DE2903033A1

DE2903033A1 - Drehmagnet

Info

Publication number: DE2903033A1
Application number: DE19792903033
Authority: DE
Inventors: Gerald H Leland
Original assignee: Ledex Inc
Current assignee: Ledex Inc
Priority date: 1978-01-26
Filing date: 1979-01-26
Publication date: 1979-08-02
Also published as: FR2415896A1; JPS54104562A; US4157521A; GB2013406A

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dip!.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

25.Januar 1979

LEDEX Inc. _v

123 Webster Street, Dayton, Ohio, V.St.A.

Drehmagnet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmagnet mit konstantem Luftspalt und insbesondere auf einen Drehmagnet mit einer drehbaren Ankerplatte und eingeschlossenen Kugeln in Kugellaufrillen, die das Ausmaß der Verdrehung des Ankers festlegen.

In der US-PS 2 486 880 sind zahlreiche Drehmagnete beschrieben, bei denen eine ortsfeste Baugruppe ein Gehäuse und einen Elektromagnet und eine bewegliche Baugruppe, einen Anker und eine Ausgangswelle enthalten. Der Anker ist durch Erregen des Magneten gegen diesen beweglich, während die Ausgangswelle mit dem Anker verbunden ist, damit sie sich dreht, wenn der Anker gegen den Magnet gezogen wird. An der Welle ist eine mit dem Anker verbundene Platte befestigt, die so angeordnet ist, daß sie Schw/Ba

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einem Oberflächenabschnitt des Gehäuses gegenüberliegt. Die Ankerplatte und der Oberflächenabschnitt sind mittels drehbarer Elemente, vorzugsweise Kugeln, voneinander getrennt. Die Ankerplatte und/oder die Gehäusefläche sind mit bogenförmigen, geneigten Ausnehmungen versehen, die Kurvenflächen bilden, die bezüglich der Kugeln so angeordnet sind, daß die Wirkung der" Kurvenflächen auf die Kugeln eine Verdrehung der Ankerplatte und des Ankers verursachen, wenn der Anker gegen den Magnet gezogen wird. Die Platteist normalerweise so vorbelastet, daß sich eine Kugel im schmalen Ende ihrer Ausnehmung oder ihrer Ausnehmungen befindet. Beim Anziehen des Ankers gegen den Hagnet werden die Kugeln gezwungen, längs ihrer entsprechenden Ausnehmungen gegen deren tiefere Enden zu rollen. Nach Jeder Erregung der Spule kehren die Welle und die Ankerplatte in ihre Ausgangsstellungen zurück, in denen sich die Kugeln an den flachen Enden der Ausnehmungen befinden.

Ein möglicher Nachteil der beschriebenen Konstruktion besteht darin,daß die Drehbewegung von einer gewissen Axialbewegung der Ausgangswelle begleitet ist. Eine Anordnung zum Eliminieren einer solchen Axialbewegung in einem Drehmagnet ist in der US-PS 3 734 987 beschrieben. Dabei wird jedoch eine Magnetkonstruktion angewendet» die einen sich axial schließenden Luftspalt oder, in anderen Worten, einen sich mit der Drehung der Welle ändernden Luftspalt aufweist. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion mit nicht geneigten Laufrillen im Vergleich zu der Verwendung geneigter Laufrillen besteht darin, daß der anschließend zu beschreibende Magnet nach der Erfindung

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symmetrisch und daher stoßfest ist.

Versuche zur Vergrößerung des Hubs oder 2ur Erzielung eines linearen Betriebs bei gleichzeitiger Eliminierung einer Axialbetfegung der Welle sind in den UßA-Patentschriften 3 435 394, 3 750 065 und 3 753 180 beschrieben. Bei den in diesen Patentschriften beschriebenen Konstruktionen ist ein Anker an der Welle befestigt, der sich zwischen axial gegenüberliegenden Polpaaren drehtj zur Festlegung und Begrenzung des gewünschten Ausmaßes der Verdrehung sind entweder externe oder interne Anschlagvorrichtungen vorgesehen. Außerdem sind die Ankerwellen an beiden Enden der Magnetkonatruktion gelagert worden, was zwei axial im Abstand liegende Hülsenlager zum Festhalten des Ankers erfordert.

Der erfindungsgemäße Drehmagnet enthält einige der besten Eigenschaften des Drehmagnets nach der US-PS 2 486 880 mit Kugellaufrillen zur Festlegung des Ausmaßes der Drehung, doch wird eine Rotor- und Statoranordnung angewendet, die einen konstanten Luftspalt aufweist^ so daß ein Proportionalbetrieb möglich ist. Zu diesem Zweck ist ein Anker auf einer Welle drehfest an einer einzigen Lagerbüchse an einem axialen Ende der Magnetstruktur angebracht; er trägt am anderen Ende außerhalb des magnetischen Gehäuses eine Ankerplatte. Die Ankerplatte und die Außenfläche des Gehäuses sind mit einer oder mehreren bogenförmig zusammenwirkenden Kugellaufrillen ausgestattet. Die Kugellaufrillen sind jedoch nicht wie in der zuvor erwähnten USA-Patentschrift axial geneigt, sondern sie verlaufen vorzugsweise exakt in einer senkrecht zur Wellenachse verlaufenden Ebene, d.h. sie sind nicht geneigt. Der Anker

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trägt eine oder mehrere längs eines Kreisbogens im Abstand voneinander liegende Pole, und er dreht sich innerhalb einer Statorstruktur, die eine entsprechende Anzahl von Polen aufweist; zwischen den Ankerpolen und den Statorpolen sind radiale Luftspalte gebildet. Die Luftspalte bleiben in ihrer radialen Dimension konstant, wenn sich der Anker zwischen festgelegten Grenzpositionen aus einer Position, in der die zusammenwirkenden Pole gerade beginnen, sich zu überlappen, in eine Position, in der sich die zusanunenwirkenden Pole im wesentlichen überlappen,bewegt.

Die Bogenlänge der Drehung der Ausgangswelle wird vorzugsweise durch die verfügbare Bewegung der Ankerplatte auf den Kugellaufrillen festgelegt; die Wellenbewegung hat etwa den doppelten Wert der Bogenlänge der zusammenwirkenden Kugellaufflächen entweder im Gehäuse oder in der Ankerplatte.Die Grenzen der Verdrehung sind dort festgelegt, wo die Kugeln zu den Jeweiligen Enden ihrer Kugellaufrillen kommen. Die Aufrechterhaltung des Rollkontakts der Ankerplatte auf den Kugeln wird mittels eines auf der Welle angebrachten Sprengrings und auch dadurch gewährleistet, daß eine rein axial wirkende Anziehungskraft vorhanden ist,die den Anker während der Betätigung in das Gehäuse zu ziehen trachtet und die Ankerplatte dadurch gegen die Kugeln in ihren jeweiligen Kugellaufrillen drückt.

Mit Hilfe der Erfindung soll also ein Drehmagnet mit konstantem Luftspalt geschaffen werden, bei dem die

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Drehbewegung durch bogenförmige Laufrillen und dazwischen mit niedrigem Rollreibungskontakt angebrachte Kugeln geführt und festgelegt wird. Der mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Drehmagnet soll eine sich in axialer Richtung nicht bewegende Welle aufweisen und von vielen Bauteilen herkömmlicher Drehmagnete Gebrauch machen, jedoch einen konstanten Luftspalt aufweisen und einen proportionalen Betrieb ermöglichen.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Drehmagneten,

Fig.2 einen Vertikalschnitt durch den erfindungsgemäßen Drehmagnet,

Fig.3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 von Fig.2, wobei der Anker in der Ausgangsposition dargestellt ist,

Fig.4 einen ähnlichen Schnitt wie in Fig.3» wobei der Anker jedoch in einer bewegten Position dargestellt ist,

Fig.5 eine Draufsicht auf den !Drehmagnet,

Fig.6 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Linie 6-6 von Fig.5t und

Fig.7 einen ähnlichen Querschnitt wie in Fig.3, wobei jedoch eine geringfügig abgewandelte Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung eines längeren Drehhubs dargestellt ist.

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Der in ELg.1 und 2 dargestellte Drehmagnet enthält ein allgemein topfförmiges Gehäuse 10. Das Gehäuse 10 besteht aus ferroelektrischem Material; es enthält einen allgemein zylindrischen Hülsenabschnitt 12 und eine allgemein radiale Stirnwand 14. In dem Gehäuse 10 ist angrenzend an die Innenfläche der Stirnwand 14 eine ringförmige Erregerspule 15 angebracht .

Im Gehäuse 10 ist ein Anker 20 aus ferromagnetischem Material drehbar untergebracht; dieser Anker enthält einen oberen Abschnitt 21, der sich durch eine Mittelöffnung 22 erstreckt, die in der Stirnwand 14 des Gehäuses 10 gebildet ist.

Ein ringförmiger Stator 25 aus ferromagnetischem Material ist in Anlage an die Spule 15 in das Gehäuse eingepreßt. Der Stator 25 weist wenigstens einen bogenförmig verlaufenden Pol 28 auf. Der in Fig.3 dargestellte Stator enthält vier gleiche, bogenförmig verlaufende Pole 28a, 28b, 28c und 28d. Die einzelnen Pole sind durch gleich große und im Abstand voneinander in Bogenrichtung gebildete Schlitze 29 voneinander getrennt.

Der Anker 20 ist an dem dem oberen Abschnitt 21 gegenüberliegenden Ende mit entsprechenden Polen 30 versehen. In Fig.3 ist der Anker mit sich in Bogenrichtung erstreckenden Polen 30a, 30b, 30c und 30d dargestellt. Jeder Ankerpol 30a bis 30d erstreckt sich etwa über die gleiche Bogenlänge und weist den gleichen winkelabstand wie die Pole 28a bis 28d auf. Es ist zwar eine Konstruktion mit vier Polen dargestellt, doch kann auch eine größere Polzahl

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oder eine kleinere Polzahl bis zu einem Statorpol 28 und einem entsprechenden Ankerpol 30 angewendet werden.

Die Pole 30a bis 3Od und 28a bis 28d liegen radial im Abstand voneinander und bilden zwischen sich einen im wesentlichen konstanten Luftspalt 32 (siehe Fig.3 und Fig.4). Der Luftspalt 32 kann als ein radialer Luftspalt angesehen werden, der sich bei einer relativen Verdrehung der Ankerund Statorpole aus einer Position, in der sich die Pole gerade zu überlappen beginnen (Flg.3) in eine Position, bei der Pole im wesentlichen aufeinander ausgerichtet sind (Fig.4) nicht in seinen Abmessungen wesentlich ändern.

Der Ankerabschnitt 21 trägt außerhalb des Gehäuses 10 eine Ankerplatte 35. Die Ankerplatte 35 ist mit mehreren bogenförmigen Ausnehmungen 36 versehen, wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist. Ferner ist die Außenfläche der Gehäusestirnwaid. 14 mit einer entsprechenden Anzahl von bogenförmig verlaufenden Ausnehmungen 38 versehen, so daß zusammenwirkende Paare aus bogenförmig verlaufenden Ausnehmungen entstehen. Die Kugelaufnähmeausnehmungen liegen in einer zur Drehachse des Ankers 20 senkrecht liegenden Ebene; sie sind also bezüglich der Drehachse nicht geneigt. Zwischen jedem Kugelausnehmungspaar befindet sich eine Kugel, wie Fig.6 zeigt. Das Ausmaß der Drehung der Anker platte 35 und des Ankers 20 wird von der Bogenlänge der zusammenwirkenden Paare von Ausnehmungen 36 und und den dazwischen befindlichen Kugeln 40 bestimmt. Eine solche Verdrehungsgrenze ist in Fig.6 dargestellt, bei der die Kugel 40 in Stoßkontakt mit den gegenüberliegenden Bogenenden der zusammenwirkenden Ausnehmungen gerollt ist. Diese Ausnehmungen sind auf

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ΛΟ

der Platte 35 so ausgerichtet, daß die Beginn- und End-Positionen der Drehung des Ankers im Gehäuse festgelegt werden. In der in Fig.3 dargestellten Ausgangsposition, (Ruheposition) beginnen die Ankerpole 30 gerade die Statorpole 28 zu überlappen. Die Annäherung an die betätigte Position (bewegte Posi- . tion) ist in Fig.4 dargestellt, wobei der Pfeil die Drehrichtung angibt. Vorzugsweise liegt in der voll betätigten Position jeweils einer der Ankerpole 30 nahezu vollständig in einer Radialrichtung mit einem der Statorpole 28 in einer Linie.

Das Gehäuse 10 ist durch einen unmagnetischen oder aus Nichteisenmaterial bestehenden Deckel 45 verschlossen, wie die Schnittansicht von Fig.2 zeigt. Der Deckel 45 ist im Festsitz im Gehäuse 10 gehalten, und er nimmt Gewindebolzen 46 auf. Die Gewindebolzen 46 sind im Deckel 45 mit herkömmlichen Mitteln, beispielsweise durch Nieten oder Kleben, festgehalten.

Eine Ausgangswelle 50 verläuft durch den Anker 20; sie ist am Deckel 45 mit Hilfe einer Lagerbüchse 52 geführt. Innerhalb einer Rille in der Welle 50 außerhalb des Deckels 45 kann ein Sicherungsring 55 angebracht sein, damit die Laufposition des Ankers festgelegt wird. Falls es erwünscht ist, kann sich die Welle 50 auch durch das obere Ende des Ankers erstrecken,' wie die Figuren 1 und 2 zeigen. Die Lagerbüchse 52 wirkt mit den Kugellaufrillen und den Kugeln so zusammen, daß zwei im Abstand liegende Auflager für die Ankerdrehung entstehen. Die Lagerbüchse 52 legt die konzentrische Lage des Ankers innerhalb des Stators an dem in Fig.2 liegenden Ende des Magneten fest, während die bogen-

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förmigen Kugellaufrillen und die Kugeln das obere Ende des Ankers für eine konzentrische Drehung bezüglich des Gehäuses 10 halten.

Es ist erwünscht, die Kugeln 40 in den Ausnehmungen und 38 in axialer Richtung zu belasten, damit gewährleistet wird, daß die Kugeln jederzeit in ihren Ausnehmungen laufen und sich nicht auf andere Weise verschieben und dadurch eine Abnutzung der angrenzenden Teile verursachen. Zu diesem Zweck wird eine reine Anziehungskraft geschaffen, wenn der Strom an die Spule 15 angelegt wird, die den Anker 20 in Richtung zum Deckel 45 zieht. Als Laufspiel ist ein in Fig.2 erkennbarer kleiner Spalt 56 vorgesehen, der auch ^d§s Ausmaß der axialen Verschiebung zwischen dem Stator und dem Anker festlegt. Es ist eine kleine Kraft vorhanden, die den Anker in eine Richtung zu bewegen versucht, in der der Spalt 56 geschlossen wird. Falls es erwünscht ist, kann die Ankerplatte 35 auch aus magnetischem Material gebildet sein; da diese Ankerplatte 35 im Abstand vom Gehäuse angebracht ist, liegt zwischen der Ankerplatte und der angrenzenden Stirnwand des Gehäuses 10 eine Anziehungskraft vor. Jede dieser Kräfte oder die gemeinsamen Kräfte ergeben eine axiale Belastung der Kugeln. Der Rollkontakt ist nahezu reibungsfrei, so daß die Haftreibung reduziert wird und die Hystereseschleife schmäler gemacht wird; außerdem wird das Proportionalverhalten verbessert.

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Es ist gemäß der Erfindung auch möglich, sich über einen vollen Kreis erstreckende ringförmige Ausnehmungen 36 und 38 vorzusehen, die mehrere Kugeln enthalten, die in herkömmlicher Weise, etwa mittels eines Käfigs, im Abstand voneinander gehalten werden. In diesem Fall kann ein externer Anschlag zur Begrenzung der Verdrehung angewendet werden. Ein solcher externer Anschlag ist in der erwähnten US-PS 3 750 065 dargestellt.

Im Betrieb können die Pole 30 des Ankers 20 mittels·geeigneter Mittel, beispielsweise mit einer nicht dargestellten Rückzug-Schraubenfeder in eine in Fig.3 dargestellte zurückgezogene Position bewegt werden. In der völlig zurückgezogenen Abschaltposition, die in dieser Figur dargestellt ist, liegt eine geringe Überlappung der Pole vor, die kleiner als 1 bis 4° sein, kann, so daß sich ein anfänglich hohes Startdrehmoment ergibt. Beim Erregen versuchen die Ankerpole, sich in eine Ausrichtlage zu den Statorpolen zu bewegen, so daß sich der Anker in Richtung des in Fig.4 angebenen Pfeils bis zu dem Punkt dreht, an dem die jeweiligen Pole völlig in einer Linie liegen. Die Bogenlänge der zusammenwirkenden Paare von Ausnehmungen 36 und 36 mit den Kugeln 40 dient dazu, die gesamte zulässige Verdrehung einschließlich der Startposition , in der die entsprechenden Pole sich gemäß den obigen Ausführungen geringfügig überlappen, festzulegen. Das Ende des Hubs ist an einer Stelle festgelegt, die geringfügig weiter als die in .Fig.4 dargestellte Position liegt, in der sich die Pole noch nicht vollständig überlappen. In der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsform

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kann eine Drehung um etwa 25 bewirkt werden, damit ein im wesentlichen proportionalenVerhaltens erzielt wird, d.h. eine Drehmomentgröße oder eine Ankerposition erzielt wird, die dem durch die Spule fliessenden Strom proportional ist, oder aber eine Ankerdrehgeschwindigkeit zu erzielen, die der Stromänderung in der Spule proportional ist.

In Fig.7 ist eine Ausführungsform mit zwei Polen dargestellt, die bezüglich aller wesentlichen Merkmale mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform übereinstimmt, jedoch einen Anker mit nur zwei Polen 30' und einen Stator mit einem entsprechenden Paar von Polen 28* aufweist. In dieser. Ausführungsform kann eine Verdrehung von etwa 85° erreicht werden, wobei natürlich die Ausnehmungen 36 und 38 in Bogenrichtung so verlängert sind, daß die gewünschte Verdrehung ermöglicht wird, und daß die Anhaltepositionen des Ankers festgelegt werden.

Die Erfindung ist hier im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben worden, doch ist für den Fachmann ohne weiteres erkennbar, daß im Rahmen der Erfindung weitere Abwandlungen und Änderungen möglich sind.

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Claims

latent anwvalte φ, ν ** ■»» ^- - Dipl.-lng.
E. Prinz DipL-Osm.
Dr. G. Hauser Dipl.-lng.
G. Leiser Ernsbergergtrasse 19 8 München 60 Unser Zeichen: L 1083 25.Januar 1979

LEDEX Inc.

123 Webster Street, Dayton» Ohio, V.St.A»

Pate ttt an Ι³.,Ρ,,,Γ ft,, y,!¹,,?

(1.J Drehmagnet mit einem topfförmigen Gehäuse aus ferromagnetisehem Material, einer Erregerspule, die in dem Gehäuse bei dessen geschlossenem Ende angebracht ist, einem angrenzend, an die Spule in dem Gehäuse untergebrachten ringförmigen Stator, einem ebenfalls in dem Gehäuse untergebrachten Anker mit einer daran angebrachten Welle, einem Deckel, der das offene Ende des Gehäuses verschließt und die Ankerwelle drehbar in einem Lager hält, und einer Ankerplatte, die außerhalb des Gehäuses, angrenzend an das geschlossene Gehäuseende drehfest mit dem Anker verbunden ist, dadurch gekennzelehnet, daß der Stator (25) mit einem bogenförmigen Pol (28) geformt ist, daB der Anker (20) mit einem sektorförmigen Pol (30) 'geformt ist, dessen Länge allgemein der Bogenlänge des Statorpols entspricht und der innerhalb des Statorpols so beweglich ist, daß er einen Luftspalt (56) bildet, der bei der Be« wegung des Ankerpols innerhalb des Statorpole relativ konstant bleibt, daß am Gehäuse (10) und an der Ankerplatte (35) jeweils ein Teil einer kreisförmigen Kugelver-Schw/Ba

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ORIGINAL INSPECTED

tiefung (36,38) mit begrenzter Bogenlänge angebracht ist, daß in der Ausnehmung zwischen dem Gehäuse und der Ankerplatte eine Kugel (40) angebracht ist und daß die Bogenlänge der Ausnehmung mit der Kugel die zulässige Größe der Winkeldrehung des Ankers entsprechend der zulässigen Größe der Bewegung des Ankerpols bezüglich des Statorpols festlegt.
2. Drehmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (35) aus ferromagnetischem Material besteht und in geringem Abstand vom geschlossenen Ende (14) des Gehäuses angebracht ist, wobei zwischen der Ankerplatte (35) und dem Gehäuse (10) ein Luftspalt entsteht, so daß bei der Erregung der Spule (15) die Ankerplatte gegen das Gehäuse gezogen und somit in Kontakt mit der Kugel(4o) gebracht wird.

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