DE1125546B - Mikroelektromagnet - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21g 2/01

INTERNATIONALE KL.

HOId; h

U 3072 Vmc/21g

ANMELDETAG: 18. NOVEMBER 1954

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 15. MÄRZ 1962

Die Erfindung befaßt sich mit dem neuzeitlichen Problem der Schaffung von Mikroelektromagneten, wie sie für Flugzeuge, Unterseeboote, Weltraumerkundungsgeschosse und ähnliche Zwecke erforderlich sind.

Bekanntlich muß ein Mikroelektromagnet für eine Verwendung dieser Art einerseits ein Minimum sowohl an Abmessung und Gewicht als auch an Energiebedarf und Ankerbewegungsreibung und anderseits ein Maximum an Ansprechempfindlichkeit und Betriebssicherheit sowie an mechanischer Widerstandsfähigkeit, Kraftflußausnutzung und baulicher Einfachheit aufweisen.

Um allen diesen einander teilweise widersprechenden Forderungen zu entsprechen, genügt es nicht, die üblichen Ausführungen von Elektromagneten gebräuchlicher Größe lediglich zu verkleinern, da die magnetischen Verluste, die bei normalen Elektromagnetabmessungen durchaus vernachlässigbar sind, auf Grund der gewünschten außerordentlich weitgehenden Verkleinerung — z. B. auf eine Spulenlänge von 12 mm und einen Spulendurchmesser von 6 mm sowie auf eine Leistung von 2 Milliwatt und eine Ansprechzeit von 2 Millisekunden — sich außerordentlich störend bemerkbar und die Verwirklichung eines befriedigend arbeitenden Mikroelektromagneten unmöglich machen; das gleiche gilt z. B. auch für die zur Entlastung der Ankerachse übliche gleich lange Ausbildung der Ankerarme.

Nach der Erfindung wird ein Mikroelektromagnet, der diese Forderungen einwandfrei erfüllt, unter Verwendung eines als doppelarmiger Schwenkhebel ausgebildeten, im Schwerpunkt gelagerten kurzen Ankers mit zur Mittelachse der Erregerspule senkrechter und seitlich gelegener Drehachse und eines bis auf die Luftspalte an den beiden Ankerseitenflächen geschlossenen, auf die zwei Hebelarme des Ankers im gleichen Ankerdrehsinn wirkenden festen Magnetsystems durch die Kombination folgender Merkmale geschaffen:

a) Der Anker erstreckt sich mit seinen beiden eine Gerade oder einen Winkel darstellenden Hebelarmen quer zur Achse der Erregerspule mit etwa von dieser Achse bis höchstens an den Rand der Spule reichender Gesamtlänge und ist in beiden Hebelarmen gleichsinnig vom magnetischen Kraftfluß durchströmt;

b) der wicklungsumschlossene Kern des Magnetsystems bildet am spulennahen freien Ende einen Pol mit konzentrierter Kraftwirkung (Hauptpol), der auf den ihm zunächst liegenden Ankerarm einwirkt, und geht am anderen Ende in min-Mikroelektromagnet

Anmelder:
Pierre Eugene Ugon, Sceaux (Frankreich)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dipl. oec. publ. D. Lewinski, Patentanwalt, München-Pasing, Agnes-Bernauer-Str. 202

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 25. Januar 1954 (Nr. 662 153)

Pierre Eugene Ugon, Sceaux (Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden

destens einen relativ zum Spulendurchmesser schmalen, unmittelbar an der Wicklung außen entlanglaufenden und gegenüber dem anderen Ankerarm auf dessen von der Spule abgewendeter Seitenfläche als Gegenpol endenden Schenkel über;

c) der Hauptpol vom Kern und der Gegenpol des Magnetsystems sind im Verhältnis zum Anker so gestaltet, daß ihre Anziehungswirkungen auf die mit je einem engen Luftspalt ihnen gegenüberliegenden Ankerenden trotz Ungleichheit der wirksamen Polschuhflächen des Kerns bzw. des Schenkels praktisch einander gleich sind.

Dadurch, daß infolge der erfindungsgemäßen Kombination der Anker nicht nur möglichst kurz und mit gleich langen Armen ausgeführt, sondern auch möglichst nahe dem Hauptpol am einen Kernende und ohne Überschreitung des Spulenrandes bei durchweg gleichsinniger Kraftflußdurchquerung angeordnet ist und außerdem magnetische Streuverluste in einem für Mikroelektromagnete schädlichen Ausmaß durch eine besondere Ausgestaltung des Magnetsystems vermieden sind sowie weiterhin eine praktisch ausreichende und dauernde Gleichheit der Anziehungswirkungen der beiden Pole durch entsprechende PoI-

flächenbemessung bei engen Luftspalten gewährleistet ist, wird ein Mikroelektromagnet erhalten, der die für diese Elektromagnetgattung verlangten Eigen-

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schäften in hohem Maße besitzt und beispielsweise einen kurzen und leichten Anker von 8 mm Gesamtlänge und 0,06 g Gewicht und eine Spule von 12 mm Länge und 6 mm Durchmesser sowie als Ganzes eine Höhe von 20 mm und ein Gewicht von 4 g aufweist und mit einem Leistungsbedarf von 2 Milliwatt und mit einem Widerstand von 5 · 10¹⁴ Ohm arbeitet und dabei erschütterungs- und stoßfrei und von einfacher Bauart ist.

Erfindungsgemäß kann dieser Mikroelektromagnet mit einem oder mehreren unmittelbar an dem einen Arm des zweischenkeligen schwenkbaren Ankers befestigten Kontakten dadurch in vorteilhafter Weise zu einem Relais ausgebildet sein, daß ruhende, in der Bewegungsbahn des oder der Ankerkontakte liegende Kontakte außerhalb oder innerhalb des feststehenden, über dem Anker geschlossenen Magnetsystems angeordnet sind und der oder die am Anker sitzenden Kontakte durch einen Spalt des Magnetsystems nach außen ragen bzw. sich im Innern des Magnetsystems befinden.

Eine in sich vollkommen geschlossene Ausführung des Mikroelektromagneten nach der Erfindung ergibt sich dadurch, daß das feststehende Magnetsystem zusammen mit dem Anker und den Kontakten mittels seines oder seiner Schenkel auf einer von den Anschlußleitungen für die Kontakte und Erregerspule durchsetzten Isolierstoffplatte aufruht und an ihr befestigt ist, die ihrerseits auf einem zu ihr parallelen, ebenfalls aus Isolierstoff bestehenden Sockel abgestützt ist, den eine der Leiterzahl entsprechende Zahl von Steckerstiften durchsetzt und mit dem eine die Gesamtheit von Magnetsystem, Anker, Kontakten und Isolierstoffplatte umschließende Kappe hermetisch verbunden ist.

Die Zeichnung veranschaulicht den Mikroelektromagneten nach der Erfindung beispielsweise in mehreren Ausführungsformen.

Fig. 1 zeigt im Achsschnitt den prinzipiellen Aufbau des ruhenden Magnetsystems mit zwischen dem Haupt- und dem Gegenpol vorgesehenen beweglichen Anker und

Fig. 2 weicht von Fig. 1 nur in der Gestaltung des Gegenpols ab;

Fig. 3 und 4 geben teils in vollen und teils in unterbrochenen Linien im Längsschnitt ein mit einem Anker von winkelförmigem Querschnitt zusammenarbeitendes feststehendes Magnetsystem in der den Anker oben bzw. in der den Anker unten aufweisenden Stellung wieder;

Fig. 5 und 6 lassen den im Querschnitt gewinkelten Anker in Einzeldarstellung in zwei verschiedenen Gestaltungen erkennen, und

Fig. 7, 8 und 9 zeigen schaubildlich das Lager für einen abgewinkelten schwenkbaren Anker in drei Ausführungen;

Fig. 10 bis 12 veranschaulichen in Teilschnitten die Weiterbildung des Mikroelektromagneten nach der Erfindung zu einem Relais mit einem von dem Anker ausgehenden beweglichen Kontakt und mit außerhalb bzw. innerhalb des feststehenden Magnetsystems angeordneten ruhenden Kontakten;

Fig. 13 gibt in einem vollständigen Längsschnitt ein Relais wieder, das nach Fig. 4 und 11 ausgebildet und durch eine hermetisch abgeschlossene Hülle abgedichtet ist.

Bei dem Mikroelektromagneten nach Fig. 1 setzt sich das feststehende Magnetsystem aus einem mittleren Kern 1 und aus zwei von dem einen Kernende abzweigenden und sich über dem anderen Kernende schließenden Schenkeln 2 zusammen, und das freie Ende des Kernes 1 bildet den Hauptpol und ein seitlieh von diesem an dem Verbindungsjoch der Schenkel 2 anliegender Weicheisenkern 5 den Gegenpol. Die Erregerspule 3 umschließt den Kern 1, und entlang ihrer Außenfläche verlaufen die Schenkel 2. In dem Raum zwischen Haupt- und Gegenpol ist ein

ίο als ebene Platte geformter Anker 4 gelagert, der in der Art eines zweiarmigen Hebels um eine durch seinen Schwerpunkt gehende, zur Mittelachse der Erregerspule 3 senkrechte und seitlich von ihr gelegene Drehachse schwenkbar ist und mit seinem einen Arm dem Hauptpol 1 und mit seinem anderen Arm dem Gegenpol 5 unter Bildung je eines Luftspaltes von sehr geringer Weite gegenüberliegt, so daß er je zur Hälfte unter dem Einfluß je eines der beiden in ihrer Kraftwirkung gleichwertigen Pole 1 und 5 steht. Die Gesamtlänge des Ankers 4 reicht höchstens bis an den Rand der Erregerspule und die beiden Hebelarme des Ankers sind vom magnetischen Kraftfluß gleichsinnig durchströmt.

Das ganze feststehende Magnetsystem 1, 2 kann aus aneinandergepreßten dünnen Eisenblechen aufgebaut sein, die in einer geraden Zahl in dem Kern 1 und in einer halb so großen Zahl in den Schenkeln 2 vorgesehen sind. Das bis auf die Luftspalte den Anker 4 vollständig einschließende Magnetsystem 1,2 übt auf diesen durch seine Pole 1 und 5 zwei ein Drehmoment ergebende Anziehungskräfte aus, und der Hauptpol 1 und der Gegenpol 5 sind im Verhältnis zum Anker 4 so gestaltet, daß ihre Anziehungswirkungen auf die mit je einem engen Luftspalt ihnen gegenüberliegenden Ankerenden trotz Ungleichheit der wirksamen Polschuhflächen des Kerns 1 bzw. der Schenkel 2 einander gleich sind, so daß sie keinerlei merkliche Resultierende an der Drehachse des in Gleichgewichtszustand befindlichen Ankers 4 quer zu dieser hervorrufen können und demnach auch bei kleinster Ausführung des ganzen Elektromagneten ein zuverlässiges und genaues Arbeiten des schwenkbaren Ankers gewährleistet ist.
Wie Fig. 2 zeigt, kann der Gegenpol auch in dem Verbindungsjoch der Schenkel 2 durch dessen Abwinklung5' gegenüber der vom Hauptpol 1 abgekehrten Hälfte des schwenkbaren Ankers 4 ausgebildet sein. Dabei kann in dem Joch ein schmaler Schlitz 6 ausgespart sein, der, ohne praktisch die Bahn der magnetischen Kraftlinien zu unterbrechen, die Erregerspule 3 dadurch als fertiggewickelten Körper auf den Kern 1 aufzuschieben gestattet, daß das Joch beiderseits des Schlitzes 6 auseinandergebogen werden kann, um die Spule 3 zwischen die Schenkel 2 vor Einbau des Ankers 4 einzuführen. Wenn nötig, können dabei auch die beiden Schenkel 2 etwas seitlich nach außen gedrückt werden.

Der Gegenpol kann durch Anbringung der Abwinklung 5' an der geeigneten Stelle des Verbindungsjoches der Schenkel 2 bei dem Elektromagneten nach Fig. 2 und bei dem Magnetsystem gemäß Fig. 1 durch Änderung des Ortes der Befestigung des Weicheisenkörpers 5 an dem Joch genau die mit Bezug auf den Anker 4 gewünschte Länge erhalten, in der die von ihm auf die eine Ankerhälfte ausgeübte Anziehungskraft möglichst gleich und parallel der vom Hauptpol ausgehenden, an der anderen Ankerhälfte angrei-

fenden Kraftwirkung ist und sich auf der einen bzw. der anderen Seite der Ankerdrehachse ein praktisch hinreichendes Drehmoment ergibt.

Bei dem aus Fig. 3 ersichtlichen Mikroelektromagneten weist das feststehende Magnetsystem außer dem von der Erregerspule 3 umschlossenen Kern 1 nur einen von dem einen Kernende abzweigenden und die Spule seitlich umgreifenden, am freien Ende den Gegenpol 5' darstellenden Schenkel 2 auf, der schwenkbare zweiarmige Anker 4 ist im Querschnitt winklig ausgebildet, und in Anpassung an diese Ankerform ist der Hauptpol 1 mit einer entsprechend abgeschrägten Endfläche versehen und das als Gegenpol wirksame Ende 5' des Schenkels 2 parallel zur gegenüberliegenden Ankerhälfte geneigt. Die Ausführung des Magnetsystems mit nur einem vom Kern 1 ausgehenden Schenkel 2 erleichtert das Aufsetzen der Erregerspule 3 als fertiggewickelter Körper auf den Kern 1, und die abgewinkelte Form des Ankers gestattet die Anordnung von sehr engen Luftspalten an den Polen 1 und 5'. Da ein einziger Schenkel 2 zusammen mit dem Kern 1 das Magnetsystem bildet, erhält er, wenn dieses aus Blechen zusammengesetzt wird, die gleiche Blechzahl wie der Kern 1. Wird dagegen das Magnetsystem, wie in Fig. 3 in gestrichelten Linien angedeutet, durch einen weiteren vom Kern 1 abzweigenden Schenkel 2' ergänzt, so ist bei den zwei Schenkeln 2 und 2' nur je die halbe Zahl von Blechen wie beim Kern 1 vorzusehen.

Fig. 4 zeigt die Verbindung eines nach Fig. 3 ausgeführten, an dem Schenkel 2 über den Gegenpol 5' hinaus etwas verlängerten Mikroelektromagneten mit einem Tragsockel 8 aus Isolierstoff, auf dem der Elektromagnet mit seiner Schenkelverlängerung in gegenüber Fig. 3 umgekehrter Stellung aufruht und durch Befestigungsmittel gehalten ist und in dem die an die Erregerspule 3 angeschlossenen Steckerstifte eingebettet sind. Das Magnetsystem kann dabei entweder nur mit einem Schenkel 2 oder auch mit einem zweiten Schenkel 2' ausgestaltet sein.

Fig. 5 und 6 zeigen in gegenüber Fig. 1 bis 4 vergrößertem Maßstab einen im Querschnitt winkelförmigen zweiarmigen Anker für einen Mikroelektromagneten nach der Erfindung in zwei verschiedenen Ausführungen, welche erkennen lassen, daß ein Anker dieser Art in Verbindung mit Polen von verschiedenen Abmessungen und Formen verwendbar ist. Gemäß Fig. 5 liegt der um die Achse 7 schwenkbare abgewinkelte Anker 4 mit seinem einen Arm einem Hauptpol mit zu der Seitenfläche des Kerns 1 des Magnetsystems senkrechter Endfläche gegenüber und ist daher an diesem Arm mit einer zu dieser Polendfläche parallelen Verlängerung versehen, und nach Fig. 6 ist der Hauptpol 1 durch eine abgeschrägte Verbreiterung des Magnetsystemkerns gegeben und der eine Arm des um die Achse 7 drehbaren Ankers 4 parallel zur Polschrägfläche ausgerichtet. Pole der aus Fig. 5 und 6 ersichtlichen Formgebung können sowohl bei einem aus dünnen Blechen wie bei einem nicht aus Blechen zusammengesetzten Kern vorgesehen sein.

Fig. 7 bis 9 lassen die Lagerung der Drehachse 7 eines aus einem winklig gebogenen Blechstück bestehenden Ankers 4 für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Mikroelektromagneten in einem Tragbügel 9 in verschiedenen Ausführungen erkennen, die eine elastische und praktisch reibungs- und stoßfreie Abstützung und Führung der Ankerachse gewährleisten. Gemäß Fig. 7 ist die dünne Schwenkachse 7 eines mit ihr verschweißten, nach unten abgewinkelten Ankers 4 in einem einfachen, rechteckig gebogenen Bügel 9 drehbar, und nach Fig. 8 ist dieser Bügel zur Verringerung seiner Masse durch eingestanzte Nuten ausgespart, während Fig. 9 bei einem nach oben abgewinkelten Anker für dessen Drehachse 7 einen Tragbügel 9 zeigt, der an jedem

ίο Schenkel eine quer zu diesem gerichtete, die Ankerachse haltende Verlängerung und an seinem Mittelteil zwei Verbreiterungslappen aufweist.

Fig. 10 bis 12 zeigen sohematisch die Anwendung eines z. B. in der Art der Fig. 3 ausgeführten Mikroelektromagneten zur Steuerung eines beweglichen Kontaktes 10, der wahlweise an einen festen Arbeitskontakt 11 und einen ebenfalls feststehenden Ruhekontakt 12 anlegbar und unmittelbar an dem einen Arm des zweiarmigen schwenkbaren Ankers 4 befestigt ist. Wie Fig. 10 erkennen läßt, können das ruhende Kontaktpaar 11, 12 außerhalb des Magnetsystems angeordnet sein und der vom Anker 4 ausgehende Kontakt 10 durch einen Spalt des einen Magnetsystemschenkels 2 frei nach außen ragen. Statt dessen können die festen Kontakte 11, 12 auch in dem von den Schenkeln 2 zusammen mit dem Joch oberhalb der Erregerspule umschlossenen Innenraum des Magnetsystems vorgesehen und nach Fig. 11 an durch das Joch oder gemäß Fig. 12 an durch das andere Ende des Magnetsystems hindurchgehende Leiter angeschlossen sein.

Aus Fig. 13 ist die Ausbildung eines Mikroelektromagneten nach Fig. 4 zu einem elektrischen Relais von vorteilhafter Bauart ersichtlich, das sich insbesondere durch seine widerstandsfähige und kräftige sowie hermetisch abgeschlossene und daher für Verwendung in den Tropen geeignete Ausführung auszeichnet. Gemäß Fig. 13 ist das auf der Isolierstoffplatte 8, z. B. aus Steatit, abgestützte, aus dem Kern 1 mit der Erregerspule 3 und aus den Schenkeln 2 bestehende Magnetsystem, in dessen Innenraum der mittels der Drehachse 7 im Bügel 9 gelagerte zweiarmige, einen Kontakt 10 tragende Anker 4 und die beiderseits des beweglichen Kontaktes 10 vorgesehenen ruhenden Kontakte 11 und 12 angeordnet sind, von einer Kappe 17 umschlossen, die hermetisch z. B. durch Verschweißen mit dem Rand 16 eines Sockels 15, z. B. aus Glas, verbunden ist, durch den die zu den Kontakten 10, 11, 12 und der Erregerspule 3 führenden und die Isolierstoffplatte 8 tragenden Leiter hindurchgehen und von dem die mit diesen verbundenen Steckerstifte 11', 12', 14, 14' abstehen. Die Zahl der festen und beweglichen Kontakte und Leiter sowie der Steckerstifte kann je nach dem Verwendungszweck des Mikrorelais und entsprechend der Anzahl der von diesem zu steuernden Stromkreise beliebig gewählt werden.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Mikroelektromagnet mit als doppelarmiger Schwenkhebel ausgebildetem, im Schwerpunkt gelagertem, kurzem Anker und mit zur Mittelachse der Erregerspule senkrechter und seitlich gelegener Ankerdrehachse sowie mit bis auf die Luftspalte an den beiden Ankerseitenflächen geschlossenem, auf die zwei Hebelarme des Ankers

im gleichen Ankerdrehsinn wirkendem festem Magnetsystem, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Der Anker (4) erstreckt sich mit seinen beiden eine Gerade oder einen Winkel darstellenden Hebelarmen quer zur Achse der Erregerspule (3) mit etwa von dieser Achse bis höchstens an den Rand der Spule reichender Gesamtlänge und ist in beiden Hebelarmen gleichsinnig vom magnetischen Kraftfluß durchströmt;

b) der wicklungsumschlossene Kern (1) des Magnetsystems bildet am spulennahen freien Ende einen Pol mit konzentrierter Kraftwirkung (Hauptpol), der auf den ihm zu- ^xs nächst liegenden Ankerarm einwirkt, und geht am anderen Ende in mindestens einen relativ zum Spulendurchmesser schmalen, unmittelbar an der Wicklung (3) außen entlanglaufenden und gegenüber dem anderen Ankerarm auf dessen von der Spule abgewendeter Seitenfläche als Gegenpol (5 oder 5') endenden Schenkel (2, 2') über;

c) der Hauptpol vom Kern (1) und der Gegenpol (5 oder 5') des Magnetsystems sind im Verhältnis zum Anker (4) so gestaltet, daß ihre Anziehungswirkungen auf die mit je einem engen Luftspalt ihnen gegenüberliegenden Ankerenden trotz Ungleiehheit der wirksamen Polschuhflächen des Kerns bzw. des Schenkels praktisch einander gleich sind (Fig. 1, 2, 3 und 4).

2. Mikroelektromagnet nach Anspruch 1 mit einem oder mehreren unmittelbar an dem einen Arm des zweiarmigen schwenkbaren Ankers befestigten Kontakten, dadurch gekennzeichnet, daß ruhende, in der Bewegungsbahn des oder der Ankerkontakte (10) liegende Kontakte (11 und 12) außerhalb oder innerhalb des feststehenden, über dem Anker geschlossenen Magnetsystems (1, 2) angeordnet sind und der oder die am Anker (4) sitzenden Kontakte (10) durch einen Spalt (13) des Magnetsystems (1, 2) nach außen ragen bzw. sich im Innern des Magnetsystems befinden (Fig. 10 bzw. 11).

3. Mikroelektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende Magnetsystem (1, 2) zusammen mit dem Anker (4) und den Kontakten (10 bis 12) mittels seines oder seiner Schenkel (2, 2') auf einer von den Anschlußleitungen für die Kontakte und Erregerspule durchsetzten Isolierstoffplatte (8) aufruht und an ihr befestigt ist, die ihrerseits auf einem zu ihr parallelen, ebenfalls aus Isolierstoff bestehenden Sockel (15) abgestützt ist, den eine der Leiterzahl entsprechende Zahl von Steckerstiften (H', 12', 14, 14') durchsetzt und mit dem eine die Gesamtheit von Magnetsystem, Anker, Kontakten und Isolierstoffplatte umschließende Kappe (17) hermetisch verbunden ist (Fig. 13).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 153 026, 569 541,
428, 871 637;

deutsche Patentanmeldung M10331 VIIIc/21g, 2/02 (bekanntgemacht am 5.11.1953);

französische Patentschriften Nr. 542 963, 949 797; britische Patentschriften Nr. 268 324, 315 447,
428, 607 038, 636689;

USA.-Patentschrift Nr. 2436 354.

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