DE19649227C1 - Lasthebe- und/oder Separationsmagneteinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lasthebe- und/oder Separationsmagneteinrichtung insbesondere für mobile, mit Verbrennungsmotor versehene Bagger oder Arbeitsgerätschaften, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Elektromagneten, einer Schalteinrichtung sowie einer elektrischen Energiequelle, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Anwendungsbereich bzw. das Feld der vorliegenden Erfindung betrifft Magnet­ systeme für den mobilen Einsatzbereich. Dabei kann es sich entweder um Lasthebe­ magneten oder sogenannte Separations- oder Abscheidemagneten handeln, die an Baggern oder anderen Arbeitsgerätschaften mobiler Art angehängt werden. Lasthebemagneten dienen meist für den Schrottumschlag.

Ausgangspunkt ist hierbei, daß im bekannten Stand der Technik beim Mobileinsatz von Magneten einer Baugröße von etwa 1000 mm Durchmesser üblicherweise dieselben bei einer Spannung von ca. 230 Volt Gleichspannung, bzw. pulsierender Gleichspannung, betrieben werden. Auszugehen ist dabei in den meisten Fällen von Baggern oder mobilen Arbeitsgerätschaften, die mit einem Verbrennungsmotor versehen sind. (vgl. GB-Z: Mechanical Handling, Jan. 1966, S. 14).

Dabei wird die erforderliche Gleichspannung von der Größe von etwa 230 Volt durch einen separaten Gleichspannungsgenerator erzeugt, der in Verbindung mit dem Antriebsaggregat steht. Das Antriebsaggregat ist im übrigen nicht nur für die Verfahrbarkeit des Baggers oder der Arbeitsgerätschaft vorgesehen, sondern auch zur Erzeugung hydraulischer, pneumatischer oder hydropneumatischer Energie. Diese wird in entsprechenden Antriebselementen wie Arbeitszylindern oder dergleichen benötigt. Die genannten separaten Gleichspannungsgeneratoren her­ kömmlicher Art unterliegen in der abgegebenen oder abgebbaren Spannung einer starken Drehzahlabhängigkeit des Antriebsaggregates. Von daher ist die verfügbare Spannung ohnehin nicht konstant oder es erfordert ein permanentes, nahezu Vollgasfahren des Antriebsaggregates. Zuweilen werden Bagger zur Aufrechterhaltung der vollen Druckmittelenergie tatsächlich nahezu Vollgas gefahren. Dies hat jedoch zur Konsequenz, daß eine enorme Menge Treibstoff auch dann verbraucht wird, wenn eine Vollverfügbarkeit hydraulischer Energie bei bestimmten Arbeitsgängen nicht notwendig ist.

Die Magnetsysteme bekannter Bauart sind jedoch darauf ausgelegt, ihren effizienten Arbeitspunkt nur bei Erreichen der Nennspannung zu haben. Von daher ist man bei bekannten Magneteinrichtungen darauf angewiesen, den Gleichstromgenerator bei nahezu der vollen möglichen Drehzahl des Antriebsaggregates zu fahren.

Die Magnete sind in bekannter Bauart bei einer Leistung von ca. 5 kW mit einer Windungszahl von etwa 2000, bei einem verwendeten Leitungsquerschnitt von ca. 11 Quadratmillimeter, realisiert. Um diese Leistung in etwa bewerkstelligen zu können, müssen bei der angegebenen Nennspannung etwa 22 Ampere fließen. Magnete dieser Art sind aus einem sogenannten Bandleiter aus Aluminium gewickelt. Dadurch entsteht eine sehr kompakte Bauform die aufgrund der sich ergebenden Stromdichte auf Dauer Wärme erzeugt. Beim Einsatz bekannter Magneten spricht man daher von einer technischen Größe, der sogenannten Einschaltdauer. Ausgehend von 100%, was bedeutet, der Magnet wäre dauereingeschaltet, sind hierbei aufgrund entstehender Wärme nur maximale Einschaltdauern möglich, die deutlich unter 100% liegen bzw. liegen müssen. Die Tatsache, daß diese bekannten Magnetsysteme bei Nennleistung betrieben werden, bedingt auch die Notwendigkeit, daß mit den oben genannten Nachteilen auch stets die Nennspannung über den separaten Gleichstromgenerator bereitstehen muß. Dies bedingt jedoch Vollgasbetrieb, mit den bereits beschriebenen Nachteilen. (vgl. DE-Z: Industrie-Anzeiger, 101. Jg. Nr. 6, vom 19.01.1997, S. 10, 11).

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile eines sonst üblichen separaten Gleichspannungsgenerators zu vermeiden und die Einschaltdauer wesentlich zu erhöhen, und dies unter den geo­ metrischen Bedingungen zu realisieren, daß die Abmessungen des Magneten im Hinblick auf die bekannten Gehäusebaugrößen weitestgehend unverändert bleiben.

Die Aufgabe wird bei einer Lasthebe- und/oder Separationsmagneteinrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Durch die Erfindung entfällt der separate Gleichspannungsgenerator. Die Energie­ versorgung des Elektromagneten wird durch die bordeigene Lichtmaschine bewerk­ stelligt. Dadurch wird nunmehr nur noch eine Nennspannung von üblicherweise 24 V erreicht. Dafür ist der Elektromagnet nun auszulegen.

So ist beispielsweise in vorteilhafter Ausgestaltung angegeben, daß die Spule des Elektromagneten niedervoltig auf die verfügbare Spannung der bord­ eigenen Lichtmaschine derart ausgelegt ist, daß der Bauraum innerhalb des Elektro­ magnetgehäuses, gemessen an der Baugröße herkömmlicher, höhervoltig ausgelegter Magnete, geometrisch äquivalent ausgefüllt wird, indem eine deutlich kleinere Windungszahl aber ein überproportional größerer Leiterquerschnitt des Bandleiters der Magnetspule gewählt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Leiterquerschnitt im Hinblick auf die genannten geometrischen Bedingungen derart überproportional gewählt ist, daß die sich aus dem erreichten Produkt Stromstärke mal Windungszahl und dem Querschnitt ergebende maximale Stromdichte kleiner als 1 Ampere pro Quadratmillimeter, bei Aluminium als Leitermaterial ist. Durch die weit überproportionale Vergrößerung des Querschnittes der einzelnen Leitungswindungen, wobei gleichzeitig auch die Windungszahl in entsprechender Weise herabgesetzt wird, wird eine deutliche Reduzierung des ohmschen Widerstandes erwirkt. Dies reduziert die Stromwärme fast auf Null. Alle diese elektrisch bedingten Abhängigkeiten müssen auch der geometrischen Bedingung genügen, in Elektromagnetgehäusen der üblichen Baugröße, nämlich der von beispielsweise 220 Volt Elektromagneten ebenso raumfüllend hineinzupassen. Insofern müssen die elektrischen sowie auch geometrischen Bedingungen kumulativ erfüllt werden.

Bei einem eingangs als bekannt dargestellten Elektromagneten, welcher bei einer Betriebsspannung von 230 Volt Gleichspannung betrieben wird, ergibt sich bei den üblichen Bauformen von etwa 1000 bis 1100 mm Durchmesser eine maximale Einschaltdauer von 60%, d. h., ein Magnet der bekannten Bauart darf bei weitem nicht im Dauerbetrieb, d. h. bei 100% Einschaltdauer betrieben werden.

Im Vergleich dazu erreicht die erfindungsgemäße Einrichtung in dieser Ausgestaltung aufgrund des völlig überproportionierten Leitungsquerschnittes eine Einschaltdauer von zwischen 95 und 100%, d. h. dieser Magnet kann aufgrund der verschwindenden Wärmeentwicklung nahezu auf Dauer eingeschaltet bleiben, sogar ohne dabei zusätzliche Kühlelemente verwenden zu müssen.

Ein weiterer Aspekt, der sich als enormer Vorteil ergibt, ist die Tatsache, daß die bord­ eigenen Lichtmaschinen von beispielsweise Mobilbaggern in der Regel so ausgelegt sind, daß sie über einen deutlich größeren Drehzahlbereich eine nur sehr gering variierende und somit quasi stabile Ausgangsspannung liefern.

Es müßte die Lichtmaschine ggf. auf den erhöhten Strombedarf ausgelegt sein. Natürlicherweise ergibt sich bei dem niedervoltigen, bei Bordspannung betriebenen Elektromagneten eine niedrigere elektrische Aufnahmeleistung, als bei einem baugrößengleichen Magneten, der bei 220 oder 230 Volt Gleichspannung und einer entsprechend höheren Windungszahl betrieben wird. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß aufgrund der dargestellten niedervoltig ausgelegten Magnetspule mit erheblich größerem Leiterquerschnitt erheblich weniger Verlustwärme erzeugt wird. Insofern ist der Wirkungsgrad des Elektromagneten erheblich besser. Hinzu kommt, daß wie oben bereits dargestellt, die im Stand der Technik üblicherweise verwendeten Gleichspannungsgeneratoren die genannte Spannung von 220 bis 230 Volt nur im Dauervollgas des Antriebsaggregates erreichen. Wird aus wirtschaftlichen Gründen von Dauervollgas abgesehen, dann ist bei Magnetsystemen der bekannten Bauart nicht mehr die angegebene Nennleistung verfügbar.

Beim Einsatz der bordeigenen Lichtmaschine wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt, daß Lichtmaschinen üblicher Art über einen relativ großen Drehzahlbereich auch eine relativ stabile, nur geringfügig von der Nennspannung abweichende Ausgangsspannung liefern.

Daraus ergibt sich im Zusammenhang der Erfindung der Vorteil, daß bei mittleren Drehzahlen des Antriebsaggregates der Lichtmaschine diese bereits Nennspannung liefert und somit der Elektromagnet in diesem Bereich bereits seine Nennleistung erreicht. Betrachtet man diesen Zustand mittlerer Drehzahl, so hätte im Vergleich zu einem in der geometrischen Baugröße entsprechend ausgebildeter Magnet herkömmlicher Bauart auch nur noch eine dem Elektromagneten der erfindungsgemäßen Einrichtung nahezu vergleichbare Ausgangsleistung. Der Grund dafür ist, wie oben bereits gesagt, zum einen die Wärmeentwicklung bei herkömmlichen 220 Volt-Magneten, sowie die starke Drehzahlabhängigkeit des sonst üblichen 220 bis 230 Volt-Gleichspannungsgenerators. Außerdem ist der Aufwand für eine strommäßig höhere Auslegung der bordeigenen Lichtmaschine deutlich geringer als die Verwendung separater zusätzlicher Gleichspannungsgeneratoren. Hinzu kommt, wie bereits bemerkt, daß die Elektromagneten bei niedriger Spannung wirtschaftlicher betrieben werden können und zudem unter den oben genannten Betriebsbedingungen durchaus vergleichbare effektive Ausgangsleistungen liefern.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden erläutert.

Die Abbildung zeigt die einfache Einbindung des Elektromagneten 6 in die bordeigene Energieversorgung. Innerhalb des Baggers oder der mobilen Arbeitsgerätschaft ist eine Batterie 1 üblicher Art angeordnet. Diese wird gespeist vom bordeigenen niedervoltigen Generator, der sogenannten Lichtmaschine 2. Diese liefert an den Ausgängen Gleichspannung bzw. pulsierende Gleichspannung, mit welcher die Batterie 1 entsprechend geladen wird. Die Lichtmaschine 2 ist mit einem hier nicht weiter dargestellten Antriebsaggregat, beispielsweise in Form eines Verbrennungsmotors, drehgekoppelt verbunden. Die Lichtmaschine liefert an den Ausgängen die Spannungspole plus und minus. Üblicherweise ist diese Lichtmaschine niedervoltig, d. h. beispielsweise bei 24 Volt Nenn-Ausgangsspannung ausgelegt. Desweiteren weist diese Lichtmaschine bekanntermaßen einen Potentialausgang D auf, der im Stillstand des Generators (und damit Stillstand des Antriebsgenerators) negativ, also minus ist und im Betriebsfall, d. h. wenn der Generator dreht, positiv, d. h. plus ist. Hierüber ist eine Relaisspule 3 angesteuert, die zum einen mit dem Potential des D-Ausganges der Lichtmaschine verbunden ist und zum anderen mit dem Minuspol der Batterie 1. Steht nun der Generator still, d. h., ist das Antriebsaggregat ausgeschaltet, so ist der D-Aus­ gang der Lichtmaschine 2 ebenfalls negativ, d. h. minus. In diesem Fall liegt die Spule 3 beidendig an negativem Potential, was bedeutet, daß die Spule 3 ausgeschaltet ist. Der Kontakt 4 ist damit geöffnet, weil es sich hierbei um einen sogenannten Schließkontakt handelt. Wird nun das Antriebsaggregat und damit die Lichtmaschine 2 in Betrieb genommen, so nimmt der D-Ausgang der Lichtmaschine positives Potential an und die Relaisspule 3 wird damit erregt. Dies führt zur Betätigung des Schließkontaktes 4, wodurch am Schaltgerät 5 für den Elektromagneten 6 erst in diesem Betriebsfall eine verfügbare Betriebsspannung anliegt. Die Schaltung dieser Art soll verhindern, daß der Niedervoltmagnet, der gegenüber dem Magnet herkömmlicher Bauart nunmehr bei der Spannung der Lichtmaschine 2 und der Batterie 1 betreibbar ist, im Stillstand des Antriebsaggregates die Batterie ungewollt entlädt. Über das Schaltgerät 5 ist dann im Zustand eingeschalteten Antriebsaggregates und eingeschalteter Lichtmaschine die verfügbare Spannung auf den Elektromagneten 6 schaltbar.

Das Schaltgerät 5 kann dabei einfache Steuerschalter, oder auch programmgesteuerte Steuerschalter enthalten. Dieses Schaltgerät ist letztendlich diejenige Befehlsstelle, von wo aus der Bagger- oder Maschinenführer den Elektromagneten 6 bedient.

Wie eingangs bereits dargestellt, besteht der Elektromagnet üblicherweise aus einem Gehäuse sowie einer darin quasi raumfüllend angeordneten Magnetspule, die aus Bandmaterial gewickelt ist. Das Innenleben des Gehäuses des Elektromagneten 6 ist daher hier nicht weiter dargestellt, da es sich lediglich durch die elektrische Auslegung, wie beispielsweise Querschnitt und Windungszahl sowie betriebener Nennspannung, von bekannten Magneten unterscheidet. Bei sogenannten Rundmagneten befindet sich nur eine Spule innerhalb des Magnetgehäuses. Diese Spule wird magnetisch leitend vom Gehäuse umgeben. Ein Vergleich der Bauform eines Elektromagneten der erfindungsgemäßen Einrichtung hinsichtlich der geometrischen und elektrischen Parameter zeigt den Unterschied zu einem herkömmlichen Magnetsystem. Ausgehend von einem bekannten Magneten mit beispielsweise etwa 5 KW Leistung und einer Nennspannung von 220 Volt Gleichspannung ergibt sich bei einem Bandleiterquerschnitt von 10,8 Quadratmillimeter ein Strom von 22,4 Ampere und ein gesamter Spulenwiderstand von etwa 9,8 Ohm.

Der Bandleiter hat dabei einen extremen rechteckförmigen Querschnitt, wobei die Breite mit 90 mm und die Dicke mit 0,12 mm angegeben ist. Dadurch ergibt sich eine Stromdichte von 2,07 Ampere pro Quadratmillimeter. Der Bandleiter ist kompakt gewickelt bzw. gerollt. Dies führt bei vielen bekannten Magneten zu einer maximalen Einschaltdauer von 60%. Die Windungszahl bei diesem bekannten Magneten ist etwa 2000.

Demgegenüber weist der Elektromagnet der erfindungsgemäßen Einrichtung folgende geometrische Abmessungen auf. Die Breite des verwendeten Bandleiters ist ebenfalls 90 mm, jedoch die Dicke ist 0,6 mm. Damit ist sie 5 mal so dick wie bei dem beschriebenen bekannten Magneten. Es ergibt sich somit hier ein Querschnitt von 45 Quadratmillimeter. Betrieben wird dieser Magnet bei der beschriebenen Bordspannung von 24 Volt. Bei der Verwendung von Aluminium als Bandmaterial ergibt sich somit ein Widerstand von 0,59 Ohm. Bei einem Strom von 40,4 Ampere nimmt dieser Magnet somit eine Leistung von etwa 1 KW auf. Es ergibt sich jedoch durch diese Ausgestaltung eine Stromdichte von 0,9 Ampere pro Quadratmillimeter. Es wird eine Stromdichte von kleiner als 1 Ampere pro Quadratmillimeter erreicht. Die Windungszahl liegt bei etwa 450 und die Spulenabmessungen, d. h., die Breite der Spule oder der Außendurchmesser der gewickelten Spule liegt in vergleichbarer Größenordnung. Dies führt dazu, daß hinsichtlich der Geometrie innerhalb des Magnetgehäuses die 24-Volt Spule etwa den gleichen Raum einnimmt wie eine 220 oder 230 Voltspule bekannter Bauart. Im übrigen ist anzumerken, daß bei solchen Magnetsystemen Aluminium als Bandleitermaterial eingesetzt wird. Zwar hat Aluminium einen erheblich schlechteren Leitwert als Kupfer, ist jedoch bedeutend leichter. Aus diesen Gründen wird grundsätzlich Aluminium als Leitermaterial bevorzugt. Durch den geringeren Leitwert von Aluminium treten natürlich thermische Effekte bei aus Aluminiumbandleiter kompakt gewickelten Spulen besonders deutlich hervor. Von daher wird durch eine erfindungsgemäße Reduzierung der Stromdichte auf kleiner als 1 Ampere pro Quadratmillimeter auch die erzeugte Wärme erheblich reduziert.

Bei dem Magneten bekannter Bauart wird zwar eine Leistung von 5 KW aufgenommen, gegenüber ca. 1 KW beim entsprechend ausgelegten Elektromagneten der erfindungsgemäßen Einrichtung. Jedoch beziehen sich die 5 KW bei bekannten Magneten auf den Betrieb bei Nennspannung und damit bei voller Drehzahl des Generators und des Antriebsaggregates. Im mittleren Drehzahlbereich ist auch die Leistung bekannter Magneten deutlich geringer.

Die erfindungsgemäße Einrichtung liegt jedoch auch im mittleren Drehzahlbereich bei nahezu Nennleistung. Ferner erzeugt dieser, wie oben beschrieben erheblich weniger thermische Verlustenergie, so daß im mittleren Drehzahlbereich die Ausgangsleistungen bereits vergleichbar sind.

Aufgrund der o.g. Effekte ist die erfindungsgemäße Einrichtung weit höher verfügbar, nämlich mit einer Einschaltdauer von nahe 100%.

Claims (5)

1. Lasthebe- und/oder Separationsmagneteinrichtung, insbesondere für mobile, mit Verbrennungsmotor versehene Bagger oder Arbeitsgerätschaften, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Elektromagneten, einer Schalteinrichtung sowie einer elektrischen Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich eine für erhöhten Strombedarf ausgelegte bordeigene Lichtmaschine (2) als Energiequelle für den entsprechend elektrisch und geometrisch ausgelegten Elektromagneten (6) dient.

2. Lasthebe- und/oder Separationsmagneteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule des Elektromagneten (6) niedervoltig auf die verfügbare Spannung der Lichtmaschine (2) derart ausgelegt ist, daß der Bauraum innerhalb des Elektromagnetgehäuses, gemessen an der Baugröße herkömmlicher höhervoltig ausgelegter Magnete geometrisch äquivalent ausgefüllt wird, indem eine deutlich kleinere Windungszahl aber ein überproportional größerer Leiterquerschnitt der Magnetspule gewählt wird.

3. Lasthebe- und/oder Separationsmagneteinrichtigung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterquerschnitt im Hinblick auf die genannten geometrischen Bedingungen derart überproportional gewählt ist, daß bei verfügbarer Bordspannung die sich aus dem erreichten Produkt aus Stromstärke mal Windungszahl und dem Querschnitt ergebende maximale Stromdichte kleiner als 1 Ampere pro Quadratmillimeter ist.

4. Lasthebe- und/oder Separationsmagneteinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bordeigene Lichtmaschine zusätzlich mit einem Potentialausgang (D) versehen ist, welcher bei Stillstand ein anderes Potential aufweist als bei Drehung der Lichtmaschine, und daß desweiteren ein Relais (3, 4) vorgesehen ist, welches derart mit dem Potentialausgang (D) der Lichtmaschine (2) verschaltet ist, daß lediglich bei betriebener Lichtmaschine (2) ein Schließerkontakt (4) ein Schaltgerät (5) in Betrieb nimmt, über welches der Elektromagnet (6) mit der Spannung der Lichtmaschine (2) verbindbar ist.

5. Lasthebe- und/oder Separationsmagneteinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung der bordeigenen Lichtmaschine (2) bei 24 V liegt, und der Elektromagnet entsprechend auf 24 V Nennspannung ausgelegt ist.