DE2508442C2 - Elektromagnet - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit einer elektrischen Wicklung, einem feststehenden zylindrischen Kern und einem koaxial zum Kern angeordneten zylindrischen Anker, der entlang seiner Achse relativ zum Kern beweglich ist.
• Ein derartiger Elektromagnet ist aus der GB-PS 5 51 790 bekannt. Dieser Elektromagnet weist einen zylindrischen massiven Anker und einen massiven zylindrischen Kern auf, der auf der gleichen Achse wie der Anker angeordnet ist und dessen Stirnseite der Stirnseite des Ankers gegenüberliegt. Die elektrische Wicklung ist um den zwischen Anker und Kern gebildeten Luftspalt herum angeordnet und umgibt teilweise sowohl den Kern als auch den Anker. In den einander zugewandten Stirnseiten von Kern und Anker sind zur Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie ineinandergreifende Vorsprünge und Vertiefungen ausgebildet. Um die von diesem Elektromagneten erreichbare Magnetkraft zu vergrößern, muß die Masse des magnetisierbaren Kerns und Ankers ebenfalls erhöht werden. Damit wird jedoch der Elektromagnet gegenüber plötzlichen Änderungen des Stroms träger und sein maximales Beschleunigungsvermögen nimmt ab.
• Ein anderer Elektromagnet (DE-PS 5 92 695) weist einen Kern und einen Anker auf, die axial nebeneinander angeordnet sind. Im Kern sind ringförmig Nuten vorgesehen, in denen eine oder mehrere Spulen untergebracht sind, doch bilden diese Nuten kein doppelgängiges Gewinde.
• Als ein weiterer Elektromagnet ist aus der DE-PS 9 12 481 ein elektromagnetischer Schwingmotor bekannt, bei dem der Anker von einem hohlzylindrischen Kern umgeben ist und in den einander zugewandten Flächen des Kernes und des Ankers Vorsprünge ausgebildet sind. Anker und Kern sind dabei so zueinander ausgerichtet, daß die Vorsprünge am Anker auf Lücke mit den Vorsprüngen am Kern stehen. Überschüssiges Material am Anker ist entfernt, so daß sein Gewicht nur einen kleinen Teil des Gesamtgewichtes des magnetischen Kreises bildet. Die genannten Vorsprünge bilden jedoch kein Schraubengewinde.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagneten der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bei einfachem Aufbau eine große Magnetkraft und eine starke Beschleunigung des Ankers erzielt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
• Die Erfindung ermöglicht einen Elektromagneten mit einer geringen Trägheit der beweglichen Teile und einer großen mechanischen Kraft.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn überschüssiges Material an der Außenfläche des Ankers unter Berücksichtigung des für den Magnetfluß erforderlichen Flußquerschnittes entfernt ist. Dadurch kann der Anker so leicht wie möglich gestaltet werden und so seine Trägheit weiter verringert werden.
• Ferner ist vorteilhaft, wenn ein hohlzylindrischer Ständer den Anker umgibt, wobei in den einander zugekehrten zylindrischen Flächen des Ankers und des Ständers ebenfalls im Eingriff miteinander stehende Schraubengewinde ausgebildet sind, und wobei das im Ständer ausgebildete Schraubengewinde eine weitere Wicklung trägt. Damit ist es möglich, daß bei Erregung der Wicklungen sich der Anker und der Ständer nicht nur in einer Richtung relativ zueinander bewegen, sondern auch in der entgegengesetzten Richtung.
• Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
• Fig. 1 einen Schnitt durch den Elektromagneten,
• Fig. 2 eine Einzelheit in Fig. 1,
• Fig. 3 bis 6 Einzelheiten ähnlich Fig. 2, in denen Alternativausführungen des Elektromagneten nach Fig. 1 gezeigt sind und
• Fig. 7 und 8 Darstellungen weiterer Abwandlungen des Elektromagneten.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen einen zentralen Kern 10 mit einem Gewindezapfen an einem Ende, mit dem er an einem Träger 11 befestigt ist. Zwischen dem Kern 10 und dem Träger 11 ist ein becherförmiges Teil 12 angeordnet. Der Gewindezapfen erstreckt sich durch ein Loch in der Bodenwand des Teils 12. Das becherförmige Teil 12 dient zur Positionierung des hohlzylindrischen Ankers 13 um den Kern 10 herum. Gleichzeitig ermöglicht das Teil 12 eine begrenzte axiale Bewegung zwischen dem Kern 10 und dem Anker 13. An dem dem Gewindezapfen gegenüberliegenden Ende legt eine Hülse 12 a den Kern 10 und den Anker 13 relativ zueinander fest.
• Der Kern 10 und der Anker 13 sind aus magnetisierbarem Material gebildet. Der Kern 10 weist ferner ein Schraubengewinde auf, in das ein am Anker 13 angeordnetes Schraubengewinde eingreift. Dabei sind die Gewinde derart ausgebildet, daß eine erhebliche relative axiale Bewegung zwischen dem Kern 10 und dem Anker 13 möglich ist. Die Schraubengewinde sind zweigängig aus noch zu erläuternden Gründen, obwohl auch jedes Vielfache von zwei Gängen verwendet werden kann. Die Nuten des am Kern 10 angeordneten zweigängigen Gewindes sind mit den Bezugszeichen 14 und 15 bezeichnet und die Vorsprünge des am Anker angeordneten Schraubengewindes sind mit dem Bezugszeichen 16 und 17 bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 haben die Gewinde des Kerns 10 und des Ankers 13 einen gleichen Querschnitt. Das ist aber nicht notwendig, wie aus den alternativen Ausführungsbeispielen ersichtlich ist.
• In jeder Nut 14, 15 des Schraubengewindes des Kerns 10 ist eine Wicklung mit Hin- und Rückleiter 18 bzw. 19 eingelegt. Diese Wicklung besteht in diesem Fall aus einem einzigen Leiter. Die Stromrichtungen in der Wicklung ist in den Fig. 1 und 2 durch Punkte und Kreuze in bekannter Art dargestellt. Die Wicklung verläuft von einem Ende des Kerns 10, zweckmäßig dem Gewindezapfenende des Kerns, längs eines Gewindeganges durch eine Bohrung 20 am anderen Ende des Kerns 10 und dann zurück längs des anderen Gewindeganges.
• Die Form der Gewindegänge ist wichtig. Die Vorsprünge 16, 17 haben sich radial erstreckende Seitenflächen 21, die bei stromloser Wicklung im Abstand und parallel zu den Seitenflächen 22 der Nuten des am Kern 10 angeordneten Gewindegangs liegen. Die anderen Flächen 23 der Vorsprünge 16 und 17 verlaufen schräg nach außen und die anderen Flächen 24 der Nuten verlaufen ebenfalls schräg nach außen. Der axiale Abstand zwischen den Flächen 24 und 23 ist dabei erheblich größer als der Abstand zwischen den Flächen 21 und 22.
• Wenn ein elektrischer Strom durch die Wicklung fließt, erzeugt jeder Leiter 18, 19 einen Magnetfluß, der einer Bahn durch den Kern 10 über die beiden Spalte folgt, die zwischen den Flächen 21 und 22 gebildet sind, ferner auch durch den Anker 13. Kern 10 und Anker 13 sind deshalb bestrebt, sich relativ zueinander zu bewegen, um die Größe und die Reluktanz der Spalte zu verringern, und es entsteht eine mechanische Kraft. Wie ersichtlich, ist wegen der entgegengesetzten Wicklungsrichtungen der Leiter 18, 19 die Richtung des von ihnen erzeugten Flusses entgegengesetzt. In jedem Spalt zwischen den Flächen 21, 22 ist in Richtung des Flusses über den Spalt hinweg jedoch gleich. Der durch die Wicklung insgesamt erzeugte Fluß wird damit addiert. Die Bahn für einen Leckfluß beispielsweise zwischen den Flächen 23, 24 wird so groß wie möglich gehalten durch entsprechende Wahl der Form der Gewinde und durch die Teilung der Gewindegänge.
• In der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ist jede Wicklung mit zwei Windungen versehen, und diese können parallel oder in Reihe geschaltet sein. Wenn die Reihenanordnung erwünscht ist, kann ein einziges Stück Draht für beide Wicklungen verwendet werden. Fig. 3 demonstriert auch das, worauf schon vorher hingewiesen worden ist, nämlich, daß die Gewindegänge an Kern und Anker nicht einen gleichen Querschnitt haben müssen. Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ist ein größeres Flußlecken als Folge der schmaleren Spalte zwischen den verschiedenen Flächen möglich.
• In der in Fig. 4 gezeigten Anordnung ist der hohlzylindrische Anker 25 dadurch leichter gestaltet worden, daß alles überschüssige Material weggenommen worden ist, so daß der Anker 25 so leicht wie möglich ist und damit seine Trägheit verringert wird. Material kann auf diese Weise entfernt werden, weil in der Praxis der Fluß nicht sehr tief in das magnetisierbare Material eindringt. Um eine starke mechanische Kraft entstehen zu lassen, muß jedoch die Flußdichte über die Spalte hinweg zwischen den Seitenflächen 21 und 22 so groß wie möglich sein, und deshalb soll der Fluß in das Material so weit wie möglich eindringen. Die Flußeindringung hängt von der Art des Materials, der Amplitude des Flusses und auch von der Wechselfrequenz des Flusses ab. Bei herkömmlichen Vorrichtungen dieser Art werden Schichtwerkstoffe häufig verwendet, um eine stärkere Flußeinrichtung zu erreichen. Das ist bei der vorliegenden Ausführung selbst bei einer hohen Flußdichte und bei hohen Wechselfrequenzen des Flusses nicht erforderlich, vorausgesetzt, daß ein geeignetes Material gewählt wird. Ein solches Material hat einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand und eine geringe magnetische Permeabilität, wie beispielsweise gesintertes reines Eisen. Ein Alternativmaterial ist ein lineares Ferritmaterial.
• Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung weist außerdem einen möglichst dünnen hohlzylindrischen Anker 26 auf. Ferner sind die Gewindenuten in dem Kern so klein wie möglich und sind mehr oder weniger ganz mit Kupfer gefüllt. Der Flußweg ist ebenfalls so klein wie möglich, es ist aber zu beachten, daß die Spalte zwischen den Flächen der Vorsprünge und der Gewindenuten schräggestellt sind und deshalb die Axialkraft, die zur Bewegung von Anker 26 und Kern in eine relative axiale Richtung wirkt, verringert wird. Ferner ist die Lage des Kerns und des Ankers 26 recht kritisch wegen der Nähe der Wicklungen zu den Vorsprüngen und wegen der kleineren Spielräume, die in der Konstruktion eingesetzt werden.
• Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung ist in vieler Hinsicht ähnlich der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, wobei der hohlzylindrische Anker entsprechend der Darstellung in Fig. 4 abgewandelt ist. Darüber hinaus hat jede Wicklung vier Windungen.
• In der in Fig. 7 gezeigten Anordnung ist jede Gewindenut mit zwei Wicklungen 27, 28 versehen. Die Wicklung 27 kann vor der Wicklung 28 erregt werden, um einen stetigen Grundfluß zu schaffen. Dieser Grundfluß hat in der Praxis keine ausreichende Stärke, um eine Bewegung des Ankers zu bewirken, bewirkt aber eine teilweise Sättigung des Materials, aus dem Kern und Anker gebildet sind. Wird eine Bewegung des Ankers gewünscht, wird Strom durch die Wicklung 28 geschickt. Bei einer geringeren effektiven Permeabilität des Materials ist die Eindringtiefe des Flusses höher, was zu einer hohen Flußdichte in den Spalten führt.
• In Fig. 8 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem Gewindenuten an der Innenperipherie eines ringförmigen Ständers 29 vorgesehen sind. In diesem Falle ist jedoch ebenfalls ein Kern 10 vorgesehen, und zwischen Ständer 29 und Kern 10 sitzt ein beweglicher Anker 30, an dem die Vorsprünge angeformt sind, die in den betreffenden Gewindenuten des Kerns 10 und des Ständers 29 sitzen.
• In jedem der beschriebenen Beispiele sind die schraubenförmigen Luftspalte, über die hinweg die axiale Zugkraft entsteht, gleich. Wenn die Spalte auf Null bei einer relativen axialen Bewegung von Kern und Anker reduziert werden, besteht die Gefahr, daß die die Spalte bildenden Seitenflächen aufgrund von Restmagnetismus aneinander hängen bleiben. Die resultierende Haltekraft kann verringert werden, indem Kern und Anker so geformt sind, daß die Seitenflächen als einzige in einen Kontakt miteinander gelangen können.
• Ferner sind die beschriebenen Richtungen nur einfachwirkend. Das heißt, daß Anker und Kern sich relativ zueinander nur in einer Richtung bewegen, wenn die Wicklung erregt wird. Ein doppeltwirkender Effekt kann erreicht werden, indem zwei solche Elektromagnete, wie sie beschrieben worden sind, Rücken an Rücken vorgesehen werden. In diesem Fall wird die Wicklung eines Elektromagneten erregt, um eine relative Bewegung in eine Richtung zu erreichen, und die Wicklung des anderen Elektromagneten wird erregt, um eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung zu erreichen.
• In dem Fall des in Fig. 8 gezeigten Elektromagneten ist es möglich, den doppeltwirkenden Effekt dadurch zu erreichen, daß eine vergleichsweise einfache Abwandlung durchgeführt wird. Es ist jedoch zu beachten, daß die beiden Wicklungen dann getrennt werden, um die beiden Bewegungsrichtungen zu erreichen. Die Abwandlung besteht darin, daß die Vorsprünge an einer Seite des Ankers 30 auf der gegenüberliegenden Seite der Rippen des angrenzenden Kerns 10 oder Ständers 29 angeordnet werden.
• Da in den beschriebenen Elektromagneten die Vorsprünge und Nuten schraubenförmig angeordnet sind, ist zusätzlich zu der axialen Kraft, die bei Erregung der Wicklung entsteht, auch eine Drehkraft vorhanden. Die Größe dieser Kraft hängt von dem Steigungswinkel ab, und Anker, Kern und Ständer müssen so angeordnet sein, daß sie dieser Kraft widerstehen. Die Drehkraft kann jedoch dadurch kompensiert werden, daß eine weitere Anordnung vorgesehen wird, die einen entgegengesetzten Steigungswinkel hat, jedoch zum Ziehen in der gleichen axialen Richtung eingerichtet ist, wenn die Wirkung erregt wird.
• Die beschriebenen Elektromagnete verwenden einen Kern 10 in massiver Form. Es ist jedoch vorteilhaft, daß der Kern 10 hohlzylindrisch ist, wobei die Wanddicke so klein wie möglich gehalten ist. Die tatsächliche Dicke der Wand muß dabei ausreichen, um den Magnetfluß zu übermitteln. Auf diese Weise lassen sich Wirbelstromverluste in dem Kern 10 verringern.

Claims (7)

1. Elektromagnet mit einer elektrischen Wicklung, einem feststehenden zylindrischen Kern und einem koaxial zum Kern angeordneten zylindrischen Anker, der entlang seiner Achse relativ zum Kern beweglich ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Anker (13, 25, 26, 30) hohlzylindrisch ausgebildet ist und den Kern (10) konzentrisch umgibt oder vom Kern (10) konzentrisch umgeben ist,

- daß in den einander zugewandten Flächen des Kernes (10) und des Ankers (13, 25, 26, 30) jeweils ein zweigängiges Schraubengewinde oder ein Schraubengewinde mit einem Vielfachen von zwei Gängen ausgebildet ist,

- daß die Gewindegänge der Schraubengewinde derart miteinander im Eingriff stehen, daß ihre Vorsprünge nicht mittig in die jeweils radial gegenüberliegenden Gewindenuten ragen, und dabei die einen in axialer Richtung kleineren Spalt bildenden Seitenflächen (21, 22) der Gewindegänge parallel zueinander verlaufen,

- und daß die elektrische Wicklung im Schraubengewinde des Kernes (10) derart angeordnet ist, daß der elektrische Strom die Leiter (18, 19) der Wicklung in jeweils benachbarten Gewindegängen des Kerns (10) in entgegengesetzter Richtung durchfließt.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus einer einzigen Spule besteht, deren Hinleiter (18) in dem einen Gang und deren Rückleiter (19) in dem anderen Gang des Schraubengewindes angeordnet ist.

3. Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Hin- und Rückleiter (18, 19) über eine Bohrung (20) im Kern (10) miteinander verbunden sind.

4. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Gang mehrere Spulenwindungen angeordnet sind.

5. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Gang die Windungen von zwei Spulen (27, 28) angeordnet sind, die unabhängig voneinander mit Strom versorgt werden können.

6. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß überschüssiges Material an der Außenfläche des Ankers (13, 25, 26) unter Berücksichtigung des für den Magnetfluß erforderlichen Flußquerschnittes entfernt ist.

7. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Anker (30) den Kern (10) umgibt, ein hohlzylindrischer Ständer (29) seinerseits den Anker (30) umgibt, wobei in den einander zugekehrten zylindrischen Flächen des Ankers (30) und des Ständers (29) ebenfalls im Eingriff miteinander stehende Schraubengewinde ausgebildet sind, und wobei das im Ständer (29) ausgebildete Schraubengewinde eine weitere Wicklung trägt.