EP0260732A1 - Betätigungsmagnet für eine Drucknadel eines Mosaikdruckers - Google Patents

Betätigungsmagnet für eine Drucknadel eines Mosaikdruckers Download PDF

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EP0260732A1
EP0260732A1 EP87201528A EP87201528A EP0260732A1 EP 0260732 A1 EP0260732 A1 EP 0260732A1 EP 87201528 A EP87201528 A EP 87201528A EP 87201528 A EP87201528 A EP 87201528A EP 0260732 A1 EP0260732 A1 EP 0260732A1
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magnetic
yoke
pole
printing needle
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Bernd Dr. Aldefeld
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Koninklijke Philips NV
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    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/121—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position
    • H01F7/122—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by permanent magnets

Definitions

  • the invention relates to an actuating magnet for a printing needle of a mosaic printer, in which a plunger armature connected to the printing needle is guided in the cylindrical interior of two soft-magnetic pole sleeves enclosed by a DC excitation winding, the spacing space of which is bridged by a spacing element, which consists of a material whose magnetic Conductivity is much smaller than that of the material of the pole sleeves.
  • the object of the invention is to increase the movement force exerted on the pressure needle.
  • the solution is achieved in that the spacing area between the ends of the yoke is bridged by a permanent magnet with its pole faces at the free ends of the yoke, and in that the direction of flow through the excitation coil generates a magnetic flux which opposes the flux driven by the permanent magnet through the yoke is.
  • the permanent magnet has the effect that the ratio of the magnetic flux density Bj in the soft magnetic yoke to the flux density B determining the tightening force in the air gap area to the soft magnetic armature is reduced. With unchanged yoke dimensions, the saturation of the soft magnetic material is then lower, so that the required air gap flow can be achieved with less excitation flow. Conversely, there are larger air gap inductions and thus greater pull-in forces if the pathogen flow is maintained.
  • Such magnets have a high energy density (product of coercive force and remanent induction) and a small reversible permeability.
  • Such magnets act almost like air for the flow generated by electrical excitation. The best effect results if the pole faces of the permanent bear directly on the free ends of the yoke, but an advantageous effect in the sense of the invention occurs even if the spacing gaps are not too large.
  • the invention results in particularly small and highly utilized plunger arm magnets, which allow high forces and rapid needle movements with small dimensions.
  • a pulling force is exerted on a soft magnetic armature 12 by pole sleeves 6 and 7 connected to a U-shaped soft magnetic yoke 13 when an excitation coil 14 is excited with direct current.
  • the space between the pole sleeves 6 and 7 is bridged by an annular permanent magnet 17. This drives a magnetic flux 7 essentially only through the yoke 13, since its magnetic resistance Rj is much smaller than that of the path via the armature 12.
  • measures for maintaining a minimum air gap can be provided in a manner known per se.
  • the flux generated by the excitation of the excitation coil 14 essentially flows only via the armature 12, since the magnetic resistance R ⁇ via this path is very much smaller than the magnetic resistance R m of the path via the permanent magnet 17, whose reversible permeability when using ceramic magnets , especially for rare earth magnets.
  • the magnetic flux generated by the excitation coil 14 in the yoke 13 is opposite to the flux generated by the permanent magnet 17.
  • FIG. 2 shows a simplified magnetic equivalent circuit diagram, in which Ve the electrical flux through the excitation coil 14 and Vm mean the coercive force or the permanent magnetic flux.
  • the magnitude of the magnetic resistance R is, in particular at low excitation currents through the excitation coil 14, a multiple of the value Rj.Rm is again many times greater than R, so that it can be approximately assumed that the electrically generated flux in the fully extended arrow direction 9 is only via the armature 12 and the permanent magnetic flux in the dashed arrow direction 10 runs only over the yoke 13.
  • the magnetic flux over the armature 12 and thus the force effect depends in the first approximation only on the electrically generated flux, while the flux density in the yoke is proportional to the difference between the electrical and permanent magnetic fluxes and therefore relatively low, so that to produce the predetermined one Flow over the armature 12 less excitation power is required because the state of saturation of the yoke 13 is reduced.
  • the plunger anchor design shown in FIG. 1 serves to actuate the printing needle 11 of a dot matrix printer, which is firmly connected to the plunger anchor 12.
  • the plunger armature 12 and thus the pressure needle 11 are moved downward against the force of the spring 18.
  • the figure shows the starting position in which the plunger anchor 12 is pressed against the stop 19 by the spring 18.
  • FIG. 3 shows associated characteristic curves of the force F exerted on the diving anchor 12 in the direction of the pressure needle 11 as a function of the anchor position h in the range of approximately ⁇ 0.5 mm.
  • a negative stroke in FIG. 3 means the direction of movement downwards.
  • the extended characteristic curves 20, 21 and 22 were determined with a permanent magnet, while the dashed curve 23, 24 and 25 were determined without a permanent magnet.
  • the invention can serve to achieve one or more of the following effects: Higher values for - magnetic force; - electro-mechanical efficiency; - maximum repetition frequency of the armature movement. Lower values for - Warming; - Weight; - Dimensions.
  • the ring cross section of the permanent magnet 17 may be larger or smaller than the adjacent ring surfaces 15 and / or 16 of the pole sleeves 6 and 7, respectively.
  • the space between the pole sleeves 6 and 7 is only filled in the radially outer region by the ring-shaped permanent magnet 17, while a layer 8 of a non-magnetic material is provided coaxially within the permanent magnet 17 relative to the cylindrical sliding surface of the armature 12 Machinability corresponds to that of the soft magnetic material of the pole sleeves 6 and 7.
  • An austenitic steel is particularly suitable for the layer 8. Then the inner machining of the pole sleeves 6 and 7 can be carried out continuously without a disruption caused by the hard material of the permanent magnets 17 interfering.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Betätigungsmagnet für eine Drucknadel eines Mosaikdruckers, bei welchem ein mit der Drucknadel verbundener Tauchanker im zylindrischen Innenraum zweier von einer Gleichstromerregerwicklung umschlossener weichmagnetischer Polhülsen geführt ist, deren Abstandsraum durch ein Abstandselement überbrückt ist, welches aus einem Werkstoff besteht, dessen magnetischer Leitwert sehr viel kleiner als derjenige des Werkstoffs der Polhülsen ist. Die auf den weichmagnetischen Anker ausgeübte Bewegungskraft wird dadurch erhöht, daß der Abstandsbereich zwischen den Enden des Joches durch einen mit seinen Polflächen an den freien Enden des Joches anliegenden Permanentmagneten (17) überbrückt ist, und daß die Durchflutungsrichtung der Erregerspule (14) einen magnetischen Fluß erzeugt, welche dem vom Permanentmagneten (14) durch das Joch (13) getriebenen Fluß entgegengerichtet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Betätigungsmagnet für eine Drucknadel eines Mosaikdruckers, bei welchem ein mit der Drucknadel verbundener Tauchanker im zylindrischen Innenraum zweier von einer Gleichstromerregerwicklung umschlossener weichmagnetischer Polhülsen geführt ist, deren Abstandsraum durch ein Abstandselement überbrückt ist, welches aus einem Werkstoff besteht, dessen magnetischer Leitwert sehr viel kleiner als derjenige des Werkstoffs der Polhülsen ist.
  • Eine derartige Anordnung ist in der DE-AS 25 09 917 beschrieben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf die Drucknadel ausgeübte Bewegungskraft zu erhöhen.
  • Entweder sollen bei vorgegebenen Werten des Magnetvolumens und der Erregerleistung höhere Anzugskräfte erzielbar sein oder umgekehrt bei vorgegebenen Anzugskräften soll das Magnetvolumen und/oder die Erregerleistung erniedrigt werden.
  • Die Lösung gelingt dadurch, daß der Abstandsbereich zwischen den Enden des Joches durch einen mit seinen Polflächen an den freien Enden des Joches anliegenden Permanentmagneten überbrückt ist, und daß die Durchflutungsrichtung der Erregerspule einen magnetischen Fluß erzeugt, welcher dem vom Permanentmagneten durch das Joch getriebenen Fluß entgegengerichtet ist.
  • Der Permanentmagnet bewirkt, daß das Verhältnis der magnetischen Flußdichte Bj im weichmagnetischen Rückschlußjoch zur die Anzugskraft bestimmenden Flußdichte B im Luftspaltbereich zum weichmagnetischen Anker verkleinert wird.
    Bei unveränderten Jochabmessungen ist dann die Sättigung des weichmagnetischen Werkstoffes geringer, so daß der benötigte Luftspaltfluß mit weniger Erregerdurchflutung erzielbar ist. Umgekehrt ergeben sich größere Luftspaltinduktionen und damit größere Anzugskräfte, wenn die Erregerdurchflutung beibehalten wird.
  • Voraussetzung für diesen Effekt ist natürlich, daß die Flußdichte im Joch im Arbeitsbereich so groß ist, daß der weichmagnetische Werkstoff des Jochs in einem Bereich seiner Magnetisierungkennlinie betrieben wird, in welchem die Permeabilität mit zunehmender Flußdichte abnimmt (Sättigungseffekt), wobei ohne Permanentmagneten hohe Induktionen und niedrige Permeabilitäten auftreten würden. Diese Voraussetzung ist jedoch im Interesse einer guten Materialausnutzung immer erfüllt, da die Nenninduktionen in weichmagnetischen Werkstoffen stets sehr viel größer als 0,5 T (Tesla) gewählt werden.
  • Insbesondere dann, wenn der Abstandsraum zwischen den Enden des Joches klein ist, und/oder wenn eine hohe Flußdichte erzielt werden soll, empfiehlt sich die Verwendung von Permanentmagneten aus Stoffen aus der Gruppe der seltenen Erden, insbesondere Samarium-Kobalt-Magnete. Solche Magnete haben eine hohe Energiedichte (Produkt aus Koerzitivkraft und remanenter Induktion) sowie eine kleine reversible Permeabilität. Solche Magnete wirken für den durch die elektrische Erregung erzeugten Fluß nahezu wie Luft.
    Die beste Wirkung ergibt sich, wenn die Polflächen des Permanenten unmittelbar an den freien Enden des Joches anliegen, jedoch tritt eine vorteilhafte Wirkung im Sinne der Erfindung auch bei nicht zu großen Abstandsspalten ein.
  • Für die Betätigung der Drucknadeln eines Nadeldruckers ergeben sich durch die Erfindung besonders kleine und hoch ausgenutzte Tauchankermagnete, die bei geringen Abmessungen hohe Kräfte und schnelle Nadelbewegungen ermöglichen.
  • Die Erfindung und deren vorteilhafte Wirkungen werden anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • Figur 1 zeigt eine schematisch dargestellte bevorzugte Ausführungsart der Erfindung
    • Figur 2 zeigt ein vereinfachtes magnetisches Ersatzschaltbild für eine Ausführung nach Figur 1
    • Figur 3 zeigt für ein Ausführungsbeispiel n ach Fig. 1 ermittelte Kraftkennlinien über dem Ankerweg.
  • Bei der Ausführung nach Figur 1 wird auf einen weichmagnetischen Anker 12 von mit einem U-förmigen weichmagnetischen Joch 13 verbundenen Polhülsen 6 und 7 eine Anzugskraft ausgeübt, wenn eine Erregerspule 14 mit Gleichstrom erregt ist. Erfindungsgemäß ist der Abstandsraum zwischen den Polhülsen 6 und 7 durch einen ringförmigen Permanentmagneten 17 überbrückt. Dieser treibt einen magnetischen Fluß 7 im wesentlichen nur durch das Joch 13, da dessen magnetischer Widerstand Rj sehr viel kleiner als der des Weges über den Anker 12 ist.
  • Damit der Permanentmagnet im angezogenen Zustand des Ankers 12 keine nennenswerte Haltekraft verursacht, können in an sich bekannter Weise Maßnahmen zur Einhaltung eines Mindestluftspalts wie beispielsweise durch dünne unmagnetische Schichten vorgesehen sein.
  • Der durch die Erregung der Erregerspule 14 erzeugte Fluß fließt im wesentlichen nur über den Anker 12, da der magnetische Widerstand Rδ über diesen Weg sehr viel kleiner als der magnetische Widerstand Rm des Weges über den Permanentmagneten 17 ist, dessen reversible Permeabilität bei Verwendung von keramischen Magneten, insbesondere bei Magneten aus seltenen Erden, sehr klein ist. Der von der Erregerspule 14 im Joch 13 erzeugte Magnetluß ist dem vom Permanentmagneten 17 erzeugten Fluß entgegengerichtet.
  • In Figur 2 ist ein vereinfachtes magnetisches Ersatzschaltbild dargestellt, in welchem Ve die elektrische Durchflutung der Erregerspule 14 und Vm die Koerzitivkraft bzw. die permanentmagnetische Durchflutung bedeuten. Größenordnungsmäßig beträgt der magnetische Widerstand R insbesondere bei niedrigen Erregerströmen durch die Erregerspule 14 ein Vielfaches des Wertes Rj. Rm ist wiederum vielfach größer als R , so daß näherungsweise davon ausgegangen werden kann, daß der elektrisch erzeugte Fluß in voll ausgezogener Pfeilrichtung 9 nur über den Anker 12 und der Permanentmagnetfluß in gestrichelter Pfeilrichtung 10 nur über das Joch 13 verläuft. Dann hängen der magnetische Fluß über den Anker 12 und damit die Kraftwirkung in erster Näherung nur von dem elektrisch erzeugten Fluß ab, während die Flußdichte im Joch der Differenz der elektrischen und der permanentmagnetischen Flüsse proportional und deshalb relativ niedrig ist, so daß zur Erzeugung des vorgegebenen Flusses über den Anker 12 weniger Erregerleistung benötigt wird, weil der Sättigungszustand des Joches 13 verringert ist.
  • Das physikalische Prinzip, nämlich die magnetische Flußdichte im Joch eines elektrisch erregten Gleichstrommagneten durch einen Permanentmagneten zu verringern, welcher einen entgegengerichteten magnetischen Fluß durch das Joch erzeugt, ist durch die EP-A-00 18 352 bekannt.
  • Die in Figur 1 dargestellte Tauchankerausführung dient zur Betätigung der Drucknadel 11 eines Nadeldruckers, welche mit dem Tauchanker 12 fest verbunden ist. Bei Gleichstromerregung der Erregerspule 14 wird der Tauchanker 12 und damit die Drucknadel 11 entgegen der Kraft der Feder 18 nach unten bewegt. In der Figur ist die Ausgangsstellung dargestellt, in welcher der Tauchanker 12 von der Feder 18 gegen den Anschlag 19 gedrückt ist. Für die in Figur 1 dargestellte Anordnung wurden charakteristische Daten ohne und mit Permanentmagnet 17 ermittelt. Dabei ergaben sich die Vergleichswerte der folgenden Tabelle.
    Figure imgb0001
  • Figur 3 zeigt zugehörige Kennlinien der auf den Taucheranker 12 ausgeübten Kraft F in Richtung der Drucknadel 11 als Funktion der Ankerlage h im Bereich von etwa ± 0,5 mm. Der Abszisswert h = 0 definiert die in Figur 3 erkennbare Ausgangslage. Ein negativer Hub bedeutet in Figur 3 die Bewegungsrichtung nach unten.
  • Die ausgezogenen Kennlinien 20,21 und 22 wurden mit Permanentmagnet, die gestrichelten Kennlinien 23,24 und 25 dagegen ohne Permanentmagnet ermittelt. Die miteinander vergleichbaren Kennlinien 20 und 23, 21 und 24 sowie 22 und 25 wurden bei vers chiedenen Erregerströmen gemessen.
  • Aus der obigen Tabelle und Figur 4 ist eindeutig die vorteilhafte Wirkung der Erfindung erkennbar.
  • Die Erfindung kann dazu dienen, einen oder mehrere der folgenden Effekte zu erzielen:
    Höhere Werte für
    - magnetische Kraft;
    - elektro-mechanischen Wirkungsgrad;
    - maximale Wiederholfrequenz der Ankerbewegung.
    Niedrigere Werte für
    - Erwärmung;
    - Gewicht;
    - Abmessungen.
  • Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung könnte z.B. der Ringquerschnitt des Permanentmagneten 17 größer oder auch kleiner als die benachbarten Ringflächen 15 und/oder 16 der Polhülsen 6 bzw. 7 sein.
  • Vorzugsweise ist gemäß Fig. 1 der Abstandsraum zwischen den Polhülsen 6 und 7 nur im radial äußeren Bereich durch den ringförmigen Dauermagneten 17 ausgefüllt, während koaxial innerhalb des Dauermagneten 17 gegenüber der zylindrischen Gleitfläche des Ankers 12 eine Schicht 8 aus einem unmagnetischen Material vorgesehen ist, dessen Bearbeitbarkeit derjenigen des weichmagnetischen Werkstoffes der Polhülsen 6 und 7 entspricht. Besonders geeignet ist für die Schicht 8 ein austenitischer Stahl. Dann kann die Innenbearbeitung der Polhülsen 6 und 7 durchgehend erfolgen, ohne daß eine infolge des harten Materials der Permanentmagnete 17 entstehende Diskontinuitätsstelle stört.

Claims (5)

1. Betätigungsmagnet für eine Drucknadel eines Mosaikdruckers, bei welchem ein mit der Drucknadel verbundener Tauchanker im zylindrischen Innenraum zweier von einer Gleichstromerregerwicklung umschlossener weichmagnetischer Polhülsen geführt ist, deren Abstandsraum durch ein Abstandselement überbrückt ist, welches aus einem Werkstoff besteht, dessen magnetischer Leitwert sehr viel kleiner als derjenige des Werkstoffs der Polhülsen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsbereich durch einen mit seinen Polflächen an den freien Enden der Polhülsen (6,7) anliegenden ringförmigen Permanentmagneten (17) überbrückt ist, und daß die Durchflutungsrichtung der Erregerspule (14) einen magnetischen Fluß erzeugt, welche dem vom Permanentmagneten (17) durch das Joch (13) getriebenen Fluß entgegengerichtet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Permanentmagneten (17) aus Elementen der Gruppe der seltenen Erden besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (17) aus Samarium-Kobalt besteht.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß koaxial innerhalb des ringförmigen Permanentmagneten (17) eine Schicht (8) aus unmagnetischem Material angeordnet ist, dessen Bearbeitbarkeit im wesentlichen derjenigen des Werkstoffes der Polhülsen (6,7) entspricht.
5. Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (8) aus austenitischen Stahl besteht.
EP87201528A 1986-08-14 1987-08-12 Betätigungsmagnet für eine Drucknadel eines Mosaikdruckers Withdrawn EP0260732A1 (de)

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