DE4409889C2 - Drehmagnet, insbesondere Regelmagnet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmagneten, insbesondere Regelma­ gneten, mit wenigstens einer Spule, einem begrenzt drehbeweglichen Anker und einem Stator, der wie auch der Anker Pole aus magnetisch leitendem Werkstoff hat, wobei jeweils Pole des Stators und Pole des Ankers Polpaare bilden, durch einen Arbeitsluftspalt beabstandet sind und je nach Richtung des Spulenstromes und Drehrichtung des An­ kers in größer oder kleiner werdende Überdeckung gelangen.

Bei solchen Drehmagneten (DE 29 03 033 A1, DE 33 15 682 A1) kann der Anker durch eine beispielsweise mit einer Feder erzeugte Kraft in seiner Ausgangsposition gehalten und beim Bestromen der Spule gegen die Wirkung der Feder bis zu einem den größtmöglichen Drehwinkel bestimmenden Anschlag in seine Endposition gedreht werden, so daß zwei vorgegebene Winkelpositionen möglich sind. Wenn man dagegen beliebige Zwischenpositionen anfahren will, kommt ein Winkelsensor mit einer Regelschaltung zur Anwendung, die den Spulenstrom entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Regel­ abweichung, also der Differenz zwischen Soll- und Ist-Winkel, regelt bzw. einstellt. Drehmagnete dieser Art sind Regelmagnete, bei denen man anstrebt, daß das abgegebene Drehmoment möglichst vom jewei­ ligen Drehwinkel des Ankers unabhängig ist und, als Funktion des Spulenstromes betrachtet, eine konstante Steilheit hat. Außerdem soll ein Regelmagnet Drehmomente in beide Richtungen ausüben können.

Zu beachten ist auch, daß vor allem bei kleinen Spulenströmen die Abhängigkeit des erzeugten Drehmomentes vom Strom quadratisch ist, so daß die Forderung nach einer konstanten Steilheit des Dreh­ momentes nicht erfüllbar ist. Ferner ist es oft von Nachteil, daß der Drehmagnet, um ein resultierendes Drehmoment Null zu erzeugen, schon Leistung verbraucht.

Einige dieser Probleme ließen sich lösen, indem man zwei Drehma­ gnetsysteme gegeneinander wirken läßt. Dann kann man auf eine Rückstellfeder oder eine andere Erzeugung eines äußeren Rückstell­ momentes verzichten. Aber die komplizierte Ansteuerung, die je nach gewünschter Richtung des Drehmomentes für eine höhere bzw. nied­ rigere Bestromung der einen oder anderen Spule der Magnetsysteme sorgen muß, würde einen solchen Regelmagneten aufwendig und teuer machen.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebauten und sicher funktionierenden Dreh- und Regelmagneten vorzuschlagen, der ein dem Spulenstrom proportionales Drehmoment erzeugt.

Diese Aufgabe wird bei einem Drehmagneten der eingangs erwähnten Art so gelöst, daß zwei bei Bestromung der Spule in bezug auf die von ihnen erzeugten Drehmomente entgegengesetzt wirkende Magnet­ systeme mit jeweils mindestens einem Polpaar und weiterhin wenig­ stens ein Permanentmagnet vorgesehen sind, derart, daß sich perma­ nentmagnetisch erzeugte Flüsse elektromagnetisch erzeugten Flüssen in den Arbeitsluftspalten des einen Magnetsystems gleichsinnig und im anderen Magnetsystem gegensinnig überlagern und die Pole der Polpaare des einen Magnetsystems in größer werdende und des ande­ ren Magnetsystems in kleiner werdende Überdeckung gelangen.

Weil die Drehmomente beider gegeneinander wirkenden Magnetsyste­ me wenigstens annähernd quadratisch von den Flüssen in den Ar­ beitsluftspalten abhängen, ist das resultierende und am Anker ab­ greifbare Drehmoment linear vom Spulenstrom abhängig und im übrigen von der jeweiligen Winkelposition des Ankers unabhängig. Weiterhin lassen sich Änderungen der Drehrichtung des Ankers einfach durch Änderung der Polarität des Spulenstromes durchführen.

Die aktuellen Winkelpositionen des Ankers werden in bekannter Weise mit einem Winkelsensor erfaßt, wobei der gemessene Wert des Ist-Winkels und der Wert für den vorgegebenen Soll-Winkel in einer Regelschaltung verglichen werden, die bei Regelabweichungen den Spulenstrom so lange nachregelt und gegebenenfalls auch umpolt, bis der Anker in der gewünschten Soll-Winkelposition steht, bei der sich die auf ihn wirkenden Momente gegenseitig aufheben.

Im übrigen ist der Magnet einfach und mit wenigen Bauelementen kostengünstig herzustellen und funktionssicher, zumal bis auf etwaige Lager keine sonstigen Verschleiß oder Alterung unterliegenden Teile, wie etwa Rückstellfedern und dergleichen, erforderlich sind.

Die Pole des Stators und des Ankers haben im wesentlichen gleiche Umfangswinkel, wobei die Pole des Ankers um das Maß eines Um­ fangswinkels zueinander versetzt angeordnet sind, während die mit diesen Ankerpolen zusammenarbeitenden Pole des Stators axial fluch­ ten. Umgekehrt können auch die Pole des Ankers in Axialrichtung gesehen fluchten, während die Ankerpole des einen Magnetsystems zu denen des anderen Magnetsystems um das Maß eines Umfangswinkels relativ zueinander versetzt am Stator angebracht sind.

Zwischen benachbarten segmentförmigen Polen des Stators können zur Erzeugung des permanentmagnetischen Flusses axial polarisierte Permanentmagnete in Form von Ringsegmenten vorgesehen sein, die mit ihren Enden luftspaltfrei an den betreffenden Statorpolen anliegen und mittig zu den ihnen jeweils zugeordneten Ankerpolen angeordnet sind. Dabei sind ein Permanentmagnet dem einen Magnetsystem und ein weiterer Permanentmagnet dem andern Magnetsystem zugeordnet, so daß der von jedem Permanentmagneten erzeugte Fluß bei jedem Magnetsystem über zwei Statorpole, zwei Arbeitsluftspalte und einen Ankerpol verlaufen wird. In diesem Fall braucht auch nur eine ein­ zelne Spule zur Erzeugung des abwechselnd über Stator- und Anker­ pole verlaufenden elektromagnetischen Flusses vorgesehen zu werden.

Andererseits kann auch jedem Magnetsystem eine Spule derart zu­ geordnet werden, daß beide Spulen gleichsinnig vom Strom durch­ flossen werden. Mittig zwischen den Spulen wird ein radial magneti­ sierter Permanentmagnet angeordnet, der mit einem Ende gegen einen zu beiden Magnetsystemen gehörenden Statorpol und mit dem anderen Ende gegen ein die Spulen einschließendes Gehäuse aus magnetisch leitendem Werkstoff luftspaltfrei anliegt. Im übrigen kann der Permanentmagnet ringförmig ausgebildet sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der anliegenden Zeichnung nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hälfte eines Regelmagne­ ten,

Fig. 2 Teile des Regelmagneten nach Fig. 1 in perspektivischer Ansicht,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Hälfte eines anders ausge­ führten Regelmagneten und

Fig. 4 perspektivisch dargestellte Teile des Regelmagneten nach Fig. 3.

Der in Fig. 1 gezeigte Regelmagnet hat einen Anker A und einen Stator S. Auf der nichtmagnetischen Achse 1 des Ankers sind seg­ mentförmige Pole 2, 3 im Winkel zueinander versetzt angeordnet (Fig. 2), wobei dieser Versatz im wesentlichen dem Umfangswinkel dieser Pole und der auch später noch zu beschreibenden Pole des Stators S entsprechen wird, wenn der größtmögliche Verstellwinkel zwischen den Endpositionen des Ankers dem Umfangswinkel der Pole entsprechen soll. Möglich ist es allerdings auch, den Versatzwinkel kleiner oder größer zu wählen.

Eine Spule 4 und weitere Teile des Drehmagneten sind von einem auf der Achse 1 gelagerten Gehäuse aus magnetisch leitendem Werkstoff umgeben, das aus einem Rohrabschnitt 5 und zwei ringförmigen Gehäusedeckeln 6, 7 besteht, gegen die axiale Pole 8, 9 mit jeweils einem ihrer Enden luftspaltfrei anliegen. Ein weiterer Statorpol 10, der axial mit den Polen 8, 9 fluchtet, ist symmetrisch zur Mitte des Drehmagneten angeordnet. Die Pole 2 und 8, 2 und 10, 10 und 3 sowie 3 und 9 bilden Paare von Polen, die sich durch einen Arbeits­ luftspalt L getrennt gegenüberliegen.

Zwischen den jeweils benachbarten Enden der Statorpole 8 - 10 sind axial polarisierte Permanentmagnete 11, 12 in Form von Ringsegmen­ ten vorgesehen, die mit ihren Enden luftspaltfrei an den jeweiligen Statorpolen anliegen und sich mittig ausgerichtet über den ihnen zugeordneten Ankerpolen 2, 3 befinden.

Die beiden von den Permanentmagneten 11, 12 erzeugten Flüsse sind in Fig. 1 strichliert dargestellt und in ihrer Richtung durch Pfeile markiert, während ein durch Bestromung der Spule 4 elektromagne­ tisch erzeugter Fluß in seinem Verlauf durch eine ausgezogene Linie dargestellt und in seiner Richtung ebenfalls mit Pfeilen markiert ist.

Man erkennt, daß sich beide Flüsse in den Luftspalten L zwischen den Polen 10, 2 und 2, 8 gleichsinnig überlagern und in gleiche Richtungen wirken, während sich beide Flüsse in den Luftspalten L zwischen den Polen bzw. Polpaaren 9, 3 und 3, 10 gegensinnig überlagern und in entgegengesetzte Richtungen wirken.

Hieraus ergeben sich zwei in bezug auf die erzeugten Drehmomente entgegengesetzt arbeitende Magnetsysteme. Dabei wirken in dem nach Fig. 1 linken Magnetsystem bei der gezeigten Richtung der Magnet­ flüsse die im Bereich der Pole 2, 8 und 10 erzeugten Drehmomente entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei der elektromagnetisch erzeugte Fluß in beiden zugehörigen Arbeitsluftspalten L durch den vom Per­ manentmagneten 11 erzeugten Fluß im Sinne einer Verstärkung überlagert wird. Dagegen wird beim anderen Magnetsystem der in den beiden hierzu gehörenden Luftspalten L erzeugte elektromagneti­ sche Fluß in seiner Wirkung um den durch den Permanentmagneten 12 erzeugten Fluß reduziert, so daß insgesamt gesehen ein Drehmo­ ment entsteht, das den Anker A entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen sucht bzw. verdreht.

Hierbei werden die Polpaare 2, 8 und 2, 10 weiter in Überdeckung gelangen und die Polpaare 3, 9 und 3, 10 um die gleiche Strecke weiter außer Überdeckung kommen.

Im übrigen ist es klar, daß bei Umkehrung des Spulenstromes bzw. der Richtung des elektromagnetischen Flusses und bei gleichbleiben­ der Polarität der Permanentmagnete 11, 12 ein entgegengesetztes bzw. im Uhrzeigersinn gerichtetes Gesamtmoment an der Achse 1 entstehen wird. Wie auch bereits erwähnt wurde, übernimmt hierbei ein Winkelsensor mit Regelschaltung die Regelung des Spulenstromes in seiner Richtung in Abhängigkeit eines ermittelten Ist-Winkels von einem vorgegeben eingestellten Soll-Winkel für die Winkelposition des Ankers.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform entspricht in wesentlichen Bauteilen dem vorher beschriebenen Drehmagneten, so daß bei den Fig. 3 und 4 zur Vereinfachung gleiche Bezugszeichen für insoweit gleiche bzw. gleich wirkende Bauteile verwendet wurden und auf eine ins einzelne gehende Beschreibung des zweiten Aus­ führungsbeispieles verzichtet werden kann.

Jedem der beiden in bezug auf das abgegebene Drehmoment gegen­ einander gerichtet wirkenden Magnetsysteme ist gemäß Fig. 3 eine Spule 4 so zugeordnet, daß die Spulen gleichsinnig vom Strom durch­ flossen werden. Mittig zwischen beiden Spulen ist ein radial magneti­ sierter Permanentmagnet 13 angeordnet, der mit seinem äußeren Ende gegen den Gehäuseteil 5 und mit seinem inneren Ende gegen den zu beiden Magnetsystemen gehörenden Statorpol 10 möglichst luftspalt­ frei anliegt.

Die jeweils benachbarten Enden der Statorpole 8-10 stehen sich frei auf Abstand gegenüber, wobei die beiden so gebildeten axialen Luft­ spalte größer sein sollen als die radialen Arbeitsluftspalte L, damit der elektromagnetische Fluß und die beiden permanentmagnetischen Flüsse die auch bei dieser Darstellung durch eine ausgezogene Linie bzw. durch strichlierte Linien dargestellten Verläufe einnehmen und die von der hier gewählten Richtung des Spulenstromes abhängigen, durch Pfeile angedeutete Richtungen haben.

Es überlagern sich bei diesem Drehmagneten also der elektromagne­ tisch erzeugte Fluß und ein permanentmagnetisch erzeugter Fluß in den Luftspalten zwischen den Polpaaren 10, 2 und 2, 8 gleichsinnig, während sich der elektromagnetische Fluß und der andere permanent­ magnetische Fluß in den Luftspalten zwischen den Polen 10, 3 und 3, 9 gegensinnig überlagern, so daß das vom nach Fig. 3 links be­ findlichen Magnetsystem erzeugte Drehmoment größer ist als das vom anderen rechts befindlichen Magnetsystem erzeugte Drehmoment und es aufgrund des verbleibenden resultierenden Gesamtmomentes zu einer Verdrehung des Ankers A in Richtung auf seine Soll-Winkelpo­ sition kommt.

Abweichend von den gezeigten und beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sind im Rahmen der Erfindung weitere und andere Lösungen möglich. So kann etwa jedes der beiden Magnetsysteme mit mehr Polen bzw. Polpaaren als dargestellt mit zubehörigen weiteren Perma­ nentmagneten ausgestattet werden. Schließlich könnte die Achse auch stationär und Teil eines Stators sein, während das Drehmoment am dann drehbeweglichen Gehäuse abgenommen wird, wobei für diesen Fall die Spule bzw. Spulen mit der Achse eine bauliche Einheit bilden können.

Claims (7)

1. Drehmagnet, insbesondere Regelmagnet, mit wenigstens einer Spule (4), einem begrenzt drehbeweglichen Anker (A) und einem Stator (S), der wie auch der Anker kreissegmentförmige Pole (8-10, 2, 3) aus magnetisch leitendem Werkstoff hat, wobei jeweils Pole (8-10) des Stators und Pole (2, 3) des Ankers Polpaare bilden, durch einen Arbeitsluftspalt (L) beabstandet sind und je nach Richtung des Spulenstromes und der Drehrichtung des Ankers (A) in größer oder kleiner werdende Über­ deckung gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bei Bestromung der Spule (4) in bezug auf die von ihnen erzeugten Drehmomente entgegengesetzt wirkende Magnetsysteme bestehend aus jeweils mindestens einem Polpaar (2, 8; 2, 10; 3, 10; 3, 9) und weiterhin wenigstens einem Permanentmagnet (11, 12, 13) vorgesehen sind, derart, daß sich permanentmagnetisch erzeugte Flüsse elektromagnetisch erzeugten Flüssen in den Arbeitsluftspalten (L) bei dem einen Magnetsystem gleich­ sinnig und im anderen Magnetsystem gegensinnig überlagern und bei Drehung des Ankers (A) die Pole der Polpaare des einen Magnetsystems in größer werdende und die des anderen Magnetsystems in kleiner werdende Überdeckung gelan­ gen.

2. Drehmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (8-10, 2, 3) im wesentlichen gleiche Umfangswinkel (α) haben und daß die Pole (2, 3) des Ankers (A) um das Maß eines bestimmten Umfangs­ winkels zueinander versetzt angeordnet sind, während die mit diesen Ankerpolen zusammenarbeitenden Pole (8-10) des Stators (S) axial fluchten.

3. Drehmagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten segmentförmigen Polen (8-10) des Stators (S) axial polarisierte Permanentmagnete (11, 12) in Form von Segmenten vorgesehen sind, die mit ihren Enden luftspaltfrei an den betreffen­ den Statorpolen anliegen und axial gesehen mittig zu den ihnen jeweils zugeordneten Ankerpolen (2, 3) angeordnet sind.

4. Drehmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Permanentmagnet (11) einem Magnetsystem und ein weiterer Perma­ nentmagnet (12) dem anderen Magnetsystem zugeordnet ist und daß der von jedem Permanentmagneten erzeugte Fluß bei jedem Magnet­ system über zwei Statorpole (8-10), zwei Arbeitsluftspalte (L) und einen Ankerpol (2, 3) verläuft.

5. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Spule (4) zur Erzeugung des abwechselnd über Stator- und Ankerpole (8-10, 2, 3) verlaufenden elektromagneti­ schen Flusses vorgesehen ist.

6. Drehmagnet nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Magnetsystem eine Spule (4) derart zu­ geordnet ist, daß beide Spulen gleichsinnig vom Strom durchflossen werden, daß mittig zwischen den Spulen ein radial magnetisierter Permanentmagnet (13) angeordnet ist, der mit einem Ende gegen einen zu beiden Magnetsystemen gehörenden Statorpol (10) und mit dem anderen Ende gegen ein die Spulen einschließendes Gehäuse (5, 6, 7) aus magnetisch leitendem Werkstoff luftspaltfrei anliegt.

7. Drehmagnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (13) ringförmig ist.