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Die Erfindung betrifft ein Rastwerk, insbesondere für elektrische Schalter, mit berührungsfreier magnetischer Verrastung von Drehstellungen eines Rotors relativ zu einem dazu gleichachsigen Stator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein aus der
DE 40 35 011 C2 bekanntes derartiges Rastwerk besitzt einen als Rastmagnetring ausgebildeten Rotor mit in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden magnetischen Polen der einen und anderen magnetischen Polarität. Als Stator ist ein weichmagnetischer Ring mit Radialfortsätzen angeordnet, denen sich die Pole des Rastmagnetrings in den Rastlagen maximal annähern.
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Die
DE 196 46 998 A1 umfasst ein Rastwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und empfiehlt in ihrer Beschreibung, dass die Zahnabstände der magnetisch zusammenwirkenden Verzahnungen am Rotor und am Stator gleiche Bogenmaße aufweisen sollen, um ein optimiertes Rastverhalten zu erzielen.
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Diese Rastwerke haben sich bewährt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein magnetisches Rastwerk mit nahezu beliebig vielen Rastlagen zu schaffen, wobei auch eine einfache Konstruktion sowie leichte Herstellbarkeit gegeben sein sollen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Rastwerk der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst mit einer rotor- oder statorseitigen Magnetanordnung mit in Richtung der Rotorachse ausgerichteter magnetischer Achse und voneinander axial beabstandeten Polschuhen, die über ringförmige Luftspalte mit einem den magnetischen Fluß zwischen den Polschuhen führenden bzw. bündelnden stator- oder rotorseitigen Leitkörper magnetisch zusammenwirken, wobei zumindest einer der Polschuhe sowie der diesem Polschuh zugeordnete Teil des Leitkörpers einander zugewandte Verzahnungen aufweisen, die den zugeordneten Luftspalt begrenzen und miteinander magnetisch rastend zusammenwirken, wobei die eine Verzahnung eine der Zahl der Raststellungen entsprechende Anzahl äquidistanter Zähne und die andere Verzahnung vergleichsweise größere Zahnabstände besitzt, die jeweils einem Vielfachen des Zahnabstandes der einen Verzahnung entsprechen. Erfindungsgemäß weist die eine Verzahnung im Vergleich zur anderen Verzahnung eine zumindest etwa dreifache Zahnzahl auf.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zwischen Rotor und Stator zumindest einen von magnetischem Fluß durchsetzten ringförmigen Luftspalt zwischen rotorseitigen und statorseitigen Verzahnungen aus Weicheisenmaterial anzuordnen und die Zahnabstände der Verzahnungen so aufeinander abzustimmen, daß bei Drehung des Rotors abwechselnd Drehlagen mit vielen einander gegenüberliegenden Zähnen, d.h. Rastlagen, und Drehlagen mit in Umfangsrichtung gegeneinander versetzten Zähnen, d.h. unverrastete Zwischenlagen, auftreten.
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Indem einerseits eine Verzahnung mit großer Zahnzahl und andererseits eine gegenüberliegende Verzahnung mit relativ geringer Zahnzahl vorgesehen ist, lassen sich überraschend hohe Rastkräfte für die Rastlagen realisieren. Dies beruht im Wesentlichen darauf, dass die auftretenden Haltekräfte überproportional zur magnetischen Flußdichte wachsen, solange keinerlei Sättigung des magnetischen Flusses auftritt bzw. Sättigungseffekte vernachlässigt werden können.
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Gegenüber einer Anordnung, bei der die den Luftspalt begrenzenden Verzahnungen gleiche Zahnzahl aufweisen, wird durch die Verminderung der Zahnzahl der einen Verzahnung eine mit zunehmender Zahnzahldifferenz ansteigende magnetische Flußdichte zwischen den in den Rastlagen einander gegenüberliegenden Zähnen erreicht, so daß aufgrund der mit der Flußdichte überproportional ansteigenden magnetischen Kräfte zwischen den gegenüberliegenden Zähnen eine verbesserte Verrastung gewährleistet wird.
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Allerdings lassen sich die erreichbaren Rastkräfte nicht unbegrenzt erhöhen, weil bei übermäßiger Verminderung der Zahnzahl der einen Verzahnung einerseits Zonen mit gesättigtem magnetischen Fluß und andererseits starke Streueffekte des magnetischen Flusses auftreten und die erreichbaren Rastkräfte begrenzen bzw. bei übermäßiger Zahnzahldifferenz sogar abschwächen.
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Versuche haben ergeben, daß in der Regel optimale Rastkräfte erreicht werden, wenn die Zahnzahl der einen Verzahnung größenordnungsmäßig etwa einem Fünftel der Zahnzahl der anderen Verzahnung entspricht.
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Hervorzuheben ist, daß benachbarte Zähne der Verzahnung mit der geringeren Zahnzahl gegebenenfalls unterschiedliche Zahnabstände aufweisen können. Jedoch sind aus produktionstechnischen Gründen in der Regel gleiche Zahnabstände zwischen benachbarten Zähnen bevorzugt und dann erfindungsgemäß realisiert. Jedoch läßt sich dies nur dann ausnahmslos gewährleisten, wenn die Zahnzahl der Verzahnung mit den vielen Zähnen entsprechend teilbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Magnetanordnung als Permanentmagnetanordnung ausgebildet. Damit wird zur Erzeugung des Magnetfeldes keinerlei von außen zuzuführende Energie benötigt.
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Grundsätzlich ist jedoch auch eine Elektromagnetanordnung möglich, die gegebenenfalls auch mit einer Permanentmagnetanordnung kombiniert sein kann.
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Hier wird durch eine von der Drehrichtung des Rotors abhängigen Bestromung die Möglichkeit geboten, die Rastkräfte und dementsprechend auch die Drehwiderstände je nach Drehrichtung des Rotors unterschiedlich einzustellen.
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Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird.
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Dabei zeigt
- 1 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Rastwerkes,
- 2 eine Achsansicht des Stators und
- 3 eine Achsansicht eines scheibenförmigen Polschuhs.
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Das in der Zeichnung dargestellte Rastwerk besitzt ein Gehäuse 1, welches im wesentlichen aus einem vorderen Bodenteil 2, einem rohrförmigen Mittelteil 3 sowie einem hinteren Bodenteil 4 besteht und einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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Die Bodenteile 2 und 4 bestehen aus einem nicht magnetisierbaren Material, während das Mittelteil 3 aus ferromagnetischem Material, beispielsweise einem Weicheisenmaterial, besteht.
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Am vorderen Bodenteil 2 ist ein zentraler hülsenförmiger Abschnitt 2' angeformt, der mit einem Außengewinde versehen ist und eine Rotorwelle 5 aus Edelstahl oder einem sonstigen nicht bzw. praktisch nicht magnetisierbaren Material lagert. Der in das Gehäuse 1 hineinragende Teil der Rotorwelle 5 trägt einen Rotor 6, welcher im wesentlichen aus einem konzentrisch zur Rotorwelle 5 angeordneten, parallel zur Achse der Rotorwelle 5 magnetisierten, ringförmigen Permanentmagnet 7, der an der Rotorwelle 5 mittels eines ringförmigen Kunststoffadapterteiles 8 gehaltert ist, und zwei ringscheibenförmigen Polschuhen 9 und 10 besteht, die auf den Stirnseiten des ringförmigen Permanentmagnetes 7 aufliegend angeordnet und aus einem magnetisierbaren Material, beispielsweise einem Weicheisenmaterial, hergestellt sind. Der gesamte Rotor 6 ist drehfest mit der Rotorwelle 5 verbunden.
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Gemäß 3 besitzen die Polschuhe 9 und 10 eine relativ feine Außenverzahnung, wobei benachbarte Zähne durch etwa halbkreisförmige Aussparungen voneinander abgetrennt sind. Die Zähne besitzen relativ breite Enden, wobei die Endflächen Ausschnitte einer für alle Zähne gemeinsam umhüllenden Kreiszylinderfläche bilden und vorzugsweise mit abgerundeten Kanten in die Zahnflanken übergehen.
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Die Zähne der Polschuhe 9 und 10 liegen axial exakt hintereinander.
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Das Mittelteil 3 des Gehäuses 1 besitzt einen axialen Mittelbereich 3' mit Innenumfangsverzahnung, deren Zähne im dargestellten Beispiel den fünffachen Zahnabstand der Zähne der Polschuhe 9 und 10 aufweisen. Im übrigen ist die Verzahnung des Mittelbereiches 3' ähnlich ausgebildet wie die Verzahnung der Polschuhe 9 und 10, d.h. benachbarte Zähne sind wiederum durch halbkreisförmige Ausnehmungen voneinander getrennt. In Umfangsrichtung besitzen die Zähne eine gleiche Breite wie die Zähne der Polschuhe 9 und 10, wobei die stumpfen Zahnspitzen wiederum unter Abrundung in die Zahnflanken bzw. die halbkreisförmigen Aussparungen übergehen.
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In axialer Richtung des Mittelteiles 3 besitzt dessen Innenumfangsverzahnung eine derartige Länge, daß die beiden Polschuhe 9 und 10 axial überdeckt werden.
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Zwischen den einander zugewandten Zähnen der Innenumfangsverzahnung des Mittelteiles 3 sowie den Außenumfangsverzahnungen der Polschuhe 9 und 10 ist ein sehr schmaler Luftspalt ausgebildet.
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Im Ergebnis wird damit eine berührungsfreie magnetische Verrastung des Rotors 6 relativ zu dem einen Stator bildenden innenverzahnten Mittelbereich 3' des Mittelteiles 3 erreicht, wenn der Rotor 6 eine Drehstellung aufweist, bei der sämtlichen Zahnenden der Innenverzahnung des Mittelbereiches 3' des Mittelteiles 3 jeweils Zähnen der Polschuhe 9 und 10 radial gegenüberliegen. Denn in diesem Fall tritt jeweils an den Zahnenden der Innenverzahnung des Mittelbereiches 3' des Mittelteiles 3 ein maximaler magnetischer Fluß auf. Dagegen wird ein minimaler magnetischer Fluß erreicht, wenn die Zahnenden der Innenverzahnung des Mittelbereiches 3' des Mittelteiles 3 jeweils einer Zahnlücke der Polschuhe 9 und 10 radial gegenüberliegen.
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Für ein ausgeprägtes Rastverhalten sind die obengenannten abgerundeten Übergänge zwischen den Zahnenden und den Zahnflanken vorteilhaft. Insbesondere vorteilhaft ist die im Vergleich zu den Polschuhen 9 und 10 geringe Zahnzahl des Mittelbereiches 3' des Mittelteiles 3. Dadurch wird in den Rastlagen zwischen gegenüberliegenden Zähnen ein erhöhter magnetischer Fluß erreicht, welcher zu einem überproportionalen Anstieg der magnetischen Rastkräfte führt, wie eingangs dargelegt wurde.
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Abweichend von der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, die Polschuhe 9 und 10 mit geringer Zahnzahl und statt dessen die Innenumfangsverzahnung des Mittelbereiches 3' des Mittelteiles 3 mit hoher Verzahnungszahl auszubilden.
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Des weiteren kann vorgesehen sein, lediglich einen der Polschuhe 9 und 10 mit einer Außenumfangsverzahnung zu versehen und den anderen Polschuh mit kreisförmigem Umfang auszubilden, wobei dann gegebenenfalls auch der Mittelbereich 3' des Mittelteiles 3 im Bereich dieses Polschuhes einen kreisförmigen Innenumfang aufweisen kann, der vom kreisförmigen Umfang des genannten Polschuhs durch einen engen Luftspalt getrennt ist.
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Außerdem kann der Mittelbereich 3' des Mittelteiles 3 axial zwischen den Polschuhen 9 und 10 eine Aussparung in Form einer tiefen Innenumfangsnut besitzen.
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Schließlich ist es auch möglich, den Permanentmagnet 7 gehäuseseitig anzuordnen, wobei allerdings der Mittelbereich 3' des Mittelteiles 3 axial geteilt sein muß, derart, daß sich der Magnet axial zwischen den Endteilen des Mittelbereiches 3' anordnen läßt und die vorgenannten Endteile auf dem Magnet nach Art von Polschuhen sitzen. Des weiteren müssen dann die rotorseitigen Verzahnungsteile axial miteinander durch magnetisierbares Material, etwa im Bereich des Adapters 8, miteinander verbunden sein, um den magnetischen Fluß zwischen den Polen des Magnetes führen zu können.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, den Permanentmagnet 7 durch einen Elektromagnet zu ersetzen. Damit besteht prinzipiell die Möglichkeit, die Rastkräfte in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors 6 zu steuern, indem beispielsweise der Elektromagnet bei Drehung des Rotors 6 in der einen Richtung mit hoher elektrischer Stromstärke und bei Drehrichtung in der anderen Richtung mit geringerer elektrischer Stromstärke bestromt wird.
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Zur Drehrichtungserkennung kann beispielsweise vorgesehen sein, daß auf der dem Bodenteil 4 zugewandten Stirnseite des Polschuhs 10 ein regelmäßiges Radialstreifenmuster angeordnet ist, dessen Streifen unter gleichen Winkeln zueinander angeordnet sind. Axial zwischen dem Polschuh 10 und dem Bodenteil 4 ist eine stationäre Blende 11 angeordnet, die zwei Zonen mit Radialschlitzfenstern aufweist, wobei zueinander benachbarte Fenster jeweils unter dem gleichen Winkel wie benachbarte Radialstreifen auf dem Polschuh 10 angeordnet sind. Jedoch sind die Radialschlitze des einen Fensters relativ zu den Radialschlitzen des anderen Fensters um einen halben Winkelabstand versetzt angeordnet, derart, daß in den Raststellungen des Rotors 6 die Radialschlitze des einen Fensters in Umfangsrichtung des Rotors 6 vollständig von den Streifen auf dem Polschuh 10 überdeckt werden, während diese Streifen in den Radialschlitzen des anderen Fensters jeweils nur zur Hälfte in Umfangsrichtung sichtbar sind.
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Wenn beispielsweise die Streifen weiß bzw. hell ausgebildet und die Zwischenräume zwischen den Streifen dunkel sind, werden in Rastlagen des Rotors 6 die Radialschlitze des einen Fensters maximale Helligkeit aufweisen, während die Radialschlitze des anderen Fensters eine mittlere Helligkeit haben.
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Bei Drehung des Rotors 6 in die jeweils nächste Raststellung werden die erstgenannten Fenster zunächst verdunkelt und erreichen dann nach einem Dunkel-Durchgang mit der nächsten Raststellung wieder maximale Helligkeit.
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Die Schlitze des anderen Fensters werden je nach Drehrichtung zunächst entweder abgedunkelt oder aufgehellt und erreichen dann in der nächsten Raststellung wieder ihre mittlere Helligkeit, nachdem entweder ein Zustand maximaler Helligkeit oder vollständiger Abdunklung durchlaufen wurde.
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Diese Helligkeitsänderungen können mittels Lichtsensoren 12 erfaßt werden, die vor den vorgenannten Fenstern der Blende 11 auf einer Platine 13 auf der Innenseite des Bodenteiles 4 angeordnet sind und das im Bereich der Fenster reflektierte Licht eines Lichtemitters 14 erfassen.
