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Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Heber und insbesondere einen Heber mit Elektropermanentmagneten, der auch an ferromagnetischen Materialien bei hohen Temperaturen von bis zu 600–650°C wie etwa Rohlingen, Vorblöcken, Brammen und ähnlichen Stahlwerkprodukten sicher arbeiten kann.
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Es ist bekannt, dass magnetische Heber in Abhängigkeit von dem Typ der genutzten Magneten, d. h. Permanentmagneten, Elektromagneten und Elektropermanentmagneten, in drei Klassen unterteilt werden, wobei jeder Typ von Magneten seine eigenen Vor- und Nachteile besitzt.
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Die Heber mit Permanentmagneten haben den Vorteil eines nahezu vernachlässigbaren Leistungsverbrauchs und einer erzeugten Magnetkraft, die zuverlässig konstant und unabhängig von äußeren Versorgungsquellen ist. Andererseits ist es nicht möglich, die Magnetkraft bei Bedarf zu erhöhen, und zudem sind die Magneten zum Anheben schwerer Lasten zunehmend sperrig. Darüber hinaus erfordert das Lösen der Last die Anwendung einer beträchtlichen mechanischen Leistung, um zwischen dem Heber und der Last einen Luftspalt zu erzeugen, der groß genug ist, um die Magnetkraft auf einen kleineren Wert als das Lastgewicht zu verringern. Alternativ müssen die Magneten beweglich gemacht werden, sodass sie von der Last wegbewegt werden können, was somit die magnetische Anziehung verringert.
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Eine nochmals andere Anordnung zum Lösen der Last von dem Heber mit Permanentmagneten ist in
FR 2616006 offenbart, worin der Heber einen zentralen Eisenkern enthält, der durch ein Paar durch Eisenschuhe befestigter Permanentmagnetblöcke eingeschlossen ist, die seitlich mit Verstärkungsplatten verbunden und durch seitliche Pole abgeschlossen sind, wobei an dem zentralen Kern eine oder mehrere Kompensatorspulen angeordnet sind, wobei sich an einem Paar von Führungsstiften, die von mechanischen Kraftsensoren umgeben sind, eine obere Gleitabdeckung bewegt.
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In der Praxis wird mittels eines durch die Kompensatorspule(n) erzeugten Magnetflusses der durch die Permanentmagneten erzeugte Magnetfluss entweder in der Last aufgehoben und in der Abdeckung verdoppelt, um die Last zu lösen, oder in der Abdeckung aufgehoben und in der Last verdoppelt, um die Last zu befestigen, während sich die Gleitabdeckung von den Magneten wegbewegt.
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Im Gegensatz dazu ist es in den Hebern mit Elektromagneten möglich, die Magnetkraft durch einfaches Einstellen des Stroms, der in den Wicklungen fließt, die das Magnetfeld erzeugen, frei zu variieren. Allerdings bricht irgendeine Unterbrechung der Leistungsversorgung, selbst wenn sie sehr kurz ist, die Magnetkraft sofort ab und veranlasst sie somit, dass sich die Last löst. Somit sind offensichtlich Sicherheitssysteme, die die ununterbrochene Versorgung sicherstellen, wesentlich.
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Die Heber mit Elektropermanentmagneten überwinden die Hauptnachteile der zwei oben beschriebenen Typen von Hebern erfolgreich, indem sie Permanentmagneten mit fester Polarisation mit Permanentmagneten eines umkehrbaren Typs, d. h. mit Magneten, in denen die Polarisation durch das Anlegen eines elektrischen Impulses leicht umgekehrt wird, kombinieren. Wenn die Polarisation der magnetischen Massen, fest und umkehrbar, zu einer Nord-Süd-Nord-Süd-Folge führt, wird der Magnetfluss innerhalb des Hebers kurzgeschlossen, was den Letzteren somit funktionsunfähig macht, während sich der Magnetfluss teilt und er durch die Polschuhe in das zu bewegende ferromagnetische Material geht und der Heber somit funktionsfähig ist, wenn die Polarisation der umkehrbaren Magneten entgegengesetzt, d. h. parallel Nord-Süd-Süd-Nord, ist. Somit erzeugt der umkehrbare Magnet einen einstellbaren Magnetfluss, der ebenfalls den Fluss eines damit kombinierten herkömmlichen nicht umkehrbaren Permanentmagneten so lenken kann, dass die zwei Magneten kurzgeschlossen werden, wenn der Heber deaktiviert werden soll, oder parallelgeschaltet werden, um den Heber zu aktivieren.
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Da nur ein elektrischer Impuls, aber keine ständige Versorgung notwendig ist, um den umkehrbaren Magneten umzukehren, werden die Sicherheitsprobleme, die Elektromagneten betreffen, verhindert. Obgleich Permanentmagneten verwendet werden, ist es gleichzeitig möglich, die Magnetkraft innerhalb bestimmter Grenzwerte zu variieren, und ist die Lastlösung mit minimalem Leistungsverbrauch und ohne komplexe Strukturen zum Bewegen der Magneten leicht auszuführen.
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Allerdings haben die Heber mit Elektropermanentmagneten, die bis heute hergestellt werden, erhebliche Benutzungsbeschränkungen, sofern die Temperatur des Materials betroffen ist, das sicher gehoben werden kann. Tatsächlich werden die umkehrbaren Magneten üblicherweise aus einer Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierung (Alnico) hergestellt, die einen Curie-Punkt von etwa 800°C aufweist, während die Magneten mit fester Polarisation aus Neodym oder Ferrit hergestellt werden, das einen Curie-Punkt von etwa 310°C bzw. 450°C aufweist. Das heißt, dass Heber mit Elektropermanentmagneten aus Alnico-Neodym an Ferritmaterialien bei Temperaturen von höchstens 150–200°C problemlos arbeiten, während jene mit Magneten aus Alnico-Ferrit an Materialien bis zu 350–400°C arbeiten können.
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Ein weiterer Nachteil der Heber mit Elektropermanentmagneten ist, dass der Arbeitspunkt der aus Neodym oder Ferrit hergestellten festen Magneten in der Nähe der oben erwähnten Maximaltemperaturen gelegen ist, wo das Restkoerzitivfeld nicht ausreicht, um den Alnico-Umkehrimpuls während der Aktivierungsphase des Hebers auszuhalten. Tatsächlich wird angemerkt, dass der durch die Alnico-Umpolspulen erzeugte Magnetfluss während dieser Phase entgegengesetzt zu der Polarisation der Neodym- oder Ferritmagneten orientiert ist, wobei dann, wenn die Restkoerzitivfelder in diesem Moment kleiner als das durch die Spulen erzeugte Gegenfeld sind, dies in den Neodym- oder Ferritmagneten eine allmähliche, aber irreversible Verringerung ihrer intrinsischen magnetischen Energie verursacht, was den somit hergestellten Heber gefährlich und unbrauchbar macht.
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Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heber mit Elektropermanentmagneten zu schaffen, der die oben erwähnten Nachteile überwindet. Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Hebers, der mit Magneten mit fester Polarisation versehen ist, die aus einer Samarium-Cobalt-Legierung hergestellt sind, die einen Curie-Punkt von etwa 770°C und ein Restkoerzitivfeld, das den Alnico-Umkehrimpuls selbst dann auszuhalten kann, wenn der Heber an Materialien bei hohen Temperaturen bis zu 600–650°C arbeitet, aufweist. Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Hauptvorteil dieses Hebers ist somit, dass er den Bereich der Betriebstemperaturen bis auf Werte, die viel höher als jene sind, die mit gegenwärtigen Hebern mit Elektropermanentmagneten erreicht werden können, wesentlich erhöhen kann.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil des Hebers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird durch die maximale Betriebssicherheit geschaffen, die dank der Fähigkeit der festen Magneten, die Umkehrimpulse der umkehrbaren Magneten auszuhalten, sichergestellt wird.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften des Hebers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf dem Gebiet aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer Ausführungsform davon mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen klar, in denen:
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1 eine Querschnittsansicht entlang der Mittelebene eines Hebers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in dem funktionsunfähigen Zustand ist;
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2 eine Draufsicht des Hebers aus 1 ist, wobei einer der Magnetpole im Längsschnitt gezeigt ist; und
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3 eine Vorderansicht des Hebers aus 1 mit einem geschnittenen Abschnitt, um einige Inneneinzelheiten zu zeigen, ist.
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Anhand dieser Figuren ist zu sehen, dass ein Heber mit Elektropermanentmagneten in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herkömmlich eine externe Lagerstruktur, mehrere Elektropermanentmagneten und eine Einstell- und Steuerschaltung enthält.
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Die Lagerstruktur besteht aus einer oberen Abdeckung 2, die mit Kopplungen für die Verbindung mit Hubmitteln (z. B. einem Kran) versehen ist, zwei Seitenplatten 3, zwei Stirnplatten 4 und einer unteren Verschlussplatte, die mit einer Wärmeabschirmung 9 versehen ist, um die Magneten vor der durch die anzuhebenden heißen ferromagnetischen Materialien abgestrahlten Wärme zu schützen. Um den magnetischen Widerstand des Magnetkreises zu minimieren, ist die Struktur offensichtlich ebenso wie die Magnetkreispole 1 und die Pol-schuhe 5, die möglicherweise daran angebracht sind und unter der Verschlussplatte vorstehen, aus magnetisch hoch leitfähigen Materialien, üblicherweise Kohlenstoffweichstahl, hergestellt.
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Jeder der Elektropermanentmagneten enthält einen umkehrbaren Magneten 6, der auf einem Pol 1 und in Kontakt damit angeordnet ist, und einen Magneten 7 mit fester Polarisation, der durch mehrere Blöcke gebildet ist, die entlang der Seitenflächen des Pols 1 angeordnet sind. Um den umkehrbaren Magneten 6 ist eine Umwandlungsspule 8 angeordnet, die die Umkehr ihrer Polarisation steuert, um zwischen dem Zustand eines funktionsunfähigen Hebers, die in 1 dargestellt ist, mit den Polen in Reihe, Nord-Süd-Nord-Süd, und dem Zustand eines funktionsfähigen Hebers mit den Polen parallel, Nord-Süd-Süd-Nord, zu wechseln.
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Jeder Pol 1 ist durch vier Stäbe, die durch den umkehrbaren Magneten 6 gehen und durch Muttern in geeigneten Sitzen gehalten sind, die in der Abdeckung 2 gebildet sind (siehe 2, 3), an der Abdeckung 2 befestigt, während die möglichen Polschuhe 5, die dafür bestimmt sind, einen Kontakt mit der zu hebenden Last herzustellen, durch Schrauben an den Polen 1 befestigt sind (siehe 1).
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Die Einstell- und Steuerschaltung enthält vorzugsweise eine Vorrichtung
10 des Typs, der in
EP 0929904 B1 beschrieben ist, deren Inhalt hier durch Literaturhinweis eingefügt ist. Kurz gesagt enthält die Vorrichtung für jede Polarität einen ersten Magnetsensor, der in der Nähe des Fußes des Pols
1 angeordnet ist, und einen zweiten Magnetsensor, der zwischen dem festen Magneten
7 und dem umkehrbaren Magneten
6 angeordnet ist, um im Wesentlichen nur den Magnetfluss zu messen, der durch den umkehrbaren Magneten
6 geht, sowie eine Steuerschaltung zum Verarbeiten der durch die Magnetsensoren gesendeten Signale (in den Zeichnungen nicht gezeigt) und zum Erhalten des Arbeitspunkts des Hebers auf der Magnetisierungskurve des umkehrbaren Magneten
6.
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Die obige Vorrichtung 10 stellt während einer beliebigen Hebe- und Transportoperation absolute Sicherheit sicher, indem geprüft wird, dass die Summe der reversiblen Verluste der magnetischen Massen 6, 7 und der Abnahme der Permeabilität des ferromagnetischen Magnetkreises des Hebers und insbesondere des zu hebenden heißen Materials weiterhin ermöglicht, dass der Heber den Hubsicherheitskoeffizienten gemäß der Norm EN 13155 (oder einer anderen ähnlichen Norm, die in anderen Ländern angewendet wird) erfüllt.
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Eine solche Vorrichtung 10 überwacht außerdem die Effizienz der Spulen 8, die vorzugsweise aus einem Aluminiumstreifen oder aus einem Kupferstreifen hergestellt sind, um ihr Volumen zu minimieren und um die Gesamtableitung wegen der Joule'schen Wirkung zu optimieren. Die Spulen 8 sind so ausgelegt, dass sie mit Umkehrimpulsen, die entweder einen konstanten Strom oder eine konstante Spannung aufweisen, richtig arbeiten können, obgleich es angesichts der kritischen Betriebsbedingungen einer hohen Temperatur des Materials bevorzugt ist, eine Vorrichtung mit konstantem Strom zu verwenden.
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Die Einstell- und Steuerschaltung nutzt ebenfalls die Signale der doppelten Wärmesonden 11, die in jedem Pol 1 verlaufen. Die erste Reihe von Sonden 11 gibt einen ersten Temperaturschwellenwert an, der es ermöglicht, die letzten programmierbaren Operationen auszuführen, während die zweite Reihe von Sonden 11 einen zweiten Pegelschwellenwert prüft, der sicherstellt, dass es möglich ist, die letzte Operation sicher auszuführen und zu der programmierten Kühlung des Hebers überzugehen.
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Nunmehr übergehend zu den spezifischen neuen Aspekten des vorliegenden Hebers sind die festen Magneten 7 gesinterte Samarium-Cobalt-Magneten mit einem Curie-Punkt gleich etwa 770°C, während die umkehrbaren Magneten 6 vorzugsweise aus einem Alnico-Legierungstyp VDG oder VDGS mit einem Curie-Punkt von etwa 850°C hergestellt sind. Insbesondere werden die umkehrbaren Magneten 6 dadurch hergestellt, dass sie auf eine Temperatur von etwa 500°C gebracht werden und daraufhin langsam abkühlen gelassen werden, um die für die Magnetlegierungstypen typischen irreversiblen Verluste von gleich etwa 2% aufzuheben, um Ungleichgewichte während des Betriebs des Hebers zu verhindern, da er an heißen Materialen arbeiten muss.
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Für ein optimales Betriebsgleichgewicht stellt der vorliegende Heber vorzugsweise außerdem spezifische Dimensionsverhältnisse zwischen den magnetischen Alnico- und SmCo-Massen eines einzelnen magnetischen Nord-Süd-Dipols bereit. Genauer umfasst das Verhältnis der Länge der in 1 dargestellten magnetischen Massen 2R/P vorzugsweise zwischen 2,5 und 3, während das Verhältnis des Querschnitts der magnetischen Massen zwischen 0,84 und 0,88 umfasst.
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Es wird angemerkt, dass das Längenverhältnis gleich 2R/P ist, da die umkehrbaren Magneten 6 in Reihe geschaltet sind, während die verschiedenen Blöcke, die die festen Magneten 7 ergeben, parallelgeschaltet sind, und dass umgekehrt aus demselben Grund das Abschnittsverhältnis unter Berücksichtigung des Abschnitts nur einer der umkehrbaren Magneten 6, aber beider fester Magneten 7 berechnet wird (wobei das in 2 sichtbare Alnico/SmCo-Abschnittsverhältnis tatsächlich das Doppelte des realen Verhältnisses ist).
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Außerdem schafft der Betrieb des oben erwähnten Hebers ein Betriebsverfahren, das die Besonderheit der für die Magneten 6, 7 verwendeten magnetischen Materialien und die hohe Temperatur des zu hebenden Materials berücksichtigt.
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Insbesondere schafft das Arbeitsverfahren in einem kartesischen Diagramm, das die Magnetisierungskurve der Magneten 6, 7 zeigt, die das Verhältnis zwischen der remanenten Induktion Br und der Stärke des Koerzitivfelds Hc angibt, das Identifizieren eines Arbeitspunkts in einem kritischen Moment innerhalb eines spezifischen Bereichs von Werten. Der kritische Moment ist als der Bemessungszustand gemeint, bei dem das zu hebende Material auf der maximal vorhergesehenen Temperatur von 600–650°C ist und den maximalen Betriebsluftspalt bietet und bei dem gleichzeitig der Elektropermanentmagnet die maximale Betriebstemperatur erreicht hat, d. h., bei dem die Wärmesonden 11 der zweiten Ebene kurz davor stehen einzugreifen.
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In dieser bestimmten Situation muss der Wert des Alnico-Br/Hc-Verhältnisses zwischen 10 und 15 aufweisen und muss gleichzeitig der Wert des Samarium-Cobalt-Br/Hc-Verhältnisses zwischen 1 und 2 aufweisen. Wenn das Samarium-Cobalt-Br/Hc-Verhältnis innerhalb dieses Bereichs gehalten wird, sichert dies nicht nur die Effizienz des Elektropermanentmagneten, wenn Hochtemperaturmaterial gehoben wird, sondern vermeidet es auch, dass die Stärke des Felds, während durch die Spule 8 der Alnico-Umkehrimpuls erzeugt wird, anders als die Polarisation des festen SmCo-Magneten 7 nahe bei den für die magnetische Verbindung typischen Werten des Koerzitivfelds (Hc) ankommt, um seine Betriebsintegrität im Zeitverlauf sicherzustellen.
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Ein Heber mit so hergestellten und betriebenen Elektropermanentmagneten ist somit in der Lage, Materialien wie etwa Rohlinge, Vorblöcke, Brammen usw. bei einer Temperatur von 600–650°C sicher zu bewegen, und ist für den Entladebetriebszyklus der Kühlplatten geeignet, die sich bei dem Auslass der Warmwalzstraße in einem Stahlwerk befinden.
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Offensichtlich ist die oben beschriebene und dargestellte Ausführungsform des Hebers in Übereinstimmung mit der Erfindung nur ein Beispiel, das verschiedene Änderungen zulässt. Insbesondere können die genaue Anzahl, Form und Anordnung der magnetischen Polaritäten in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung variieren, indem anstelle der in der vorliegenden Ausführungsform dargestellten zwei magnetischen Dipole z. B. ein Heber mit einem einzelnen magnetischen Dipol oder mit drei oder mehr magnetischen Dipolen vorgesehen ist.
