DE19945262A1 - Bistabiler Drehmagnet und Verfahren zur Steuerung eines bistabilen Drehmagneten - Google Patents

Abstract

Um bei einem Dremagneten, der z. B. in einer Briefsortierweiche eingesetzt ist, kurze Schaltzeiten, hohe Schaltfrequenzen, geringen Energiebedarf und Platzbedarf sowie weitestgehende Prellfreiheit zu erzielen, ist in einem Stator (ST) mit 2n Polen ein Rotor (R) drehbar angeordnet. Im Innern des Stators (ST) sind ein erster und ein zweiter Anschlag (A1, A2) für den Rotor (R) vorgesehen, um den Drehwinkel des Rotors (R) zu begrenzen und um ein großes Haltemoment in den beiden stabilen Endstellungen des Rotors (R) zu erzeugen. Die Pole des Stators (ST) sind als Elektromagnete aus Spulen (S1 bis S4) mit einem Eisenkern (K) ausgeführt, während der Rotor (R) als Permanentmagnet ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen bistabilen Drehmagneten und ein Verfahren zur Steuerung eines bistabilen Drehmagneten.

Bistabile Drehmagnete werden z. B. in Briefsortierweichen eingesetzt, um Briefe ihrem Bestimmungsort entsprechend auf einen ersten oder einen zweiten Beförderungsweg zu leiten. Um eine schnelle und sichere Verteilung der Briefe in der Brief­ sortierweiche zu erzielen, ist ein Drehmagnet mit möglichst kleiner Schaltzeit erforderlich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen bistabilen Dreh­ magneten derart zu gestalten, dass er sich durch eine mög­ lichst kurze Schaltzeit auszeichnet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 bei einem bistabilen Drehmagneten mit einem zweipoligen Rotor, mit einem Stator mit 2n Polen sowie mit einem ersten und einem zweiten im Innern des Stators angeordneten Anschlag für den Rotor zur Begrenzung des Drehwinkels des Rotors und zur Erzeugung eines großen Haltemomentes in den beiden stabilen Stellungen des Rotors, wobei der Stator oder der Rotor als Elektromagnet ausgeführt ist und n eine ganze Zahl ist.

Die Spulen des Stators werden bei der Umstellung des Rotors entgegengesetzt bestromt, damit der Rotor vom einen Pol des Stators angezogen und gleichzeitig vom anderen Pol abgestoßen wird. Infolge der gleichzeitig wirkenden Anziehungs- und Ab­ stoßungskraft werden sehr kurze Schaltzeiten des Drehmagneten erzielt. Kurze Schaltzeiten ermöglichen in vorteilhafterweise hohe Schaltfrequenzen.

Die beiden Anschläge bewirken eine Reihe von Vorteilen.

Sie begrenzen den Drehwinkel des Rotors derart, dass infolge der magnetischen Anziehung zwischen dem Rotor, der z. B. als Permanentmagnet ausgeführt ist, und dem Eisenkern der Spulen ein starkes Haltemoment erzeugt wird, welches den Rotor fest je nach Endstellung gegen den einen oder den anderen Anschlag drückt.

Weil der Rotor beim Anschlagen auf einen der beiden Anschläge wegen der magnetischen Anziehungskraft zwischen dem Spulenkern und dem Rotor stark gegen den Anschlag gedrückt wird, wirkt eine Gegenkraft gegen die Preller verursachenden Federkräfte. Preller werden daher weitgehend unterdrückt, zumindest jedoch stark gedämpft.

Wegen der kurzen Schaltzeit und wegen des permanenten großen Haltemomentes brauchen die Spulen nur kurz bestromt zu werden, um ein schnelles Kippen des bistabilen Drehmagneten von der einen stabilen Stellung in die andere zu bewirken. Der erfin­ dungsgemäße Drehmagnet benötigt daher nur wenig Strom und arbeitet deshalb energiesparend.

Zur Erfassung des Drehwinkels des Rotors kann z. B. ein Hall­ sensor vorgesehen sein, dessen Ausgangssignal einen Strom­ impulsgenerator steuert, der die Spulen bestromt. Der Rotor kann z. B. vor Erreichen des Anschlags durch einen Stromimpuls gebremst werden.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen beschrieben und erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit in der einen stabilen Endstellung stehendem Rotor,

Fig. 2 das erste Ausführungsbeispiel mit in der anderen stabilen Endstellung stehendem Rotor,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit in der einen stabilen Endstellung stehendem Rotor,

Fig. 4 das zweite Ausführungsbeispiel mit in der anderen stabilen Endstellung stehendem Rotor,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch das erste und das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 den Spannungsverlauf an den Spulen des Stators,

Fig. 7 den Stromverlauf an den Spulen des Stators und

Fig. 8 den Drehwinkel des Rotors.

Es wird nun das in den Fig. 1 und 2 in Draufsicht abgebildete erste Ausführungsbeispiel eines erfindunsgemäßen Drehmagneten beschrieben und erläutert.

In der Fig. 1 sind in einem Stator ST zwei Spulen S1 und S2 nebeneinander angeordnet. Die beiden Spulen S1 und S2 mit jeweils einem Eisenkern K bilden die beiden Pole des Stators. Durch den Mittelpunkt des Stators ST verläuft die Rotorachse RA eines Rotors R, der als Permanentmagnet mit einem Nordpol N und einem Südpol S ausgeführt ist. Seitlich des Rotos R ist je ein Anschlag A1 und A2 angeordnet. An der Innenwand des Sta­ tors ST ist ein Hallsensor H befestigt, dessen Ausgang mit dem Steuereingang eines Stromimpulsgenerators IG verbunden ist, der die beiden Spulen S1 und S2 bestromt. Der Rotor R befindet sich in der einen stabilen Endstellung.

In der Fig. 2 befindet sich der Rotor R in der anderen stabi­ len Endstellung.

Die beiden Anschläge A1 und A2 sind im Stator ST so seitlich des Rotors R angeordnet, dass sie den Drehwinkel des Rotors R begrenzen. Ohne die Anschläge A1 und A2 würde sich der Rotor R weiterdrehen, bis die vom Nord- zum Südpol verlaufende Magnet­ polachse des Rotors R mit einer der Spulenachsen zusammen­ fällt. Weil die beiden Anschläge A1 und A2 den Drehwinkel begrenzen, wirkt wegen der magnetischen Anziehungskraft zwi­ schen dem Rotor R und dem Eisenkern K einer Spule ein perma­ nentes Haltemoment, welches den Rotor R fest am einen oder anderen Anschlag A1 oder A2 hält. Dieses Haltemoment stellt eine Gegenkraft zu den beim Umschalten Preller verursachenden Federkräften dar. Deshalb werden Preller weitgehend vermieden, zumindest aber stark gedämpft. Ein weiterer Vorteil der Be­ grenzung des Drehwinkels des Rotors R mittels der beiden An­ schläge A1 und A2 zeigt sich darin, dass zum Umschalten des Rotors von der einen Endstellung in die andere Endstellung nur ein kurzer Stromimpuls erforderlich ist. Der erfindungsgemäße Drehmagnet erfüllt daher die Forderung nach geringem Energie­ verbrauch und kann deshalb sogar mit einer Solarzelle betrie­ ben werden.

Weil die vom Stromimpulsgenerator IG bestromten Spulen S1 und S2 entgegengesetzt gewickelt sind, wird der Rotor R bei be­ stromten Spulen von der einen Spule angezogen, während er gleichzeitig von der anderen Spule abgestoßen wird, so dass sich die Abstoßungskraft und die Anziehungskraft beim Umschal­ ten des Drehmagneten addieren. Wegen der gewissermaßen doppel­ ten zur Verfügung stehenden Kraft fallen die Schaltzeiten des erfindungsgemäßen Drehmagneten erfreulich kurz aus. Kurze Schaltzeiten stellen aber einen wesentlichen Vorteil dar, denn sie ermöglichen den weiteren Vorteil einer hohen Schaltfre­ quenz.

Durch die Maßnahme, die beiden Anschläge A1 und A2 im Innen­ raum des Stators ST anzuordnen, entsteht kein zusätzlicher Platzbedarf für die beiden Anschläge A1 und A2; vielmehr wird der sowieso im Stator ST vorhandene Raum sinnvoll für die Un­ terbringung der beiden Anschläge A1 und A2 genutzt.

Mittels des Hallsensors H wird die Drehbewegung des Rotors R erfasst. Vom Hallsensor H gesteuert, erzeugt der Stromimpuls­ generator IG einen Stromimpuls für die beiden Spulen S1 und S2, um den Drehmagneten umzuschalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zur Umschaltung des bistabilen Drehmagneten von der einen Endstellung in die andere ein Stromimpulsgenerator vorgesehen ist, der einen Stromimpuls an die Spulen gibt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zur Steuerung des Drehmagneten sieht vor, beim Umschalten den Rotor R vor dem Auftreffen auf den Anschlag durch einen Bremsimpuls zu bremsen, den der Stromimpulsgenerator IG er­ zeugt. Vorzugsweise wird dieser Bremsimpuls vom Stromimpuls­ generator IG ungefähr in der Mitte der Drehbewegung des Rotors R erzeugt. Dieser Bremsimpuls bewirkt zusammen mit dem bereits erwähnten Haltemoment eine wesentlich stärkere Unterdrückung von Prellern, die mittels eines Bremsimpulses allein oder nur mittels des Haltemomentes nicht erzielt werden kann.

In den Fig. 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht gezeichnet.

Das zweite in den Fig. 3 und 4 abgebildete Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehmagneten unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel aus der Fig. 1 dadurch, dass sym­ metrisch zu den beiden Spulen S1 und S2 zwei weitere Spulen S3 und S4 angeordnet sind. Alle Spulen S1 bis S4 werden vom Stromimpulsgenerator IG bestromt. Der Wicklungssinn der Spulen S1 bis S4 ist so gewählt, dass bei Bestromung der Spulen je zwei sich gegenüberliegende Spulen den Rotor abstoßen und je zwei sich gegenüberliegende Spulen den Rotor anziehen. Durch die dadurch erzeugte vierfache Kraft lassen sich sehr kurze Schaltzeiten und somit hohe Schalfrequenzen erzielen.

In der Fig. 3 befindet sich der Rotor in der einen stabilen Endstellung, während er in der Fig. 4 in der anderen stabilen Endstellung steht.

In der Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch das erste und das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Der Stator ST befindet sich in einem aus zwei Teilen G1 und G2 aufgebauten Gehäuse. Die beiden Gehäuseteile G1 und G2 sind ähnlich wie ein Deckel oben und unten auf dem Stator ST aufge­ setzt. In den beiden Gehäuseteilen G1 und G2 sind die Lager L für die Rotorachse RA befestigt.

Im Stator ST können 2n Spulen vorgesehen sein, wobei n eine ganze Zahl ist.

Im Kurvendiagramm der Fig. 6 ist die Spannung an den Spulen gezeichnet. Das Kurvendiagramm der Fig. 7 zeigt den Strom­ verlauf an den Spulen. Schließlich ist in der Fig. 8 der Dreh­ winkel des Rotors gezeigt.

Der Drehwinkel beträgt ungefähr 16°. Der Stromimpulsgenerator IG erzeugt zum Umschalten des Drehmagneten einen Stromimpuls I1, der als Beschleunigungsimpuls wirkt, und vorzugsweise etwa nach Ablauf der halben Drehbewegung des Rotors einen Brems­ impuls I2. Die Stromstärke der beiden Impulse beträgt ungefähr +2 A für den Beschleunigungsimpuls und etwa -2 A für den Bremsimpuls. Die Spannung während des Beschleunigungsimpulses beträgt an den Spulen ungefähr +21 V, während sie beim Brems­ impuls einen Wert von etwa -21 V annimmt. Der Beschleunigungs­ impuls dauert etwa 10 ms, der Bremsimpuls ungefähr 6 ms. Die Umschaltdauer des Drehmagneten liegt in der Größenordnung von 16 ms.

Bei den angeführten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemä­ ßen Drehmagneten ist der Rotor als Permanentmagnet ausgeführt, während die Pole des Stators als Elektromagnete mit Spulen ausgeführt sind. Alternativ dazu können z. B. die Pole des Stators Permanentmagente sein, während der Rotor als Elektro­ magnet ausgeführt ist.

Anstelle eines Eisenkerns kann im Spuleninnern - sei es beim Stator oder beim Rotor - ein Permanentmagnet vorgesehen sein, dessen Magnetfeld durch Bestromung der Spulen kompensiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zum Halten des Dreh­ magneten in einer der beiden Endstellungen eine Bestromung der Spulen erforderlich, dagegen ist zur Umschaltung des Dreh­ magneten der Strom für die Spulen abzuschalten.

Die Erfindung zeichnet sich durch kurze Schaltzeiten, dadurch bedingte hohe Schaltfrequenzen, geringen Energieverbrauch, geringen Platzbedarf und weitestgehende Prellfreiheit aus.

Der erfindungsgemäße Drehmagnet ist z. B. besonders gut für den Einsatz in Briefsortierweichen geeignet, jedoch keineswegs auf diesen einzigen Einsatzbereich beschränkt. Er kann all­ gemein überall im Automatisierungsbereich als Stellglied ein­ gesetzt werden, beispielsweise in Türverriegelungen oder zur Ventilsteuerung in einer Verbrennungskraftmaschine.

Bezugszeichenliste

A1 Anschlag
A2 Anschlag
G1 Gehäuse
G2 Gehäuse
H Hallsensor
IG Stromimpulsgenerator
I1 Beschleunigungsimpuls
I2 Bremsimpuls
K Eisenkern
L Lager
R Rotor
RA Rotorachse
ST Stator
S1 bis S4 Spule
U Spannung an den Spulen

Claims (17)

1. Bistabiler Drehmagnet mit einem zweipoligen Rotor (R), mit einem Stator (ST) mit 2n Polen sowie mit einem ersten und einem zweiten im Innern des Stators (ST) angeordneten An­ schlag (A1, A2) für den Rotor (R) zur Begrenzung des Drehwin­ kels des Rotors (R) und zur Erzeugung eines großen Haltemo­ mentes in den beiden stabilen Endstellungen des Rotors (R) wobei der Stator (ST) oder der Rotor (R) als Elektromagnet ausgeführt ist und n eine ganze Zahl ist.

2. Bistabiler Drehmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Anschlag (A1, A2) rechts und links des Rotors (R) angeordnet sind.

3. Bistabiler Drehmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (R) als Permanentmagnet und die Pole des Stators (ST) als Elektromagnete aus Spulen (S1 bis S4) mit einem Eisenkern (K) ausgeführt sind.

4. Bistabiler Drehmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole des Stators (ST) als Permanentmagnete und der Rotor (R) als Elektromagnet ausgeführt sind.

5. Bistabiler Drehmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (R) als ein von einer Spule umwickelter Permanentmagnet und die Pole des Stators (ST) als Permanentmagnete ausgeführt sind.

6. Bistabiler Drehmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (R) als Permanentmagnet und die Pole des Stators (ST) als von je einer Spule umwickelte Permanentmagnete ausgeführt sind.

7. Bistabiler Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hall­ sensor (H) zur Erfassung des Drehwinkels des Rotors (R) vor­ gesehen ist.

8. Bistabiler Drehmagnet nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall­ sensor (H) mit dem Steuereingang eines Stromimpulsgenerators (IG) verbunden ist, dessen Ausgänge mit den Spulen (S1 bis S4) verbunden sind.

9. Bistabiler Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole des Stators (ST) oder der Rotor (R) als Doppel-T-Anker ausge­ führt sind.

10. Bistabiler Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (S1 bis S4) derart abwechselnd entgegengesetzt gewickelt sind, dass bei Bestromung der Rotor (R) von den einen Spulen angezogen, von den anderen dagegen gleichzeitig abgestoßen wird.

11. Bistabiler Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der bista­ bile Drehmagnet in einer Briefsortierweiche eingesetzt ist.

12. Bistabiler Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der bista­ bile Drehmagnet zur Steuerung der Ventile in einem Verbren­ nungsmotor eingesetzt ist.

13. Verfahren zur Umschaltung eines bistabilen Drehmagneten nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Um­ schaltung des bistabilen Drehmagneten von der einen Endstel­ lung in die andere ein Stromimpulsgenerator (IG) vorgesehen ist, der einen Stromimpuls (I1) an die Spulen (S1 bis S4) abgibt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbrem­ sen des Rotors (R) der Stromimpulsgenerator (IG) einen Brems­ impuls (I2) an die Spulen (S1 bis S4) abgibt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brems­ impuls (I2) vom Stromimpulsgenerator (IG) nach etwa der Hälf­ te der Drehbewegung des Rotors (R) erzeugt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Spulen (S1 bis S4) mit abwechselnd entgegengesetztem Wicklungssinn in der gleichen Stromrichtung bestromt werden, während Spulen (S1 bis S4) mit gleichem Wicklungssinn abwechselnd in entge­ gengesetzer Richtung bestromt werden, um gleichzeitig auf den Rotor eine in gleiche Richtung wirkende Anziehungskraft und Abstoßungskraft zu erzeugen.

17. Bistabiler Drehmagnet oder Verfahren zur Umschaltung des bistabilen Drehmagneten nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreh­ winkel des Rotors (R) etwa 16° beträgt.