DE1564082A1 - Elektromagnetischer Drehmomentgeber - Google Patents

Description

Dr.-Ing. Holzhäuser

tanwalt

Heberlein & 0o„ AG., Wattwil / Schweiz

"Elektromagnetischer Drehmomentgeber"

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Drehmomentgeber, bei dem ein ferromagnetischer Kern eines Elektromagneten und ein mit demselben zusammenarbeitender, ferromagnetischer Anker ausgeprägte Pole aufweisen, die sich bei Erregung der Spule des Elektromagneten aufeinander ausrichten.

Bei einem bekannten Drehmomentgeber dieser Art liegen sowohl die Pole des Kernes, als diejenigen des Ankers außerhalb der Erregerspule auf einer Seite derselben. Diese Konstruktion, die verhältnismäßig aufwendig ist, hat sich in der Praxis nicht eingebürgert, in welcher meistens ein Elektromagnet benutzt wird, der einen Anker achsial bewegt, von dessen Aahsialbewegung mittels einer schief on Kugelbahn eine Drehbewegung abgeleitet wird_e Bei solchen Drehmomentgebern ist das Anfangsdrehraoment klein und das Bnddrehmoment groß, so daß es in. gewissen BewegungEJbereLohen äußerst nohwierig ist, eine stabile ßin-

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stellung des Ankers zu erzielen. Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beheben und einen Drehmomentgeber der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der bei relativ kleinem Materialaufwand und Raumbedarf ein relativ großes Drehmoment erzeugt und zugleich die Erzielung stabiler Einstellungen in einem relativ großen Winkelbereich ermöglicht. ₍Der Drehmomentgeber nach der Erfindung zeichnet sich dadurch 'aus, daß der ferromagnetische Kern des Elektromagneten einen Mantel und zwei denselben abschließende Deckel aufweist, zwischen denen der Anker auf einer 7/elle befestigt ist, die in beiden Deckeln zentral gelagert und durch mindestens einen derselben hindurch geführt ist, und daß die Deckel einwärts ragende Polschuhe aufweisen, welche η ausgeprägte Pole bilden, wobei der Anker auf jeder seiner Stirnseiten ebenfalls η ausgeprägte Pole aufweist, und die Pole am Anker und an jedem Deckel um jeweils gegeneinander versetzt sind.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es isti

Pig. 1 ein Längsschnitt durch einen Drehmomentgeber mit zweipoligem Elektromagneten} ein Querschnitt gemäß Linie II - II von Pig. 1 ', ein Querschnitt gemäß Linie III-III von Pig. Ij ein Längsschnitt durch einen Drehmomentgeber mit vierpöligem Elek troniagne ten ; ein Querschnitt gemäß Linie V - V" von H¹Lg, 4; ein Querschnitt gemäß Linie VI - VI von Pig. 4; ein -Längsschnitt durch einen Drehmomentgeber mit sechnpo'l. Lgem Blök troinagno ten;

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Pig.	2
Pig.	3
Pig.	4
Pig.	5
Fig.	6
Fig.	7

Fig. 8 ein Querschnitt gemäß Linie VIII-VIII von Fig« 7j Fig. 9 ein Querschnitt gemäß Linie IX -IX von Fig« 8j und Fig. 10 ein zur ^Erläuterung der Wirkungsweise der dargestellten Drehmomentgeber dienendes Diagramm«

Der in Fig. 1 - 3 dargestellte Drehmomentgeber weist einen Elektromagneten 1 auf, dessen ferromagnetischer Kern aus einem zylindrischen Mantel 2 und zwei denselben abschließenden Deckeln 3 und 3¹ besteht. Innerhalb des Mantels 2 ist die Erregerspule 4 des Elektromagneten 1 auf einer Spulenhülee 5 mit zwei Endflanschen 6 angeordnet. Innerhalb der Spule 4 befindet sich ein ferromagnetischer Anker 7» der mittels eines Stiftes 8 auf einer Welle 9befestigt ist,

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welche in der AjLe des Elektromagnetes 1 liegt» Die Welle 9 ist durch die beiden Deckel 3 und 3' hindurch geführt und in denselben mittels Kugellagern 10 gelagert, deren axiale Lage durch Abschlußscheiben 11 und Buchsen 12 gesichert ist·

Der Deckel 3 weist einen Flansch 13 auf, der an einer Schulter 14 des Mantels 2 und am Flansch 6 der Spulenhülse 5 liegt· Der Deckel 3 bildet einen Polschuh 15» der zentral in die Hülse 5, bis in die Nähe des Ankers 7 hinein ragt. Der in Fig. 1 und 3 obere -Teil des Polschuhes 15 ist längs einer zur Welle 9 unter einem Winkel von etwa 70° geneigten Ebene abgeschrägt, wobei der Scheitel 16 seiner nach innen gerichteten,- halbelliptischen Oberfläche 17 den größten Abstand vom Anker 7 hat. Der untere Teil des Polschuhes 15 wird dagegen von einer halbkreisförmigen, zur.lelle 9 senkrechten Ebene begrenzt, so daß er einen ausgeprägten Pol 18 bildet* Der Deckel 3* ist genau so auegebildet wie der Deekel 3, wobei aber ein ausgeprägter Pol 18¹ um 180° gegenüber dem Pol 18 versetzt ist.

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Der in I'ig. 1 und 2 untere Teil des Ankere 7 weist auf der linken Stirnseite eine halbelliptische Oberfläche 19 auf, deren Scheitel 20 den größten Abstand von dem Deckel 3 hat. Der obere Teil der linken Stirnseite deS Ankers 7 wird dagegen von einer halbkreisförmigen, zur Welle 9 senkrechten Ebene begrenzt, so daß er einen ausgeprägten Pol bildet. Die rechte Stirnseite des Ankers 7 ist genau so ausgebildet wie die linke Stirnseite, wobei aber der ausgeprägte Pol 21' gegenüber dem Pol 21 um 180° versetzt ist»

In der in Fig. 1-5 gezeichneten Lage des Ankers, 21, liegen die ausgeprägten Pole 18 und 18' der Deckel 3 und 3¹ den Schrägflächen 19 und 19' des Ankers 7, und die ausgeprägten Pole 21 und 21· des Ankers 7 den Schrägflächen 17 und 17^! der Deckel 3 und 3' gegenüber, so daß der magnetische Widerstand des Magnetkreises 2, 3» 7_f 3¹ maximal ist. Bei Drehung des Ankers 7 um 180° kommen dessen Pole 21 und 21· auf die Pole 18 und 18» zu liegen, so daß dann der magnetische Widerstand des Magnetkreises 2_f3f7f5^r minimal ist. Bei Erregung des Elektromagneten 1 ist derselbe bestrebt, den Anker 7 in die Lage geringsten magnetischen Widerstandes zu drehen, also in die gegenüber der Zeichnung um 180° verdrehte Lage. Wenn man der !Spule 4 Strom zuführt, während sich der Anker 7 in der dargestellten Lage befindeti so ist es wegen der Symmetrie der Anordnung unbestimmt, nach welcher .Seite sich der Anker 7 dreht j diese Lage ist also labil, während die entgegengesetzte liege stabil ist.

Die Größe des elektromagnetisch erzeugten Drehmomente« IjL in Punktion des in bezug auf die labile Lage (0°) gemessenen

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Drehwinkels £ ist in Pig. 10 qualitativ dargestellt. Das Drehmoment M^,nimmt zunächst zwischen O⁰ und etwa 20° von Null ausgehend rasch zu, bleibt dann in einem sehr weiten Bereich angenähert konstant und fällt dann zwischen etwa 160° und 180° wieder rasch auf Null ab. Das Widerstandsdrehmoment, das duroh den Drehmomentgeber überwunden werden soll, kann beispielsweise Von einer inJFig-· 1 sohematisch angedeuteten Torsionsfeder 22 herrühren, die bestrebt ist, den Anker 7 in Bichtung des in Fig. 2 gestrichelt geseiohneten Pfeiles 25 zu verdrehen. Es wird nun, z.B, an einem der Deckel 3 oder 3'» ein nur in fig· 2 echematisch angedeuteter, ortsfester Anschlag 24 vorgesehen, der mit einem an der Welle 9 befestigten, ebenfalls nur in lig. 2 schematisch angedeuteten Anschlagarm 25 zusammenarbeitet. Der Anschlag 24 1st uo ©inen Winkel &■■ von z.B. etwa 2Q® gegen dije dargestellte* labile £age versetzt, und bei Niöhtsrregung des? Spule 4 liegt der Ansoalagarm 25 am Aftsehlag 24 ,Wird di® Sgwla 4 «r^egt* ao wird dar Anker t üvucab.

elektromagnetieoli »raeugte Drel»iömen1# K₉ in $iebtung des Pfeiles 26 gedraiit_s Das FederOrshiaoiaeiit M_f laIi.

unter der Anrjajam» dargdstdllt,, daß die Fadar beim wiaksl m,. _σ eine. Yosspunnwig M^_Q hat· und linear verfÄaft, Se

ist ersiehtliots» daß der Ankea? 7,ei©ii auf dea Winktl 4 ₁ . wird, Sa dem M_Q » E^ ist». _ - ■ \ \

'Die.; Kurve JSf₆". giXa gelbstverstäadliol. für .eine konstant© Stär.k® des Erregersti?o®as während für stärkerea Erregorstrom das elöktromagaetisoa. ®ra®ixgt@ Breh moment M_Ä ⁵ natürlich größer ist* Bei äam inlig_e 10 aBga«-:v aommeaea. - gf.ptriQ^eXt/^ezeichaatea .■ Verlauf troa M_^? stallt. _.der .4fike?_;-T .däftaa:; untes? cltm'.jDcthwlak·^ C.. 1 - '

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Drehmoment M ist in einem weiten Strombereich der Stromstärke angenähert proportional, und im Bereiche von ca. 20° bis ca. 160° jeweils angenähert konstant j dies gewährleistet - im Gegensatz zu bekannten Drehmomentgebern - stets eine gut definierte Einstell-Iage des Ankers 7, indem die Neigung der Federcharakteristik M_f so gewählt werden kann, daß sich nirgends ein schleifender Schnilit mit den Kurven Jfi , Ii' usw. ergibt. Vorzugsweise wird auch bei einem Sndwinkel& von ca. 160 ein ortsfester Anschlag 27 für den Anschlagarm 25 vorgesehen, so daß der Anker 7 nur in dem Bereich von ca. 20° - 160° drehbar ist, in dem das von einem konstanten Erregerstrom erzeugte Drehmoment M_ oder M · etc· konstant ist.

Die Ausführungsform nach fig. 4-6 unterscheidet sich von derjenigen naoh fig· 1-3 dadurch, daß jeder Deckel 28 zwei ausgeprägt« Pole 29ι und der Anker 30 auf jeder Seite ebenfalls zwei ausgeprägte Pole 31 aufweist. Die beiden um 180° gegeneinander versetzten Pole 29 des Deckels 28 sind durch zwei symmetrische Ausfräsungen 32 des Polschuhes 33 voneinander getrennt, der in die Spulenhülse 5 hineinragt und diese Pole 29 bildet. Die Ausfräsungen 32, deren Querschnitt nach innen kreisbogenförmig begrenzt ist, haben überall die gleiche Tiefe· Diese herstelluügetechnisch sehr zweckmäßige formgebung ist aber für die Erreichung des gewünschten Zieles nicht unbedingt nötig, ebenso wie auch die flächen 17 und 19 im falle von flg. 1-3 nicht unbedingt eben sein müßen, sondern z.B. kaakav ausgebildet w@i°&®sl k'oanen· fichtig ist aber, daß die Pole 29» bzw. die Ausfräsungen 32 eich je über einen Winkel von ea· 90° erstrecken· Die Pole 31 des Ankers 30 sind ebenfalls durch im Querschnitt kreisbogenförmig begrenzte 34 begrenzt .für die dasselbe gilt, wie für die

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Ausfräsungen 32. Die beiden Deckel 28 befinden sich in genau gleichen Lagen, siad also nicht winkelmäßig gegeneinander versetzt wie die Deckel 3 und 3¹·

Der Anker 30 ist in Fig«, 4-6 ebenfalls in der labilen lage gezeichnet, und es sind wieder ortsfeste Anschläge 35 vorgesehen, die mit einem auf der Welle 9 befestigten An-. schlagarm 37 zusammenarbeiten. Diese Anschläge grenzen in dem an sich möglichen Arbeitsbereich von Θ⁰ bis 90° einen Nutzbereich Q_1n bis a von ca. 10° bis 80° ab, in dem das

Drehmoment M bei konstantem Erregerstrom wiederum praktisch e

konstant ist.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 - 9 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 4-6 lediglich dadurch, daß jeder Deckel 28' drei ausgeprägte Pole 29' aufweist, die durch drei Ausfräsungen 32· voneinander getrennt sind, wobei diese Pole 29' bzw."Ausfräsungen 32' sich je über ca. 60° erstrecken. Entsprechend weist auch der Anker 30· auf jeder Seite drei ausgeprägte Pole 31' auf,die durch Ausfräsungen 34' voneinander getrennt sind, welche sich ebenfalls Über ca. 60° erstrecken. Die ortsfesten Anschläge 35' und 36', die mit dem Anschlagarm 37' zusammenarbeiten, grenzen in dem an sich möglichen Arbeitsbereich von θ° - 60° einen ITutzbereicha, bis α,, von ca. 7° bis 53° ab.

Es ist ersichtlich, daß man auf gleiche Weise auch Elektromagnete mit mehr als drei Polpäaren vorsehen kann,$wobei jeweils der Drehbereich entsprechend kleiner wird· Dafür nimmt aber bei gleichen Hauptabmessungen des Elektromagneten und des Ankers das Drehmoment entsprechend der Zahl der Polpaare zu. Es wird noch bemerkt, daß die Welle 9 zwar in beiden 3De ekeln j

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z.B. 3 und 3^! gelagert sein muß, daß es aber genügt, wenn sie durch nur einen derselben hindurchgeführt ist, um das erzeugte Drehmoment nach außen abzugeben.

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Claims (8)

. 1564682 Patentansprüche

1. Elektromagnetischer Drehmomentgeber, bei dem ein ferramagnetischer Kern eines Elektromagneten und ein mit demselben zusammenarbeitender, ferromagnetischer inker ausgeprägte Pole aufweisen, die sich bei Erregung der Spule des Elektromagneten aufeinander ausrichten, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Kern des Elektromagneten (1) einen Mantel (2) und zwei denselben abschließende Deckel (3,3'$28|28·) aufweist, zwischen denen der Anker (7|30,30«) auf einer Welle (9) befestigt ist» die in beiden Deckeln zentral gelagert und durch mindestens einen derselben hinduroh geführt ist, und daß die Deckel einwärts ragende Polschuhe (15i33?33') aufweisen, welche η ausgeprägte Pole (18,1.8· ?29,29') bilden, wobei der Anker (7ϊ3Ο,3Ο») auf Jeder seiner Stirnseiten ebenfalls η ausgeprägte Pole (21,21^!f 31,31') aufweist, und_die Pole am Anker und an jedem Deckel um jeweils *jjp— gegeneinander versetzt sind«

2. Drehmomentgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennseiclijiet, daß jeder der ausgeprägten Pole (18p18'|21,21·) eines Deckels (3,3*) und des Ankers (7).sich über ca. 180° erstreckt, und daß der Polschuh (15,15·) des Deckels (3r3^r)> bsw. dta 'Anker (?), je eine sieli Über öi© anderen ca* 180° erstrtekeride Schrägfl&ohe (17,17·S19^19') auf« weisen, wobei die BoXa C18,18') derbeide» Deckel (3,J¹) gegeneinander um 180° versetzt sind und ebenso auofc die y Pole (2:t»gt^f I' dsa? beiäsa -itiraseitQÄ: des^; inker»-

ORlQfNAL

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3. Drehmomentgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflächen (17,17* 519,19') eben sind.

4. Drehmomentgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflächen konkav sind.

5. Drehmomentgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgeprägten Pole (29,29* bzw* 31,31'} der Dekkel (28,28·) bzw. der Anker (-30,3O¹) durch Ausfräaungen (32,32· bzw. 34,34') von kreisbogenförmig begrenztem Profil und konstanter Tiefe voneinander getrennt sind.

6. Drehmomentgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ortsfester Anschlag (24j35,35') und-ein. an der Welle (9) angebrachter Anschlag (25|37,37^!) vorgesehen sind, um zu verhindern, daß der Anker (7|3Ο,3Ο·) in bezug auf den Elektromagneten (1) in eine labile Lage gebracht werden kann.

7. Drehmomentgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (7j3O,3O·) in der durch diese Anschläge bestimmten Lage um einen Winkel n. „ aus der labilen Lage _Λ

ο °₂₀o

herausgedreht ist, der mindestens angenähert gleich --Trist.

8. Drehmomentgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer ortsfester Anschlag (27i36f3ß^f) vorgesehen ist, um zu verhindern, daß dar Anker (7f3O,3O*) in bezug auf den Elektromagneten (1) in eine stabile Lage gebracht werden kann, in der das Drehmoment (M ) ΜτύΧ ist.

9· Drehmomentgeber naoh Anspruch 8, daciuroa gekernte eieimet, daß das Drehmoment (M_@) im Brehbereioh <äea Ankers (7§3Q,30') bei konstantem Erregeretrom mindestens nahezu konstant

^ist* . BAD ORIGINAL

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