DE2003491A1 - Schnellschaltendes Magnetsystem fuer Kraftmagnete oder Magnetventile - Google Patents

Description

• Schneilschaltendes Magnetsystem £tr Kraftmagnete oder MagEetventile 1. A 1 1 g e m e i n e s Uberall, wo die sehr schnell wirkende Elektronik zur Steuerung von Maschinen und Fertigungsprozessen verwendet werden soll, müssen die schwachen Steuerimpulse durch elektrische Kraftmagnete oder hydraulische bzw. pneumatische Ventile in wirksame Steuerbewegungen umgesetzt werden. Bei dieser Umsetzung geht aber der Vorteil der Trägheitslosigkeit der Elektronik weitgehend verloren, weil die Schaltzeiten solcher Magnete und Ventile um mehrere Zehnerpotenzen höher liegen. Die vorliegende Anmeldung schlägt eine Lösung vor, durch die mit einer elektronischen Schaltung die Anzugs- und Abfallzeiten von elektromagnetischen Systemen erheblich herabgesetzt werden können. Die praktische Ausführung der nachstehend erläuterten Vorschläge ergab eine Verminderung der erwähnten Zeiten auf weniger als TU der Werte, die an herkömmlichen Systemen mit gleicher Leistung gemessen waren.
• II, Maßnahmen zur Verkleinerung der Schaltzeiten Der Erfindung liegt einerseits die sinnvolle Kombination und Koordination bekannter Maßnahmen zu Grunde, die jede für sich eine Verbesserung bis zu einem bestimmten Grade ergeben würde, andererseits wird eine neuartige Beeinflussung des Magnetfelds vorgeschlagen, die bei sonst optimal ausgelegtem Magnetsystem noch erhebliche Verkürzung bringt. Zu der Gruppe der allgemein bekannten Maßnahmen gehören: 1. Möglichst hohe Durchflutung, die durch thermische Uberlastung und Sättigung begrenzt wird.
• L 2, Möglichst kleine Zeitkonstante 7t der Erregerwicklung, damit der Erregerstrom möglichst schnell steigt.
• ). Möglichst kleine Massen der bewegten Teile (Anker).
• 4. Gleichzeitig soll die Magnetkraft möglichst von Anfang bis Ende des Ankerhubs konstant zein, eine Forderung, die bei herkömmlichen Systemen nur andeutungsweise orfüllt werden kann und zwar dadurch, daß man, wie Fig.1 zeigt, Anker und Pol so ausbildet, daß ein Teil der Feldlinien senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers steht und somit keinen Beitrag zur Zugkraft liefert.
• Je kleiner die Luftspaltlänge # wird, umso größer wird der Anteil an quer verlaufenden Feldlinien @@ @ die keine Zugkraft liefern. Allerdings steigt auch @@2 der Anteil des Längsfeldes, dann der magnetische Widerstand R @ vermindert sich nit kleiner werdender Luftspalt länge l . Der Nachteil dieser Polform ist eine Vergrößerung des Flusses durch die nutzlose Querkomponente der Induktion im Nebenschluß, die im gleichen Verhältnis auch eine Zunahme der induktivität L zur Folge hat. Damit wird aber die Zeitkonstante und auch die Schaltzeit erhöht. Statt der stufenförmigen Polform findet nan auch kegelförmige Anker, für die das Obengesagte wegen der Querkonponente des Flusses ebenfalls gilt.
• 5. Demgegenüber wird in dieser Erfindung vorgeschlagen, den Eisenquerschnitt des Ankers durch Bohrungen in Bewegungsrichtung oder durch unmagnetische Zwischenlagen zwischen die Ankerbleche zu verkleinern, ohne dadurch die Außenmaße. des Ankers zu vermindern, die möglichst groß und gleich dem Gegenpol sein sollten (siche Fig.2). Der Querschnitt des Ankers sollte dadurch merklich vermindert werden, z.B. auf die Hälfte, Dadurch wird eine Halbierung der Anker masse erreicht, die sehr erwünscht ist und mit Punkt 4 konform ist.
• Bei großem Ankerabstand ##a wirkt sich die Unterbrechung der Polfläche kaum aus und die Kraftwirkung ist ebenso groß, wie bei volle Anker. Kurz vor des Anschlag des Ankers ( ### ) wird dagagun der Luftspaltquerschnitt halbiert gegenüber dem vollen Anker. Der magnetische Widerstand des Luftspalts Rm verdoppelt sich und somit tritt nur die halb induktion auf, dia Hälfte der Magnetkraft F und die halbe Induktivität verglichen mit einem Systcm, bei dem Anker und Kern gleiche Polflächen haben. Siehe Fig. 3a und 3 b.
• Gerade de Halbierung von L ist sehr erwünscht, da sie nach Punkt 2 kurze Schaltzeit bringt. Halbe Kraft F im angezogenen Zustand dagegen ist ebenfalls erwünscht, da es bei den meisten Konstruktionen das Bestreben sein muß, die mit 1/l² stark zunehmende Kraftcharakteristik einzuebnen, was nach Punkt 4, Abb. 1 zu unerwünschten Nebenwirkungen führt.
• 6. Das Magnetsystem wird durch die in Fig. 4 beschriebene Maßnahme durch kleine Induktivität L eine kleine Zeitkonstante # @ L/R bekommen. Die Bedeutung von # wird an Fig. 4 deutlich. Die kleinere Zeitkonstante tx ergibt einen schnelleren Anstieg des Stromes I bis zum Anzugsstrom Ia und eine etwa im gleichen Verhältnis verkleinerte Anzugszeit t2 7. Bine Verkürzung der Anzugszeit ergibt sich auch durch Über lagerung einea Vorstromes [v » der ausreichend kleiner sein muß, als [A , damit der Magnet nicht anzieht. Die Anzugszeit verkürzt sich damit auf tL-t# , denn der davor liegende Kurvenast braucht nicht mehr durchlaufen zu werden. Siehe Fig. 4.
• 8. Wegen des stark progressiven Charakters der Magnetkraft soll erfindungsgemäß im Augenblick des Einschaltens der Nennstrom - Lv bis zum Anziehen um ein Vielfaches Ir von N erhöht werden. Dadurch wird die Stronmnstiegskurve nochmals versteilert. weil nunmehr die Tangente in der Zeit tL bereits den höheren Wert 6 4,.' erreicht.
• Die Einschlatzeit verkürzt sich weiter auf t3 .
• Natürlich würde der Strom v.#A die Wicklung thermisch überlasten, wenn der Strom nicht sofort nach dem Durchschalten elektronisch oder mittels Relais aur den Nennwert Inenn herabgesetzt würde. Bei diesem Verfahren ergibt sich als zusätzlicher Vorteil eine weitere Einebnung der Kraftcharakteristik: Im offenen Zustand des Magneten ist eine Sättigung des Ankers wegen des großen Luftspalts unmöglich, was eine fast ebenso große Kraft gibt, wie im durchgeschalteten, weil dann Sättigung auftreten kann. Siehe Fig. 5.
• Der-überhöhte Einschaltimpuls kann durch Kondensatorentladung oder -aufladung erzeugt werden, die mittels Transistor geschaltet wird. Die Impulsdauer kann mit der halben Periode des L-@- -Kreises gleichgesetzt werden Der Scheitelwert des Stromes wird annähernd Statt einer zweiten Spannungsquelle U2 kann ein Wechselrichter aus der Spannungsquelle U1 die höhere Spannung liefern. An die Stelle des Schalttransistors kann ein Schalter oder Thyristor treten. Siehe Fig. 6.
• PatentansrUche: 1.
• 1.) Schnellschaltendes Magnetsystem für Kraftmagnete oder Magnetventile dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerquerschnitt des Magnetes durch Bohrungen oder nicht magnetischen Schichten in Feldrichtung extrem vermindert ist, so daß die bewegte Masse verkleinert wird und gleichzeitig eine Elnebnung der Kraftcharakteristik erreicht wird, welche zu einer Unterdrückung der für die Zugkraft des Magnetes unwirksame Querkomponente der Induktion führt, also zu einem Anstieg der Wirkinduktion ftlhrt.
• II.

Claims (1)

1. Schnellschaltendes Magnetsystem für Kraftmagnete oder Magnetventile nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet, daß durch die spezielle Ausbildung der Ankerform die Induktivität und damit die Zeitkonstante ein Minimum wird, wodurch nach Fig. 4 eine extreme Verkürzung der Schaltzeit erreicht wird.

   Schnellschaltendes Magnetsystem für Krartmagnete oder Magnetventile nach Anspruch I und II dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Vorstrom wie in Fig. 4 gezeigt, die Schaltzeit verkürzt wird-IV.

   Schnellschaltendeß Magnet system für Kraftmagnete oder Magnetventile nach Anspruch T, II und III dadurch gekennzeichnet, daß zum kurzzeitigen Durchschalten ein Stromstoß verwendet wird, der ein Beliebiges (v-faches) des Nennstromes beträgt, um dann anschließend mit dem Haltestrom durchgeschaltet zu bleiben. Der Stromstoß kann mittels Laden oder Entladen eines Kondensators oder durch rein elektronische Mittel erzeugt werden.

   V.

   Schnellschaltendes Magnetsystem für Kraftmagnete oder Magnetventile nach Anspruch I, II, III und IV dadurch gekennzeichnet, daß bei wiederholtem, kurzzeitigem Schaltprozeß das Magnetsystem durch bekannte Verfahren so klimatisiert wird, daß durch den Wärmeeinfluß keine Zeitbeeinträchtigung des Schaltvorgangs eintritt.