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Elektromagnetische Stellvorrichtung
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ie Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung, bestehend
aus einem mehrere Wicklungen aufweisenden Teil, einem n mittiger Anordnung gegenüber
den Wicklungen vorgesehenen tellglied und einem den Anker bildenden Element.
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ine elektromagnetische Stellvorrichtung der eingangs genannten rt
ist bereits bekannt. Bei dieser Stellvorrichtung ist die icklung in spiralförmigem
Verlauf um das Stellglied vorgesehen, ährencL das etwa zylindrisch ausgebildete
Aufnahmegehäuse den anker bildet. Zur Ausführung einer Bewegung zwischen dem Stelllied
und dem Anker ist die Konzipierung eines Luftspalts zwiehen dem Anker und dem die
Wicklungen tragenden, als Stellglied irkenden Kernteil erforderlich. Bei einer derartigen
elektromagetischen Stellvorrichtung ergibt sich eine schwierige Fertigung icr Polkörper
und der Wicklung. Außerdem muß der die Wicklungen ragende Kern in exakter Lage zum
Anker angeordnet sein, damit Ler erforderliche Arbeitsluftspalt zwischen den Wicklungen
und Lem Anker eingehalten wird. Somit ist eine hohe Präzision bei er Herstellung
derartiger Stellvorrichtungen notwendig. Beipiele solcher StellVorrichtungen sind
in der DE-OS 25 08 442 tnd 27 00 956 beschrieben.
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er Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine elek-:romagnetische
Stellvorrichtung zu schaffen, die einfachen Aufau hat und mit vergleichbar geringer
Präzision herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des ilauptanspruchs
gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen, elektromagnetischen Stellvorrichtung ist
ein scheibenförmiger Anker vorgesehen, der auf einem achsenförmigen Stellglied angeordnet
ist. Beidseitig des scheibenförmigen Ankers sind scheibenförmige stationäre Teile
vorgesehen, von denen wenigstens ein Teil auf der dem Anker zugewandten Fläche Wicklungen
tragt. Die Wirkunysweise dieser Stellvorrichtung ist grundsätzlich vergleichbar
mit einem Topfmagneten.
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Die Wicklungen im stationären Teil können spiralförmig verlaufen oder
in konzentrischer Anordnung vorgesehen sein. Wenn nur einer der beiden stationären
Teile auf der Sem Anker zugewandten Flächc mit Wicklungen versehen ist, ist eine
zusätzliche Einrichtung zur Rückbewegung des Ankers in seine Ausgangsposition erforderlich,
wenn nach vorheriger Erregung des Magnetfeldes das Magnetfeld wieder abgeschaltet
wird. Bei einer beidseitig des Ankers vorgesehenen Anordnung der Wicklungen, wobei
die beiden stationären Teile auf ihrer dem Anker zugewandten Fläche die Wicklungen
aufweisen, ist keine Rückstelleinrichtung notwendig, da der Hub des Ankers durch
wechselweise Stromanlegung an die Wicklungsgruppen auf den beiden Seiten gegenüber
dem Anker erreicht wird. Die Stellvorrichtung ermöglicht infolge der konzentrischen
oder spiralförmigen Anordnung der Wicklungen an den stationären Teilen einen geringen
Streufluß, wodurch der Energiebedarf geringer als bei den bekannten Stellvorrichtungen
ist.
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Außerdem können kurze Schaltzeiten sichergestellt werden. Neben der
kürzeren Schaltzeit ist bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung
eine Vervielfachung der Kraftwirkung gegenüber dem Anker gegenüber bekannten Vorrichtungen
erreichbar. Die Stärke des scheibenförmigen Ankerelementes muß derart gewählt sein,
daß das von den Wicklungen der stationären Teile erzeugte Magnetfeld innerhalb des
Ankers verläuft.
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Im @olgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der elektromagnetischen
Stellvorrichtung anhand der Zeichnung zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine elektromagnetische Stellvorrichtung, bei der die Wicklungen
nur auf einer Seite zum Anker im stationären Teil voigeselien sind, Fig. L eine
Fig. 1 entsprechende Darstellung bei der beiden seitig des Ankers Wicklungen in
den stationiren Teilen ausgebildet sind, Fig. 3 eine Schnittansicht durch die Stellvorrichtung
nach Fig. 2, Fig. 1i eine persl>ektivische Darstellung eines abgewandelten stationären
Teils, das Nuten mit spiralförmigem Verlauf zur Aufnahme der Wicklungen an derjenigen
Flache enthält, die dem Anker gegenüberliegt und Fig. 5a abgewandelte Ausführungsformen
der Stellvorrichtung und 5b mit zweiseitiger und einseitiger Betriebsart.
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In Fig. 1 ist eine schematische Teilschnittansicht einer elektromagnetischen
Stellvorrichtung gezeigt. Die Stellvorrichtung weist im Prinzip die Funktion eines
Topfmagneten auf, die im folgenden noch erläutert ist. Nach Fig. 1 besteht die Stellvorrichtung
aus einen vorzugsweise scheibenförmigen stationären Teil 1 und einem vorzugsweise
scheibenförmigen magnetisch leitenden stationären Teil 2, von denen nach Fig. 1
der stationäre Teil 2 an seiner einen Außenfläche Wicklungen 3 enthält. Ein ringförmiges
Glied 4 aus elektrisch und magnetisch nichtleitendem Etaterial dient zur mechanischen
Verbindung der stationären Teile 1 und 2 und legt .lulWerdem einen Abstand zwischen
den Teilen 1 und 2 zur Aufnahme eines scheibenförmigen Ankers 5 aus magnetisch öleitendem
Werkstoff fest, dei mit einem Stellglied 6 in Form einer Achse in Verbindung steht.
Die Wicklungen 3 sind mit Anschijissen 8 und 9 verbunden, die aus der Stellvorrichtung
herausgeführt
sind und zum Anschluß an eine elektrische Speisequelle
dienen.
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Das ringförmige Glied 4 wird zwischen den beiden stationären Teilen
1 und 2 derart aufgenommen, daß der mit 10 bezeichnete Abstand bzw. Luftraum zwischen
den Teilen 1 und 2?in Richtung des achsenförmigen Stellgliedes 6 gesehen größer
als die Stärke des scheibenförmigen Ankers 5 ist. Dadurch soll eine Bewegung des
Stellgliedes 6 zusammen mit dem Anker 5 in Richtung eines Pfeiles 7 ermöglicht werden.
Die Bewegung des Ankers 5 in Richtung auf die Wicklungen 3 wird ausgeführt, sobald
an die ,Anschlüsse 8 und 9 ein Strom angelegt wird, der die Wicklungen 3 erregt.
Die Wicklungen 3 sind bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel konzentrisch
angeordnet, wie in Verbindung mit Fig. 3 noch erläutert wird. Jede Wicklung 3 wird
in eine für jede Wicklung vorgesehene Nut 2a, 2b usw. eingesetzt, die an einer Außenfläche
des scheibenförmigen Teils 2 ausgeprägt ist.
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Die Zusammenschaltung der Wicklungen 3 erfolgt auf solche Weise, daß
bei Stromanlegung die Richtung des Stromflusses in benachbarten Wicklungen jeweils
entgegengesetzt ist, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Dadurch wird bei Anlegen eines Stromes
an die Anschlüsse 8 und 9 von jeder Wicklung 3 ein Magnetfeld erzeugt, das durch
den Anker 5 verläuft und dadurch den Anker 5 in Richtung auf die Wicklungen 3, d.h.
den stationären Teil 2, anzieht.
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Um den Anker 5 nach Unterbrechung des Stromflusses durch die Wicklungen
3 in seine Ausgangsposition zurück zu verbringen, kann innerhalb der in Fig. 1 dargestellten
Stellvorrichtung oder ausserhalb der Stellvorrichtung ein Rückstellglled vorgesehen
werden, beispielsweise eine Schraubenfeder, die auf das Stellglied 6 eine Kraft
in Richtung des Pfeiles F ausübt. Das Magnetfeld, das von den Wicklungen 3 bei Stromanlegung
erzeugt wird, muß ersichtlicherweise größer als die von der Rückstelleinrichtung
erzeugte Gegenkraft sein, um den Anker 5 entgegen der Richtung des Pfeiles F bewegen
zu können.
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Die Breite des Luftspals 10 und die Stärke S des scheibenförmigen
Ankers 5 müssen derart gewählt werden, daß einerseits das von den Wicklungen 3 erzeugte
Magnetfeld den Anker 5 in seiner (in Fig.1
@en) Endposition durchsetzt,
während andererseits die Stärke S so g@oß gewählt werden muß, daß das Magnetfeld
de@ Wicklungen 3 innerhalb des Ankers 5 und nicht außerhalb des Ankers 5 verläuft,
wie im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wird.
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Fig. @ Zeigt eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform eine@
elektromagnetischen Stellvorrichtung. Der Unterschied zu Fig. 1 besteht darin, daß
die beiden station@@en Teile 1 und 2 auf @hrer dem Anker 5 zuge@andten Fl@che mit
Wicklungen versehen sind, die mit 3a und 3b bezeichnet sind. Die Hubbewegung des
An@ers @n Richtung des Pfeiles 7 wird dabei ausschließlich durch die von den Wicklungen
3a und 3b erzeugten Magnetfehler hervorge@ufen, ohne daß eine Rückstelleinrichtung
wie bei der Auf@ü@@ungsform nach Fig. 1 erforderlich ist, die aber gegebenenfalls
zus@tzlich vorgesehen werden kann.
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Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Vertikalschnitts durch die
Stellvorrichtung nach Fig. 2. die Wicklungen 3b werden über An-Schlusse 11 und 12
mit Strom gespeist und sind entsprechend den @@icklungen 3a derart zusammengeschaltet,
daß die Richtung des Stromflusses durch benachbarte Wicklungen jeweils entgegengesetzt
ist. Die Stromflußrichtungen und die von den Wicklungen 3a und 3b erzeugten Magnetfelder
sind in Fig. 3 angdeutet. Durch wechselweise Speisung der Wicklungen 3a bzw. 3b
läßt sich eine Hubbewegung des Ankers 5 iii @@g. g. 3 3 nach links bzw. in lig.
3 nach rechts erreichen. Die Dimensionierung des Luftraumes 10 und der Stärke dci'
Ankerscheibe 5, die mit S bezeichnet ist, ist entsprechend vorstehender Erläuterung
zu wihlen. Die Speisung der Wicklungen 'ta @ber die Anschlüsse 8 und 9 bewirkt,
daß der Anker 5 aus magnetisch leitendem Werkstoff in Richtung auf den Teil 2 angezogen
wird, während die Speisung der Wicklungen 3b über die Anschlüsse 11 und 12 ein Anziehen
des Ankers 5 in Richtung auf den Teil 1 zur Folge hat. Die Dreite bzw. Größe des
Luftspaltes 10 in Richtung der Achse des Stellgliedes 6 dient gleichzeitig zui @estlegung
bzw. @egrenzung der Ilubbewegung des Ankers 5.
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Das ringförmige Glied 4 hat vorzugsweise gleichen Außendurchmesser
wie die scheibenförmigen Teile 1 und 2 und dient als Abstandselement zur Festlegung
der Breite des Luftspaltes 0. Vorzugsweise können die scheibenförmigen Tjtl7 5 und
2 umfangsmäßig au dccdem Anker 5 zugewandten Fläche @it einer der Stärke des ringförmgen
Glieds 4 entsprechenden, umlaufenden Aussparung 13 versehen sein, wodurch das ringförmige
Glied 4 gegenüber dem Teil und 2 fixiert ist. Der Anker 5 kann eine zentrale Öffnung
14 zur Aufnahme des stabförmigen Stellgliedes 6 aufweisen oder als integrales Teil
mit dem Stellglied 6 ausgebildet sein. Zur Ermöglichung einer Bewegung des Ankers
5 mit dem Stellglied 6 in Richtung des Pfeiles 7 sind in den stationären, scheibenförmigen
Teile@ 1 und 2 der Stellvorrichtung eintsprechende zentrale Öffnungen 15 und 16
vorzuschen, deren Durchmesser geringfügig größer als der Außendurchmesser des stabförmigen
Stellgliedes 6 sein muß.
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Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform wird der
Rückhub des Ankers 5 beispielsweise durch die Wicklungen 3b erreicht. Die Wicklungen
3a und 3b sind jeweils in einer Ebene und konzentrisch zueinander in der zugehörigen
Ebene des Teiles 1 bzw.
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2 vorgesehen. Durch diese Anordnung wird eine besonders hohe Kraftwirkung
der Magnetfelder gegenüber dem Anker 5 erreicht. Gemäß einer Abwandlung der Stellvorrichtung
können die Wicklungen 3 oder 3a, 3b spiralförmigen Verlauf haben, wie in Fig. 4
dargestellt ist.
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Der in Fig. 4 gezeigte Teil kann als stationärer Teil 1 und/oder 2
verwendet werden und weist spiralförmig verlaufende Nuten 2'a und a'b auf, die zur
Aufnahme von Wicklungen entsprechend den Wicklungen 3 oder 3a, 3b dienen.
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Das in Fig. 4 gezeigte Teil 2' läßt sich anstelle des stationären
Teils 2 bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und als stationäres Teil 1 und 2 bei
der Ausführungsform nach Fig. 2 einsetzen. Die Öffnung für das Stellglied 6 ist
in Fig. 4 mit 15 angegeben. Die Wirkungsweise einer Stellvorrichtung, bei der die
Wicklungen spiralformigen Verlauf haben1 entspricht im wesentlichen vorstehender
BescllrLbunc3
in bezuy auf die Ausführungsform nach Fig. 1 und 2.
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Beim Einsatz von konzentrisch zueinander vorgesehenen Wicklungen 3
oder 3a, 3b werden die Wicklungen vorzugsweise in kreisförmig verlaufenden Nuten
2a und 2b usw. vorgesehen.
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Bei Einsatz von zwei Wicklungsebenen 3a, 3b entsprechend der Ausführungsform
nach Fig. 2 und 3 kann zusätzlich eine Riickstelleinrichtu!lg, beispielsweise in
Form einer Federeinrichtung, vorgesehen werden, die sicherstellt, daß der Anker
5 bei nicht erregten Wicklungen 3a, 3b die in Fig. 3 gezeigte Mittellage zwischen
den Teilen 1 und 2 einnimmt. Bei einer derartigen Ausführungsform hat somit der
Anker 5 drei erreichbare Positionen, von denen die mittlere Position die Ruhe- oder
Ausgangsposition ist und durch die Rückstelleinrichtung bestimmt wird.
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Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die Teile 1, 2 und der Anker 5
in paralleler Anordnung zueinander konzipiert werden; das Stellglicd C ist in einer
zum Anker S senkrechten Lage vorgesehen und verläuft bei zueinander konzentrischen
Sinzelwicklungen der Gruppcn 3, 3a, 3b innerhalb der innersten Einzelwicklungen.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 5a und 5b werden weitere Ausführungsformen
der elektromagnetischen Stellvorrichtung beschrieben.
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Fig. 5a zeigt eine zweiseitig wirkende Ausführungsform der Stellvorrichtung,
die im Grundaufbau der Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht. Die stationären Teile
1 und 2 weisen jedoch zentrale öffnungen 16 auf, deren Innendurchmesser wesentlich
größer als der Außendurchmesser des Stellgliedes 6 gewählt ist, so daß das Stellglied
6 nicht in Gleitsitz gegenüber den stationären Teilen 1 und 2 angeordnet ist, d.h.
die Öffnung 16 nicht als Gleitführung wirkt. Die stationären Teile 1 und 2 sind
im Bereich der Öffnungen 16 vorzuysweise mit einem ringförmigen Flansch 20 versehen,
der zur vakuumdichten Befestigung von kreisförmigen Membranen 17a und 17b dient.
Die Membran 17a bzw. 17b ist am Flansch 20 des Teiles 2 bzw. 1 durch Verschweißung
vakuumdicht befestigt. Beide Membranen
schließen das Stellglied
6 in der in Fig. 5 gezeigten Weise ein, d.h. das Stellglied 6 befindet sich zwischen
den beiden Membranen 17a und 17b. Der durch die beiden Teile 1, 2 und das ringförmige
Glied 4 definierte Luftspalt 10 ist evakuiert, was zu ei iner esenders reibungsfreien
Lagerung des Ankers 5 rnit Stellglied C führt. Die Membranen 17a und 17b können
gleichzeitig als @ückstelleinrichtung dienen und versetzen im nicht erregten Zustand
der in den Teilen 1 und 2 ausgebildeten Nicklungen 3a, Sb een Anker 5 in eine definierte
Ruheposition.
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In Fig. 5b ist eine der Ausführungsform nach Fig. 5a entsprechende
Ausführungsform dargestellt, die allerdings nur einseitig wirkt.
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Während bei der Ausführungsform nach Fig. 5a der Anker entweder nach
links oder nach rechts, d.n. auf die Wicklungen 3a oder zu angezogen werden kann,
kann bei der Ausführungsform nach Fig 5b der Anker 5 nur nach rechts, d.h in Richtung
auf nie Wicklungen 3 angezogen werden, wenn die Wicklungen 7 stromdurchflessen sind.
Die Stellvorrichtung besteht aus dem einzigen stationäreb Teil 2 und einem daran
angeordneten, vorzugsweise umfangsmässig aufgesetzten ringförmigen Glied 4; der
Aufbau en@spricht @@ itt gehend der Ausführungsform nach Fig. 1, Unterschiedlf-
ch zur Ausführungsform nach Fig. 1 is-t an dem rlngförmigen Glied 4 eine ringförmige
Membran 18 vakuumdicht befestigt, was beispielsweise durch Verschweißen erreicht
werden kann. Der Innere Umfang er Membran 18 ist vakuumdicht am Anker 5 befestigt.
Das Stellglied 6 ist als integrales Teil und achsartiger Vorsprung zum Anker vorgesehen.
Entsprechend der dargestellten Ausführungsform kann das ringförmige Glied 4 an der
dem stationären Teil abgewandten Stirnfläche mit einer treppenförmigen, umlaufenden
Aussparung versehen sein; der Anker 5 kann auf ähnliche Weise mit einer ur laufenden,
treppenförmigen Aussparung 22 versehen sein. Die Aussparungen 21 und 22 dienen zur
druckdichten Befestitung der zugeordneten Umfangsränder der Membran 18. Der durch
die Membran 18, den Anker 5, das ringförmige Glied 4 und das stationäre Teil 2 definierte
Luftspalt 10 steht unter Vakuum. Die in Fig. Sb dargestellte Ausgangsposition wird
durch die Membran 18 bestimmt, die als Stelleinrichtung dient.
@ie
in Fig. 5a und 5b dargestellten Ausführungsformen ermöglichen @nfolge des evakuierten
Luftspalts 10 außerst hohe Schaltge-@chwindigkeiten. Die Nemtranen 17a und 17b bzw.
18 werden an @hren Umfangsrändern gegenüber den zugehörigen Teilen der Stell-@orrichtung
vakuumdicht verschweißt und bestchen vorzugsweise aus @inem @etall oder einem Material
mit Federeigenschaft, so daß dalurch eine Rückstellwirkung in eine Ruheposition
gewährleistet st. Nach den in Fig. 5a und 5b gezeigten Seitenschnittansichten ler
Membran@n durch das Zentrum jeder Membran haben diese vorzugs-@eise etwa wellenförmiges
Profil, das zu der gewünschten Elastizi-@üt der Nenbranen führt.