DE2406633A1

DE2406633A1 - Elektromagnet, mit mehreren ihn speisenden quellen und relativ dazu beweglichem anker

Info

Publication number: DE2406633A1
Application number: DE19742406633
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr I Flachenecker; Peter Dr Ing Meinke
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-02-11
Filing date: 1974-02-12
Publication date: 1975-08-14
Also published as: DE2406429C3; GB1493058A; DE2406429A1; NL7501149A; FR2260853A1; FR2260853B1; US4166261A; DE2406429B2

Description

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 Erregerströmen durchflossenen 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.
Zum leichteren Verst;ändnis 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. 3 eine andere Anordnung, bei der das Joch des Elektromagneten drei Polschuhe trägt, Fig. 4 eine nochmals andere Anordnung mit einer Vielzahl von Polschuhen.
Fig. 5 - 12 zeigen Einzelheiten im Zusammenhang mit der Erfindung.
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.
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.
Der Anker ist beweglich und wird von dem magnetischen Fluß 12 des Erregersystems durchflossen. Der in den Anker eintretende magnetische Fluß ubt 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 Pol schuh ausgehende magnetische Fluß eintritt bzw. der in den benachbarten Polschuh eintretende Fluß austritt. dF ist 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 Fig. 3 und es gibt drei Spulen bzw. Spulensysteme 2a bis 2c, die von den drei Quellen 3a 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 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.
Es gibt nun Anwendungsfälle, bei denen diewNotwendigkeit 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 4uflensystemen durch zusätzliche Quellen, Steuerquellen genannt, erzeugt werden. Die an der Steuerung beteiligten Spulen werden als Steuerspulen oder Steuerspulensysteme bezeichnet. Jedes Steuerspulensystem bildet zusamen mit der zugehörigen Steuerquelle das zu dieser Steuerquelle gehörende Steuersystem. Rin Beispiel ist die magnets sche 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 Errege@system zu einer niederfrequenten Schwingung angeregt wird zusätzliche dannund zusätzliche niederfrequente Schwingungen anderer Frequenzen ausführen soll.
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. Dies bedeutet Jedoch einen relativ hohen Aufwand.
In der DT-OS 2 114 040 ist bereits vorgeschlagen worden, bei einem magnetisch gelagerten Rotor die elektromagnetischen Mittel einer StabilisierungseinriohFung 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 erzeugenden Mehrphasenquelle vor.
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.
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. Fur 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.
Die zweite Kraft (Teilkraft zweiter Art genannt) entsteht, wenn beide Flüsse gleichzeitig vorhanden sind und stellt eine normalerweise unerwünschte und schädliche 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 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.
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 (3) ist dann die dritte Kraft wesentlich kleiner als die zweite Kraft und wird praktisch unwirksam. Die zweite Kraft enthält dann neben dem konstanten alle zeitabhängigen Flüsse im BS 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 nu;die Kräfte erster und dritter Art wirksam werden.
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 Polschuh austretende, magnetische Fluß in einer oder mehreren Teilflächen dieses Polschuhs eine entgegengesetzte Richtung hat wie in den übrigen Teilflächen des Polschuhs" 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 Steiierquelle 11 gespeist wird. Durch Steuerspulen geeigneter Form wird ein zusätzliches magnetisches Feld erzeugt, das Feldlinien 13 in der in Fig. t2 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 I?) ist unabhängig vom Vorzeichen des B2, weil B2 quadratisch vorkommt. 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 Kraftanteil eine Differenz wird und dadurch kleiner ist als im Fall von Zusatzfeldern gleicher Richtung.
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 list, daß jede Teilkraft nur von je einer der beteiligten Quellen abhängt und von den Strömen der anderen nahezu unabhängig ist.
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.
Um 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.
Dann sind die magnetischen Felder homogen und B1 ist eine Konstante. Die störende Kraft zweiter Art in Gleichung (3) 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 2 = ° der anzustrebende Fall, in dem die Wirkungen des Bj und des B2 voneinander unabhängig sind.
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 F2) = 231 (621 6 622) (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, G 1 der von der Steuerquelle erzeugte Fluß durch die Teilfläche 1 und 622 der Fluß durch die Teilfläche F2. Die unerwünschte zweite Kraft verschwindet also, wenn 621 4 6 22 ist. Dieses läßt sich mit einer Doppelspule nach Fig. 5 erreichen, wobei um jede der beiden Teilflächen eine Spule ger wickelt 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 Teilflächen gewickelten Spulen gleich sind. Dann erzeugen beide, wenn sie in Serie oder parallel geschaltet sind und~daher den gleichen Steuerstrom führen, auch gleiche Teilflüsse 621 und 622 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 Teilflächen 7, 8 und Zwischenraum 9.
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 verschiedene Richtung. Durch diese Teilkräfte der zweiten Art entstehen auf den Anker wirkende Drehmomente, die die Bewegung des Ankers zusätzlich und oftmals in unerwünschter Weise beeinflussen.
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.
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 Spülen 14 und 18 in der dazu entgegengesetzten Richtung.
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 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 Steuerquellelt, 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.
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 zweite Spule kann verschiedene Lagen haben, beispielsweise außen um die Teilfläche 7 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 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.
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 Bei spiel 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 (3) darstellen, und Anordnungen nach der Erfindung lassen sich darauf auch für inhomogene Felder sinngemäß entwickeln.
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 de; Größen F1 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 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 33 haben rechts und links vom senkrechten Zwischenraum 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 + 33 in F2: B = B1 + B2 - B3 in F3: B = B1 - B2 + B3 in F4: B =B1 - B2 - B3 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 (3) drei Teilkräfte zweiter Art aus den Produkten B1 B2 und B1 B3 und B2 33.
Diese Teilkräfte haben je nach den Vorzeichen des B2 und B3 in den Teilflächen verschiedene Richtung, so daß sich diese Teilkräfte zweiter Art bei geeigneter Gestaltung der Teilflächen 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=F3=F4= gezeigt, wobei zur Vereinfachung der Formeln angenommen wird, daß die erste Steuerquelle in jeder Teilfläche die gleiche Flußdichte B2 und die zweite Steuerquelle in jeder Teilfläche die gleiche Flußdichte B3 erzeugt. Dann entstehen Teilkräfte zweiter Art in den Flächen in F1: 2F0 (B1 B2 + B1 B3 + B2 B3) in F2: 2F0 (B1B2 - B1 B3 - B2 B3) in F3: 2F0 (-B1B12+ B1 B3 - B2 B3) in F4: 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 Vericleierung der Summekraft zweiter Art aller Teilflächen ein.
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 Kraft entwicklung auf den Anker für zwei Steuerquellen erreichen.
Es ist keinesfalls erforderlich, für jede der beteiligten Quellen ein gesondertes Spulensystem zu verwenden. In einer vorteilhaften Form der Erfindung sind zur Verminderung des Aufwandes 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 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 14, 15, 18, 19 und der Quellen 3, 11 in einer Brückenschaltung gezeichnet. Bei Erfüllung der bekannten Formeln für ein Brückengleichgewicht liegen die Anschlußpunkte 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.
lOb um eine von vier Teilflächen eines Polschuhs so gewickelt und so zusammengeschaltet sein, daß sie vom Erregerstrom der Quelle 3 (Pfeile in Fig. lOa) 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. iOa durch die Ströme der Steuerquelle 11 (Pfeile mit zwei Pfeilspitzen) so durch flossen, 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 Fig. lob) und die Spulen 18 und 15 einen magnetischen Fluß in entgegengesetzter Richtung wie das Erregersystem.
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.
Fig. 10 b läßt erkennen, daß durch jede Spule magnetische Flüsse beider Stromkreise treten und dort induktive Wirkungenerzeugen. Bei der Gestaltung des Elektromagneten muß daher die induktive Kopplung zwischen den beiden Stromkreisen hinreichend klein sein. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Polsohuhe, 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.
Ein Beispiel zeigt, daß dies möglich ist, aber besonderer Dimensionierung bedarf.
In der Brückenschaltung der Fig. lOa muß beachtet werden, daß zwischen den vier Spulen magnetische Kopplung besteht. Das Brückengleichgewicht, das die Entkopplung zwischen den beiden Stromkreisen herstellt, muß daher unter Berücksihtigung 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.
11) so angeordnet sind, daß auch die induktiven Kopplungen eine entsprechende Symmetrie besitzen, wodurch das Brückengleichgewicht und gleichzeitig Drehmomentfreiheit gentsteht.
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 der Erfindung von besonderem Nutzen, die zur Entkopplung der verschiedenen Stromkreise dienen und verhindern, daß der A1.1triebsvorgang 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 nach der Erfindung bei dem ein Antriebsvorgang (Erregersystem), ein Stabilisierungsvorgang (Steuersystem) 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.

Claims

Patentansprüche

t Elektromagnet, bestehend aus einem magnetisierbaren Joch und einem von Erregerströmen durchflossenen Erreger-Spulensystem und zwei oder mehr als zwei Polschuhen wid einem zwischen den Polschuhen befindlichen, relativ dazu beweglichen Anker, der aus magnetisierbarem Material und/oder Leiterschleifen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche eines oder mehrerer Polschuhe je in zwei oder mehr als zwei nicht zusammenhängende Teilflächen (? und 8) unterteilt ist und in den dadurch entstehenden Zwischenräumen (9) ein oder mehrere stromdurchflossene Leiter liegen und diese Leiter Bestandteile eines Steuerspulensystems (io) sind und von Steuerquellen (11) gespeist werden, wobei die von dem Strom einer der Steuerquellen durchflossenen Teile dieses Steuer-Stenerspulensystems so gestaltet sind, daß der von diesem Strom erzeugte, aus dem Polschuh austretende, magnetische Fluß in einer oder mehreren Teilflächen dieses Polschuhs eine entgegengesetzte Richtung hat wie in den übrigen Teilflächen des Polschuhs.
2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilflächen, die Zwischenräume zwischen den Teilflächen und die in ihnen verlaufenden Leiter so ausgebildet sind, 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 Quellen nahezu unabhängig ist.
3. Elektromagnet nach Anspruch 2, mit kleinem und überall annähernd gleichem Abstand zwischen Anker und Polschub und nur einem Steuersystem, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Polschuh austretende, von der Steuerquelle erzeugte Gesamt fluß unter Berücksichtigung der verschiedenen Flußrichtungennahezu gleich null ist.
4. Elektromagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs in zwei Teilflächen unterteilt ist und um jede Teilfläche eine Spule gewickelt ist und beide Spulen mit geeignetem Wicklungssinn in Serie oder parallel geschaltet sind und die Teilflächen und die Spulen so gestaltet sind, daß der von der Steuerquelle erzeugt, aus den Teilflächen austretende Fluß für beide Teilflächen gleich oder zumindest annäherend gleich groß ist, beispielsweise bei überall gleichem Abstand zwischen Polschuh und Anker die beiden Teilflächen gleich groß sind.
5 Elektromagnet nach Anspruch 2 mit nur einer Steuerquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs durch einen geradlinig verlaufenden Zwischenraum in zwei gleichgeformte Flächen unterteilt ist und Polschuh und Anker symmetrisch zum geradlinigen Zwischenraum geformt sind und zwei gleiche Spulen um die Teilflächen gewickelt sind und beide Spulen in Serie oder parallel geschaltet sind.
6. Elektromagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuerspulen Bestandteil des Erregerspulensystems sind und für die Speisung durch die Erregerstromquelle parallelgeschaltet sind, wenn sie für die Speisung durch die Steuerquelle in Serie geschaltet sind, oder umgekehrt für die Speisung durch die Erregerstromquelle in Serie geschaltet sind, wenn sie für die Steuerquelle parallel geschaltet sind.
7. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilflächen und die Steuerspulensysteme so ausgebildet sind, daß sich die durch die Steuersysteme auf den Anker ausgeübten Drehmomente gegenseitig nahezu aufheben.
8. Elektromagnet nach Anspruch 7 mit nur einem Steuersystem, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh in mindestens drei Teilflächen geteilt ist und mindestens zwei dieser Teilflächen die beiderseits der dritten Teilfläche liegen, magnetische Flüsse, die durch die Steuerquelle erzeugt sind, in gleicher Richtung besitzen.
9. Elektromagnet nach Anspruch 7 mit nur einem Steuersystem, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh in zwei Teilflächen aufgeteilt ist (Fig. 8), wobei eine der Teilflächen die andere Teilfläche vollständig oder nahezu vollständig umgibt und im Zwischenraum zwischen den Teilflächen eine der Steuerspulen um die innere Teilfläche herum gewickelt ist.
10. Elektromagnet nach Anspruch 1 mit zwei Steuersystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs in mindestens vier Teilflächen aufgeteilt ist, und diese Teilflächen in vier Gruppen unterteilt werden, wobei in der ersten Gruppe der Teilflächen die von den drei Quellen erzeugten magnetischen Flüsse gleiche Richtung haben, in der zweiten Gruppe der Teilflächen 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 Teilflächen der Fluß des Erregersystems und des zweiten Steuersystems gleiche Richtung und der Fluß des ersten Steuersystems dazu entgegengesetzte Richtung hat, in der vierten Gruppe der Teilflächen die Flüsse beider Steuersysteme entgegengesetzte Richtung haben wie der Fluß des Erregersystems.
11. Elektromagnet nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilflächen des Polschuhs und die Spulensysteme der drei Quellen so gestaltet und so an die drei Quellen angeschlossen sind, daß die auf den Anker seitens des Polschuhs ausgeübte Gesamtkraft aus drei Teilkräftenbesteht, die jede nur vom Strom einer Quelle abhängig sind.
12. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder alle Spulen des Spulensystems einer Quelle Bestandteil der Spulensysteme einer anderen Quelle sind.
13. Elektromagnet nach Anspruch 12 mit nur einer Steuerquelle, dadurch gekennzeichnet, daß Spulen vorhanden sind, deren Anzahl vier oder ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist und die alle gleichzeitig von Strömen der Erregerquelle und von Strömen der Steuerquelle durchflossen sind und diese Spulen so gestaltet und angeordnet sind, daß beide Quellen ohne zusätzliche Trennmittel so angeschlossen werden können, daß die Ströme des einen Systems unabhängig von den Strömen des anderen Systems sind.
14. Elektromagnet nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Spulen in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind und die beiden Quellen jeweils an gegenüberliegenden Punkten der Brücke angeschlossen sind.
15. Elektromagnet nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen so gestaltet und angeordnet sind, daß die Anschlüsse der einen Quelle frei von Spannungen der jeweils anderen Quelle sind.
16. Elektromagnet nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Spulen um vier Teilflächen eines Polschuhs so gewickelt sind, daß der durch das Steuersystem erzeugte Fluß aus zwei Teilflächen in gleicher Richtung austritt wie der vom Brregersystem erzeugte Fluß und aus den beiden anderen Teilflächen in entgegengesetzter Richtung wie der vom Erregersystem erzeugte Fluß.
17. Elektromagnet nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh zwei Teilflächen besitzt und um jede Teilfläche je zwei Spulen derart gewickelt sind, daß um den einen Polschuh diejenigen Spulen liegen, die gleiche Richtung des Erregerstroms und des Steuerstroms besitzen, und um die zweite Teilfläche diejenigen Spulen, die entgegengesetzte Richtung des Erregerstroms und des Steuerstroms besitzen.
18. Elektromagnet nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß vier gleiche Spulen auf vier gleichen, auf den Ecken eines Quadrats angeordneten Polschuhteilen montiert sind und in einer Brückenschaltung so zusammengeschaltet sind, daß die in der Brückenschaltung benachbarten Spulen auch um räumlich benachbarte Polschuhteile gewickelt sind (Fig.

7oa und Fig. 11).
19. 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 Pol schuhs vom Anker mißt.
20. Elektromagnet nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis der Abstandsmessung verwendet wird, um über das gleiche oder ein weiteres Steuersystem den Abstand zwischen dem Polschuh und dem Anker zu beeinflussen, insbesondere konstant zu halten.
21. Elektromagnet nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßverfahren eine Quelle konstanter Frequenz verwendet und diese Frequenz verschieden ist von Frequenzen, die im Erregersystem oder Steuersystemen der gleichen Elektromagneten verwendet werden