EP1333453A2 - Drehmagnet - Google Patents

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EP1333453A2
EP1333453A2 EP03001580A EP03001580A EP1333453A2 EP 1333453 A2 EP1333453 A2 EP 1333453A2 EP 03001580 A EP03001580 A EP 03001580A EP 03001580 A EP03001580 A EP 03001580A EP 1333453 A2 EP1333453 A2 EP 1333453A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
armature
contour
pole shoe
rotary magnet
magnet according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03001580A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1333453A3 (de
Inventor
Bernd Hein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1333453A2 publication Critical patent/EP1333453A2/de
Publication of EP1333453A3 publication Critical patent/EP1333453A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01F7/14—Pivoting armatures
    • H01F7/145—Rotary electromagnets with variable gap

Definitions

  • the invention is based on a rotary magnet, in particular for rotary actuating sealing elements in flow valves, according to the preamble of Claim 1.
  • a known rotary magnet of this type is used, for example, in one Rotary armature relay or Z armature relay as drive element for the switching contact used (Philippow, Volume 5, page 862, Plate 4.6, VEB Verlagtechnik, Berlin 1980).
  • the contours of the pole shoe surfaces of the two pole shoes and the The outer contours of the two anchor legs have the shape of Arc sections and thus have a constant curvature.
  • On such a rotating magnet provides a sufficiently large torque and thus one sufficient adjustment force in a small range of rotation angles. For Adjustment movements over a larger range of rotation angles, e.g.
  • this rotary magnet is less suitable, because with one such a rotation angle range very large air gaps occur between anchor yoke and thus the magnetic resistance to form the magnetic field is very high is.
  • the magnetic force and the resulting torque Anchor movement is therefore relatively small.
  • the rotary magnet according to the invention has the features of claim 1 on the other hand the advantage that the contour formation according to the invention on the yoke pole shoes and on the armature legs even at large angles of rotation the magnetic field can spread optimally over the air gap.
  • Such Contour is created in a simple manner by a constantly changing curvature of the faces of pole shoes and anchor legs facing each other, whereby the curvature increases with increasing angle of rotation.
  • the one at anchor Current supply to the magnetic field attacking magnetic forces are in everyone Point of the contour of the outer surface of the anchor leg perpendicular to one of the Contour point created tangent. These magnetic forces each have one the axis of rotation of the armature force component and a related thereto right-angled force component pointing in the direction of rotation of the armature.
  • the contour of the Pole shoe surfaces and the contour of the outer surface of the armature legs have the shape of a Section of a spiral.
  • these are the torque generating magnetic force components over the scope of the Anchor leg outer surfaces of the same size.
  • the contour of the Pole shoe surfaces and the armature outer surfaces a section of a Involute on. Due to the greater curvature of an involute compared to one
  • the spiral takes on the magnetic force components that contribute to the torque every point of the outer surface over the circumference of an anchor leg, so that overall greater torque is achieved.
  • the axis of rotation of the Anchor and the centers of the contours of the pole piece surfaces and the contours the outer surface of the anchor leg is congruent.
  • the center points of the contours are the pole shoe surfaces and the respectively assigned contour of the outer side of the armature legs about an eccentricity e with respect to the axis of rotation of the armature added.
  • the lever arm becomes eccentricity of the contour centers with respect to the axis of rotation the magnetic force components acting on the outer contour of the armature perpendicular to those passing through the axis of rotation of the armature Magnetic force components extend, thus increasing the torque increased.
  • the direction of rotation of the armature is the same contour section another, smaller section of the outer surface lying under the pole shoe surface upstream, along which the air gap between the outer surface and Pole shoe area is significantly reduced.
  • This further section is preferably sawtooth-like with a steep tooth flank pointing to the contour-conforming section and formed with a continuously curved tooth back and is above the radial section of the same contour. The back of the tooth can be curved be carried out constantly or steadily increasing.
  • the rotary magnet according to the invention is preferably used in water valves Cooling water circuit of an internal combustion engine used, the armature rigid is coupled to a rotatable sealing element of the water valve. Through the Flow control by means of a rotary drive Sealing element, the flow resistance is minimized, with the Rotational movement of the sealing element without implementation directly from the Rotational movement of the armature in the rotary magnet is derived.
  • the rotating magnet shown schematically in Fig. 1 in perspective has a U-shaped yoke 11 made of ferromagnetic material, the so-called. Iron sheet package from a variety of the same sheet metal die cuts is composed. At the leg ends of the U-shaped yoke 11 is a Pair of identical, diametrically opposed pole pieces 12 formed, which receive a rotatably mounted armature 14 between them. On the yoke web connecting the legs of the yoke 11 is an excitation winding 13 applied.
  • the roller-shaped anchor which is also composed of sheet metal die cuts 14 has two armature legs 141, 142 which are diametrically aligned with respect to one another are identical.
  • An anchor leg 141 or 142 is one of the Assigned pole shoes 12.
  • the contour 15 of the outer surfaces 14a Anchor legs 141, 142 and the contour 16 of the anchor legs 141, 142 leaving an air gap 17 opposite pole faces 121 are of the same design and have a constantly changing curvature starting from the end position of the armature 14 shown in FIG. 1 (angle of rotation equal Zero) increases with increasing angle of rotation.
  • the center of curvature the contour 15 of the outer surface 14a of the armature leg 141 with the Center of curvature 18 of the contour 16 of the upper pole shoe surface 121 in FIG.
  • Eccentricity e are offset with respect to the axis of rotation 20. This will the contours 16 of the pole shoe surfaces 121 and the contours 15 of the armature leg outer surfaces 14a shifted outwards, and by the resulting Enlargement of the lever arm when the anchor 14 engages, unchanged Magnetic force achieves a greater torque.
  • the constantly changing curvature of the Contour 15 of the outer surfaces 14a of the armature legs 141, 142 and the contour 16 the pole shoe surfaces 121 of the pole shoes 12 are realized in that they are the same Sections of a spiral are executed.
  • Fig. 2 and Fig. 3 it is shown how the magnetic forces generated by the magnetic field on the armature 14 through the spiral contour to be influenced.
  • each in the individual contour points on anchor 14 attacking magnetic force 21, which is always at right angles on a contour point applied tangent is divided into its components 22 and 23, namely in one component 22 passing through the axis of rotation 20 and one perpendicular thereto standing component 22, the so-called normals, it can be seen that each Magnetic force component 23 with the contour radius of the armature 14 a torque generated while the magnetic force components 22 through the axis of rotation 20th go, cancel each other out.
  • the armature 14 is still in its end position, in which he only with a de-energized excitation winding 13 here schematically shown return spring 10 held or returned to this becomes.
  • return spring 10 By energizing the excitation winding 13, the above engage described magnetic forces on the armature 14 and rotate this in Fig. 2 and 3rd counterclockwise.
  • the anchor 14 In Fig. 3 the anchor 14 is at its maximum Deflection represented by the magnetic field.
  • the rotary magnet shown in FIGS. 4 and 5 is compared to that previously 1 - 3 modified rotary magnet in that the Contours 16 of the pole shoe surfaces 121 and the contours 15 of the outer surfaces 14a the armature legs 141, 142 each as the same sections of an involute are trained.
  • the Contours 16 of the pole shoe surfaces 121 and the contours 15 of the outer surfaces 14a the armature legs 141, 142 each as the same sections of an involute are trained.
  • the larger Change in curvature in the involute compared to the spiral leading to Torque at armature 14 contributing magnetic force components 23 larger and increase on each arm leg 141 in the direction of rotation 24.
  • a Rotating magnets on yoke 11 are two pairs of pole shoes, each with two diametrals opposite pole shoes 12 'present, the pole shoes 12 'are offset from one another by the same angle.
  • the armature 14 ' has an equal number of diametrical arm legs 141', 142 ', which are offset from one another by the same circumferential angle as that Pole shoes 12 '.
  • One arm leg 141 'or 142' is one of the pole pieces 12 'assigned and points in the set by the return spring Basic position, as shown in Fig. 6, an effective area that is equal to Pole shoe surface 121 'of the associated pole shoe 12'.
  • the rotary magnet shown in FIGS. 8 and 9 is compared to that of FIGS. 4 and 5 described rotary magnets only with regard to the design of the armature 14 modified.
  • the outer surface 14a of the armature legs 141, 142 has one Larger section 14a ', the contour of the pole shoe surface 121 of the Pole shoes 12 and a section with the same contour in the direction of rotation 14a 'upstream, smaller further section 14a ".
  • the further section 14a "of the outer surface 14a is sawtooth-like, with the steeper portion 14a 'pointing to the contour Tooth flank 32 and formed with a continuously curved tooth back 33 and stands radially over the contour-matched section 14a ', so that in the area of sawtooth-like section 14a "of the air gap 17 'is substantially smaller than that Air gap 17 over the contour-matched section 14a 'of the outer surface 14a.
  • each sawtooth-like section 14a " out of the area of the associated pole piece 12, and it results in essentially the same relationships as to Fig. 2 and 3 and Fig. 4 and 5 have been described.
  • Fig. 9 the rotary magnet is when it reaches another end rotational position (energized excitation winding 13) is shown.
  • the force relationships correspond to those as described for FIGS. 3 and 4 are.
  • it can also run as a section of a spiral.
  • the contour of the curved Tooth back 33 can also be designed differently, e.g. B. with a constant curvature or with a continuously increasing curvature.
  • each arm leg 141, 142 can also have several such sawtooth-like sections 14a " corresponding gradation can be provided on each arm leg 141, 142.
  • valve body 26 is cylindrical Valve chamber 27 formed with an inlet port 28 and a Drain connector 29 is connected.
  • One runs through the valve chamber 27 rotating shaft 31 coaxially through, on which a sealing element 30 rotatably is arranged.
  • the sealing element 30 is opposite the inner wall of the cylinder Valve chamber 27 sealed with sealing lips 301.
  • the shaft 31 is rotatably with the armature 14 of the rotary magnet, as shown in FIGS. 1-6, connected.
  • the sealing element 30 By appropriate energization of the excitation winding 13, the sealing element 30 from its valve closed position into an open position opening the valve are transferred as shown in dashed lines in Fig. 7.

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Abstract

Ein Drehmagnet weist ein mit einer Erregerwicklung (13) versehenes Joch (11), an dem mindestens ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Polschuhen (12) ausgebildet ist, und einen zwischen den Polschuhen (12) drehbar angeordneten Anker (14) auf, der mindestens ein Paar von zueinander diametral ausgerichteten Ankerschenkeln (141, 142) hat, deren Außenflächen (14a) eine zumindest abschnittweise gleiche Kontur wie die Polschuhflächen (121) besitzen und jeweils mit einem der Polschuhflächen (121) einen Luftspalt (17) begrenzen. Zur Erzielung eines ausreichend großen Drehmoments über einen relativ großen Drehwinkel des Ankers (14) ist die Konturenausbildung der Polschuhflächen (121) und der zugeordneten Ankerschenkel-Außenflächen (14a) so vorgenommen, daß mit zunehmendem Drehwinkel des Ankers (14) sich die radiale Breite der Luftspalte (17) zwischen den Polschuhen (12) und den Ankerschenkeln (141, 142) verkleinert (Fig. 1). <IMAGE>

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehmagneten, insbesondere für rotatorisch zu betätigende Dichtelemente in Strömungsventilen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekannter Drehmagnet dieser Art wird beispielsweise in einem Drehankerrelais oder Z-Ankerrelais als Antriebsglied für den Schaltkontakt eingesetzt (Philippow, Band 5, Seite 862, Tafel 4.6, VEB Verlag Technik, Berlin 1980). Die Konturen der Polschuhoberflächen der beiden Polschuhe und die Außenkonturen der beiden Ankerschenkel haben die Form von Kreisbogenabschnitten und weisen damit eine konstante Krümmung auf. Ein solcher Drehmagnet liefert ein ausreichend großes Drehmoment und damit eine ausreichende Verstellkraft in einem kleinen Drehwinkelbereich. Für Verstellbewegungen über einen größeren Drehwinkelbereich, z.B. 60°, mit einer großen, vorzugsweise über den gesamten Drehwinkelbereich konstanten Verstellkraft ist dieser Drehmagnet dagegen weniger geeignet, da bei einem solchen Drehwinkelbereich sehr große Luftspalte zwischen Anker Joch auftreten und damit der magnetische Widerstand zur Ausbildung des Magnetfelds sehr hoch ist. Die Magnetkraft und das daraus resultierende Drehmoment zur Ankerbewegung ist dadurch relativ klein.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drehmagnet mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die erfindungsgemäße Konturenausbildung an den Jochpolschuhen und an den Ankerschenkeln auch bei großen Drehwinkeln sich das Magnetfeld optimal über den Luftspalt ausbreiten kann. Eine solche Kontur wird in einfacher Weise durch eine sich stetig ändernde Krümmung der einander zugekehrten Flächen von Polschuhen und Ankerschenkeln erreicht, wobei die Krümmung mit zunehmenden Drehwinkel zunimmt. Die am Anker durch Bestromung der Erregerwicklung angreifenden Magnetkräfte stehen in jedem Punkt der Kontur der Ankerschenkel-Außenflächen senkrecht zu einer an den Konturpunkt angelegten Tangente. Diese Magnetkräfte weisen jeweils eine durch die Drehachse des Ankers gehende Kraftkomponente und eine hierzu rechtwinklige, in Drehrichtung des Ankers weisende Kraftkomponente auf. Während die durch die Drehachse verlaufenden Kraftkomponenten sich gegenseitig aufheben, bilden die zu diesen Kraftkomponenten senkrechten Kraftkomponenten mit dem Konturradius des Ankers ein Drehmoment, welches den Anker aus seiner Endlage herausdreht. Mit zunehmendem Drehwinkel des Ankers verringern sich zwar die Wirkflächen zwischen Anker und Joch unter jedem Polschuh, doch wird gleichzeitig die radiale Luftspaltbreite kleiner, so daß insgesamt die Magnetkraft, die den Anker dreht, über den Gesamtdrehbereich annähernd konstant bleibt. Durch Auswahl der Krümmung der Konturen kann die Magnetkraft beeinflußt werden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Drehmagneten möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat die Kontur der Polschuhflächen und die Kontur der Ankerschenkel-Außenfläche die Form eines Abschnitts einer Spirale. Eine Spirale ist als Kurve definiert, deren Radiusvektor r eine eindeutige Funktion des Winkels ϕ ist, wobei der Winkel von ϕ=0 bis ϕ=∞ geht. Bei einer spiralförmigen Kontur der Ankerschenkel-Außenfläche sind die das Drehmoment erzeugenden Magnetkraftkomponenten über den Umfang der Ankerschenkel-Außenflächen gleich groß.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kontur der Polschuhflächen und der Ankerschenkel-Außenflächen einen Abschnitt einer Evolvente auf. Durch die stärkere Krümmung einer Evolvente gegenüber einer Spirale nehmen die zum Drehmoment beitragenden Magnetkraftkomponenten an jedem Punkt der Außenflächen über den Umfang eines Ankerschenkels zu, so daß insgesamt ein größeres Drehmoment erzielt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Drehachse des Ankers und die Mittelpunkte der Konturen der Polschuhflächen und der Konturen der Ankerschenkel-Außenflächen deckungsgleich.
Wird ein größeres Drehmoment gewünscht, so sind die Mittelpunkte der Konturen der Polschuhflächen und der jeweils zugeordneten Kontur der Ankerschenkel-Außenflächen um eine Exzentrizität e gegenüber der Drehachse des Ankers versetzt. Die Konturmittelpunkte der Kontur jeder Polschuhfläche und der zugeordneten Kontur der Ankerschenkel-Außenfläche bleiben jedoch kongruent, um die Drehbewegung des Ankers im Joch zu gewährleisten. Durch die Exzentrizität der Konturmittelpunkte gegenüber der Drehachse wird der Hebelarm der an der Außenkontur des Ankers angreifenden Magnetkraftkomponenten, die sich rechtwinklig zu den durch die Drehachse des Ankers gehenden Magnetkraftkomponenten erstrecken, vergrößert und damit das Drehmoment gesteigert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt der mit der Polschuhfläche konturengleiche Abschnitt der Außenfläche eines jeden Außenschenkels in der vom Anker infolge stromloser Erregerwicklung eingenommenen Enddrehlage sich nur über einen Teil der Polschuhfläche. In Drehrichtung des Ankers gesehen ist dem konturengleichen Abschnitt ein weiterer, unter der Polschuhfläche liegender, kleinerer Abschnitt der Außenfläche vorgeordnet, längs dessen der Luftspalt zwischen Außenfläche und Polschuhfläche deutlich reduziert ist. Vorzugsweise ist dieser weitere Abschnitt sägezahnartig mit zum konturengleichen Abschnitt weisender, steiler Zahnflanke und mit stetig gekrümmtem Zahnrücken ausgebildet und steht über den konturengleichen Abschnitt radial vor. Die Krümmung des Zahnrückens kann dabei konstant oder stetig zunehmend ausgeführt sein. Durch die Verringerung der Luftspaltbreite in diesem in Drehrichtung gesehenen Endbereich des Polschuhs erhöht sich hier die partielle Magnetkraft, so daß am Anfang der Drehbewegung des Ankers, bei dem der Luftspalt zwischen Polschuhfläche und Außenfläche des Ankers am größten und damit die ein Drehmoment erzeugende Magnetkraft am kleinsten ist, das auf den Anker wirkende Drehmoment wesentlich vergrößert ist. Nach einer kleineren Drehbewegung des Ankers dreht sich der sägezahnartige Abschnitt aus dem Polschuh heraus. Da sich bis dahin aber der Luftspalt über dem mit der Polfläche konturengleichen Abschnitt der Außenfläche zunehmend verkleinert hat, bleibt das auf den Anker wirkende Drehmoment weiter ausreichend groß, und es stellen sich die eingangs dieses Abschnitts beschriebenen Verhältnisse ein.
Der erfindungsgemäße Drehmagnet wird bevorzugt in Wasserventilen im Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine eingesetzt, wobei der Anker starr mit einem drehbaren Dichtelement des Wasserventils gekoppelt ist. Durch die Steuerung des Durchflusses mittels eines rotatorisch angetriebenen Dichtungselements wird der Strömungswiderstand minimiert, wobei die Rotationsbewegung des Dichtelements ohne Umsetzung direkt von der Drehbewegung des Ankers im Drehmagneten abgeleitet ist.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1
eine perspektivische Darstellung eines Drehmagneten,
Fig. 2 und 3
jeweils ausschnittweise eine Seitenansicht des Drehmagneten in Fig. 2 und 3 mit zwei unterschiedlichen Endlagen des Ankers,
Fig. 4 und 5
jeweils eine gleiche Darstellung wie in Fig. 2 und Fig. 3 eines gegenüber dem Drehmagneten in Fig. 1 modifizierten Drehmagneten,
Fig. 6
eine Ansicht eines Drehmagneten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 7
einen Längsschnitt eines von dem Drehmagneten betätigten Strömungventils,
Fig. 8 und 9
jeweils eine gleiche Darstellung wie in Fig. 4 und 5 eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Drehmagneten mit einem gegenüber dem Drehmagneten in Fig. 4 und 5 modifizierten Anker.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Fig. 1 schematisch in perspektivischer Darstellung gezeigte Drehmagnet weist ein U-förmiges Joch 11 aus ferromagnetischem Material auf, das als sog. Eisenblechpaket aus einer Vielzahl von gleichen Blechstanzschnitten zusammengesetzt ist. An den Schenkelenden des U-förmigen Jochs 11 ist ein Paar von gleichen, einander diametral gegenüberliegenden Polschuhen 12 ausgebildet, die zwischen sich einen drehbar gelagerten Anker 14 aufnehmen. Auf dem die Schenkel des Jochs 11 verbindenden Jochsteg ist eine Erregerwicklung 13 aufgebracht.
Der ebenfalls aus Blechstanzschnitten zusammengesetzte, walzenförmige Anker 14 weist zwei zueinander diametral ausgerichtete Ankerschenkel 141, 142 auf, die identisch ausgebildet sind. Jeweils ein Ankerschenkel 141 bzw. 142 ist einem der Polschuhe 12 zugeordnet. Die Kontur 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 und die Kontur 16 der den Ankerschenkeln 141, 142 unter Belassung jeweils eines Luftspalts 17 gegenüberliegenden Polflächen 121 sind gleich ausgebildet und weisen eine sich stetig ändernde Krümmung auf, die ausgehend von der Fig. 1 gezeigten Endlage des Ankers 14 (Drehwinkel gleich Null) mit zunehmendem Drehwinkel zunimmt. Dabei ist der Krümmungsmittelpunkt der Kontur 15 der Außenfläche 14a des Ankerschenkels 141 mit dem Krümmungsmittelpunkt 18 der Kontur 16 der in Fig. 1 oberen Polschuhfläche 121 sowie der Krümmungsmittelpunkt 19 der Kontur 15 der Außenfläche 14a des Ankerschenkels 142 mit dem Krümmungsmittelpunkt der Kontur 16 der in Fig. 1 und 2 unteren Polschuhfläche 121 jeweils deckungsgleich. Dies ist erforderlich, damit eine Drehbewegung des Ankers 14 zwischen den Polschuhflächen 121 gewährleistet ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 fallen die beiden genannten Krümmungsmittelpunkte 18, 19 der Konturen 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 und der Konturen 16 der Polschuhflächen 121 zudem mit der Drehachse 20 des Ankers 14 zusammen. Wie nur in Fig. 2 angedeutet ist (ohne, daß es auf die dort dargestellten Konturen 15, 16 zutrifft), können die beiden Krümmungsmittelpunkte 18, 19 auch um einen Radialabstand, einer sog. Exzentrizität e, gegenüber der Drehachse 20 versetzt werden. Hierdurch werden die Konturen 16 der Polschuhflächen 121 und die Konturen 15 der Ankerschenkel-Außenflächen 14a nach außen verschoben, und durch die damit bewirkte Vergrößerung des Hebelarms bei am Anker 14 angreifender, unveränderter Magnetkraft ein größeres Drehmoment erzielt.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 - 3 ist die sich stetig ändernde Krümmung der Kontur 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 und der Kontur 16 der Polschuhflächen 121 der Polschuhe 12 dadurch realisiert, daß sie als gleiche Abschnitte einer Spirale ausgeführt sind. In Fig. 2 und Fig. 3 ist dargestellt, wie die durch das Magnetfeld erzeugten Magnetkräfte am Anker 14 durch die Spiralkontur beeinflußt werden. Wird jede in den einzelnen Konturpunkten am Anker 14 angreifende Magnetkraft 21, die immer rechtwinklig auf einer im Konturpunkt angelegten Tangente steht, in ihrer Komponenten 22 und 23 aufgeteilt und zwar in eine durch die Drehachse 20 gehende Komponente 22 und eine dazu senkrecht stehende Komponente 22, die sog. Normale, so erkennt man, daß jede Magnetkraftkomponente 23 mit dem Konturradius des Ankers 14 ein Drehmoment erzeugt, während die Magnetkraftkomponenten 22, die durch die Drehachse 20 gehen, sich gegenseitig aufheben.
In der Darstellung der Fig. 2 befindet sich der Anker 14 noch in seiner Endlage, in welcher er bei nicht bestromter Erregerwicklung 13 durch eine hier nur schematisch dargestellte Rückstellfeder 10 gehalten bzw. in diese zurückgestellt wird. Durch Bestromen der Erregerwicklung 13 greifen die vorstehend beschriebenen Magnetkräfte am Anker 14 an und drehen diesen in Fig. 2 und 3 entgegen Uhrzeigersinn. In Fig. 3 ist der Anker 14 in seiner maximalen Auslenkung durch das Magnetfeld dargestellt. Bei der Drehung des Ankers 14 werden die Wirkflächen zwischen den Ankerschenkeln 141 und 142 und den zugeordneten Polschuhen 12 zwar stetig verringert, doch verringert sich auch die radiale Breite der Luftspalte 17 zwischen den Polschuhflächen 121 und den Ankerschenkeln 141, 142, so daß der magnetische Widerstand abnimmt. Dadurch wird der Abnahme der Magnetkraft durch die Verringerung der Wirkflächen zwischen Anker 14 und Polschuhen 12 entgegengewirkt, so daß die am Anker 14 über den Drehbereich angreifende Magnetkraft im wesentlichen konstant bleibt. Will man bei unveränderter Magnetkraft ein größeres Drehmoment am Anker 14 abnehmen, so sind - wie bereits vorstehend beschrieben - die Krümmungsmittelpunkte 18, 19 der Konturen 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 und der diesen jeweils zugeordneten Konturen 16 der Polschuhflächen 121 gegenüber der Drehachse 20 radial zu versetzen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
Der in Fig. 4 und 5 dargestellte Drehmagnet ist gegenüber dem zuvor beschriebenen Drehmagneten gemäß Fig. 1 - 3 insofern modifiziert, als die Konturen 16 der Polschuhflächen 121 und die Konturen 15 der Außenflächen 14a der Ankerschenkel 141, 142 jeweils als gleiche Abschnitte einer Evolvente ausgebildet sind. Wie der Darstellung der am Ankerumfang angreifenden Magnetkräfte in Fig. 4 und 5 zu entnehmen ist, sind durch die größere Krümmungsänderung in der Evolvente gegenüber der Spirale die zum Drehmoment am Anker 14 beitragenden Magnetkraftkomponenten 23 größer und nehmen an jedem Ankerschenkel 141 in Drehrichtung 24 zu. Damit wird bei der Konturenausbildung als Evolvente gegenüber der Konturenausbildung als Spirale bei gleichem Radius des Ankers 14 ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten, weiteren Ausführungsbeispiel eines Drehmagneten sind am Joch 11 zwei Polschuhpaare mit jeweils zwei diametral einander gegenüberliegenden Polschuhen 12' vorhanden, wobei die Polschuhe 12' um gleiche Winkel gegeneinander versetzt angeordnet sind. Entsprechend weist der Anker 14' eine gleiche Anzahl von diametralen Ankerschenkeln 141', 142' auf, die um den gleichen Umfangswinkel zueinander versetzt sind wie die Polschuhe 12'. Jeweils ein Ankerschenkel 141' bzw. 142' ist einem der Polschuhe 12' zugeordnet und weist in der durch die Rückstellfeder festgelegten Grundstellung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, eine Wirkfläche auf, die gleich der Polschuhfläche 121' des zugeordneten Polschuhs 12' ist. Auf die die Polschuhe 12' verbindenden Schenkel des Jochs 11' sind insgesamt vier Erregerwicklungen 13' aufgewickelt, die so bestromt werden, daß im Joch 11' ein durch die in Fig. 6 dargestellten Pfeile symbolisierter Magnetfluß entsteht. Die Wirkungsweise des Drehmagneten gemäß Fig. 6 stimmt mit der Wirkungsweise der zuvor beschriebenen Drehmagneten überein, so daß hierauf Bezug genommen wird. Die Konturen 15 der Außenfläche 14a der Ankerschenkel 141', 142' und die Konturen 16 der Polschuhflächen 121 der Polschuhe 12' sind wiederum als Abschnitt einer Spirale oder einer Evolvente ausgebildet.
Der in Fig. 8 und 9 dargestellte Drehmagnet ist gegenüber dem zu Fig. 4 und 5 beschriebenen Drehmagneten lediglich hinsichtlich der Ausbildung des Ankers 14 modifiziert. Die Außenfläche 14a der Ankerschenkel 141, 142 weist einen größeren Abschnitt 14a', der konturengleich mit der Polschuhfläche 121 der Polschuhe 12 ist und einen in Drehrichtung diesem konturengleichen Abschnitt 14a' vorgeordneten, kleineren weiteren Abschnitt 14a" auf. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel des Drehmagneten in Fig. 4 und 5, bei dem die gesamte Außenfläche 14a konturengleich mit der Polschuhfläche 121 ist und in der Fig. 4 dargestellten Enddrehlage des Ankers 14 (stromlose Erregerwicklung) sich über die volle Polschuhfläche 121 erstreckt, erstreckt sich bei dem Drehmagneten gemäß Fig. 8 und 9 in der in Fig. 8 dargestellten Enddrehlage (stromlose Erregerwicklung) der konturengleiche Abschnitt 14a' der Außenfläche 14a über den größten Teil der Polschuhfläche 121, während der weitere Abschnitt 14a" von dem verbleibenden, in Drehrichtung des Ankers 14 vorderen Bereich der Polschuhfläche 121 überdeckt ist. Der weitere Abschnitt 14a" der Außenfläche 14a ist sägezahnartig mit zum konturengleichen Abschnitt 14a' weisender, steiler Zahnflanke 32 und mit stetig gekrümmtem Zahnrücken 33 ausgebildet und steht über den konturengleichen Abschnitt 14a' radial vor, so daß im Bereich des sägezahnartigen Abschnitts 14a" der Luftspalt 17' wesentlich kleiner ist als der Luftspalt 17 über dem konturengleichen Abschnitt 14a' der Außenfläche 14a. Wird die Erregerwicklung 13 (Fig. 1) bestromt, so werden wie zu Fig. 2 und 3 beschrieben im Bereich des konturengleichen Abschnitts 14a' die Magnetkräfte 21 mit den Komponenten 22 und 23 erzeugt, während in dem weiteren, sägezahnartigen Abschnitt 14a" aufgrund des dort wesentlich kleineren Luftspalts 17' größere Magnetkräfte 21' mit den Komponenten 22' und 23' auftreten. Wie in der Darstellung in Fig. 8 zu sehen ist, ist die das Drehmoment erzeugende Kraftkomponente 23" im Bereich des weiteren Abschnitt 14a" wesentlich größer als die Kraftkomponente 23 in dem konturengleichen Abschnitt 14a'. Damit wird zu Beginn der Drehbewegung des Ankers 14 ein sehr viel größeres Drehmoment erzeugt, das bis ca. 70% größer ist als das Drehmoment am Anfang der Drehbewegung bei dem Drehmagneten in Fig. 4 und 5.
Nach einer kurzen Drehbewegung dreht sich jeder sägezahnartige Abschnitt 14a" aus dem Bereich des zugeordneten Polschuhs 12 heraus, und es ergeben sich im wesentlichen die gleichen Verhältnisse, wie sie zu Fig. 2 und 3 bzw. zu Fig. 4 und 5 beschrieben worden sind. In Fig. 9 ist der Drehmagnet bei Erreichen seiner anderen Enddrehlage (bestromte Erregerwicklung 13) dargestellt. Auch hier entsprechen die Kräfteverhältnisse denen, wie sie zu Fig. 3 und 4 beschrieben sind.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 und 9 ist die Kontur 15 des konturengleichen Abschnitts 14a' sowie die Kontur 16 der Polschuhfläche 121 wie bei dem Ausführungsbeispiel des Drehmagneten in Fig. 4 und 5 als Evolvente ausgeführt. Sie kann aber wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 auch als Abschnitt einer Spirale ausgeführt werden. Die Kontur des gekrümmten Zahnrückens 33 kann ebenfalls unterschiedlich ausgeführt werden, z. B. mit einer konstanten Krümmung oder mit einer stetig zunehmenden Krümmung.
Um den Drehmagneten an jeweils erforderlichen Bedingungen anzupassen, können auch mehrere solcher sägezahnartiger Abschnitte 14a" mit entsprechender Abstufung an jedem Ankerschenkel 141, 142 vorgesehen werden.
Die vorstehend beschriebenen Drehmagneten werden bevorzugt zur Betätigung von Wasserventilen im Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Bei einem solchen in Fig. 7 im Schnitt schematisiert dargestellten Wasserventil 26 als Ausführungsbeispiel für ein allgemeines Strömungsventil hat sich gezeigt, daß der Strömungswiderstand, den das Ventil dem Wasserdurchfluß entgegensetzt, wesentlich geringer ist, wenn das Dichtelement zum Öffnen und Schließen des Ventils nicht eine - wie bisher üblich - translatorische, sondern eine rotatorische Bewegung ausführt. Daher ist in dem Ventilkörper 26 eine zylindrische Ventilkammer 27 ausgebildet, die mit einem Zuflußstutzen 28 und einem Ablaufstutzen 29 in Verbindung steht. Durch die Ventilkammer 27 läuft eine drehend gelagerte Welle 31 koaxial hindurch, auf der ein Dichtelement 30 drehfest angeordnet ist. Das Dichtelement 30 ist gegenüber der Zylinderinnenwand der Ventilkammer 27 mit Dichtlippen 301 abgedichtet. Die Welle 31 ist drehfest mit dem Anker 14 des Drehmagneten, wie er in Fig. 1 - 6 dargestellt ist, verbunden. Durch entsprechende Bestromung der Erregerwicklung 13 kann das Dichtelement 30 aus seiner Ventilschließstellung in eine das Ventil öffnende Offenstellung überführt werden, wie sie in Fig. 7 strichliniert eingezeichnet ist.

Claims (14)

  1. Drehmagnet, insbesondere für rotatorisch zu betätigende Dichtelemente in Strömungsventilen, mit einem Joch (11) aus ferromagnetischem Material, mit mindestens einer vom Joch (11) aufgenommenen Erregerwicklung (13), mit mindestens einem Paar von am Joch (11) ausgebildeten, einander diametral gegenüberliegenden Polschuhen (12), deren einander zugekehrte Polschuhoberflächen (121) eine gleiche, gekrümmte Kontur (16) aufweisen, und mit einem zwischen den Polschuhen (12) drehbar angeordneten Anker (14), der mindestens ein Paar von zueinander diametral ausgerichteten Ankerschenkeln (141, 142) aufweist, deren Außenflächen (14a) eine zumindest abschnittweise gleiche Kontur (15) wie die Polschuhflächen (121) aufweisen und jeweils mit einem der Polschuhflächen (121) einen Luftspalt (17) begrenzen, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Konturen (15, 16) von Polschuhflächen (121) und zugeordneten Ankerschenkel-Außenflächen (14a), daß mit zunehmendem Drehwinkel des Ankers (14) sich die radiale Luftspaltbreite der Luftspalte (17) zwischen den Polschuhen (12) und den Ankerschenkeln (141, 142) reduziert.
  2. Drehmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen (15, 16) der Polschuhflächen (121) und der Ankerschenkel-Außenflächen (14a) eine sich stetig ändernde Krümmung aufweisen, die über den Drehwinkelbereich des Ankers (14) zunimmt.
  3. Drehmagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (15, 16) von Polschuhflächen (121) und Ankerschenkel-Außenflächen (14a) jeweils ein Abschnitt einer Spirale ist.
  4. Drehmagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (15, 16) von Polschuhflächen (121) und Ankerschenkel-Außenflächen (14a) jeweils ein Abschnitt einer Evolvente ist.
  5. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturmittelpunkte (17, 18) der Konturen (15, 16) jeder Polschuhfläche (121) und der zugeordneten Ankerschenkel-Außenfläche (14a) kongruent sind.
  6. Drehmagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (20) des Ankers (14) und die kongruenten Konturmittelpunkte (17, 18) der Konturen (15, 16) der Polschuhflächen (121) und Ankerschenkel-Außenflächen (14a) deckungsgleich sind.
  7. Drehmagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kongruenten Konturmittelpunkte (17, 18) der Konturen (15, 16) jeder Polschuhfläche (121) und der zugeordneten Ankerschenkel-Außenflächen (14a) eine Exzentrizität (e) gegenüber der Drehachse (20) des Ankers (14) aufweisen.
  8. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Anker (14) eine Rückstellfeder (10) angreift, die bei stromloser Erregerwicklung (13) den Anker (14) in einer Enddrehlage hält und diesen nach Auslenkung in die Endlage zurückführt.
  9. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhflächen (121) und Ankerschenkel-Außenflächen (14a) annähernd flächengleich ausgebildet sind.
  10. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Joch (11') mindestens zwei Polschuhpaare mit jeweils diametral einander gegenüberliegenden Polschuhen (12') vorhanden sind und daß der Anker (14') eine gleiche Anzahl von diametralen Ankerschenkeln (141', 142') aufweist, die um einen gleichen Winkel zueinander versetzt sind wie die Polschuhe (12').
  11. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Polschuhfläche (121) konturengleiche Abschnitt der Außenfläche (14a) eines jeden Außenschenkel (141, 142) bei der mit stromloser Erregerwicklung (13) vom Anker (14) eingenommenen Enddrehlage sich über die volle Polschuhfläche (121) erstreckt.
  12. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Polschuhfläche (121) konturengleiche Abschnitt (14a') der Außenfläche (14a) eines jeden Außenschenkels (141, 142) bei der mit stromloser Erregerwicklung (13) vom Anker (14) eingenommenen Enddrehlage sich über den größeren Teil der Polschuhfläche (121) erstreckt und daß in Drehrichtung des Ankers (14) dem konturengleichen Abschnitt (14a') mindestens ein weiterer Abschnitt (14a") der Außenfläche (14) vorgeordnet ist, in dem der Luftspalt (17') zwischen Außenfläche (14a) und Polschuhfläche (121) reduziert ist.
  13. Drehmagnet nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Abschnitt (14a") der Außenfläche (14a) sägezahnartig mit zum konturengleichen Abschnitt (14a') weisender, steiler Zahnflanke (32) und mit stetig gekrümmtem Zahnrücken (33) über den konturengleichen Abschnitt (14a') radial vorsteht.
  14. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 - 13, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem Wasserventil (25) im Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine, indem der Anker (14) starr mit einem drehbaren Dichtelement (30) des Wasserventils (25) gekoppelt ist.
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