Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Hubmagneten nach den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Solche Gleichstrom-Hubmagneten sind z. B. aus DE-OS 14 64 419
bekannt. Der dort beschriebene Gleichstrom-Hubmagnet weist eine
Drehkreuzmechanik auf, um nach einer kurzzeitigen Bestromung der
Erregerspule ein dauerhaftes Schließen bzw. Öffnen von Haupt
kontakten zu bewirken. Hierfür weist der Gleichstrom-Hubmagnet
einen axial innerhalb einer zentralen Öffnung des Gleichstrom-
Hubmagneten bewegbaren Anker auf, welcher eine Buchse mit zusammen
an diese Buchse stirnseitig angebrachten Ansätzen mit gebogenen
Nockenflächen in Richtung Nockenflächen eines gegenüberliegenden
Verriegelungsteils bewegt. Wie aus den dortigen Fig. 5 bis 9
und dazugehörender Funktionsbeschreibung der Verriegelungsein
richtung hervorgeht, wird die mit der Kontaktanordnung fest
stehend verbundene Verriegelungskammer von der erwähnten Buchse
in zwei unterschiedliche axiale Stellungen gebracht. Der
Nockeneingriff der Flächen 39 und 40 führt dabei zu einer Ver
drehung der Verriegelungskammer um 90°, wobei der Anschlag ein
mal hinter einen ausgeschnittenen Teil des Verriegelungsteiles
einklinkt und einmal in einem Schlitz zum Liegen kommt. Befindet
sich der Anschlag in dem Schlitz, kann das Verriegelungsteil
zusammen mit der Kontaktanordnung weiter nach links ausweichen,
wobei die Kontakte geöffnet sind. In der um 90° verdrehten Stel
lung der Verriegelungskammer kommt dagegen der Anschlag hinter
einem ausgeschnittenen Teil des Verriegelungsteil zum Anschlag,
wodurch ein Ausweichen der Verriegelungskammer nach links ver
hindert wird. In dieser Stellung sind die Kontakte geschlossen,
ohne daß es einer weiteren Bestromung der Erregerspule bedarf.
Der Anker dient bei diesen bekannten Gleichstrom-Hubmagneten
lediglich dazu, die sogenannte Verriegelungskammer in zwei un
terschiedliche verrastende Stellungen zu schieben. Problematisch
bei einem solchen Gleichstrom-Hubmagneten ist der Umstand, daß
der Anker nicht in zwei verschiedenen Stellungen mechanisch
festgehalten wird, sondern lediglich dazu dient, die sogenannte
Verriegelungskammer in zwei unterschiedliche verrastende Stel
lungen zu schieben.
Ausgehend von einem solchen Gleichstrom-Hubmagneten liegt die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Gleichstrom-
Hubmagneten anzugeben, der es ermöglicht, den Anker stromlos und
ohne die Verwendung eines Permanentmagneten sowohl in der ersten
als auch in der zweiten Stellung zu fixieren.
Diese Aufgabe wird durch einen Gleichstrom-Hubmagneten mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü
che.
Die Erfindung beruht also im Wesentlichen darauf, im
Gleichstrom-Hubmagneten eine Einrichtung vorzusehen, die es
erlaubt, den Anker abwechselnd in einer ersten Stellung und in
einer zur ersten Stellung axial verschobenen zweiten Stellung
durch eine Federkraft einer Druckfeder keilverzahnt zu halten,
wobei der Anker aus der ersten bzw. zweiten Stellung durch Be
stromung der Spule in die zweite bzw. erste Stellung bewegbar
ist.
Die Keilverzahnung ist hierfür vorteilhafterweise nach Art
einer sogenannten Drehkreuzmechanik, wie diese als solche
bekannt ist, ausgebildet. Hierfür weist die Einrichtung vor
zugsweise einen im Bereich der unteren Öffnung des Spulen
körpers angeordneten Polkern sowie einen Zahnring auf, der
feststehend und verdrehsicher über dem Polkern angeordnet
ist und in Richtung der oberen Öffnung des Spulenkörpers
zeigende Zähne aufweist. Darüber hinaus ist eine Innenver
zahnung vorgesehen, die im Bereich der oberen Öffnung inner
halb des Spulenkörpers mit kurzen und langen Führungen bzw.
Führungszähnen angeordnet ist, wobei diese Führungen bzw.
Führungszähne gegenüber den Zähnen des Zahnrings angeordnet
sind. Schließlich ist weiter ein Ankerzahnring axial fest
stehend und in Umfangsrichtung verdrehbar mit dem Anker
verbunden und zwar mit Zähnen zum Eingreifen in die kurzen
bzw. langen Führungen bzw. Führungszähne der Innenverzah
nung.
Bei axialer Bewegung des Ankers durch Bestromung der Spule
bewegt sich der Anker in Richtung zur unteren Öffnung des
Spulenkörpers und die Zähne des Ankers stoßen letztlich an
den Zähnen des Zahnringes an. Die Zähne des Ankerzahnringes
und des Zahnringes sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß
die entsprechenden Zähne des Ankerzahnringes drehend zum
nächstliegenden langen bzw. kurzen Führungszahn der Innen
verzahnung drehend verschoben werden. Wird daraufhin der
Stromfluß zur Spule unterbrochen, wird mit dieser Anordnung
durch die Federkraft der Druckfeder der Anker wieder in
Richtung der Innenverzahnung gedrückt, wobei die Zähne, je
nachdem, ob diese Zähne zuvor in einer langen oder kurzen
Führung gewesen sind, an der daneben liegenden langen oder
kurzen Führung zum Anschlag gebracht werden und sich daher
drehend in eine durch die Neigung der Führung vorgegebene
Richtung bewegen.
Eine derartige Anordnung bietet den Vorteil, daß sowohl in
der ersten als auch in der zweiten Stellung, d. h. in der
Verriegelungs- als auch in der Entriegelungsstellung, kein
Stromfluß durch die Spule nötig ist. Darüber hinaus ist kein
Permanentmagnet zur Lagefixierung des Ankers in der Hubend
lage erforderlich. Die Spule muß beim erfindungsgemäßen
Gleichstrom-Hubmagneten also nur während den Umschaltphasen,
d. h. dem Vorschub in, Richtung Polkern, bestromt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung bietet daher folgende Vortei
le. Für die verschiedenen Hubwegungen wird nur eine Spannung
ohne Umpolung benötigt und es ist ein einfaches Zeitglied
ausreichend. Darüber hinaus zeichnet sich der erfindungsge
mäße Gleichstrom-Hubmagnet durch ein temperaturstabiles Ver
halten aus, da die Anordnung keinen temperaturempfindlichen
Permanentmagneten erfordert. Im übrigen ist die erfindungs
gemäße Anordnung kostengünstiger als ein Gleichstrom-Hubma
gnet mit Permanentmagnet sowie einer speziell aufwendig ge
stalteten Ansteuerungselektronik für eine Spannungsumpolung.
Erfindungsgemäß kann der Ankerzahnring verdrehsicher oder
verdrehbar mit dem Anker verbunden sein. Wird der Anker
zahnring verdrehsicher mit dem Anker verbunden, so dreht
sich bei der Drehbewegung des Ankerzahnringes der Anker mit.
Eine verdrehbare Lösung, beispielsweise mittels eines ent
sprechenden Gleit-, Wälzlagers oder dergleichen, unterbindet
dagegen, daß sich der Anker bei der Drehbewegung des Anker
zahnringes mitdreht. Während sich die erste Lösung durch
einen einfacheren mechanischen Aufbau auszeichnet, bietet
die zweite Lösung den Vorteil, daß der Ankerzahnring auf
grund der geringeren Masse leichter drehbar ist. Allerdings
erlaubt die erste Lösung gezielte Drehbewegungen kombiniert
mit Längsbewegungen des Ankers bzw. des mit dem Anker ver
bundenen Verriegelungsbolzens.
Es ist hier anzumerken, daß die Form und die Anzahl der
Zähne des Ankerzahnringes die Stufen des Drehwinkelverlaufes
des Ankers bestimmen, wenn dieser sowohl radial als auch
axial mit dem Ankerzahnring festehend verbunden ist. Darüber
hinaus ist durch die Zahnform des Ankerzahnringes ein
Zwangslauf, d. h. eine Rechts- oder Linksdrehung des Ankers,
vorgegeben.
Im übrigen gilt beim erfindungsgemäßen Gleichstrom-Hubmagne
ten, daß die Anzahl und Länge der Führungen bzw. Führungs
zähne der Innenverzahnung die Anzahl der Hubstellungen sowie
die Hubstellung selbst vorgibt. Die Zahnform selbst bestimmt
auch die Rechts- oder Linksdrehung. Insgesamt sind auf die
gewünschte Anzahl der Hübe, die Hubstellungen, die Drehwin
kelstufen sowie die Drehrichtung die Form und Anzahl der
drei Verzahnungen, d. h. Innenverzahnung, Ankerzahnring und
Zahnring, aufeinander abzustimmen.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind
die Zähne des Ankerringes trapez- oder dreieckförmig ausge
bildet, und zwar derart, daß sie vom Ankerzahnring radial
nach außen stehende Stifte bilden. Die Schrägen dieser Stif
te sind dabei den Zähnen der Innenverzahnung sowie den Zäh
nen des Zahnringes angepaßt, um eine Drehbewegung des Anker
zahnringes zu erlauben.
In einer konkreten Ausführung der Erfindung sind die Zähne
des Ankerzahnringes gleichmäßig um den Ankerzahnring ver
teilt. Es hat sich herausgestellt, daß eine Anordnung von
drei oder vier Zähnen ausreichend ist.
Eine besonders einfache und damit kostengünstige Herstellung
des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Hubmagneten ist möglich,
wenn die Innenverzahnung zusammen mit dem Spulenkörper ein
stückig ausgebildet und insbesondere durch ein Spritzgieß
verfahren aus Kunststoff hergestellt ist. Desweiteren hat es
sich als nützlich erwiesen, den Zahnring insbesondere durch
eine Keilnutbefestigung, wie z. B. durch Längsnuten, im Inne
ren des Spulenkörpers gegen Verdrehung zu sichern. Darüber
hinaus kann der Zahnring durch in das Spuleninnere weisende
und am Spulenkörper vorzugsweise einstückig angeformte Vor
sprünge axial gesichert sein.
Ein Ausführungsbei
spiel der Erfindung wird im folgenden
im Zusammenhang mit insgesamt sieben Figuren, die
einen zeitlichen Ablauf der Ankerbewegung und der dazu ge
hörenden Stellungen darstellen, erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Hubmagne
ten in Längs- und Schnittansicht in einer Verriege
lungsstellung bei unbestromter Spule;
Fig. 2 eine Darstellung nach Fig. 1 in einer ersten Zwi
schenstellung;
Fig. 3 eine Darstellung nach Fig. 1 bei maximal möglichem
Ankerhub und bestromter Spule;
Fig. 4 eine Darstellung nach Fig. 1, bei der sich der An
ker in der Entriegelungsstellung befindet;
Fig. 5 eine Darstellung nach Fig. 1 bei bestromter Spule
in einer weiteren Zwischenstellung;
Fig. 6 eine Darstellung nach Fig. 5 bei bestromter Spule
mit maximal möglichem Ankerhub; und
Fig. 7 eine Verriegelungsstellung wie in Fig. 1 bei unbe
stromter Spule.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche
Teile jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä
ßen Gleichstrom-Hubmagneten in Längsschnittdarstellung so
wie Querschnittdarstellung gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 1
ist ein Gehäuse des Gleichstrom-Hubmagneten bezeichnet. In
nerhalb dieses Gehäuses 1 ist ein von einer Spule 5 umgeben
er Spulenkörper 10 vorgesehen, in dem ein Anker 3 axial be
weglich gelagert ist. Im Bereich einer unteren Öffnung 12
des Spulenkörpers 10 ist ein Polkern 2 angeordnet, in dessen
Mitte eine Aussparung für eine axial zum Anker 3 angeordnete
Druckfeder 7 vorgesehen ist. Diese Druckfeder 7 dient dazu,
den Anker 3 in der Darstellung von Fig. 1 axial nach oben
zu drücken. Die Anordnung weist darüber hinaus einen Zahn
ring 9 auf, der feststehend und verdrehsicher über dem Pol
kern 2 angeordnet ist und in Richtung einer oberen. Öffnung
11 des Spulenkörpers 10 weisende Zähne 16 enthält. Zusätz
lich ist eine Innenverzahnung 6 im Bereich der oberen Öff
nung 11 innerhalb des Spulenkörpers 10 vorgesehen, die vor
zugsweise mit dem Spulenkörper 10 einstückig aus Kunststoff
ausgebildet und mit kurzen und langen Führungen bzw. Füh
rungszähnen 13, 14 ausgerüstet ist. Diese Führungen bzw.
Führungszähne 13, 14 zeigen in Richtung der Zähne 16 des
Zahnringes 9 und liegen diesen gegenüber. Zusätzlich ist ein
Ankerzahnring 4 axial feststehend mit dem Anker 3 verbunden.
Der Ankerzahnring 4 weist Zähne 17, vorzugsweise vier radial
nach außen gerichtete dreiecks- oder trapezförmige Stifte,
auf, die in die kurzen bzw. langen Führungen 13, 14 der
Innenverzahnung 6 eingreifen können.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist trotz der auf das untere Ende
des Ankers 3 wirkenden Federkraft der Druckfeder 7 eine Be
wegung des Ankers 3 in axialer Richtung nach oben dadurch
begrenzt, daß der Ankerzahnring 4 an Vorsprüngen 20 in der
oberen Öffnung 11 des Spulenkörpers 10 anschlägt.
Der Anker 3 befindet sich damit in maximal ausgefahrener
Stellung, die hier vereinbarungsgemäß die Verriegelungsstel
lung A ist. Der Anker 3 bzw. ein mit diesem Anker 3 verbun
dener Verriegelungsbolzen (dessen Durchmesser nicht iden
tisch mit dem Ankerdurchmesser sein muß) ragt durch eine
Öffnung 21 einer nicht näher dargestellten Vorrichtung 22,
um diese zu verriegeln. Die Zähne 17 des Ankerzahnringes 4
sitzen bei dieser Verriegelungsstellung A in den langen Füh
rungen bzw. Führungszähnen 14 der Innenverzahnung 6. Wie in
Fig. 1 oben in der Querschnittdarstellung gezeigt, wird in
diesem Ausführungsbeispiel angenommen, daß der Ankerzahnring
4 vier gleichmäßig voneinander beabstandete Zähne 17 auf
weist und die Innenverzahnung 6 mit insgesamt acht abwech
selnd zueinander angeordneten langen und kurzen Führungen
14, 13 versehen ist.
In der Darstellung von Fig. 1 ist zwischen der Oberseite
der Druckfeder 7 und dem unteren Ende des Ankers 3 eine
Scheibe 8 angeordnet, um die Reibung zwischen Druckfeder 7
und Anker 3 bei Ankerdrehung zu reduzieren sowie den Feder
druck gleichmäßig auf das untere Ende des Ankers 3 übertra
gen zu können. Fig. 1 zeigt zusätzlich noch eine axiale
Verriegelungskraft Fa, die durch einen Pfeil dargestellt und
durch die Druckfeder 7 bestimmt ist. Eine maximal zulässige
radiale Verriegelungskraft FR, die radial auf das obere Ende
des Ankers 3 wirkt, ist durch den mechanischen Aufbau des
Gleichstrom-Hubmagneten vorgegeben.
In der Darstellung von Fig. 1 ist die Spule 5 nicht von
Strom durchflossen.
In Fig. 2 befindet sich der Anker 3 bereits in einer Zwi
schenstellung B, da ausgehend von der Verriegelungsstellung
A in Fig. 1 jetzt Strom durch die Spule 5 fließt. Die vier
Außenzähne 17 des Ankerzahnringes 4 bewegen sich zusammen
mit dem Anker 3 in Richtung der Druckfeder 7 und verlassen
damit die langen Führungszähne 14 der Innenverzahnung 6. Wie
in Fig. 2 gezeigt, haben die Führungszähne 17 bereits Be
rührung mit der Verzahnung des Zahnringes 9. Ein Verdrehen
des Ankerzahnringes 4 hat bisher allerdings noch nicht
stattgefunden. Wie aus Fig. 2 deutlich zu ersehen ist, lie
gen die Zähne 17 des Ankerzahnringes 4 mit einem Teil ihrer
unteren Fläche bereits auf einem Teil einer schrägen Fläche
der Zähne 16 des Zahnringes 9 an. Wird die Spule 5 in dieser
Stellung weiter bestromt, gleiten die Zähne 17 des Anker
zahnringes 4 entlang der Schrägen der Zähne 16 des Zahnrin
ges 9, wodurch sowohl eine axiale Bewegung des Ankers 3 als
auch eine drehende Bewegung des Ankerzahnringes 4, im Aus
führungsbeispiel von Fig. 2 nach links, stattfindet.
In Fig. 3 ist bei bestromter Spule 5 eine Stellung C mit
maximal möglichem Ankerhub dargestellt. Durch die Axialkraft
des Gleichstrom-Hubmagneten und der Berührung des Anker
zahnringes 4 mit dem Zahnring 9 hat folglich eine Dreh- und
Axialbewegung des Ankerzahnringes 4 - in diesen Beispielen
nach links - stattgefunden. Je nach Befestigungsart des
Zahnringes 4 mit dem Anker 3 wird der Anker 3 und damit ein
mit diesen möglicherweise verbundener Verriegelungsbolzen
ebenfalls verdreht. Hat der Anker diese Stellung erreicht,
kann die Spule 5 wieder stromlos geschaltet werden. Der An
ker 3 wird sich dann durch die Rückstellkraft der Druckfeder
7 wieder vom Polkern 2 entfernen und sich axial nach oben
bewegen.
In Fig. 4 ist der Anker 3 in der Entriegelungsstellung D
dargestellt. Durch die Axialkraft der Druckfeder 7 und der
Berührung des Ankerzahnringes 4 mit der Innenverzahnung 6
hat bereits eine weitere Dreh- und Axialbewegung des Anker
zahnringes 4 nach links stattgefunden. Die vier Zähne 17 des
Ankerzahnringes 4 sind nun an den vier kurzen Führungen 4
bzw. Führungszähnen der Innenverzahnung 6 und somit in der
Entriegelungsstellung D fixiert. Eine Bestromung der Spule 5
ist anschließend nicht mehr erforderlich.
In Fig. 5 ist angenommen, daß die Spule 5 wieder bestromt
wird und sich folglich der Anker 3 in eine Zwischenstellung
E axial nach unten beginnt zu verschieben. Die vier Zähne 17
des Ankerzahnringes 4 verlassen dabei die vier kurzen Füh
rungen 13 der Innenverzahnung 6 nach unten und berühren zu
nächst wieder die Zähne 16 des Zahnringes 9. Wird die Spule
5 weiter bestromt, findet wieder in der bereits beschrie
benen Weise eine Verdrehung des Ankerzahnringes 4 nach links
statt.
In Fig. 6 ist bei weiter bestromter Spule 5 der maximal
mögliche Ankerhub und damit die Stellung F dargestellt. Eine
Verdrehung des Ankerzahnringes 4 hat stattgefunden. Die Be
stromung der Spule 5 kann abgeschaltet werden.
In Fig. 7 ist die in Fig. 1 bereits erläuterte Ausgangs
stellung bzw. Verriegelungsstellung A wieder erreicht. Bei
abgeschaltetem Spulenstrom und mit der Rückstellkraft der
Druckfeder 7 werden die vier Zähne 17 des Ankerzahnringes 4
wieder in die langen Führungen 14 der Innenverzahnung 6 ein
geführt und dort zum Anschlag gebracht. Die Verriegelungs
stellung A und damit die Ausgangsstellung von Fig. 1 ist
deshalb wieder realisiert. Der gesamte Vorgang kann erneut
wiederholt werden.
Der erfindungsgemäße Gleichstrom-Hubmagnet ist nicht auf die
in den Fig. 1 bis 7 dargestellte Ausführungsform be
schränkt. Es können auch anders zueinander angeordnete Ver
zahnungen sowie andere Zahnformen des Außenzahnringes 4 vor
gesehen werden. Wesentlich ist lediglich, daß durch die ent
sprechende Verzahnung eine sogenannte Drehkreuzmechanik rea
lisiert wird, bei der bei axialer Bewegung des Ankers 3 nach
unten eine Drehung stattfindet, um den Anker 3 beim an
schließenden Bewegen nach oben in einer ersten Stellung zu
fixieren und bei einer weiteren axialen Bewegung nach unten
aus dieser ersten Stellung in Richtung zur zweiten Stellung
zu bringen. Der Stromfluß durch die Spule 5 ist lediglich
für die kurzzeitige einseitig gerichtete axiale Bewegung des
Ankers 3 aus der ersten in die zweite Stellung notwendig.
Die axiale Bewegung in die entgegengesetzte Richtung erfolgt
durch die Federkraft der Druckfeder 7. Fixiert wird der
Anker 3 allein durch eine Keilverzahnung sowie die
Federkraft der Druckfeder 7.