EP0216943B1 - Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, insbesondere für Druckhammerantriebe - Google Patents

Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, insbesondere für Druckhammerantriebe Download PDF

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EP0216943B1
EP0216943B1 EP19850109847 EP85109847A EP0216943B1 EP 0216943 B1 EP0216943 B1 EP 0216943B1 EP 19850109847 EP19850109847 EP 19850109847 EP 85109847 A EP85109847 A EP 85109847A EP 0216943 B1 EP0216943 B1 EP 0216943B1
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armature
center leg
magnetic flux
electromagnet
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Ludwig Fischer
Bruno Gantz
Kurt Hartmann
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IBM Deutschland GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/081—Magnetic constructions

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic actuating device with a swivel armature and an electromagnet, which is characterized in the preamble of claim 1.
  • This actuating device is preferably suitable for use with impact printers. It combines the advantages of two different principles of known electromagnetic actuation devices: the principle of conventional swivel armature electromagnets and the principle of a drive described in EP-A 021 335.
  • This drive relates to a fast, electromagnetically actuated plunger drive, which can be used in particular for impact printers.
  • the electromagnet basically consists of essentially symmetrically constructed magnetizable yoke halves with a corresponding excitation coil (s). The facing pole ends of the yoke halves form aligned magnetic working gaps. A plunger which is displaceable in the direction of the line of alignment of the working gaps is arranged between the magnetic working gaps.
  • the cross section of the ram is adapted to the area of the working column. It can be cylindrical or cuboid. It contains e.g. B. disc-shaped or cuboid anchor elements made of magnetizable material and spacing elements arranged between them made of predominantly non-magnetizable material.
  • the anchor elements have such a geometric design that their volume is in the order of the working gap volume.
  • the armature elements are essentially in front of the working gaps when the electromagnets are not excited. When the electromagnet is excited, they are drawn into this working gap and experience an acceleration.
  • Tappet drives of this type have the disadvantage that they are very sensitive to asymmetrical lateral forces.
  • the pivot armature 1 moves when the electromagnet is excited in the direction of arrow D. It performs a pivoting movement about its pivot axis 10.
  • the plane of movement 1A of the swivel armature 1 is perpendicular to the magnetic flux plane 4A of the yoke structure 4 of the electromagnet 2.
  • the yoke structure seen in the magnetic flux plane 4A has an E-shaped cross section with two outer 5 and 6, a middle leg 7 and one common to all legs Base 8 on.
  • the pole face 7A of the middle leg 7 encompassed by the excitation coil 3 faces the pivot armature 1.
  • the free ends of the outer legs 5 and 6 are angled towards each other in such a way that a magnetic working gap 9 is formed between their pole faces 5A and 6A.
  • the pole face 7A of the middle leg 7 can be outside or inside the working gap 9.
  • the swivel armature 1 When the electromagnet 2 is excited, the swivel armature 1 is drawn into the working gap 9 and is increasingly attracted to the pole face 7A of the middle leg 7.
  • the magnetic flux of the middle leg runs essentially in half over the pivot armature 1 to a respective pole face 5A, 6A of the outer legs 5 and 6.
  • the width B of the pivot armature 1 is significantly (at least twice) smaller than its length between the pivot axis 10 and the working gap 9.
  • the magnetic flux passing through the actuator is represented by a plurality of lines of magnetic flux 4B. The closer these lines run, the stronger the local magnetic flux density.
  • the yoke structure and swivel anchor are arranged essentially symmetrically to the plane of movement 1A of the swivel anchor running through the center of the middle leg 7.
  • the end of the movement of the swivel armature can be designed accordingly for switching stroke or impact processes.
  • FIG. 2 shows an exploded perspective view of the electromagnetic actuation device according to the invention for use in impact printers.
  • This unit essentially consists of 5 parts: the base part 21 made of soft magnetic material, the solenoid coil 25 to be inserted into the base part 21, two yoke strips 23 and 24 to be fastened on the base part and the pivot armature 22 also to be connected to the base part.
  • the base part has a recess 21-1 and one in the Recess middle leg 21-2 with the pole face 21-3. The recess serves to accommodate the electromagnetic coil 25.
  • the yoke strips 23 and 24 are indicated in FIG. B. connected by screw, weld or similar connections, edge to the base part.
  • the working gap lies between their pole faces 23-1, 24-1.
  • the pivot anchor 22 itself is fixed at one end on a slope of a block 26.
  • the block 26 is arranged in the front region of the base part 21 in a recess 21-4. Both recesses 21-1 and 21-4 merge. As a result, the coil connections 40 can be led out in a simple manner.
  • the part of the swivel anchor near the fixing end is formed by a leaf spring 22-2. It enables a corresponding swiveling movement when the swivel armature is pulled into the working gap when the electromagnet is excited.
  • the pivot armature has a cutout 22-4 in order to be able to interact with a pressure tappet 29, which is only indicated by lines (to generate a tappet movement in the direction P).
  • the inner edges of the yoke strips 23 and 24 can beveled 23-2, 24-2 for reasons of a special design of the working gap.
  • Fig. 3 shows a sectional view according to the section plane A-A in Fig. 2 to show the magnetic flux profile in the magnetic yoke structure and the pivot armature.
  • the magnetic flux lines 30 are shown by thinner solid lines. The closer these lines run, the closer the magnetic flux is.
  • the sectional view shows a moment in which the armature 22-3 has already been partially drawn into the working gap 27. The forces occurring in a first phase of pulling into the working gap are primarily due to the attractive forces between the side surfaces 22-4 and 22-5 of the pivot armature 22-3 and the pole surfaces 23-1 and 24-1 (between which the Working gap forms) determined. This principle of an electromagnetic drive is known from EP-A 021 335 already mentioned at the beginning.
  • the arrangement according to the invention combines the advantages of an electromagnetic actuation device according to EP-A 021 335 and conventional known pivot armature systems.
  • FIG. 3 show sectional representations in analogy to FIG. 3 with different cross-sectional shapes for the swivel armature and the magnetic yoke structure.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung mit einem Schwenkanker und einem Elektromagneten, der im Oberbegriff des Anspruches 1 gekennzeichneten Art.
  • Vorzugsweise eignet sich diese Betätigungsvorrichtung zum Einsatz für Anschlagdrucker. Sie vereinigt in sich die Vorteile zweier verschiedener Prinzipien von bekannten elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungen: dem Prinzip herkömmlicher Schwenkanker-Elektromagneten und dem Prinzip eines in der EP-A 021 335 beschriebenen Antriebs. Dieser Antrieb bezieht sich auf einen schnellen, elektromagnetisch betätigbaren Stößelantrieb, der insbesondere für Anschlagdrucker eingesetzt werden kann. Der Elektromagnet besteht grundsätzlich aus im wesentlichen symmetrisch aufgebauten magnetisierbaren Jochhälften mit entsprechender(n) Erregerspule(n). Die einander zugewandten Polenden der Jochhälften bilden einander fluchtende magnetische Arbeitsspalte. Zwischen den magnetischen Arbeitsspalten ist ein in Richtung der Fluchtlinie der Arbeitsspalte verschiebbarer Stößel angeordnet. Der Querschnitt des Stößels ist an die Fläche der Arbeitsspalte angepaßt. Er kann zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet sein. Er enthält z. B. scheiben- bzw. quaderförmig ausgebildete Ankerelemente aus magnetisierbarem Material und zwischen diesen angeordnete Abstandselemente aus vorwiegend nichtmagnetisierbarem Material. Die Ankerelemente weisen eine derartige geometrische Ausbildung auf, daß ihr Volumen in der Größenordnung des Arbeitsspaltvolumens liegt. In der Ausgangslage des Stößels befinden sich die Ankerelemente im nichterregten Zustand der Elektromagneten im wesentlichen vor dessen Arbeitsspalten. Sie werden bei Erregung des Elektromagneten in diese Arbeitsspalte hineingezogen und erfahren dabei eine Beschleunigung.
  • Stößelantriebe dieser Art weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie sehr empfindlich gegenüber Seitenkraftunsymmetrien sind.
  • Herkömmliche Schwenkanker-(Klappanker)Elektromagnet-Druckerantriebe wie sie z. B. in den weitverbreiteten Druckern der Typen IBM 1403 verwendet werden (siehe auch IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 16, No. 11, April 1974, S. 3529, Fig. 1), haben einen großen Platzbedarf und weisen dennoch nur einen geringen elektromechanischen Wirkungsgrad von wenigen Prozent auf.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Betätigungsvorrichtung der eingangs genannten Art vorzusehen, die eine hohe Kraftwirkung bei kurzer Operationszeit und geringem Raumbedarf entfaltet.
  • Diese Aufgabe der Erfindung wird in vorteilhafter Weise durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst, also durch eine Kombination der beiden vorgenannten Prinzipien.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
    • Es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung mit Schwenkanker und einer besonderen Jochstruktur des Elektromagneten,
    • Fig. 2 eine perspektivische Explosionszeichnung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung zur Anwendung in Anschlagdruckern,
    • Fig. 3 eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittebene A-A in Fig. 2 zur Darstellung des Magnetflußverlaufes in der Magnetjochstruktur und dem Schwenkanker,
    • Fign. 4A bis 4E ausschnittweise Schnittdarstellungen in Analogie zu Fig. 3 mit verschiedenen Querschnittsformen für den Schwenkanker und die Magnetjochstruktur.
  • Fig. 1 Der Schwenkanker 1 bewegt sich bei Erregung des Elektromagnetes in Pfeilrichtung D. Er führt dabei eine Schwenkbewegung um seine Schwenkachse 10 aus. Die Bewegungsebene 1 A des Schwenkankers 1 liegt senkrecht zur Magnetflußebene 4A der Jochstruktur 4 des Elektromagneten 2. Die Jochstruktur in der Magnetflußebene 4A gesehen, weist einen E-förmig ähnlichen Querschnitt mit zwei äußeren 5 und 6, einem mittleren Schenkel 7 und einer allen Schenkeln gemeinsamen Basis 8 auf. Die Polfläche 7A des von der Erregerspule 3 umfaßten mittleren Schenkels 7 ist dem Schwenkanker 1 zugewandt. Die freien Enden der äußeren Schenkel 5 und 6 sind in Richtung zueinander derart abgewinkelt, daß zwischen ihren Polflächen 5A und 6A ein magnetischer Arbeitsspalt 9 gebildet wird. Die Polfläche 7A des mittleren Schenkels 7 kann außerhalb oder innerhalb des Arbeitsspaltes 9 liegen.
  • Bei Erregung des Elektromagneten 2 wird der Schwenkanker 1 in den Arbeitsspalt 9 hineingezogen und dabei in zunehmendem Maße auch von der Polfläche 7A des Mittelschenkels 7 angezogen. Dabei verläuft der Magnetfluß des Mittelschenkels im wesentlichen hälftig über den Schwenkanker 1 zu jeweils einer Polfläche 5A, 6A der äußeren Schenkel 5 und 6. Die Breite B des Schwenkankers 1 ist wesentlich (mindestens zweimal) kleiner als seine Länge zwischen der Schwenkachse 10 und dem Arbeitsspalt 9. Der durch die Betätigungsvorrichtung verlaufende Magnetfluß ist durch eine Vielzahl von Magnetflußlinien 4B dargestellt. Je dichter diese Linien verlaufen, umso stärker ist die örtliche MagnetflIußdichte.
  • Jochstruktur und Schwenkanker sind im wesentlichen symmetrisch zur durch die Mitte des Mittelschenkels 7 verlaufenden Bewegungsebene 1A des Schwenkankers angeordnet. Das Bewegungsende des Schwenkankers kann für Schalthub- oder Stoßvorgänge entsprechend ausgebildet sein.
  • Fig. 2 zeigt eine perspektivische Explosionszeichnung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung zur Anwendung in Anschlagdruckern.
  • Diese Einheit besteht im wesentlichen aus 5 Teilen: dem Basisteil 21 aus weichmagnetischem Material, der in das Basisteil 21 einzusetzenden Elektromagnet spule 25, zwei auf dem Basisteil zu befestigenden Jochleisten 23 und 24 und dem ebenfalls mit dem Basisteil zu verbindenden Schwenkanker 22. Das Basisteil hat eine Aussparung 21-1 und einen in der Aussparung befindlichen Mittelschenkel 21-2 mit der Polfläche 21-3. Die Aussparung dient der Aufnahme der Elektromagnetspule 25. Die Jochleisten 23 und 24 werden wie in Fig. 2 angedeutet, z. B. durch Schraub-, Schweiß- oder ähnliche Verbindungen, randwärts mit dem Basisteil verbunden. Zwischen ihren Polflächen 23-1, 24-1 liegt der Arbeitsspalt. Der Schwenkanker 22 selbst ist an einem Ende auf einer Schrägen eines Klotzes 26 fixiert. Der Klotz 26 ist im vorderen Bereich des Basisteiles 21 in einer Aussparung 21-4 angeordnet. Beide Aussparungen 21-1 und 21-4 gehen ineinander über. Dadurch können die Spulenanschlüsse 40 auf einfache Weise herausgeführt werden. Der dem Fixierungsende nahe Teil des Schwenkankers wird von einer Blattfeder 22-2 gebildet. Sie ermöglicht eine entsprechende Schwenkbewegung, wenn der Schwenkanker in den Arbeitsspalt bei Erregung des Elektromagneten hineingezogen wird. An seinem freien Ende weist der Schwenkanker eine Aussparung 22-4 auf, um mit einem lediglich durch Striche angedeuteten Druckstößel 29 zusammenwirken zu können (zur Erzeugung einer Stößelbewegung in Richtung P). Die inneren Kanten der Jochleisten 23 und 24 können aus Gründen einer besonderen Ausbildung des Arbeitsspaltes abgeschrägt 23-2, 24-2 sein.
  • Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittebene A-A in Fig. 2 zur Darstellung des Magnetflußverlaufes in der Magnetjochstruktur und dem Schwenkanker.
  • In dieser Fig. 3 sind die Magnetflußlinien 30 durch dünnere ausgezogene Linien dargestellt. Je dichter diese Linien verlaufen, umso dichter ist der Magnetfluß. Die Schnittdarstellung zeigt einen Moment, in dem der Anker 22-3 bereits zum Teil in den Arbeitsspalt 27 hineingezogen wurde. Die in einer ersten Phase des Hineinziehens in den Arbeitsspalt auftretenden Kräfte sind in erster Linie durch die anziehenden Kräfte zwischen den Seitenflächen 22-4 und 22-5 des Schwenkankers 22-3 und den Polflächen 23-1 und 24-1 (zwischen denen sich der Arbeitsspalt ausbildet) bestimmt. Dieses Prinzip eines elektromagnetischen Antriebes ist aus der eingangs bereits erwähnten EP-A 021 335 bekannt.
  • Wird der Schwenkanker 22-3 weiter in den Arbeitsspalt hineingezogen, so wird er in zunehmendem Maße von der Polfläche 21-3 des Mittelschenkels 21-2 angezogen. Diese Art der Anziehung zwischen einem Schwenkanker und dem Joch eines Elektromagneten ist allgemein bekannt (z. B. Druckhammerantriebe der bekannten Systeme IBM 1403). Bei diesen bekannten Systemen verlaufen jedoch die Ebenen des Magnetflusses anders (z. B. in der Schwenkebene) als in der erfindungsgemäßen Anordnung.
  • Im übrigen entsprechen die Bezugszeichen der Fig. 3 denen der in Fig. 2 verwendeten.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung vereinigt die Vorteile einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung nach der EP-A 021 335 und üblichen bekannten Schwenkankersystemen.
  • Die Fign. 4A bis 4E zeigen ausschnittsweise Schnittdarstellungen in Analogie zu Fig. 3 mit verschiedenen Querschnittsformen für den Schwenkanker und die Magnetjochstruktur.
  • Der Magnetlinienverlauf im Joch, im Arbeitsspalt und in der Jochumgebung ist durch ausgezogene Linien gekennzeichnet. Je dichter diese Linien verlaufen, um so größer ist die Magnetflußdichte. Durch besondere Gestaltung des Schwenkankerquerschnittes und auch durch Abschrägung von freien Jochschenkelenden können besondere Magnetflußverläufe erzielt werden, welche spezifische Vorteile aufweisen;
    • Fig. 4A Schwenkanker und Jochschenkelenden mit innen abgeschrägten Kanten Vorteil: geringe Seitenkräfte bei asymmetrischer Lage des Schwenkankers im Arbeitsspalt (besonders am Ende des BeschIeunigungshubs);
    • Fig. 4B T-förmiger Schwenkanker und äußere Jochschenkelenden mit innen abgeschrägten Kanten Vorteil: hohe Energie bei kurzem Hub;
    • Fig. 4C Schwenkanker mit rechteckförmigem Querschnitt Vorteil: einfache Herstellung, geringe Ankermasse;
    • Fig. 4D Schwenkanker mit 1t -förmigem Querschnitt Vorteil: hohe Startbeschleunigung;
    • Fig. 4E Schwenkanker mit (umgekehrt) U-förmigem Querschnitt Vorteil: hohe Startbeschleunigung bei geringeren Seitenkräften als bei der Auführung gemäß Fig. 4D.

Claims (6)

1. Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für Schalt-, Hub- oder Stoßvorgänge mit einem Schwenkanker (1) und einem Elektromagneten (2), bestehend aus einer Erregerspule (3) und einer magnetisierbaren Jochstruktur (4), wobei der Schwenkanker bei Erregung des Elektromagneten von der Jochstruktur angezogen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Jochstruktur einen E-förmig ähnlichen Querschnitt mit zwei äußeren (5, 6), einem mittleren Schenkel (7) und einer allen Schenkeln gemeinsamen Basis (8) aufweist und dieser Querschnitt in der Magnetflussebene liegt, wobei die Polfläche (7A) des von der Erregerspule (3) umfaßten mittleren Schenkels (7) dem Schwenkanker (1) zugewandt ist, und die freien Enden der äußeren Schenkel in Richtung zueinander derart abgewinkelt sind,
daß zwischen ihren Polflächen (5A, 6A) ein magnetischer Arbeitsspalt (9) gebildet wird, außerhalb oder innerhalb dessen die Polfläche (7A) des mittleren Schenkels (7) liegt,
daß die Bewegungsebene (1A) des Schwenkankers (1) senkrecht zur Ebene (4A) des Magnetflusses (4B) der Jochstruktur (4) des Elektromagneten verläuft,
daß bei Erregung des Elektromagneten (2) der Schwenkanker (1) in den Arbeitsspalt (9) in an sich bekannter Weise durch die zwischen seinen Polflächen (5A, 6A) und dem Schwenkanker auftretenden Kräfte hineingezogen
und daß dabei der Schwenkanker (1) in zunehmendem Maße von der Polfläche (7A) des Mitteischenkels (7) angezogen wird, wobei der Magnetfluß des Mittelschenkels im wesentlichen hälftig über den Schwenkanker (1) zu jeweils einer Polfläche (5A, 6A) des Arbeitsspaltes (9) verläuft,
und daß die Länge des Schwenkankers (1) zwischen seiner Schwenkachse (10) und dem Arbeitsspalt (9) mehr als das Doppelte der Breite des Schwenkankers (1) zwischen den Polflächen (5A, 6A) des Arbeitsspaltes (9) beträgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Jochstruktur (4) symmetrisch zur mittig durch den Mittelschenkel (7), verlaufenden Bewegungsebene (1 A) des Schwenkankers (1) angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Breite (B) der Polfläche (7A) des Mittelschenkels (7) im wesentlichen der Hälfte des Abstandes (C) der den Arbeitsspalt (9) bildenden Polflächen (5A, 6A) der Außenschenkel (5, 6) beträgt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwenkung des Schwenkankers (22) eine Blattfederlagerung (22-2) dient.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwenkanker (22-3, 22-5, 22-6, 22-9, 22-8) in der Ebene (4A) des Magnetflusses (30) einen rechteckigen Querschnitt, einen gedachten rechteckigen Querschnitt mit abgeschrägten Kanten, einen T-förmigen, einen U-förmigen oder einen 7c - förmigen (22-8) Querschnitt aufweist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 5, gekennzeichnet durch ihre Anwendung für Anschlagdrucker.
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