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Schnellschaltendes Magnetsystem für Kraftmagnete oder Magnetventile
I. 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 liegend
Die vorliegende Anmeldung schlagt 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 er-1 wähnten Zeiten auf weniger als der Werte,
die an her-10 kömmlichen Systemen mit gleicher Leistung gemessen waren.
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TI. Maßnahmen zur Verkleinerung der Schaltzeiten Der Frfindung liegt
einerseits die sinnvolle Kombination und Koordination bekannter Maßnahmen zu rYrunde,
die jede für sich eine Verbeserung 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 Sattigung begrenzt wird.
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2. Möglichst kleine Zeitkonstante g der wrregerwicklung, damit der
Frregerstrom möglichst schnell steigt.
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3. Möglichst kleine Massen der bewegten Teile (Anker).
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4. Gleichzeitig soll die Magnetkraft möglichst von Anfang bis Ende
des Ankerhubs konstant sein, eine Forderung, die bei herkömmlichen Systemen nur
andeutungsweise erP füllt werden kann und zwar dadurch, daß man, wie Fig.1 zeigt,
Anker und Pol so ausbildet daß ein T-eil der Feldlinien senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Ankers steht und somit keinen Beitrag zur Zugkraft liefert.
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Je kleiner die Luftspaltlänge t wird, umso größer wird der anteil
an quer verlaufenden Feldlinien @@ , die keine Zugkraft liefern. Allerdings steigt
auch der Anteil des Längsfeldes, denn der magnetische Widerstand hs vermindert sich
mit kleiner werdender Luftspaltlänge t . Der Nachteil dieser Polform ist eine Vergrößerung
des Flusses durch die nutzlose Querkompo nente der Tnduktion 6 im Nebenschluß, die
im gleichen Verhältnis auch eine Zunahme der Tnduktivität ß zur Folge hat. Damit
wird aber die Zeitkonstante und auch die Schaltzeit erhöht. Statt der stufenförmigen
Polform findet man auch kegelförmige Anker, für die das Obengesagte wegen der Querkomponente
des Flusses ebenfalls gilt.
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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 (siehe Fig.2)
Der Querschnitt des Ankers sollte dadurch merklich vermindert-werden, z.B. auf die
Hälfte. Dadurch wird eine Halbierung der Ankermasse erreicht, die sehr erwünscht
ist und mit Punkt konform ist.
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Bei großem Ankerabstand A> a wirkt sich-die Unterbrechung der
Polfläche kaum aus und die Kraftwirkung ist ebenso groß, wie bei vollem Anker. Kurz
vor dem Anschlag des Ankers ( @ @2 ) wird dagegen der LuRtspaltquer-; schnitt halbiert-
gegenüber dem vollen..Anker. Der magnetische Widerstand des Luftspalts @@@ verdoppelt
sich und somit tritt nur die halbe Induktion ß auf, die
Hälfte der
Magnetkraft F und die halbe Induktivität L, verglichen mit einem System, bei dem
Anker und Kern gleiche Polflächen haben. Siehe Fig. 5 a und 5 b.
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Gerade die Halbierung von L ist sehr- erwünscht, die 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
1/2 l2 stark zunehmende Kraftcharakteristik einzu ebnen, was nach Punkt 4, Fig.
1 zu unerwünschten Nebenwirkungen führt.
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6. Das Magnetsystem wird durch die in Fig. 5 beschriebene Maßnahme
eine kleine Induktivität L und eine kleine Zeitkonstante # = @/@ bekommen. Die Bedeutung
von # wird an Fig. 4 deutlich. Die kleinere Zeitkonstante t1 ergibt einen schnelleren
Anstieg des Stromes 1 bis zum Anzugsstrom Ia und eine etwa im gleichen Verhältnis
verkleinerte Anzugs-. zeit @2 .
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7. @ine Verkürzung der Anzugszeit ergibt sich auch durch Überlagerung
eines Vorstromes , , der ausreichend kleiner sein muß, als Ia, damit der Magnet
nicht anzieht. Die Anzugszeit verkürzt sich damit auf t2-t0 , denn der davor liegende
Kurvenast braucht nicht mehr durchlaufen zu werden Siehe Fig. 4.
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8. Wegen des stark progressiven Charakters der Magnetkraft soll erfindungsgemäß
im Augenblick des Einschaltens bis zum Anziehen ein Vielfaches von IA fließen. Dadurch
wird die Stromanstiegskurve nochmals versteilert, weil nunmehr die Tangente in der
Zeit tz bereits den höheren Wert @@@@ erreicht. Die Einschaltzeit verkürzt sich
weiter auf @3. Natürlich würde der Strom @@I@ die Wicklung thermisch überlasten,
wenn der Strom nicht sofort nach dem Durchschalten elektronisch oder mittels Relais
auf den Nennwert @@ herabgesetzt würde. BQi diesem Verfahren ergibt sich als zusktzlicher
Vorteil eine weitere Einebnung dr Kraftcharakteristik: Tm offenen Zustand des Magneten
ist eine Sättigung des @nkers 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. Siehe Fig. 6. 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 liefern0 An die Stelle des Schalttransistors kann ein Schalter
oder Thyristor treten4 Die zweite Spannungsquelle U2 bzw0 der elektronische Spannungswandler
kann eingespart werden, wenn der Magnet den Haltestrom über einen Vorwiderstand
erhält. Wegen des großen Unterschieds zwischen Haltestrom und Einschaltstromimpuls
muß der Vorwiderstand eine beträchtliche Leistung aufnehmen und ist daher nur bei
wenigen % Einschalt-dauer sinnvoll.
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Mit einer zusätzlichen Haltewicklung, wie Fig. 7 zeigt, kann man diesen
Vorwiderstand einsparen. Die Haltewicklung nimmt nur ca. 10% des Gesamtwickelraumes
ein und ht einen hohen Widerstand. Bei praktisch ausgeführten Magneten ergab sich
n.uf diese Weise eine Verminderung der Leitungsaufnahme auf 10%, wobei durch die
Hauptwicklung nur beim Einschalten ein Impuls mit beispielsweise 10facher Nennleistung
fließt0 Für bestimmte Anwendungsfälle kann ein Permanentmagnet das Hilfsfeld für
das Halten des Magneten liefern. Dadurch entfällt zwar die Haltewicklung; allerdings
benötigt man dann zum Öffnen des Magneten einen negativen Stromstoß. Wie Fig.7 zeigt,
wird mit schalter q die Haltewicklung direkt eingeschaltet. Im gleichen augenblick
wird auch der Transistor leitend, und zwOr so lunge, wie ein Ladestrom durch den
Kondensator C fließen kann. Mit abklingendem Ladestrom beginnt auch der Transistor
zu sperren-und der Einschaltimpuls durch die niederohmige Hauptwicklung ist zu Ende.
Solange S
geschlossen bleibt, wird der Magnet noch durch den Strom
in der Haltewicklung angezogen bleiben. Beim Öffnen des Schalters entlädt sich C
über R ohne Einfluß auf den Transistor. schaltet man zwischen RC und dem Transistor
einen Tmpuls verstärker mit weiteren Transistoren, kann der Kondensator erheblich
verkleinert werden und statt des Schalters eine elektronische Steuerung zum Einsatz
kommen.
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P a t e n t a n s p r ü c h e : 1.
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1. Schnellschaltendes Magnetsystem für Kraftmagnete oder Magnet ventile
dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerquerschnitt des Magnetes durch Bohrungen oder
nicht magnetische Schichten in Feldrichtung extrem vermindert ist, so daß die bewegte
Masse verkleinert wird und gleichzeitig eine Einebnung der Kraftcharakteristik erreicht
wird, welche zu. einer Unterdrückung der für die Zugkraft des Magnetes unwirksamen
Querkomponente der Induktion, also zu einem Anstieg der Wirkinduktion führt.
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II.