[0001] Ein derartiger elektromagnetischer Stößelantrieb ist in der deutschen Patentanmeldung
31 14 834.4 (GE 980 048) beschrieben worden.
[0002] Das Prinzip des elektromagnetischen Antriebs, welches auch dem hier vorliegenden
Anmeldungsgegenstand zugrundeliegt, ist in der deutschen Patentanmeldung 29 26 276.8
(GE 979 026) beschrieben.
[0003] Die in der deutschen Patentanmeldung 31 14 834.4 beschriebene Ausführungsform des
elektromagnetischen Stößelantriebes ist durch Jochhälften E-förmigen Querschnitts
gekennzeichnet, wobei die Windungen der die Jochhälften erregenden Spulen im wesentlichen
zwischen den E-Schenkeln verlaufen. Die Spulen sind als Flachspulen ausgeführt, die
jeweils auf den mittleren E-Schenkel einer Jochhälfte aufgesteckt werden können.
[0004] Die Polenden der Jochschenkel und die Ankerstege im Stößel quer zu seiner Antriebsrichtung
mußten bisher eine bestimmte Abmessung (z.B. 10 mm) aufweisen, damit bei Anschlagdruckern
die zum Drucken erforderliche Energie bereitgestellt werden konnte.
[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, aus Gewichts- und Platzgründen, diese Abmessung zu
verringern.
[0006] Diese Aufgabe der Erfindung wird in vorteilhafter Weise durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
[0007] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den
Un-teransprüchen zu entnehmen.
[0008] Ausführungsform der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben.
[0009] Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Explosionszeichnung einer Druckstößeleinheit
mit zwei Paaren jeweils gegenüberliegender Jochhälften, wobei jede Jochhälfte einen
U-förmigen Querschnitt aufweist, die Erregerspule als Flachspule ausgeführt und jeweils
zwei benachbarten Jochhälften gemeinsam ist.
Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Explosionszeichnung einer Druckstößeleinheit
mit einem Joch hälftenpaar, wobei jede Jochhälfte einen kammartigen Querschnitt mit
acht Jochschenkeln aufweist und die Erregerspule derart auf eine Jochhälfte aufsteckbar
ist, daß sie vier Jochschenkel umschließt und zwischen den beiden jeweils äußeren
benachbarten Jochschenkeln keine Windungen verlaufen.
Fig. 3 eine perspektivische vereinfachte Darstellung zum Prinzip des Druckstößelantriebes
gemäß der deutschen Patentanmeldung 29 26 276.8 (GE 979 026).
Fig. 4 eine Explosionszeichnung einer Druckstößeleinheit mit zugehörigen elektromagnetischen
Antriebseinheiten gemäß der deutschen Patentanmeldung (GE 980 048).
Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch die Stegstruktur entlang der Schnittlinie A-A
in Fig. 4.
Fig. 6 einen zungenförmigen Stößel mit einer anderen Ausführungsform der magnetischen
Stege als in Fig. 4 und Fig. 5.
Fig. 7 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares dreischenkliger Jochhälften
mit einem drei Ankerstege umfassenden Stößel,
Fig. 8 eine auszugsweise Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch eine
Magnetjochstruktur gemäß Fig. 7,
Fig. 9 eine auszugsweise Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch ein
Paar dreischenkliger Jochhälften, wobei der mittlere Schenkel zu seiner Polfläche
hin verjüngt ist,
Fig. 10 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares vierschenkliger Jochhälften
mit einem vier Ankerstege umfassenden Stößel,
Fig. 11 eine auszugsweise Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch eine
Magnetjochstruktur gemäß Fig. 10,
Fig. 12 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares vierschenkliger Jochhälften
mit einem verkürzten, drei Ankerstege umfassenden Stößel und-mit einem durch ein Weicheisenstück
überbrückten magnetischen Arbeitsspalt,
Fig. 13 eine auszugsweise Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch eine
Magnetjochstruktur gemäß Fig. 12,
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines um einen Drehpunkt schwenkbaren Druckhammers
mit drei Ankerstegen zur Zusammenarbeit mit einer Elektromagneteinheit gemäß Fig.
12.
[0010] In Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines elektromagnetischen
Druckstößelantriebes gemäß der deutschen Patentanmeldung P 29 26 276.8 gezeigt. Zwischen
zwei fest angeordneten Statorhälften 25, 22 ist eine in Richtung des Pfeiles D bewegliche
Zuge 28 angeordnet. Die Statorhälften 25 und 22 bestehen jeweils aus einem magnetisierbaren
Joch 27 bzw. 24, welches von Spulenwindungen 26 bzw. 23 umfaßt ist. Die Statorjoche
können z.B. halbkreisförmig, halbellipsenförmig oder auch u-förmig ausgebildet sein.
Die Statorjoche 27, 24 in den beiden Statorhälften 25 und 22 sind derart ausgerichtet,
daß die jeweils gegenüberliegenden Jochenden fluchten. Bei Erregung der Spulen 26
und 23 verläuft der magnetische Fluß von einem Joch über einen Arbeitsspalt, in welchem
ein Ankersteg 20 angeordent ist, zum Joch der anderen Statorhälfte und von dort aus
über einen weiteren Arbeitsspalt zu erstgenannten Joch zurück, so daß der magnetische
Kreis aus den beiden Statorjochen und den zwischen den Enden der Statorjoche befindlichen
zwei Arbeitsspalten besteht.
[0011] Im folgenden soll aus Vereinfachungsgründen bei den einander gegenüberliegenden Statorhälften
von eineml Statorpaar (anstelle eines
-Statorhälftenpaares) gesprochen werden.
[0012] Der Stromfluß in den Erregerspulen 26 und 23 erfolgt derart, daß die Stromrichtung
in den Windungen innerhalb der beiden einander gegenüberliegenden Statorjoche die
gleichen und entgegengesetzt zu derjenigen in den Windungen außerhalb der Statorjoche
ist. In Fig. 3 sind im vorderen Teil der Darstellung di Windungen schematisch durch
einige Drahtschleifen angedeutet, während im hinteren Teil eine entsprechende Schnittdarstellung
der Drähte gewählt wurde. Die zwischen den Statorhälften 25 und 22 in Pfeilrichtung
D beweglich angeordnete Zunge 28 ist in Richtung des Arbeitsspaltes ungleich kleiner
ausgedehnt als in ihren anderen beiden Dimensionen. Der Körper der Zunge 28 besteht
aus einem leichten, magnetisch nicht leitenden Material 19 und magnetisch leitenden,
sog. Ankerstegen 20 und 21. Diese Ankerstege sind in der Zunge 28 so angeordnet, daß
sie bei Erregung der Statorhälften aus einer Ruhe-Ausgangs-Lage in den zwischen den
Statorjochen gebildeten Raum hineingezogen und dabei beschleunigt werden. Danach kann
die Zunge einer weiteren Bewegung in Pfeilrichtung D folgen. Die Ausbildung der Ankerstege
20 und 21 ist im wesentlichen so gewählt, daß sie mit ihrem Volumen den zwischen den
Enden gegenüberliegender Statorjoche umschriebenen Raum in etwa ausfüllen würden.
[0013] Die durch die Zunge zurückgelegte Wegstrecke von der Ausgangsstellung bis zur Stellung
nach Abschluß der Beschleunigungsphase (wenn sich der Ankersteg im Arbeitsspalt befindet)
wird als Beschleunigungshub bezeichnet; die Summe aus Beschleunigungshub und der danachfolgenden
weiteren Auslenkung der Zunge in Richtung des Pfeiles D als Arbeitshub. Diese Größe
ist von konstruktiven Randbedingungen abhängig sowie von den zur Lagerung der Zunge
bzw. zur Rückführung der Zunge in seine Ausgangsstellung vorgesehenen Mitteln. Als
solche Mittel können an sich bekannte Rückstellfedern (nicht dargestellt) verwendet
werden: z.B. zwei Blattfedern, wie in der DAS 12 37 816 beschrieben: eine Feder im
Zusammenwirken mit einer Gleitlagerung der Zunge oder eine Rückholfeder im Zusammenwirken
mit einer schwenkbar um eine Achse bewegbaren Zunge. Auch eine elektromagnetisch oder
permanentmagnetisch bedingte Rückführung ist möglich.
[0014] Aus der Darstellung in Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Spulenwindungen um die Basis
der U-förmigen Jochhälften verlaufen. Mit anderen Worten, die Windungen sind innerhalb
und außerhalb des Jochpaares angeordnet. Der Aufwand zur Anbringung solcher Wicklungen
sowie der damit verbundene Raumbedarf sind relativ hoch. Zur Vermeidung dieser Nachteile
macht deshalb der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung insbesondere von einer erfindungsgemäßen
Ausbildung der Jochhälften im Zusammenhang mit der Anbringung der Wicklungen Gebrauch.
[0015] In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß wie in der deutschen Patentanmeldung
30 18 407.7 (GE 980 014) erwähnt, die U-förmigen Jochhälften auch hintereinander angeordnet
sein können, wobei jedoch die Erregerwicklung auch dort wiederum nur deren Basis umfaßt.
[0016] In Fig. 4 ist eine Explosionszeichnung einer Druckstößeleinheit mit zugehörigen elektromagnetischen
Antriebseinheiten dargestellt.
[0017] Der zungenförmige Stößel 5, dessen Grundkörper aus Kunststoff besteht, ist an verschiedenen
Stellen aus Gewichtsgründen mit Bohrungen 31 versehen. Die für die Wirksamkeit des
elektromagnetischen Antriebes erforderlichen Weicheisenstege sind mit 60, 61 und 62
dargestellt. Die elektromagnetischen Antriebseinheiten 2-1-2 und 2-1-3, die beidseits
des Rahmens 2-1 in einander ausgerichteter Form befestigt sind, enthalten jeweils
ein Magnetjoch 41 (51) und eine zugehörige Erregerspule 45 (55). Die Die Magnetjochspulenkombinationen
sind mit 40 und 50 gekennzeichnet. Jede dieser Kombination wird von einem Gehäuse
140, 150 aufgenommen mit einem entsprechenden Steckeranschluß 141, 151 mit den Kontakten
142, 152 für die Erregerspulen 45 und 55. Diese Gehäuse sind mittels nicht dargestellter
Schrauben oder anderer geeigneter Befestigungslöcher sind im Gehäuse 150 mit 32-1
und 33-1 und im Rahmen 2-1 mit 32 und 33 bezeichnet. Die aus Ubersichtsgründen nicht
dargestellten Befestigungselemente sorgen für eine exakte Positionierung der elektromagnetischen
Antriebseinheiten, insbesondere der Arbeitsspalte in Bezug auf die Weicheisenstege
6, 19, 20 in dem zungenförmigen Stößel 5. Wie in Zusammenhang mit der Patentanmeldung
P 29 26 276.8 erwähnt, muß ein magnetisierbarer Steg im nicht erregten Zustand der
Elektromagnete vor einem Arbeitsspalt stehen.
[0018] Im vorliegenden Fall haben die Magnetjoche 41 und 51 einen E-förmigen Querschnitt.
Die gegenüberliegenden E-förmigen Magnetjoche 51 und 41 sind so aufeinander ausgerichtet,
daß durch ihre Schenkelenden 52, 53, 54 und 42, 43, 44 insgesamt 3 Arbeitsspalte gebildet
werden: Der erste Arbeitsspalt liegt zwischen den Schenkelenden 52 und 42, der zweite
zwischen den Schenkelenden 53 und 43 und der dritte zwischen den Schenkelenden 54
und 44. Jedem dieser Arbeitsspalte ist einer der drei magnetisierbaren Stege 62, 61
und 60 zugeordnet. Die Erregerwicklung für jedes Magnetjoch verläuft, wie in Fig.
4 dargestellt, um den mittleren E-Schenkel so, daß die Erregerspule separat als flache
Aufsteckspule für den mittleren E-Schenkel gefertigt werden kann, wobei die parallel
verlaufenden Wicklungsstränge in die durch die E-Schenkel gebildeten Zwischenräume
passen müssen. Diese spezielle Ausgestaltung der Magnetjoch-Erregerspulen ist äußerst
kostengünstig und raumsparend. Die Spulenausdehnung reicht nicht in Richtung senkrecht
zur Stößelebene über das Magnetjoch hinaus. Dieser Umstand ist besonders für eine
hohe Packungsdichte bei geringer magnetischer Wechselwirkung der Druckstößeleinheiten
in Bänken beachtenswert. Außerdem läßt die Flachspule und das E-förmige Magnetjoch
eine einfache und kostengünstige Herstellung der Einzelteile und ein problemloses
Zusammensetzen beider Teile zu. Die Magnetjochspulenkombination 50 wird in eine entsprechende
Aussparung 34 des Gehäuses 150 eingefügt und dort mit dem Gehäuse aus Kunststoff vergossen.
Analoges gilt für die Magnetjochspulenkombination 40 und das Gehäuse 140. Es sei an
dieser Stelle ausdrücklich betont, daß für eine exakte Arbeitsweise des Druckstößelantriebes
insbesondere eine möglichst toleranzfreie Zuordnung der Weicheisenstege im Druckstößel
5 zu den entsprechenden.Arbeitsspalten der Elektromagnete erfolgen soll. Hierdurch
ergeben sich auch Forderungen für ein möglichst problemloses Einfügen der magnetisierbaren
Stege in den Kunststoffgrundkörper des Stößels 5.
[0019] Es kann grundsätzlich davon ausgegangen werden, daß sich diese Stege relativ einfach
in den Kunststoffkörper einfügen und mit ihm vergießen lassen. Problematischer hingegen
ist im wesentlichen eine exakte Anordnung der Stege zueinander. Aus diesem Grunde
sollen die Stege nicht einzeln in den Stößel eingefügt werden, sondern als ein zusammenhängendes
gemeinsames Teil. Für die Struktur eines solchen Teiles gibt es verschiedene Alternativen,
wie z. B. in den Fign. 5 und 6 dargestellt.
[0020] In Fig. 5 ist eine Struktur gezeigt, bei der die magnetisierbaren Stege 60, 61 und
62 durchgehend mit gleichem magnetisierbarem Material dünnnerer Stärke verbunden sind.
So hängen die Stege 60 und 61 über die Verbindung 63 und die Stege 61 und 62 über
die Verbindung 64 zusammen. Solche Verbindungen 63, 64 zwischen den Stegen sind für
eine optimale Wirkungsweise des Antriebs unerwünscht. Es hat sich jedoch herausgestellt,
daß bei entsprechend dünner Stärke dieser Verbindungen deren nachteiliger Einfluß
auf den Wirkungsgrad nur gering ist und daß dieser Einfluß praktisch gesehen ohne
weiteres in Kauf genommen werden kann. Dadurch ist es möglich, die Stegstruktur als
zusammenhängendes Teil herzustellen und eine einfache Einbettung dieses Teiles in
den zungenförmigen Stößel 5 zu bewirken. Hierbei hat man nur die maßgerechte Einpassung
dieses einen Teiles in den Stößel 5 zu berücksichtigen (und nicht die dreier Einzelstege).
Nach dem Einfügen dieses Teiles in eine entsprechende Aussparung des Stößels erfolgt
ein Vergießen mit Kunststoff, wobei auch die bisher leeren Aussparungen (64, 65) des
Teiles bis zur Stößelebene mit Kunststoff ausgegossen werden.
[0021] In Fig. 6 ist eine andere Stegstruktur gezeigt. Der Stößel selbst ist mit 70, der
Stößelkopf wieder mit 5-1 bezeichnet. Die Löcher zur Aufnahme der nicht dargestellten
Zugfedern (S. Fig. 4) haben das Bezugszeichen 6 und jene materialeinsparenden Bohrungen
haben wie auch in Fig. 4 das Bezugszeichen 31.
[0022] Die Stegstruktur 71 selbst hat die Form eines längs- und quergeteilten rechteckigen
Rahmens mit vier öffnungen 72. Die für den Stößelantrieb wesentlichen Rahmenteile
sind die Stege 73, 74 und 75. Die Stege 73 und 74 sind durch die dazu querliegenden
Rahmenteile 76, 77 und 78 aus gleichem Material wie das Stegmaterial verbunden; ebenso
sind die Stege 74 und 75 durch die dazu querliegenden Rahmenteile (gleichen Materials)
79, 80 und 81 verbunden. Die querliegenden Rahmenteile sind schmaler und dünnner als
die Stege selbst - die Rahmenöffnungen werden bis zur Stößelebene mit Kunststoff vergossen.
[0023] Die Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung des in der deutschen Patentanmeldung
P 31 14 834.4 beschriebenen elektromagnetischen Stößelantriebs dar. Beim Einsatz eines
solchenStößelantriebes in Druckern kommt es insbesondere darauf an, zur Erzielung
einer hohen Druckleistung den Druckstößel 28 (Fig. 3) bzw. 5 (Fig. 4) möglichst leicht
zu machen. Das Gewicht dieses Stößels wird im wesentlichen von dem Gewicht der Ankerstege
21, 30 (Fig. 3) bzw. 60, 61, 62 (Fig. 4) und des Grundkörpers, in dem diese Ankerstege
eingebettet sind, bestimmt. Eine Verkleinerung der Bauhöhe dieses Stößels würde eine
geringere Masse des gesamten Druckstößels bedingen, was der Forderung nach einer Erhöhung
der Druckleistung entgegen käme. Eine Verkleinerung der Bauhöhe bedeutet jedoch auch
eine Verringerung der Ankersteglänge. Dadurch würde die magnetische Kraftwirkung auf
die Ankerstege reduziert werden, was wiederum eine Reduzierung der Druckleistung nach
sich ziehen würde.
[0024] Aus diesem Grunde soll ein Möglichkeit vorgesehen werden, bei gleicher Erregerspule
(mti gleichbleibender Amperewindungszahl) die Reduzierung der Kraftwirkung auf den
Stößel bei verkürzter Ankersteglänge zu verhindern bzw. eien erhöhte Kraftwirkung
zu gewährleisten, um eine Steigerung der Druckleistung zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße
Anordnung kann man sich z.B. dadurch entstanden denken, daß der mittlere Schenkel
53 bzw. 43 des E-förmigen Magnetjoches 51 bzw. 41 (Fig. 4) in zwei benachbarte Jochschenkeln
100-2, 102-1 (Fig. 1) aufgespalten wird, wobei eine gemeinsame Basis für alle Schenkel
beibehalten wird (oder auch nicht).
[0025] Im letzteren Falle wäre es möglich
"gemäß Fig. 1 aus zwei Paaren einander benachbarter U-förmiger Jochhälften vorzusehen.
Die Jochhälften der Jochhälftenpaare sind mit 100, 101 bzw. 102, 103 gekennzeichnet.
Die Jochschenkel der Jochhälfte 100 sind mit 100-1 und 100-2 gekennzeichnet; entsprechendes
gilt für die Jcohschenkel 101-1 und 101-2 der Jochhälfte 101, für die Jochschenkel
102-1 und 102-2 der Jochhälfte 102 und für die Jochschenkel 103-1 bzw. 103-2 der Jochhälfte
103. Die Jochhälften 100 und 1.02 sind einander benachbart, ebenso die Jochhälften
101 und 103. Beiden benachbarten Jochhälften 100 und 102 bzw. 101 und 103 ist eine
gemeinsame Erregerspule 104 bzw. 105 zugeordnet. Diese als Flachspule ausgeführte
Erregerspule 104 wird derart auf die beiden benachbarten Jochhälften 100 und 102 aufgesteckt,
daß durch ihr Inneres die Jochschenkel 100-2 und 102-1 verlaufen. Die Windungen der
Erregerspule 104, verlaufen zwischen den beiden Jochschenkeln 100-1 und 100-2 der
Jochhälfte 100 und den Jochschenkeln 102-1 und 102-2 der Jochhälfte 102. Analoges
gilt für den beiden benachbarten Jochhälften 101 und 103, denen die Erregerspule 105
zugeordnet ist.
[0026] Wie bereits erwähnt, ist es auch möglich, beiden benachbarten Jochhälften 100 und
102 bzw. 101 und 103 eine gemeinsame, durchgehende Basis zu geben; in diesem Falle
läßt sich eine Jochhälfte als ein einziges Sinterteil mit den 4 Schenkeln 100-1, ....,
100-4 herstellen.
[0027] Die magnetischen Arbeitsspalte liegen zwischen den Polenden einander gegenüberstehender
Jochschenkel.
[0028] Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung werden vier magnetische Arbeitsspalte gebildet,
die zwischen den Polenden der Jcohschenkel 100-1, 101-1; 100-2, 101-2; 102-1, 103-1
und 102-2 und 103-2 liegen. Jedem dieser magnetischen
Ar-beitsspalte ist in dem Druckstößel 110 ein Ankersteg zugeordnet. Die Ankerstege
sind mit 106, 107, 108 und 109 bezeichnet. Sie werden bei Erregung des Elektromagneten
in die ihnen zugeordneten magnetischen Arbeitsspalte hineingezogen. Dabei kommt es
zu einer Bewegung des Druckstößels in Pfeilrichtung P (auf die Darstellung eines Stößelkopfes
5-1 wie in Fig. 4 wurde aus Vereinfachungsgründen in Fig. 1 und 2 verzichtet). Maßgebend
für die Schnelligkeit dieser Bewegung ist die Kraftwirkung des Magnetfeldes in den
einzelnen Arbeitsspalten auf die ihnen zugeordneten Ankerstege aus weichmagnetischem
Material. Diese Kraftwirkung ist, insgesamt gesehen, wegen der Beziehung
(K = Kraft pro Flächeneinheit
B = magnetische Induktion)
bei gleichbleibender Amperewindungszahl der Erregerspule größer, wenn eine größere
Anzahl von Arbeitsspalten vorhanden ist.
[0029] Nähere Erklärungen hierzu folgen an anderer Stelle.
[0030] Für die gleiche Bauhöhe (H) des Stößels gemäß Fig. 4 und Fig. 1 bei gleichbleibender
Amperewindungszahl der Erregerspulen ergibt sich im ersteren Fall (Fig. 4) für insgesamt
nur drei Arbeitsspalte eine um ca 40% niedere Kraftwirkung auf den Stößel als im Falle
der Ausführung nach Fig. 1 mit vier Arbeitsspalten. Unter Berücksichtigung dieser
Ergebnisse ist es jedoch möglich, die Bauhöhe des Stößels gemäß Fig. 1, im Vergleich
zu der nach Fig. 4 bedeutend, d.h. um ca 25% zu verringern, um die gleiche Kraftwirkung
auf den Stößel zu erreichen. Da diese Bauhöhenverringerung zudem mit einer Verringerung
des Stößelgewichtes verbunden ist und sich kleinere Massen leicher beschleunigen lassen
als große, ist dadurch eine zusätzliche Erhöhung der Druckleistung gegeben.
[0031] Analoge Überlegungen gelten für eine Auführungsform des elektromagnetischen Stößelantriebes
nach Fig. 2. In diesem Falle sind die einander gegenüberliegenden Jochhälftten 202
und 203 jeweils kammförmig mit einer Vielzahl von Jochschenkeln ausgeführt. Jede Jochhälfte
besteht aus einer gemeinsamen Basis 202-0 mit beispielsweise acht Jochschenkeln 202-1
bis 202-8. Entsprechendes gilt für die Jochschenkel 203-1 bis 203-8. Auf jede Jochhälfte
ist eine als Flachspule ausgeführte Erregerspule 218, 219 aufgesteckt. Die Windungen
der Erregerspule 218 verlaufen zwischen den Jochschenkeln 202-2/202-3, und 202-6/
202-7 für die Jochhälfte 202. Durch das Innere der Spule ragen die Jochschenkel 202-3
bis 202-6.
[0032] Zwischen den Polenden der sich gegenüberstehenden Jochschenkel beider Jochhälften
werden die magnetischen Arbeitsspalte gebildet. Jedem Arbeitsspalt ist wiederum einer
der magnetischen Ankerstege 210 bis 218 des Stößels 220 zugeordnet.
[0033] Auch diese Anordnung (Fig. 2) gestattet im Vergleich zur Anordnung nach Fig. 4 eine
wesentliche Verringerung der Bauhöhe des Druckstößels, da die gesamte Kraftwirkung
auf den Druckstößel durch die Vergrößerung der Anzahl der magnetischen Arbeitsspalte
bei gleichbleibender Amperewindungszahl der Spule vergrößert ist. Im Vergleich der
Ausführungsform nach Fig. 2 zur Ausführungsform nach Fig. 4 kann man sich vorstellen,
daß.die äußeren Schenkel 54 und 52 (Fig. 4) der E-förmigen Jochhälfte 50 in jeweils
zwei Schenkel 202-1, 202-2 und 202-7 und 202-8 der Jochhälfte 202 (Fig. 2) aufgeteilt
werden, während der mittlere Schenkel 53 des der E-förmigen Jochhälfte 50 (Fig. 4)
in insgesamt vier einander benachbarte Schenkel 202-3 bis 202-6 (Fig. 2) aufgeteilt
wird.
[0034] Entsprechende Überlegungen gelten natürlich auch für die Jochhälfte 40 (Fig. 4) in
Verbindung mit der Jochhälfte 203 (Fig. 2). Bei der Ausführungsform der Doppel-U-Joche
nach Fig. 1 (die aus der Aufspaltung des gemeinsamen Mittelschenkel 53 der E-förmigen
Jochhälfte 50 nach Fig. 4 in zwei getrennte Magnetschenkel hervorgehen) stehen bei
praktisch gleicher Erregerspule nunmehr vier (Fig. 1), anstatt der ursprünglichen
drei Arbeitsspalte (Fig. 4) zur Krafterzeugung zur Verfügung). Aus diesem Grunde kann
die Spule und die Druckstößelhöhe (in Längsrichtung der Ankerstege) nunmehr auf ca.
3/4 der ursprünglichen Höhe (Fig. 4) reduziert werden, um die gleiche Kraft wie bei
der F-formigen Struktur der Magnethoche (Fig. 4) zu erzeugen. Eine auf 3/4 reduzierte
Spulenhöhe bedeutet aber zugleich auch verringerte Wärmeverluste (proportional Ohm'scher
Widerstand x Stromstärke2). Des weiteren ist es, wie bereits erwähnt, möglich, die
Magnetjoche aus zwei einfachen Blechen herzustellen, auf die der Spulenkörper entsprechend
aufzustecken ist. Dies ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung.
[0035] Die kammartige Ausführungsform der Jochhälften nach Fig. 2 gestattet eine Reduzierung
der Bauhöhe des Druckstößels (und der damit in Beziehung stehenden Elektromagneteinheit)
auf ungefähr die Hälfte im Vergleich zu der Ausführungsform nach Fig. 4 (bei E-förmigen
Magnetjochhälften).
[0036] Entsprechende Kombinationen der Ausführungsformen sind jederzeit möglich. Wesentlich
an allen diesen Ausführungsformen ist die Tatsache, daß in oder außerhalb der Erregerspule
mehrere benachbarte Jochschenkel der gleichen Jochhälfte oder benachbarter Jochhälften
verlaufen.
[0037] Im folgenden wird detaillierter ausgeführt, wie es zu erklären ist, daß die Kraftwirkung
bei gleichbleibender Amperewindungszahl der Erregerspule mit zunehmender Zahl der
magnetischen Arbeitsspalte größer wird.
[0038] Fig. 7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares dreischenkliger
Jochhälften mit einem drei Ankerstege umfassenden Stößel. Der Stößel ist mit 700 gekennzeichnet;
seine Aktionsrichtung durch die Pfeilrichtung D. Der Stößel enthält die Ankerstege
Al, A2 und A3. Sie sind jweils einem magnetischen Arbeitsspalt G1, G2, G3 zugeordnet.
Die magnetischen Arbeitsspalte werden voneinander gegenüberstehenden Schenkeln eines
Jochhälftenpaares gebildet: der magnetische Arbeitsspalt Gl von den Schenkeln Yll
und Y21, der magnetische Arbeitsspalt G2 von den Schenkeln Y12 und Y22, der magnetische
Arbeitsspalt G3 von den Schenkeln Y13 und Y23. Auf die Darstellung der Erregerspule
wurde aus Vereinfachungsgründen verzichtet. Sie würde als Flachspule ausgeführt und
auf den jeweils mittleren Schenkel Y12, Y22 einer Jochhälfte aufgesteckt sein, so
daß ihre Windungen zwischen dem inneren Schenkel und dem äußeren Schenkel eienr Jochhälfte
verlaufen. Die Polhöhe der Anordnung ist mit H gekennzeichnet.
[0039] Zur Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch eine solche Anordnung sei
auf Fig. 8 verwiesen. Hierin wird der Verlauf der Magnetflußlinien in der Schnittfläche
BB von Fig. 7 gezeigt. Es sind nur die für die den Magnetfluß wichtigen Teile wie
die Jochschenkel und die Ankerstege gezeigt. Die Konturlinie des gesamten Stößels
700 wurde in der Fig. 8 aus Vereinfachungsgründen weggelassen.
[0040] Aus der Darstellung in Fig. 7 in Verbindung mit Fig. 8 ist zu erkennen, daß der mittlere
Schenkel Y12 bzw. Y22 einer Jochhälfte doppelt so stark ausgeführt ist wie die Außenschenkel
Y11, Y13 bzw. Y21, Y23. Dadurch ist der mittlere magnetische Arbeitsspalt G2 auch
doppelt so lang wie die zwischen den Außenschenkeln gebildeten Arbeitsspalte G1 und
G3. Die Ankerstege hingegen haben jeweils die gleichen Abmessungen. Die mittleren
Jochschenkel sind deshalb stärker als die äußeren Jochschenkel ausgeführt, um zu vermeiden,
daß der mittlere Jochschenkel schneller als die äußeren Jochschenkel in eine magnetische
Sättigung getrieben werden.
[0041] Wenn es im Anspruchsbegehren heißt, daß das Volumen der Ankerstege in der Größenordnung
des Volumens der Arbeitsspalte liegt, könnte gefolgert werden, daß der Ankersteg A2
größer, d.h. nahezu doppelt so groß ausgeführt werden müßte wie die beiden anderen
Ankerstege A1 und A3 für die kürzeren magnetischen Arbeitsspalte G1 und G3. Dies ist
jedoch nicht erforderlich, da für die Kraftwirkung des Stößels im wesentlichen die
Beschleunigungskraft maßgebend ist, die beim Hineinziehen des Ankersteges in den ihm
zugeordneten Arbeitsspalt ausgeübt wird. Diese Beschleunigungskraft bezüglich des
mittleren Ankersteges A2 ist aber nahezu genauso groß wie sie wäre, wenn der Ankersteg
A2 doppeltes Volumen hätte, um den magnetischen Arbeitsspalt G2 nahezu auszufüllen.
Die Formulierung, daß das Volumen der Ankerstege in der Größenordnung des Arbeitsspaltvolumens
liegt, soll aus diesem Grunde auch jene Fälle miterfassen, in denen das Volumen der
Ankerstege nur ca. die Hälfte des Volumens des Arbeitsspaltes beträgt.
[0042] Fig. 10 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares vierschenkliger
Jochhälften mit einem vier-Ankerstege umfassenden Stößel. Der Stößel ist mit 900,
die Aktionsrichtung des Stößels wiederum mit Pfeilrichtung D gekennzeichnet, die einzelnen
Ankerstege sind mit A1, A2, A3 und A4 bezeichnet. Die obere Jochhälfte weist die Jochschenkel
Y101, Y102, Y103 und Y104 auf, die untere die Jochschenkel Y201, Y202, Y203 und Y204.
Der Arbeitsspalt G10 wird zwischen den Polenden der Jochschenkel YI01 und Y201 gebildet;
der Arbeitsspalt G11 zwischen den Polenden der Jochschenkel Y102 und Y202; der
Arbeitsspalt G12 zwischen den Polenden der Jochschenkel Y103 und Y203; der Arbeitsspalt
G14 zwischen den Jochschenkeln Y104 und Y204. Die Jochschenkel Y102 und Y103 bzw.
Y202 und Y203 kann man sich aus Aufspaltung des Jochschenkels Y12 bzw. Y22 (Fig. 7)
entstanden denken. Aus Übersichtsgründen wird in Fig. 10 auf Darstellung der Erregerspule
verzichtet. Die Erregerspule würde so auf jeweils eine Jochhälfte aufgesteckt werden,
daß in ihrem Innnern die Jochschenkel Y102 und Y103 sind und die Windungen zwischen
den Jochschenkeln Y101 und Y102 bzw. Y103 und Y104 verlaufen. Entsprechendes gilt
für die Erregerspule der unteren Jochhälfte.
[0043] In der Fig. 11 ist der Verlauf der Magnetflußlinien in der Schnittfläche CC-(Fig.
10) gezeigt. In Fig. 11 ist wiederum auf die Darstellung der gesamten Kontur des Stößels
900 (Fig. 10) aus Ubersichtsgründen verzichtet worden, da nur die für die Führung
des Magnetflusses wesentlichen Teile (Jochschenkel und Ankerstege) gezeigt werden.
[0044] In Fig. 12 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Paares vierschenkliger
Jochhälften gezeigt, mit einem verkürzten nur drei Ankerstege umfassenden Stößel und
mit einem durch Weicheisen überbrückten magnetischen Arbeitsspalt. Diese Darstellung
in Fig. 12 ist aus der in Fig. 10 dadurch ableitbar, daß man sich den Stößel 900 (Fig.
10) dadurch verkürzt denkt, daß er nur noch die drei Ankerstege A102, A103 und A104
umfaßt. Jeder dieser Ankerstege ist jeweils einem der Arbeitsspalte G11, G12 und G13
zugeordnet, die von den Polflächen der entsprechenden Jochschenkel - wie auch in Zusammenhang
mit Fig. 10 beschrieben - gebildet werden. Der sich ergebende Unterschied beider Anordnungen
liegt darin, daß dem Arbeitsspalt G10 in Fig. 10 in Fig. 12 nunmehr kein mit dem Stößel
901 verbundener Ankersteg zugeordnet ist, sondern daß dieser Arbeitsspalt durch ein
den Magnetfluß gut leitendes Weicheisenstück S überbrückt ist.
[0045] Die Verkürzung des Stößels ist mit einer bedeutsamen Gewichtsvermindung verbunden.
Bei dem Einsatz derartiger Stößelantriebe in Schnelldruckern kann durch eine solche
Gewichtsverminderung höhere Druckgeschwindigketi erreicht werden.
[0046] Aus Analgiegründen wurden in Fig. 12 die Bezeichnungen A102,
A103, A104, Gll, G12 und G13 von Fig. 10 beibehalten, ebenso auch die Bezeichnungen
der Jochschenkel.
[0047] In Fig. 13 ist die Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien durch die Magnetjoche
und die Ankerstege in der Schnittfläche DD von Fig. 12 gezeigt. Wiederum wurde aus
Vereinfachungsgründen auf die Darstellung der Kontur des Stößels 901 (Fig. 2) verzichtet.
Aus Fig. 13 ist im Vergleich zu Fig. 11 zu erkennen, daß sich durch eine Verringerung
des magnetischen Widerstandes durch Einfügung des Weicheisenstückes S in dem mit C13
bezeichneten Magnetkreis (der folgende Teile enthält: Y101, Y102, A102/G11, Y202,
Y201 und die betreffenden Jochschenkel verbindenden Basisteile der Jochhälften) eine
höhere Magnetflußdichte ergibt als in C11 in Fig. 11. Dadurch ist jedoch auch eine
Erhöhung der am Arbeitsspalt G11 auf den Ankersteg A102 wirkenden Beschleunigungskraft
gegeben.
[0048] In den Darstellungen Fig. 8, Fig. 9, Fig. 11 und Fig. 13 ist der Verlauf der Magnetflußlinien
durch die Jochschenkel und die Ankerstege für verschiedene Magnetjochkonfigurationen
gezeigt. Allen Konfigurationen gemeinsam ist jedoch die gleiche Amperewindungszahl
der nicht dargestellten Erregerspule und gleiche äußere Abmessungen der Jochhälften.
Die Darstellungen beziehen sich auf eine Position der Ankerstege unmittelbar vor ihrem
Eintritt in den ihnen jeweils zugeordneten magnetischen Arbeitsspalt. In den Darstellungen
ist die obere Jochhälfte in Schnittdarstellung gänzlich, die untere Jochhälfte nur
teilweise (ohne die die Jochschenkel verbindende Basis) gezeigt. Die Magnetflußlinien
und die Umrandungslinien der Jochhälften und der Ankerstege sind durch dünne durchgezogene
Linien dargestellt. Der Magnetfluß im linken Teil L der Jochhälfte (Fig. 8) ist höher
als der im rechten Teil R. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Magnetfluß für den
rechten Teil R am Arbeitsspalt des rechten Teils des mittleren Jochschenkels Y12 einen
höheren magnetischen Widerstand vorfindet, als der magnetische Widerstand für den
linken Teil L beträgt, da der Magnetfluß im Arbeitsspalt G2 des linken Teiles des
mittleren Jochschenkels Y12 im wesentlich über den gut leitenden Ankersteg A102 geführt
wird.
[0049] In Fig. 9 ist in Abwandlung der Darstellung nach Fig. 8 der Flußlinienverlauf durch
ein Paar dreischenkliger Jochhälften gezeigt, wobei der mittlere Schenkel Y129 zu
seiner Polfläche verjüngt ist.
[0050] Diese Darstellung dient lediglich dem Hinweis, daß sich der Magnetfluß am Arbeitsspalt
G29 nicht einfach durch eine Verkleinerung der Polflächen erhöhen läßt. Im Ergebnis
ergibt diese Ausführungsform keine größere Magnetflußdichte im Arbeitsspalt G29 der
Mittelschenkel Y129, Y229 und damit auch keine größere Beschleunigungskraft als es
bei der Ausführungsform nach FIg. 8 der Fall ist. Die Bezeichnungen der einzelnen
Teile in Fig. 9 entsprechen bis auf die letzte zusätzliche 9er Stelle denen von Fig.
8.
[0051] Die Darstellung des Verlaufes der Magnetflußlinien in Fig. 11 (vierschenklige Jochhälften)
zeigt im Vergleich zu der nach Fig. 8 (dreischenklige Jochhälften), daß die dreischenklige
Jochstruktur eine unerwünschte Asymmetrie für die Magnetflußdichte im linken L und
rechten R aufweist, während eine solche Asymmetrie bei der vierschenkligen Struktur
nach Fig. 11 nicht mehr auftritt. Durch die gedachte Aufteilung des Mittelschenkels
YI2 (Fig. 8) in zwei Mittelschenkel Y102 und Y103 in Fig. 11 wird die auf die Ankerstege
wirkende Beschleunigungskraft bedeutend gesteigert.
[0052] In diesem Zusammenhang sei jedoch auch bemerkt, daß sich für den zwischen den mittleren
Jochschenkeln Y102 und Y103 bzw. Y202 und Y203 liegenden Teil des Stößels auch eine
Verzögerung ergibt, da auf den Ankersteg A103 nicht nur eine anziehende Kraft seitens
G12 sondern eine entgegen der Bewegungsrichtung D des Stößels wirkende Anziehungskraft
zwischen A103 und G11 ergibt. Es zeigt sich jedoch, daß bei einer Vergrößerung des
Abstandes zwischen den Schenkeln Y102 und Y103 bzw. Y202 und Y203 die Beschleunigungskraft
nur geringfügig höher liegt als bei einer Struktur mit kleinerem Abstand. Rechnungen
und Versuche haben ergeben, daß man mit einer vierschenkligen Struktur gemäß Fig.
11 mit 600 Amperewindungen der Erregerspule dieselbe Beschleunigungskraft erhält wie
bei einer dreischenkligen Ausführung gemäß Fig. 8 mit 800 Amperewindungen, d.h. bei
der vierschenkligen Ausführungsform werden die RI2-Verluste (R = ohmscher Widerstand,
I = Stromstärke) auf 56% reduziert. Bei Anwendungen mit hoher Wiederholungsrate des
Druckvorgangs wirkt auf den Stößel der vierschenkligen Struktur eine um 40% höhere
Beschleunigungskraft als es bei gleicher Amperewindungszahl bei einer dreischenkligen
Struktur der Fall ist.
[0053] In Fig. 14 ist die schematische Darstellung eines um einen Drehpunkt schwenkbaren
Druckhammers 800 mit drei Ankerstegen 801, 802, 803 zur Zusammenarbeit mit einem Elektromagneten
gemäß Fi
g. 12 gezeigt. Am unteren Ende des Druckhammers ist eine Blattfeder 804 mit einer Basis
805 verbunden. Die Blattfeder ermöglicht eine Bewegung des Druckhammers in und entgegen
der Pfeilrichtung P. (Ebensogut sind u.a. auch Lösungen vorstellbar, bei denen die
Schwenkbewegung des Druckhammers nicht mittels einer Blattfeder erreicht wird, sondern
durch eine Stiftlagerung). Bei einer durch den Elektromagneten bedingten Bewegung
des Druckhammerkopfes 806 in Pfeilrichtung P erfolgt ein Anschlag-in Druckrichtung.
In dem mittleren, entgegen der Druckrichtung P etwas erweiterten Teil des Druckhammers
sind die Ankerstege 801, 802, 803 angeordnet. (Sie entsprechen den Ankerstegen A102,
A103 und A104 in Fig. 12). Diese Ankerstege sind jeweils einem Arbeitsspalt zugeordnet,
der von den Polenden entsprechender Jochschenkel gebildet wird. Aus Ubersichtsgründen
ist die Elektromagneteinheit 810 nach links versetzt gezeichnet. Der dem Ankersteg
801 zugeordnete Arbeitsspalt wird von den Polenden der Jochschenkel 810-1 und 810-2
gebildet. Der dem Ankersteg 802 zugeordnete Arbeitsspalt wird von den Polenden der
Jochschenkel 810-3 und 810-4 gebildet; der dem Ankersteg 803 zugeordnete Arbeitsspalt
von den Polenden der Jochschenkel 810-5 und 810-6. Die Jochschenkel 810-01 und 810-02
sind durch eine Weicheisenbrücke S miteinander verbunden. Die Jochschenkel der hinteren
Jochhälfte haben die gemeinsame Basis 811, die der vorderen Jochhälfte die gemeinsame
Basis 812. Die Erregerspule für die hintere Jochhälfte ist mit 813 angedeutet, die
für die vordere mit 814. Die Windungen der Erregerspule 813 werden zwischen den Jochschenkeln
810-1 und 810-1 sowie zwischen den Jochschenkeln 810-3 und 810-5 geführt. Analoges
gilt für die Erregerspule 814 der vorderen Jochhälfte. Bei Erregung des Elektromagneten
werden die vor den einzelnen Arbeitsspalten stehenden Ankerstege in die ihnen zugeordneten
Arbeitsspalte hineingezogen. Dadurch erfährt jedoch der Druckhammerkopf 806 eine Bewegung
in Pfeilrichtung P. Der Umstand, daß es sich bei der Bewegung des Hammers um eine
Bewegung um einen Drehpunkt handelt, die etwas von einer Linearbewegung abweicht,
wirkt sich im wesentlichen nicht nachteilig aus.
[0054] Der erfindungsgemäße Stößelantrieb kann vielfältigen Anwendungen genügen:
Wie vorstehend erwähnt, z.B. für Anschlagdrucker. Ebensogut sind auch Anwendungen
denkbar, bei denen der Stößelantrieb für schnelle Ventilbetätigungen (z.B. in Verbrennungsmotoren,
Bohrhämmern oder Pumpen) u.a.m. verwendet wird.
1. Elektromagnetischer Stößelantrieb, bei dem der Elektromagnet aus mindestens einem
Paar im wesentlichen symmetrisch aufgebauter magnetisierbarer Jochschenkel aufweisende
Jochhälften besteht, deren einander zugewandte Jochschenkeln-Polenden einander fluchtende
Arbeitsspalte bilden und
bei dem zwischen den Arbeitsspalten ein in Richtung der Fluchtlinie der Arbeitsspalte
verschiebbarer zungenförmiger Stößel angeordnet ist,
welcher Ankerstege aus magnetisierbarem Material aufweist, von denen jeder einem Arbeitsspalt
zugeordnet ist und
wobei das Volumen der Ankerstege in der Größenordnung des Arbeitsspaltvolumens liegt
und
die Ankerstege in der Ausgangslage des Stößels in nicht erregtem Zustand des Elektromagneten
sich vor dessen Arbeitsspalten befinden und bei Erregung des Elektromagneten in dessen
Arbeitsspalte hineingezogen werden,
und wobei die Erregerspule des Elektromagneten auf mindestens einen Jochschenkel derart
aufgesteckt ist,
daß ein wesentlicher Teil ihrer Windungen zwischen jeweils zwei benachbarten Jochschenkeln
verläuft, dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb und/oder außerhalb der Erregerspule (218; 104) mehrere jeweils benachbarte
Jochschenkel (202-3, 202-4, 202-5, 202-6, 202-1, 202-2, 202-7, 202-8, 100-2, 102-1)
der gleichen Jochhälfte (202) oder benachbarter Jochhälften (100, 102) verlaufen.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Jochhälften senkrecht zur Stößelebene in Aktionsrichtung des Stößels einen
kammartigen Querschnitt aufweisen.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei benachbart angeordneten Jochhälften (100, 102) dieselben jeweils einen U-förmigen
Querschnitt aufweisen.
4. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Jochhälfte mindestens 4 Jochschenkel aufweist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stößel Teil eines um einen Drehpunkt schwenkbaren Hebels (800) ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hebel (800) einen Hammerkopf (806) aufweist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet durch die Verwendung in
Anschlagdruckern oder für Ventilbetätigungen.