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Die
Erfindung betrifft eine Sperrvorrichtung für ein Hub-Magnetsystem, gebildet
aus einem Joch, einer Erregerspule auf einem Spulenkörper, mit
einem Permanentmagneten und einem Magnetkern sowie einem Ankersystem,
wobei das Ankersystem zwei axial ineinander verschiebbare und gegeneinander
verriegelbare Anker, einen Funktionsanker und einen Sperranker aufweist.
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Eine
derartige Sperrvorrichtung wird benötigt, um einen elektromagnetischen
Hubmagneten gegen eine größere von
außen
auf den Anker wirkende Kraft auszubilden, die mit einem Hubmagneten normaler
Bauart und bei gleicher Baugröße nicht
zu erzielen ist.
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Stand
der Technik
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Aus
der
DE 41 16 339 C2 ist
ein Hubmagnet bekannt, der zur Verbesserung seines Wirkungsgrades
zumindest bereichsweise einen reduzierten Ankerstößeldurchmesser
aufweist, und dass in diesem Bereich eine Rückstellfeder angeordnet ist.
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Weiterhin
ist in der
DE 24 19 732 ein
Einziehmagnet zum Antrieb verschiedener Vorrichtungen gezeigt, der
einen Arbeitsanker, einen federbelasteten Hilfsanker und eine Arretierung
aufweist, die den Arbeitsanker in eingezogener Lage beim Ausbleiben des
Stromes in den Wicklungen hält.
Wobei der Hilfsanker als koaxial mit dem Arbeitszylinder angeordneter
Hohlzylinder ausgeführt
ist.
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Mit
der herkömmlichen
Bauweise kann nur einer begrenzten auf den Anker eins Hub-Magneten wirkende
Kraft begegnet werden, die abhängig
ist von den magnetischen Eigenschaften der ausgewählten Bauteile
sowie einer eventuell zusätzlichen, den
Anker unterstützenden
Druckfeder.
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Sind
größere auf
den Anker wirkende mechanische Kräfte zu kompensieren, so muss
ein entsprechend kräftiger
ausgelegtes Magnetsystem gewählt
werden. Damit vergrößert sich
in der Regel aber auch das dazu benötigte Bauvolumen, das bei vorgegebenem
Raum nicht immer zur Verfügung steht.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hub-Magnetsystem
der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, dass die von den
magnetischen Eigenschaften des Systems und einer normalen Rückstellfeder
auf den Anker aufzubringende Haltekraft mittels dieser Sperrvorrichtung Kräfte aufnimmt,
die einer mechanischen Verriegelung vergleichbar sind.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die beiden Anker mittels einer das Magnetsystem axial durchdringende
Innenschale voneinander getrennt sind, dass eine die Innenschale
bereichsweise umgreifende Außenschale
vorgesehen ist, die mit der Innenschale mehrere gemeinsame, radiale Öffnungen aufweist,
wobei jede Öffnung
eine Sperrkugel aufnimmt, dass der innerhalb der Innenschale angeordnete
Funktionsanker und der die Außenschale
umgebende Sperranker je eine umlaufende Nut aufweist, und dass je
nach Bestromung der Erregerspule eine axiale Verschiebung der beiden
Anker ausgelöst wird,
wobei bei Übereinstimmung
einer der umlaufenden Nuten mit den in den Öffnungen angeordneten Sperrkugeln,
eine Verriegelung des jeweiligen Ankers mit den Schalen erfolgt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass bei gleicher Bauartgröße der erfindungsgemäße Hubmagnet
eine Sperrwirkung entfaltet, die einer mechanischen Sperre nahezu
gleichgesetzt werden kann.
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Dabei
handelt es sich um ein gepoltes Magnetsystem mit einer elektrischen
Spule und einem Permanentmagneten, umgeben von einem Joch innerhalb
dessen zwei prinzipiell unabhängige,
axial verschiebbare Anker angeordnet sind, wobei zwischen den Ankern
eine Hülse
angeordnet ist, die fest mit dem Magnetsystem verbunden ist.
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Das
Hub-Magnetsystem ist mit einem selbstsperrenden Ankersystem verse
hen, bei dem ein als Funktionsanker ausgelegter, zentrisch angeordneter Anker
in seiner stromlosen Ruhestellung maximal aus dem Magnetsystem herausragt,
wobei er mittels eines Sperrankers in dieser Stellung arretiert
ist. Die Hülse
zwischen den beiden Ankern weist mehrere Sperrkugeln auf, die vorteilhafterweise
in kreisförmig angeordneten Öffnungen
in der Hülsenwandung
angeordnet sind.
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Weiterhin
sind in den der Hülsenwandung zugewandten
Flächen
der beiden Anker umlaufende Nuten vorgesehen, in die, bei entsprechender
Stellung der beiden Anker zur Hülse,
die Sperrkugeln wechselseitig eingreifen können, in dem sie gleichzeitig
von der glatten Wandung des anderen Ankers in diese Nut eingeschoben
und dort gehalten werden.
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Dabei
ist der Kugeldurchmesser vorteilhafterweise derartig bemessen, dass
die Sperrkugel die Wandung der Hülse
und die Tiefe der jeweiligen Nut ausfüllt. Vorteilhafterweise sind
die Nuten mit Fasen oder Schrägen
versehen, die mittels dieser Trichterform ein einfaches Hineingleiten
oder Herausschieben für
die Sperrkugeln bewirken, bzw. dieses erleichtern.
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Darüber hinaus
weisen beide Anker ein konisch geformtes Ende auf, mit dem sie in
eine adäquate
Vertiefung im zentrisch angeordneten Kern des Magnetsystems eintauchen.
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Weiterhin
ist für
jeden Anker eine Rückstellfeder
vorgesehen, mittels der eine unterstützende Wirkung der Anker in
deren Ruhestellung erreicht wird.
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Zur
Ansteuerung des Magnetsystems und damit zum Verschieben des Ankers
bzw. der beiden Anker ist vorteilhafterweise jeweils nur eine kurzzeitige
Bestromung notwendig.
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Dazu
wird aus der Ruhestellung heraus, in der beide Anker eine „obere" Stellung einnehmen, die
Spule des Magnetsystems bestromt, wobei sich der magnetische Stromkreis über Gehäuse (Joch), Permanentmagnet,
Funktionsanker, Sperranker und Kern schließt. Dabei werden sowohl der
Funktionsanker wie auch der Sperranker über die magnetische Kraftwirkung
nach „unten" in die sogenannte
Feldschlussstellung gezogen.
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Dies
kann jedoch nur nacheinander erfolgen, nachdem der Sperranker die
Sperrwirkung, bedingt durch die Lage der Sperrkugeln in der Hülse, für den Funktionsanker
freigegeben hat.
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Sind
beide Anker in der Feldschlussstellung hält der im Magnetsystem vorgesehene
Permanentmagnet auch bei Unterbrechung der Bestromung diese Stellung
bei.
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Bei
einer Bestromung mit umgekehrter Polarität, wie bereits oben erläutert, wird
die permanentmagnetische Kraft so weit abgeschwächt, dass beide An ker unter
Zuhilfenahme der sich entspannenden Rückstellfedern wieder versuchen
in die Ruhestellung zu gelangen.
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Dabei
muss zunächst
der Funktionsanker die Sperrkugeln freigeben, die in der umlaufenden Nut
des Sperrankers positioniert sind, wobei der Sperranker beim Hochschieben
mit den Abschrägungen
an seiner Nut behilflich ist, die Sperrkugeln in die Öffnung der
Hülse und
in der Ringnut des Funktionsankers zu positionieren.
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Diese
sperrende Stellung der beiden Anker im stromlosen Zustand ist mit
einer mechanischen Verriegelung vergleichbar.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Schnittdarstellung der Ruhestellung bzw. Sperrstellung der Anker
des Magnetsystems,
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2 eine
Schnittdarstellung der mittleren Stellung der beiden Anker,
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3 eine
Schnittdarstellung der zweiten Ruhestellung bzw. Arbeitsstellung
der Anker, und
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4 einen
Querschnitt durch das Magnetsystem aus der 2, Linie
4-4.
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Für die Figurenerklärungen sei
angemerkt, dass der hier „obere" Bereich des Magnetsystems durch
den Permanentmagneten 6 definiert ist, während der „untere" Bereich durch den
Magnetkern 7 definiert ist.
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In
der 1 ist ein kreisförmiges Hub-Magnetsystem in
einem mittigen Längsschnitt
in seiner „Ruhe-" oder „Sperrstellung" gezeigt.
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Das
Magnetsystem 1 besteht aus einem weichmagnetischen, als
Gehäuse
l wirkendem Joch 2, mit einer aus nichtmagnetischen Material
gefertigten Abdeckung 2',
einer Erregerspule 3 die auf einem Spulenkörper 4 im
Inneren des Jochs angeordnet ist, sowie einem hier kreisringförmigen Permanentmagneten 6 und
einem Magnetkern 7 sowie einer rohrförmigen Hülse 30. Wobei die
rohrförmige
Hülse 30 einstückig gefertigt
ist oder, wie hier ausgebildet, aus zwei sich umfassenden Schalen 31, 32 besteht.
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Bei
der hier gewählten
Ausführung
ist die innere Schale 31 durchgehend über die Höhe des Magnetsystems ausgebildet,
während
die äußere Schale 32 eine
kürzere
Bauweise aufweist.
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Dabei
ist vorgesehen, die Schalen 31, 32 aus unterschiedlichen
Materialien zu fertigen, vorzugsweise aus Messing und Kunststoff.
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Weiterhin
kann der hier einstückige,
kreisförmige
Permanentmagnet 6 aus mehreren entsprechend angeordneten
kleineren Teilstücken
bestehen.
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Mittig
des Magnetsystems ist ein kreiszylindrischer erster Anker, der Funktionsanker 10 innerhalb der
Hülse 30 angeordnet,
während
außerhalb
der Hülse
ein hohlzylindrischer zweiter Anker, der Sperranker 20 vorgesehen
ist, umgeben von der im Spulenkörper 4 vorgesehenen
Erregerspule 3.
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Darüber hinaus
weist der zylindrische Spulenkörper 4 einen
kreisförmigen
Deckelteil 5, auf dem der Permanentmagnet 6 positioniert
ist.
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Die
gegenüberliegende
Seite wird durch einen ebenfalls kreisförmigen Magnetkern 7 gebildet, der
fest mit dem Joch 2 verbunden ist.
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Dabei
kann die Gehäuseform
kreisförmig
wie auch quadratisch ausgeführt
sein.
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Der
innere Funktionsanker 10 ragt zur Betätigung externer Bauteile mit
einem oberen Ende 15 über
das Magnetsystem hinaus. Wobei zusätzlich noch eine Rückstellfeder 16 vorgesehen
ist, die eingeklemmt in einer Ringnut 14 am Ende des Funktionsankers
zu dessen Rückstellung
in die Ruhe- oder Sperrstellung beiträgt und die sich an der Abdeckung 2' abstützt.
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Desgleichen
ist eine Rückstellfeder 26 um die
innere Hülse 30 herum
positioniert, die den Sperranker 20 in seiner „Ruhestellung" gegen den Deckel 5 des
Spulenkörpers
drückt.
Dabei ist die Rückstellfeder 26 in
einer ringförmigen
Ausnehmung 34 der Außenschale 32 eingefügt und drückt gegen
die Wandung 24 im oberen Bereich des Sperrankers 20.
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Beide
Anker 10, 20 weisen konisch geformte Enden auf.
Wobei der Funktionsanker 10 mit einem konisch geformten
Außenende 11 in
eine zentrale trichterförmige
Ausnehmung 8 im Magnetkern 7 eintaucht, während der
Sperranker 20 mit einem konisch geformten Innenbereich 21 an
eine entsprechende Anformung 9 am Magnetkern 7 angepasst
ist.
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Weiterhin
weisen die beiden Anker 10, 20 jeweils eine umlaufende
Nut 12, 22 mit symmetrisch eingeformten Schrägen 13, 23 auf.
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Die
Hülsenkombination 30 bestehend
aus der Innenschale 31 und der Außenschale 32, weist etwa
mittig und kreisförmig
angeordnet, mehrere Öffnungen 33 auf,
in denen jeweils eine Sperrkugel 35 positioniert ist.
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In
der hier gezeigten „Ruhestellung" in der 1,
sind der Funktionsanker 10 und der Sperranker 20 des
Hub-Magnetsystems im stromlosen Zustand in einer mechanisch stabilen,
oberen Stellung verriegelt, wobei die Sperrkugeln 35 innerhalb
der Wandung der Hülse 30 und
zum Teil in der Ringnut 12 des Ankers 10 positioniert
sind.
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Wird
nun die Erregerspule 3 mit Strom beaufschlagt, so versucht
ein zwischen dem Joch 2, dem Permanentmagneten 6 und
dem Magnetkern 7 induzierter Magnetfluss zunächst, den
unmittelbar an den Permantenmagneten angrenzenden Funktionsanker 10 in
Richtung des Magnetkerns 7 zu bewegen. Da dieser jedoch
durch die in die Ringnut 12 eingreifende Sperrkugel 35 gesperrt
ist, bewirkt der Magnetfluss zunächst
eine Verschiebung des ebenfalls in die untere Richtung bewegbaren
Sperrankers 20 in Richtung des Magnetkerns 7.
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Dabei
wird die im Innenbereich des Ankers 20 eingeformte Nut 22 auf
die gleiche Höhe
wie die in der Öffnung 33 der
Hülse 30 positionierte
Sperrkugel 35 verschoben. (2)
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Da
der Funktionsanker 10 weiterhin versucht ebenfalls in die „untere" Stellung zu gelangen,
wird die Sperrkugel 35 zwangsweise durch die Schräge 13 der
Ringnut 12 in die Nut 22 des Sperrankers 20 überführt.
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Damit
verschiebt sich der Anker 10 ebenfalls in die untere sogenannte
Feldschlussstellung. (3)
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Da
der Stromfluss der Spule mit Wegnahme der Bestromung bereits beendet
ist, übernimmt
der Permanentmagnet 6 die weitere Kraftwirkung und hält die beiden
Anker in dieser Feldschlussstellung.
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Damit
ist auch ein äußeres bis
dahin am oberen Ende 15 des Funktionsankers 10 verriegeltes
hier nicht gezeigtes System entriegelt, bzw. freigegeben.
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Wenn
der Funktionsanker 10 durch eine entgegengesetzt polarisierte
Bestromung wieder in die obere Ruhestellung zurückkehrt und dort mittels der Rückstellfedern 16, 26 unterstützend auch
gehalten wird, werden die Sperrkugeln 35 durch den ebenfalls in
die Ruhestellung drängenden
Anker 20 zwangsweise wieder in der Ringnut 12 des
Ankers 10 positioniert – wie in 1.
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Dabei
wird der Sperranker 25 entgegen der feststehenden Außenschale 32 der
Hülse mittels
der Rückstellfeder 26,
die in der Ausnehmung 34 eingesetzt ist und gegen die Wandung 24 des
Sperrankers 20 drückt,
in dieser Ruhestellung gehalten.
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Damit
ist das gesamte System wiederum mechanisch stabil verriegelt.
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Die 4 zeigt
einen Schnitt quer durch das kreisförmige Magnetsystem aus der 2 und
zwar in Höhe
der Sperrkugeln 35, die in dieser Darstellung den Wechsel
vom Funktionsanker 10 zum Sperranker 20 ausführen sollen.
Dabei ist ersichtlich, dass in dieser Ausführung drei Sperrkugeln 35 – kreisförmig und
gleichmäßig beabstandet – in den Öffnungen 33 der
Hülse 30,
bzw. der beiden Schalen 31 und 32 angeordnet sind,
kurz vor dem Übergang
in die Ringnut 22.
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Wobei
jedoch auch eine andere Anzahl von Sperrkugeln denkbar ist.