DE3024059A1 - Elektro-hubmagnet - Google Patents

Description

Knorr-Bremse GmbH München, den 23.06.1980

Moosacher Str. 80 TPl-DrvBU/ma

D-8000 München 40 " ¹⁶²⁶ "

Elektro-Hubmagnet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektro-Hubmagnet mit einer Magnetspule, einem längsverschieblichen Anker und einem magnetischen Gegenpol, wobei die einander zugewandten Seiten von Anker und Gegenpol eine Stufung aufweisen, in deren Bereich eine Verdichtung von Kraftlinien des Magnetfeldes auftritt. Es ist bekannt, bei Hubmagneten die Magnetkraft-Hub-Kennlinie durch konstruktive Formgebung des Ankers und des magnetischen Gegenpols zu beeinflussen. (Vgl. Lueger, Lexikon der Technik, Band 13, Lexikon der Feinwerktechnik, Stuttgart, 1968, S. 454). Alle bekannten Formen von Anker und Gegenpol (Zylinder, Kegel, Konus, Stufenanker) müssen jedoch mit relativ hohen Verlusten arbeiten, um eine Beeinflussung der Magnetkraft in Abhängigkeit des Ankerhubes zu erzielen, so daß diese Magnete entweder eine große Leistungsaufnahme oder große Abmessungen benötigen oder nur geringe Kraft liefern. Gegenüber dem bekannten zylindrischen Anker (Fig. 1) werden bei einem bekannten "Stufenanker" (Fig. 2) im Bereich der Randzonen die Feldlinien des magnetischen Kraftfeldes verdichtet, was zu einer überhöhung des Magnetfeldes in diesem Bereich führt. Diese Oberhöhung hat zur Folge, daß im Augenblick des Eintauchens des Ankers in den Gegenpol ein Maximum an Magnetkraft auftritt. Diese Kraft geht jedoch, bedingt durch eine dann erfolgende radiale Richtung der Kraftlinien bei kleiner werdendem Luftspalt stark zurück und nimmt erst für sehr kleine Luftspalte wieder zu, bedingt dadurch, daß die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers stehenden „,. Flächen von Anker und Gegenpol dann in kleinem Abstand zueinander stehen. Es ergibt sich dann die Magnetkraft-Hub-Kennlinie mit streckenweise ansteigendem Verlauf. (Bereich A der Fig. 3).

130061/0286 _/2

' Auch hier muß jedoch eine große Kraft aufgrund der radialen Verluste durch eine entsprechend große Amperwindungszahl erkauft werden, was zu einer Vergrößerung der Gesamtabmessungen des Magneten führt und damit zu einem relativ großen Gewicht. Eine beliebige Verkleinerung des radialen Luftspaltes, was ebenfalls eine Krafterhöhung zur Folge hätte, ist aufgrund von Fertigungstoleranzen nur bedingt möglich.

Aufgabe der folgenden Erfindung ist es daher, einen Elektro-Hubmagnet der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei kleinen Abmessungen bzw. kleiner Amperwindungszahl eine große Hubkraft des Hubmagneten erhalten wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stufung so geformt ist, daß eine mehrfache Verdichtung der Kraftlinien auftritt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Stufung durch einen ringförmigen Vorsprung und einer entsprechend angepaßten ringförmigenNut gebildet.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Stufung durch mehrere koaxiale, übereinander liegende Scheiben gebildet, deren Durchmesser sich verringert, wobei die Ausnehmungen dieser Form angepaßt sind. Es ist klar, daß die Vorsprünge am Anker oder am Gegenpol vorhanden sein können, wobei dann die entsprechenden Ausnehmungen am Gegenpol bzw. am Anker ausgebildet sind.

Durch die mehrfache Verdichtung der Kraftlinien wird erreicht, daß das Verhältnis von eingesetzter magnetischer Energie zu resultierender Kraft verbessert wird, so daß gegenüber den bekannten Hubmagneten bei gleicher Kraft die Abmessungen verringert werden können bzw. bei gleichen Abmessungen eine größerer Kraft

erhalten wird.
35

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

130061/0286 /3

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausflihrungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert.

Es zeigt
5

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht von Anker und magnetischem Gegenpol eines zylindrischen Hubmagneten;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht von Anker

und magnetischem Gegenpol eines Hubmagneten mit Stufung;

Fig. 3 eine Magnetkraft-Hub-Kennlinie des Magneten nach Fig. 2;

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht von Anker und magnetischem Gegenpol eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung; und 20

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ankers und eines magnetischen Gegenpols nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der

Erfindung.
25

Hubmagnete besitzen im allgemeinen eine Magnetspule, die von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Der Strom kann hierbei ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein. Die Magnetspule erregt einen magnetischen Gegenpol, wodurch ein längsverschieblicher Anker auf den Gegenpol hin bewegt wird. Der Anker ist in geeigneter Weise gelagert, beispielsweise mittels einer Kolbenstange aus nicht magnetisierbarem Material, die in Lagerbuchsen des Gegenpols gelagert ist. Die Magnetspule (Erregerwicklung) umgibt mindestens einen Teil des magnetischen Gegenpols und häufig auch den Anker.

In Fig. 1 ist ein zylindrischer Anker 1 und ein magnetischer Gegenpol 2 dargestellt, die längs einer Achse 5 ausgerichtet sind.

130061/0286 _/4

Zwischen ihren einander zugewandten Flächen befindet sich ein Luftspalt f , der veränderlich ist. Mit die magnetischen Feldlinien bezeichnet.

Luftspalt f , der veränderlich ist. Mit P sind die Normalen auf

Fig. 2 zeigt einen Anker 1 und einen Gegenpol 2 mit einer Stufung. Die Stufung wird durch eine zylindrische Scheibe 3 an dem Anker 1 und eine entsprechende zylindrische Ausnehmung 4 an dem magnetischen Gegenpol 2 gebildet. Der Außendurchmesser der Scheibe 3 ist kleiner als der Außendurchmesser des Ankers 1. Entsprechend ist der Innendurchmesser der Ausnehmung 4 kleiner als der Außendurchmesser des magnetischen Gegenpol es 2. Der Außendurchmesser der Scheibe 3 ist dagegen geringer als der Innendurchmesser der Ausnehmung 4, so daß die Scheibe 3 mit gewissem Spiel (radialem Luftspalt) in die Ausnehmung 4 eintreten kann. Auch hier ist mit £ der Nenn-Luftspalt bezeichnet, während die konstruktiv vorgegebene Hublänge mit h bezeichnet ist.

Ein solcher Hubmagnet, dessen übrige Teile wie Magnetspule, Lagerung des Ankers etc. der Einfachheit halber fortgelassen sind, weist i_m Prinzip die in Fig. 3 dargestellte Magnetkraft-Hub-Kennlinie auf.

Bei sehr kleinem Luftspalt/ ist die Magnetkraft F sehr groß und nimmt mit zunehmendem Luftspalt zunächst sehr steil ab. Bei einem durch die Konstruktion des Hubmagneten festgelegten Luftspalt h der beispielsweise durch einen Anschlag für den Anker festgelegt ist, tritt die für den individuellen Hubmagneten festgelegte maximale Hubkraft F auf. Aufgrund der oben erwähnten radialen

ΙΪ1 clX

Verluste nimmt die Magnetkraft bei größer werdendem Luftspalt weniger steil ab, so daß die Magnetkraft-Hub-Kennlinie bei dem Luftspalt h₂ ein relatives Minimum mit der Steigung "0" erreicht. Bei weiterer Vergrößerung des Luftspaltes tritt ein Anstieg der Magnetkraft aufgrund der Wirkungen der Feldlinienverdichtung an der Stufe auf, bis zu einer Luftspaltgröße hg, bei der ein relatives Maximum der Magnetkraft auftritt. Der wirksame Arbeitsbereich des Hubmagneten liegt zwischen den Luftspalten hp und hg und ist mit A bezeichnet. Wird der Luftspalt über die Größe hg vergrößert, so sinkt die Magnetkraft wieder steil ab.

130061/0286

] In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Anker 1 besitzt an seiner dem Gegenpol 2 zugewandten Seite einen ringförmigen Vorsprung mit rechteckigem Querschnitt. In der Schnittansicht der Fig. 4 sind zwei Teile 3¹ und 3¹¹ des ringförmigen Vorsprunges zu sehen. Der ringförmige Vorsprung liegt hierbei zentrisch bzw. symmetrisch zu einer Mittellinie 5. Gegenüberliegend zu diesem ringförmigen Vorsprung besitzt der magnetische Gegenpol 2 eine entsprechende Ausnehmung in Form einer ringförmigen Nut, wobei die Weite der

IQ Nut geringfügig größer ist als die Querschittsbreite des ringförmigen Vorsprunges. Hierdurch ergibt sich der erwähnte radiale Luftspalt. Selbstverständlich liegt die ringförmige Nut zentrisch bzw. symmetrisch zur Mittellinie 5. In der Schnittansicht der Fig. 4 sind zwei Teile 4¹ und 4¹¹ der Nut zu sehen. Der Nennluftspalt / ^w^^rc' *™^{er zw}i^scnen der Unterseite des ringförmigen Vorsprunges und der Bodenfläche der ringförmigen Nut gebildet. Es ist ersichtlich, daß an benachbarten Kanten des Vorsprunges und der Nut eine Feldlinienverdichtung auftritt.

Fig. 5 zeigt eine andere Variante eines Mehrstufenankers, bei der der Anker 1 auf seiner dem Gegenpol 2 zugewandten Seite zwei zylindrische Scheiben 3¹¹ und 3¹ aufweist, deren Außendurchmesser in Richtung zu dem„Gegenpol 2 abnimmt. Die zylindrische Scheiben sind zur Mittelachse 5 zentrisch bzw. symmetrisch angeorndet. Entsprechend besitzt der magnetische Gegenpol 2 zylindrische Ausnehmungen 4¹ und 4¹¹, ,deren Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der entsprechenden Scheiben 3¹ bzw. 3¹¹, wodurch der erwähnte radiale Luftspalt gebildet wird. Auch hier tritt an den Kanten von Scheibe und zugeordneter Ausnehmung eine Feldlinienverdichtung auf.

Es sei betont, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Anker, magnetischem Gegenpol bei gleichen Ankerdurchmesser ein erheblicher Kraftzuwachs gegenüber den bekannten Hubmagneten erzielt, wird, der bei ansonsten gleichbleibenden elektrischen Daten und Abmessungen des Magneten über 60% liegt.

Eine weitere Kre.fterhöhung wird durch eine noch häufigere Kraft-

130061/0286

■Sr

verdichtung erzielt, die bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 durch die Anordnung von zwei oder mehreren konzentrischen, ringförmigen Vorsprüngen und entsprechend ausgebildeten Nuten geschaffen werden kann oder bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 durch drei oder mehr zylindrische Scheiben und entsprechende Ausnehmungen.

Selbstverständlich können die Vorsprünge bzw. Scheiben und die entsprechenden Ausnehmungen in der Draufsicht auch rechteckig, oval oder in sonstiger Weise verlaufen und so der jeweils verwendeten Ankerform angepaßt werden.

Wird der Hubmagnet mit Gleichstrom erregt, so können Anker, Vorsprünge und magnetischer Gegenpnl aus massivem magnetischem Material, wie z.B. Eisen, sein.

Wird der Hubmagnet dagegen mit Wechselstrom erregt, so ist es zur Herabsetzung der elektrischen Verluste zweckmäßig, Anker, Vorsprünge und magnetischen Gegenpol aus geschichteten Blechen aufzubauen, wie allgemein bekannt.

Es ist klar, daß Anker und magnetischer Gegenpol vertauscht werden können, d.h. daß der Anker die Nut bzw. Ausnehmung aufweist und der magnetische Gegenpol den bzw. die Vorsprünge.

Auch können je nach gewünschter Magnetkraft-Hub-Kennlinie die Vorsprünge bzw. Scheiben leicht konisch, ausgebildet sein, wobei dann die Ausnehmungen natürlich an diese Form angepaßt sind, wodurch insbesondere der Verlauf der Kennlinie in dem Bereich A der Fig. flachpr verläuft.

Sämtliche in der Beschreibung und den Figuren dargestellten technischen Merkmale können sowohl einzeln als auch über ihre Kombination erfindungswesentlich sein.
35

130061/0286

Claims (5)

1. Knorr-Bremse GmbH München, 23. Juni 1980

   Moosächer Straße 80 TPl/DrvBU/ma

   8000 München 40 - 1626 -

   Patentansprüche

   Elektro-Hubmagnet mit einer Magnetspule, einem längsverschieblichen Anker und einem magnetischen Gegenpol, wobei die einander zugewandten Seiten von Anker und Gegenpol eine Stufung aufweisen, in deren Bereich eine Verdichtung von Kraftlinien des Magnetfeldes auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufung (3,4) so geformt ist, daß eine mehrfache Verdichtung der Kraftlinien (P_1n) auftritt.
2. 2. Elektro-Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Stufung (3,4) so geformt ist, daß an mindestens zwei Stellen des Wirkungsbereiches zwischen Anker (1) und Gegenpol (2) eine Verdichtung der Kraftlinien (P ) auftritt.
3. 3. Elektro-Hubmagnet nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufung aus einem ringförmigen Vorsprung (3) und einer entsprechend angepassten ringförmigen Nut (4) besteht.
4. 4. Elektro-Hubmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

   der ringförmige Vorsprung (3) und die ringförmige Nut (4) koaxial zueinander und symmetrisch zur Mittellinie (5) des Ankers (1) bzw. des Gegenpples (2) liegen.
5. 5. Elektro-Hubmagnet nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufung durch zwei oder mehr zylindrische, zueinander koaxiale Scheiben (3', 3¹¹) gebildet sind, die auf-

   130061/0286 ^/2

   einander aufgesetzt sind und deren Durchmesser in Richtung zum Gegenpol (2) bzw. zum Anker (1) scheibenweise abnehmen, wobei die Ausnehmungen (4'_s 4¹') des Gegenpols (2) bzw. des Ankers (1) den Scheiben entsprechend angepaßt sind.

   130061/0286