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Monostabiles Drehankersystem
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Die Erfindung betrifft ein monostabiles Drehankersystem zur Verwendung
in elektromechanischen Antrieben mit einem zwischen zwei elektromagnetisch erregbaren
Polen drehend beweglichen Anker.
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Bei derartigen monostabilen Magnetsystemen ist es erforderlich den
Anker mittels einer Haltekraft in einer definierten Ruhelage festzuhalten, während
der Anker durch eine elektromagnetische Kraft in die Arbeitslage bewegbar ist. Dabei
kehrt der Anker nach Fortfall der elektromagnetischen Krafteinwirkung in die Ausgangslage
(Ruhelage) zurück.
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Es ist bekannt zur Erfüllung dieser Erfordernisse den Anker mit einer
Rückstellfeder zu versehen, die ihn in einer definierten Ruhelage festhält. Dabei
ist jedoch, bedingt durch die Federkennlinie, die Rückstellkraft in der Ruhelage
am geringsten, während sie in der durch elektromagnetische Krafteinwirkung erzielten
Arbeitslage am größten ist. Diese vergrößerte Rückstellkraft bewirkt jedoch eine
Verringerung der nutzbaren Hubarbeit des Magnetsystems.
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Weiterhin sind M-agnetsysteme bekanntgeworden, die zur Erzielung der
Haltekraft in der Ruhelage eine permanentmagnetische Haltekraft verwenden. Dabei
sind diese Magnetsysteme so aufgebaut, daß im feststehenden Teil des Magnetsystems
mindestens ein Permanentmagnet im Magnetkreis so angeordnet ist, daß seine permanentmagnetische
Kraftwirkung den beweglichen Anker in einer definierten Ruhelage festhält.
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Um den Anker in die Arbeitslage zu bewegen, ist bei diesen Magnetsystemen
eine elektrische Spule so angeordnet, daß diese nach ihrer Erregung eine elektromagnetische
Kraft erzeugt, die der permanentmagnetischen Kraftrichtung entgegengesetzt ist und
den Anker in seine Arbeitslage bewegt.
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Derartige Magnetsysteme sind üblicherweise so aufgebaut, daß der elektromagnetische
Fluß durch den im Magnetkreis angeordneten Permanentmagneten verläuft. Dabei sind
die einzelnen Teile des Magnetsystems miteinander durch Klebung verbunden.
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Aufgrund der geringen Permeabilität des Permanentmagnetwerkstoffes
sind bei dieser Anordnung jedoch hohe elektrische Magnetisierungsströme erforderlich.
Da die Permanentmagnete mit relativ großen Maßtoleranzen gefertigt werden, ist es
weiterhin erforderlich, das derart aufgebaute Magnetsystem nach dem Einbringen des
Permanentmagneten in aufwendigen Arbeitsgängen zu justieren, um die vorhandenen
Fertigungstoleranzen auszugleichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen,
den permanentmagnetischen Teil des Magnetsystems so in das System zu integrieren,
daß dieser ohne aufwendige Montage- und Justierarbeiten eingefügt werden kann. Weiterhin
wird die Forderung nach geringer Ansprechleistung bei dennoch möglichst hoher permanentmagnetischer
Haltekraft gestellt, ferner soll das Magnetsystem im Betrieb möglichst unempfindlich
gegen Streueinflüsse benachbarter ferromagnetischer Bauteile sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß. der Drehanker
aus weichmagnetischem Werkstoff mit mindestens einem eingesetzten Permanentmagneten
versehen ist, wobei der permanentmagnetische Pol unmittelbar neben einem weichmagnetischen
Pol des Drehankers angeordnet ist.
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Zur weiteren Erhöhung der permanentmagnetischen Haltekraft, sowie
der elektromagnetischen Anzugskraft sieht eine weitere Ausbildung der Erfindung
vor, daß in einem rotationssymmetrischen Drehanker zwei Permanentmagnete mit der
Polaritätsrichtung
NS-NS unter Zwischenschaltung eines Abschnittes
des weichmagnetischen Ankerteils angeordnet sind.
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Um das Magnetsystem an den Kennlinienverlauf des mechanischen Antriebes
anzupassen, sind nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die äußeren Polflächen
der Permanentmagnete in der Nähe des Bewegungsradius der weichmagnetischen Ankerpole
durch Neigung und/oder Veränderung des Abstandes der Polflächen zu diesem Bewegungsradius
an den Verlauf der Drehmomentkennlinien anpaßbar.
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Zur Erzielung von exakt vorbestimmten Drehwinkeln des Drehankers sind
nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung zur Begrenzung des Drehwinkels des
Ankers Anschläge vorgesehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 die Ansicht des Drehankersystems im Teilschnitt mit
abgenommener Gehäuseschale und Fig. 2 die Seitenansicht des Drehankersystems im
Schnitt.
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Das in der Zeichnung dargestellte Drehankersystem besteht aus den
Gehäuseschalen 1,2, der Magnetspule 3, dem Magnetkern 4, den Flußleitstücken 5,5'
und dem Drehanker 6.
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Der im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrische Drehanker
ist aus weichmagnetischem Material hergestellt und mit in Ausnehmungen angeordneten
Permanentmagneten 7,7' versehen. Die Lagerung des Drehankers erfolgt über die Zapfen
8 in entsprechenden Bohrungen der Gehäuseschalen. Weiterhin ist der Drehanker mit
einem vorzugsweise angeformten unmagnetischen Kraft-Abgriffsteil 9 versehen, welches
durch die Ausnehmung 10 der Gehäuseschalen nach außen ragt. Dabei bilden die seitlichen
Begrenzungsflächen dieser Ausnehmungen die Anschlagflächen 11,11'
für
die Drehwinkelbegrenzung des Drehankers.
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Bei der Herstellung eines derartigen Magnetsystemes wird der elektromagnetische
Teil, bestehend aus Magnetspule 3, Magnetkern 4 und vorteilhafterweise angenieteten
Flußleiterstücken 5,5" in die mit entsprechenden Konturen versehene Gehäuseschale
1 eingelegt. Dabei werden die oberen Endbereiche der Flußleitstücke hinter im Inneren
der Gehäuseschale angeordnete Vorsprünge 12,12' geschoben. Durch den konstruktiv
vorgegebenen Abstand dieser Vorsprünge wird ein genau definierter Abstand der Flußleitstücke
im Bereich des Drehankers erzielt.
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Die Herstellung der Gehäuseschalen als Kunststoff-Formspritzteil ermöglicht
eine hohe reproduzierbare Maßgenauigkeit.
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Der in der Fig. 1 dargestellte Drehanker 6 ist mit zwei Permanentmagneten
7,7', deren Magnetisierungsachsen auf einer gemeinsamen Achse liegen, versehen und
die in ihrer Größe entsprechenden Ausnehmungen des weichmagnetischen Drehankers
eingeklebt sind. Dabei wird die Dicke der Permanentmagneten quer zur Magnetisierungsrichtung
zur Erzielung eines maximalen Energieinhaltes vorzugsweise entsprechend der Dicke
des weichmagnetischen Teils des Drehankers gewählt. Durch die Anordnung der Permanentmagnete
in NS-NS-Richtung , wie in der Fig. 1 dargestellt, verläuft in der Ruhelage des
Magnetsystems der magnetische Fluß ausgehend vom Nordpol "N" des Permanentmagneten
7 über den Luftspalt 13, das Flußleitstück 5, den Magnetkern 4, das Flußleitstück
5' und den Luftspalt 13' zum Südpol S" des Permanentmagneten 7'. Innerhalb des Magnetankers
6 erfolgt der Flußverlauf entsprechend vom Nordpol "N" des Permanentmagneten 7'
über das weichmagnetische Mittelteil 15 des Drehankers zum Südpol 5" des Permanentmagneten
7.
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Durch die permanentmagnetische Kraftwirkung wird sich nunmehr eine
Kraft ausbilden, die den wirksamen Teil des Luftspaltes zu verringern sucht und
dem Drehanker eine Drehkomponente erteilt, die ihn in der gezeichneten Ruhelage
festhält. Dabei wird das Abgriffsteil 9 gegen den Anschlag 11' gezogen.
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Bei der Bestromung der Magnetspule 3 mit einem elektrischen Strom,
der so gerichtet ist, daß das Flußleitstück 5' im Bereich des Drehankerpoles einen
elektromagnetischen Südpol und das Flußleitstück 5 einen elektromagnetischen Nordpol
bildet, verläuft der elektromagnetische Fluß ebenfalls über die Flußleitstücke 5,5',
den Magnetkern 4, die Luftspalte 13,13' und über den Drehanker &.
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Durch die sich gegenüberstehenden, nunmehr gleichnamigen Magnetpole
(Permanentmagnetpole und elektromagnetische Magnetpole der Flußleitstücke) erfolgt
nun eine gegenseitige Abstoßung der Magnetpole und der Drehanker erhält eine Drehkomponente,
die den Luftspalt zu vergrößern sucht.
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Der Drehanker wird nunmehr in die entgegengesetzte Richtung bewegt,
bis sich die weichmagnetischen Polteile 14,14' unter Bildung eines möglichst geringen
Luftspaltes, und die elektromagnetischen Pole der Flußleitstücke gegenüberstehen.
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Dabei kommt der Ankerabgriff 9 an der Anschlagkante 11 des Gehäusedurchbruches
10 zur Anlage und begrenzt den Drehwinkel des Drehankers Gleichzeitig wird durch
diese Maßnahme ein Uberschwingen des Drehankers über den vorbestimmten Arbeitswinkel
(Arbeitshub) hinaus verhindert.
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Durch Änderung der geometrischen Anordnung der Permanentmagnete in
dem Drehanker können unterschiedliche Drehmomentkennlinien des Magnetsystemes durch
einfaches Auswechseln des jeweiligen Drehankers erzielt werden. Beispielsweise erhält
man eine Variation der Drehmoment-Kennlinie durch Veränderung des Abstandes (Arbeitsluftspalt)
der Permanentmagnetpole zu den jeweiligen Polbereichen der Flußleitstücke. Weiterhin
kann durch achsparalleles Versetzen der Magnetisierungsachsen der Permanentmagnete
7,7' und/oder durch Anordnung der Magnetisierungsachsen in einem bestimmten Winkel
zueinander ein an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßter Drehmoment-Kennlinienverlauf
erhalten werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin,
daß die magnetischen Widerstände in den einzelnen Abschnitten des Magnetkreises
möglichst gleichmäßig und insgesamt gering gehalten sind.
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Dadurch ergibt sich zusätzlich zur optimalen Ausnutzung der in das
System eingebrachten elektrischen Leistung, daß das Magnetsystem im Betrieb unempfindlich
gegen die Streubeeinflussung durch benachbarte ferromagnetische Teile ist.
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Durch die formgebundenen funktionswichtigen Maße ist weiterhin keinerlei
Justage bei der Montage eines derartigen Magnetsystems erforderlich.
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Durch die wenigen, unkomplizierten Einzelteile des erfindungsgemäßen
Drehankersystems, die in ein Kunststoff-Schalengehäuse, welches vorzugsweise aus
zwei identischen Halbschalen besteht, eingelegt werden, ergibt sich der Vorteil
eines äußerst preisgünstig herzustellenden Magnetsystems.
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Alle Merkmale, die in der vorstehenden Beschreibung erwähnt und/oder
in der Zeichnung dargestellt sind, sollen, sofern der bekannte Stand der Technik
dies zuläßt, für sich allein oder in beliebigen Kombinationen oder Teilkombinationen
als erfindungswesentlich angesehen werden, auch wenn sie in den Ansprüchen nicht
enthalten sind.
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