BE1025915B1

BE1025915B1 - Verbeteringen aan de werking van elektromagneet actuatoren

Info

Publication number: BE1025915B1
Application number: BE20185745A
Authority: BE
Inventors: Hugh-Peter Granville Kelly
Original assignee: Elaut Nv
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-02-12
Also published as: WO2019086356A1; GB2567894A; GB201717983D0; BE1025915A1

Abstract

Een actuator omvattende een spoel en een permanente magneetplunjer gekenmerkt door een middel voor het verhinderen, of het tot een gewenste omvang verminderen, van de circulatie van stromen veroorzaakt door beweging van de plunjer binnenin de spoel, van zodra aan de spoel geleverd vermogen is uitgeschakeld.

Description

Verbeteringen aan de werking van elektromagneet actuatoren

De volgende uitvinding heeft betrekking op verbeteringen aan de manier van werking van elektromagnetische actuatoren met permanente magneten. In het bijzonder, heeft het betrekking op dergelijke verbeteringen zoals toegepast op de types actuatoren beschreven in mijn verleend octrooi nr. EP 1,305,807 en mijn gelijktijdig ingediende octrooiaanvrage, aanvraagnr.

GB1708753.7.

Alle elektromagnetische actuatoren met permanente magneten bevatten voor hun werking een spoel, die in één of meerdere wikkelingen kan zijn, en een magnetische plunjer. De spoel voorziet, bij bekrachtiging, een magnetisch veld voor wisselwerking tegen dat van de magnetische plunjer wat resulteert in stuwkracht en beweging in de gewenste bewegingsrichting. Zodra de spoel bekrachtigingsvrij is, wordt de plunjer vrijgesteld van de invloed van het daarop werkende magnetische veld en kan deze terugkeren naar zijn oorspronkelijke startpositie, onder de invloed van bijvoorbeeld zwaartekracht of een veer.

Het is gebruikelijk om de stroom naar de spoel van een actuator aan- en uit te schakelen, of het nu gaat om een plunjer van het permanente magneettype of een conventionele mild-stalen plunjersolenoïde, gebruikmakende van een aandrijfschakeling die een transistor of een soortgelijk elektronische inrichting bevat. In beide gevallen treedt echter een back emf ' (teruggaande elektromagnetische kracht) piek op bij het stoppen van de stroom naar de spoel. (De piek ontstaat op bekende wijze - vanaf het verval, bij het uitschakelen, van het elektromagnetische veld ontwikkeld door en omgevende de spoel.)

De schakelaansluitingen van elektronische apparaten zijn echter kwetsbaar voor dergelijke backemf ' pieken die aanzienlijk kunnen zijn, bijvoorbeeld vele tientallen volt, of zelfs duizenden volts voor actuatoren met wezenlijke afmetingen. Om dit probleem aan te pakken, is het gebruikelijk om in omgekeerde polariteit een vrijloopdiode over de spoel aan te sluiten om de hiervoor genoemde back-emf te laten circuleren binnenin de wikkeling van de spoel van de actuator en aldus zelfdissiperend te zijn. Op deze manier wordt schade aan de aandrijfschakeling vermeden.

Echter, in termen van de vrije beweging naar hun startpositie van permanente magneetplunjers wordt de situatie ingewikkelder wanneer het aangelegde vermogen is uitgeschakeld. (Permanente magneten worden in dergelijke plunjers gebruikt om de prestatie te verbeteren. Interactie van de magnetische velden verschaft door de plunjermagneten met de velden verschaft door de spoel van de actuator resulteert in verhoogde stuwkracht.) Een nadeel doet zich in dit geval voor wanneer een

BE2018/5745 vrijloopdiode wordt gebruikt in dit geval, zoals hierboven vermeld, om de back-emf piek te doen afnemen.

Het is bekend dat eender welke permanente magneetconfiguratie (bv. een plunjer die permanente magneten omvat) die magnetische velden heeft die daaruit ontstaan en die zich naast en ten opzichte van een spoel beweegt, bij het aanbieden van een volledig elektrisch pad, een stroom in de spoel zal opwekken. In het geval van de bovengenoemde vrijloopdiode, voorziet dit juist een dergelijk volledig elektrisch pad. Dit laat toe dat deze gegenereerde stromen binnenin de spoel van de actuator stromen. In overeenstemming met elektrische theorie zal het magnetische veld dat ontstaat door deze gegenereerde stromen in een richting zijn om de bewegingsrichting van de magnetische configuratie (de plunjer) die ze in de eerste plaats veroorzaakt, tegen te werken. Het resultaat kan een trage en/of terughoudende beweging van de configuratie naar de startpositie zijn. Voor bepaalde toepassingen, wanneer een vlotte (i.e. snelle) terugkeer wenselijk is, is dit nadelig.

Volgens een eerste aspect van de uitvinding is een actuator omvattende een spoel en een permanente magneetplunjer voorzien met een middel voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, van de circulatie van stromen veroorzaakt door beweging van de plunjer binnenin de spoel, van zodra aan de spoel geleverd vermogen is uitgeschakeld.

Op deze wijze wordt het genereren van magnetische velden die tegen de vrije beweging van de plunjer in werken onmogelijk gemaakt, en kan de plunjer bijvoorbeeld onder invloed van zwaartekracht of veerwerking terugkeren naar zijn startpositie.

In de praktijk blijft het wenselijk om nog steeds een vrijloopdiode of dergelijke te gebruiken om de initiële “back emf” piek op te vangen, die optreedt op het moment dat het aangelegde vermogen onderbroken wordt. Dergelijke pieken treden ogenblikkelijk op, en typisch kunnen hun stijgtijden een duur hebben van slechts een fractie van of enkele milliseconden. Dit is in tegenstelling tot de typische duur van de stroom, die geïnduceerd wordt in de spoel van de actuator, gedurende de tijd die de magnetische plunjer nodig heeft om terug te keren naar zijn startpositie, welke kan worden gemeten in tientallen milliseconden.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding is het middel voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, een zenerdiode die een voldoende lage geleidingsspanning heeft die toelaat om hogere, potentieel schadelijke spanningen geassocieerd met een “back emf” piek daar doorheen te geleiden, maar die ook voldoende hoog is voor het verhinderen, of

BE2018/5745 verminderen tot een gewenste omvang, van de circulatie van stromen veroorzaakt door de beweging van de plunjer binnenin de spoel.

Bij wijze van toelichting kunnen de hoge “back emf” piek spanningen die optreden bij het uitschakelen van vermogen naar de spoel van de actuator, die het spanningsbegrenzingspunt van de zenerdiode hebben overschreden, op gewenste wijze binnenin de spoel dissiperen en wordt daardoor schade voorkomen aan de stuurtransistorkring, terwijl de verhoudingsgewijs lagere spanningen die worden gegenereerd door de slomere beweging van de magnetische plunjer naar zijn startpositie onder, of in het grootste deel onder, het afsnijdpunt van de zenerdiode vallen en geleiding daardoorheen voorkomen. Op deze wijze wordt een trage beweging van de plunjer naar zijn startpositie vermeden.

Voor veel toepassingen is een snelle herinschakeling van een actuator niet nodig, meerdere seconden liggen tussen de ene activering en de volgende.

Volgens een derde aspect van de uitvinding is het middel voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, een capaciteit die een voldoende hoge geleiding heeft die toelaat hogere, potentieel schadelijke spanningen geassocieerd met een “back emf” piek daardoorheen te geleiden, maar die ook voldoende laag is voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, van de circulatie van stromen veroorzaakt door de beweging van de plunjer binnenin de spoel.

Aldus worden stromen die voortkomen uit de zeer hoge snelheid van spanningsverandering die geassocieerd is met de “back emf” piek op onschadelijke wijze weggeleid, maar stromen die voortkomen uit de lagere snelheid van spanningsverandering die geassocieerd is met de beweging van de magnetische plunjer na uitschakeling kunnen in geen enkele mate daardoorheen worden geleid. De selectie van de werkelijke capaciteitswaarde wordt zorgvuldig berekend om ervoor te zorgen dat er weinig demping optreedt in termen van de snelheid van het stijgen van de stuurspanning naar de spoel van de actuator bij het leveren van het initiële vermogen.

In mijn gelijktijdig ingediende octrooiaanvrage, aanvraagnr. GB1708753.7 wordt een actuator geopenbaard met een spoel en een coaxiale permanente magneetplunjer, waarbij de spoel is ondergebracht in een metalen behuizing voor het op voordelige wijze dissiperen van warmte. Spleten in de behuizing zijn aangebracht om de circulatie van ongewenste wervelstromen daarin te voorkomen, die anders de beweging van de magnetische staaf daardoor zou verhinderen.

BE2018/5745

Volgens een vijfde aspect van de uitvinding wordt de uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding gebruikt in combinatie met de actuator van de gelijktijdig ingediende aanvraag, waarbij de actuator een middel omvat om de circulatie van wervelstromen binnenin de behuizing van de actuator tijdens beweging van de plunjer te voorkomen of in hoofdzaak te beperken.

De uitvinding zal nu worden beschreven met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen, waarin: Fig. 1 een permanente magneetactuator toont die is verbonden met een aandrijfschakeling volgens de uitvinding

Figuren 2a tot 2e verschillende schakelopties tonen voor aansluiting op de actuator

Figuur 3 een actuator toont met een sleuf behuizing en aangedreven door de schakeling van de uitvinding

Verwijzend naar figuur 1, is een elektromagnetische actuator met een permanente magneet getoond bij 10. De actuator omvat een behuizing 11, een spoel 12, en een permanente magneetplunjer 12a. De lagers 13 en 14 geleiden de plunjer concentrisch doorheen de spoel. De plunjer omvat de magneten M1 en M2 om een permanent magnetisch veld te verschaffen, zoals getoond bij de inzet bij 15. In dit voorbeeld tilt bekrachtiging van de spoel de plunjer op vanuit de rustpositie 16 en brengt deze naar een stoppositie bij 17. De plunjer valt onder invloed de zwaartekracht van zodra de stroom naar de spoel is afgesneden.

Een aandrijfschakeling 18 is verbonden met de spoel. Dit omvat een aandrijftransistor 19 en andere componenten (niet getoond) voor het leveren van vermogen aan de spoel van de actuator. Een inrichting 20 is verschaft die verder het vermogen naar en van de spoel regelt.

De werking van het circuit is als volgt. Om de spoel van de actuator te bekrachtigen, en daardoor de plunjer van zijn rustpositie naar zijn bovenste stoppositie te tillen, wordt een activerende signaalstroom gevoed aan de basis 21 van de transistor. Dit staat vermogen toe om naar de spoel te stromen. Op dit punt staat de inrichting 20 deze vermogensstroom toe. Zodra het nodig is om de spoel te ontkrachten, wordt de transistor uitgeschakeld en op hetzelfde moment deactiveert de inrichting 20 eender welke mogelijkheid van een omgekeerde vermogensstroom van de spoel van de actuator naar de aandrijfschakeling. Aldus is de inrichting 20 een middel voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, van de circulatie van stromen veroorzaakt door beweging van de plunjer binnenin de spoel, van zodra aan de spoel geleverd vermogen is uitgeschakeld.

BE2018/5745

Bij wijze van verklaring, resulteert eender welke plunjer van het permanente magneettype die op een zodanige wijze dat door een spoel passeert, zodat de krachtlijnen die daarvan uitgaan de windingen van de spoel snijden, in het genereren binnenin de spoel van een emf (elektromagnetische kracht). In het geval van deze uitvoeringsvorm is het wenselijk dat een dergelijke emf niet binnenin de spoel kan circuleren nadat het vermogen is afgesneden, en de plunjer begint te vallen. Zo niet, dan zal het veld dat gecreëerd wordt door de stromen die in de spoel circuleren - zoals gegenereerd door de vallende staaf - in een richting zijn, in overeenstemming met elektrische theorie, zodat aan de beweging van de vallende staaf weerstand geboden wordt en aldus in een trage/terughoudende beweging resulteert. Dit is in het bijzonder relevant wanneer een vlugge (dat wil zeggen snelle of in hoofdzaak instantane) beweging vereist is onder invloed van de zwaartekracht om de staaf terug te brengen naar zijn startpositie. De voorziening binnenin de aandrijfschakeling van de inrichting 20 zorgt er dus voor dat een dergelijke stroomstroming niet kan plaatsvinden binnenin de spoel na het uitschakelen, waardoor de staaf vrij naar zijn startpositie kan vallen.

Hoewel de uitvoeringsvorm van de schakeling van figuur 1 en het gebruik van de inrichting 20 voldoet aan de doelstellingen van de onderhavige uitvinding, is het in de praktijk wenselijk om elke back emf' piek die ontstaat op het moment dat de spoel wordt uitgeschakeld, op onschadelijke wijze te dissiperen. Het is gebruikelijk om dit aan te pakken door een vrijloopdiode omgekeerd over de spoelaansluitingen te verbinden, zoals getoond bij 22 in figuur 2a. De toegevoerde stroom voor het bedienen van de actuator kan niet door de diode stromen, maar zodra de stroom wordt uitgeschakeld, kan de “back emf' piek vrij circuleren door de diode, zoals getoond door de pijl, en zelfdissiperen binnenin de spoel. Dit beschermt daardoor de aandrijftransistor tegen ongewenst hoge “back emf' spanningspieken. Deze uitvoeringsvorm kan echter niet worden gebruikt in het geval dat hierin wordt beschreven. De aanwezigheid van de diode laat, na het uitschakelen, de vrije circulatie toe van de stromen met een tegengestelde richting die zouden worden opgewekt in de spoel tijdens de neerwaartse beweging van de plunjer.

Een compromis wordt geïllustreerd met verwijzing naar figuur 2b. Hierin is het middel voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, van de circulatie van stromen binnenin de ringvormige veldspoel, van zodra aan de spoel geleverd vermogen is uitgeschakeld, een zener (of lawine) diode 23 die wordt gebruikt in plaats van de conventionele diode 22 van figuur 2a. De geleidingsspanning van de zenerdiode wordt zodanig gekozen dat deze zich boven of dicht bij de maximale spanning bevindt die binnenin de spoel zou worden gegenereerd als gevolg van de vrije val van de plunjer. Op deze manier kan er geen stroom vloeien bij uitschakeling van het vermogen en kan de plunjer vrij vallen. De geleidingsspanning wordt echter ook gekozen met inachtneming

BE2018/5745 van de maximaal toelaatbare inverse spanning (PIV) van de aandrijftransistor. Door ervoor te zorgen dat de geleidingsspanning ver onder het PIV-cijfer ligt, wordt de aandrijftransistor beschermd. Aldus heeft de diode een voldoende lage geleidingsspanning die toelaat om hogere, potentieel schadelijke spanningen geassocieerd met een “back emf” piek daar doorheen te geleiden, maar die ook voldoende hoog is voor het blokkeren, of in hoofdzaak blokkeren van de doorgang van stromen geassocieerd met lagere spanningsgeneratie. (Merk op dat de bovengenoemde diode 22 overblijft, die verbonden is zoals getoond in serie met de zenerdiode, om voorwaartse geleiding van de Zenerdiode te voorkomen de tijdens de bekrachtigingsfase van de spoel 12.) Voorbeelden van spanningen en hun periodiciteit gegenereerd door de vallende plunjer, en een kenmerkende “back emf” piek, worden getoond bij 24 & 25 in figuur 2c.

Om de stroming van eender welke stroom die voortkomt uit de emf die wordt gegenereerd tijdens de beweging van de plunjer nadat het vermogen naar de spoel is afgesneden te verhelpen, kan een optionele diode 22a worden aangesloten in de voedingsrail die het samenstel voedt, zoals getoond. Dit voorkomt dat eender welk mogelijk vermogen terugstroomt naar de voeding. Het is niet noodzakelijk om een pad te hebben om de luie emf die ontstaat na het uitschakelen van de vermogenstoevoer weg te laten vloeien. Experimenten tonen dat, in het geval dat er geen stroompad aanwezig is, de emf eenvoudigweg stijgt en op onschadelijk wijze wegvalt.

Typisch ligt de eerste in het gebied van 10 tot 20 volt, terwijl de laatste, de piek-spanning, 40 tot 100 volt kan bereiken. Het gebruik van een Zener-diode van 20 volt zal dus de hoge back emf-piek vangen terwijl de tragere en langzamere stroomstromen die tijdens vrije val worden gegenereerd, worden geblokkeerd. Een zodanige geleidingsspanning van 20 volt bevindt zich typisch ruim binnenin de veilige PIV van de types bipolaire of veldeffecttransistoren die zouden worden gebruikt voor het leveren van vermogen aan een 24 volt rail aangevoerde actuator. De geleidingsspanning is dus passend in het bereik van 25-40V. Een bijkomend aspect betreft de timing van de back emf-piek en de gegenereerde spanningen. Een back emf-piek voor actuatoren van kleine tot middelmatige grootte kan een duur hebben van minder dan een milliseconde, of tot enkele milliseconden, terwijl gegenereerde stromen, als gevolg van de bewegingssnelheid van een mechanische plunjer, typisch een orde van grootte, of meer, van deze periodes zijn. Het gebruik van een zenerdiode laat dus toe om beide eventualiteiten te verwerken, de onmiddellijke geleiding van hoge emf piek-spanningen maar het blokkeren van de daaropvolgende gegenereerde emfstromen.

De aandrijftransistor van figuur 2a is getoond als een standaard bipolaire transistor. In het geval dat een FET-transistor wordt gebruikt, zoals getoond bij 26 in figuur 2d, kan een extra diode 27 in het

BE2018/5745 geleidingspad worden geplaatst zoals getoond. Ter verduidelijking, vele FET-veldeffecttransistoren belichamen vaak voor de veiligheid hun eigen omgekeerd verbonden diodes. De aanwezigheid van de extra diode 27 verijdelt de mogelijkheid dat de genoemde belichaamde diode een geleidingsbaan verschaft voor de pack emf-pieken.

Als alternatief voor het gebruik van zenerdioden kan een eenvoudige condensator worden gebruikt, zoals getoond bij 28 in figuur 2e. Rechtstreeks verbonden over de spoel, of met de optie van een serieweerstand zoals getoond bij 29, kan de condensator dienen voor het verschaffen van een geleidingsbaan voor een hoge stijgtijd spanning back emf-piek, maar een ontoereikend geleidingstraject voor de veel lagere spanningssnelheid die binnenin de spoel wordt gegenereerd door de vallende plunjer. Dat wil zeggen dat de condensator een conductantie heeft die voldoende hoog is om mogelijk hogere, potentieel schadelijke spanningen geassocieerd met een “back emf” piek daar doorheen te geleiden, maar die ook voldoende hoog is voor het verhinderen, of verminderen tot een gewenste omvang, van de circulatie van stromen veroorzaakt door de beweging van de plunjer binnenin de spoel. De aanwezigheid van de serieweerstand kan in specifieke gevallen ook helpen bij het beperken van de geleiding van de gegenereerde spanningen. Een extra diode 27 zoals geïllustreerd in en beschreven met verwijzing naar figuur 2d kan eventueel worden verschaft.

Vele andere schakelconfiguraties zijn mogelijk voor het isoleren van een geleidingspad voor de spoel na het stoppen van het daaraan toegevoerde vermogen, bijvoorbeeld analoge poorten.

Met verwijzing naar figuur 3 is een bovenaanzicht van de actuator 10 van figuur 1 getoond bij 30. De behuizing 30 is longitudinaal ingesneden zoals getoond bij 31 en 32. Het doel is om de circulatie van wervelstromen rond de behuizing te voorkomen, die anders zouden zijn veroorzaakt doordat de magnetische plunjer 33 daardoorheen beweegt, wat een verdere demping van de vrije beweging zou zijn.

De spoel 34 van de actuator is op de bovengenoemde wijze verbonden met de aandrijfschakeling 35. De combinatie van de spleetbehuizing en de werkwijze van de aandrijfschakeling zoals hierin beschreven, verschaft de actuator een in hoofdzaak vrij bewegende plunjer van zodra de voeding daar naartoe is uitgeschakeld.

Talrijke variaties zullen voor de vakman duidelijk zijn.

Claims

Conclusies

1. Een actuator omvattende een spoel en een permanente magneetplunjer gekenmerkt door een middel voor het verhinderen, of het tot een gewenste omvang verminderen, van de circulatie van stromen veroorzaakt door beweging van de plunjer binnenin de spoel, van zodra aan de spoel geleverd vermogen is uitgeschakeld.
2. Een actuator volgens conclusie 1, waarbij het middel voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, een zenerdiode is die een voldoende lage geleidingsspanning heeft die toelaat om hogere, potentieel schadelijke spanningen geassocieerd met een “back emf” piek daar doorheen te geleiden, maar die ook voldoende hoog is voor het verhinderen, of verminderen tot een gewenste omvang, van de circulatie van stromen veroorzaakt door de beweging van de plunjer binnenin de spoel.
3. Een actuator volgens conclusie 2, waarbij de geleidingsspanning in het bereik van 25 tot 40V is.
4. Een actuator volgens conclusie 2, waarbij een bijkomende diode, in sperreichting, in serie is verbonden met de zenerdiode voor het verhinderen van voorwaartse geleiding doorheen de zenerdiode van aandrijfstromen bedoeld voor de spoel van de actuator.
5. Een actuator volgens conclusie 1, waarbij het middel voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, een capaciteit is die een voldoende hoge geleiding heeft die toelaat hogere, potentieel schadelijke spanningen geassocieerd met een “back emf” piek daardoorheen te geleiden, maar die ook voldoende laag is voor het verhinderen, of het verminderen tot een gewenste omvang, van de circulatie van stromen veroorzaakt door de beweging van de plunjer binnenin de spoel.
6. Een actuator volgens conclusie 4, verder omvattende een weerstand in serie met de capaciteit.
7. Een actuator volgens één der voorgaande conclusies, verder omvattende een FET transistor voor het leveren van vermogen aan de spoel, en een beschermdiode in het geleidingspad tussen de FET transistor en de spoel.
8. Een actuator volgens één der voorgaande conclusies, verder omvattende een aandrijfschakeling waarin eender welke vorm van een aanwezige elektrische en/of elektronische schakeling het middel voor het verhinderen, of verminderen tot een gewenste omvang, omvat, waarbij het middel

BE2018/5745 in staat is om elke “back emf” piek te dissiperen en/of te verwerken, gelijktijdig met het blokkeren of in hoofdzaak blokkeren van de circulatie van stromen gegenereerd in de spoel door de beweging van de composietplunjer na stopzetting van het daaraan aangevoerde vermogen.

5
9. Een actuator volgens één der voorgaande conclusies, verder omvattende een behuizing die de spoel en het middel behuist voor het verhinderen of in hoofdzaak beperken van de circulatie van wervelstromen binnenin de behuizing van de actuator tijdens de beweging van de plunjer.
10. Een actuator volgens conclusie 8, waarbij het middel voor het verhinderen van de circulatie van 10 wervelstromen één of meer spleten omvat die zich binnenin de behuizing bevinden.
11. Een amusementenhalmachine omvattende een actuator volgens één der voorgaande conclusies.
12. De amusementenhalmachine volgens conclusie 9, waarbij de actuator een actuator is van een

15 grijper.