-
Die
Erfindung betrifft einen Hubmagneten, der einen in der Regel statischen
Magnetkörper
und einen in der Regel beweglichen Magnetanker sowie mindestens
eine Erregerspule aufweist.
-
Bei
der Konstruktion von Hubmagneten treten zwangsläufig sogenannte parasitäre Bereiche auf,
die physikalisch gesehen große
magnetische Widerstände
darstellen, die beim Betrieb des Magnetsystems zu erheblichen magnetischen
Gesamtflussverlusten führen.
Diese Verluste äußern sich
je nach Ausführungsart
der Hubmagnete unterschiedlich und verringern insbesondere die Hubarbeit
des Magneten erheblich.
-
Parasitäre Bereiche
werden gebildet durch in einen Hubmagneten integrierte, magnetisch
nicht leitende Medien, wie beispielsweise Luft, Gase, oder durch
nicht leitende Feststoffe, wie beispielsweise Kunststoff, Pappe
oder dergleichen. Die durch solche Medien/Feststoffe entstehenden
parasitären
Bereiche führen
zu einem geringeren magnetischen Gesamtfluss durch den Eisenkreis
des elektromagnetischen Systems. Derartige parasitäre Bereiche
lassen sich häufig
herstellungsbedingt nicht vermeiden, insbesondere, wenn bei der
Herstellung der Magnete, insbesondere Hubmagnete, konfektionierte
Ausgangsmaterialien verwendet werden, die zu Spalten oder Hohlräumen zwischen
den einzelnen Bauteilen führen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, um Hubmagnete
zu optimieren, indem die durch „parasitäre" Bereiche entstehenden Verluste vermieden
oder zumindest weitgehend herabgesetzt werden.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass diese parasitären
Bereiche je nach technischer Umsetzbarkeit und ohne Beeinträchtigung
der erforderlichen elektrischen Isolierung und Absicherung ganz
oder zumindest teilweise durch magnetisch leitfähige Materialien ausgefüllt bzw.
ersetzt sind.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Hubmagneten besteht darin,
dass parasitäre
Bereiche je nach technischer Umsetzbarkeit und ohne Beeinträchtigung der
erforderlichen elektrischen Isolierung und Absicherung ganz oder
zumindest teilweise durch magnetisch leitfähige Leitmaterialien ersetzt
und/oder befüllt
oder diese Bereiche in eine Matrix aus magnetisch leitfähigen Materialien
eingebettet werden.
-
Die
magnetisch leitenden Materialien können sowohl in fester Form,
wie beispielsweise in Form von Eisenpulver (Eisen steht im folgenden
immer als Synonym für
magnetisch leitende Werkstoffe), mit idealerweise sehr kleinen Teilchengrößen unter
5 μm (wodurch
ein Ausfüllen
der parasitären
Bereiche zu annähernd
100% ermöglicht
wird), massiven Eisenblechen, Eisenspänen oder ähnlichem vorliegen, als auch
in flüssiger
Form, wie magnetorheologische Flüssigkeiten
oder Ferrofluiden. Eine weitere, sehr effiziente Möglichkeit
die parasitären
Bereiche zu eliminieren, besteht in einem Fluid, welches seinen
Aggregatzustand von zunächst
fließfähig zu (nach
einer gewissen Aushärtezeit)
fest ändert.
Diese Fähigkeit
besitzen beispielsweise diverse Vergussmassen wie vorzugsweise Zweikomponenten-Epoxidharze,
Zweikomponenten-Siliconharze, Zweikomponentenharze auf der Basis
von organischen Kunstharzen usw.. Diese Vergussmassen besitzen den
positiven Nebeneffekt einer hohen Wärmeleitfähigkeit; sie haben jedoch den
Nachteil, magnetisch nicht leitfähig
zu sein. Sie werden erfindungsgemäß daher durch Beimischen von
Eisenfeststoffen in vorzugsweise sehr kleinen Teilchengrößen von vorzugsweise
unter 5 μm
und mit Volumenanteilen zwischen 50 bis 95 Vol.-%, vorzugsweise
im Bereich von etwa 80–85
Vol.-%, magnetisch leitfähig
gemacht.
-
Der
große
Vorteil dieses Vorgehens liegt
- a) in einer
zusätzlichen
besseren Wärmeleitfähigkeit
des Magnetsystems, das mit der magnetisch leitfähigen Vergussmasse vergossen
wurde, sowie darin, dass
- b) die Vergussmasse in flüssiger
Form auch in die noch so kleinsten Winkel des Magnetsystems einfließen kann,
ohne später
wieder auslaufen zukönnen,
da sie ja komplett aushärtet.
-
Der
Aggregatzustand der Vergussmasse steigt mit dem Feststoffanteil
in der Vergussmasse von einer geringen Viskosität bei z. B. 50 Vol.-% stetig
und ähnelt
bei knapp unter 95 Vol.-% dem einer Paste. Im Einzelfall hängt die
Konzentration der Eisenpartikel in der Vergussmasse daher zum einen von
der Anfangsviskosität
(Trägermedium
ohne beigemischte Eisenpartikel) ab, (je geringer die Anfangsviskosität des Trägermediums
ist, desto mehr Feststoffe können
beigemischt werden) als auch von dem einzelnen Einsatzbereich, indem
abgeschätzt wird,
ob die magnetische Vergussmasse noch eigenständig fließfähig sein muss, oder ob sie
auch in Form einer Paste mit hoher Viskosität [aber auch einem hohen Eisenanteil]
durch Einpressen in den Luftspalt eingesetzt wird.
-
Erfindungsgemäß besteht
je nach Anwendungszweck auch die Möglichkeit, Einkomponentenkleber,
Silicon oder ähnliches
als Trägerstoff
für die Eisenpartikeln
magnetisch leitfähig
zu machen und einzusetzen.
-
Eine
vorteilhafte Möglichkeit
der Reduzierung der magnetischen Widerstände in den parasitären Bereichen
besteht in der Verwendung einer magnetisch gut leitfähigen Paste
aus beispielsweise einem Gemisch aus Öl als Trägerfluid und Eisenpulver in
einer hohen Konzentration, um die daraus entstehende Paste durch
intensives Vermischen homogen magnetisch leitfähig zu machen.
-
Diese
Paste härtet
zwar nicht aus, was aber in manchen Einsatzbereichen geeigneter
ist als eine Vergussmasse, die nach dem Befüllen der parasitären Bereiche
aushärtet.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Hubmagneten in Form eines
Topfmagneten beschrieben.
-
1 zeigt
in schematisierter Darstellung eine Schnittansicht eines bekannten
Hubmagneten;
-
Die 2 bis 11 zeigen
in schematisierter Darstellung Schnittansichten diverser Ausführungsformen
erfindungsgemäß gestalteter
Hubmagnete.
-
Der
in 1 dargestellte Hubmagnet besteht aus einem im
wesentlichen topfförmigen
Magnetkörper
(1), einer Magneterregerspule 3 und einem in axialer
Richtung beweglichen Anker 6, dem als Teil des Magnetkörpers 1 ein
axial zum Anker 3 ausgerichtetes Ankergegenstück 1.1 gegenüber liegt.
Zwischen dem Ankergegenstück 1.1 und
dem Anker 6 befindet sich eine Brücke 4 aus antimagnetischem,
d. h. unmagnetischem Material. Die Brücke 4 bildet ein in
der Regel rohrförmiges
Führungselement
für den Anker 6 im
Bereich des Arbeitsluftspaltes 5. Zum Druckausgleich ist
das Ankergegenstück 1.1 jeweils mit
einer an den Arbeitsluftspalt 5 angeschlossenen Druckausgleichsbohrung 1.2 versehen.
-
In
den 2 bis 11 dargestellte Elemente, die
der Darstellung von 1 entsprechen, haben die gleichen
Bezugszeichen.
-
Der
Hubmagnet enthält
parasitäre
Bereiche 2 in Form von Luftspalten und/oder antimagnetischen Stoffen.
-
Der
in 2 dargestellte Hubmagnet besteht aus einem topfförmigen Magnetkörper 1 inklusive
des Ankergegenstücks 1.1,
dem Anker 6 und der Erregerspule 3, die auf einen
antimagnetischen Spulenträger 7 aufgewickelt
ist, der gleichzeitig als Brücke
zwischen dem Ankergegenstück 1.1 und
dem beweglichen Anker 6 wirksam ist. Eine Füllung 9 aus magnetisch
leitfähigem
Material, vorzugsweise in Form von Eisenpartikeln, z. B. Eisenpulver,
umgibt die Erregerspule 3. Die gemäß 1 vorhandenen Luftspalte
sind damit durch den Spulenträger 7 und die
Füllung 9 eliminiert.
-
Der
in 3 dargestellte Hubmagnet besteht aus einem topfförmigen Magnetkörper 1 einschließlich Ankergegenstück 1.1,
dem Anker 6, der Erregerspule 3 und einer Brücke 4.
Die gemäß 1 vorhandenen
Luftspalte um die Erregerspule 3, d. h. die parasitären Bereiche
nehmen eine Füllung 9 aus magnetisch
leitfähigem
Material auf.
-
Der
in 4 dargestellte Hubmagnet besteht aus einem statischen
Magnetkörper 1 einschließlich Ankergegenstück 1.1,
einem Anker 6, einer Erregerspule 3 sowie einer
Brücke 4.
Die an den Arbeitsluftspalt 5 anschließende Druckausgleichsbohrung 1.2 mündet in
einen durch eine Membran 8 verschlossenen Druckausgleichsraum 8.1 Der
Arbeitsluftspalt 5, die Druckausgleichsbohrung 1.2 sowie
der Druckausgleichsraum 8.1 enthalten eine Füllung aus
magnetisch leitfähigem
Material, z. B ein Ferrofluid oder eine magnetorheologische Flüssigkeit mit
gegebenenfalls eingemischtem Eisenpulver oder eine magnetisch leitfähige Paste.
-
Bei
dem Hubmagneten gemäß 5 sind die
Lösungsvorschläge gemäß den 2 und 4 verwirklicht,
was durch die entsprechenden Bezugszeichen und Schraffierungen zum
Ausdruck gebracht ist.
-
Bei
dem Hubmagneten gemäß 6 sind die
Lösungsvorschläge gemäß den 3 und 4 verwirklicht,
was durch die entsprechenden Bezugszeichen zum Ausdruck gebracht
ist.
-
Bei
der Ausführungsform
gemäß 7 ist der
Magnetkörper 1 unter
Inkaufnahme erhöhter
Herstellungsgenauigkeit so gestaltet, dass parasitäre Bereiche
beispielsweise in Form von Luftspalten im wesentlichen nicht vorhanden
sind, jedoch mit Ausnahme des zwischen dem Anker 6 und
dem Ankerkerngegenstück 1.1 befindlichen
Arbeitsluftspaltes 5, der gemäß der Ausführungsform von 5 über die Druckausgleichsbohrung 1.2 an
einen durch eine Membran 8 verschlossene Druckausgleichsraum 8.1 angeschlossen
ist. Die an sich parasitären
Bereiche des Arbeitsluftspaltes 5, der Bohrung 1.2 und
des Druckausgleichsraums 8.1 enthalten eine Füllung aus
magnetisch leitfähigem
Material.
-
Der
in 8 dargestellte Hubmagnet enthält einen die Erregerspule 3 unmittelbar
umgebenden Magnetkörper 1 einschließlich Ankergegenstück 1.1, beide
bestehend z. B. aus einer magnetisch leitfähigen Vergusskapselung, einen
Anker 6 sowie einen Spulenträger 7. An sich parasitäre Räume im Bereich des
Arbeitsluftspaltes 5, der Bohrung 1.2 im Ankergegenstück 1.1 und
des Druckausgleichsraums 8.1 nehmen eine fließfähige Füllung aus
magnetisch leitfähigem
Material auf.
-
Bei
dem Hubmagneten gemäß 9 ist
der aus massivem Eisen bestehende, statische Magnetkörper 11 auf
einen Deckel 11.2 sowie ein dem dynamischen Anker 6 gegenüber gestelltes
Ankergegenstück 11.1 reduziert,
das eine den Arbeitsluftspalt 5 mit dem Druckausgleichsraum 8.1 verbindende
Bohrung 11.12 hat; die Räume 5, 8.1 und 11.12 nehmen eine
magnetisch leitfähige,
fließfähige Füllung auf. Die
Erregerspule 3 ist auf einen Spulenträger 7 aufgewickelt
und in einen parasitäre
Bereiche ausschließenden
Topf 12 aus magnetisch leitfähigem Material vorzugsweise
z. B. in Form einer Vergussmasse mit beigemischten Eisenfeststoffen
eingebettet, wobei die starre Vergussmasse durch Aushärten eines
geeigneten Fluids entstanden ist.
-
Bei
der Ausführungsform
gemäß 10 ist der
aus massivem Eisen bestehende, statische Magnetkörper 11 auf ein dem
dynamischen Magnetkern bzw. Anker 6 gegenüberliegendes
Magnetkerngegenstück 11.1 sowie
einen Deckel 11.2 reduziert. Die Erregerspule 3 ist
auf einen Spulenträger 7 aufgewickelt
und im Sinn der vorliegenden Erfindung von einem parasitäre Bereiche
ausschließenden
Topf 12 gemäß 9 aus
magnetisch leitfähigem
Material umgeben. Es fehlt hier ein Druckausgleichsraum und die
Befüllung
des Arbeitsluftspaltes 5 und der Bohrung 11.1 mit
magnetisch leitfähigem
Material.
-
Bei
der Ausführungsform
gemäß 11 ist der
aus massivem Eisen bestehende statische Magnetkörper 11 reduziert
auf einen Deckel 11.2, ein Ankergegenstück 11.1 und einem
Bodenabschnitt 11.3. Die auf einen Spulenträger 7 aufgewickelte
Erregerspule 3 ist von einem Zylinder 13 aus magnetisch
leitfähigem
Material vorzugsweise in Form von einer Vergussmasse mit beigemischten
Eisenfeststoffen umgeben, wobei diese starre Vergussmasse durch Aushärten eines
geeigneten Fluids entstanden ist.
-
Bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips
können
beträchtliche
Verbesserungen erreicht werden.
-
Grundlegend
ist festzuhalten, dass in diesem Zusammenhang bei der Optimierung
nur der magnetische Wirkungsgrad betrachtet wird, da dieser nicht, wie
es beim Gesamtwirkungsgrad der Fall ist, von der Einschaltzeit abhängt. Bei
gegen unendlich strebender Einschaltzeit mit der daraus resultierenden
gegen unendlich strebenden Verlustenergie, nähert sich der Gesamtwirkungsgrad
dem Wert 0, da der gesamte Energieaufwand sich nur noch in Verlustenergie
in Form von Wärme
umwandelt. Der hier betrachtete magnetische Wirkungsgrad hingegen
ist von der Einschaltzeit unabhängig.
Der magnetische Wirkungsgrad ist definiert als der Quotient, der
im stationären
Fall frei werdenden mechanisch nutzbaren Energie zu der im Idealfall
umgewandelten Endenergie.
-
Numerisch
hängt der
magnetische Wirkungsgrad insbesondere auch von der Größe des Magnetsystems
ab; so haben sehr kleine Magnetsysteme in der Regel geringere magnetische
Wirkungsgrade als größere Magnetsysteme,
was jedoch von der eigentlichen Optimierung unabhängig ist.
Für einen
bestimmten Prototypen eines Magnetsystems konnte ohne Anwendung
des erfindungsgemäßen Prinzips,
also ohne Optimierung im Sinne der vorliegenden Erfindung ein magnetischer
Wirkungsgrad von ca. 60% gemessen werden. Nach der Optimierung mit
einer aushärtenden
Vergussmasse, die einen Eisenpulveranteil im Bereich von 70 Vol.-%
enthielt, hat sich der magnetische Wirkungsgrad auf 70%, d. h. also
um 10%-Punkte verbessert, was einer Wirkungsgradverbesserung im
Bereich von 16 bis 17% entspricht. Durch Ausfüllen der parasitären Luftbereiche
bis zu annähernd
100% mit Eisenpulver kann eine weitere Wirkungsgradverbesserung
erreicht werden, wobei zu beachten ist, dass grundsätzlich der
magnetische Wirkungsgrad maximal auf einen Wert von ca. 80% verbessert
werden kann, wobei es sich dann allerdings um ein ideales Magnetsystem
ohne irgendwelche parasitären
Bereiche handelte.