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DE3640188C2 - Stellglied - Google Patents

Stellglied

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DE3640188C2
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DE
Germany
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pole
armature
rotation
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permanent magnet
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/14Pivoting armatures
    • H01F7/145Rotary electromagnets with variable gap

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Stellglied zur Durchführung mechanischer Drehbewegungen.
Für bestimmte Anwendungen z. B. bei der Laserstrahlablenkung, bei Infrarotsuchköpfen, zum Öffnen und Schließen mechanischer oder elektrischer Kontakte, beim Regeln von Durchflußmengen oder auch als Abtastglied bei Infrarot-Nachtsichtanlagen für Hubschrauberpiloten, werden elektromagnetische Stellglieder be­ nötigt, die über einen möglichst großen Winkelbereich einfach zu regeln sind, d. h. mechanische Drehbewegungen durchführen, die eine hohe Dynamik innerhalb eines Winkelbereiches von 50 bis 70° gewährleisten.
Aus der DE-OS 33 15 682 ist ein Winkelstellglied mit einem er­ sten Element bekannt, das mit entgegengesetzten magnetischen Polaritäten magnetisiert ist und mit einem zweiten Element, das mit drei Magnetpoleinrichtungen versehen ist, die um vorbe­ stimmte Winkelabstände voneinander entfernt sind, wobei die beiden Elemente relativ zueinander verdrehbar sind, wenn die Poleinrichtungen geeignet magnetisiert sind.
Zwei der Polanordnungen sind dabei in unterschiedlicher Weise magnetisch erregbar, so daß sie einmal einen Südpol und einmal einen Nordpol bilden, während die dritte Polanordnung immer mit der gleichen Polarität magnetisierbar ist; eine derartige An­ ordnung eignet sich insbesondere als Mikrowellenschalter, d. h. als Schalter, der eine Mikrowellen-Kopplungsanordnung zwischen zwei diskreten Positionen bewegt, in denen jeweils ein entspre­ chender Weg für Mikrowellenenergie angekoppelt wird.
Ferner ist aus der DE-OS 30 05 921 ein monostabiles Drehanker­ system zur Verwendung in elektromagnetischen Antrieben mit ei­ nem zwischen zwei elektromagnetisch erregbaren Polen drehend beweglichem Anker bekannt, wobei der Drehanker aus weichmagne­ tischem Werkstoff mit mindestens einem eingesetzten Permanentma­ gneten versehen ist und der permanentmagnetische Pol unmittel­ bar neben einem weichmagnetischen Pol des Drehankers angeordnet ist.
Die US-PS 45 96 970 beschreibt einen Drehmomentmotor mit einem Motorabschnitt, dessen Rotorwelle mit einem oder mehreren Per­ manentmagneten versehen ist, die von einem Rotorgehäuse umgeben sind. Die Rotoranordnung wird von einer Statoranordnung umge­ ben, welche eine die Rotorachse konzentrisch umgebende Spule aufweist, so daß die Achse der Statorspule im wesentlichen parallel zur Rotorachse verläuft. Die Statoranordnung ist fer­ ner mit Polplatten versehen, die sich ausgehend von Flanschen nach außen erstrecken, um so beim Anlegen eines Stromes an die Statorspule einen querverlaufenden magnetischen Fluß durch den Stator und den Rotor zu erzeugen.
In der GB-PS 11 51 901 wird eine Drehspule vorgeschlagen, wobei in einem zylindrischen Gehäuse, das durch zwei Endklappen ge­ schlossen ist, eine die Längsachse konzentrisch umgebende Spule vorgesehen ist. Ein paar Polstücke sind zwischen der Spule und den Endplatten an sich gegenüberliegenden Stellen vorgesehen, wobei jedes Polstück eine nach innen gewandte, kreisförmige Polfläche aufweist, die Mittelpunkte der beiden Kreise der sich gegenüberliegenden Polflächen jedoch versetzt bezüglich der Längsachse angeordnet sind. An einer drehbar gelagerten Welle sind die Polschuhe befestigt, wobei die Spulenachse identisch mit der Drehachse des Rotors ausgebildet ist; das Volumen der Luftspalte ändert sich bei dieser bekannten Drehspule innerhalb des Arbeitsbereiches.
Die DE-PS 12 83 387 beschreibt einen polarisierten Drehmagneten mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Starterpolpaaren, deren innere Stirnfläche Teilausschnitte eines gemeinsamen Zy­ linders bilden, und von denen eines der Polpaare Steuerspulen trägt, sowie mit einem die äußeren Polflächen verbindenden Rückschlußjoch. Das zweite Polpaar wird von in Richtung der Polachse polarisierten Permanentmagneten mit weichmagnetischen Polstücken gebildet. Der im Schnittpunkt der beiden Polpaarach­ sen drehbar angeordnete Anker besteht aus einem Träger aus nichtmagnetischem Material und zwei an diesem axialsymmetrisch angeordneten, schalenartigen Segmenten aus ferromagnetischem Material, um so eine magnetische Brücke zwischen den permanent­ magnetischen Polen und zwischen den statorseitigen Steuerpolen zu bilden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektromagneti­ sches, über den Winkelbereich von 50 bis 70° einfach zu regeln­ des Stellglied für mechanische Drehbewegungen zu schaffen, das eine besonders hohe Dynamik innerhalb des gesamten Winkelbe­ reichs aufweist, bei besonders einfachem Aufbau und geringem Gewicht.
Erfindungsgemäß weist das elektromagnetische Stellglied zur Lö­ sung dieser Aufgabe die im Patentanspruch angegebenen Merkmale auf.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Stellgliedes wird bei bewegtem Anker der Vorteil erzielt, daß die magnetisch wirksame Fläche, d. h. der Querschnitt des Luftspalts über den gesamten nutzbaren Winkelbereich konstant bleibt. Dabei werden alle zur Verfügung stehenden Luftspalte sowohl bei Linksdrehun­ gen als auch bei Rechtsdrehungen ausgenutzt, so daß sich ein konstantes Drehmoment über den ganzen Winkelbereich ergibt. Das magnetische Grundmoment ändert sich linear mit dem ausgelenkten Winkel, so daß insgesamt der Vorteil einer Konstanz der Regel­ eigenschaften über den ganzen nutzbaren Winkelbereich gewähr­ leistet ist. Durch die Verwendung der vier zur Verfügung ste­ henden Luftspalte wird ferner eine Wirkungsgraderhöhung er­ zielt.
Da bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung keine mechanisch wirkende Rückstellfeder für den Anker erforderlich ist, tritt auch keine Resonanzfrequenz auf; es sind beliebig viele Winkel- Zeitfunktionen im Rahmen der Dynamik realisierbar, bei gleich­ zeitig einfacherem mechanischen Aufbau, da z. B. keine Hohlwelle für eine Torsionsfeder benötigt wird, wodurch auch die Wellenenden auf beiden Seiten des Ankers nutzbar gemacht werden können.
Die Verwendung von Seltenen Erden, z. B. Co-Sm als Magnetmaterial ermöglicht eine hohe Beschleunigungsfähigkeit, da der Magnet bei Beschleunigungsspitzen, d. h. hohen Strömen, nicht entmagnetisiert wird, so daß auch mit sehr hohen Frequen­ zen gearbeitet werden kann.
Das erfindungsgemäße Stellglied eignet sich insbesondere als Höhenscanner für die vertikale Ablenkung des Strahlenganges in einem Wärmebildgerät, wie es in Nachtsichtanlagen gefordert wird. Die Ablenkbewegung besteht dabei aus der Überlagerung der eigentlichen Scan-Bewegung (sägezahnförmige Bewegung) mit einer Nachführbewegung (niederfrequente Bewegung), wobei die Ablen­ kung in beiden Fällen proportional zum vorgegebenen Stellkom­ mando erfolgt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen:
Die Fig. 1 und 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Stellglied in unterschiedlichen Erregungszu­ ständen.
In den Figuren sind mit 1 und 2 die beiden Polstücke eines ma­ gnetischen Kreises bezeichnet, der durch eine elektrische Spule 4 erregt werden kann. Die beiden Polstücke 1 und 2 weisen je­ weils die Form eines konkaven Kreissegments auf und umgeben ei­ nen permanentmagnetischen Anker 3, der die Form eines langge­ streckten an zwei sich gegenüberliegenden Seiten abgeflachten Rundstabes aufweist, wobei die beiden runden Seiten den Nordpol N bzw. den Südpol S bilden. Der Anker ist drehbar zwischen dem beiden Polstücken 1 und 2 aufgehängt und besitzt zwei in axia­ ler Verlängerung austretende Wellen, mit denen er z. B. mit ei­ nem Ablenkspiegel gekoppelt werden kann. Der Radius der beiden Halbzylinder der Polstücke 1 und 2 ist dabei geringfügig größer als der Radius des Nordpols und des Südpols des Ankers, wobei die beiden Polstücke 1 und 2 in einem geringen Abstand vonein­ ander angeordnet sind, so daß ein Luftspalt zwischen ihnen und dem Anker 3 entsteht.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Stromrichtung in der elektrischen Spule 4 so gewählt, daß das Polstück 1 den Nordpol und das Polstück 2 den Südpol bildet, wodurch sich der Anker 3 in Richtung des Pfeiles F dreht. Der Grad der Winkelbeschleunigung des Ankers 3 ist dabei eine Funk­ tion der Stromstärke in der Spule 4.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stromrichtung in der elektrischen Spule 4 umgekehrt gewählt, so daß das Polstück 1 den Südpol und das Polstück 2 den Nordpol bildet, wodurch sich der Anker 3 in entgegengesetzter Richtung in Richtung des Pfeiles F′ dreht.
Innerhalb des vorgegebenen Drehbereiches, d. h. eines Winkelbe­ reiches von ca. bis 70° für den Anker 3 zwischen den beiden Ma­ ximalstellungen in der Spule 4, bleibt die Fläche 5 des wirksa­ men Luftspalts 5 konstant. Durch die vollständige Ausnutzung aller zur Verfügung stehenden Luftspalte 5 bei der Verdrehung des Ankers 3 in Links- bzw. Rechtsrichtung erhält man ein kon­ stantes spezifisches Drehmoment über den gesamten Winkelbe­ reich, wobei sich das magnetische Grundmoment linear mit dem ausgelenkten Winkel ändert.
Der Anker 3 weist vorteilhafterweise Seltene Erden, z. B. Co-Sm als Magnetmaterial auf, so daß hohe Frequenzen für die Verdre­ hung des Ankers 3 einsetzbar sind.
Wie man sieht, ist das erfindungsgemäße elektromagnetische Stellglied von besonders einfachem Aufbau, wodurch z. B. in sei­ nem Einsatz in einem Infrarot-Sichtgerät für Nachtfluggeräte von Hubschraubern eine Raum- und Kostenersparnis von 60 bis 70% gegenüber herkömmlichen Stellgliedern erzielt werden kann. Es weist eine besonders hohe Dynamik über einen großen Winkelbe­ reich und eine gute Reproduzierbarkeit der mechanischen Bewe­ gungen in diesem Winkelbereich auf, ohne daß eine Torsionsfeder für die Rückstellung benötigt wird.

Claims (1)

  1. Elektromagnetisches Stellglied zur Durchführung mechanischer Drehbewegungen bestehend aus
    einem mit einer elektrischen Spule (4) versehenen magnetischen Kreis, der zwei sich gegenüberliegende konkave Polstücke (1, 2) aufweist,
    • a) zwischen denen ein drehbar gelagerter permanentmagne­ tischer Anker (3) angeordnet ist,
    • b) dessen Drehachse unter einem Winkel von 90° zum elektro­ magnetischen Fluß im Bereich des Permanentmagneten ange­ ordnet ist, und dessen Magnetisierungsrichtung in Null­ stellung unter einem Winkel von 90° zum elektromagneti­ schen Fluß im Bereich des Permanentmagneten und zu seiner Drehachse angeordnet ist,
    • c) der die Form eines langgestreckten Rundstabes aufweist,
    • d) und an zwei sich gegenüberliegenden Seiten abgeflacht ist,
    • e) wobei die beiden runden Seiten den Nord- bzw. den Südpol bilden,
    • f) und der Anker an mindestens einem seiner Enden mit einer axial angeordneten Welle versehen ist,
    • g) wobei bei Verdrehung aus der Nullstellung um einen Winkel bis zu 35° in jeder Richtung das Volumen eines jeden Luft­ spaltes (5) konstant bleibt, so daß das Drehmoment des Ankers über den Verdrehbereich ± 35° aus der Nullstellung im wesentlichen konstant ist.
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