DE2853472A1

DE2853472A1 - Elektromechanischer vibrator

Info

Publication number: DE2853472A1
Application number: DE19782853472
Authority: DE
Inventors: Alexander Khazan; Michael Wengryn
Original assignee: Sun Chemical Corp
Current assignee: Sun Chemical Corp
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-11
Publication date: 1979-07-05
Also published as: CA1096016A; US4129187A

Description

Patentanwälte D i ρ I. - In g. C U rt Wa 11 ac h Α Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. I

Dipl.-Ing. Rainer^Feidkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

11. Dezember I978

Unser Zeichen: l6 452 - K/Ap

Anmelder:

Sun Chemical Corporation Park Avenue

New York, N.Y. / USA

Bezeichnung:

Elektromechanischer Vibrator

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibratoraufbau und insbesondere auf einen neuartigen elektromechanischen Vibrator, der an einen Mechanismus angeschlossen werden kann, indem eine mechanische Bewegung erfolgt, deren Reibung vermindert vermindert werden kann, indem periodische Vibrationsstöße überlagert werden.

Vibratoren dieser Art sind bekannt. Sie werden in Verbindung mit Anzeigevorrichtungen benutzt, die eine hohe Genauigkeit und hohe Empfindlichkeit besitzen, beispielsweise Luftdateninstrumente, wie z.B. Höhenmesser, Luftgeschwindigkeitsmesser oder Steiggeschwindigkeitsmesser. Ein typischer Vibratoraufbau für einen solchen Zweck ist unter der Bezeichnung "tapping" bekannt und in der US-PS 35 07 339 und der US-PS 38 63 114 sowie der US-PS 38 70 103 beschrieben. Diese Vorrichtungen sind im typischen Falle relaisartige Vibratoren, und sie arbeiten nach Art eines Motors mit variablem magnetischem Widerstand. Deshalb erfordert die Vorrichtung Weichmagnetmaterial, um den Fluß, der durch eine Spule erzeugt wird, in den Arbeitsluftspalt des Motors zu leiten. Dies bewirkt, daß der Anker des Motors, der einen kleinen Hammer trägt, an ein Hartgummikissen anstößt, das am Gehäuse der Vorrichtung befestigt ist, und während jeder Schwingung erfolgt ein solcher Schlag. Dadurch wird eine Vibration eingeführt, die die Reibung des Mechanismus vermindert, mit dem der Vibrator verbunden ist.

Da die. auf den Anker der bekannten Vibratoren ausgeübte Kraft nur in Richtung der Schließbewegung des magnetischen Spaltes erfolgen kann, benutzt die Vorrichtung allgemein eine Feder, um den Spalt zu öffnen und den Arbeitszyklus zu beenden. Die erwähnten bekannten Vibratoren sind relativ teuer in der Herstellung, und sie erfordern eine Eichung und Einstellung nach dem Zusammenbau. Die Anwendung einer mechanischen Feder zum Rückholen des Ankers in die Ausgangsstellung des Zyklus stellt

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eine Quelle möglicher Fehler dar, und die Charakteristiken der Vorrichtung sind Änderungen durch Alterung und Umgebungstemperaturänderungen ausgesetzt. Es hat sich außerdem gezeigt, daß eine Abnutzung der Teile infolge Reibung zwischen dem beweglichen Anker und der Führung vorhanden ist.

Gemäß der Erfindung wird ein neuartiger Vibrator vorgesehen, bei dem die Ankerbewegung durch das Zusammenwirken eines Feldes eines Magnetankers mit hoher permanenter Magnetintensität mit dem Feld einer erregten Drahtspule benutzt wird, die um den Magnet herumgewickelt ist. Der Permanentmagnet ist vorzugsweise ein Magnet mit hoher Energie, z.B. ein Magnet mit seltenen Erden und Kobalt, und der Magnet kann als Hammer des Vibrators dienen und er schlägt auf ein Stoßkissen an einem Ende des Pfades der Bewegung, die der Magnet bei jedem Zyklus durchführt. Es wird kein magnetisches Material als für den Anker benötigt, um das Feld der Spule zu liefern oder zu richten.

Ein kleines Magnetblättchen aus Permanentmagnetmaterial, das ebenfalls aus einer Magnetlegierung mit seltenen Erden und Kobalt bestehen kann, ist am einen Ende des Vibratoraufbaus fixiert, um eine Rückstellkraft auf den Permanentmagnetanker auszuüben, nachdem der Permanentmagnet sich nach dem Magnetblättchen hin bewegt hat und auf ein Kissen aufgetroffen ist, das benachbart zu dem Magnetblättchen vorgesehen ist.

Vorzugsweise besteht der Permanentmagnetanker aus zwei Permanentmagneten, die stirnseitig aneinanderstoßend miteinander verbunden sind, wobei gleichnamige Pole einander gegenüberstehen.

Magnetkreise dieser allgemeinen Bauart wurden in Verbindung mit linear wirkenden Wandlern benutzt, wie sie in der US-PS 35 04 320 dargestellt sind. Diese Patentschrift beschreibt

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jedoch nicht die Anordnung für einen Vibrator,und zeigt nicht die einzige Antriebsspule und den direkt wirkenden Magnetstoßaufbau vorliegender Erfindung.

Die Erfindung ergibt gegenüber den bekannten Vibratoren zahlreiche Vorteile, von denen einige im folgenden aufgezählt sind:

1.) Der Vibrator eignet sich für eine billige Herstellung,

2.) Es braucht keine Einstellung oder Eichung nach dem Zusammenbau durchgeführt werden.

3.) Es ist keine mechanische Feder notwendig, um den Anker in die Ausgangsstellung zurückzuführen, wodurch die Betriebssicherheit des Vibrators verbessert wird und besser übereinstimmende Gegenstände erzeugt werden können.

Λ.) Der Motorwirkungsgrad wird verbessert, wodurch der Energieverbrauch vermindert und die Wärmewirkung verringert wird.

5.) Die Vibratoreharakteristiken ändern sich nicht mit dem Alter.

6.) Es tritt nur eine sehr geringe Abnutzung auf, da der Anker in der Mitte der Spule magnetisch schwimmt, wodurch die Reibung zwischen dem sich bewegenden Anker und dem stationären Führungsaufbau während der Erregung der Spule vermindert wird.

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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Gehäuse, welches den erfindungsgemäßen Vibrator enthält;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 2j

Fig. 4 die zum Erregen des Vibrators nach Fig. 1 bis 3 dienenden Schaltung, die in dem Gehäuse gemäß Fig. 1 bis 3 untergebracht ist;

Fig. 5 eine Ansicht einer der Printplatten, die die Schaltung gemäß Fig. 4 aufweisen;

Fig. 6 eine Ansicht einer zweiten Printplatte, die einen weiteren Teil der Schaltung gemäß Fig. 4 aufnimmt;

Fig. 7 eine Stirnansicht, welche die Verbindung der beiden Printplatten gemäß Fig. 5 und 6 veranschaulicht.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen das äußere Gehäuse 10, das den Vibratoraufbau umschließt und gegen eine flache Basis 11 paßt. Das Gehäuse 10 und die Basisplatte 11 bestehen aus nicht-magnetischem metallischem Material und können dadurch verbunden sein, daß das Gehäuse 10 in Bördelabschnitten 12 und 13 (Fig. 3 bzw. 1) umgebördelt ist und indem die beiden Teile verklebt sind. Das Gehäuse 10 kann aus dünnem Metallblech aus nicht-magnetischem Material bestehen, und die Basisplatte 11 kann aus etwas dickerem, nicht-magnetischem Metall bestehen, dessen äußere

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Oberfläche 14 (Pig. 1 und 3) so eben als möglich gehalten wird. Der Vibratoraufbau kann dann an einem Höhenmesser oder dgl. durch Bolzen angeklemmt werden, die durch die vorstehenden ösen 15 und 16 (Fig. 2) in der Grundplatte 11 geführt sind, um die Oberfläche 14 der Grundplatte 11 gegen das Instrument zu klemmen.

Durch das Gehäuse 10 stehen zwei Anschlußklemmen 20 und 21 hindurch, die an eine geeignete Spannungsquelle angeschlossen werden. Die Drähte 22 und 235 erstrecken sich von den Klemmen 20 und 21 und durch eine Dichtung 24, um das Innere des Gehäuses 10 mit Spannung zu versorgen, das die elektronischen Bauteile enthält.

Das Innere des Gehäuses 10 weist eine im Querschnitt kreisförmige Spule 30 auf, die aus Plastikmaterial geformt ist. Die Spule 30 trägt eine elektrische Wicklung 31 mit einer geeigneten Zahl von Windungen und mit einer geeigneten Drahtstärke. Die Spule 30 enthält außerdem ein integrales zentrales Rohr 32 mit einer zentralen Axialöffnung 33. Ein Ende des Rohres 32 ist in eine kreisförmige Ausnehmung 34 der Grundplatte 14 in der aus Fig. ersichtlichen Weise eingepaßt. Diese zentrale Ausnehmung 34 in der Grundplatte 14 enthält außerdem ein Hartgummikissen 35» das als Einstoßkissen für den Vibrator dient, wie dies weiter unten erläutert ist.

Das gegenüberliegende Ende des Rohres 33 ist passend gegen einen Kompressionsring 36 gefügt, der von einem Fortsatz 37 der Isolierplatte 38 getragen wird, die gegen die Innenseite der Gehäuseabdeckung 10 paßt. Das Rohr 32 ist teleskopartig über den Fortsatz 37 geschoben und drückt den Ring 36 zusammen, um zu gewährleisten, daß die kreisförmige Spule 30 in geeigneter Weise innerhalb des Gehäuses gehaltert ist. Der Fortsatz 37 besitzt ein zweites Hartgummi-Stoßkissen 39, und nimmt ein

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/in

Permanentmagnetblattchen 4θ auf, welches eine hohe magnetische Energie aufweist und z.B. aus seltenen Erden und Kobalt aufgebaut ist. Der Magnet 39 wird in Richtung der Achse der öffnung 33 permanent magnetisiert und liegt mit seinem Nordpol und seinem Südpol in der angegebenen Weise.

Ein Permanentmagnetanker,bestehend aus zwei Permanentmagneten 41 und 42, ist gleitbar innerhalb der Mittelöffnung 33 angeordnet, wo diese Magnete 41 und 42 zylindrische Gestalt haben. Die Magnete 41 und 42 sind vorzugsweise ebenfalls Magnete mit hoher magnetischer Energie und sie können ebenfalls aus seltenen Erden und Kobalt bestehen. Jeder Magnet 41 und 42 ist in Längsrichtung der öffnung 33 magnetisiert und mit seinem Nordpol und seinem Südpol in der beschriebenen Weise angeordnet, so daß gleiche Pole der beiden Magnete aneinanderstoßen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 3 sind es die Nordpole der Magnete 41 und 42, die gegeneinander gerichtet sind.

Die beiden Magnete 41 und 42 sind als Einzelbaueinheit festgelegt, indem sie in eine nicht-magnetische Hülse 43 eingepaßt sind, deren Enden 44 und 45 über die Stirnflächen der Magnete 41 bzw. 42 gebördelt sind, so daß der gesamte Magnetaufbau sich als Einheit bewegt. In dem Rohr 32 der Spule 30 sind mehrere öffnungen 50 bis 54 ausgebildet, so daß die in der öffnung 33 vorhandene Luft aus dem Rohr austreten kann, wenn die Permanentmagnete 41 und 42 sich axial innerhalb des Rohres bewegen.

Wie weiter unten beschrieben wird, ist eine geeignete Elektronik vorgesehen, um die Spule 31 zu speisen und um den Permanentmagnetaufbau 41 bis 42 zur Schwingung innerhalb der öffnung 33 zu veranlassen, wodurch dieser Aufbau gegen die Kissen 39 und 35 stößt, was eine Vibration zur Folge hat, die beabsichtigt ist und wirksam wird, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem anderen Instrument gekuppelt wird, beispielsweise mit

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einem Höhenmesser.

Die erforderliche Elektronik zum Antrieb der Spule 3I ist zwischen den beiden Printplatten 60 und 61 angeordnet, die im einzelnen in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellt sind. Diese beiden Printplatten sind, wie aus Fig. 7 ersichtlich, miteinander über verschiedene diskrete Schaltungselemente verbunden, die die Schaltung gemäß Fig. 4 bilden.

Fig. 4 zeigt eine typische Schaltung, die zum Antrieb der Spule Jl benutzt werden kann, obgleich auch andere geeignete Schaltungen Anwendung finden können. Die Schaltung nach Fig. 4 erzeugt einen Ausgangsstromimpuls mit einer Frequenz zwischen 20 und 40 Hz wenn der Strom angeschaltet ist, für etwa die Hälfte des Zyklus und während des abgeschalteten Zustands für den Rest des Zyklus.

Die Schaltung gemäß Fig. 4 wird von einer Gleichspannungsquelle gespeist, beispielsweise von einer 28 Volt Spannungsquelle, die an die Anschlußklemmen 20 und 21 angeschaltet wird. Die Schaltung besitzt Ausgangsklemmen 70 und 7I, die an die Wicklung 31 gelegt werden, wie dies schematisch in Fig. 2 durch die Leitungen 72 und 73 angedeutet ist, die nach der Spule 30 verlaufen.

In der Schaltung nach Fig. 4 ist die positive Anschlußklemme 20 mit einer Diode CRl verbunden, und dann mit dem Widerstand Rl. Dann werden drei parallel Kreise durch den Kondensator Cl, die Zehner-Diode ZRl und den Ohm'sehen Spannungsteiler R2-R3 gebildet. Ein Operationsverstärker Al ist mit seinem zweiten Eingang an die eine Seite des Kondensators C2 angeschlossen und der erste Eingang ist an den Verbindungspunkt der Widerstände R2 und R3 angeschaltet. Rückkopplungswiderstände R4 und R5 sind in der dargestellten Weise geschaltet. Ein Ausgangs-

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widerstand Ro ist an einen Kondensator C3 und die Basis eines Transistors Ql angeschlossen. Der Emitter-Kollektorkreis des Transistors ist parallel zu einer Zehner-Diode ZR2 geschaltet. Der Widerstand R4 und der Kondensator C2 definieren eine Zeitgeberschaltung, die die An- und Abschaltzeiten des Transistors Ql steuern, wodurch der Strom in der Spule 31 über die Klemmen 70 und 7I mit der gewünschten Frequenz gesteuert wird. Eine Diode CR2 ist so an die Klemmen 70 und 71 angeschaltet, daß ein schnelles Absinken der Spannung über der Spule 31 auftritt, wenn der Transistor Ql abschaltet.

Die verschiedenen Schaltungselemente der Schaltung gemäß Fig. sind mit den Printplatten 60 und 61 gemäß Fig. 5 und 6 verlötet und verschiedene diskrete Schaltungselemente liegen, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, zwischen den beiden Printplatten. Der Operationsverstärker Al wird von der Printplatte 60, wie aus Fig. 7 ersichtlich, getragen. Die zusammengebaute Schaltung gemäß Fig. 7 wird dann in das Gehäuse, wie aus Fig. 3 ersichtlich, eingesetzt. Der gesamte Aufbau einschließlich Spulen und Printplatten 60 und 61 kann von einem zylindrischen Band 80 oder dgl. umschlossen sein (Fig· 3)·

Es ist nunmehr möglich, die Arbeitsweise des Vibrators nach Fig. 3 zu beschreiben. Es soll angenommen werden, daß ein Stromimpuls der Spule 3I durch die Elektronik gemäß Fig. 4 zugeführt wird und das von der Spule 3I erzeugte Magnetfeld mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete 41 und 42 zusammenwirkt, um schnell den Magnetaufbau nach links gemäß Fig. 3 zu verschieben und um den Magneten 41 zu veranlassen, gegen das Kissen 39 zu stoßen. Hierdurch wird ein mechanischer Stoßimpuls erzeugt, der auf die Grundplatte 11 und dann auf das Instrument übertragen wird, an dem der Vibrator befestigt wird. Nach Auftreffen auf das Kissen 39 nimmt der Strom in der Spule 31 auf Null ab und der kleine Permanentmagnet 40 übt eine

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genügend große Rückstellkraft für den Magneten 41 aus, um den Aufbau mit den Magneten 41 und 42 nach rechts zu verschieben, wodurch das Ende des Magneten 42 an das Kissen 35 anstößt, um so einen weiteren Stoß zu verursachen.

Der bewegliche magnetische Anker, der aus den Magneten 41 und 42 besteht, befindet sich nunmehr in einer Lage, in der er schnell nach links verschoben wird, wenn ein Strom in der Wicklung 31 während des nächsten Zyklus fließt.

Der zylindrische Abschnitt 32 der Spule 30 ist mit einer genügenden Zahl von öffnungen ausgestattet, um einen Luftdruckausgleich vor und hinter dem Anker zu ermöglichen, wenn dieser sich bewegt um zu verhindern, daß eine Luftkompression die Arbeitsweise des Vibrators stört. Der Aufbau gemäß Fig. 3 arbeitet mit hohem Wirkungsgrad, und der aus den Magneten 41 und 42 bestehende Anker kann mit einer Frequenz zwischen 20 und 40 Hz schwingen. Falls erforderlich, kann die Arbeitsfrequenz so gewählt werden, daß die der Resonanzfrequenz der Magnete 41 und 42 entspricht.

Die Schwinnwirkung des axial-symmetrischen Magnetfeldes, das durch die Erregung der Spule 31 erzeugt wird, läßt den Anker 41 und 42 schwimmen und dies führt zu einer Verminderung der Ankerreibung und zu einer Verminderung der Abnutzung der Spule 30 und der Ankerhülse 43. Die Ausbildung ist derart getroffen, daß präzise mechanische Herstellungstoleranzen nicht eingehalten zu werden brauchen, und daß genaue Paßsitze bei der Herstellung des Vibrators nicht erforderlich sind.

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Claims

Patentanwälte Dip I. -Ing. C u rt WaI I ach

Dipl.-Ing. Günther Koeh

DipL-Phys, Dr.Tino Haibach

28 53472 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d

Datum: H. Dezember 1978

Unser Zeichen: ' 16 452 -

P a ten t an s ρ r ü c h e

Elektromeehanischer Vibrator zur Verminderung der Reibung einer mechanischen Bewegung, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht-magnetische Trägerspule mit einer zentralen, axialen Öffnung vorgesehen ist, daß eine Wicklung auf die Trägerspule aufgewickelt ist, daß erste und zweite Permanentmagnete innerhalb der zentralen Axialöffnung angeordnet und darin freibewegllch sind, wobei sie durch die zentrale Öffnung geführt werden und die beiden Permanentmagnete in Richtung der Achse der zentralen axialen Öffnung magnetisiert sind und zusammengehalten werden, wobei gleichnamige Pole einander zugewandt sind, daß die mittlere Axialöffnung eine Axiallänge besitzt, die größer ist als die kombinierte Axiallänge von ersten und zweiten Permanentmagneten, daß Stoßdämpfer wenigstens an einem der gegenüberliegenden Enden der mittleren Axialöffnung vorgesehen sind, wobei das freie Ende des ersten Permanentmagneten in eine Lage beweglich ist, in der er gegen die Oberfläche des Stoßdämpfers anstößt, um einen mechanischen Vibrationsstoß zu erzeugen, daß eine elektrische Schaltung der Wicklung zugeordnet ist, um darin einen Stromfluß zu erzeugen, der den ersten und zweiten Permanentmagneten veranlaßt, sich

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wenigstens nach dem Stoßdämpfer hin zu bewegen und auf das erste und gegenüberliegende zweite Ende der Mittelöffnung hin,und das Rückzugsmittel vorgesehen sind, die in der zentralen öffnung liegen um zu bewirken, daß die ersten und zweiten Magnete sich von dem ersten Ende der zentralen Öffnung weg und nach dem gegenüberliegenden Ende der zentralen öffnung hin zu bewegen, nachdem der erste Permanentmagnet auf den Stoßdämpfer aufgelaufen ist.
2. Vibrator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse,die Spule, die Wicklung und den ersten und zweiten Magneten sowie den Stoßdämpfer und die Rückführvorrichtung umschließt, und daß das Gehäuse Lagermittel zum Anschluß des Gehäuses an mechanischer Vorrichtungen aufweist, und daß ein mechanischer Stoß erzeugt wird, wenn der Stoßdämpfer getroffen wird, wodurch der Stoß auf das Gehäuse übertragen wird.
3. Vibrator nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung innerhalb des Gehäuses enthalten ist.
4. Vibrator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Magneten als Einheit durch eine Hülse zusammengehalten sind, die über die äußeren Stirnseiten der Permanentmagnete umgebördelt ist.

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5. Vibrator nach Anspruch 1, 2853472 dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der zentralen öffnung geschlossen sind, und daß die zentrale axiale öffnung sich über mehrere Ausnehmungen in der Wand nach außen hin öffnet, um eine freie Versetzung der Luft von der zentralen Öffnung zu ermöglichen, wenn die ersten und zweiten Permanentmagnete sich innerhalb der zentralen Öffnung bewegen.
6. Vibrator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rückzugsmittel als fester Permanentmagnet ausgebildet sind, dessen Polarität an der dem ersten Magneten zugewandten Seite gleich ist der Polarität des ersten gegenüberstehenden Permanentmagneten.
7. Vibrator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführmagnet ein Magnet mit hoher magnetischer Energie ist.
8. Vibrator nach den Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Magnet eine hohe Koerzitivkraft aufweisen und im Querschnitt zylindrisch ausgebildet sind.
9. Vibrator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das gegenüberliegende Ende der mittleren Öffnung ein Anschlagkissen aufweist, das vom freien Ende des zweiten Magneten getroffen wird, wenn der zweite Magnet durch die Rückzugsmittel zurückgeführt wird.

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