DE3338626A1

DE3338626A1 - Elektromagnetisch betriebener wandler

Info

Publication number: DE3338626A1
Application number: DE19833338626
Authority: DE
Inventors: Reiner DDR 6500 Gera Martin; Max DDR 6502 Gera-Lusan Mühlig; Dieter DDR 6501 Linda Naundorf; Klaus Dr. Nitsche; Rüdiger DDR 6502 Gera-Lusan Salomon
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1982-12-31
Filing date: 1983-10-25
Publication date: 1984-07-12
Also published as: GB2133225A; GB8334597D0; DD213265A1

Description

Elektromagnetisch betriebener Wandler

Die erfindungsgemäße technische Lösung ist als Wandlerelement in Druck- bzw, Kraftübertragungsmitteln (Hub- und Zugmagnet, Arbeitszylinder u. ä.) bzw. kombiniert mit Verschlußgliedern und zyklisch erfolgender Ansteuerung auch als Vibrator oder als elektromagnetisch betriebene Pumpe für kleine Fördermengen vielseitig und dabei insbesondere dort einsetzbar, wo es wenig mechanisch bewegte und untereinander gekoppelte Teile und ein niedriger Geräuschpegel gefordert werden.

Außer solchen Vorrichtungen wie Zugmagnet, Hubmagnet, Schwingankermotoren und elektromagnetischen Pumpen ist es bekannt, Vorrichtungen zur Umwandlung von Schwankungen des elektrischen Stromes in Kraft- bzw. Lage- und Formveränderungen unter der Ausnutzung der piezoelektrischen Eigenschaften von Kristallen (DE 23 54 249, DE 30 07 001) und der magnetostriktiven Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen (DE 21 63 667) zu realisieren» Da hierbei in beiden Fällen eine Form- und Volumenänderung erfolgt, sind die damit erreichbaren Kraftwirkungen sehr klein* Größere Volumenänderungen und demzufolge Kraftwirkungen erfordern deshalb dementsprechend große Ausgangsmengen an Werkstoffen. Schwingankerffioioren und elektromagnetische Pumpen sind in den Schriften DE 16 53 563, DE 21 06 055, DD 143

* Μ.

und DD 151 207 dargestellt. Das Grundprinzip ist dabei in fast allen Fällen gleich·

Ein Elektromagnet und ein Kern bilden eine Magnetanordnung, wobei der Kern bei Stromfluß durch das Magnetfeld bewegt wird, vorzugsweise in die Spule hinein· Die Rückwärtsbewegung des Kerns erfolgt dabei durch die Zugkraft einer Feder (DE 16 53 563, DD 143 650, DE 21 06 055). Durch den sich bewegenden Kern erfolgt in einer sich anschließenden mit Ventilen ausgerüsteten Kammer eine Druckänderung, die als Pumpwirkung an diesen Ventilen auftritt (DE 16 53 563)· In der DE-Gebrauchsmusterschrift 74 30 028 ist der Kern als Stößel ausgebildet, der in etwa die Form des Pumpenraumes aufweist. Die stoßartig erfolgende Belastung der Membran führt zu einer sehr starken Deformierung und demzufolge zur frühzeitigen Zerstörung derselben.

Eine in der Patentschrift DE 807 058 beschriebene Wasserpumpe arbeitet mit einem sehr starken Elektromagneten, was einen massiven Ankeraufbau erfordert· Auf die Metallmembran wirken deshalb äußerst hohe mechanische Belastungen« Für eine solche Pumpe sind deshalb frühzeitige Rißbildungen und Ermüdungserscheinungen charakteristisch. Die dargestellten Möglichkeiten der Umwandlung von Schwankungen des elektrischen Stromes in mechanische Kraftwirkungen beruhen darauf, daß ein massiver Kern aus magnetischem Material durch das sich auf- bzw. abbauende Magnetfeld einer Spule bewegt wird. Trotz spezieller Führungen kann es dabei zum Verklemmen bzw. Verkanten des Kerns in der Spule kommen.

Zum Abschließen des Pumpenraumes werden Membranen genutzt, wobei durch ihre elastische Deformierung jeweils die Druck- bzw. Kraftübertragung erfolgt. Trotzdem der Anker in seiner Form entsprechend den Abmessungen des Pumpraumes und der Membran gestaltet ist, erfolgt dabei immer eine starke stoßartige und vor allem ungleichmäßige Belastung der Membran. Desweiteren wird nicht

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die gesamte Membranfläche zur Kraftübertragung ausgenutzt» Aus diesen Gründen treten die o. g. Ausfälle an Membranen auf* Desweiteren ist die Bewegung eines massiven Körpers ständig von einem hohen Geräuschpegel begleitet.

Der Nachteil der Anordnungen Spule mit beweglichen Kern ζ. B. in der Form als Zugmagnet besteht darin, daß die Kraftübertragung nur über die Querschnittsfläche des Kerns, die entsprechend ausgestaltet sein muß, erfolgt·

jLo Eine gleichmäßige Kraftübertragung bezogen auf die Membran- bzw. Kernfläche ist auch hier nicht möglich. Das bedeutet weiterhin, daß auf Grund der unterschiedlichen Flächen nur ein Teil der Kraft des magnetischen Feldes auf die Membran bzw. anderen Koppelelemente übertragen wird»

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektromagnetisch betriebenen Wandlers für die Umwandlung der Schwankungen eines elektrischen Stromes in eine mechanische Kraftwirkung mit wenigen störanfälligen Teilen, einen geringen Geräuschpegel und einer gleichmäßigen Kraftübertragung je Flächeneinheit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetisch betriebenen Wandler zu entwickeln, der einen sich den Abmessungen des Spulenkörpers und der zu betatigenden Koppelelemente zur Kraftübertragung selbsttätig anpassenden beweglichen Kern besitzt, der eine weitgehend vollständige Kraftübertragung Spule - Kern ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einem elektromagnetisch betriebenen Wandler, bestehend aus einem Behältnis, das Öffnungen aufweisen kann, aus mindestens zwei dieses Behältnis jeweils umfassenden Spulen, einem magnetisierbarer» Mittel, einer Stromversorgungseinheit, dadurch gelöst, daß das magnetisierbar Mittel ein magnetisches Fluid ist, welches in dem Behältnis

angeordnet ist und dort den Anker für die Spulen darstellt, daß die Spulen mit einem elektronischen Umschalter und dieser mit der Stromversorgtmgseinheit elektrisch gekoppelt sind. Der elektronische Umschalter besitzt einen Eingang für den Anschluß der Stromversorgungseinheit, Ausgänge für den Anschluß der Spulen und Glieder zur zeitlich gesteuerten Verbindung der Stromversorgungseinheit mit den Spulen» Die Stromversorgungseinheit dient dabei zur Versorgung mit elektrischen

±0 Strom bestimmter Form und Art. Das magnetische Fluid ist in dem Behältnis so angeordnet, daß es sich im Bereich der Spulen befindet. Das Behältnis weist Mittel zur Lagefixierung des magnetischen Fluids auf. Das können z, B. elastische Membranen bzw. Dauermagneten sein. Zum Druckausgleich und zur Kraftübertragung kann das Behältnis öffnungen, ausgestaltet z, B. als Ansaugverschlußglied und Verdrängungsverschlußglied, besitzen. Das magnetische Fluid kann im direkten Kontakt bzw, mit Hilfe eines Trennmittels z. B. einer Membran Verbindung ^zu einer Kraftübertragungseinrichtung oder einem Druckmittel haben. Die elastische Membran kann dabei selbst das Druckmittel darstellen.

Der erfindungsgemäße elektromagnetisch betriebene Wandler zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und zuverlässige Funktionsweise aus.

Wesentlich ist dabei, daß die Umwandlung der Schwankungen eines elektrischen Stromes über ein Magnetfeld in mechanische Bewegungsenergie ohne Zuhilfenahme zusätzlicher mechanisch bewegter Teile erfolgt. Als kraftübertragendes Mittel dient eine Flüssigkeit, die eine zu vernachlässigende Reibung aufweist und deren Bewegung keinerlei Geräusche verursacht. Eine der bisher häufigsten Ausfallursachen - die elastische Membrankann dadurch beseitigt werden.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

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In der Darstellung zeigt

Fig. 1 Elektromagnetisch betriebener Wandler in de.r

Ausführung als Membranpumpe

Fig» 2 Detail zu Fig. 1 unter Verzicht einer Membran Fig. 3 Elektromagnetisch betriebener Wandler in der

Ausführung als Zugmagnet

Die Schnittdarstellung in Fig. 1 zeigt ein Behältnis 1, das vorzugsweise einen runden Querschnitt aufweist, ein in ihrem Mittelteil untergebrachtes magnetisches Fluid 2, zwei in diesem Bereich das Behältnis 1 umfassende Spulen 3 und 4_f die jeweils mit dem elektronischen Umschalter 5 und dieser mit der Stromversorgungseinheit 6 elektrisch über Signalverbindungen gekoppelt sind« Die Lage des magnetischen Fluids 2 im Mittelteil des Behältnisses 1 wird durch zwei elastische Membranen 7 begrenzt. Das sich links und rechts vom Mittelteil des Behältnisses fortsetzende Behältnis 1 weist jeweils zwei funktionell miteinander gekoppelte Ansaugverschlußglieder 8 und Verdrängungsverschlußglieder 9 auf.

Fig# 2 zeigt im Detail einen Ausschnitt des Mittelteils des Behältnisses I₁ wobei die Lage des magnetischen Fluids 2 im oben genannten Bereich durch das Magnetfeld eines Ringmagneten 10 begrenzt wird.

Zweckmäßig ist es, wenn das Behältnis 1 eine längliche Form mit kreisförmigem Querschnitt aufweist, wobei der Durchmesser dieses Behältnisses in Abhängigkeit von den Eigenschaften des magnetischen Fluids 2 und der mit den Spulen 3 und 4 erreichbaren Feldstärken ausgewählt wird, Als Material für das Behältnis 1 ist jeder nichtelastische Werkstoff geeignet. Die Spulen 3 und 4 haben die Aufgabe, durch das um sie aufbaubare Magnetfeld das magnetische Fluid 2 im Mittelteil des Behältnisses 1 festzuhalten. Um Lageveränderungen des magnetischen Fluids zu verhindern und zur räumlichen Trennung dieses Fluids von den in den angrenzenden Teilen des

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Behältnisses 1 befindlichen Medien zu erreichen, sind elastisch verformbare Membranen 7 vorgesehen« Das Behältnis 1 wird durch die sich beim Ansaugen bzw. Verdrängen von Medien selbsttätig öffnenden bzw. verschließenden Gliedern abgeschlossen» Die Spulen 3 und werden über den elektronischen Umschalter 5 wechselseitig von der Stromversorgungseinheit 6 mit Energie versorgt. Das sich jeweils um die angeschlossene Spule aufbauende Magnetfeld bewirkt dabei eine symmetrische Anordnung des magnetischen Fluids 2 zur entsprechenden Spule. Dabei wird jeweils auf eine der Membranen 7 ein mechanischer Druck ausgeübt, der zu einer elastischen Vorformung dieser führt. Das bewirkt in den abschließenden Teilen des Behältnisses 1 die Ausbildung eines Unter- bzw. Oberdruckes, der über die Verschlußglieder 8 und 9 abgenommen werden kann» Bei ständig wechselnder Ansteuerung der Spulen kommt es deshalb zu einer über den elektronischen Umschalter 5 zeitlich gesteuerten Bewegung des magnetischen Fluids 2 im Mittelteil des Behältnisses 1.

Di- Ansteuerfrequenz des elektronischen Umschalters 5, die Art der Anschaltung der Spulen und der von der Stromversorgungseinheit 6 bereitgestellte elektrische Strom hängt weitestgehend vom VerwendungszwecK des Wandlers und seinem konstruktiven Aufbau ab. Insbesondere ist ein veränderter Aufbau des Behältnisses 1, seiner Verschlußglieder 8 und 9, ihrer Zahl und Anordnung wie auch der ein Magnetfeld um das Fluid aufbauenden Spulen denkbar. Es kann sich als günstig erweisen, eine andere Zahl von Spulen zur Erzwingung einer Lageveränderung des magnetischen Fluids 2 zu verwenden. Die durch das magnetische Fluid 2 wirksam werdende Kraftwirkung des elektrischen Stromes umgewandelt in eine mechanische Bewegung kann auf die verschiedenste Art und Weise wirksam und abgenommen werden. Diese Funktion ist auch unter V/eglassung der Membranen gewährleistet. Um aber z. B, bei einer Verwendung als

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Vibrationsmotor ein Abreißen bzw« Aufschäumen des Fluids zu verhindern, kann in den abschließenden Teilen des Behältnisses 1 ein in Fig« 3 dargestellter Ringmagnet 10, der das magnetische Fluid 2 jeweils zurückdränjjt, angeordnet sein» Gleichzeitig hält er das Fluid bei vollständig abgeschalteten Spulen' im Mittelteil des Behältnisses 1 zusammen« Gleichzeitig kann dabei auf die Membranen 7, die eine häufige Ausfallursache darstellen verzichtet werden« Die durch das magnetische Fluid 2 übertragene Kraftwirkung kann dabei ohne mechanische Trennwände direkt über Arbeitskolben oder dergleichen abgenommen werden. Auch die Verwendung des magnetischen Fluids als Druckmittel ist denkbar. Die Schnittdarstellung in Fig, 3 zeigt ein Behältnis 1, in deren Mittelteil ein magnetisches Fluid 2 durch eine dieses Teil umschließende Spule 3 gehalten wird. Durch 2 Membranen 7 wird es dabei von den anschließenden Teilen des Behältnisses abgetrennt. Eine der Membranen dient dabei zur Kraftübertragung auf einen Arbeitszylinder 11, Auf die Darstellung der zum Aufbau eines Magnetfeldes durch die Spule 3 notwendigen Funktionsblöcke wurde dabei verzichtet.

Die Funktionsweise ist analog zu den in Fig, I und 2 dargestellten Wandlern, Auch hier wird durch die Spule 3 eine symmetrische Anordnung des magnetischen Fluids 2 im Behältnis 1 bewirkt. Als rücktreibende Kraft bei Fehlen eines Magnetfeldes treten dabei die elastisch verformten Membranen 7 auf. Denkbar ist aber auch ein Verzicht auf die Membranen 7, wobei die rückstellende Kraft durch ein unter Überdruck stehendes Luftpolster erzeugt wird. Diese dargestellte Lösungsvariante ist besonders günstig für einmalig zu erzeugende Kraftwirkungen, wie sie für Hub- und Zugmagneten typisch sind«, Die Kraftübertragung kann hierbei auf die unter« schiedlichste Art und Weise ähnlich den in Fig. 1 und 2 erläuterten Varianten erfolgen.

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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 - Behältnis

2 - magnetisches Fluid

3 - Spule

4 - Spule

5 - elektronischer Umschalter

6 - Stromversorgungseinheit

7 - Membran

8 - Ansaugverschlußglied

9 - Verdrängungsverschlußglied

- Ringmagnet - Arbeitszylinder

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- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

Elektromagnetisch betriebener Wandler bestehend aus einem Behältnis» das öffnungen aufweisen kann, aus
mindestens zwei dieses Behältnis jeweils umfassenden Spulen, einem magnetisierbaren Mittel, einer Stromversorgungseinheit, gekennzeichnet dadurch, daß das magnetisierbar Mittel ein magnetisches Fluid ist,
welches in dem Behältnis angeordnet ist und dort
den Anker für die Spulen darstellt, daß die Spulen
IQ mit einem elektronischen Umschalter und dieser mit
der Stromversorgungseinheit elektrisch gekoppelt
sind. ,
2. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch

1, gekennzeichnet dadurch, daß der elektronische

Umschalter einen Eingang für den Anschluß der Stromversorgungseinheit und Ausgänge für den Anschluß der Spulen hat*
3· Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch

2, gekennzeichnet dadurch, daß der elektronische
Umschalter Glieder zur zeitlich gesteuerten Verbindung der Stromversorgungseinheit mit den Spulen
enthält»

4« Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 1„ gekennzeichnet dadurch, daß die Stromversorgungseinheit eine Stromversorgungsquelle für Strom

spezieller Polarität und Form ist,

5* Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromversorgungseinheit eine Gleichspannungsquelle ist.

6. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromversorgungseinheit eine Wechselspannungsquelle ist.

7. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Behältnis nur im Bereich der Spulen magnetisches Fluid aufweist»

8. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Behältnis Mittel zur Lagefixierung des magnetischen Fluids aufweist*

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9. Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel elastische Membranen sind,

^,Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 8_f gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel Dauermagneten sind,
11, Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch

I, gekennzeichnet dadurch, daß die Öffnungen Verschlußglieder darstellen,

12, Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch

II, gekennzeichnet dadurch, daß die Verschlußglieder Ansaugverschlußglieder und Verdrängungsverschlußglieder darstellen,

13, Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das als Anker ausgebildete magnetische Fluid über Druckmittel mit Kraftübertragungseinrichtungen verbunden ist,

14, Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß das Druckmittel ein gasförmiges, flüssiges oder festes Medium darstellt,

15, Elektromagnetisch betriebener Wandler nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß das Druckmittel eine elastische Membran darstellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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