DE1613101A1

DE1613101A1 - Electromagnetic drive

Info

Publication number: DE1613101A1
Application number: DE19671613101
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Peter Von Mathes
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1967-04-14
Filing date: 1967-04-14
Publication date: 1970-05-21

Description

Elektromagnetischer Antrieb Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb zum Erzeugen grosser Kräfte und hoher Beschleunigungen, bei dem eine Scheibe durch ein elektromagnetisches Feld bewegt wird.Electromagnetic drive The invention relates to an electromagnetic drive Drive for generating large forces and high accelerations, in which a disc is moved by an electromagnetic field.

Solche elektromagnetischen Antriebe werden z.B. angewendet für mechanische Steuerorgane von Veriegelungen, Sperren, Auslösungen und Ventilen.Such electromagnetic drives are used, for example, for mechanical Control organs of interlocks, locks, releases and valves.

Es sind elektromagnetische Antriebe bekannt, bei denen ein ferromagnetischer Anker in ein Magnetfeld hineingezogen wird. Dabei wirken die den Anker beschleunigenden Feldkräfte beim Einleiten der-Bewegung über einen relativ grossen Luftspait und sind deshalb in dem Zeitpunkt, da die grösste Kraft notwendig wäre, klein. Die erforderliche hohe Anfangsfeldstärke wird bei gegebener Geometrie des Magnetsystems, um aus Erwärmungsgründen den Erregerstrom kleinhalten zu können, durch eine hohe Windungszahl der Erregerspule erreicht. Diese hohe Windungszahl 'hat jedoch eine grosse Selbstinduktion zur Folge, welche die Erregungs- und Entregungszeit des Magneten über das für be- stimmte Anwendungsfälle zulässige Mass hinaus erhöht. Electromagnetic drives are known in which a ferromagnetic armature is drawn into a magnetic field. The field forces accelerating the armature act over a relatively large air gap when the movement is initiated and are therefore small at the point in time when the greatest force would be required. With a given geometry of the magnet system, the required high initial field strength, in order to be able to keep the excitation current small for heating reasons , is achieved by a high number of turns in the excitation coil . This high number of turns , however, results in a high level of self-induction , which increases the excitation and de-excitation time of the magnet beyond what is permissible for certain applications.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Antrieb sehr kleiner Eigenzeit zu schaffen, der diese Nachteile beseitigt und die Erzeugung grosser Beschleunigungskräfte er- möglicht. The invention has for its object to provide an electromagnetic actuator of very small operating time, which eliminates these drawbacks and the generation of large acceleration forces Made possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch mindestens eine, vorzugsweise mehrere räumlich getrennte Spulen zum Erzeugen von Schubkräften, die über eine Anfangsentfernung Null auf eine Scheibe wirken. Dadurch wird vorteilhafterweise gerade am Beginn der Bewegung im Vergleich zu bekannten elektromagnetischen Antrieben eine 100 bis 500 mal grössere Kraft erzeugt. Durch diese bei gleichem Aufwand um Zehnerpotenzen höhere Kraft werden selbstverständlich auch Reaktionszeiten erzielt, die beispielsweise 1/10o bis 1f500 vergleichbarer bekannter Anordnungen betragen. Deshalb ist der erfindungsgemässe elektromagnetische Antrieb auch zur Freigabe e mechanischer Verriegelungen von Reaktorsicherheitsstäben verwendbar.According to the invention , this object is achieved by at least one, preferably several spatially separated coils for generating thrust forces which act on a disk over an initial distance of zero. As a result, a force 100 to 500 times greater than that of known electromagnetic drives is advantageously generated precisely at the beginning of the movement. This force , which is higher by powers of ten with the same effort, of course also achieves reaction times which are, for example, 1 / 10o to 1f500 of comparable known arrangements . The electromagnetic drive according to the invention can therefore also be used to release mechanical locks of reactor safety rods.

Vorteilhafterweise wird die Energie zum Erzeugen der Schubkräfte einer auf die Spule zu schaltenden Xondensäarbatterie entnommen. Dabei können bei räumlich getrennter Anordnung mehrerer Schub- kräfte erzeugender Spulen ohne Störung des Bewegungsablaufes alle Spulen gleichzeitig an die Kondensatorbatterie geschaltet werden. ' Die durch das elektromagnetische Feld zu bewegende Scheibe zum Erzeugen von Schubkräften und als mittel zur Kraftübertragung besteht zweckmässigerweise mindestens teilweise aus elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, in dem durch'die Erregerspulen Stromwirbel induziert werden, deren Magnetfelder gemeinsam mit demjenigen der Erregerspule die Schubkraft erzeugen. Dabei ist es vorteilhaft, die aus Leitermaterial bestehende Scheibe zur Aufnahme und Weiterleitung der auf sie wirkenden Kräfte mit einer Scheibe aus einem Werkstoff hoher mechanischer Festigkeit zum Beispiel Stahl, zu verbinden und an ein stangenförmiges Verbindungselement anzuschliessen, auf dein auch min- . destens ein, vorzugsweise zwei-ferromagnetische er angebracht sind, die durch einen oder mehrere räumlich getrennt angeordnete Elektromagnete in vorbestimmten Endlagen festgehalten werden.The energy for generating the thrust forces is advantageously taken from a Xondensae battery to be connected to the coil. In this case can at spatially separated arrangement of several shear forces generating coil without interfering with the movement sequence, all the coils are switched simultaneously to the capacitor bank. The disc to be moved by the electromagnetic field to generate thrust forces and as a means of power transmission is expediently made at least partially of electrically highly conductive material, preferably copper, in which current vortices are induced by the excitation coils, the magnetic fields of which, together with those of the excitation coil , generate the thrust produce. It is advantageous to connect the existing of conductor material disc for receiving and forwarding the forces acting on them with a disc of a material of high mechanical strength, for example steel, and to connect to a rod-shaped connecting element, to your also min-. are least one, preferably it has two-ferromagnetic mounted, which are held by one or more spaced-apart electromagnets in predetermined end positions.

Die Spulen zum Erzeugen der Schubkraft werden bei einer speziellen Ausbildungsform des elektromagnetischen Antriebes in die axialen Stirnflächen des Hubraumes eingelassen, während die Elektromagnete zum Festhalten der Anker auf der dem Hubraum abgewandten Seite der Stirnflächen angeordnet sind. In a special embodiment of the electromagnetic drive , the coils for generating the thrust are embedded in the axial end faces of the displacement, while the electromagnets for holding the armature are arranged on the side of the end faces facing away from the displacement.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Hubraum durch eine zentrale Spule zum Erzeugen von Schubkräften in zwei Kammern unterteilt, in denen je eine aus Werkstoff guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit kombinierte Scheibe so befestigt ist, dass in jeder der zwei moglichen Endlagen jeweils eine der Scheiben an der Erregerspule anliegt. Bei einer anderen vorteilhaften Welterbildung der Erfindung befinden sich die Elektromagnete zum Festhalten der .Anker auf den Innenseiten der Stirnflächen des Hubraumes, so dass die Ankerscheiben zugleich auch zum übertragen der Schubkräfte auf die Schubetage verwendet werden, Es zeigen Fig. 1 einen elektromagnetischen Antrieb mit in die Stirnflächen des Hubraumes eingelassenen Schubspulen, Fig. 2 einen elektromagnetischen Antrieb mit zenträ ler Schubspule und ausserhalb des Hubraumes liegenden Elektromagneten und Ankern.In a further development of the invention the displacement is divided by a central coil for producing thrusts in two chambers, in each of which a good made of material of electrical conductivity and high mechanical strength k OMB inierte disc is mounted so that in each of the two possible end positions one of the disks is in contact with the excitation coil. In another advantageous Welter formation of the invention, the electromagnets are for retaining the .Anker on the inner sides of the end faces of the displacement, can be used so that the anchor plates at the same time for transmitting the thrust forces to the push floor, In the drawings Fig. 1 an electromagnetic drive with recessed in the end faces of the displacement thrust coil, Fig. 2 an electromagnetic drive with zenträ ler thrust coil and lying outside of the displacement electromagnet and anchors.

Fig. 3 einen elektromagnetischen Antrieb mit zentraler Schubspule und kombinierter Schub- und Ankerscheibe, Fig. 4 einen elektromagnetischen Antrieb mit Rückholfeder.3 shows an electromagnetic drive with a central thrust coil and a combined thrust and armature disk, FIG. 4 shows an electromagnetic drive with a return spring.

Der in Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Antrieb besteht aus zwei Schubspulen 1, die-in die Stirnflächen eines zylindri- schen Gehäuses 2 eingelassen sind, welches den Hubraum 3 umschliesst. Durch zentrische Bohrungen dieser Stirnflächen ist die Schubstange 4 geführt, mit der innerhalb des Hubraumes 3 eine Stahlscheibe 5 fest verbunden ist, an deren Ober- und Unterseite Kupferscheiben 6 angeschlossen sind. Auf den den Hubraum 3 abgewandten Seiten der Stirnflächen sind die Spulen 7 der Haltemagnete aufgesetzt, die ständig mit einer Spannungsquelle 8 verbunden sind, so dass immer einer der mit der Schub- stange 4 verbundenen Anker 9 angezogen ist und damit die Schub- stange 4 in einer vorbestimmbaren Lage festgehalten wird. Dabei liegt im Innern des Hubraumes 3 eine der Kupferscheiben 6 an der dem angezogenen Anker 9 abgewandten Seite auf der Schubspule 1. Wird nun der Schalter 1o kurzzeitig geschlossen, so fliesst ein Entladestromimpuls aus der Kondensatorbatterie 11 auf die Schubspulen 1. Durch die Stosserregung der Schubspulen 1 wird in der an einer derselben anliegenden Kupferscheibe 6 ein starker Sekundärstrom induziert und durch die strombegleitenden Magnetfelder eine sehr hohe, die Haltekraft zwischen d« Haltemagneten 7 und dem Anker 9 um ein mehrfaches übersteigende Schubkraft erzeugt, welche die Scheiben 5 und 6 mit der Schubstange 4 und den Ankern 9 in. die entgegengesetzte Endlege treibt wo sie von dem jetzt an dem Haltemagneten ? anliegenden Anker 9 festgehalten wird. The electromagnetic drive shown in FIG. 1 consists of two thrust coils 1 which are embedded in the end faces of a cylindrical housing 2 which encloses the displacement 3. The push rod 4 is guided through central bores in these end faces , with which a steel disk 5 is firmly connected within the displacement 3, and copper disks 6 are connected to the top and bottom. On the sides of the end faces facing away from the displacement 3 , the coils 7 of the holding magnets are placed, which are constantly connected to a voltage source 8, so that one of the armatures 9 connected to the push rod 4 is always attracted and thus the push rod 4 in is held in a predeterminable position . One of the copper washers 6 lies inside the displacement 3 on the side facing away from the tightened armature 9 on the thrust coil 1. If the switch 1o is now briefly closed, a discharge current pulse flows from the capacitor battery 11 to the thrust coil 1. By the shock excitation of the thrust coils 1 , a strong secondary current is induced in the copper disk 6 adjacent to it , and the magnetic fields accompanying the current generate a very high thrust force that exceeds the holding force between the holding magnets 7 and the armature 9 by several times, which the disks 5 and 6 with the push rod 4 and the anchors 9 in. The opposite end position is driving where it is from now on the holding magnet ? adjacent anchor 9 is held.

Dieser Bewegungsablauf wiederholt sich bei jeder Betätigung des Schalters 1o in jeweils umgekehrter Richtung. This sequence of movements is repeated in the opposite direction each time the switch 1o is actuated.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des elektronagnetischen Antriebes, der mit nur einer zwischen zwei Hubräumen 3 angeordneten Schubspule l arbeitet, wobei in jedem der Hubräume 3 eine Stahlscheibe 5 mit einer Kupferscheibe 6 so mit der Schubstange@4 verbunden ist, dass sich die Kupferscheiben auf der der Schubspule 1 zugewandten Seite befinden. Fig. 2 shows a further embodiment of the electronic magnetic drive, which works with only one thrust coil 1 arranged between two displacements 3 , a steel disk 5 with a copper disk 6 being connected to the push rod @ 4 in each of the displacements 3 so that the copper disks are connected on the side facing the thrust reel 1.

Fig. 3 zeigt eine geschlossene Ausführungsform des elektro-, magnetischen Antriebes bei dem die Spulen 7 der Haltemagnete in die Innenseiten der die Hubräume 3 begrenzenden Stirnseiten eingelassen sind und die der Kraftübertragung auf die Schub- stange 4 dienenden Stahlscheiben 5 gleichzeitig die Funktion der Anker der Haltemagnete übernehmen. 3 shows a closed embodiment of the electro- magnetic drive in which the coils 7 of the holding magnets are embedded in the insides of the end faces delimiting the displacements 3 and the steel disks 5 serving to transmit power to the push rod 4 simultaneously function as the armature of the Take over holding magnets.

In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel für eine ge- schlossene Ausführungsform des elektromagnetischen Antriebes dargestellt. Hier ist an der einen Stirnseite des Hubraumes 3 die Schubspule 1, an der anderen die Spule ? des Haltemagneten angeordnet. Die Rückführung der Schubstange 4 wird nach Ab- schalten des Erregerstromes des Haltemagneten 7 durch die Rück- holfeder 12 bewirkt. In FIG. 4, another exemplary embodiment for a closed embodiment of the electromagnetic drive is shown. Here is the thrust spool 1 on one end of the displacement 3 and the spool on the other? of the holding magnet arranged. The return of the push rod 4 is brought about by the return spring 12 after the excitation current of the holding magnet 7 has been switched off.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen nsbeapndere darin, dann nach sehr kleiner im Mikrosekundenbereich liegender Verzögerung mit kleinem Aufwand sehr grosse Kräfte und hohe Anfangsbeschleunigungen erzielt werdet. Die sehr kleine Eigen- zeit des elektromagnetischen Antriebes nach der Erfindung e;möglicht dessen Einsatz in Anlagen, deren Betriebssicherheit in hohem Masse von der schnellen Reaktion seiner überwaehungseinrichtu,-%#p,n abhingt. So wird insbesondere auch die elektromechanis4..;rie- iiunidF)ung der Verriegelung von Reaktoreieherheit.sstäben ermöglicht. The advantages achieved with the invention consist in the fact that, after a very small delay in the microsecond range , very large forces and high initial accelerations can be achieved with little effort. The very short proper time of the electromagnetic drive according to the invention enables it to be used in systems, the operational reliability of which depends to a large extent on the rapid reaction of its monitoring device -% # p, n. In particular, this also enables the electromechanical locking of the reactor unit rods.

Claims

Claims: (1) -glektromagnetischer drive, is moved by an electromagnetic field in which a disc, characterized by min- least a force acting on the disc via an initial distance zero shear forces generating coil. 2. Electromagnetic drive according to Änspruch 1, characterized by a capacitor battery which supplies the energy for generating the thrust forces and is to be switched onto the coil. 3. Electromagnetic actuator according to claim 1 and 2, characterized by several, preferably two, at least partially of electrically good conductive; Material, preferably copper, existing disks for generating shear forces and as a means for power transmission. 4. Electromagnetic actuator according to one or more of claims 1 to 3, characterized by one or more of materials of good electrical conductivity and high mechanical sturdiness constructed slices. 5. Blektromagnetischer drive, according to one or more of claims 1 to 4 durch.ein at least preferably two ferromsgnetische armature and at least one disc testify to ER- a binding member, thrust forces mutually zuordnendes rod-shaped encryption. 6. Electromagnetic drive according to one or more of claims 1 to 5, characterized by one or more spatially separated electromagnets for holding an armature in a predetermined end position. 7. Electromagnetic actuator according to one or more of the claims i to check! 6, characterized by one or more of the stroke limiting space, the thrust forces generating coils. 8.Slektromagrietischer drive according to one or more of the claims 1 to 7, -characterized by an arranged in the central plane of the. Cubic capacity , which generates the thrust . Kitchen sink.