DD145354A5 - Elektromagnetische betaetigungseinrichtung - Google Patents

Description

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Elektromagnetische Betätigungseinrichtung

Anwendungsgebiet der Erfindung I ₁

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus zwei Bauelementen bestehende elektromagnetische Betätigungseinrichtung, die als Stell- oder Antriebsmotor einsetzbar ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Es sind bereits elektromagnetische Betätigungseinrichtungen bekannt, die ein Paar von Bauelementen umfassen, die aus einem magnetisierbaren Werkstoff gefertigt sind, v/obei das. eine dieser Bauelemente hohl und über dem anderen Bauelement angeordnet, ist und auf dem einen der Bauelemente Wicklungen angeordnet sind, die bei Zuführung eines elektrischen Stroms Magnetfelder erzeugen, die eine relative Bewegung der Bauelemente bewirken.

Ziel der Erfindung.?.

Ziel der Erfindung ist es, eine solche Betätigungseinrichtung mit einer einfachen und zweckmäßigen Form zu schaffen.

Darlegung des Wesens der Erfindung:,

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das andere Bauelement der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung der beschriebenen Art auf seinem Umfang eine Vielzahl von peripheralen Rippen begrenzt, wobei der Durchmesser der Rippen von einem Ende des Bauelementes zum anderen Ende

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desselben hin abnimmt und zwischen benachbarten Rippen peripherale Aussparungen vorhanden sind, wobei in einigen oder in allen diesen Aussparungen Wicklungen angeordnet sind, die Wicklungen oder ihre Anschlüsse so ausgeführt sind, daß dann, wenn elektrischer Strom durch dieslben geleitet wird, die Richtung des Stromflusses in einer Wicklung der Richtung des Stromflusses in einer Wicklung in einer benachbarten Aussparung entgegengesetzt sein wird» Auf der inneren Umfangsfläche des einen Bauelementes sind periphere Flächen vorhanden, die zu den Rippen auf dem anderen Bauelement komplementär angeordnet sind, so daß dann, wenn das zweite Bauelement innerhalb des ersten Bauelementes angeordnet ist, die Rippen des zv/eiten Bauelementes sich in unmittelbarer Nähe der Oberflächenabschnitte auf dem

ersten Bauelement befinden, so daß dann, wenn den Wicklungen Strom zugeführt wird, die benachbarten Rippen des zweiten Bauelementes magnetisch polarisiert werden und eine Bewegung der beiden Bauelemente erfolgen wird, deren Ziel es ist, die Reluktanz des Magnetkraftlinienverlaufs zwischen den beiden Bauelementen zu reduzieren.

Ausführungsbeispiele:.

In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen Querschnittsseitenriß eines Beispiels einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungseinrichtung ;

Figuren 2 und 3 Ansichten ähnlich der Figur 1 von modifizierten Ausführungen;

Figur 4 einen Abschnitt einer weiteren modifizierten Ausführung und

Figur 5 einen Querschnittsseitenriß einer praktischen Anordnung einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung.

Die Betätigungseinrichtung gemäß Figur 1 der Zeichnung umfaßt ein Paar von Bauelementen 10 und 11, die aus magnetisierbarem Werkstoff gefertigt sind, wobei das Bauelement 11 hohl und becherförmig ist und das Bauelement 10 umgibt. A'n der Bodenwand des Bauelementes 11 ist ein Gewindestift 12 befestigt, mit dessen Hilfe es mit einem Teil verbunden werden kann, das erforderlich ist, damit es durch die Betätigungseinrichtung bewegt werden kann. Das Bauelement 10 ist mit einer nicht dargestellten Vorrichtung versehen, mit deren Hilfe e3 an einer Halterung

befestigt werden kann.

Die Umfangsflache des Bauelementes 10 ist mit einer Vielzahl von Rippen 13 ausgestattet. Bei den Rippen 13 handelt es sich um periphere Rippen, und zwischen benachbarten Rippen sind Aussparungen 14 vorhanden. Es muß erwähnt werden, daß der Durchmesser dieser Rippen in Richtung des geschlossenen Endes des Bauelementes 11 hin abnimmt und daß darüber hinaus der Durchmesser der Bodenwände der Aussparungen 14 in gleicher Weise abnimmt.

In jeder Aussparung ist eine Wicklung 15 untergebracht, und die Wicklungen sind zweckmäßigerweise in Reihe geschaltet und des v/eiteren aus einer Drahtlänge hergestellt, wobei die Anschlüsse zwischen benachbarten Wicklungen durch.radiale Schlitze geführt werden, die in den Rippen 13 geformt wurden. Das zurückgeführte Ende der V/icklung, die sich in der kleinsten Aussparung befindet, wird durch eine Bohrung 16 geführt, die sich zwischen den Enden des Bauelementes 10 befinden. Die Anschlüsse der Wicklungen oder vorzugsweise die Richtungen, in welchen die einzelnen Wicklungen gewickelt sindj sind so gewählt, daß dann, wenn durch die Wicklungen ein elektrischer Strom geleitet wird, die Richtungen des Stromflusses benachbarter Wicklungen entgegengesetzt sind. Fließt ein Strom, so werden die Rippen 13 magnetisch polarisiert, und aufgrund der Tatsache, daß die Richtungen des Stromflusses in benachbarten Wicklungen entgegengesetzt sind, nehmen benachbarte Rippen entgegengesetzte magnetische Polaritäten an.

Das Bauelement 11 hat die Gestalt eines Kegelstumpfes, und auf seiner inneren Umfangsflache befinden sich Rippen 17, die zu den Rippen 13 auf dem Bauelement 10 komplementär angeordnet sind. Wie bei den Rippen am . Bauelement 10 haben die Rippen am Bauelement 11 unterschiedliche Durchmesser, und die Durchmesser der beiden Rippensätze sind zueinander so ausgewählt, daß das Bauelement 11 durch bloße axiale Bewegung auf das Bauelement 10 geschoben v/erden kann. Auf diese Weise liegen wie in Figur 1 dargestellt - Paare von Rippen, die durch die beiden Rippensätze gebildet werden, in unmittelbarer Nähe. Im stromlosen Zustand sind die Seitenflächen der Rippen einen kleinen Abstand voneinander entfernt. Wird den Wicklungen Strom zugeführt, so führen die beiden Bauelemente eine relative Bewegung mit dem Ziel der Verminderung der Reluktanz der i.Iagnetkreioe, die zwischen den beiden Bauelementen bestehen, aus_$ so daß durch die Bewegung 'die Luftspalte zwischen den Seitenflächen der Rippen der einzelnen Rippenpaare verkleinert werden. Der Magnetfluß geht durch den Werkstoff hindurch, aus welchem das Bauelement 11 zwischen den Rippen 17 besteht.

Aufgrund der kegelstuiiipffönnigen Gestalt ist es möglich sicherzustellen j daß sich die Luftspalte zwischen den Oberflächen der Rippen auf den beiden Bauelementen verkleinern, da sich die Bauelemente aufeinanderzubev/egen. Würde die rechte zylindrische Ausführung übernommen und bestände der Wunsch, die beiden Bauelemente als einheitliche Elemente zu fertigen, so wäre es erforderlich, zwischen den Rippenseitenflächen einen radialen Zwischenraum vorzusehen. Bei der vorliegenden Ausführung ist es möglich, daß sich die Rippen gegenseitig berühren dürfen , wodurch die Luftspalte so gut wie vollständig

verschwinden. Deshalb kann durch die Betätigungseinrichtung eine beträchtliche Kraft entwickelt werden. Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung besitzen die äußere und innere Umfangsflache des Bauelementes eine gestufte zylindrische Form, wobei die Rippen 17 an den Abstufungen liegen.

Bei der in Figur 2 gezeigten Anordnung besitzt das äußere Bauelement 11— die Form eines Hohlkegels, wobei die Rippen 17 aus der inneren Umfangsflache des Bauelementes hervorstehen. Auf diese Weise ergibt sich eine leichtere Konstruktion als im Falle der gestuften Konstruktion, und, vorausgesetzt die anderen Abmessungen der betätigungseinrichtung sind dieselben, dann müßte die Betätigungseinrichtung gemäß Figur 2 in der Lage sein, schneller zu reagieren.

Bei der in Figur 3 gezeigten Anordnung hat das Bauelement 11— eine gestufte zylindrische Form, wie dies bei dem in Figur 1 gezeigten Bauelement 11 der Fall ist. Es Biuß jedoch erwähnt v/erden, daß die Rippen in Figur als solche jedoch weggelassen wurden, die Stufen 18 zwischen Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers Flächen bilden, die sich in unmittelbarer Nähe der Seitenflächen der Rippen 13 am Bauelement 10 befinden.

Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, sind die Rippen 13 und 17 kegelförmig ausgeführt. Damit soll die Kraftlinienstreuung zwischen einer Rippe 13 und der Rippe 17, die sich neben der nächsten benachbarten Rippe 13 befindet, vermindert v/erden. Eine derartige

Kraftlinienstreuung würde eine Kraft erzeugen, die der erforderlichen Kraft entgegenwirken würde. Im Falle des in Figur 3 gezeigten Beispiels sind die Rippen 13 aus demselben Grunde ebenfalls kegelförmig.

Bei den oben beschriebenen Beispielen bewegen sich die gegenüberliegenden Flächen der Rippen 13 und 17 aufeinander zu und vermindern auf diese V/eise die Reluktanz der verschiedenen Magnetkreise,'wenn durch die Wicklungen Strom geschickt wird. Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Beispielen ist es wie in Figur 4 gezeigt möglich, den Durchmesser der Rippen 13^ zu verkleinern oder den Durchmesser der Profilscheitelflächen der Rippen 17— so zu Vergrößern, daß sich die Rippen zueinander ausrichten können, ohne daß sie sich berühren. Wenn die Rippenpaare axial verschoben sind, dann sind sie - wenn den Wicklungen Strom zugeleitet wird - bestrebt, sich zueinander auszurichten, so daß die Reluktanz der verschiedenen Magnetkreise vermindert wird. In diesem Fall muß hervorgehoben werden, daß die Profilscheitelflächen der Rippen flach sind und im wesentlichen parallel zueinander und zur Längsachse des Gerätes angeordnet sind.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Beispiel können die Profilscheitelflächen der Rippen am Bauelement 10 flach gestaltet und im wesentlichen parallel zur Längsachse ausgerichtet sein, so daß derselbe Effekt erreicht wird.

Die Betätigungseinrichtung gemäß Figur 5 umfaßt ein Kernteil 20, das zusammen mit einem Gehäuseabschnitt 21 in einem Stück gefertigt ist, wobei der Gehäuseabschnitt

ein Teil des Gerätes ist, zu dem die Betätigungseinrichtung gehört. Das Kernteil ist aus magnetisierbarem Werkstoff gefertigt und besitzt eine im wesentlichen kegelstumpf förmige Gestalt. Es ist mit einer Vielzahl von sich peripher erstreckenden Aussparungen 22 versehen, die sich peripher erstreckende Rippen 23 bilden, und je weiter sich eine bestimmte Rippe vom Gehäuseteil 21 entfernt befindet, um so kleiner ist ihr Durchmesser. Darüber hinaus sind die Aussparungen im allgemeinen um so flacher, je weiter sie sich vom Gehauseabschnitt entfernt befinden, wogegen die Breite der Aussparungen mit zunehmendem Abstand vom Gehäuseteil 21 zunimmt.

Die Außenflächen der Rippen 23 bei dieser Ausführung sind zur Achse des Kernteils hin geneigt, und in jeder Aussparung ist eine Wicklung 24 untergebracht. Die Wicklungen sind in einer solchen V/eise in Reihe geschaltet, daß, wenn ein elektrischer Strom durch dis Wicklungen geschickt wird, die Richtung des Stromflusses in benachbarten Wicklungen entgegengesetzt ist. Auf diese Weise v/erden benachbarte Rippen 23 auf eine entgegengesetzte magnetische Polarität polarisiert. Zweckrnäßigerweise ist ein Ende einer der in Reihe geschalteten Wicklungen am Kernteil angeschlossen, wogegen das andere Ende zu einer Klemme 25 hinausgeführt wird, die auf einem elektrisch isolierten Block 26 angebracht ist, der vom Gehäuseabschnitt 21 getragen wird.

Das Kernteil 20 ist von einem AnIcer 27 umgeben; dieser ist ebenfalls aus einem magnetisierbaren Werkstoff gefertigt und besitzt einen dünnen Abschnitt. Der Anker kann eine Anzahl von Z5riindrischen Bändern von sich

verminderndem Durchmesser betrachtet werden, die mit Hilfe von geneigten Abschnitten, wie sie bei 28 gezeigt werden, miteinander verbunden sind. Die Innenflächen der geneigten Abschnitte 28 liegen im v/esentlichen parallel zu den zuvorerwähnten geneigten Flächen der Rippen 23.

Der Anker ist becherförmig gestaltet, und seine Bodenwand 29 ist mit einer Mittenöffnung versehen, in v/elcher eine Abdeckkappe 30 untergebracht i3t, die als Aufnahmevorrichtung für eine Schubstange 31 dient, die sich unter Beibehaltung eine3 Spielraums durch eine Bohrung im Kernteil 20 erstreckt. Wie aus der Figur hervorgeht, erstreckt sich die Schubstange in eine zylindrische Senkbohrung 32 hinein, die teilweise in das Kernteil eingebracht v/urde und die sich innerhalb des Gehäuseabechnitts 21 erstreckt. In der zylindrischen Senkbohrung 32 befindet·sich eine Buchse 33, in welcher ein Tauchkolben (Plunger) 34 gleitbar untergebracht ist. Der Tauchkolben 34 nimmt das Ende der Schubstange 31 auf, das der Abdeckkappe 30 gegenüberliegt, wobei der Tauchkolben mit Hilfe einer Spiraldruckfeder 35 vorgespannt ist.

Beim praktischen Einsatz bewegen sich die geneigten Flächen 28 und die Rippen 23, wenn die Wicklungen mit Strom versorgt werden, aufeinander zu, wobei diese Bewegung auf den Tauchkolben 34 übertragen wird, der der Wirkung der Feder 35 entgegenwirkt. Wird kein Strom mehr durch die Wicklungen geschickt, dann werden der Anker, die Schubstange und der Tauchkolben durch die Wirkung der Feder 35 bewegt.

Den Anker umgibt einen Vertiefungen aufweisenden Ummantelungskörper 36, der aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, bei Welchem es sich zweckmäßigerweise um einen Spritzguß aus einer Zinklegierung handelt, gefertigt ist. Der Ummantelungskörper der gestuften äußeren Umfangsfläche und die Seiten derselben verjüngen sich, so daß sie aus dem Gesenk herausgezogen v/erden können. Die innere Umfangsfläche besitzt ebenfalls eine gestufte Form und ist so gestaltet, daß sie den Anker 27 zur Ausführung einer axialen Bewegung tragen kann. Der Ummantelungskörper weist eine äußere Abstufung mit der Bezugszahl 37 auf, und der Abschnitt des Ummantelungskörpers mit dem breiteren Ende, das heißt, der Abschnitt zwischen der Abstufung 37 und dem Gehäuseabschnitt 21 weist eine innere Umfangsfläche auf, die so gestaltet ist, daß sie eine Anzahl innerer Rippen 33 bildet. Zwischen den Rippen befinden sich Aussparungen, und die Innenflächen des Gehäuses sind kegelförmig, 3o daß das Gehäuse aus dem Gesenk herausgezogen werden kann. Nach dem Entfernen des Gehäuses aus dem Gesenk werden die Rippen 38 so bearbeitet, daß Flächen 39 entstehen, die sich parallel zur Achse des Kernteils 20 erstrecken und Auflageflächen bilden, mit denen sich das breitere Ende des Ankers 27 in Eingriff befindet.

Der Ummantelungskörper ist mit einer Anzahl von v/eiteren Rippen 40 versehen, die wiederum bei der Herstellung verjüngt werden, so daß sie ein Herausziehen des Gußteils aus dem Gesenk ermöglichen. Anschließend werden die Innenflächen der Rippen so bearbeitet, daß sie Auf-'lageflächen für Ankerflächen in der Nähe des schmaleren Endes des Ankers aufweisen.

Das offene Ende des Ummantelungskörpers ist mit Hilfe eines nichtmetallischen Verschlußteils 41 verschlossen, das im allgemeinen becherförmig ist. Der Rand des Verschlußteils erstreckt sich bis in die Nähe einer inneren Abstufung, die im Ummantelungskörper 36 gebildet ist, wobei zwischen dem Verschlußteil und der Abstufung ein Elastomer-Abdichtring angeordnet ist. Das Verschlußteil wird in dem Ummantelungskörper festgehalten; es ist ein Teil des Uimnantelungskörpers, das sich verspannt.

Es ist ein Meßwertaufnehmer, der nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, vorgesehen, der es ermöglicht, die Lage des Ankers elektrisch abzutasten, wobei der Meßwertaufnehmer eine flache Wicklung 42 umfaßt, die in die periphere Aussparung im Endverschlußteil 41 gewickelt ist. Die Wicklungsenden sind an Klemmen 43 angeschlossen, die von einem Teil getragen werden, das mit dem Endverschlußteil in einem Stück geformt ist. Darüber hinaus umfaßt der Anker einen elektrisch leitenden Ring 44, der neben der Wicklung 42 angeordnet ist. Wenn letztere mit Wechselstrom versorgt wird, so ändert sich die Induktanz der Wicklung mit der Bewegung.des Ankers.

Es ist wünschenswert, daß die Konstruktion der Betätigungseinrichtung so optimiert wird, daß bei einem Minimum an Werkstoffmasse eine maximale Leistung erzielt wird. Eine derartige Optimierung wird erzielt, wenn die Breite und die Länge der Aussparungen 22 variiert werden. Die Aussparungen sind so dimensioniert, daß die Wicklungsbereiche der Aussparungen über die gesamte Länge des Bauteils im wesentlichen konstant sind. Des weiteren sind die Rippen 23 so dimensioniert, daß die peripheren

Randbereiche an der Spitze und am Fuß im wesentlichen gleich sind, so daß die Flußdichte im Werkstoff, aus welchem die Rippen bestehen, über die Tiefe der Rippen im wesentlichen konstant bleibt. In gleicher Weise entspricht der Bereich des Ringspalts zwischen den Böden der Aussparungen und der Mittenöffnung im wesentlichen dem Bereich des Ringspalts des Ankers in den zu den einzelnen Aussparungen gehörenden Zonen.

Claims (11)

1. - 43-

   Erfindungsanspruch:

   Elektromagnetische Betätigungseinrichtung, gekennzeichnet dadurch, daß sie ein Paar von Bauelementen umfaßt, die aus einem magnetisierbaren Werkstoff gefertigt sind, wobei eines dieser Bauelemente hohl und über dem anderen Bauelement angeordnet ist; daß auf dem Umfang des zweiten Bauelementes eine Vielzahl peripheraler Rippen angeordnet ist, wobei der Durchmesser dieser Rippen von einem Ende des Bauelementes zum anderen Ende desselben hin abnimmt, daß zwischen benachbarten Rippen Aussparungen vorhanden sind, daß in einigen oder in allen diesen Aussparungen Wicklungen angeordnet sind, daß zwischen diesen Wicklungen elektrische Verbindungen vorgesehen sind, wobei die Wicklungen oder ihre Anschlußverbindungen so ausgeführt sind, daß dann, wenn elektrischer Strom durch dieselben geleitet wird, die Richtung des Stromflusses in einer Wicklung der Richtung des Stromflusses in einer Wicklung in einer benachbarten Aussparung entgegengesetzt sein wird, daß auf der inneren Umfangsfläche des ersten Bauelementes Plächenabsc.hnitte vorhanden sind, die zu den genannten Rippen komplementär angeordnet sind, so daß dann, wenn das zweite Bauelement innerhalb des ersten Bauelementes angeordnet ist, die peripheralen Rippen am Umfang des zweiten Bauelementes sich in unmittelbarer Nähe der entsprechenden Oberflächenabschnitte des ersten Bauelementes befinden, und daß dann, wenn den genannten Wicklungen Strom zugeführt wird, die benachbarten Rippen am Umfang des zweiten Bauelementes magnetisch polarisiert v/erden und eine relative Bewegung der beiden Bauelemente erfolgen wird, deren Ziel es ist, die Reluktanz des Magnetkraftlinienverlaufes zwischen den beiden Bauelementen zu reduzieren.

   -w- IfI 7
2. 2. Betätigungseinrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das besagte erste Bauelement konisch ausgeführt ist.
3. 3. Betätigungseinrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das besagte erste Bauelement an seiner inneren Umfangsfläche mit einer Vielzahl von Rippen versehen ist, wobei die Rippen an dem ersten Bauelement komplementär zu den Rippen an dem zweiten Bauelement sind und die entsprechenden Oberflächenabschnitte

   definieren.
4. 4. Betätigungseinrichtung nach Punkt 3» gekennzeichnet dadurch, daß die innere und die äußere Oberfläche des genannten ersten Bauelementes die Form einer gestuften Zylindermantelfläche besitzen.
5. 5. Betätigungseinrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß. das genannte erste Bauelement die Gestalt eines hohlen Kegelstumpfes besitzt.
6. 6. Betätigungseinrichtung nach Punkt 4» gekennzeichnet dadurch, daß die Rippen an den Abstufungen der inneren Umfangsfläche liegen.
7. 7. Betätigungseinrichtung nach Punkt 3_S gekennzeichnet dadurch, daß die Seitenflächen der Rippen an den
   beiden Bauelementen durch radial verlaufende Luftspalte voneinander getrennt sind.
8. 8. Betätigungseinrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Profilscheitelflächen der Rippen an

   den von den zugehörigen Rippen entfernt liegenden Seiten verjüngt ausgeführt sind.

   "•3*"

   9« Betätigungseinrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die zueinander gehörenden Rippen an den beiden Bauelementen durch longitudinal verlaufende Luftspalte voneinander getrennt sind.
9. 10. Betätigungseinrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die genannten Oberflächenabschnitte durch Abstufungen definiert sind, mit denen die innere Umfangsflache des ersten Bauelementes versehen ist.

   11o Betätigungseinrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Aussparungen so dimensioniert sind, daß die Wicklungsquerschnitte über die Länge des Bauelementes praktisch konstant bleiben.
10. 12. Betätigungseinrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die peripherale Querschnittsfläche der einzelnen Rippen über die Rippenhöhe praktisch konstant ist.
11. 13. Betätigungseinrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sie einen Ummantelungskörper einschließt, der das erste Bauelement umgibt, wobei dieser Ummantelungskörper mit Auflageflächen für das besagte erste Bauelement versehen, ist.

    14» Betätigungseinrichtung .nach Punkt 13» gekennzeichnet dadurch, daß die genannten Auflageflächen an in Längs-· richtung verlaufenden Rippen vorgesehen sind, die sich an der inneren Umfangsfläche des Ummantelungskörpers befinden.

    Zetchnangen