DE2019345A1

DE2019345A1 - Ankerlage-unabhaengiger Hubmagnet

Info

Publication number: DE2019345A1
Application number: DE19702019345
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dick
Original assignee: Voith Getriebe KG
Current assignee: Voith Getriebe KG
Priority date: 1970-04-22
Filing date: 1970-04-22
Publication date: 1971-11-11
Also published as: DE2019345B2; CH530077A; US3671814A; FR2086243A1; AT306171B; NL164684B; SE361773B; NL7105392A; NL164684C; FR2086243B1; JPS5532208B1; GB1324445A; DE2019345C3

Description

ap/A J5OO4 Voith Getriebe KG

Kennwort: "Gebändigter Elektromagnet Heidenheiffi (Bren2)

Ankerlage - unabhängiger Hubmagnet

Die Erfindung Detrifft einen Hubmagneten mit einer stromdurchflossenen, ein Magnetfeld erzeugenden Spule, einer an einer Stelle offenen Eisenummantelung um die Spule und einem der offenen Stelle der Eisenummantelung gegenüberliegend angeordneten, beweglichen Magnetanker und mit einem sich zwischen Eisenummantelung und Magnetanker ausbildenden Magnetfeld, welches den Magnetanker an die Eisenummantelung zieht und bei Annäherung des Magnetankers an die Eisenummantelung mehr und mehr hinsichtlich der Feldliniendichte unter der Voraussetzung konstanten Erregerstromes intensiviert wird und mit einem den Magnetanker von der Eisenummantelung lösenden Kraftspeicher (Schwerkraft, Feder, Druckpolater).

Es war bisher nur möglich mittels eines Tauchspulengerätes mit Hilfe des elektrischen Stromes eine wegunabhängige lineare Kraft zu erzeugen. Diese Geräte weisen ein durch einen Permanentmagneten gebildetes oder durch einen Gleichstrom erregtes kreiszylindriaches Magnetfeld mit radial stehenden kurzen Magnetfeldlinien auf, in die eine dünnlagige Spule axial eingetaucht 1st. Je nach Stärke des die Tauchspule durchfließenden Stromes erfährt diese eine mehr oder weniger starke, axial gerichtete Kraft, die von der Lage der Spule unabhängig ist, solange sich noch alle Windungen der Tauchspule im ungestörten Magnetfeld befinden. Mit diesen Tauchspulgeräten lassen sich aber nur vergleichsweise geringe Kräfte erzeugen oder, falls man das Tauchspulengerät für größere Kräfte auslegt, wird dies unverhält-

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nismäßig groß und schwer. Die besten Tauchspulengeräte vermögen allenfalls eine Kraft, die etwa dem 0,^-fachen ihres Eigengewichts entspricht zu erzeugen. Auch ist nachteilig, daß die erforderliche Steuerleistung dabei sehr hoch ist und daß die Spule den beweglichen Teil darstellt. Tauchspulengeräte sind abgesehen von ihrem hohen Gewicht auch sehr teuer, was durch ihre umständliche Konstruktion und dem Erfordernis der Präzision bebedingt ist.

Zwar lassen sich mit einem Hubmagneten der eingangs genannten Art auch mit kleinen Hubmagneten relativ hohe Kräfte erzeugen. Dabei ist aber die Anzugskraft des Ankers sehr stark von dessen Lage abhängig. Bei zunehmender Annäherung des Ankers an den Spulenkern steigt die Anzugskraft hyperbolisch an. Zwar kann man durch geeignete Ausbildung des Magnetfeldes (teilweiser Feldliniennebenschluß) erreichen, daß die Kraft/Weg-Kennlinie bereichsweise angenähert gerade verläuft und ein Wegeinfluß innerhalb dieses Bereiches weitgehend ausgeschaltet wird. Durch diese Maßnahme wird aber der Hubmagnet auf den Bereich der kleinsten Kraft beschränkt und um größere Kräfte wegunabhängig zu erzielen, müßte man ebenfalls den Hubmagneten sehr stark dimensionieren. Ein hoher Raumbedarf und Gewichtsaufwand und ein hoher Strombedarf sind die nachteiligen Folgen. Außerdem gelingt es, die hubkonstante Anzugskraft nur entlang kurzer Anzugswege zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Zuhilfenahme des elektrischen Stromes in einer möglichst einfachen und leichten Vorrichtung eine nach Größe und Richtung schnell änderbare wegunabhängige möglichst große lineare Kraft zu erzeugen.

Zur Lösung dieser Aufgabe und zur Umgehung der genannten Nachteile wird - ausgehend von einem Hubmagneten der eingangs genannten Art zum einen vorgeschlagen, daß in der Stromzuführung der Spule eine Erregerstrom-Regelung vorgesehen ist, die diesen Strom unter Zuhilfe nahme eines im Magnetfeld-Luftspalt zwischen Anker und Eisenummantelung eingebrachten magnetfeldstärkeabhänglgen Geberelementes (Hallgenerator, Feldwiderstand) und nach Maßgabe eines Sollwertstellers

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auf wenigstens im zeitlichen Mittel konstante Magnetfelderregung und damit auf eine wegunabhMnglge konstante Magnetkraft einregelt. Die genannte Aufgabe kann aber auch gemäß einem nebengeordneten Vorschlag der Erfindung mit den eben genannten Mitteln jedoch anstelle des Geberelementes unter Zuhilfenahme einer im Spuleninnern angebrachten Hilfswicklung und einer Integrierschaltung für die in der Hilfswicklung induzierte Spannung gelöst werden. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann auf die Hilfswicklung auch ganz verzichtet werden und die Selbstinduktion der Arbeitsspule selbst indirekt zur Gewinnung eines Maßes der Flußdic'iteanordnung im Magnetsystem herangezogen werden. Hierbei wird die erfindungsgemäße Lehre vollständig außerhalb des Hubmagneten verwirklicht und am Hubmagneten selbst sind keinerlei Änderungen vorzunehmen.

Die Magnetfelderregung, d.h. die Feldliniendichte muß auf irgendeine Art gemessen werden; dies kann einmal unter Zuhilfenahme eines magnetfeldabhängigen Widerstandes (Feldwiderstand) oder eines Hallgenerators gemacht werden. Ein Feldwiderstand ist ein Halbleiterelement, welches die Eigenschaft hat, in einem Magnetfeld in Abhängigkeit der Dichte der es durchsetzenden Magnetfeldlinien seinen Widerstandswert zu ändern, und zwar je größer die Induktion 1st, um so größer wird der Widerstandswert. Der Spannungsabfall entlang eines solchen Feldwiderstandes ist unmittelbar ein Maß für die Feldliniendichte und dementsprechend ein Maß für die Anzugskraft des Ankers. Der Erregerstrom der Spule des Hubmagneten muß so geregelt werden, daß der Spannungsabfall dem Sollwert entspricht. Anstelle des Feldwiderstandes kann auch ein Hallgenerator genommen werden. Dies ist ein Halbleiterelement mit vier Anschlüssen, welches in einem Magnetfeld und bei Anlage einer Gleichspannung an zwei seiner Pole an den beiden anderen Polen eine Spannung abgibt, die der Dichte der Magnetfeldlinien des den Generator durchdringenden Magnetfeldes fist. Die abgegebene sog. Hallspannung ist ebenfalls ein unmittelbares Maß für die Feldliniendichte und damit für die Magnetankerkraft und der Erregerstrom muß so geregelt werden, daß die Hallspannuhg wenigstens im zeitlichen Mittel konstant bleibt.

Die Feldliniendichte zwischen Anker und Eisenjoch des Hubmagneten, d.h. die Induktion im Luftspalt und damit die Magnetankerkraft

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kann auch durch die im Innern der Erregerspule angebrachte Hilfswicklung und einer Integrationsschaltung der in der Hilfswicklung induzierten Spannung ermittelt werden. Die Hilfswicklung ist gewissermaßen die Sekundärwicklung eines Transformators, dessen Sekundärspannung von der zeitlichen Änderung der Feldliniendichte des umgebenden Magnetfeldes abhängt. Wird diese "Sekundärspannung" zeitlich in einer Integrierschaltung aufsummiert, so hat man ein unmittelbares Maß für die Induktion selbst. Die Erregerstromregelung muß dann so ausgelegt werden, daß die Ausgangsspannung der Integrierschaltung im zeitlichen Mittel gleich dem eingestellten Sollwert ist.

Bei einem Hubmagneten mit Feldwiderstand im Magnetfeldluftspalt wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Spannungsabfall entlang des Feldwiderstandes mit einer vorgegebenen, am Sollwertsteller einstellbaren Potentialdifferenz (Sollpotential) verglichen wird und die beiden Vergleichspunkte auf den Eingang eines Verstärkers geschaltet werden, der so geschaltet ist, daß bei Überwiegen des Spannungsabfalls entlang des Feldwiderstandes gegenüber dem Sollpotential der Ausgangsstrom des Leistungsverstärkers verringert oder gar ganz abgeschaltet wird und bei Überwiegen des Sollpotentials der Ausgangsstrom erhöht bzw. wieder eingeschaltet wird.

Dies wird zweckmäßigerweise dergestalt ausgeführt, daß der Feldwiderstand elektrisch in einer Widerstandsbrückenschaltung angeordnet ist, daß ferner in der Widerstandsbrückenschaltung ein veränderbarer Widerstand angeordnet ist, und daß die beiden Brüekenpunkte der Widerstandsbrüoke mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden sind, mit dessen Ausgangssignal die Basis eines Transistors angesteuert wird, wobei über die Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors die Basis eines Leistungstransistors angesteuert wird, über dessen Kollektor-Emitter-Strecke die Erregerspule des Hubmagneten an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird. Diese am Ausgang des Verstärkers angeordnete Transistorschaltung, die praktisch einen kontaktlosen leistungsstarken Ein-Aus-Schalter darstellt, macht die Erregerstromregelung zu einer Zweipunktregelung.

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Hierdurch werden zwei Vorteile erzielt: Zum einen ist durch diese Ein-Aus-Regelung die Einschaltdauer des Leistungstransistors im Verlustleistungsgebiet auf das jeweils erforderliche Minimum beschränkt (steller Spannungsanstieg am Transistor, das Verlustleistungsgebiet wird sehr schnell durchlaufen), weshalb die Verlustleistung im Leistungstransistor sehr gering gehalten wird, zum anderen wird der Anker des Hubmagneten einer kleinen Schwingung unterworfen, die die Ruhereibung und Hystereseerscheinungen zum Verschwinden bringt.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele etwas näher erläutert. Es zeigenä

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Erregerstromregelung für

einen Hubmagneten unter Zuhilfenahme eines Feldwiderstandes im Magnetfeldluftspalt,

Fig. 2 die Anwendung der Schaltung nach Fig. 1 auf einen erfindungsgemäßen elektrohydraulisehen von einem Funktionengenerator gesteuerten Wandler,

Fig. J) eine ähnliche Regelschaltung mit Hilfe eines Hallgenerators

Flg. h eine solche Schaltung Jedoch mit Feststellung der Induktion über eine Hilfswicklung im Spuleninnern des Hubmagneten und einen Integrator und

Fig. 5 eine Schaltung ohne jegliches in den Hubmagneten eingebrachtes, feldstärkeempfindliches gesondertes Organ lediglich unter Ausnützung der Selbstinduktivität der Arbeitsspule selbst.

Die Figuren zeigen rechte oben den Hubmagneten 1 mit einer Spule 2, einer die Spule umgebenden Eisenummantelung j5/3* und einem axial darin beweglichen Magnetanker 4, der mit seiner inneren Stirnseite und einem im Spulenkern von der Eisenummantelung hoch stehenden

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Zapfen 5 einen Luftspalt 6 bildet, der durch die Feder 7 geöffnet wird.

Auf der Stirnseite des Zapfens 5 des Hubmagneten nach Fig. 1 ist ein magnetfeldstärkeabhängiger Widerstand 8 (Feldwiderstand) aufgeklebtj seine beiden Anschlüsse sind durch eine axiale Bohrung ins Freie geführt.

Die Schaltanordnung besteht aus einem Heglerteil 9 und einem Schalterteil 10, die sich beide zwischen den beiden von der Batterie mit Strom versorgten Leitern 12 und IJ erstrecken. Der Reglerteil weist eine Widerstandsbrückenschaltung 8_f14,15 und 16 auf mit dem Meßpunkt 148 zwischen den Widerständen 14 und 8 einerseits und dem Meßpunkt 165 zwischen den beiden Widerstandsteilen 16 und 15 des Schiebewiderstandes 15/16 andererseits. An dem Speisepunkt 168 zwischen den Widerständen 15/16 und 8 einerseits und dem Speisepunkt 145 andererseits wird eine konstante Spannung angelegt. In der Widerstandsbrückenschaltung werden zwei Potentiale miteinander verglichen, wovon das eine (I65) willkürlich einstellbar ist. Dieser Abgriff wird wird über einen Vorwiderstand 23 auf den einen Eingang (-E), eines als Dreieck dargestellten Verstärkers V gegeben mit den beiden Eingängen + E und - E und dem Ausgang A. Der Punkt 148 ist über d£n Vorwiderstand 24 auf den Eingang + E geschaltet. Bei einer Widerstandsverringerung des Feldwiderstandes wird - ausgehend von einer Potentialgleichheit an den beiden Abgriffspunkten - das Potential am Punkt 148 gegenüber dem des Punktes 165 ansteigen und am Verstärkerausgang A, ausgehend von einer Potentialgleichheit gegenüber dem Anschluß - 0 des Verstärkers, einen Potentialanstieg verursachen. Der Verstärkerausgang A ist mit der Basis eines Transietors T₁ verbunden. Der Potentialanstieg am Verstärkerausgang A und an der Basis des dadurch angesteuerten Transistors T₁ - verursaoht durch eine Widerstandsverringerung des Feldwiderstandes 8 - läßt einen kleinen Strom über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistor» T₁ fließen, wodurch wieder der Leistungstransistor T₂ angesteuert wird und mit seiner mit der Spule 2 des Hubmagneten zwischen den beiden Versorgungsleitern 12 und I3 in Serie liegenden Kollektor-Etnitter-

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strecken leitend wird und die Spule 2 an die Stromquelle anschließt. Dies alles vollzieht sich praktisch ohne zeitliche Verzögerung, d.h. sobald das Potential am Punkt 148, verursacht durch einen Widerstandsabfall des magnetfeldstärkeabhängigen Widerstandes & gegenüber dem einstellbaren Potential am Punkt I65 ansteigt, wird die Spule 2 an eine Stromquelle angeschlossen.

Es baut sich nun - ausgehend vom vorherigen niedrigen Magnetfluß <im Magnetsystem 1 zunehmend wieder ein stärkeres Magnetfeld auf, welches u.a. den Magnetanker entgegen der Kraft der Feder 7 etwas anzieht. Durch den Magnetfeldaufbau kommt es zu einer Verdichtung der Magnetfeldlinien und demzufolge zu einem Widerstandsanstieg im Feldwiderstand 8. Eine Widerstandserhöhung hat ein Absinken des Potentials am Meßpunkt 148 gegenüber dem am Meßpunkt I65 zufolge, solange bis das Potential "liö" kleiner ist als das Potential "I65". Der Verstärkereingang ist nun eine negative Eingangsspannung und dementsprechend wird das Potential am Ausgang A in verstärktem Maß gegenüber dem Nullpunkt - 0 negativ. Dieser Nulldurchgang auf die negative Seite am Verstärkerausgang A und an der Basis des Transistors T, macht seine Kollektor-Emitterstrecke nichtleitend und hebt die Ansteuerung des Leistungstransistors auf. Die Spule 2 wird, da die Kollektor-Emitterstrecke des Leistungstransistors dadurch ebenfalls nichtleitend wird, von der Stromversorgung abgeschnitten.

Dank der parallel zur Spule 2 in der bisherigen Stromrichtung liegenden Freilaufdiode D kommt es zu einem relativ lang- samen, einer exponentiellen Zeitfunktion folgenden Abbau des Magnetfeldes im Magnetsystem 1. Durch dieses Zusammensinken des Magnetfeldes und in geringem Maß auch durch die Vergrößerung des Luftspaltes auf Grund der spreizenden Feder 7 wird der den Feldwiderstand 8 durchdringede Fluß verringert und demgemäß sein Widerstandswert auch. Diese Widerstandsverringerung löst mittelbar wieder eine Einschaltung der Spule 2 aus. Diese führt zu einem Anwachsen des Widerstandswertes des Feldwiderstandes 8, wodurch mittelbar die Abschaltung der Spule ausgelöst wird usw.

\ Die ganze Regelung stellt eine Zweipunktregelung dar und schwingt

mit einer systemeigenen Frequenz. Diese Frequenz ist die^ aus lauter

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Reohteekimpulsen gleicher Höhe zusammengesetzte Ein-Ausschaltfrequenz für den Spulenstrom. Je nach Stellung des Magnetankers und je nach geforderter vorn Hubmagneten aufzubringender Zugkraft wird eine mehr oder weniger starke Magnetfelderregung nötig sein und demgemäß wird sich eine entsprechend klein oder große Einschaltfrequenz einst dl en. Maßgebend hierfür ist der mit einer Sollpotentialdifferenz verglichene Spannungsabfall an dem im Magnetfeldluftspalt angebrachte magnetfeldstärkeabhängige Widerstand 8. Dank seiner ist es praktisch möglich, den magnetischen Fluß mit einer anderen Sollgröße zu vergleichen und ihn durch die Sollgröße vorzugeben.

Eine Nutzanwendung des erfindungsgemäßen Hubmagneten ist in Fig. gezeigt. Der Aufbau der Regelungsschaltung 1st völlig analog zu der nach Fig. 1. Anstelle des Schiebewiderstandes 15/16 sind in der Widerstandsbrückenschaltung in Fig. 2 zwei Festwiderstände 15 und 16 zwischen den beiden Speisepunkten 145 und 168 vorgesehen und der Verstärkereingang -E ist mit dem veränderlichen Ausgang eines Funktionsgenerators I65 verbunden. Dies kann z.B. ein Sinusgenerator sein, der nach Frequenz und Amplitude einstellbar ist oder ein Generator, der bei einem bestimmten Los-Signal von einem bestimmten Zeitpunkt an eine gewisse Ubergangsfunktion mit einstellbaren Parametern gibt. Der Generator kann z.B. auch ein Drehzahlgeber sein und eine drehzahlanaloge Potentialdifferenz am Speisepunkt gegenüber dem anderen Speisepunkt 168 erzeugt.

Der Hubmagnet 1' gemäß Fig. 2 ist als elektrohydraulisch^ Wandler dargestellt, der den Kolben 4' eines Druckbegrenzungsventiles I7 anzieht und damit an dem durch die Steuerkanten 18 und 19 gebildeten Drosselspalt eine mehr oder weniger starke Drosselung des von der Pumpe 20 geförderten Mengenstromes verursacht. Je nach Anzugskraft des Magneten I¹ wird vor dem Drosselspr.lt, d.h. im Druckstutzen der Pumpe 20 ein mehr oder weniger hoher Druck aufgestaut, der am Manometer 21 zur Anzeige gebracht wird und Über den Ansohluß 22 zu irgendwelchen Verbrauchern geleitet werden kann und der mittels des Druckbegrenzungswiderstandes 24 auf einen bestimmten Maximaldruck nach oben begrenzt werden kann. Der erzeugte Druck wird

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auch über eine im Innern des Kolbens 4' angebrachte axiale und eine quer zum Kolben verlaufende Bohrung auf die den Magnetfeldluftspalt zugekehrte Stirnseite geleitet. Im "Luftspalt" baut sich dann ein der Anzugskraft des Magnetsystems entgegenwirkendes Druckpolster auf. Die Höhe dieses Druckpolsters ist an sich belanglos wenn man nur irgendeine der Anzugskraft entgegenwirkende Kraft erzeugt. Damit die Spreizkräfte und damit die Anzugskräfte des Magneten nicht zu groß werden und der erzeugte Druck nicht auf den ganzen Ankerquerschnitt wirkt, ist im vorliegenden Beispiel ein Reduzierstift 7' in der Axialbohrung druckdicht jedoch gleitend angeordnet auf den der erzeugte Druck wirkt und der sich am Zapfen abstützt. Die durch den elektrohydraulischen Wandler l'/17 steuerbaren Drücke sind sehr groß. Mit einem Elektromagnetsystem von etwa 200 g lassen sich ohne weiteres Drücke bis über 50 atü steuern. Durch die dem ganzen System überlagerte Schwingung spricht der Wandler auch sehr schnell an und folgt Eingangsgrößenänderungen sehr rasch mit einem entsprechenden Ausgangssignal nach.

Die Fig. 3 zeigt die Verwirklichung der erfindungsgemäßen Magnetkraftsteuerung unter Verwendung eines sog. Hallgenerators 8¹, der ebenfalls in Magnetfeldluftspalt 6 angebracht ist. Er benötigt einen konstanten Speisestrom, der ihm von der Batterie 25 zugeführt wird. An seinen beiden anderen Anschlüssen liefert er eine Spannung, die unter der Voraussetzung eines konstanten Bat.terlestromes proportional dem magnetischen Fluß ist, der ihn durchsetzt. Ist die unmittelbar vom Leistungsverstärker über die Einschaltdiode D^ gespeiste Spule des Hubmagneten eingeschaltet, so liefert der Hallgenerator eine durch die Ankerannäherung und die damit einhergehende Flußdichteerhöhung zunehmende Spannung. Es sind über dem Verstärkereingang + E/-E zwei Stromkreise vorhanden, die in einander entgegengerichtetem Sirm vom Strom durchflossen werden. Der eine Stromkreis - gebildet aus unterem Widerstandsteil 15' des Schiebewiderstandes 15'/l6^fi Vorwiderstand 23*und Verstärkereingang ist hinsichtlich der treibenden Potentialdifferenz willkürlich durch Verschieben des Abgriffpunktes 165' verstellbar. Der andere Stromkreis ist gebildet aus Hallgenerator 8' und Vorwiderstand 24', Der Hall·» generator muß in dem Stromkreis so gepolt sein, daß die Hallspannung der treibenden Potentialdifferenz am Widerstandstell 15' entgegenwirkt. Es kommt dann bei Übersteigen der Potentialdifferenz über

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den Widerstand 15' durch die Hallspannung zu einer Verschiebung des Potentials des Punktes 168' in den negativen Bereich, so daß am Verstärkereingang -E/+E ein der Klemmenbezeichnung entsprechend gepoltes Eingangssignal entsteht, welches am Verstärkerausgang A einen entsprechenden, verstärkten Potentialanstieg gegenüber t ο zufolge hat. Dieses Positivwerden des Verstärkerausganges verursacht wegen der Sperrung der Diode D^ ein Abschalten der Spule. Nun geht gemäß dem Abbau des Magnetfeldes im Magnetsystem 1 und dem Abrücken des Ankers durch die Spreizfeder die Hallspannung zurück. Dabei wird irgendwann einmal der Zeitpunkt erreicht, in welchem die Hallspannung kleiner ist als der Spannungsanstieg entlang des Widerstandes 15' und der Punkt 168' gegenüber dem anderen Meßpunkt 148' positiv wird. Nun ist am Verstärkereingang -E/+E ein entsprechend der Klemmenbezeichnung verkehrt gepoltes Eingangssignal vorhanden, welches am Verstärkerausgang A einen entsprechend verstärkten leistungsstarken Potentialabfall gegenüber - 0 zufolge hat und damit über die Diode D₁ ein Einschalten der Spule des Hubmagneten verursacht. Dieses Ein- und Ausschalten wiederholt sich gan2 ähnlich wie in dem an Hand von Pig. I beschriebenen Ausführungsbeispiel. Auch hier kommt es zu einer systemeigenen Einschaltfrequenz.

Der Sollwert der Spulenerregung für den Hubmagneten gemäß Fig. J5 d.h. der vom Hubmagneten auszuübenden Kraft kann einmal an dem Schiebewiderstand 15'/¹O¹ eingestellt oder durch einen analog zu Fig. 2 statt des Schiebewiderstandes vorzusehenden Funktionsgenerator vorgegeben werden oder es kann die Hilfsbatterie 25 durch einen solchen Funktionsgenerator ersetzt werden und durch ihn der Sollwert der Spulenerregung vorgegeben werden. Die vom Hallgenerator erzeugte Hallspannung 1st nämlich proportional dem Produkt aus Batteriestrom und magnetischem Fluß, so daß über den durch den Hallgenerator fließenden Steuerstrom eine w^eitere Einflußmaßnahmemöglichkeit auf die Magnetstärke gegeben ist.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist gezeigt, wie man sich eine Magnetfeldstärke abhängige Spannung auch auf eine andere Weise erzeugen kann. Dort ist das Magnetsystem mit einer ssuinnersfc der Spule 2' mit einer Hilfswicklung 2" versehen. Wie schon oben beschrieben, kommt es bei der Erregerstromsteuerung jru einer syat«m-

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eigenen Schwingung. Die Erregerspule 2¹ wird praktisch von einer "rechteckigen" Spannung mit nur im positiven Bereich liegenden Halbwellen gespeist, dessen zeitlicher Mittelwert gleich dem für die erforderliche Ankerzugkraft nötigen Erregerstrom ist» Das Magnetfeld wird also ständig aufgebaut und wieder über die Freilaufdiode D abgebaut. Dieses wird mittels der Hilfsspule 2' festgestellt, an deren Enden eine Spannung entsteht, die der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses proportional ist. Da man aber eine Spannung haben möchte, die dem Fluß selbst proportional ist, muß die von der Spule gegebene Spannung zeitlich integriert werden. Dies wird mit dem kapazitiv rückgekoppelten Verstärker V₁ gemacht, dessen Eingänge mit den Enden der Hilfswicklung verbunden sind. Durch die kapazitive Rückkopplung (Kondensator C) des Verstärkerausganges auf den einen Eingang kommt das integrierende Verhalten des Verstärkers zustande. Zwischen den Punkten 148" und 168" der Widerstandsschaltung nach Fig. 4 hat man also einen Generator, der eine dem magnetischen Fluß im Magnetsystem 1" proportionale Spannung erzeugt. Die durch ihn erzielbare Wirkung und die weitere Wirkungsweise ist völlig analog zu der in dem vorigen Ausführungsbeispiel beschriebenen.

Fig. 5 zeigt die Nutzanwendung des Erfindungsgedankens bei einem Hubmagneten ohne Jeglichen besonderen magnetstärkeempfindlichen Geber -im Magnetsystem. Als das für die Erregerstromregelung notwendige Geberelement wird die Arbeitsspule selbst benutzt, die als Induktivität L und als Ohm¹scher Widerstand R^ dargestellt istj L ist die momentane von der Ankerstellung des Hubmagneten und von der Spulengröße abhängige Induktivität des Magnetsystems des Hubmagneten und Rj_ ist der reelle Widerstand der Kupferwicklungen. Bei der Schaltungsanordnung wurde der Ansatz zugrundegelegt, daß der Erregerstrom im Magnetsystem als Spannungsabfall über einen mit der Spule L/Rt in Serie liegender Meßwiderstand R_M meßbar wird. Dieser Strom bzw. diese an den Enden des Meßwiderstandes abgegriffene Meßspannung enthält jedoch außer einem dem Produkt aus Induktion und Erregerstroraänderung proportionalen sich entsprechend dem Magnetfeldauf- und -abbau ändernden Spannungsanteil noch einen konstanten sich aus dem Spannungsabfall entlang der beiden reellen Widerstände R_L und R_M ergebende Gleichspannungsanteil. Diese Gleichspannungskomponente des zunächst gewonnenen Meßsignals muß mit Hilfe einer Differentiationsschaltung (Kondensator 29 und Widerstand JO) unter·

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drückt werden und anschließend muß in einer ersten Integrationsstufe V₁Zc₁ das Meßsignal wieder integriert werden. Am Ausgang dieser Integrationsstufe erhält man eine Spannung, die der Flußänderung im Magnetsystem L/R_T proportional ist. Dieses Signal wird ein. zweitesmal integriert (Integrator v~₂/C₂) und man erhält eine der im Magnetsystem herrschenden Flußdichte proportionale Spannung. Da die Schaltung ausgeht von einer Spannung, die dem Produkt aus momentaner Induktion und momentanem Erregerstrom proportional ist, so ist das am Ausgang der zweiten Integrationsstufe gewonnene Signal auch abhängig von der Lage des Magnetankers, d.h. auch die Ankerlage findet bei der Messung in Analogie zu den vorbeschriebenen AusfUhrungsbeispielen mit Berücksichtigung. Das so schließlich gewonnene Signal wird mit einem am Schiebewiderstand 31 einstellbaren Sollpotential verglichen und. Je nach Überwiegen des Signals oder des Sollpotentials wird über den Schaltverstärker V¹ und die beiden Transistoren T, und T₂ die Spule L/Rt ^an die Stromversorgung angeschlossen oder von ihr abgeklemmt.

Die Vorteile dieser zuletztgenannten Schaltung liegt trotz ihres erhöhten schaltungstechnischen Aufwandes darin, daß mit ihnen die erfindungsgemäße Lehre an bestehenden Hubmagneten ohne Jegliche Änderung am Magnetsystem selbst verwirklicht werden kann.

In den verschiedenen beschriebenen. AusfUhrungsbeisplelen wird die momentane Magnetfeldstärke im Magnetsystem des Hubmagneten auf vier verschiedene Arten gemessen und je nach überwiegen oder Unterliegen eines solchen Signals gegenüber einem einstellbaren Sollwert die Arbeitsspule von einer Stromquelle abgeklemmt oder an sie angeschlossen. Da der Aufbau eines Magnetfeldes oder das Zusammensinken eines bestehenden Magnetfeldes in der Zeit ablaufende Vorgänge sind und da mithin bei einer vorgegebenen Induktivität des Magnetsystems die Änderung zwischen zwei auch sehr eng benachbarten Werten der Magnetfelderregung eine bestimmte Zeit benötigt, kann - wie erfindungsgemäß vorgeschlagen - diese Zeit für eine Messung und einen Sollwertvergleich ausgenützt und je nach Ausfall des Vergleichs ein entsprechend korrigierender Eingriff vorgenommen werden. Die Trägheit der Induktivität gibt die Zeit für eirie Zweipunktregelung, was erfindungsgemäß ausgenützt wurde.

Heidenheim. (Brenz), den I5J1.I970

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Claims

ap/A 30.04 ■ ■ Λ ' ■- ■ Voith Getriebe KG

Kennwort: "Gebändigter Elektromagnet" Heidenheim (Brenz)

Patentansprüche

Hubmagnet mit einer stromdurchflossenen, ein Magnetfeld erzeugenden Spule, einer an einer Stelle offenen Eisenummantelung um die Spule und einem der offenen Stelle der Eisenummantelung gegenüberliegend angeordneten, beweglichen Magnetanker und mit einem sich zwischen Eisenummantelung und Magnetanker ausbildenden Magnetfeld, welches den Magnetanker an die Eisenummantelung zieht und bei Annäherung des Magnetankers an die Eisenummantelung mehr und mehr hinsichtlich der Feldliniendichte unter der Voraussetzung konstanten Erregerstromes intensiviert wird und mit einem den Magnetanker von der Eisenumatantelung lösenden Kraftspeicher (Schwerkraft, Feder, Druckpolster)* dadurch_&ekenn^eichnet, daß in der Stromzuführung der Spule eine Erregerstrom-Regeleinrichtung vorgesehen ist, die diesen Strom unter Zuhilfenahme eines im Magnetfeld-Luftspalt zwischen Anker und Eisenummantelung eingebrachten magnetfeldstärkeabhängigen Geberelementes (Hallgenerator 8', Feldwiderstand Θ) und nach Maßgabe eines Sollwertstellers (75//&1 V) auf wenigstens im zeitlichen Mittel konstante Magnetfelderregung und damit auf eine/wegunabhängige konstante Magnetkraft einregelt (Fig* I bis 3).
2. Hubmagnet nach Anspruch 1 mit einem Feldwiderstand im Magnetfeld -Luftspalt, dadurch gekennzeichnet« daß der Spannungsabfall entlang des Feldwiderstandes (8) mit einer vorgegebenen, am Sollwertsteller einstellbaren Potentialdifferenz (Sollpotential) verglichen wird und die beiden Vergleichspunkte (148 und 165) auf den Eingang eines Verstärkers (V) geschaltet werden» der so geschaltet 1st« daß bei überwiegen des Spannungsabfalls entlang des Feldwideretandes (8) gegenüber dem Sollpotential der Ausgangsstrom des Verstärkers verringert oder gar ganz abgeschaltet wird, und bei überwiegen des Sollpotentiale der Aus·»

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-14-gangsstrom erhöht bzw. wieder eingeschaltet wird (Fig. 1 und 2).

Hubmagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Peldwiderstand (8) elektrisch in einer Wldterstandsbrückenschaltung (8,14,15,16) angeordnet ist, diafi ferner in der WiderstandsbrUckenschaltung ein veränderbarer Widerstand (15_;26) angeordnet ist, und daß die beiden Brflckenpunkte (148 und I65) der Widerstandsbrücke mit dem Eingang C+E/-E) eines Verstärkers (V) verbunden sind, mit dessen Ausgangssignal die Basis eines Transistors (T₁) angesteuert wird, wobei über die Emitter-Kollektorstrecke dieses Transistors die Basis eines Leistungstransistors (Tp) angesteuert wird, über dessen Kollektor-Emitterstrecke die Erregerspule (2) des Hubmagneten (1) an eine Gleichstromquelle (11) angeschlossen wird (Fig. 1 und 2).

Hubmagnet mit einer stromdurchflossenen·, ein Magnetfeld erzeugenden Spule, einer an einer Stelle offenen Eisenummantelung um die Spule und einem der offenen Stelle der Eisenummantelung gegenüberliegend angeordneten« beweglichen Nagnetanker und mit einem sich zwischen Eisenummantelang und Magnet» anker ausbildenden Magnetfeld, welches den Magnetanker an die Elsenummantelung zieht und bei Annäherung; des Magnetankers an Elsenummantelung mehr und mehr hinsichtlich der Feldliniendichte unter der Voraussetzung konstanten Erregerstromes intensiviert wird und mit einem den Magnetanker von der Eisenummantelung lösenden Kraftspeicher (Schwerkraft, Feder, Druckpolster), dadurch gekenmeichrtfc, daß in der Stromzuführung der Spule (2') eine Erregerstromregeleinrlchtung vorgesehen ist, di« diesen Strom unter Zuhilfenahme einer im Spuleninnem angebrachten Hilfswicklung (2^M) und einer Integrierschaltiing (V₁ZC) für die in der Hilfswicklung induzierte Spannung und nach Maßgabe eines Sollwertstellers auf wenigstens im zeitlichen Mittel konstante Magnetfelderregung und damit auf eine wegunabhängige konstante Magnetkraft einregelt (Flg. 4}«

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Hubmagnet mit einer stromdurchflossenen, ein Magnetfeld erzeugenden Spule, einer an einer Stelle offenen Eisenummantelung um die Spule und einem der offenen Stelle der Eisenummantelung gegenüber¹!iegend angeordneten, beweglichen Magnetanker und mit einem sich zwischen Eisenummantelung und Magnetanker ausbildenden Magnetfeld, welches den Magnetanker an die Eisenummantelung zieht und bei Annäherung des Magnetankers an die Eisenummantelung mehr und mehr hinsichtlich der Feldliniendichte unter der Voraussetzung konstanten Erregerstromes intensiviert wird und mit einem den Magnetanker von der Eisenummantelung lösenden Kraftspeicher (Schwerkraft, Feder, Druckpolster), dadurch gekennzeichnet, daß in der Stromzuführung der Spule eine Erregerstrom-Regeleinrichtung (V¹, T₁, T₀) vorgesehen ist, bei der unter Zuhilfenahme der Selbstinduktion (L) der Spule des Hubmagneten und einer Integrierschaltung (Vp/Co) eine dem Produkt aus momentanen Spulenstrom und momentaner Induktivität proportionale Spannung erzeugt wird und bei der zwischen Spule und Integrator eine Differentiations- (29/30) und eine Integrationsschaltung (V₁ZC₁) vorgesehen ist, und daß der Spulenstrom nach Maßgabe eines Sollwertstellers (^l) auf wenigstens im zeitliehen Mittel konstante Magnetfelderregung und somit auf eine wegunabhängige konstante Magnetkraft eingeregelt wird (Fig. 5)·

Heidenheim (Brenz), den 15.4.1970

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