DE3640188C2 - Stellglied - Google Patents
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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)
- 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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