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Diese Erfindung bezieht sich auf einen polarisierten Magnetantrieb für ein elektromagnetisches
Schalt- element.
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Das US-Patent 4.490701 offenbart einen derartigen Magnetantrieb, bei dem zwei getrennte
Spulen einen Anker betätigen. Die bestehenden beiden Spulen bewegen den Anker bei gleichgerichteter
Polung in die eine oder in die andere Richtung zu der einen oder zur anderen Endlage. Bei einem
Dreipunktbetrieb kann der Anker durch die beiden Spulen auch in die Mittelstellung bewegt werden, wenn
beide Spulen in entgegengesetzter Richtung wirken. Wird die Elektroenergie abgeschaltet, hält ein
Permanentmagnet den Anker in seiner Endlage oder in der Mittelstellung. Wenn der Anker eine
Endlage verläßt, besteht das Risiko, daß er über die Mittelstellung hinaus schwingt und die entgegengesetzte
Endlage erreicht, wo er dann durch den Magneten gehalten wird. Während dieses Risiko in einer
Betriebsart mit einer Ruhestellung in der Mitte nicht besteht, können jedoch unerwünschte
Ankerschwingungen um die Mittelstellung auftreten, wenn der Anker eine der Endlagen verläßt.
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Aus dem US-Patent 3.070.730 ist ein "Magnetspulenantrieb mit drei Stellungen und einer
Verrastung", der aus zwei topfförmigen Magnetelementen und einem nichtmagnetischen Bereich besteht,
in dem sich zwei frei bewegliche Scheiben befindet, die einen substanziellen Luftspalt im Magnetfluß
zwischen der frei beweglichen Scheibe und dem Magnetelement schaffen. Diese frei beweglichen
Scheiben erhöhen das Risiko von unerwünschten Schwingungen des Ankers.
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, solche Nachteile, wie sie in vergleichbaren
Magnet-antrieben der obigen Bauart auftreten, zu vermeiden.
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Diese Erfindung ist darauf gerichtet, einen polarisierten Magnetantrieb als Besonderheit zu
schaffen, bei dem die Mittelstellung besonders stabilisiert ist, unabhängig davon, ob der Antrieb für einen
Betrieb mit drei Stellungen oder für einen Betrieb ausgelegt ist, der lediglich eine feste Mittelstellung
hat.
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Um diesen Zielen gerecht zu werden, besteht der Magnetantrieb dieser Erfindung aus zwei an
einer gemeinsamen Achse angeordneten Spulen, einer Dauermagnetbaugruppe, welche, wenn sie sich in
der mittleren Stellung befindet, weitgehend symmetrisch zur Mittelebene zwischen den beiden Spulen
liegt, einem von den Magnetflüssen der Spulen und der Magnetbaugruppe erregten Anker, der in bezug
auf die Spulen bei Erregung an den Spulen in eine erste Endlage bewegt werden kann, wenn diese
einen Spulenfluß einer Polarität erzeugen, und bei Erregung der Spulen in eine zweite Endlage bewegt
werden kann, wenn die benannten Spulen einen Spulenfluß der entgegengesetzten Polarität erzeugen,
und einem ebenfalls von den Magnetflüssen der Spulen und der Magnetbaugruppe betätigten und bei
Erregung der Spulen entlang der Spulenachse zwischen den beiden Spulen beweglichen
Steuerschieber, wobei der Schieber Anschläge zur Arretierung des Ankers in der Mittelstellung in beiden
Ankerbewegungsrichtungen bildet.
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Wenn das Relais betätigt wird und der Anker in eine der beiden Endlagen bewegt wird, wird der
durch diese Erfindung belegte Steuerschieber in eine solche Stellung gebracht, daß er Anschläge für
den Anker bildet, wenn dieser in seine Mittelposition zurückkehrt.
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Der Steuerschieber ist mit der Magnetbaugruppe verbunden und bildet nunmehr eine Anschlag in
der Mittelposition für den Anker, wenn sich dieser von der entgegengesetzten Endlage zurückbewegt.
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Der Steuerschieber verhindert somit, daß der Anker, wenn er sich von einer der Endlagen zuruck
bewegt, über die Millelposition hinausgelangt und sogar-die entgegengesetzte Endlage erreicht.
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Die bevorzugte Verwirklichung der Erfindung wird jetzt mit Verweis auf die Zeichnungen beschrie
ben, wobei:
Abbildung 1
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ein schematischer Längsschnitt durch den Magnetantrieb entsprechend der
ersten Darstellung ist, die dazu genutzt wird, das Prinzip der Erfindung zu
erklären.
Abbildung 2
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ein detaillierterer schematischer Längsschnitt entlang der Linie II-II der Abbil
dung 3. und 4 durch den Magnetantrieb eines elektromagnetischen
Schaltelements ist, der einer zweiten Darstellung der Erfindung entspricht.
Abbildung 3
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ein Längsschnitt entlang der Linien lV-lV und V-V in Abbildung 2 ist,
Abbildung 4 und 5
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Querschnitte entlang der Linien IV-lV und V-V in Abbildung 2 sind,
Abbildung 6
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eine perspektivische Darstellung,teilweise geschnitten, des Ankers ist, der in
der Darstellung der Abbildungen 2 bis 5 genutzt wird.
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Der in Abbildung 1 dargestellte Magnetantrieb umfaßt zwei Spulen 10,11, die auf die
entsprechenden Spulenkörper 12,13 gewickelt wurden. Die beiden Spulenkörper 12,13 sind an einer gemeinsamen
Achse 9 angeordnet und haben eine in Achse ausgerichtete Bohrung, in der der Anker 14 beweglich
gelagert ist. Der Anker 14 besteht aus zwei Hauptabschnitten 15, 16, die durch die entsprechenden
Spulenkörper 12,13 abgestützt und geführt werden und einem mittleren Abschnitt 17 mit einem
kleineren Durchmesser als die Hauptabschnitt 15, 16. An beiden Enden des Ankers 14 befindet sich ein
Bozen 18, dessen Aufgabe darin besteht, die Ankerbewegung auf ein zubetätigendes Kontaktsystem (in
Abbildung 1 nicht dargestellt) zu übertragen. Rechtwinklig gebogene Polgehäuse 19 und Jochplatten 10
leiten den Magnetfluß an beide Enden und an die Ober- und Unterseite der Spulen 10,11, wie in
Abbildung 1 gezeigt.
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Ein Steuerschieber 21 ist im Zwischenraum zwischen den beiden Spulen 12,13 auf dem mittleren
Abschnitt 17 des Ankers 14 angebracht, welcher durch eine Mittelbohrung 22 des Schiebers
aufgeweitet wird. Der Schieber 21 besteht im wesentlichen aus einer Weichmagnetplatte 23, in die zwei
Permanentmagneten 24
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eingefügt sind. Die Führungselemente 25 aus nichtmagnetischem Werkstoff werden ebenfalls in die
Platte 23 an den beiden Außenseiten im Bereich der Bohrung 22 eingefügt, wobei die
Führungselemente nicht nur dazu dienen, den Schieber 21 beweglich zu lagern und in dem mittleren Abschnitt 17 des
Ankers 14 zu führen, sondern auch Anschläge für die ringförmigen Innenflächen der Hauptabschnitte
15,16 des Ankers zu bilden.
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Abbildung 1 zeigt den Steuerschieber 21 in einer seiner Endlagen, bei der er am linken
Spulenkörper anliegt. Er wird in dieser Stellung durch den mittels der gestrichelten Linien dargestellten
Magnetfluß des Permanentmagneten gehalten. Der Teil des Magnetflusses des Permanentmagneten, der
durch den linken Jochbügel 19 fließt, ist stärker als der durch den rechten Jochbügel 19 fließende
Magnetfluß, weil der rechte Magnetfluß, im Gegensatz zum linken Magnetfluß, zusätzlich den Luftspalt zu
überwinden hat, der sich zwischen der Außenfläche der Weichmagnetplatte 23 und der Jochplatten 20
bildet.
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Wenn die linke Spule 10 so erregt wird, daß ihr Magnetfluß die gleiche Richtung wie der
Magnetfluß des Permanentmagneten in der linken Seite des Hauptabschnitts 15 des Ankers 14 hat, wird der
Anker nach links bewegt, bis der linke Endlage des Ankers an die in Achsnähe gelegenen Teile des
linken Jochs 19 anstößt. Die Kraft, die den Anker 14 antreibt, kann dadurch erhöht werden, indem
gleichzeitig die rechte Spule 11 so erregt wird, daß ihr Magnetfluß die gleiche Richtung wie der
Magnetfluß der linken Spule 10 hat und somit dem Magnetfluß des Permanentmagneten im Haupta\>
schnitt 16 des Ankers 14 entgegenwirkt. Mit dieser Erregung wird der Steuerschieber 21 in der in
Abbildung 1 gezeigten Position gehalten.
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In der Auslegung des Schaltelements mit drei stabilen Schaltzuständen sind die Federn (in der
Abbildung 2 durch die Zahl 36 gekennzeichnet, aber in der Abbildung 1 nicht dargestellt), die den Anker
14 eine Vorspannung zu seiner Mittelpostition geben, so ausgelegt, daß ihre Rückstellkraft geringer ist
als die in jeder der Endlagen generierten Haltekraft. Andererseits ist die durch die Federn ausgebrachte
Rückstellkraft in einem Schaltelement mit einer monostabilen Mittelstellung größer als die durch die
Permanentmagneten erzeugte Haltekraft.
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In der Bauart mit drei stabilen Lagen hält die Kraft des Permanentmagneten, wenn die Spulen in
den oben beschriebenen Bedingungen stromlos geschaltet wird und sich der Anker in der linken Endla
ge befindet, den Anker 14 in dieser Endlage. Um den Anker in die mittlere Stellung zurückzubringen,
werden die beiden Spulen 10,11 über einen gewünschten Zeitraum hinweg erregt, und zwar in jeweils
entgegengesetzter Richtung, so daß ihre Magnetflüsse denen des Permanentmagneten entgegenwir
ken. Die Magnetkraft, die den Anker 14 in der linken Endlage gehalten hat, wird dadurch in einem sol
chen Maße herabgesetzt, daß die Rückstellfedern den Anker nunmehr in seine mittlere Stellung druk
ken.
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In Anbetracht der kinetischen Energie des sich bewegenden Ankers 14 undloder der Tatsache, daß
wirkenden Unterbrecherkräfte in der mittleren Stellung wegen der stoßweisen Erregung der beiden
Spulen in entgegengesetzter Richtung, besteht bei konventionellen Schaltelementen ohne Steuerschie
ber das Risiko, daß der Anker über die mittlere Stellung hinaus schwingt und sogar die entgegengesetz
te Endlage erreichen kann, wo er dann durch die Kraft des Permanentmagenten festgehalten wird, die
dann beim Abschalten der Elektroenergie erneut wirksam ist. Dieses Risiko wird durch den Steuer
schieber der Erfindung vermieden, der sich im vorliegenden Fall noch in seiner in der Abbildung 1
gezeigten linken Endlage befindet, um einen Anschlag für den linken Ankerabschnitt 15 zu bilden. Die
Erregung der beiden Spulen 10,11 in einander entgegengesetzten Richtungen verursacht keine Verän
derung in der Lage des Steuerschiebers 21, weil die oben erläuterte Asymmetrie der Luftspalte in
bezug auf den rechten und linken Magnetflußgrößen aufrechterhalten wird.
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Wenn der Anker 14 in seine rechte Endstellung in Abbildung 1 bewegt wird, wird die rechte Spule
11 erregt, so daß ihr Magnetfluß die gleiche Richtung wie der Magnetfluß des Permanentmagneten in
dem rechten Hauptabschnitt 16 des Ankers hat. Der Anker 14 und der Schieber 21 werden somit nach
rechts bewegt. Die Kraft, die diese Bewegung bewirkt, kann durch die Erregung der linken Spule 10 in
gleicher Richtung erhöht werden. Der Schieber 21 ist jetzt in seiner rechten Endstellung entsprechend
der Abbildung 1, in der er durch das Magnetfeld des Permanentmagneten gehalten wird, auch wenn die
Elektroenergie abgeschaltet wird. Der Anker 14 kehrt in die mittlere Position zurück, wenn die beiden
Spulen 10,11 in entgegengesetzter Richtung erregt werden und die Bewegung des Ankers über die
mittlere Stellung hinaus wird durch den Schieber 21 wie oben verhindert.
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Wenn das Schaltelement mit einer mittleren Ruhestellung konstruiert ist und wenn wiederum die
Bedingung, wie in Abbildung 1 gezeigt, angenommen wird, wird der Anker 14 von der mittleren Stellung
durch die Erregung der Spule 10 auf eine solche Art und Weise, daß ihr Magnetfluß die gleiche
Richtung wie der des Permanentmagneten in dem linken Hauptabschnitt des Ankers hat, zur linken Endlage
bewegt. Wiederum kann die Kraft, die den Anker 14 bewegt durch die Erregung der Spule 11 in
gleicher Richtung wie Spule 10 verstärkt werden, so daß ihr Fluß dem des Permanentmagneten in dem
rechten Hauptabschnitt 16 des Ankers entgegenwirkt. Im Gegensatz zu der Version mit drei stabilen
Schaltzuständen wird der Anker 14 einfach durch die Wirkung sämtlicher Federn (Rückstellfedern und
Kontaktfedern) zurückgeführt, die das Zurücksetzen bewirken, wenn die Erregung abgeschaltet wird.
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In einem konventionellen Schaltgerät ohne Steuerschieber ist es wiederum möglich, daß der Anker
über die mittlere Stellung beim Abschalten der Elektroenergie hinausfährt. Während in diesem Fall kein
Risiko besteht, daß der Anker in der anderen Endlage gehalten wird, können unerwünschte
Schwingungen des Ankers um die mittlere Position auftreten. Der Steuerschieber der Erfindung vermeidet ein
solches Überfahren, wodurch eine bessere Stabilisierung der monostabilen Mittelstellung erreicht wird.
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Der Wechsel des Ankers 14 und des Schiebers 21 in die entgegengesetzte Endlage rechts in
Abbildung 1 erfolgt auf die gleiche Weise wie es oben bei dem Schaltelement mit drei stabilen
Schaltzuständen beschrieben wurde.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich wird, ist der Schieber 21 in bezug auf den
Zwischenraum zwischen den beiden Spulenkörpern 12 uns 13 und in bezug auf die Achslänge des
Mittelabschnitts 17 des Ankers so ausgelegt, daß es dem Anker 14 gestattet wird, sich in die entsprechende
Endstellung zu bewegen und die entgegengesetzte Bewegung des Ankers in der mittleren Stellung
gestoppt wird. In der Darstellung der Abbildung 1, wo die Achslänge des Mittelabschnitts 17 des Ankers
gleich dem Abstand zwischen den beiden Spulenkörpern 12 und 13 ist, erfordert die obige Funktion,
daß die Differenz zwischen dieser Abmessung und der Achslänge des Schiebers 21 gleich oder größer
als der Hub des Ankers 14 von der mittleren Stellung zu einer der Endlagen ist.
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Die Darstellung der Abbildungen 2 bis 5 weicht nicht grundsätzlich von der in Abbildung 1 ab.
Lediglich die Permanentmagneten 24 sind nicht in die Weichmagnetplatte 23 des Schiebers eingelassen,
sondern sind in der Nähe der Jochplatten 20 an der oberen und der unteren Kante der Platte 23
angeordnet, wie es in Abbildung 2 und 4 gezeigt ist. In diesem Fall sind die Magneten 24 vorwiegend nicht in
radialer Richtung des Schiebers 21 magnetisiert, wie in Abbildung 1 dargestellt, sondern sowohl in den
Außenbereichen beider Endlagen wird ein anderer Pol gebildet, um eine gute magnetische Kopplung
zwischen den Magneten 24 und den angrenzenden Endlagen des Polgehäuses 19 zu erreichen.
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Weitere Erläuterungen der Darstellung in den Abbildungen 2 bis 6 werden gegeben, um die
praktische Struktur des Magnetantriebs für ein elektromagnetisches Schaltgerät zu erläutern, insbesondere
die in bezug auf die Konstruktion der Lager des Ankers 14 und des Schiebers 21.
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Wie besonders aus der Abbildung 2 und 4 ersichtlich wird, sind die beiden Spulenkörper 12,13
durch Steckverbinder miteinander verbunden, wobei jeder Spulenkörper 12,13 zwei Sockel 26 und zwei
Bolzen 27, die gegenuber dem entsprechenden anderen Spulenkörper an den Endlagen gebildet
werden, um in die Sockel und Bolzen des letzteren einzugreifen. Die zylindrische Außenfläche des Sockels
26 erstreckt sich über vier entsprechende Bohrungen 28 in der rechtwinkligen weich magnetischen
Platte 23, die dadurch als Gleitlager und Fuhruiig des Schiebers 21 dient. Im Gegensatz zur Abbildung
1 wird der Schieber 21 der Darstellung in Abbildung 2 bis 6 somit durch die Spulenkörperbaugruppe
12,13 abgestützt und nicht durch den Anker 14.
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Entsprechend der Abbildung 6 ist der Anker 14 ein rotationssymmetisches Teil aus einem
weichmagentischen Werkstoff. Er hat Stege 29 mit rechtwinkligem Querabschnitts, die über die
Außenseite auf den völlig entgegengesetzten Stellen vorstehen. Die Stege werden im Mittelabschnitt des
Ankers 14 unterbrochen, um einen Abstand zu erreichen, der mit der axialen Lange des Mittelabschnitts
17 des Ankers 14 der Abbildung 1 übereinstimmt. Die beiden Abschlußflächen der Stege 29, die
einander gegenuberstehen, bilden die Anschläge fur den Schieber 21.
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Jedes Paar der sich entgegengesetzt gegenüberstehenden Stege 29 wird mit den Bolzen
ausgebildet, der über die entsprechenden Endflächen des Ankers 14 übersteht und durch den Kunststoff des
Ankers 14 umspritzt wird. Jede Umspritzung erfolgt in einer Einfachform und wird verstärkt und
gleichzeitig durch den Eingriff in eine Endbohrung lagebestimmt, mit einer Ringnut im Anker, die im Bereich
der Enden der Stege 29 ausgebildet wird, welche die Anschläge bilden und mit zwei entgegengesetzten
Nuten in Axialrichtung auf der äußeren Oberfläche des Ankers 14 ausgestattet.
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Wie aus Abbildung 2 und 3 ersichtlich ist, stoßen die äußeren Enden der Bolzen 18 gegen die
unteren Ende 30 von zweiarmigen Hebeln 31, die jeweils auf einem ins Gehäuse 32 des Schaltgeräts
eingelassenen Stift für eine Drehbewegung befestigt sind. Die oberen Ende 34 der Hebel 31 betätigen
einen Kontaktschieber der Kontaktbaugruppe 35, die in Abbildung 3 lediglich als Umrißlinie dargestellt
ist. In der Regel werden bewegliche Kontakte auf dem Kontaktschieber befestigt, wobei jeder
bewegliche Kontakt mit einem Paar feststehender Kontakte zusammenwirken und einen Umschaltkontakt
bilden. Gemäß Abbildung 2 sind zwei Blaftfedern 36 in Vertiefungen des Gehäuses 32 eingelegt und
drücken mir dem nach innen gebogenen Mittelteil jeder Blattfeder 36 gegen die Außenseite des unteren
Endes 30 des entsprechenden Hebels 31. Die zwei Blattfedem 36 sind gegeneinander so gespannt,
daß den Anker 14 ins die Mittelstellung drücken, wie es in Abbildung 2 und 3 gezeigt ist.
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Zur Befestigung der Magnetantriebs nach der Darstellung in Abbildung 2 bis 6 wird der Schieber
21, der auf den Weichmagnetplatten 23 mit den Magneten 24 besteht mit seiner Mittelbohrung 22 auf
den Anker 14 geschoben, der mit den Kunststoffumspritzungen 18,19 ausgestattet ist. Zu diesem
Zweck ist die Bohrung 22 mit zwei diametral entgegengesetzten rechteckigen in den Abbildungen 4 und
5 dargestellten Aussparungen 37 versehen, damit die Stege durchgeschoben werden können.
Anschließend werden der Anker 14 und der Schieber 21 um 90º gegeneinander verdreht, so daß die
Stege dann Anschläge für den Schieber 21 bilden. Nach dem Zusammenbau ist der Anker 14 durch den
Eingriff der Stege 29 in die in den Spulen 12,13 vorhandenen Aussparungen gegen Verdrehung
gesichert, wie es in Abbildung 5 dargestellt ist. Der Verdrehsicherung des Steuerschiebers 21 erfolgt durch
die Sockel 26. Somit dienen die Stege 29 nicht nur als Anschläge für den Schieber 21. sondern auch
als Lager und Führung des Ankers 14 in den Spulen 12,13. Da die Stege 29 aus einem
nichtmagnetischen Werkstoff gefertigt werden, wird das "Hängen" des Schiebers 21 durch Magnetkräfte vermieden.
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Abbildung 6, wie auch Abbildung 1, zeigt lediglich den Anker des Schaltelements; die Bewegung
des Ankers wird auf eine Kontaktbaugruppe übertragen wie es in den Darstellungen der Abbildung 2 bis
5 erläutert wird.