DE1278609B - Electromagnet with armature mounted on rolling bodies - Google Patents

Description

Elektromagnet mit auf Rollkörpern gelagertem Anker Für Steuerzwecke, insbesondere in feinmechanischen oder elektromechanischen Präzisionsgeräten, werden vielfach Elektromagnete in Form von Hubmagneten verwendet. Diese Magnete wirken durch Zug oder Druck auf die ihnen zugeordneten Betätigungselemente ein.Electromagnet with armature mounted on rolling elements For control purposes, especially in fine mechanical or electromechanical precision devices often used electromagnets in the form of lifting magnets. These magnets work by pulling or pushing the actuating elements assigned to them.

Die Erfindung betrifft für derartige Anwendungen bestimmte Elektromagnete, die aus einem die Wicklung tragenden Magnettopf und einem rotationssymmetrischen Anker bestehen. Der Anker ist im Inneren des Magnettopfes axial beweglich und bildet mit diesem einen während der Hubbewegung veränderlichen Arbeitsluftspalt und einen unveränderlichen zylindrischen Luftspalt. Der von der Wicklung erzeugte Kraftfluß durchsetzt beide Luftspalte, jedoch ist nur der sogenannte Arbeitsluftspalt an der Erzeugung der nutzbaren Kraft beteiligt.The invention relates to electromagnets intended for such applications, the one consisting of a magnet pot carrying the winding and a rotationally symmetrical one Anchors exist. The armature is axially movable inside the magnet pot and forms with this one working air gap that is variable during the lifting movement and one unchangeable cylindrical air gap. The power flow generated by the winding penetrates both air gaps, but only the so-called working air gap is on the Generating the usable power involved.

Meist sind die Anker solcher Elektromagnete in Büchsen aus einem nichtmagnetischen Material gelagert. Die Büchsen müssen - dieses wird im einzelnen noch erläutert -dickwandig sein, obwohl mit zunehmender Dickwandigkeit die Leistungsaufnahme des Magneten steigt, ohne daß die Hubkraft zunimmt.Usually the armatures of such electromagnets are made of a non-magnetic can Material stored. The cans must - this will be explained in detail later - be thick-walled, although the power consumption of the Magnet increases without increasing the lifting force.

Es ist aber auch bekannt, einen als Magnetkernstellglied bezeichneten Anker auf Kugeln zu lagern, wobei sich die Kugeln zwischen dem Außenmantel und der nichtmagnetischen Büchse befinden. Dadurch wird zwar die Reibung herabgesetzt, der wirksame, zylindrische Luftspalt jedoch um den Kugeldurchmesser erhöht. Es ist daher weiter bekannt, die Kugeln in Laufrollen einzulassen, deren Tiefe annähernd dem Kugeldurchmesser entspricht. Dieses bringt aber weitere Nachteile mit sich. Erstens wird die Herstellung der Laufbüchsen erschwert; man fertigt diese hartmetallischen Teile bekanntlich wesentlich leichter, wenn sie rein zylindrisch sind. Zweitens sind keine Kugelkräfte verwendbar, und drittens kann die Lagerung nicht in dem axialen Bereich erfolgen, in dem die Querkräfte auftreten. Der Anker ist dann nicht genau geführt und es besteht die Gefahr, daß der Anker verkantet.However, it is also known to have one referred to as a magnetic core actuator To store anchor on balls, with the balls between the outer jacket and the non-magnetic sleeve. Although this reduces the friction, the effective, cylindrical air gap, however, increased by the ball diameter. It is therefore further known to let the balls in rollers, the depth of which approximates that Corresponds to ball diameter. However, this has further disadvantages. First the production of the liners is made more difficult; these hard metal ones are manufactured It is well known that parts are much lighter when they are purely cylindrical. Secondly no ball forces can be used, and thirdly, the bearing cannot be in the axial Take place in the area in which the transverse forces occur. The anchor is then not accurate out and there is a risk that the anchor tilts.

Weiterhin ist bei einem Elektromagnet noch eine in einem gewissen axialen Abstand außerhalb des Magnettopfes liegende Rollenlagerung bekannt. Diese ist jedoch nur an einer Seite angebracht und dient nur als zusätzliche Führung der Betätigungsstange. Zur Abstützung des Ankers gegen die auf ihn wirkenden magnetischen Querkräfte tragen die Rollen nicht bei.Furthermore, in an electromagnet there is one more in a certain way axial distance outside of the magnet pot known roller bearing. These However, it is only attached to one side and only serves as an additional guide for the Operating rod. To support the armature against the magnetic acting on it The rollers do not contribute lateral forces.

Im Verlauf der technischen Entwicklung, die vom Bestreben nach immer weitergehender Miniaturisierung gekennzeichnet ist, entstand ein Bedürfnis nach leistungsfähigeren Elektromagneten, als sie bisher bekannt waren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Bedürfnis zu befriedigen und mittels eines Elektromagneten mit einem bestimmten Bauvolumen und einer bestimmten Leistungsaufnahme eine wesentlich größere Hubkraft zu erzeugen, als es bislang möglich war.In the course of technological development, the striving for always further miniaturization is characterized, a need arose for more powerful electromagnets than were previously known. The invention is based on the task of satisfying this need and using an electromagnet with a certain construction volume and a certain power consumption an essential to generate greater lifting force than was previously possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einem Elektromagnet, bestehend aus einem eine Wicklung tragenden Magnettopf und einem rotationssymmetrischen, im Innern des Magnettopfes auf Rollkörpern gelagerten Anker, welcher axial beweglich ist und mit dem Magnettopf einen während der Hubbewegung veränderlichen Arbeitsluftspalt und einen unveränderlichen zylindrischen Luftspalt bildet.To solve this problem, an electromagnet is assumed, consisting of a magnetic pot carrying a winding and a rotationally symmetrical, armature mounted on rolling elements inside the magnet pot, which is axially movable is and with the magnet pot a variable working air gap during the lifting movement and forms an invariable cylindrical air gap.

Die wesentliche Ausbildung eines solchen Elektromagneten besteht darin, daß erfindungsgemäß der Anker eine Längsbohrung aufweist und mittels der Rollkörper gegenüber einem in die Bohrung hineinragenden Führungszapfen abgestützt ist.The essential design of such an electromagnet is that according to the invention the anchor has a longitudinal bore and by means of the rolling body is supported against a guide pin protruding into the bore.

Die Lagerung wird somit ins Innere des Ankers verlegt, so daß der zylindrische, magnetische Luftspalt bis auf den nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten erforderlichen, kleinen Bewegungsspalt verringert werden kann. Die Kugeln können nun dort eingeordnet werden, wo die Querkräfte auftreten, und die Laufflächen sind einfach prismatisch oder zylindrisch.The storage is thus moved inside the anchor, so that the cylindrical, magnetic air gap except for the manufacturing aspects required small movement gap can be reduced. The balls can can now be classified where the transverse forces occur and the running surfaces are simple prismatic or cylindrical.

In Weiterbildung der Erfindung kann ein gemeinsamer Käfig für die Rollkörper angeordnet werden, wobei es sich bei Verwendung von Kugeln empfiehlt, die einer Lagerstelle zugeordneten Kugeln über den Umfang des Zapfens gleichmäßig zu verteilen und in Achsrichtung so zu versetzen, daß jede Kugel einen eigenen Laufkreis hat. Ferner kann der Anker und/ oder der Zapfen gegenüber dem Magnettopf um die gemeinsame Achse drehbar sein.In a further development of the invention, a common cage for the Rolling bodies are arranged, whereby it is recommended when using balls, the balls assigned to a bearing point uniformly over the circumference of the pin to distribute and to offset in the axial direction so that each ball has its own circle Has. Furthermore, the anchor and / or the pin opposite the magnet pot be rotatable about the common axis.

Im folgenden werden zur Erläuterung der Grundüberlegungen die Reibungsverhältnisse bei einem Elektromagneten ohne Rollkörper näher erklärt. Daran schließt sich die Beschreibung eines schematischen Ausführungsbeispiels der Erfindung an.In the following, the friction relationships are explained to explain the basic considerations explained in more detail for an electromagnet without a roller body. This is followed by the Description of a schematic embodiment of the invention.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen bekannten Elektromagneten ohne Kugellagerung; F i g. 2 zeigt ein nicht maßstäbliches Schnittbild - A gemäß F i g. 1; F i g. 3 stellt als --Ausführungsbeispiel der -Erfindung einen Längsschnitt durch einen Elektromagneten dar.F i g. 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through a known electromagnet without ball bearings; F i g. 2 shows a not to scale Sectional view - A according to FIG. 1; F i g. 3 represents an exemplary embodiment of the invention represents a longitudinal section through an electromagnet.

Gemäß der bekannten Anordnung nach F i g. 1 ist ein Magnettopf mit 1, und ein Anker mit 2 bezeichnet. Eine Erregerwicklung 3 wird von dem Magnettopf 1 gehalten. Eine magnetisch nichtleitende, beispielsweise aus Messing bestehende Büchse 4, ist in dem Magnettopf eingespannt und dient der Führung des Ankers bei seiner längsgerichteten Hubbewegung (Hub h). Zur Erzeugung der Hubkraft dient ein konischer Arbeitsluftspalt 5. Am freien Ende des zylindrischen Ankermittelteiles treten die Kraftlinien vom Boden des Magnettopfes 1 über die nichtmagnetische Büchse 4 und einen nicht bezeichneten Bewegungsluftspalt in den Anker über. Die Breite dieses Bewegungsluftspaltes und die Dicke d der unmagnetischen Büchse lassen sich infolge der gleichartigen Wirkung auf den magnetischen Kreis zum sogenannten rechnerischen Luftspalt s (F i g. 2) zusammenfassen.According to the known arrangement according to FIG. 1 is a magnetic pot with 1, and an anchor with 2 designated. An excitation winding 3 is from the magnet pot 1 held. A magnetically non-conductive, for example made of brass Bushing 4 is clamped in the magnet pot and serves to guide the armature its longitudinal stroke movement (stroke h). A is used to generate the lifting force conical working air gap 5. At the free end of the cylindrical central part of the anchor occur the lines of force from the bottom of the magnet pot 1 over the non-magnetic sleeve 4 and an unmarked movement air gap in the armature. The width this movement air gap and the thickness d of the non-magnetic sleeve can be as a result of the similar effect on the magnetic circuit to the so-called computational Summarize the air gap s (Fig. 2).

Würde sich der Anker in einer gemäß F i g. 2 strichpunktiert eingezeichneten exakten Mittellage 6 führen lassen, so würden sich an dieser Stelle alle Radialkräfte gegenseitig aufheben. Dies ist jedoch nicht möglich, vielmehr ist eine dem Bewegungsluftspalt entsprechende und von den Fertigungstoleranzen abhängige geringe Exzentrizität e vorhanden, der zufolge sich das Feld so verzerrt, daß die entstehenden Einzelkräfte sich zu einer Radialkraft P addieren, welche eine ganz beträchtliche Reibung an der Gleitbahn hervorruft. Maßgebend für die Radialkraft P ist das Verhältnis der Exzentrizität e zum rechnerischen Luftspalt s. Die Abhängigkeit ist so, daß ausgehend vom Grenzfalls = e die Radialkraft zunächst sehr stark und dann langsamer abfällt, wenn das Verhältnis e/s kleiner wird. Dieser Grenzfall, in dem die Radialkraft am größten ist, bedeutet die Abstützung des Ankers direkt am Magnettopf 1 unter Weglassen der unmagnetischen Büchse 4. Dies war bei einer Ausführung nach F i g. 1 unter allen Umständen zu vermeiden, da der Anker sonst festkleben würde. Eine Absenkung der Radialkraft mußte also in erster Linie durch Erweiterung des rechnerischen (zylindrischen) Luftspaltes angestrebt werden. Infolgedessen findet man bei den bekannten Elektromagneten stets eine verhältnismäßig dickwandige unmagnetische Büchse, was den magnetischen Widerstand im Flußweg und damit die Leistungsaufnahme des Magneten erhöht, ohne zur Hubkrafterzeugung beizutragen.If the anchor were to be in a position according to FIG. 2 indicated by dash-dotted lines can lead to the exact central position 6, all radial forces would be at this point cancel each other out. However, this is not possible, rather one of the movement air gap corresponding low eccentricity depending on the manufacturing tolerances e present, according to which the field is so distorted that the resulting individual forces add up to a radial force P, which causes a very considerable amount of friction the slideway causes. The decisive factor for the radial force P is the ratio of Eccentricity e to the calculated air gap see The dependency is such that starting from the limit case = e the radial force first drops very strongly and then more slowly, when the ratio e / s becomes smaller. This borderline case, in which the radial force on is the largest, means that the armature is supported directly on the magnet cup 1 and is omitted the non-magnetic sleeve 4. This was in an embodiment according to FIG. 1 among all Avoid certain circumstances, as the anchor would otherwise stick. A lowering of the Radial force therefore had to be primarily due to the expansion of the arithmetical (cylindrical) Air gap are aimed for. As a result, one finds in the known electromagnets always a relatively thick-walled non-magnetic sleeve, which is the magnetic Resistance in the flux path and thus the power consumption of the magnet increases without to contribute to the lifting force generation.

Bei anderen bekannten Magneten wird die infolge der Exzentrizität des Ankers entstehende Radialkraft dadurch in annehmbaren Grenzen gehalten, daß eine große Fläche für den zylindrischen Luftspalt vorgesehen, also die Länge z gemäß F i g. 1 weiter vergrößert ist. Durch diese Maßnahme wird die Kraftfiußdichte und damit die Radialkraft herabgesetzt. Das bringt aber zwangläufig den Nachteil einer größeren Baulänge mit sich.In other known magnets, the result of the eccentricity the armature resulting radial force kept within acceptable limits that a large area is provided for the cylindrical air gap, so the length z according to F i g. 1 is further enlarged. By this measure, the power flow density and thus the radial force is reduced. But that inevitably brings the disadvantage of one larger length with it.

Durch das Vorsehen einer Rollkörperführung im Inneren des Ankers gemäß der Erfindung wird nun ein Zweifaches erreicht: Erstens kann die Exzentrizität durch genaue Fertigung kleiner als bisher gehalten werden, was eine entsprechende erste Verengung des zylindrischen Luftspaltes erlaubt. Zweitens kann eine Rollführung bei gleichem Reibungsverlust eine wesentlich höhere Radialkraft aufnehmen als eine Gleitführung. Dies läßt eine zweite, noch weiter gehende Verengung des vorgenannten Luftspaltes zu, so daß letzten Endes durch die Erfindung bei gleichen Außenabmessungen und gleicher Leistungsaufnahme die rund dreifache maximale Hubkraft aus einem Miniaturelektromagneten herausgeholt werden kann.By providing a rolling body guide inside the armature according to The invention now achieves two things: First, the eccentricity can be achieved by accurate manufacturing can be kept smaller than before, what a corresponding first Narrowing of the cylindrical air gap allowed. Second can be a rolling guide absorb a significantly higher radial force than one with the same friction loss Sliding guide. This leaves a second, even further narrowing of the aforementioned Air gap to, so that ultimately by the invention with the same external dimensions and the same power consumption around three times the maximum lifting force from a miniature electromagnet can be extracted.

In dem schematischen Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist ein Magnettopf mit 7, ein Anker mit 8 und eine Erregerwicklung mit 9 bezeichnet. Von der Wicklung führt eine Zuleitung 9 a durch die Wandung des Magnettopfes nach außen. Ein konischer Teil 8 a des Ankers bildet mit einem Gegenkonus 10, der wie der Magnettopf 1 aus ferromagnetischem Material besteht, einen konischen Arbeitsluftspält. Der Gegenkonus 10 wird nach Einführen der Wicklung in den Magnettopf eingepreßt. Eine zentrale Längsbohrung des Ankers 8 ist mit einer gehärteten Lagerbüchse 11 versehen. Diese stützt sich an beiden Enden über zwei Gruppen 12 und 13 von Kugeln gegenüber einem Führungszapfen 14 ab. Der Zapfen durchsetzt den Anker in seiner ganzen axialen Länge. Auf einer Seite erweitert sich die Achse zu einer Platte 15, die mittels eines Zentrierrandes 15 a an den Magnettopf 7 angefügt und gegebenenfalls mittels nicht dargestellter Schrauben befestigt ist. Ein allen Kugeln gemeinsamer rohrförmiger Käfig 16 läßt zwar eine Rollbewegung der Kugeln zu, hindert sie andererseits aber an einer Bewegung relativ zueinander. Infolge dieser Lagerung vermag sich der Anker im Rahmen seiner Hublänge axial zu bewegen und zu drehen. Um die Stützfläche der Kugeln zu vergrößern und insbesondere beim Drehen des Ankers zu verhindern, daß mehrere Kugeln in derselben Bahn laufen, sind die einer Lagerstelle zugeordneten Kugeln in Achsrichtung gegeneinander so versetzt, daß jede Kugel einen eigenen Laufkreis hat.In the schematic embodiment according to FIG. 3 is a magnet pot with 7, an armature with 8 and an excitation winding with 9. A lead 9a leads from the winding through the wall of the magnet pot to the outside. A conical part 8 a of the armature forms a conical working air gap with a mating cone 10 which, like the magnet cup 1, consists of ferromagnetic material. The mating cone 10 is pressed into the magnet pot after the winding has been inserted. A central longitudinal bore of the armature 8 is provided with a hardened bearing bush 11. This is supported at both ends via two groups 12 and 13 of balls against a guide pin 14. The pin penetrates the armature over its entire axial length. On one side, the axis expands to form a plate 15, which is attached to the magnet pot 7 by means of a centering rim 15 a and, if necessary, is fastened by means of screws (not shown). A tubular cage 16 common to all balls allows the balls to roll, but on the other hand prevents them from moving relative to one another. As a result of this storage, the armature is able to move and rotate axially within the framework of its stroke length. In order to enlarge the support surface of the balls and, in particular, to prevent several balls from running in the same path when the armature is rotated, the balls assigned to a bearing point are offset from one another in the axial direction so that each ball has its own running circle.

Der zwischen Magnettopf und Anker noch verbleibende zylindrische Luftspalt kann bei dem erfindungsgemäßen Elektromagneten, präzise Fertigung vorausgesetzt, auf etwa 0,04 mm reduziert werden und fällt somit als Energieverlustquelle nicht mehr ins Gewicht. Von Vorteil ist weiterhin auch die Tatsache, daß die Ankerführungsmittel von dem vorwiegend von Kraftlinien durchsetzten Außenmantel des Ankers in die weniger beanspruchte Innenzone verlegt wurden.The remaining cylindrical air gap between the magnet pot and the armature can with the electromagnet according to the invention, provided precise manufacture, can be reduced to about 0.04 mm and thus does not fall as a source of energy loss more weight. Another advantage is the fact that the anchor guide means from the outer sheath of the armature, which is predominantly interspersed with lines of force, to the less stressed inner zone were laid.

Claims (4)

Patentansprüche: 1. Elektromagnet, bestehend aus einem eine Wicklung tragenden Magnettopf und einem rotationssymmetrischen, im Innern des Magnettopfes auf Rollkörpern gelagerten Anker, welcher axial beweglich ist und mit dem Magnettopf einen während der Hubbewegung veränderlichen Arbeitsluftspalt und einen unveränderlichen zylindrischen Luftspalt bildet, dadurch gekennzeichn e t, daß der Anker (8) eine Längsbohrung aufweist und mittels der Rollkörper (13) gegenüber einem in die Bohrung hineinragenden Führungszapfen (14) abgestützt ist. Claims: 1. Electromagnet, consisting of a magnet pot carrying a winding and a rotationally symmetrical armature mounted on rolling elements inside the magnet pot, which is axially movable and with the magnet pot forms a working air gap that is variable during the lifting movement and an unchangeable cylindrical air gap, thereby marked that the armature (8) has a longitudinal bore and is supported by means of the roller body (13) with respect to a guide pin (14) protruding into the bore. 2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Rollkörper mittels eines gemeinsamen Käfigs (16) unter Festlegung der gegenseitigen Abstände geführt sind. 2. Electromagnet according to Claim 1, characterized in that all rolling bodies by means of a common cage (16) by defining the mutual distances are led. 3. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker und/oder der Zapfen gegenüber dem Magnettopf um die gemeinsame Achse drehbar sind. 3. Electromagnet according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the anchor and / or the pin relative to the magnet pot around the common axis are rotatable. 4. Elektromagnet nach Anspruch 3 mit Kugeln als Rollkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Lagerstelle zugeordneten Kugeln (12 bzw. 13) über den Umfang des Zapfens gleichmäßig verteilt sind und in Achsrichtung so versetzt sind, daß jede Kugel einen eigenen Laufkreis hat. In Betracht gezogene Druckschriften: Patentschrift Nr. 18 568 des Amtes für Erfindungs-und Patentwesen in Ost-Berlin; britische Patentschrift Nr. 773 045.4. Electromagnet according to claim 3 with balls as rolling bodies, characterized in that the balls assigned to a bearing point (12 or 13) are evenly distributed over the circumference of the pin and are offset in the axial direction so that each ball has its own running circle. Publications considered: Patent No. 18 568 of the Office for Invention and Patents in East Berlin; British Patent No. 773 045.