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Elektromagnet mit mehreren ihn speisenden Quellen und relativ dazu
beweglichem Anker Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromagneten, bestehend
aus einem magnetisierbaren Joch und einem von Erregerströmendurchflossenen Erreger-Spulensystem
und zwei oder mehr als zwei Polschuhen und einem zwischen den Polschuhen befindlichen,
relativ dazu beweglichen Anker aus magnetisierbarem Material und/oder Leiterschleifen.
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Zum leichteren Verständnis der Erfindung von Anfang an soll zunächst
der Hintergrund der Erfindung an Hand der Fig. 1 bis 4 erläutert werden, wobei zeigen
Fig. 1 einen zunächst im konventionellen Teil zu betrachtenden Elektromagneten,
mit dem zunächst die im Zusammenhang mit der Erfindung verwendeten Begriffe erläutert
werden, Fig. 2 einen Elektromagneten mit den eingetragenen
Feldlinien,
Fig. 5 eine andere Anordnung, bei der das Joch des Elektromagneten drei Polschuhe
trägt, Fig. 4 eine nochmals andere Anordnung mit einer Vielzahl von Polschuhen.
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Fig. 5 - 12 zeigen Einzelheiten im Zusammenhang mit der Erfindung.
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1 ist das Joch aus magnetisiergarem Material, das alle an sich bekannten
Formen annehmen kann. Der Elektromagnet besitzt in bekannter Weise eine Erregerspule
2 oder ein Erreger-Spulensystem, durch das die Erregerquelle 3 einen Erregerstrom
schickt, um in dem Joch ein magnetisches Feld zu erzeugen. Das Erreger-Spulensystem
und die Erregerquelle bilden zusammen das Erregersystem.
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Mit dem Joch 1 sind in bekannter Weise Polschuhe 4 und 5 verbunden.
Das von dem Erreger-Spulensystem im Joch erzeugte, magnetische Feld tritt aus dem
einen Polschuh aus und entsprechend den in Fig. 2 gezeichneten Feldlinien in den
zweiten Polschuh wieder ein. Die Pfeilspitzen der Feldlinien zeigen die Richtung
der Feldlinien an. Zwischen den Polschuhen liegt ein magnetisierbarer Anker 6, der
in bekannter Weise
aus magnetisierbarem Material, z.B. Eisen, bestehen
kann, aber auch Leiterschleifen enthalten kann wie bei Motoren.
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Der Anker ist beweglich und wird von dem magnetischen Fluß 12 des
Erregersystems durchflossen. Der in den Anker eintretende magnetische Fluß bt auf
den Anker eine Kraft aus, ebenso der aus dem Anker austretende Fluß. Ist B die im
Luftspalt zwischen Polschuh und Anker bestehende magnetische Flußdichte, so ist
die auf den Anker wirkende Kraft proportional zu der Größe
Diese Kraft wirkt auf den Teil F der Oberfläche des Ankers, in die der von dem benachbarten
Polschuh ausgehende magnetische Fluß eintritt bzw. der in den benachbarten Polschuh
eintretende Fluß austritt. dF ist das Flächenelement der Fläche F.
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Ist die Erregerquelle eine mehrphasige Quelle, z.B. ein dreiphasiges
Quellensystem, so trägt beispielsweise in einer aus der Technik der Elektromotoren
bekannten Weise das Joch 1 drei Polschuhe wie in Fig. 3 und es gibt drei Spulen
bzw. Spulensysteme 2a bis 2c, die von den drei Quellen 5a bis 5c gespeist werden.
Bekannt ist ferner ein dreiphasiges Quellensystem nach Fig. 4 bei dem das Joch 1
zahlreiche Polschuhe und ein sechsteiliges Spulensystem besitzt, wobei der magnetische
Fluß benachbarter Polschuhe
dadurch nach Größe und Phase verschieden
ist, daß um das Joch herum zwischen benachbarten Polschuhen je eine Erregerspule
gewickelt ist. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist auch der Elektromagnet eines
Linearmotors von Interesse, der aus Fig. 4 dadurch entsteht, daß die Polschuhe nebeneinander
auf einem gradlinigen Joch angeordnet sind. Ein Polschuh im Sinne der Erfindung
ist daher in allgemeinster Form ein zusammenhängendes Gebilde aus magnetisierbarem
Material, aus dem ein magnetischer Fluß in den Anker übertritt, wobei der vom Erregersystem
erzeugte magnetische Fluß in allen Teilen seiner Stirnfläche in gleicher Richtung
austritt.
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Es gibt nun Anwendungsfälle, bei denen die Notwendigkeit besteht,
daß auf den Anker neben der durch das Erregersystem erzeugten Kraft noch eine zweite,
magnetisch erzeugte Kraft oder mehrere zusätzliche Kräfte dieser Art wirken. Hierbei
entstehen die zusätzlichen Kräfte - Steuerkräfte genannt -, durch zusätzliche magnetische
Felder, die aus einem oder mehreren Polschuhen in den Anker übertreten. Diese magnetischen
Felder werden durch zusätzliche Ströme, Steuerströme genannt, erzeugt, wobei diese
Ströme im Erreger-Spulensystem oder in zusätzlichen Stuplensystemen durch zusätzliche
Quellen, Steuerquellen genannt, erzeugt werden. Die an der Steuerung beteiligten
Spulen werden als Steuerspulen oder Steuerspulensysteme bezeichnet. Jedes Steuerspulensystem
bildet zusammen
mit der zugehörigen Steuerquelle das zu dieser
Steuerquelle gehörende Steuersystem Ein Beispiel ist die magnetische Lagerung eines
rotierenden Ankers in Anordnungen nach Fig. 3 und Fig. 4. Hier benötigt man neben
den Antriebskräften Steuerkräfte zur Stabilisierung der Lage des Ankers Ein weiteres
Beispiel zur Anordnung nach Fig. 1 ist der Anker als akustischer Generator, der
vom Erregersystem zu einer niederfrequenten Schwingung angeregt wird und dann noch
zusätzliche niederfrequente Schwingungen anderer Frequenzen ausfuhren soll.
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Bekannt ist die Lösung daß die zweite magnetisch erzeugte Kraft durch
einen zweiten Elektromagneten erzeugt wird, beispielsweise beim rotierenden Anker
durch ein vom Antriebssystem getrenntes magnetisches Lager. Diens bodeutet jedoch
einen relativ hohen Aufwand.
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In der DT-OS 2 114 040 ist bereits vorgeschlagen worden, bei einem
magnetisch gelagerten Rotor die elektromagnetischen Mittel einer Stabilisierungseinrichtung
des magnetischen Lagers zur Aufnahme eines Mehrphasenwechselstroms einzurichten
und dadurch den Rotor nach Art eines Hysterese oder Wirbelstrommotors anzutreiben.
Die DT-OS beschreibt keine Mittel zur Lösung dieser Aufgabe. Sie schlägt ferner
an sich bekannte' Mittel zur Trennung der Stromkreise der die magnetische Lagerung
stabilisierenden Quelle und der den Antrieb erzeugen den Mehrphasenquelle vor.
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Ferner ist es aus der Technik der Lautsprecher bekannt, eine magnetisierbare
Membrane durch magnetische Kräfte zu Schingungen auf mehreren Frequenzen dadurch
anzuregen, daß man in die gleiche Erregerspule Ströme mehrerer Frequenzen schickt.
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Das besondere Problem bei Kräften, die durch Überlagerung mehrerer
magnetischer Felder entstehen, besteht darin, daß die magnetische Flußdichte B des
Flusses von einem Polschuh zum Anker nun die Summe mehrerer Flußdichten verschiedener
Herkunft ist. Für zwei verschiedene Quellen ist B = B1 + B2, (2) wobei B1 der vom
Erregersystem erzeugte Fluß und B2 der vom Steuersystem erzeugte Fluß ist. Nach
der Formel (1) ist dann die auf den Anker-wirkende Kraft proportional zu
Diese Kraft ist also die Summe von drei Kräften, von denen die erste (Teilkraft
erster Art genannt) diejenige Kraft darstellt, die vom Erregersystemallein erzeugt
wird und die dritte Kraft (Teilkraft dritter Art genannt) diejenige, die von Steuersystem
allein erzeugt wird.
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Die zweite Kraft (Teilkraft zweiter Art genannt) entsteht, wenn beide
Flüsse gleichzeitig vorhanden sind und stellt eine normalerweise unersxnschte und
schädliche Kopplung beider Systeme dar. Sie enthält beispielsweise Summenfrequenzen
und Differenzfrequenzen, wenn die gekoppelten Vorgänge si nusförmige Zeitabhängigkeit
haben wie bei zwei Tönen im Lautsprecher. Im Fall des von der ersten Kraft angetriebenen
Rotors addiert sich in diesem Fall zu dem zur Steuerung dienenden dritten Kraftanteil
der zweite Anteil, der wegen des Faktors B1 die Antriebsfrequenz enthält und ein
Vibrieren der magnetisch gelagerten Achse erzeugt bzw. die magnetische Lagerung
bei sehr kleinen Abständen zwischen Polschuh und Anker sogar unmöglich macht.
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Es ist bekannt, die nichtlineare Abhängigkeit der Kräfte durch eine
Vormagnetisierung weitgehend zu vermeiden. Dann ist B1 ein zeitlich konstanter Fluß,
der wesentlich größer ist als B2. In Gleichung (5) ist dann die dritte Kraft wesentlich
kleiner als die zweite Kraft und wird praktisch unwirksam. Die zweite Kraft enthält
dann neben dem konstanten BI alle zeitabhängigen Flüsse im B2 in linearer Kombination,
so daß alle Teile von B2 unabhängig voneinander Kräfte ausüben können.
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Eine Vormagnetisierung bedeutet jedoch zusätzlichen Aufwand.
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Bei bewegtem Anker erzeugt die Vormagnetisierung Wirbelströme im Anker,
wodurch Energie verbraucht wird und der Anker
sich erwärmt. Bei
kleinen Abständen zwischen Anker und Polschuh ist eine Wärme ausdehnung des Ankers
nicht zulässig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Polschuhen und dem Steuersystem
eine Form zu geben, bei der die in Gleichung ()) enthaltene Kraft zweiter Art hinreichend
unwirksam ist, so daß nun die Kräfte erster und dritter Art wirksam werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Stirnfläche eines oder
mehrerer Polschuhe je in zwei oder mehr als zwei nicht zusammenhängende Teilflächen
unterteilt ist und in den dadurch entstandenen Zwischenräumen ein oder mehrere stromdurchflossene
Leiter liegen und diese Leiter Bestandteile eines Steuerspulensystems sind und von
Steuerquellen gespeist werden, wobei die von dem Strom einer der Steuerquellen durchflossenen
Teile dieses Steuerspulensystems so gestaltet sind, daß der von diesem Steuerstrom
erzeugte, aus dem Pol schuh austretende, magnetische Fluß in einer oder mehreren
Teilflächen dieses Polschuhs eine entgegengesetzte Richtung hat wie in den übrigen
Teilflächen des Polschuhs.
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In einem einfachen Beispiel der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Aufteilung
der Stirnfläche des Polschuhs 4 in zwei Teilflächen 7, 8, gezeigt, die durch den
Zwischenraum 9 voneinander getrennt sind. In diesem Zwischenraum liegen Leiter,
die Bestandteil einer Steuerspule 10 sind, die von einer
Steuerquelle
11 gespeist wird. Durch Steuerspulen geeigneter Form wird ein zusätzliches magnetisches
Feld erzeugt, das Feldlinien 13 in der in Fig. 12 gezeichneten Form besitzt, wobei
aus dei Pfeilrichtungen der gezeichneten Feldlinie zu ersehen ist, daß dieses Zusatzfeld
aus den Teilflächen 7 und 8 in verschiedener Richtung austritt. Diese verschiedene
Richtung bedeutet verschiedenes Vorzeichen des B2 für beide Teilflächen. Die Kraft
dritter Art der Gleichung ()) ist unabhängig vom Vorzeichen des B2, weil B2 quadratisch
vorkonmbi Der gewollte Kraftanteil des B2 ist also unabhängig von der Richtung des
zur Steuerung dienenden Flusses, und die Wirkungen aller Teilflächen eines Polschuhs
addieren sich in der dritten Kraft der Gleichung (3). Dagegen treten in der Kraft
zweiter Art der Gleichung (3) die Kräfte der verschiedenen Teilflächen mit verschiedenen
Vorzeichen auf, wodurch der unerwünschte zweite Kraft anteil eine Differenz wird
und dadurch kleiner ist als im Fall von Zusatzfeldern gleicher Richtung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Teilflächen,
die Zwischenräume zwischen den Teilflächen und die in ihnen verlaufenden Leiter
so ausgebildet, daß die von dem betreffenden Polschuh auf den Anker ausgeübte Kraft
die Summe von Teilkräften derart ist, daß jede Teilkraft nur von je einer der beteiligten
Quellen abhängt und von den Strömen der anderen nahezu unabhängig ist.
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Im einfachsten Fall wie in Fig. 1 und Fig. 5 gibt es nur eine Steuerquelle
11, deren Strom durch Leiter in den Zwischenräumen zwischen den Teilflächen fließt.
Diese Leiter sind ergänzt zu einer Spule oder einem Spulensystem, das von der Steuerquelle
gespeist wird. Ein Beispiel ist das Spulensystem von Fig. 5 mit zwei Teilflächen
7, 8 und einem Zwischenraum 9 und zwei Steuerspulen 14, 15.
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Urn die Formeln zu vereinfachen, wird im Folgenden vorausgesetzt,
daß der Luftspalt zwischen Anker und Polschuh sehr klein und für die gesamte Stirnfläche
des Polschuhs gleich groß ist.
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Dann sind die magnetischen Felder homogen und B1 ist eine Konstante.
Die störende Kraft zweiter Art in Gleichung ()) ist dann proportional zu
d.h. proportional zu dem Gesamtfluß /2 der von der Steuerquelle unter Berücksichtigung
der verschiedenen Feldrichtungen zwischen Polschuh und Anker erzeugt wird. Dann
ist = = ° der anzustrebende Fall, in dem die Wirkungen des Bj und des B2 voneinander
unabhängig sind.
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Ist der Polschuh in nur zwei Teilflächen unterteilt und ist
das
von der Steuerquelle erzeugte Feld für jede Teilfläche homogen, so ist die unerwünschte
Kraft zweiter Art proportional zu K2 = 2B1 (B21 F1 B22 2) - 2B1 (/21 /22) (5) Hierbei
ist F1 die Teilfläche mit der einen Flußrichtung und F2 die Teilfläche mit der entgegengesetzten
Flußrichtung, B21 die von der Steuerquelle erzeugte Flußdichte der Teilfläche F1
und B22 die entsprechende Flußdichte der Teilfläche F2' /21 der von der Steuerquelle
erzeugte Fluß durch die Teilfläche F1 und #22 der Fluß durch die Teilfläche F2.
Die unerwünschte zweite Kraft verschwindet also, wenn /21 = / 22 ist. Dieses läßt
sich mit einer Doppelspule nach Fig. 5 erreichen, wobei um jede der beiden Teilflächen
eine Spule gewickelt ist und beide Spulen mit geeignetem Wicklungssinn in Serie
wie in Fig. 5 oder parallel geschaltet sind.
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Der einfachste Fall ist gegeben, wenn der Polschuh durch einen geradlinig
verlaufenden Zwischenraum in zwei gleich geformte Teilflächen unterteilt ist und
die beiden um die Teilflächen gewickelten Spulen gleich sind. Dann erzeugen beide,
wenn sie in Serieoder parallel geschaltet sind und daher den gleichen Steuerstrom
führen, auch gleiche Teilflüsse /21 und /22. In diesem Fall braucht die Stirnfläche
des Polschuhs und die gegenüberstehende Fläche des Ankers weder eine Ebene zu sein
noch überall gleicher Abstand zwischen Polschuhund Anker zu bestehen.
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Es reicht aus, wenn Polschuh und Anker symmetrisch zu dem geradlinigen
Zwischenraum aufgebaut sind. Als Beispiel zeigt Fig. 6 einen derartigen Polschuh
mit Teilflächen 7, 8 und Zwischenraum 9.
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Bei der Unterteilung des Polschuhs in mehrere Teilflächen greifen
die von jeder Teilfläche erzeugten Kräfte auf dem Anker dort an, wo der betreffende
magnetische Fluß den Anker trifft. Die Kraft jeder Teilfläche hat daher einen-von
den Kräften der anderen Teilflächen verschiedenen Angriffspunkt auf dem Anker. Zwischen
jeder Teilfläche und dem Anker gibt es die drei in Gleichung (3) beschriebenen Teilkräfte.
Die Kräfte zweiter Art, die sich nur als Summe für den Polschuh als Ganzen erfindungsgemäß
kompensieren, sind jedoch als Teilkräfte für jede einzelne Teilfläche weiterhin
existent und haben, entsprechend dem verschiedenen Vorzeichen des B2, verschiedene
Richtung. Durch diese Teilkräfte der zweiten Art entstehen auf den Anker wirkende
Drehmomente, die die Bewegung des Ankers zusätzlich und oftmals in unerzdnschter
Weise beeinflussen.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden daher die Teilflächen
und die Steuerspulensysteme so gestaltet, daß sich die durch die Steuersysteme auf
den Anker ausgeübten Drehmomente gegenseitig nahezu aufheben.
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Ein Beispiel einer solche Anordnung ist ein Polschuh mit nur
einer
Steuerquelle, dessen Stirnfläche in drei Teile geteilt ist, wobei zwei dieser Teilflächen
die vom Steuersystem erzeugte Flußdichte B2 in gleicher Richtung besitzen und die
dritte Teilfläche die vom Steuersystem erzeugte Flußdichte in der entgegengesetzten
Richtung. Dementsprechend ist auch die Richtung der Teilkräfte zweiter Art verschieden.
Fig. 7 zeigt einen Polschuh mit drei Teilflächen 7, 8 und 16 mit Zwischenräumen
9 und 17 und drei Spulen 14, 15 und 18. Die Spulen sind in solchem Sinn um die Teilflächen
gewickelt, daß sich magnetische Feldlinien 21 und 22 ausbilden, die die mittlere
Spule 15 in gleicher Richtung durchlaufen und die äußeren Spüren 14 und 18 in der
dazu entgegengesetzten Richtung.
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Weil der Fluß des Erregersystems in allen Teilen der Polschuhe gleiche
Richtung hat (gleiches Vorzeichen des B1), haben die Teilkräfte zweiter Art wegen
des wechselnden Vorzeichens von B2 verschiedene Richtung entsprechend den Pfeilrichtungen
der magnetischen Feldlinien in Fig. 7. Ein solches System aus drei Kraftanteilen
läßt sich so gestalten, daß kein Drehoment auf den Anker ausgeübt wird.
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Wenn man beispielsweise in Fig. 7 die drei Spulen, bezogen auf die
Steuerquelle 1, in Serie schaltet und dadurch gleichen Strom in ihnen erzeugt, allen
Spulen gleiche Windungszahl und gleiche Länge ihres Eisenkerns gibt und die Teilflächen
7 und
16 halb so groß macht wie die Teilfläche 8, so ist die vom
Polschuh 8 ausgeübte Teilkraft zweiter Art doppelt so groß wie die Teilkräfte zweiter
Art der Polschuhe 7 und 16 und von entgegengesetzter Richtung, so daß kein Drehmoment
auf den Anker ausgeübt wird.
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Ein zweites Beispiel ohne Drehmoment, das nur zwei Teilflächen benötigt,
besitzt nach Fig. 8 eine Teilung der Stirnfläche der Art, daß die erste Teilfläche
die zweite Teilfläche vollständig oder nahezu vollständig umgibt. Die eine der für
das Steuersystem benötigten Spulen wird um die innere Teilfläche 8 gewickelt und
liegt im Zwischenraum 9 . Die zwei te Spule kann verschiedene Lagen haben, beispielsweise
außen um die Teilfläche 7 gewickelt sein.
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Fig. 8a zeigt ein Beispiel, in dem die äußere Teilfläche 7 die innere
Teilfläche 8 ringförmig umgibt und der Zwischenraum 9 entlang einer in sich geschlossenen
Kurve verläuft.
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Eine bevorzugte Form, die wegen ihrer Symmetrie besonders kleine Drehmomente
erzeugt, ist die konzentrische Anordnung mit Kreisringen. Fig. 8b zeigt ein Beispiel
mit einer nicht vollständig geschlossenen, äußeren Teilfläche 7. Stets ist bei Aufteilung
in zwei Teilflächen erforderlich, daß die Teilfläche 7 die Teilfläche 8 weitgehend
umgibt.
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Ein System, in dem die Teilkräfte zweiter Art für jeden Polschuh
als
Summe verschwinden, ist auch für zwei oder mehr Steuersysteme möglich. Im Folgenden
wird ein einfaches Beispiel mit zwei Steuersystemen beschrieben und unter der Annahme
homogener Felder auch formelmäßig dargestellt. Alle Formeln, die hier zwecks Vereinfachung
der mathematischen Darstellung für homogene Felder geschrieben sind, lassen sich
natürlich auch für inhomogene Felder in Integralform wie in Gleichung ()) darstellen,
und Anordnungen nach der Erfindung lassen sich darauf auch für inhomogene Felder
sinngemäß entwickeln.
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Ein einfaches Beispiel eines Polschuhs mit homogenem Feld, dem durch
ein Erregersystem eine Flußdichte B1 mit überall ,gleicher Richtung gegeben wird,
wird in vier Teilflächen den Größen F1 bis P4 unterteilt. Diese sind im Beispiel
der Fig. 9 rechtekigund gleich groß gezeichnet. Die vier Teilflächen sind mit Spulen
so umwickelt und diese Spulen so an die beiden Steuerquellen geschaltet, daß die
durch das erste Steuersystem erzeugten Flußdichten B2 rechts und links vom senkrechten
Zwischenraum jeweils gleiche, aber oberhalb und unterhalb des waagrechten Zwischenraums
jeweils verschiedene Richtung haben. Die durch das zweite Steuersystem erzeugten
Flußdichten B3 haben rechts und links vom senkrechten Zwischen raum entgegengesetzte
Richtung, aber oberhalb und unterhalb des waagrechten Zwischenraums jeweils gleiche
Richtung. Unter Berücksichtigung der durch die Flußrichtung gegebenen Vorzeichen
ist also die Gesamtflußdichte B jeder Teilfläche
in F1: B = B1
+ B2 + B5 in F2: B = B1 + B2 B B3 in F»: B = B1 - B2 + B) in F4: Fg: B = B1 - B2
- 3 Entwickelt man aus Gleichung (1) entsprechende Formeln für die Kräfte, die jede
Teilfläche auf den Anker ausübt, so erhält man für jede Teilfläche in Erweiterung
von Gleichung (5) drei Teilkräfte zweiter Art aus den Produkten B1 B2 und B1 B5-und
B2 B 5.
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Diese Teilkräfte haben je nach den Vorzeichen des B2 und in den Teilflächen
verschiedene Richtung, so daß sich diese Teilkräfte zweiter Art bei geeigneter Gestaltung
der Teil- -flächen und der Spulensysteme innerhalb der Summekraft, die der Polschuh
als Ganzes auf den Anker ausübt, teilweise oder ganz gegenseitig aufheben können.
Hierdurch wird erreicht, daß das Erregersystem und die beiden Steuersysteme jeweils
in ihren Wirkungen voneinander entkoppelt sind. Daß dies prinzipiell möglich ist,
wird an Hand von Fig. 9 im Beispiel homogener Felder mit vier gleichen Teilflächen
F1 = F2=F5=F4=F0 gezeigte wobei zur Vereinfachung der Formeln angenommen wird, daß
die erste Steuerquelle in jeder Teilfläche die gleiche Flußdichte Bs und die zweite
Steuerquelle in jeder Teilfläche die gleiche Flußdichte B5erzeugt. Dann entstehen
Teilkräfte zweiter Art in den Flächen
in F1: 2F0 (B1 B2 + B1 B5
+ B2 3) in F2 2% (B1 B2 L B1 B3 - B2 ») in F5: 2Fo (-B1B2+ B1 B3 -B2 3) in FI: 2F0
(-B1B2 - B1 B3 -B2B3) Addiert man diese Kräfte, so ergibt sich Null. Wenn für den
Polschuh die einzelnen Teilkräfte zweiter Art für die vier Teilflächen nicht genau
gleich sind, so tritt trotzdem durch die verschiedenartigen Vorzeichen der Teilkräfte
bereits eine vorteilhafte Verkleiderung der Summekraft zweiter Art aller Teilflächen
ein.
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Dank Kombination der durch Fig. 7 gegebenen Regel und der durch Fig.
9 gegebenen Regel läßt sich mit Hilfe einer Aufteilung des Polschuhs in mehr als
vier Teilflächen zusätzlich eine drehmomentfreie Kraftentwicklung auf den Anker
für zwei Steuerquellen erreichen.
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Es ist keinesfalls erforderlich, für jede der beteiligten Quellen
ein gesondertes Spulensystem zu verwenden. In einer vorteilhaftenForm der Erfindung
sind zur Verminderung des Aufwahdes einzelne oder alle Spulen des Spulensystems
einer Quelle auch Bestandteil des Spulensystems einer anderen Quelle.
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In einem besonders einfachen Beispiel mit nur einer Steuerquelle ist
in Fig. 10 gezeigt, wie man vier Spulen so zusammenschalten kann, daß sie gleichzeitig
vom Erregerstrom und
vom Steuerstrom durchflossen werden und beide
Quellen so angeschlossen werden, daß die beiden Quellen bei geeigneter Wahl der
Spulen voneinander entkoppelt sind. In Fig. 10 a ist die Anordnung der Spulen 1t,
15> 18, 19 und der Quellen 3, 11 in einer Brückenschaltung gezeichnet. Bei Erf
lung der bekannten Formeln für ein Brückengleichgewicht liegen die Anschlußpunkte
der zweiten Quelle 11 so, daß zwischen diesen Anschlußpunkten keine Spannung der
ersten Quelle 5 entsteht, und umgekehrt. Die vier Spulen können wie in Fig.
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lOb um eine von vier Teilflächen eines Polschuhs so gewickelt und
so zusammengeschaltet sein, daß sie vom Erregerstrom der Quelle 3 (Pfeile in Fig.
10a) so durchflossen werden, daß der zugehörige magnetische Fluß aus allen vier
Teilflächen in gleicher Richtung austritt. (Pfeile in Fig. mob). Hierbei werden
sie in der Schaltung der Fig. 10a durch die Ströme der Steuerquelle 11 (Pfeile mit
zwei Pfeilspitzen) so durchflossen, daß zwei gegenüberliegende Spulen 14 und 19
von beiden Quellen gleiche Stromrichtung und die beiden anderen gegenüberliegenden
Spulen 15 und 18 on beiden Quellen entgegengesetzte Stromrichtung besitzen.
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Die Spulen 14 und 19 erzeugen daher seitens des Steuersystems einen
magnetischen Fluß in gleicher Richtung wie das Erregersystem (Pfeile mit zwei Pfeilspitzen
in Fig lob) und die Spulen 18 und 15 einen magnetischen Fluß in entgegengesetzter
Richtung wie das Erregersystem.
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Man kann statt der vier Teilflächen der Fig. lOb auch eine
Anordnung
mit nur zwei Teilflächen des Polschuhs verwenden, wobei wie in Fig. 12 um die eine
Teilfläche die beiden Spulen 14 und 19 und um die zweite Teilfläche die Spulen 15
und 18 gewickelt sind. Dann ist in der einen Teilfläche die Flußrichtung beider
Systeme gleich und in der zweiten Teilfläche die Flußrichtung beider Systeme verschieden,
wie dies in Fig. 2 gezeichnet ist.
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Fig. 10 b läßt erkennen, daß durch jede Spule magnetische Flüsse beider
Stromkreise treten und dort induktive Wirkungen erzeugen. Bei der Gestaltung des
Elektromagneten muß daher die induktive Kopplung zwischen den beiden Stromkreisen
hinreichend klein sein. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Polschuhe,
die Teilflächen und die Spulen so ausgebildet, angeordnet und zusammengeschaltet
sind, daß sich die verschiedenen induktiven Kopplungen in allen beteiligten Stromkreisen
so kompensieren, daß die Vorgänge in jedem Stromkreis praktisch unabhängig von den
Vorgängen in den anderen Stromkreisen sind.
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Ein Beispiel zeigt, daß dies möglich ist, aber besonderer Dimensionierung
bedarf.
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In der Brückenschaltung der Fig. IOa muß beachtet werden, daß zwischen
den vier Spulen magnetische Kopplung besteht. Das Brückengleichgewicht, das die
Entkopplung zwischen den beiden Stromkreisen herstellt, muß daher unter Berücksichtigug
der
induktiven Kopplung zwischen den vier Spulen eingestellt werden. Ein Beispiel einer
Anordnung mit deren Hilfe dies auf einfachste Weise gelingt, ist eine Brücke mit
vier gleichen Spulen und vier gleichen Polschuh-Teilflächen, die räumlich in symmetrischer
Form wie in der Brückenschaltung (Fig.
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11) so angeordnet sind, daß auch die induktiven Kopplungen eine entsprechende
Symmetrie besitzen, wodurch das Brücke gleichgewicht und gleichzeitig Drehmomentfreiheit
# entsteht.
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Eine Steuerquelle kann auch derart gestaltet sein, daß sie ein Meßgerät
speist, das an die Spulen des Steuersystems derart angeschlossen ist, daß das Meßgerät
die Induktivität der Spulen des Steuersystems mißt und dadurch in bekannter Weise
den Abstand zwischen Polschuh und Anker mißt. Das Meßergebnis kann in magnetischen
Lagern in bekannter Weise zur Stabilisierung des Abstandes zwischen Polschuh und
Anker verwendet werden.
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Auch bei dieser Messung sind diejenigen Teile der Erfindung von besonderem
Nutzen, die zur Entkopplung der verschiedenen Stromkreise dienen und verhindern,
daß der Antriebsvorgang und/oder Stabilisierungsvorgang durch Induktion Störspannungen
in den Meßvorgang überträgt und das Meßergebnis verfälschen mit dem Effekt, daß
dadurch der Stabilisierungsvorgang beeinträchtigt wird.
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Ein System nach der Erfindung bei dem ein Antriebsvorgang
(Erregersystem),
ein Stabilisierungsvorgang (Steuersystem) B2 und ein Meßvorgang gleichzeitig in
einem Polschuh mit entsprechenden Spulen stattfindet, wäre eine Anordnung, wie sie
als Anordnung mit zwei Steuerquellen beschrieben ist, weil jedes Meßgerät eine speisende
Quelle enthält, Vorteilhaft ist ein Meßverfahren, das eine Meßfrequenz enthält,
die wesentlich verschieden ist, von Frequenzen, die im Erregersystem verwendet werden,
und von Frequenzen, die in anderen Steuersystemen des gleichen Elektromagneten verwendet
werden.