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Elektromagnetischer Schrittantrieb zur geradlinigen Bewegung von Stangen-
oder rohrförmigen Bauteilen, insbesondere von Regel-oder Abschaltstäben eines Atomkernreaktors
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schrittantrieb zur geradlinigen
Bewegung von Stangen-oder rohrförmigen Bauteilen, insbesondere von Regel- oder Abschaltstäben
eines Atomkernreaktors, innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses, mit außen am Rohr
in gleichen Abständen angeordneten Magnetpolen und dazwischengehaltenen, einzeln
einschaltbaren Erregerspulen, von denen jeweils zwei benachbarte entgegengesetzt
gerichtete Magnetfelder erzeugen, und mit einem im Inneren des Rohres verschiebbar
angeordneten Stabteil mit gleichmäßig über seine Länge verteilten, als Anker für
die Magnetpole wirkenden Zähnen, dessen Länge - vorzugsweise um ein Vielfaches -
größer ist als die Bauhöhe der Magnetpole.
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Zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Bewegung ist es bekannt,
die Spulenwicklungen von Elektromagneten auf in gleichmäßigen Abständen in der Wandung
eines rohrförmigen Gehäuses aus magnetisierbarem Material angeordnete Nuten zu verteilen
und diesem Magnetsystem im Inneren des Gehäuses einen in gleichen Abständen mit
Nuten versehenen Stab als Anker zuzuordnen. Dabei hängt die Richtung der Ankerbewegung
von der Richtung des durch die Erregerwicklung fließenden Stromes ab. Die Größe
des Ankerhubes ist jedoch nicht beeinflußbar.
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Bei einer weiteren bekannten Anordnung dieser Art mit einem sägezahnartig
verzahnten Ankerstab sind jeweils zwei nebeneinanderliegende Wicklungen derart geschaltet
oder gewickelt, daß die magnetischen Flüsse in der zwischen ihnen liegenden Nutenwand
die gleiche Richtung haben und sich dementsprechend addieren.
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Der Anker einer weiteren bekannten Anordnung besteht aus einander
abwechselnden Abschnitten aus magnetisierbarem und nichtmagnetisierbarem Material.
Diesem Ankerstab sind drei einzeln einschaltbare Erregerspulen zugeordnet, die bei
Einschaltung in einem vorgeschriebenen Rhythmus den Ankerstab über seine ganze Länge,
die größer als die Bauhöhe der Magnetpole sein kann, in der einen oder anderen Richtung
weiterbewegen.
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Darüber hinaus sind elektromagnetische Schrittantriebe für die Bewegung
von Regel- oder Abschaltstäben in Atomkernreaktoren bekannt, bei denen axial bewegliche
Buchsen durch Reibungsschluß oder mit Hilfe von in einen genuteten Stab einrückbaren
Greifelementen an den zu bewegenden Bauteil gekuppelt werden. Zur Bewegung des Stabes
sind dabei Halte-, Hub- und Senkmagnete vorgesehen, die je nach Bewegungsrichtung
in einer vorgeschriebenen Folge ein- und ausgeschaltet werden müssen.
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Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag ist ein Elektromagnetsystem
zur Bewegung von Regelstäben in Kernreaktoren vorgesehen, bei dem am Außenumfang
eines Rohres eine Reihe von Elektromagneten aneinandergereiht sind und im Inneren
des Rohres ein in gleichmäßigen Abständen genuteter Ankerstab vorgesehen ist. Die
einzelnen einer doppelten Magnetpolteilung zugeordneten Erregerspulen, beispielsweise
fünf, werden jeweils durch fünf abgestufte Gleichströme erregt, deren Hüllkurve
einen sinusförmigen Verlauf hat. Alle Erregerspulen dieses Systems sind gleichzeitig
erregt. Durchläuft der der Sinuskurve entsprechende Maximalstrom nacheinander die
je zwei Polteilungen zugeordneten Spulen, so folgt der Anker dem dadurch entstehenden
magnetischen Wanderfeld synchron. Bei dieser Anordnung weichen die Teilungen der
Magnetpole und der Ankerzähne geringfügig voneinander ab, und zwar soll beispielsweise
die Gesamtlänge aller Zahnteilungen um eine Magnetpolteilung länger oder kürzer
als die Gesamtlänge der gleichen Anzahl von Magnetpolteilungen sein. Durch dieses
Verhältnis der Teilungen sollen die Nutenharmonischen in der axialen Zugkraft des
Elektromagnetsystems beseitigt und dadurch ein Hängenbleiben des Ankers infolge
übereinstimmender Magnetpol- und Zahnteilungen vermieden werden.
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Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber ein Elektromagnetsystem,
mit dem der zu bewegende Bauteil, der beliebig lang sein und einen beliebigen Querschnitt
haben kann, praktisch stoß- und infolgedessen abriebfrei feinstufig oder bei Bedarf
auch mit gleichmäßiger, relativ großer Geschwindigkeit über
seine
Gesamtlänge bewegt werden kann. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß die Magnetpolteilung und die Ankerzahnteilung derart unterschiedlich gewählt
sind, daß in jeder Stellung des Ankerstabes den vorhandenen Magnetpolen oder jeweils
einer Gruppe von n Magnetpolen eine Anzahl von n ± 1 Ankerzähnen angeordnet ist
und daß die Bewegung des Ankers nach beiden Richtungen bei fortlaufender Erregung
der Spulen, wobei jeweils mindestens eine eingeschaltet ist, unter sehr kleinen
Teilschritten nahezu kontinuierlich ist. Zur gleichmäßigen Weiterbewegung des Bauteiles
werden die Erregerspulen der Magnetpole, beispielsweise mit Hilfe einer Nockenschalteinrichtung
oder einer Transistorschaltung, in fortlaufender Folge nacheinander eingeschaltet.
Bei einmaliger fortlaufender Ein-und Ausschaltung der n Erregerspulen nacheinander
in einer Richtung wird der Bauteil nur um die kleinste Teilung (Zahnteilung bzw.
Polteilung) weiterbewegt durch Zuschaltung einer einzelnen Spule dementsprechend
um den n-ten Teil der kleinsten Teilung. Mit anderen Worten: Das Elektromagnetsystem
wirkt wie eine Untersetzung. Je nach Gewicht des zu bewegenden Bauteiles kann es
zweckmäßig sein, die Erregerspulen in mehrere Gruppen mit gleichlaufender Schaltfolge
einzuteilen und die jeweils einander entsprechenden Erregerspulen innerhalb der
einzelnen Gruppe gleichzeitig zu erregen. Mit besonderem Vorteil sind beispielsweise
vier Spulen jeder Gruppe gleichzeitig eingeschaltet. Die Einrichtung enthält nur
ein bewegliches Element, da der Bauteil funktionsmäßig aus aneinandergereihten,
der Zahnteilung entsprechenden Ankern besteht. Dabei ist zweckmäßigerweise der Regel-
oder Abschaltstab selbst als Ankerstab ausgebildet.
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An den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen und
Diagrammen soll die Erfindung im folgenden erläutert werden.
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Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung; F i g.
2 und 3 veranschaulichen Führungen für die Stange; F i g. 4 stellt eine »biegsame«
Stange dar; F i g. 5 bis 10 zeigen die Zuordnung von Verzahnungen mit verschiedener
Teilung zu den Magnetpolen; F i g. 11 zeigt eine andere Ausbildung der Verzahnung;
F i g. 12 stellt eine aus Rohrabschnitten zusammengesetzte Stange dar; F i g. 13
zeigt eine andere Anordnung der Elektromagnete; F i g. 14 und 15 zeigen Ausführungsbeispiele,
bei denen im Inneren der zu bewegenden Stange eine weitere, jedoch feststehende,
ebenfalls mit einer Verzahnung versehene Stange angeordnet ist; F i g. 16 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Hub- und Senkvorganges; F i g.
17, 1.8 und 19 sind Hubkraftdiagramme; F i g. 20 ist ein Schaltplan eines Nockenschaltwerkes;
F i g. 21 zeigt eine Verklinkung, die in die Verzahnung der Stange eingreift; F
i g. 22 ist ein Schaltprogramm.
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Bei dem in F i g. 1. dargestellten Ausführungsbeispiel ist an einem
Behälter 1 ein Druckrohr 2 angesetzt. Außen am Druckrohr ist ein Satz Elektromagnete
befestigt, der beispielsweise aus zehn Magnetspulen h bis ho und den zugehörigen
Magnetpolschenkeln 3, 4, 5 und den Jochen 6 besteht. Je zwei nebeneinanderliegende
Spulen sind so gestaltet oder gewickelt, daß die magnetischen Flüsse in dem gemeinsamen
Polschenkel 4, wie durch die Kraftlinien 7, 8 angedeutet, die gleiche Richtung haben.
Das Druckrohr 2 besteht aus magnetisierbarem, beispielsweise ferritischem Material
9, in das unmagnetische, beispielsweise austenitische Ringe 10 eingeschweißt sind.
Im Inneren des Duckrohres sind einander abwechselnde Teile aus magnetisierbarem
Werkstoff 11 und aus unmagnetischem Werkstoff 12
so angeordnet, daß
die magnetisierbaren Teile 11 zusammen mit den magnetisierbaren Ringen 9 des Druckrohres
die Polschenkel polschuhartig verlängern. Mit Hilfe der Teile 11, 12 ist es möglich,
die Magnetpole mit geringen Längentoleranzen anzuordnen, unabhängig davon, ob sich
das aus den Ringen 9, 10 zusammengesetzte Rohr verzogen hat, und sie an die
Form des im Inneren des Druckrohres angeordneten stangenförmigen Bauteiles 13 anzupassen.
Die Teile 11, 12 sind vorzugsweise ringförmig und daher allseitig leicht zu bearbeiten.
Sie können nach Art von Kolbenringen geschlitzt oder geschlossen sein. Die Stange
13 besteht im wesentlichen aus einem magnetisierbaren Werkstoff und ist mit einer
sich über den ganzen Umfang erstreckenden Verzahnung 14 versehen. Der Querschnitt
der Stange 13 ist vorzugsweise im wesentlichen ringförmig, kann aber eine beliebige
andere Form oder auch Hohlprofilform haben, beispielsweise Rechteckform, U-Form,
Doppel-T-Form. Im Inneren der hohlen Stange ist ein Neutronen absorbierender Stoff
15, z. B. Silber-Indium-Kadmium oder Bor, angeordnet, der gegebenenfalls auf der
Innenseite durch eine Stahlhülle 16 geschützt sein kann. Es ist aber auch möglich,
den Absorberwerkstoff in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Zähnen der Verzahnung
anzuordnen. Die sägezahnartige Verzahnung hat eine von der Zahl der Magnetpole abweichende
Zähnezahl, beispielsweise auf elf Magnetpole zwölf Zähne. Werden die Erregerspulen
der Magnetpole in fortlaufender Folge nacheinander eingeschaltet, so ergibt sich
ein gleichmäßiger Zugkraftverlauf an der Verzahnung, und die Stange wird gleichmäßig
weiterbewegt. Wie bei der Spule h angedeutet, schließen sich die beispielsweise
von dem unteren Polschenkel 3 ausgehenden Kraftlinien über das Joch 6, den Polschenkel
4, die einen Polschuh bildenden Teile 9, 11,
einen der als Anker dienenden,
der Teilung der Verzahnung entsprechenden Abschnitte und die Polschuhe 11, 9. Zur
Erhöhung der Zugkraft können weitere Elektromagnetsätze aus je zehn Magneten vorgesehen
sein, wobei die Erregerspulen der einzelnen Sätze in gleichlaufender Folge ein-
und ausgeschaltet werden. Zweckmäßig werden jeweils mehrere Erregerspulen von jeder
Gruppe, beispielsweise vier, gleichzeitig eingeschaltet. Zur folgerichtigen Einschaltung
der Spulen kann beispielsweise eine Nockenschalteinrichtung nach F i g. 20 verwendet
werden. Die Anzahl der Erregerspulen und damit die Zähnezahl der Verzahnung sowie
die Anzahl der Spulensätze ist im wesentlichen vom Gewicht des zu bewegenden Bauteiles
abhängig. Oberhalb und unterhalb des Elektromagnetsystems sind Rollen
42 für die Führung der Stange vorgesehen. Die Rollen laufen in die Verzahnung
durchbrechenden Längsnuten 17 (F i g. 2).
F i g. 3 zeigt eine andere
Art der Führung der Stange 13. An der Innenwand des Druckrohres 2 sind Führungsschienen
18 vorgesehen, die in Nuten 17 der Stange 13 eingreifen. Diese Anordnung
ist besonders zweckmäßig bei schräger oder waagerechter Lage des Druckrohres, das
sich in diesem Fall leicht durchbiegen kann. Damit die Stange einer solchen Durchbiegung
folgen kann, können senkrecht zu ihrer Achse auf gegenüberliegenden Seiten Schitze
19 versetzt angeordnet werden (F i g. 4). Die Nuten 17 in der Stange 13 können auch
wegfallen.
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Die F i g. 5 bis 1.0 zeigen verschiedene Versetzungsmöglichkeiten
zwischen den Zähnen der Verzahnung und den Magnetpolen. Die Breite m der Übertrittsflächen
an den Polen 20 und an den Zähnen 21 ist stets gleich, die Teilung der Verzahnung
verschieden. In F i g. 5 ist beispielsweise der Abstand a zwischen den einzelnen
Zähnen kleiner als der Abstand b zwischen den Magnetpolen (Raum für die Erregerwicklungen).
In F i g. 6 ist der Abstand a größer als der Abstand b, so daß also
nach F i g. 5 beispielsweise auf fünf Magnetpole sechs Zähne, nach F i g. 6 auf
fünf Zähne sechs Magnetpole entfallen bis jeweils ein Zahn wieder einem Magnetpol
genau gegenübersteht. Nach F i g. 7 ist die Teilung der Verzahnung so gewählt, daß
2 a -a- m kleiner als b ist, und nach F i g. 8 ist 2 a +
m größer als b. Die Versetzungen nach F i g. 9 und 10 entsprechen denen nach
F i g. 5 und 6, jedoch ist hier zwischen zwei Magneten jeweils ein Zwischenraum
c vorgesehen, der die gleiche Größe wie der Abstand a zwischen zwei Zähnen hat.
An Stelle der sägezahnartigen Verzahnung der F i g. 1 ist hier eine Verzahnung mit
nahezu rechtwinkligen Flanken gewählt worden.
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Zur Verringerung des Gewichtes der Stange kann auch eine Verzahnung
nach F i g. 11, die eine gleichmäßige Wandstärke für die Stange ergibt, gewählt
werden. Da die Stange in diesem Fall von innen bearbeitet werden muß, ist es zweckmäßig,
sie aus Rohrabschnitten 22 zusammenzusetzen und in der Mitte einen Haltestab 23
anzuordnen, der mit Hilfe von beispielsweise an den Stab und an die Enden der Stange
angeschweißten Endplatten 24 die Stange zusammenhält (F i g. 12).
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F i g. 13 zeigt eine den F i g. 9 und 10 entsprechende Anordnung,
bei der benachbarte Elektromagnete durch einen Zwischenraum 25 getrennt sind. Außerdem
sind für die Führung der Stange Ringe 26, 27 aus Hartmetall vorgesehen. Die Über-
; trittsflächen der Zähne 21 und der Polschuhe 9 sind beispielsweise verchromt oder
nitriert.
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Nach F i g. 14 und 15 ist im Inneren der Stange eine weitere, jedoch
feststehende Stange 28 angeordnet, die eine mit der Zahl der Magnetpole übereinstimmende
Verzahnung trägt. Dadurch kann das Gewicht der beweglichen Stange 13 noch weiter
herabgesetzt werden. Die magnetischen Kraftlinien schließen sich dann über die Zähne
21 der beweglichen Stange 13 und die Verzahnung der feststehenden Stange 28. Wie
F i g. 15 zeigt, können dann die zwischen den Zähnen 21 liegenden Abschnitte 29
aus nicht magnetisierbarem Material, beispielsweise aus austenitischem Borstahl,
hergestellt sein, da sie für den Rückschluß des Magnetflusses nicht mehr erforderlich
sind.
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In F i g. 16 ist die axiale Hubkraft P, die auf den als Tauchkernanker
wirkenden Verzahnungsabschnitt 32 von den Magnetpolen 31 der Spule
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ausgeübt wird, in Abhängigkeit von der axialen Auslenkung S dargestellt.
Die maximale Axialkraft wird etwa in der abgebildeten Stellung des Ankers 32 erreicht
und ist praktisch gleich Null, wenn die Übertrittsflächen der Zähne 21 und der Pole
genau voreinander stehen. Da die Erregerspulen der Magnetpole fortlaufend nacheinander
eingeschaltet werden, ergibt sich ein auf die Verzahnung der Stange wirkender Hubkraftverlauf
nach F i g. 17 (Hubkraft P in Abhängigkeit von der Schaltfolge F). Sind mehrere
Spulensätze mit gleichlaufender Schaltfolge vorgesehen, so ergibt sich durch Summierung
der Hubkräfte der einzelnen Spulensätze, beispielsweise 1, 1I, 11I, die in F i g.
1.8 dargestellte Kurve 33. Sind die unter sich gleichen Spulensätze I, 1I,
III durch einen Zwischenraum voneinander getrennt, so läßt sich eine Überlagerung
der Hubkräfte der Spulensätze erreichen, wie sie in F i g. 19 dargestellt ist. Infolge
dieser Überlagerung stellt sich ein fast gleichmäßiger Zugkraftverlauf 34 (F i g.
19) ein. Diese Überlagerung wird aber auch erreicht, wenn jeweils eine (vorzugsweise
die erste) Spule des zweiten, dritten usf. Spulensatzes etwas, beispielsweise 1.
mm, breiter ist als die anderen Spulen der Sätze.
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In F i g. 20 ist eine Nockenschalteinrichtung für die fortlaufende
Einschaltung der Spulen dargestellt. Auf einer von einem Motor 35 angetriebenen
Nokkenwelle 36 ist für jede Erregerspule ein Nocken 37 so angeordnet, daß beispielsweise
in einem Spulensatz jeweils vier Spulen gleichzeitig eingeschaltet sind. Für die
Spulen weiterer Sätze wiederholt sich die gleiche Schaltfolge, wie für die Spulen
Ih bis 115 angedeutet. Bei Einschaltung der Spule 15 werden gleichzeitig auch die
Spulen 11S, I115 usw. eingeschaltet und die Spulen h, Ih, IIh usw. ausgeschaltet.
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Unter gewissen Umständen, beispielsweise bei auf Schiffen eingesetzten
Atomreaktoren, kann es erforderlich sein, die Stange in ihrer Lage festzuhalten.
Zu diesem Zweck kann die in F i g. 21 schematisch dargestellte Verklinkungseinrichtung
verwendet werden. Eine Klinke 39 greift so in die Verzahnung der Stange 13 ein,
daß die Stange sich nicht in Richtung einer auf sie wirkenden Axialkraft, z. B.
Schwerkraft oder Federkraft, bewegen kann, in der anderen Richtung die Verklinkung
jedoch von Zahn zu Zahn aufheben kann. Die Klinke wird durch eine Feder
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in die Verzahnung gedrückt. Die Kraft der Feder 40
kann durch einen
Elektromagneten 41 ausgeschaltet werden. Natürlich kann die Verklinkung auch so
gewählt werden, daß die Klinke durch einen Elektromagneten eingerückt und durch
eine Feder ausgelöst wird.
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F i g. 22 zeigt ein Schaltprogramm für das Heben der Stange. In Ordinatenrichtung
ist die Einschaltdauer der Spulen, in Richtung der Abszisse sind die jeweils geschalteten
Spulen der Nummer nach aufgeführt. Wie ersichtlich, sind in diesem Beispiel jeweils
vier Spulen einer Gruppe gleichzeitig eingeschaltet. Zum Senken werden die Spulen
in umgekehrter Reihenfolge, beispielsweise beginnend mit Spule 10,
ein- und
ausgeschaltet.