankerstege umfassenden Stößel. Der Stößel ist mit 700 gekennzeichnet; seine Aktionsrichtung durch die Pfeilrichtung D. Der Stößel enthält die Ankerstege Al, A2 und A3. Sie sind jweils einem magnetischen Arbeitsspalt G1, G2, G3 zugeordnet. Die magnetischen Arbeitsspalte werden voneinander gegenüberstehenden Schenkeln eines Jochhälftenpaares gebildet: der magnetische Arbeitsspalt Gl von den Schenkeln Yll und Y21, der magnetische Arbeitsspalt G2 von den Schenkeln Y12 und Y22, der magnetische Arbeitsspalt G3 von den Schenkeln Y13 und Y23. Auf die Darstellung der Erregerspule wurde aus Vereinfachungsgründen verzichtet. Sie würde als Flachspule ausgeführt und auf den jeweils mittleren Schenkel Y12, Y22 einer Jochhälfte aufgesteckt sein, so daß ihre Windungen zwischen dem inneren Schenkel und dem äußeren Schenkel eienr Jochhälfte verlaufen. Die Polhöhe der Anordnung ist mit H gekennzeichnet.
Zur Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch eine solche Anordnung sei auf Fig. 8 verwiesen. Hierin wird der Verlauf der Magnetflußlinien in der Schnittfläche BB von Fig. 7 gezeigt. Es sind nur die für die den Magnetfluß wichtigen Teile wie die Jochschenkel und die Ankerstege gezeigt. Die Konturlinie des gesamten Stößels 700 wurde in der Fig. 8 aus Vereinfachungsgründen weggelassen.
Aus der Darstellung in Fig. 7 in Verbindung mit Fig. 8 ist zu erkennen, daß der mittlere Schenkel Y12 bzw. Y22 einer Jochhälfte doppelt so stark ausgeführt ist wie die Außenschenkel Y11, Y13 bzw. Y21, Y23. Dadurch ist der mittlere magnetische Arbeitsspalt G2 auch doppelt so lang wie die zwischen den Außenschenkeln gebildeten Arbeitsspalte G1 und G3. Die Ankerstege hingegen haben jeweils die gleichen Abmessungen. Die mittleren Jochschenkel sind deshalb stärker als die äußeren Jochschenkel ausgeführt, um zu vermeiden, daß der mittlere Jochschenkel schneller als die äußeren Jochschenkel in eine magnetische Sättigung getrieben werden.
Wenn es im Anspruchsbegehren heißt, daß das Volumen der Ankerstege in der Größenordnung des Volumens der Arbeitsspalte liegt, könnte gefolgert werden, daß der Ankersteg A2 größer, d.h. nahezu doppelt so groß ausgeführt werden müßte wie die beiden anderen Ankerstege A1 und A3 für die kürzeren magnetischen Arbeitsspalte G1 und G3. Dies ist jedoch nicht erforderlich, da für die Kraftwirkung des Stößels im wesentlichen die Beschleunigungskraft maßgebend ist, die beim Hineinziehen des Ankersteges in den ihm zugeordneten Arbeitsspalt ausgeübt wird. Diese Beschleunigungskraft bezüglich des mittleren Ankersteges A2 ist aber nahezu genauso groß wie sie wäre, wenn der Ankersteg A2 doppeltes Volumen hätte, um den magnetischen Arbeitsspalt G2 nahezu auszufüllen. Die Formulierung, daß das Volumen der Ankerstege in der Größenordnung des Arbeitsspaltvolumens liegt, soll aus diesem Grunde auch jene Fälle miterfassen, in denen das Volumen der Ankerstege nur ca. die Hälfte des Volumens des Arbeitsspaltes beträgt.
Fig. 10 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares vierschenkliger Jochhälften mit einem vier-Ankerstege umfassenden Stößel. Der Stößel ist mit 900, die Aktionsrichtung des Stößels wiederum mit Pfeilrichtung D gekennzeichnet, die einzelnen Ankerstege sind mit A1, A2, A3 und A4 bezeichnet. Die obere Jochhälfte weist die Jochschenkel Y101, Y102, Y103 und Y104 auf, die untere die Jochschenkel Y201, Y202, Y203 und Y204. Der Arbeitsspalt G10 wird zwischen den Polenden der Jochschenkel YI01 und Y201 gebildet; der Arbeitsspalt G11 zwischen den Polenden der Jochschenkel Y102 und Y202; der _Arbeitsspalt G12 zwischen den Polenden der Jochschenkel Y103 und Y203; der Arbeitsspalt G14 zwischen den Jochschenkeln Y104 und Y204. Die Jochschenkel Y102 und Y103 bzw. Y202 und Y203 kann man sich aus Aufspaltung des Jochschenkels Y12 bzw. Y22 (Fig. 7) entstanden denken. Aus Übersichtsgründen wird in Fig. 10 auf Darstellung der Erregerspule verzichtet. Die Erregerspule würde so auf jeweils eine Jochhälfte aufgesteckt werden, daß in ihrem Innnern die Jochschenkel Y102 und Y103 sind und die Windungen zwischen den Jochschenkeln Y101 und Y102 bzw. Y103 und Y104 verlaufen. Entsprechendes gilt für die Erregerspule der unteren Jochhälfte.
In der Fig. 11 ist der Verlauf der Magnetflußlinien in der Schnittfläche CC-(Fig. 10) gezeigt. In Fig. 11 ist wiederum auf die Darstellung der gesamten Kontur des Stößels 900 (Fig. 10) aus Ubersichtsgründen verzichtet worden, da nur die für die Führung des Magnetflusses wesentlichen Teile (Jochschenkel und Ankerstege) gezeigt werden.
In Fig. 12 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares vierschenkliger Jochhälften gezeigt, mit einem verkürzten nur drei Ankerstege umfassenden Stößel und mit einem durch Weicheisen überbrückten magnetischen Arbeitsspalt. Diese Darstellung in Fig. 12 ist aus der in Fig. 10 dadurch ableitbar, daß man sich den Stößel 900 (Fig. 10) dadurch verkürzt denkt, daß er nur noch die drei Ankerstege A102, A103 und A104 umfaßt. Jeder dieser Ankerstege ist jeweils einem der Arbeitsspalte G11, G12 und G13 zugeordnet, die von den Polflächen der entsprechenden Jochschenkel - wie auch in Zusammenhang mit Fig. 10 beschrieben - gebildet werden. Der sich ergebende Unterschied beider Anordnungen liegt darin, daß dem Arbeitsspalt G10 in Fig. 10 in Fig. 12 nunmehr kein mit dem Stößel 901 verbundener Ankersteg zugeordnet ist, sondern daß dieser Arbeitsspalt durch ein den Magnetfluß gut leitendes Weicheisenstück S überbrückt ist.
Die Verkürzung des Stößels ist mit einer bedeutsamen Gewichtsvermindung verbunden. Bei dem Einsatz derartiger Stößelantriebe in Schnelldruckern kann durch eine solche Gewichtsverminderung höhere Druckgeschwindigketi erreicht werden.
Aus Analgiegründen wurden in Fig. 12 die Bezeichnungen A102, _A103, A104, Gll, G12 und G13 von Fig. 10 beibehalten, ebenso auch die Bezeichnungen der Jochschenkel.
In Fig. 13 ist die Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch die Magnetjoche und die Ankerstege in der Schnittfläche DD von Fig. 12 gezeigt. Wiederum wurde aus Vereinfachungsgründen auf die Darstellung der Kontur des Stößels 901 (Fig. 2) verzichtet. Aus Fig. 13 ist im Vergleich zu Fig. 11 zu erkennen, daß sich durch eine Verringerung des magnetischen Widerstandes durch Einfügung des Weicheisenstückes S in dem mit C13 bezeichneten Magnetkreis (der folgende Teile enthält: Y101, Y102, A102/G11, Y202, Y201 und die betreffenden Jochschenkel verbindenden Basisteile der Jochhälften) eine höhere Magnetflußdichte ergibt als in C11 in Fig. 11. Dadurch ist jedoch auch eine Erhöhung der am Arbeitsspalt G11 auf den Ankersteg A102 wirkenden Beschleunigungskraft gegeben.
In den Darstellungen Fig. 8, Fig. 9, Fig. 11 und Fig. 13 ist der Verlauf der Magnetflußlinien durch die Jochschenkel und die Ankerstege für verschiedene Magnetjochkonfigurationen gezeigt. Allen Konfigurationen gemeinsam ist jedoch die gleiche Amperewindungszahl der nicht dargestellten Erregerspule und gleiche äußere Abmessungen der Jochhälften. Die Darstellungen beziehen sich auf eine Position der Ankerstege unmittelbar vor ihrem Eintritt in den ihnen jeweils zugeordneten magnetischen Arbeitsspalt. In den Darstellungen ist die obere Jochhälfte in Schnittdarstellung gänzlich, die untere Jochhälfte nur teilweise (ohne die die Jochschenkel verbindende Basis) gezeigt. Die Magnetflußlinien und die Umrandungslinien der Jochhälften und der Ankerstege sind durch dünne durchgezogene Linien dargestellt. Der Magnetfluß im linken Teil L der Jochhälfte (Fig. 8) ist höher als der im rechten Teil R. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Magnetfluß für den rechten Teil R am Arbeitsspalt des rechten Teils des mittleren Jochschenkels Y12 einen höheren magnetischen Widerstand vorfindet, als der magnetische Widerstand für den linken Teil L beträgt, da der Magnetfluß im Arbeitsspalt G2 des linken Teiles des mittleren Jochschenkels Y12 im wesentlich über den gut leitenden Ankersteg A102 geführt wird.
In Fig. 9 ist in Abwandlung der Darstellung nach Fig. 8 der Flußlinienverlauf durch ein Paar dreischenkliger Jochhälften gezeigt, wobei der mittlere Schenkel Y129 zu seiner Polfläche verjüngt ist.
Diese Darstellung dient lediglich dem Hinweis, daß sich der Magnetfluß am Arbeitsspalt G29 nicht einfach durch eine Verkleinerung der Polflächen erhöhen läßt. Im Ergebnis ergibt diese Ausführungsform keine größere Magnetflußdichte im Arbeitsspalt G29 der Mittelschenkel Y129, Y229 und damit auch keine größere Beschleunigungskraft als es bei der Ausführungsform nach FIg. 8 der Fall ist. Die Bezeichnungen der einzelnen Teile in Fig. 9 entsprechen bis auf die letzte zusätzliche 9er Stelle denen von Fig. 8.
Die Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien in Fig. 11 (vierschenklige Jochhälften) zeigt im Vergleich zu der nach Fig. 8 (dreischenklige Jochhälften), daß die dreischenklige Jochstruktur eine unerwünschte Asymmetrie für die Magnetflußdichte im linken L und rechten R aufweist, während eine solche Asymmetrie bei der vierschenkligen Struktur nach Fig. 11 nicht mehr auftritt. Durch die gedachte Aufteilung des Mittelschenkels YI2 (Fig. 8) in zwei Mittelschenkel Y102 und Y103 in Fig. 11 wird die auf die Ankerstege wirkende Beschleunigungskraft bedeutend gesteigert.
In diesem Zusammenhang sei jedoch auch bemerkt, daß sich für den zwischen den mittleren Jochschenkeln Y102 und Y103 bzw. Y202 und Y203 liegenden Teil des Stößels auch eine Verzögerung ergibt, da auf den Ankersteg A103 nicht nur eine anziehende Kraft seitens G12 sondern eine entgegen der Bewegungsrichtung D des Stößels wirkende Anziehungskraft zwischen A103 und G11 ergibt. Es zeigt sich jedoch, daß bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen den Schenkeln Y102 und Y103 bzw. Y202 und Y203 die Beschleunigungskraft nur geringfügig höher liegt als bei einer Struktur mit kleinerem Abstand. Rechnungen und Versuche haben ergeben, daß man mit einer vierschenkligen Struktur gemäß Fig. 11 mit 600 Amperewindungen der Erregerspule dieselbe Beschleunigungskraft erhält wie bei einer dreischenkligen Ausführung gemäß Fig. 8 mit 800 Amperewindungen, d.h. bei der vierschenkligen Ausführungsform werden die RI2-Verluste (R = ohmscher Widerstand, I = Stromstärke) auf 56% reduziert. Bei Anwendungen mit hoher Wiederholungsrate des Druckvorgangs wirkt auf den Stößel der vierschenkligen Struktur eine um 40% höhere Beschleunigungskraft als es bei gleicher Amperewindungszahl bei einer dreischenkligen Struktur der Fall ist.
In Fig. 14 ist die schematische Darstellung eines um einen Drehpunkt schwenkbaren Druckhammers 800 mit drei Ankerstegen 801, 802, 803 zur Zusammenarbeit mit einem Elektromagneten gemäß Fi^g. 12 gezeigt. Am unteren Ende des Druckhammers ist eine Blattfeder 804 mit einer Basis 805 verbunden. Die Blattfeder ermöglicht eine Bewegung des Druckhammers in und entgegen der Pfeilrichtung P. (Ebensogut sind u.a. auch Lösungen vorstellbar, bei denen die Schwenkbewegung des Druckhammers nicht mittels einer Blattfeder erreicht wird, sondern durch eine Stiftlagerung). Bei einer durch den Elektromagneten bedingten Bewegung des Druckhammerkopfes 806 in Pfeilrichtung P erfolgt ein Anschlag-in Druckrichtung. In dem mittleren, entgegen der Druckrichtung P etwas erweiterten Teil des Druckhammers sind die Ankerstege 801, 802, 803 angeordnet. (Sie entsprechen den Ankerstegen A102, A103 und A104 in Fig. 12). Diese Ankerstege sind jeweils einem Arbeitsspalt zugeordnet, der von den Polenden entsprechender Jochschenkel gebildet wird. Aus Ubersichtsgründen ist die Elektromagneteinheit 810 nach links versetzt gezeichnet. Der dem Ankersteg 801 zugeordnete Arbeitsspalt wird von den Polenden der Jochschenkel 810-1 und 810-2 gebildet. Der dem Ankersteg 802 zugeordnete Arbeitsspalt wird von den Polenden der Jochschenkel 810-3 und 810-4 gebildet; der dem Ankersteg 803 zugeordnete Arbeitsspalt von den Polenden der Jochschenkel 810-5 und 810-6. Die Jochschenkel 810-01 und 810-02 sind durch eine Weicheisenbrücke S miteinander verbunden. Die Jochschenkel der hinteren Jochhälfte haben die gemeinsame Basis 811, die der vorderen Jochhälfte die gemeinsame Basis 812. Die Erregerspule für die hintere Jochhälfte ist mit 813 angedeutet, die für die vordere mit 814. Die Windungen der Erregerspule 813 werden zwischen den Jochschenkeln 810-1 und 810-1 sowie zwischen den Jochschenkeln 810-3 und 810-5 geführt. Analoges gilt für die Erregerspule 814 der vorderen Jochhälfte. Bei Erregung des Elektromagneten werden die vor den einzelnen Arbeitsspalten stehenden Ankerstege in die ihnen zugeordneten Arbeitsspalte hineingezogen. Dadurch erfährt jedoch der Druckhammerkopf 806 eine Bewegung in Pfeilrichtung P. Der Umstand, daß es sich bei der Bewegung des Hammers um eine Bewegung um einen Drehpunkt handelt, die etwas von einer Linearbewegung abweicht, wirkt sich im wesentlichen nicht nachteilig aus.
Der erfindungsgemäße Stößelantrieb kann vielfältigen Anwendungen genügen:

Wie vorstehend erwähnt, z.B. für Anschlagdrucker. Ebensogut sind auch Anwendungen denkbar, bei denen der Stößelantrieb für schnelle Ventilbetätigungen (z.B. in Verbrennungsmotoren, Bohrhämmern oder Pumpen) u.a.m. verwendet wird.

Claims

1. Elektromagnetischer Stößelantrieb, bei dem der Elektromagnet aus mindestens einem Paar im wesentlichen symmetrisch aufgebauter magnetisierbarer Jochschenkel aufweisende Jochhälften besteht, deren einander zugewandte Jochschenkeln-Polenden einander fluchtende Arbeitsspalte bilden und

bei dem zwischen den Arbeitsspalten ein in Richtung der Fluchtlinie der Arbeitsspalte verschiebbarer zungenförmiger Stößel angeordnet ist,

welcher Ankerstege aus magnetisierbarem Material aufweist, von denen jeder einem Arbeitsspalt zugeordnet ist und

wobei das Volumen der Ankerstege in der Größenordnung des Arbeitsspaltvolumens liegt und

die Ankerstege in der Ausgangslage des Stößels in nicht erregtem Zustand des Elektromagneten sich vor dessen Arbeitsspalten befinden und bei Erregung des Elektromagneten in dessen Arbeitsspalte hineingezogen werden,

und wobei die Erregerspule des Elektromagneten auf mindestens einen Jochschenkel derart aufgesteckt ist,

daß ein wesentlicher Teil ihrer Windungen zwischen jeweils zwei benachbarten Jochschenkeln verläuft, dadurch gekennzeichnet,

daß innerhalb und/oder außerhalb der Erregerspule (218; 104) mehrere jeweils benachbarte Jochschenkel (202-3, 202-4, 202-5, 202-6, 202-1, 202-2, 202-7, 202-8, 100-2, 102-1) der gleichen Jochhälfte (202) oder benachbarter Jochhälften (100, 102) verlaufen.

2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Jochhälften senkrecht zur Stößelebene in Aktionsrichtung des Stößels einen kammartigen Querschnitt aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei benachbart angeordneten Jochhälften (100, 102) dieselben jeweils einen U-förmigen Querschnitt aufweisen.

4. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Jochhälfte mindestens 4 Jochschenkel aufweist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stößel Teil eines um einen Drehpunkt schwenkbaren Hebels (800) ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hebel (800) einen Hammerkopf (806) aufweist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet durch die Verwendung in Anschlagdruckern oder für Ventilbetätigungen.