<Desc/Clms Page number 1>
Schaltungsanordnung zur Ein- und Ausschaltung von Elektromagneten, insbesondere für Werkzeugmaschineneinrichtungen mit grosser Genauigkeit Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ein- und Ausschaltung von Elektromagneten, welche auf breiten Gebieten anwendbar ist.
Die erfindungsgemässe Lösung soll insbesondere zur Sicherung der hochgenauen Betätigung von Kopierfräsmaschinen, programmgesteuerten Maschinen, Koordinaten-Einstellungen usw. mit Vorteil Verwendung finden.
Bei den bekannten Lösungen zum raschen Ein- und Ausschalten von Elektromagneten wird der Elektromagnet über einen Reihenwiderstand auf die Vielfache seiner stationären Spannung geschaltet. Beim Einschalten ist die Impedanz des Elektromagneten unendlich gross demzufolge erscheint die vollständige Speisespannung an den Klemmen der Wicklung, wobei die Steilheit des Stromanstieges erhöht wird. Zur Erhöhung der Steilheit des Stromanstieges werden beim Einschalten die Klemmen des Reihenwiderstandes mittels eines Schalters kurzgeschlossen.
Erreicht der Strom im Elektromagneten seinen zu der stationären Spannung gehörigen Wert, dann wird der Kurzschluss des Reihenwiderstandes behoben und die Speisespannung verteilt sich am Reihenwiderstand und am Widerstand des Elektromagneten, entsprechend dem Verhältnis dieser beiden Widerstände. Der übliche Wert des angewandten Beschleunigungsmasses beträgt 5 bis 10, d. h. bei einem Elektromagneten von 10 V und 2 A wird bei einem zehnfachen Beschleunigungsmass eine Speisespannung von 100 V verwendet. Nach dem Erreichen des stationären Wertes beim Strom zeigt sich am Elektromagneten ein Spannungsabfall von 10 V, wobei am Reihenwiderstand ein Spannungsabfall von 90 V entsteht.
Bei dem gegebenen Beispiel - wobei diese Werte in der Praxis üblich sind - beträgt die Wärmedissipation des Reihenwiderstandes 180 Watt und dies repräsentiert nach der Erreichung des stationären Stromwertes einen gezwungenen Verlust.
Bei der Ausschaltung des Stromes mit stationärem Wert melden sich zwei Hauptprobleme. Das eine ist die Begrenzung der entstehenden Selbstinduktivi- tätsspannung und das andere ist die Notwendigkeit der Erhöhung der Steilheit des Abklingens des Stromes. Die erwähnten Erscheinungen sind miteinander verbunden. Diejenigen Lösungen ergeben günstige Strom- und Spannungsverhältnisse, bei welchen der Elektromagnet mittels eines spannungsabhängigen Widerstandes, Kondensators oder der Kombination dieser beiden geshuntet wird. Zur Erhöhung der Ausschaltgeschwindigkeit wird am beweglichen Teil des Elektromagneten im allgemeinen eine elastische Vorspannung verwendet. Durch die vorgespannte Feder wird aber die Einschaltgeschwindigkeit herabgesetzt.
Auf diese Weise entsteht im allgemeinen eine Kom- promisslösung. Es ist auch eine Lösung mit Gegenstromausschaltung bekannt. Die Erzeugung vom Gegenstrom mit Impulscharakter benötigt aber einen ähnlich verwickelten Stromkreis, wie der Einschaltstromkreis selber ist, demzufolge konnte sich diese Lösung nicht verbreiten.
Durch die erfindungsgemässe Lösung sollen die Nachteile der bekannten Lösungen beseitigt werden, wobei die Anordnung sowohl zum Ein- und Ausschalten, wie auch für irgendeinen dieser Vorgänge verwendet werden kann.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung zur Ein- und Ausschaltung von Elektromagneten, insbesondere für Werkzeugmaschineneinrichtungen mit grosser Genauigkeit, ist dadurch gekennzeichnet, dass an die beiden Zuführungen der Wicklung des Elektromagneten zwei Stromschleifen angeschlossen sind, von welchen die eine Schleife eine Reihenschaltung
<Desc/Clms Page number 2>
einer Gleichspannungs-Speisequelle, eines Ventilelementes sowie eines Unterbrecherschalters enthält, wobei die andere Schleife eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Unterbrecherschalter,
aus einer weiteren Speisespannungsquelle und einem Kondensator bildet und eine Zuführung dieses Kondensators mit der einen Zuführung der Wicklung verbunden ist und die andere Zuführung des Kondensators an die andere Zuführung der Wicklung über einen parallel geschalteten weiteren Unterbrecherschalter und ein Ventilelement, z. B. über einen Gleichrichter, angeschlossen ist.
Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung werden anhand der Zeichnung näher erörtert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Erörterung der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung; Fig. la ein transistorenbestücktes Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 1 zur beschleunigten Ein- und Ausschaltung; Fig. 2 das Prinzipschema einer Abänderung der Schaltung, nach Fig. 1 und Fig. 2a die der Fig. 2 entsprechende Schaltungsanordnung.
Wie in Fig. 1 ersichtlich, leistet die Gleichstrom- Spannungsquelle UT 1 den Haltestrom und die Gleichstrom-Spannungsquelle UT2 den transienten Strom beim Einschalten. Die Spannung der Spannungsquelle UT2 ist jeweils grösser - vorteilhaft die 5- bis 10-fache der Spannung der Spannungsquelle UTl. In den Stromkreis sind auch die Wicklung L1 eines (nicht dargestellten) Elektromagneten, sowie ein Kondensator Ce, und Ventilelemente Dl, D2 (Gleichrichter), sowie K" K, eingefügt.
Zur Sicherung der einwandfreien Betätigung nehmen die Schalter K, und K3 drei Stellungen ein. Im ersten Fall ist Schalter K, offen und Schalter K3 geschlossen; in der zweiten Stellung sind beide Schalter geöffnet und in der dritten Stellung Schalter KI geschlossen und Schalter K3 geöffnet.
In ausgeschaltetem Zustand des Elektromagneten ist Schalter K, geöffnet und Schalter K3 geschlossen. Durch die Kontakte des letzteren Schalters bilden die Wicklung L, und der Kondensator Ce einen parallelen Schwingkreis. Für den ausgeschalteten Zustand ist es kennzeichnend, dass für den Kondensator C - die Wicklung L, eine harte Shuntwirkung repräsentiert, so kann der Sickerstrom des Gleichrichters D, den Kondensator C" nicht aufladen. Die Rolle des Gleichrichters D2 besteht übrigens darin, die Kurz- schlussicherung der Spannungsquelle UT2 zu besorgen.
In der ersten Phase der Einschaltung öffnet der Schalter K3, und nach einer Weile schliesst der Schalter K,. Die Spannungsquelle UT2 wird über den Kondensator C, an die Wicklung L, des Elektromagneten angeschlossen, in welcher nichtstationärer Strom erzeugt wird. In demselben Zeitpunkt wird die Spannungsquelle UT l über den Gleichrichter D2, welcher in Öffnungsrichtung für diesen Strom geschaltet ist, derart an die Wicklung L, des Elektromagneten angeschlossen, dass diese Stromrichtung mit der Richtung des nichtstationären Stromes übereinstimmt.
Demzufolge erscheint im Augenblick der Einschaltung die vollständige Hilfsspannung der Spannungsquelle UT2 an den Klemmen der Wicklung L,. Mit Verlauf der Zeit wird der Kondensator Ce aufgeladen, demzufolge sinkt die Spannung an den Klemmen der Wicklung L,. Sinkt der Pegel der Spannung, welche aus der Spannungsquelle UT2 stammt, an den Klemmen der Wicklung L, auf den Wert der Speisespannung der Spannungsquelle UTl, dann fängt an die Spannungsquelle UT 1 die Wicklung 1 zu speisen.
Nach kurzer Zeit besorgt den Strom der Wicklung ausschliesslich die Spannungsquelle UT1. In diesem Zeitpunkt ist der Kondensator C- auf den Differenzwert (UT2-UTl) der beiden Spannungsquellen aufgeladen. Diese Spannung wird bis zur Ausschaltung beibehalten.
Am Anfang der Ausschaltung öffnet der Schalter K, und ist auch der Schalter K3 noch immer im offenen Zustand. Der Gleichrichter Dl dient in dieser Periode zur Festhaltung der in der Wicklung L, entstehenden Selbstinduktionsspannung. Die Polarität des Gleichrichters wird derart gewählt, dass dieselbe für die in der Wicklung L, entstehende Selbstinduk- tionsspannung die Öffnungsrichtung bildet.
In der nächsten Phase der Ausschaltung schliesst der Schalter K3, demzufolge wird der aufgeladene Kondensator C, der Wicklung L, parallel geschaltet, und zwar derart, dass die Polarität mit der Polarität der Selbstinduktionsspannung übereinstimmt. Nachher wird der Kondensator C, durch die Wicklung L, des Elektromagneten entladen. Im überwiegenden Teil der Entladungsperiode entsteht infolgedessen in der Wicklung L, ein Strom, deren Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des Haltestromes ist. Infolge der Wirkung des Gegenstromes schaltet der Elektromagnet mit grosser Intensität ab.
Der Kondensator C, wird entladen, und dies ist die Bedingung für das Entstehen der entsprechenden beschleunigenden nichtstationären Stromintensität bei der nächsten Einschaltung.
Wie ersichtlich, erfolgt die Einschaltung des Elektromagneten mit Hilfe der Wicklung L, durch den nichtstationären Strom, und das Halten des Elektromagneten durch einen Haltestrom. Beim Ausschalten erzeugt der aufgeladene Kondensator Ce in der Wicklung L, einen Strom mit entgegengesetzter Richtung als die des Einschaltstromes und dies wirkt sich in der raschen Ausschaltung des Elektromagneten aus.
Werden die bekannten Lösungen mit der erfin- dungsgemässen Lösung verglichen, so können folgende Feststellungen gemacht werden: Die nachteilige Eigenschaft der bekannten Methoden liegt in dem Reihenwiderstand, welcher
<Desc/Clms Page number 3>
eine Dissipation von mehreren hundert Watt repräsentiert. Demzufolge ist die Anordnung dieser Einrichtungen in den elektrischen Schränken - z. B. bei Werkzeugmaschinen - mit grösseren Problemen verbunden, der Raumbedarf ist ebenfalls grösser, wobei ein überflüssiger Energieverbrauch entsteht.
Bei der erfindungsgemässen Anordnung wird kein Reihenwiderstand angewendet. Die Flankensteilheit des Einschaltstromes entsteht infolge des nichtstationären Stromes, welcher nur in der Periode der Einschaltung wirkt.
Bei den bekannten Methoden bildet die Ausschaltung eine Kompromisslösung, denn mit der Beschleunigung der Ausschaltung mittels einer Feder die Bedingungen für die Einschaltung nachteilig beeinträchtigt werden, da durch die Feder die Einschaltung gedämpft und infolgedessen verzögert wird.
Bei der erfindungsgemässen Lösung wird die Erzeugung des Gegenstromes in der Wicklung L1 des Elektromagneten einfach und wirtschaftlich gelöst, wobei allerlei Ausschaltungen mittels einer Feder überflüssig sind. Aus der Gegenstrom-Ausschaltung folgt, dass bei der erfindungsgemässen Lösung die erreichbare Anzahl der Schaltungen pro Sekundum höher liegt als bei den bekannten Lösungen.
In Hinsicht der Stromkreisanordnung können die Elektromagneten in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden.
1. Elektromagneten mit freic-n Wicklungsenden, bei welchen beide Zuleitungen der Wicklung ausgeführt sind, so dass an diese an beiden Seiten Stromkreiselemente angeschlossen werden können. Eine beispielsweise Anordnung der in diese Gruppe gehörigen erfindungsgemässen Lösung ist in Fig. la dargestellt.
2. In die zweite Gruppe gehören die Elektromagneten, bei welchen nur das eine Wicklungsende ausgeführt wird, wobei das andere Ende im Inneren der Wicklung, unlösbar auf Erdpotential gelegt ist. Folglich können zu diesem Punkt keine Stromkreisel mente angeschlossen werden. Die in diese Gruppe gehörige prinzipielle Lösung ist in Fig. 2 und eine beispielsweise praktische Verwirklichung in Fig.2a dargestellt.
Wie in Fig. 2 ersichtlich, kann diese Lösung insbesondere dann Anwendung finden, wenn nur ein Ende der Wicklung ausgeführt ist, wogegen das andere unzugänglich an den Körper gelötet ist. Das Wesen und das Prinzip der Wirkungsweise ist das gleiche, wie dies bei der Lösung gemäss Fig. 1 bereits erörtert wurde. Auch die Bezeichnungen sind die gleichen, doch mit dem Unterschied dass die Schalter K, und K, als zwei Kontakte eines Schalters angenommen werden können und zusammen arbeiten.
Dieser Umstand wurde durch eine gestrichelte Linie zwischen den beiden bezeichnet. L2 bezeichnet die Wicklung eines folgenden Elektromagneten, welche der Wicklung L1 entspricht und zu dieser gehört natürlich ein weiterer ähnlicher Beschleunigungsstromkreis, welcher aber nicht dargestellt wurde.
Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 ist die gleiche, wie bei derjenigen nach Fig. 1, doch mit dem Unterschied, dass in der Beschreibung anstatt des Schalters K1 die Schalter K1 und K2 erwähnt sind. Weitere Erörterung scheint überflüssig zu sein.
Die Ein- und Ausschaltelemente können durch metallische Kontakte, Elektronenröhren oder steuerbare Halbleitermittel oder andere bekannte steuerbare Schaltelemente gebildet werden.
In den dargestellten beispielsweisen Ausführungen wurden Lösungen mit Transistoren angewendet und für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen angewendet.
Die Einschaltung der Wicklung L1 des Elektromagneten mit beiden freien Wicklungszuführungen (Fig.la) wird durch einen Transistor Trl durch Steuerung mittels eines Potentials V1 gesichert. Die Ausschaltung erfolgt mittels des Transistors Tr3 durch Steuerung vom Steuerpunkt V3. Beim System mit gemeinsamem Wicklungsende (Fig.2a) dienen zum Einschalten der Wicklung L1 des Elektromagneten die Transistoren Trl und Tr2, die gleichzeitig ihre Steuerungen von den Steuerpunkten V1 bzw. V2 erhalten und praktisch als zwei Kontaktpaare eines Schalters (Schalter KI in Fig. 1) wirken.
Auch hier wird die Ausschaltung des Elektromagneten mittels eines Transistors Tr3, welcher die Steuerung von Steuerpunkt V3 erhält, vorgenommen. Im System mit gemeinsamen Wicklungsenden (Fig. 2a) dienen Transistor Trl zur Einschaltung des Haltestromes des Elektromagneten und Transistor Tr2 zur Einschaltung des Beschleunigungsstromes. Beim Vergleich der Figuren 1 und la ist klar ersichtlich, dass die Rolle des Schalters Kl durch den Transistor Trl und die des Schalters K3 durch den Transistor Tr3 übernommen wird.
Auf gleiche Weise entspricht die Fig.2a der Fig. 2, bzw. der Fig. la, mit dem Unterschied, dass anstelle des Transistors Trl die Transistoren Trl und Tr2 verwendet sind, wobei auch die entsprechenden ergänzenden Stromkreise vorgesehen sind.
Die Versorgung der Basen der Transistoren mit positiver Spannung erfolgt von einer Hilfsspannungs- quelle. Die zur Vorspannung dienenden Widerstände sind mit den Bezugszeichen Rl, R2, R3, R4 bezeichnet; im System mit gemeinsamen Wicklungsenden (Fig.2a) erhält Transistor Trl die positive Basisspannung von einem Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R5 und R6, welcher zwischen die positiven Polklemmen der Spannungsquellen UT 1 und UT2 geschaltet ist.
In Fig. la und 2a ist im Stromkreis des Transistors Tr3, welcher zur Schaltung des Gegenstromes dient, eine Schnellauslösesi- cherung Bn vorgesehen. Diese wirkt in jenen Fällen, wenn infolge einer fehlerhaften Steuerung die beiden Transistoren Tr2 und Tr3 zu gleicher Zeit Steuerspannung erhielten.
<Desc/Clms Page number 4>
Die in Fig. 2a dargestellte Wicklung L2 spielt keine Rolle in der Betätigung der beschriebenen Schaltungsanordnung und wurde nur zur Kennzeichnung des Systems dargestellt, damit ersichtlich sei, dass auf diese Weise auch mehrere Wicklungen, deren eine Ausführung in metallischer Verbindung geerdet ist, bei einer Einrichtung verwendet werden können.