DE2406429B2

DE2406429B2 - Elektromagnet, mit mehreren ihn speisenden quellen und relativ dazu beweglichem anker

Info

Publication number: DE2406429B2
Application number: DE19742406429
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing 8061 Großinzemoos; Flachenecker Gerhard Prof. Dr.-Ing 8012 Ottobrunn Meinke
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-02-11
Filing date: 1974-02-11
Publication date: 1977-12-15
Also published as: DE2406429C3; GB1493058A; DE2406429A1; NL7501149A; FR2260853A1; FR2260853B1; US4166261A; DE2406633A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromagneten mit mehreren ihn speisenden Stromquellen, bestehend aus einem mit mindestens zwei Poischuhen versehenen joch, das mil Hilfe eines von Erregerstromen durchflossenen Erregerspulensystems magnetisierbar ist, aus einem zwischen den Poischuhen befindlichen, relativ dazu beweglichen Anker, der aus magnetisierbarem Material besteht und gegebenenfalls auch Leiterscbleifen enthält, sowie aus einem von Steuerstromquellen gespeisten Steuerspulensystem.

Aus der DT-AS 10 44 976 ist ein Elektromagnet dieser Art für ein elektromagnetisches Relais bekannt, das aus einem U-förmigen Eisenkern besteht und eine

^rbeitswicklung sowie eine Eingangswicklung zur Steuerung des Scheinwiderstandes de:· Arbeilswicklung ti at.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung von Anfang an soll jedoch zunächst der Hintergrund der Erfindung an Hand der Fig. 1 bis 4 erläutert werdet!, wobei zeigt

Fig. i ein Ausführungsbeispiel eines Elektromagneten, mit dem zunächst die verwendeten Begriffe erläutert werden,

F i g. 2 den Elektromagneten der Fig.] mit den eingetragenen Feldlinien,

Fig. 3 eine andere zur Erläuterung der verwendeten Begriffe dienende Anordnung, bei der das Joch des Elektromagneten drei Polschuhe trägt,

F i g. 4 eine nochmals andere zur Erläuterung der verwendeten Begriffe dienende Anordnung mit einer Vielzahl von Polschuhen;

Fig. 5-12 zeigen weitere Einzelheiten der Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Es ist ein Joch 1 aus magnetisierbarem Material gezeigt, das alle an sich bekannten Formen annehmen kann. Der Elektromagnet besitzt, wie beispielsweise aus der GB-PS 4 54 644 bekannt und in Fig. I gezeigt ist, eine Erregerspule 2 oder ein Erreger-Spulensystem, durch das die Erregerquclle 3 einen Erregerstrom schickt, um in dem Joch ein magnetisches Feld zu erzeugen. Das Erreger-Spulensystem und die Erregerquelle bilden zusammen das Erregersystem.

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 F i g. 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. Der Anker ist beweglich und wird von dem magnetischen Fluß 12 des Erregersystems durchflossen. Der in den Anker eintretende magnetische Fluß übt 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

K = f B² ,IF. (I)

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, c/Fist das Flächenelement der Fläche F.

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 F i g. J, und es gibt drei Spulen bzw. .Spulensysteme 2a bis 2c. die von den drei Queller. 3s bis 3c 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 |och ''orum zwischen benachbarten Polschuhen je eine Erregerspule gewickelt ist. Ferner ist auch der Elektromagnet eines Linearmotors von Interesse, der aus F i g. 4 dadurch entsteht, daß die Polschuhe nebeneinander auf einem geradlinigen Joch angeordnet sind.

Ein Polschuh ist somit in allgemeinster Form ein zusammenhängendes Gebilde aus magnetisierbarem Material, aus dem ein magnetischer Fluß in einen Anker übertritt, wobei der vom Erregersysteni erzeugte magnetische Fluß aus allen Teilen der Stirnfläche des Polschuhs in gleicher Richtung austritt.

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 genannl, 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 Spulensystemen 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 Steuerquellc gehörende Steuersystem. Ein Beispiel ist die magnetische Lagerung eines rotierenden Ankers in Anordnungen nach Fig. 3 und F i g. 4. Hier benötigt man neben den Antriebskräften Steuerkräfte zur Stabilisierung der Lage des Ankers. Ein weiteres Beispiel zur Anordnung nach F i g. 1 ist der Anker als akustischer Generator, der vom Erregersyslem zu einer niederfrequenten Schwingung angeregt wird und dann noch zusätzliche niederfrequente Schwingungen anderer Frequenzen ausführen soll.

Bekannt ist die Lösung, durch die die zweite magnetisch erzeugte Kraft durch einen zweiten Elektromagneten erzeugt wird, beispielsweise beim rotierenden Anker durch ein vom Antriebssystem getrenntes magnetisches Lager. Dies bedeutet jedoch einen relativ hohen Aufwand.

Aus der DT-OS 21 14 040 ist es bekannt, 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 Hystere- oder Wirbelstrommotors anzutreiben. Sie gibt ferner an sich bekannte Mittel zur Trennung der Stromkreise der die magnetische Lagerung stabilisierenden Quelle und der den Antrieb erzeugenden Mehrphasenquelle an.

Ferner ist es aus der Technik der l.autsprechei bekannt, eine magnetisierbare Membrane durch magnetische Kräfte zu Schwingungen auf mehreren Frequenzen dadurch anzuregen, daß man in die gleicht F.rregerspule Ströme mehrerer Frequenzen schickt.

Aus der DT-PS 3 42 286 ist es bekannt, bei einen Elektromagneten die Stirnfläche eines oder mehrerei Polschuhe je in mindestens zwei nicht zusammenbau gendn Polschuhteilflächen zu unterteilen und in der dadurch entstandenen Zwischenräumen mindesten: einen stromdurchflossenen L.eiter eines Sekundärspu lensystems zu legen. Aus der DT-OS 19 38 897 ist eir Elektromagnet bekannt, bei dem die Stirnfläche eine: Polschuhs in drei Polschuhteilflächen unterteilt ist um

bei dem zwei dieser Polschuhteilflächcn beiderseits der dritten Polschuhteilflächc liegen.

Diese bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß durch die Überlagerung von mehreren von den verschiedenen Spulensystemen erzeugten, magnetischen Feldern gekoppelte Kräfte auftreten.

Die magnetische Flußdichte ßdes Flusses von einem Polschuh zum Anker ist nämlich die Summe mehrerer Flußdichten verschiedener Herkunft. Für zwei verschiedene Quellen ist

ß = B₁ + B₁,

wobei ßi 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

K = J

= J(B₁ + B₁YdF

= JB](IF +

j B\

d¥ .

Diese Kraft ist also die Summe von drei Kräften, von denen die erste Kraft, auch Teilkraft erster Art genannt, diejenige Kraft darstellt, die vom Erregersystem allein erzeugt wird und die dritte Kraft, auch Teilkraft dritter Art genannt, diejenige, die vom Steuersystem allein erzeugt wird.

Die zweite Kraft, auch Teilkraft zweiter Art genannt, entsteht, wenn beide Flüsse gleichzeitig vorhanden sind und stellt eine Kopplung beider Systeme dar. Sie enthält beispielsweise Summenfrequenzen und Differenzfrequenzen, wenn die gekoppelten Vorgänge sinusförmige 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 ßi 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.

Es ist bekannt, die nichtlineare Abhängigkeit der Kräfte durch eine Vormagnetisierung weitgehend zu vermeiden. Dann ist ß, ein zeitlich konstanter Fluß, der wesentlich größer ist als B₂. In Gleichung (3) ist dann die dritte Kraft wesentlich kleiner als die zweite Kraft und wird praktisch unwirksam. Die zweite Kraft enthält dann neben dem konstanten ßi alle zeitabhängigen Flüsse im ßj in linearer Kombination, so daß alle Teile von B₂ unabhängig voneinander Kräfte ausüben können.

Eine Vormagnetisierung bedeutet jedoch zusätzlichen Aufwand. 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 Wärmeausdehnung des Ankers nicht zulässig.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Polschuhen und dem Steuersystem eine Form zu geben, bei der die in Gleichung (3) enthaltene Kraft zweiter Art hinreichend unwirksam ist, so daß nur die Kräfte erster und dritter Art wirksam werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 5 bis Fig. 12

·"> dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

In einem einfachen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist

die Aufteilung der Stirnfläche des Polschuhs 4 in zwei Polschuhteilflächen 7, 8, gezeigt, die durch den Zwischenraum 9 voneinander getrennt sind. In diesem

κι Zwischenraum liegen Leiter, die Bestandteil einer Steuerspule 10 sind, die von einer Stcuerquelle 11 gespeist wird. Durch Steuerspulen geeigneter Form wird ein zusätzliches magnetisches Feld erzeugt, das Feldlinien 13 in der in Fig. 12 gezeichneten Form

r> besitzt, wobei aus den 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 Polschuhteilflächen. Die

n) Kraft dritter Art der Gleichung (3) ist unabhängig vom Vorzeichen des B₂, weil S₂ quadratisch vorkommt. Der gewollle Kraftanteil des B₂ ist also unabhängig von der Richtung des zur Steuerung dienenden Flusses, und die Wirkungen aller Teilflächen eines Polschuhs addieren

2> 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 Kraftanteil eine Differenz wird und dadurch kleiner ist

in als im Fall von Zusatzfeldern gleicher Richtung.

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 Polschuhteilflächen fließt. Diese Leiter sind ergänzt zu einer Spule oder

r> einem Spulensystem, das von der Steuerquelle gespeist wird. Ein Beispiel ist das Spulensystem von F i g. 5 mit zwei Polschuhteilflächen 7, 8 und einem Zwischenraum 9 und zv/ei Steuerspulen 14,15.

Um die Formeln zu vereinfachen, wird im folgenden

M) vorausgesetzt, daß der Luftspalt zwischen Anker und Polschuh sehr klein und für die gesamte Stirnfläche des Polschuhs gleich groß ist.

Dann sind die magnetischen Felder homogen, und B\ ist eine Konstante. Die störende Kraft zweiter Art in

-ti Gleichung (3) ist dann proportional zu

K₂ = 2B_tfl

B₂ d F = B₁0₂

ίο d. h. proportional zu dem Gesamtfluß Φ₂, der von der Steuerquelle unter Berücksichtigung der verschiedenen Feldrichtungen zwischen Polschuh und Anker erzeugt wird. Dann ist Φ₂ = 0 der anzustrebende Fall, in dem die Wirkungen des ß, und des B₂ voneinander unabhängig

Vj sind.

1st der Polschuh in nur zwei Teilflächen unterteilt, ist ferner das von der Steuerqueüe erzeugte Feld für jede Polschuhteilfläche homogen und weist entgegengesetzte Flußrichtungen auf, so ist die unerwünschte Kraft

tio zweiter Art proportional zu

K₁ = IB, [B_1xF, - B_nF₁) = 2B₁ (V₂₁ - Φ₂₂). (5)

Hierbei ist Fi die Teilflächc mit der einen Flußrich

ti'> tung und F₂ die Teilfläche mit der entgegengesetzter Flußrichtung, ß^i die von der Steuerquelle erzeugte Flußdichtc der Teilflächc F, und ß.>j die entsprechende Flußdichtc der Teilflächc F.-, <I>_:\ der von dci

Steuerquelle erzeugte Fluß durch die Teilfläche F\ und Φ22 der Fluß durch die Teilfläche Fi. Die unerwünschte zweite Kraft verschwindet also, wenn Φ2ΐ=Φ22 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.

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 Polschuhteilflächen gewickelten Spulen gleich sind. Dann erzeugen beide, wenn sie in Serie oder parallel geschaltet sind und daher den gleichen Steuerstrom führen, auch gleiche Teilflüsse Φ21 und Φ22· In diesem Fall braucht die Stirnfläche des Polschuhs und die gegenüberstehende Fläche des Ankers weder eine Ebene zu sein noch überall gleicher Abstand zwischen Polschuh und Anker zu bestehen.

Es reicht aus, wenn Polschuh und Anker symmetrisch zu dem geradlinigen Zwischenraum aufgebaut sind. Als Beispiel zeigt Fig.6 einen derartigen Polschuh mit Polschuhteilflächen 7,8 und Zwischenraum 9.

Bei der Unterteilung des Polschuhs in mehrere Teilflächen greifen die von jeder Teilfläche erzeugten Kräfte auf den Anker dort an, wo der betreffende magnetische Fluß den Anker trifft. Die Kraft jeder Polschuhteilfläche hat daher einen von den Kräften der anderen Teilflächen verschiedenen Angriffspunkt auf den 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 Ganzes erfindungsgemäß kompensieren, sind jedoch als Teilkräfte für jede einzelne Teilfläche weiterhin existent und haben, entsprechend den verschiedenen Vorzeichen des B₂, verschiedene Richtung. Durch diese Polschuhteilkräfte der zweiten Art entstehen auf den Anker wirkende Drehmomente, die die Bewegung des Ankers zusätzlich und oftmals in unerwünschter Weise beeinflussen.

Es ist zweckmäßig, wenn die Teilflächen und die Steuerspulensysteme so gestaltet sind, daß sich die durch die Steuersysteme auf den Anker ausgeübten Drehmomente gegenseitig nahezu aufheben.

Ein Beispiel einer solchen 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. F i g. 7 zeigte einen Polschuh mit drei Polschuhteilflächen 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 Spulen 14 und 18 in der dazu entgegengesetzten Richtung.

Weil der Fluß des Erregersystems in allen Teilen der Polschuhe gleiche Richtung hat (gleiches Vorzeichen des β,), haben die Teilkräfte zweiter Art wegen des wechselnden Vorzeichens von B-. verschiedene Richtung entsprechend den Pfeilrichtungen der magnetischen Feldlinien in Fig. 7. Ein solches System aus drei Kraftanteilen läßt sich so gestalten, daß kein Drehmoment auf den Anker ausgeübt wird.

Wenn man beispielsweise in Fig. 7 die drei Spulen.

bezogen auf die Steuerquelle 11, 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.

κι Ein zweites Beispiel ohne Drehmoment, das nur zwei Polschuhteilflächen benötigt, besitzt nach Fig.8 eine Teilung der Stirnfläche der Art, daß die erste Teilfläche die zweite Teilfläche vollständig oder nahezu vollständig umgibt. Eine derartige Ausführung ist aus der

r, CH-PS 4 53 501 bekannt. Die eine der für das Steuersystem benötigten Spulen wird um die innere Polschuhteilfläche 8 gewickelt und liegt im Zwischenraum 9. Die zweite Spule kann verschiedene Lagen haben, beispielsweise außen um die Polschuhteilfläche 7

>o gewickelt sein.

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. Eine Form, die wegen

r> ihrer Symmetrie besonders kleine Drehmomente erzeugt, ist die konzentrische Anordnung mit Kreisringen. F i g. 8b zeigt ein Beispiel mit einer nicht vollständig geschlossenen, äußeren Teilfläche 7. Stets ist bei Aufteilung in zwei Polschuhteilflächen erforderlich, daß

ja die Teilfläche 7 die Teilfläche 8 weitgehend umgibt.

Ein System, in dem die Teilfläche 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

j-) 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

M) wie in Gleichung (3) darstellen, und entsprechende Anordnungen lassen sich demzufolge auch für inhomogene Felder sinngemäß entwickeln.

Ein einfaches Beispiel eines Polschuhs mit homogenem Feld, dem durch ein Erregersystem eine Flußdichte

4-, B\ mit überall gleicher Richtung gegeben wird, wird in vier Teilflächen den Größen F\ bis F4 unterteilt. Diese sind im Beispiel der Fig.9 rechteckig und gleich groß gezeichnet. Die vier Teilflächen sind mit Spulen so umwickelt und diese Spulen so an die beiden

,(ι Steuerquellen geschaltet, daß die durch das erste Steuersystem erzeugten Flußdichten Bi rechts und links vom senkrechten Zwischenraum jeweils gleiche, aber oberhalb und unterhalb des waagerechten Zwischenraums jeweils verschiedene Richtung haben. Die durch

■μ das zweite Steuersystem erzeugten Flußdichten B haben rechts und links vom senkrechten Zwischenraun entgegengesetzte Richtung, aber oberhalb und unterhalb des waagerechten Zwischenraums jeweils gleicht Richtung. Unter Berücksichtigung der durch dit

1,(1 Flußrichtung gegebenen Vorzeichen ist also die Gesamtflußdichte B jeder Teilfläche

in Fi: ß= ß, + B₂+ B₁,

InF₂-B=B₁ +B₂-Bu

inF_j:ß=ß|-ß, + ß,.

"' in F₄:ß=ß|-ß,-ßj.

Entwickelt man aus Gleichung (1) ontspri'chcndt Formeln für die Kräfte, die jede Polschuhteilfläche ;ui

den Anker ausübt, so erhall man für jede Teilfläche in Erweiterung von Gleichung (3) drei Teilkräfte zweiter Art aus den Produkten

ßi B₂ und ο, B₁ und B₂ Bi.

Diese Teilkräfte haben je nach den Vorzeichen des B\ und öi in den Polschuhteilflächen verschiedene Richtung, so daß sich diese Teiikräfte zweiter Art bei geeigneter Gestaltung der Teilflächen und der Spulensysteme innerhalb der Summenkraft, 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

gezeigt, wobei zur Vereinfachung der Formeln angenommen wird, daß die erste Steuerquelle in jeder Teilfläche die gleiche Flußdichte Bi und die zweite Steuerquelle in jeder Teilfläche die gleiche Flußdichte öj erzeugt. Dann entstehen Teilkräfte zweiter Art in den Flächen

in F₁ -.2F_n(B₁B₂ +0,O₁-HO₂Si),
in F>:2F_n(ö, B₂-B₁ Bi-B₂ O₁),
in Fv. 2Fu( - O₁ B₂ + B₁ Bi - B₂ Bi),
in F₄:2F„( - B₁ B₂- ö, O₁ + B₂ O₁).

Addiert man diese Kräfte, so ergibt sich Null. Wenn für den Polschuh die einzelnen Teilkräfle zweiter Art für die vier Teilflächen nicht genau sind, so tritt trotzdem durch die verschiedenartigen Vorzeichen der Teiikräfte bereits eine vorteilhafte Verkleinerung der Summenkraft zweiter Art aller Teilflächen ein.

Dank Kombination der durch F i g. 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 Steuerq-iellen erreichen.

Es ist keinesfalls erforderlich, für jede der beteiligten Quellen ein gesondertes Spulensystem zu verwenden. Zur Verminderung des Aufwandes sind einzelne oder alle Spulen des Spulensystems einer Quelle auch Bestandteil des Spulensystems einer anderen Quelle.

In einem besonders einfachen Beispiel mit nur einer Steuerquelle ist in F i g. 10 gezeigt, wie man vier Spulen so zusammenschalten kann, daß sie gleichzeitig vom F.rregerstrom 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. IOa ist die Anordnung der Spulen 14, 1.5, 18, 19 und der Quellen 3, 11 in einer Brückenschaltung gezeichnet. Bei Erfüllung der bekannten Formeln für ein Brückcngleichgewichi liegen die Anschlußpunktc der zweiten Quelle 11 so, daß zwischen diesen Anschlußpunkten keine Spannung der ersten Quelle 3 entsteht, und umgekehrt. Die vier Spulen können wie in Fig. 10b um eine von vier Teilflächen eines Polschuhs so gewickelt und so zusammcngcschaltet sein, daß sie vom Erregerstrom der Quelle 3 (Pfeile in F ig. 10a) so durchflossen werden, daß der zugehörige magnetische Fluß aus allen vier Teilflächen in gleicher Richtung austritt (Pfeile in Fig. 10b). 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 von beiden Quellen entgegengesetzte Stromrichtung besitzen.

Die Spulen 14 und 19 erzeugen daher seitens des Steuersystems einen magnetischen Fluß in gleicher Richtung wie das Erregersystem (Pfeile mit zwei Pfeilspitzen in Fi g. 10b) und die Spulen 18 und 15 einen magnetischen Fluß in entgegengesetzter Richtung wie das Erregersystem.

Man kann statt der vier Teilflächen der Fig. 10b 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.

Fig. 10b 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 dadurch, daß die Polschuhe, die Polschuhteilflächen und die Spulen so ausgebildet, angeordnet und zusammengcschaltct 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.

Ein Beispiel zeigt, daß dies möglich ist, aber besonderer Dimensionierung bedarf.

In der Brückenschaltung der Fig. 10a muß beachtet werden, daß zwischen den vier Spulen magnetische Kopplung besteht. Das Brückengleichgewicht, das die Entkopplung zwischen den beiden Stromkreisen herstellt, muß daher unter Berücksichtigung 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. II) so angeordnet sind, daß auch die induktiven Kopplungen eine entsprechende Symmetrie besitzen, wodurch das Brückengleichgewicht und gleichzeitig Drehmomentfreiheit Φ entsteht.

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.

Auch bei dieser Messung sind diejenigen Teile 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.

Ein System, bei dem ein Antriebsvorgang (Frregersy stem), ein Slabilisierungsvorgang (Steuersystem) B- und

ein Meßvorgang gleichzeitig in einem Polschuh mit entsprechenden Spulen stattfindet, läßt sich als eine Anordnung mit zwei Stcuerquellen beschreiben, weil jedes Meßgerät eine speisende Quelle enthält. Zweckmäßig ist ein Meßverfahren, das eine Meßfrequenz

enthält, die wesentlich verschieden ist, von Frequenz die im Erregersystem verwendet werden, und \ Frequenzen, die in anderen Steuersystemen < gleichen Elektromagneten verwendet werden.

I licivii 7

Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Elektromagnet mit mehreren ihn speisenden Stromquellen, bestehend aus einem mit mindestens zwei Polschuhen versehenen Joch, das mit Hilfe eines von Erregerströmen durchflossenen Erregerspulensystems magnetisierbar ist, cus einem zwischen den Poischuhen befindlichen, relativ dazu beweglichen Anker, der aus magnetisierbarem Material besteht und gegebenenfalls auch Leiterschleifen enthält, sowie aus einem von Steuerstromquellen gespeisten Steuerspulensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche eines oder mehrerer Polschuhe (4,5) je in mindestens zwei zusammenhängende Polschuhteilflächen (7,8) unterteilt ist und in den dadurch entstehenden Zwischenräumen (9) mindestens ein stromdurchflossener Leiter des Steuerspulensystems (10) liegt, daß der vom Steuerstrom einer Steuerstromquelle erzeugte, aus einer oder mehreren Polschuhteilflächen eines der Polschuhe austretende magnetische Fluß eine entgegengesetzte Richtung hat wie der aus den übrigen Polschuhteilflächen dieses Polschuhs austretende magnetische Fluß und daß die Polschuhteilflächen (7, 8) und das Steuerspulensystem derart bemessen sind, daß der vom Steuerstrom einer Steuerstromquclle erzeugte magnetische Gesamtfluß in der einen Richtung annähernd gleich dem von diesem Steuerstrom erzeugten Gesamtfluß in der Gegenrichtung ist.
2. Elektromagnet nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschtihs (4) in zwei Polschuhteilflächen (7,8) unterteilt ist. daß um jedes eine Polschuhteilfläche einschließende Polschuhsegment eine Steuerspule (14,15) gewickelt ist und beide Steuerspulen (14, 15) in Serie oder parallel geschallet sind.
3. Elektromagnet nach Anspruch 2 mit nur einer Stcuerstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs durch einen geradlinig verlaufenden Zwischenraum in zwei gleichgeformte Polschuhteilflächen (7, 8) unterteilt ist und der Polschuh (4) symmetrisch zum geradlinigen Zwischenraum geformt ist und daß die Steiierspulen (14, 15) gleich sind.
4. Elektromagnet nach Anspruch 1 mit nur einer Steuerstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs in mindestens drei Polschuhteilflächen (7, 8, 16) unterteilt ist und daß aus mindestens zwei dieser Polschuhteilflächen (7, 16), die beiderseits der dritten Pohchuhteilflächc (8) liegen, der magnetische Fluß, der durch die Stcuerstromquelle (11) erzeugt ist, in gleicher Richtung austritt.
5. Elektromagnet nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs derart in zwei Polschuhteilflächen (7, 8; Fig. 8) aufgeteilt ist, daß eine der Polschuhteilflächen (7) die andere Polscluihteilflächc (8) vollständig oder < nahezu vollständig umgibt und daß im Zwischenraum (9) zwischen den Teilflächen eine der Steuerspuien angeordnet isi.
6. Elektromagnet nach Anspruch I mit zwei Steuersystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die · Stirnfläche des Polschuhs in mindestens vier Polschuhteilflächen aufgeteilt ist, und diese Polschuhteilflächen in vier Gruppen unterteilt sind.

wobei in der ersten Gruppe die von der Erreger- und den Steuerstromquellen erzeugten magnetischen Flüsse gleiche Richtung haben, in der zweiten Gruppe der Fluß des Erregersystems und der Fluß des ersten Steuersystems gleiche Richtung und der Fluß des zweiten Steuersystems dazu entgegengesetzte Richtung hat, in der dritten Gruppe der Fluß des Erregersystems und des zweiten Steuersystems gleiche Richtung und der Fluß des ersten Steuersystems dazu entgegengesetzte Richtung hat, in der vierten Gruppe die Flüsse beider Steuersysteme entgegengesetzte Richtung haben wie der Fluß des Erregersystems.
7. Elektromagnet nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder alle Spulen (14, 15, 18, 19) des Spulensysiems einer Quelle (11) auch Bestandteil des Spulensysiems einer anderen Quelle (3) sind.
8. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs zwei Polschuhteilflächen besitzt und um jedes eine Polschuhteilfläche einschließende Polschuhsegment je zwei Spulen derart gewickelt sind, daß um das tine Polschuhsegment diejenigen Spulen (14, 19) liegen, durch die der Erregerstrom und der Steuerstrom in gleicher Richtung fließt, und um das andere Polschuhsegmcnt diejenigen Spulen (15, 18), durch die der Erregerstrom und der Steuerstrom in entgegensetzter Richtung fließt.
9. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß vier gleiche Spulen (14, 15, 18, 19) auf vier gleichen, auf den Ecken eines Quadrats angeordneten Polschuhsegmenten montiert und in einer Brückenschaluing so zusammengcschaltel sind, daß die in der ßrückenschaltung benachbarten Spulen auch um räumlich benachbarte Polschuhsegmenie gewickelt sind (Fig. 10a und F ig. II).
10. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise eines der Steuersysteme ein Meßgerät enthalten, das die Induktivität einer oder mehrerer Spulen des betreffenden Steuersystems mißt und dadurch den Abstand des betreffenden Polschuhs vom Anker mißt.
11. Elektromagnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für das Meßgerät eine Quelle konstanter Frequenz verwendet ist und daß diese Frequenz verschieden ist von Frequenzen, die im Erregersystem oder Steuersystem der gleichen Elektromagneten verwendet sind.