DE3423469A1 - Monostabiler betaetigungsmagnet - Google Patents

Description

• Monostabiler Betätigungsmagnet
• Die Erfindung betrifft einen monostabilen Betätigungsmagneten mit einer feststehenden Erregerwicklung und einem zwischen zwei Endlagen beweglichen Ankerteil, wobei zur Erzielung einer permanentmagnetischen Haltekraft in einer der Endlagenim Flußverlauf des Magnetsystemes ein Permanentmagnet vorgesehen ist.
• Derartige monostabile Magnetsysteme finden Anwendung als elektrisch umsteuerbare Stellglieder in Meß- und Steueranlagen, sowie feinwerktechnischen Antrieben und Verriegelungen, wobei bei Bestromung der Erregerwicklung das Ankerteil aus der permanentmagnetischen, stabilen Lage in die andere Lage bewegt wird, dabei einen mechanischen Schaltvorgang auslöst/bewirkt und nach dem Abschalten der Bestromung in die stabile Lage zurückkehrt.
• Bei einem bekannten monostabilen Betätigungsmagneten (DE-OS 3044 829) ist im Flußverlauf eines Magnetpoles ein Permanentmagnet vorgesehen, der die permanentmagnetische Kraftwirkung auf den Magnetanker bewirkt, und in nichtbestromten Zustand der Erregerwicklung den Anker an diesen Magnetpol heranzieht. Die Bewegung des Ankers in die andere Endlage erfolgt dabei durch entsprechend gerichtete Bestromung der Erregerwicklung, wobei eine elektromagnetische Kraftwirkung vom anderen Magnetpol,erzeugt wird, die der permanentmagnetischen Haltekraft entgegengerichtet ist und den Anker in diese andere Endlage treibt Bei dieser im großen und ganzen zufriedenstellenden Anordnung ist jedoch zur Umsteuerung des Magnetankers eine verhältnismäßig große elektrische Leistung erforderlich.
• Darüber hinaus ist eine Kennlinien-Anpassung der Kraft-Weg-Kurve des Magnetsystemes an das anzutreibende Aggregat, sowie eine Anpassung an die erforderliche Haltekraft nicht oder nur durch äußerst aufwendige konstruktive Maßnahmen möglich.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen monostabilen Betätigungsmagneten der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß die Umsteuerung des Magnetankers mit geringer elektrischer Leistung bewirkt werden kann und bei dem mit geringfügigen konstruktiven Maßnahmen eine Anpassung der Kennlinie des Betätigungsmagneten an die Kennlinie des anzutreibenden Aggregates, sowie ggfs. eine Variation der benötigen Haltekraft möglich ist.
• Diese Aufgabe wird in technisch fortschrittlicher Weise dadurch gelöst, daß die Erregerwicklung mit einem magnetisierbaren Kern versehen ist, dessen eines Ende als Polfläche ausgebildet ist, daß gegenüber dieser Polfläche ein Polstück beabstandet angeordnet ist, das über ein Flußleitstück mit dem anderen Ende des Kernes verbunden ist, daß in dem Zwischenraum zwischen Kern-Pol fläche und Polstück ein in axialer Richtung magnetisierter Permanentmagnet vorgesehen ist, der mit einem beweglichen Anker verbunden und dabei im wesentlichen axial verschiebbar ist, daß in dem Polstück eine den Abmessungen des Permanentmagneten angepaßte Öffnung vorgesehen ist, und daß bei Bestromung der Erregerwicklung der Kern derart magnetisiert wird, daß zwischen Kern-Polfläche und zugewandtem Permanentmagnet-Pol eine abstoßende Kraft wirksam wird, die den Permanentmagneten und den damit verbundenen Anker aus der Hubanfangslage in die Hubendlage bewegt.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 13 näher erläutert.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein monostabiles Magnetsystem geschaffen wurde, dessen Weg-Kraft-Kennlinie nahezu linear verläuft bzw. durch entsprechende Größe der im Polstück vorgesehenen Öffnung beeinflußbar ist. Dabei kann durch entsprechende Ausbildung der Polstück-Eeometrie besser als bei dem bislang bekanntgewordenen Anordnungen der Weg-Kraft-Verlauf während des elektrischen Arbeitshubes beeinflußt und an den jeweils benötigten Verlauf angepaßt werden.
• Darüber hinaus benötigt der erfindungsgemäße monostabile Betätigungsmagnet äußerst geringe elektrische Leistung, um den Anker von der stabilen permanentmagnetischen Lage in die elektromagnetische Endlage umzusteuern.
• Im foglenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen Fig. 1 die Ansicht eines monostabilen Betätigungsmagneten mit offenem, U-förmigem Joch im Schnitt, Fig. 2 die Ansicht eines monostabilen Betätigungsmagneten mit geschlossenem, topfförmigem Joch im Schnitt, Fig. 3 die Ansicht eines modifizierten Betätigungsmagneten gem. Fig. 2 im Schnitt, Fig. 4 die Ansicht eines weiteren modifizierten Betätigungsmagneten im Schnitt, Fig. 5 die Ansicht eines monostabilen Betätigungsmagneten der Klsppanker-Bauform im Schnitt, und Fig.-6 die Ansicht einer Abwandlung des monostabilen Betätigungsmagneten gem. Fig. 5 im Schnitt.
• Der in der Fig. 1 dargestellte Betätigungsmagnet besteht im wesentlichen aus einem U-förmigen Joch 1 auf dessen einem Schenkel 2 ein, eine Erregerwicklung 3 tragender Kern 4 befestigt ist, sowie einem in dem Kern konzentrisch gelagerten, axial verschiebbaren Anker 5.
• Das in das Joch weisende Ende des Kernes 4 ist als ebene Polfläche 6 ausgebildet. Der Anker besteht aus einem Stößel 7 der mit einem vorzugsweise runden, axial magnetisierten Permanentmagneten 8 verbunden ist. Weiterhin ist auf dem Stößel, zwischen Kern-Polfläche und Permanentmagnet ein nichtmagnetisierbares Zwischenstück 9 angeordnet. Das Joch sowie der Kern bestehen aus magnetisch leitendem Material, während der Stößel 7 des Ankers vorzugsweise aus nichtmagnetisierbarem Material besteht.
• In dem freien Schenkel 10 (Polstück) des Joches ist konzentrisch zur Ankerachse eine Bohrung (Öffnung 11) vorgesehen, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Permanentmagneten gehalten ist.
• In der Ruhelage (Hubanfangslage/stabile permanentmagnetische Lage) des Ankers wird der Permanentmagnet gegen die Kern-Polfläche gezogen, wobei das Zwischenstück 9 einen definierten Abstand des Permanentmagnetpoles von der Polfläche in dieser Ruhelage gewährleistet. Durch entsprechende Abmessung des Zwischenstückes kann somit die Haltekraft des Ankers variiert und den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Dabei kann das Zwischenstück geringfügig elastisch ausgebildet sein, um eine Aufschlagdämpfung zu erzielen.
• Bei entsprechend gerichteter Bestromung der Erregerwicklung 3 wird an dem dem Permanentmagneten zugewandten Ende des Kernes 4 ein magnetischer Pol ausgebildet, der gleich dem diesen Kernende zuweisenden Pol des Permanentmagneten 8 ist.
• Aufgrund des bekannten Prinzips, daß sich gleichnamige magnetische Pole abstoßen, wird nunmehr auf den Permanentmagneten eine abstoßende Kraft ausgeübt und dieser von der Kern-Polfläche 6 weg in Richtung auf den Schenkel 10 zu bewegt. Dabei wird der mit dem Permanentmagneten verbundene Stößel 7 verschoben, wobei von dessen Ende 12 die Ansteuerung eines mechanischen Stellgliedes o.ä. erfolgen kann. Gegen Ende der Hubbewegung des Ankers taucht der Permanentmagnet in die Öffnung 11 im Schenkel 10 ein, wobei die Eintauchtiefe durch einen hier nicht näher dargestellten Anschlag begrenzt wird.
• In dieser Hubendlage besteht aufgrund der gegenseitigen Abmessungen zwischen Permanentmagnet und Öffnung 11 (Bohrung) ein radialer Luftspalt J. . Durch die Größe dieses Luftspaltes kann die Endhaltekraft (elektromagnetische) beeinflußt werden,. wobei der Luftspalt jedoch auf jeden Fall so groß bemessen sein muß, daß nach dem Abschalten der elektrischen Erregung die Kraftwirkung zwischen Permanentmagnet und dem Schenkel 10 kleiner ist als die Kraftwirkung zwischen Permanentmagnet und Kern-Polfläche 6. Günstig für dieses Verhalten der verschiedenen Kräfte wirkt sich hierbei die vorgesehene axiale Magnetisierung des Permanentmagneten aus.
• Je nach gewünschtem Hub s und erforderlichem Weg-Kraft-Kennlinienverlauf kann der Anschlag für die Hubendlage auch so vorgesehen sein, daß die Endlage des Ankers/Permanentmagneten in einer Stellung begrenzt wird in der der Permanentmagnet nur geringfügig in die Öffnung 11 eintaucht oder sich ggfs. auch nur dicht davor befindet.
• Bei der vorgesehenen Anordnung gem. Fig. 1 kann durch die Wahl der Dicke des unmagnetischen Zwischenstückes 9 die permanentmagnetische Haltekraft in der Hubanfangslage, sowie die erforderliche Umsteuerleistung des Magnetsystemes variiert werden, während durch die Wahl der Abmessung des Luftspaltes Jr , sowie der Begrenzung der Eintauchtiefe des Permanentmagneten die elektromagnetische Haltekraft in der Hubendlage und der Kennlinienverlauf des Magnetsystemes zum Hubende hin beeinflußt werden können.
• Abwandlungen des erfindungsgemäßen monostabilen Betätigungsmagneten unter Ausnutzung des gleichen Prinzips sind in den Fig. 2 bis 6 dargestellt.
• In der Fig. 2 ist eine geschlossene Ausführung des Magnetsystemes vorgesehen, wobei das Joch 1' als zylinderförmiges Topfgehäuse 13 ausgebildet ist, dessen Boden 14 mit der Öffnung 11' versehen ist. Dabei weist der Kern 4' einen Flansch 15 auf, mittels dem der Kern in das Gehäuse eingesetzt und befestigt ist.
• Die in der Fig. 3 dargestellte Ausführung entspricht im wesentlichen der Ausführung gem. Fig. 2. Zur Erzielung eines speziellen Verlaufes der Weg-Kraft-Kennlinie ist hierbei jedoch vorgesehen, daß der Gehäuse-Innendurchmesser im Hubbereich des Permanentmagneten, beginnend bei der Hubanfangslage, sich stetig unter einem Winkel ot verjüngend bis zur Hubendlage hin ausgebildet ist. Dabei ist dieser Winkel arc je nach erforderlichem Verlauf der Weg-Kraft-Kennlinie des Systemes ausgebildet. Selbstverständlich kann hier auch vorgesehen sein, daß der Verlauf dieser Verjüngung nicht stetig, sondern in einer speziellen Kurvenform/Abstufung erfolgt.
• In der Fig. 4 ist der Vollständigkeit halber ein geschlossenes Magnetsystem dargestellt, das ebenfalls ein zylinderförmiges Gehäuse 13' aufweist, wobei jedoch zur besseren Lagerung des Ankers dessen Stößel 7' beidseitig in entsprechenden Lagerstellen 18 in den Seitenteilen 17 des Magnetsystemes geführt ist. Neben der exakten Ankerlagerung bietet dieses System noch den Vorteil, daß beidseitig des Magnetsystemes eine entsprechende Betätigung eines mechanischen Steligliedes (stoßende oder ziehende Arbeitsweise) erfolgen kann.
• Dabei sind in dieser Darstellung gleich oder ähnlich wie in den vorstehend beschriebenen Fig. 1-3 wirkende Teile mit den gleichen, ggfs. mit einem zusätzlichen Index versehene Bezugszeichen bezeichnet.
• In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betätigungsmagneten nach dem Klappankerprinzip dargestellt.
• In ein U-förmiges, aus magnetisierbarem Material bestehendes Joch 1" ist ein gleichfalls magnetisierbarer Kern 4"' in den einen Joch-Schenkel eingesetzt.
• Auch hierbei ist der Kern von einer Erregerwicklung 3 umgeben. In dem anderen Joch-Schenkel 10' ist oberhalb des Kernes, konzentrisch zu diesem eine Öffnung 11"l vorgesehen. Über diesem Schenkel ist ein in einer Lagerstelle 18 schwenkbar gelagerter Ankerhebel 19 angeordnet. Der Anker-.
• hebel besteht aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff, vorzugsweise aus Kunststoffmaterial. An dem Ankerhebel ist unter Zwischenlage eines unmagnetischen Abstandsstückes 20 ein Permanentmagnet 8' befestigt, der durch die Öffnung 11"' hindurch in den Innenraum des Magnetsytemes eintaucht.
• Auch bei dieser Anordnung ist vorgesehen, daß ein radialer Luftspalt f zwischen Öffnungswandung 21 und Permanentmagnet vorhanden ist. Der Permanentmagnet ist in Bezug auf die Kernachse axial magnetisiert.
• In der stabilen Ruhelage des Ankerhebels wird der Permanentmagnet durch permanentmagnetische Kraftwirkung gegen den Kern gezogen, wobei durch einen entsprechenden Anschlag des Ankerhebels dafür Sorge getragen ist, daß hierbei ein definierter Luftspalt e zur Kern-Oberfläche hin bestehen bleibt. Ggfs. kann vorgesehen sein, daß dieser Abstand auch durch eine entsprechend bemessene Auflage auf der Kern-Oberfläche aus nichtmagnetisierbarem Material erzielt wird.
• Wird durch entsprechend gerichtete Bestromung der Erregerwicklung an dem Permanentmagneten 8' | zuweisenden Kern-Ende ein Magnetpol ausgebildet, der die gleiche Polarität wie der hier gegenüberliegende Permanentmagnetpol aufweist, so wird auf den Permanentmagneten eine abstoßende Kraft ausgeübt, die den Permanentmagneten vom Kern wegtreibt, bis der damit verbundene Ankerhebel 19 gegen den Hubbegrenzungsanschlag 22 trifft. In dieser Hubendlage befindet sich dann der Permanentmagnet in der Öffnung 11 Nach dem Abschalten der elektrischen Erregung wird der Permanentmagnet aufgrund der permanentmagnetischen Kraftwirkung zwischen Kern und Permanentmagnet wieder zur Hubanfangslage zum Kern hin zurückgezogen.
• Schließlich zeigt die Fig. 6 noch eine Ausbildung des erfindungsgemäßen monostabilen Betätigungsmagneten als Klappankermagnet bei der die Lagerstelle 18' des Ankerhebels 19' in dem entsprechend ausgebildeten Flansch des Spulenkörpers der Erregerwicklung vorgesehen ist. Die übrigen wesentlichen Merkmale sind bereits bei der Erläuterung der Fig. 5 beschrieben und hier mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dieser Ausführung ist lediglich noch der Anschlag für die Hubanfangslage durch eine Anformung 23 am Ankerhebel selbst vorgesehen, die mit der Oberfläche des Schenkels 10" zusammenwirkt, so daß der benötigte Luftspalt e zwischen Kern-Oberfläche und Permanentmagnet stets gewährleistet ist.
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Claims (13)

1. Monostabiler Betätigungsmagnet Patentansprüche Monostabiler Betätigungsmagnet mit einer feststehenden Erregerwicklung und einem zwischen zwei Endlagen beweglichen Ankerteil, wobei zur Erzielung einer permanentmagnetischen Haltekraft in einer der Endlagen im Flußverlauf des Magnetsystemes ein Permanentmagnet vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (3) mit einem magnetisierbaren Kern (4, 4', 4" , 4 "') versehen ist, dessen eines Ende als Polfläche (6) ausgebildet ist, daß gegenüber dieser Polfläche ein Polstück (10, 10', 10") heabstandet angeordnet ist, das über ein Flußleitstück mit dem anderen Ende des Kernes verbunden ist, daß in dem Zwischenraum zwischen Kern-Polfläche (6) und Polstück.(10, 10', -10") ein in axialer Richtung magnetisierter Permanentmagnet (8, 8') vorgesehen ist, der mit einem beweglichen Anker (5,. 19, 19') verbunden und dabei im wesentlichen axial verschiebbar ist, daß in dem Polstück (10, 10', 10") eine den Abmessungen des Permanentmagneten (8, 8') angepaßte Öffnung (11, 11', Illt, 11"') vorgesehen ist, und daß bei Bestromung der Erregerwicklung (3) der Kern derart magnetisiert wird, daß zwischen Kern-Polfläche und zugewandtem Permanentmagnet-Pol eine abstoßende Kraft wirksam wird, die den Permanentmagneten und den damit verbundenen Anker aus der Hubanfangslage in die Hubend- lage bewegt.
2. 2. Monostabiler Betätigungsmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker mit Hubbegrenzungs-Anschlägen versehen ist, wobei ein erster Anschlag für die Hubanfangslage des Ankers so angeordnet ist, daß in dieser Lage des Ankers/Permanentmagneten ein Luftspalt (1) zwischen Kern-Polfläche und Permanentmagnet-Pol besteht, und wobei ein zueiter-Anschlag für die Hubendlage des Ankers so angeordnet ist, daß in dieser Lage ein Abstand zwischen Polstück und Permanentmagnet-Pol bestehen bleibt.
3. 3. Monostabiler Betätigungsmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschlag für die Hubendlage des Ankers so angeordnet ist, daß der Permanentmagnet (8, 8') in dieser Lage in die Öffnung (11, 11', 11", 11"') zumindest teilweise eintaucht, und daß die Öffnung im Polstück so groß bemessen ist, daß dabei ein ringförmiger Luftspalt (er) zwischen Permanentmagnet und Öffnungswandung (21) bestehen bleibt.
4. 4. Monostabiler Betätigungsmagnet nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußleitstück und das Polstück (10, 10',10") as ein U-förmiges Joch (1,1,1") aus Flachmaterial ausgebildet sind, in das der die Erregerwicklung (3) tragende Kern eingefügt ist.
5. 5. Monostabiler Betätigungsmagnet nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußleitstück und das Polstück als ein zylinderförmiges Topf-Gehäuse (13,13') ausgebildet sind, in das der Kern mit der Erregerwicklung eingesetzt ist.
6. 6. Monostabiler Betätigungsmagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuse-Innendurchmesser im Bewegungsbereich des Permanentmagneten, ausgehend von der kernpolnahen Stellung des Permanentmagneten, konisch verjüngt ausgebildet ist.
7. 7. Monostabiler Betätigungsmagnet nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet-Kern (4, 4') mit einer zentrischen, axialen Bohrung versehen ist, daß in der Bohrung ein Ankerstößel (7) verschiebbar gelagert ist, dessen in den Zwischenraum zwischen Kern-Polfläche und Polstück weisendes Ende mit einem schein benförmigen,axial polarisierten Permanentmagneten (B) versehen ist.
8. 8. Monostabiler Betätigungsmagnet nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ankerstößel (7, 7') zwischen Kern-Polfläche (6) und Permanentmagnet (8) ein nichtmagnetisierbares Distanzelement (Zwischenstück 9) angeordnet ist.
9. 9. Monostabiler Beätigungsmagnet nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzelement fest auf der Kern-Pol fläche angeordnet ist.
10. 10. Monostabiler Betätigungsmagnet nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein U-förmiges Jochteil (1") vorgesehen ist, in das der die Erregerwicklung (3) tragende Kern (4"') eingefügt ist, daß in Flucht mit dem Kern im oberen, abgewinkelten Schenkel (10') eine Öffnung (11"') vorgesehen ist daß außerhalb des Joch teiles ein zwischen zwei Hubbegrenzungs-Anschlägen verschwenkbarer, nichtmagnetisierbarer Ankerhebel (19,19') vorgesehen ist, der in einer auf einer Seite des oberen Schenkels ausgebildeten Lag erstelle (18, 18') gehalten ist, daß an dem Hebel ein in die Öffnung (11"') ragendes Abstandsstück (20) befestigt ist, das wiederum mit einem axial (in Bezug auf die Kernachse) polarisierten Permanentmagneten (8') versehen ist, wobei der Permanentmagnet bei Verschwenkung des Hebels zwischen einer kernpolnahen und einer kernpolfernen Stellung im Zwischenraum zwischen Kern-Polfläche und oberem Schenkel 10' bewegbar ist.
11. 11. Monostabiler Betätigungsmagnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet in der kernpolfernen Stellung unter Beibehaltung eines Luftsoaltes (&) zu der Öffnungsuandung (21) in die Öffnung (11"') eintaucht.
12. 12.Monostabiler Betätigungsmagnet nach Anspruch 10 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der kernpolnahen Stellung des Permanentmagneten (Ruhelage) ein Luftspalt (1) zur Kern-Polfläche hin vorgesehen ist.
13. 13.Monostabiler Betätigungsmagnet nach Anspruch 10 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Permanentmagnet (8') und Kern-Polfläche ein nichtmagnetisierbares Distanzstück angeordnet ist.