DE2854965A1

DE2854965A1 - Elektromagnetischer hubmagnet mit hublagenerkennung

Info

Publication number: DE2854965A1
Application number: DE19782854965
Authority: DE
Inventors: Rudolf Hauer; Hans-Peter Ing Grad Oesterle; Heinz Ing Grad Schaefer
Original assignee: Binder Magnete GmbH
Current assignee: Binder Magnete GmbH
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1980-07-03
Also published as: FR2445005A1; IT7950649A0; IT1164741B; FR2445005B3

Description

Elektromagnetischer Hubmagnet mit Hublagenerkennung

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Hubmagnet mit Hublagenerkennung mit einem Anker, mit einer mit dem Anker verbundenen Kolbenstange, mit einer Arbeitswicklung, mit einem Magnetkörper, der aus einem im Bereich des Ankerhubes von einer unmagnetischen Trennfuge unterbrochene! Anker führ ungs teil und einem Magnetfluss-Rückschlussteil besteht, und mit einer koaxial zur Arbeitswicklung angeordneten Messwicklung, in der ein mit dem Anker bewegter weichmagnetischer Kern vorgesehen ist.

Elektromagnetische Hubmagnete werden in zunehmendem Masse als Stellglieder verwendet, die preisgünstig, robust und wartungsfrei sind. Besonders vorteilhaft ist ihr Einsatz als sog. Proportionalmagnet. Ein sol-

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eher Proportionalmagnet ist als elektromechanischer Strom-Weg-Wändler einsetzbar. Die auf den Anker des Magneten wirkende Kraft ist dem Strom der Arbeitswicklung proportional. Wirkt auf die mit dem Anker verbundene Kolbenstange eine Federgegenkraft, so ergibt sich ein in gewissen Bereichen linearer Zusammenhang zwischen der Eingangsgrösse Strom und der Ausgangsgrösse Kolben- bzw. Ankerhub.

Solche Hubmagnete werden vorzugsweise zur Ventilbetätigung in der Hydraulik eingesetzt. Anwendungsbeispiele sind Proportional-Wegeventile, Stromregelventile, Drosselventile und Pumpen mit veränderlichem Fördervolumen.

Zur Erhöhung der Verstellgenauigkeit und zur Verminderung des Einflusses von Störkräften ist es bekannt, die Hublage des Ankers des Hubmagneten bzw. des durch die Kolbenstange betätigten Stellelementes als Ist-Grösse festzustellen, um über einen Regelkreis Abweichungen von der Soll-Stellung auszuregeln.

Es ist bekannt, für eine solche Hublagenerkennung induktive Wegwandler zu verwenden. Diese Wandler weisen eine oder zwei Messspulen sowie einen innerhalb dieser Spulen verschiebbaren weichmagnetischen Kern auf. Der Kern ist mit dem zu betätigenden Stellglied oder vorzugsweise über die axial nach rückwärts verlängerte Kolbenstange mit dem Anker des Hubmagneten verbunden und wird durch diese ver-

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schoben. Die Messspulen werden mit einer Wechselspannung gespeist und die Änderung der Induktivität der Spulen bei Verschiebung des Kerns wird als Änderung des induktiven Spulenwiderstandes bestimmt. Sind zwei Messspulen vorhanden, so werden diese in Brückenschaltung zur Differenzmessung verwendet.

Der Nachteil dieser bekannten Hublagenerkennungen besteht darin, dass diese entweder als gesondertes Bauelement vorgesehen werden müssen oder, falls sie an den Hubmagneten angebaut werden, zu einer erheblichen Vergrösserung der axialen Baulänge des Hubmagneten führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hubmagneten mit Lagenerkennung so auszubilden, dass die Hublagenerkennung die axiale Baulänge nicht oder nur wenig vergrössert und ein kompaktes preisgünstiges Bauelement erhalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Hubmagneten der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Anker des Hubmagneten den weichmagnetischen Kern der Messwicklung bildet, dass der Magnetkörper den von der A.beitswicklung erzeugten und den die Messwicklung durchsetzenden Magnetfluss führt und dass diese Magnetflüsse von ArbeiLswicklung und Messwicklung zumindest teilweise den gleichen Weg in dem Magnetkörper aufweisen.

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Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemässen Hubmagneten besteht darin, dass für die Hublagenerkennung kein zusätzlich axial angebautes Element benötigt wird, sondern dass die Hublagenerkennung vollständig in den Hubmagneten integriert ist. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, dass der Anker des Hubmagneten selbst für die Hublagenerkennung benutzt wird. Auch der Magnetkörper des Hubmagneten wird für die Führung des die Messwicklung durchsetzenden Magnetflusses verwendet. Dies führt einerseits zu einer erheblichen Verringerung der axialen Baulänge und andererseits zu einer Reduzierung der Material- und Herstellungskosten.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Arbeitswicklung und die Messwicklung auf denselben Spulenkörper gewickelt und weisen denselben Weg des Magnetflusses auf.

Wird die Arbeitswicklung des Hubmagneten bestromt, um den Anker und damit über die Kolbenstange das Stellglied in die vorgegebene Lage zu bringen, dann ändert sich der von der Arbeitswicklung erzeugte Magnetfluss in dem Magnetkörper entsprechend der Änderung des magnetischen Widerstandes bei der Ankerverschiebung. Dieser Magnetfluss stellt somit ein Mass für die Hublage des Ankers dar.

Da der Magnetfluss nicht unmittelbar gemessen werden kann, wird durch die Messwicklung, die von diesem Magnetfluss in genau derselben Weise wie die Arbeitswicklung durchsetzt

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wird, die zeitliche Änderung des Magnetflusses bei der Verschiebung des Ankers als in der Messwicklung induzierte Spannung gemessen. Die in der Messwicklung induzierte Spannung wird in an sich bekannter Weise über einen fest vorgegebenen Zeitabstand, der der Ankerverschiebung entspricht, integriert, so dass der Magnetfluss und damit die tatsächliche Hublage des Ankers als Ist-Grösse für den Regelkreis erhalten wird.

Da bei dieser Ausführungsform die Arbeitswicklung und die Messwicklung auf demselben Spulenkörper sitzen und denselben Magnetkörper zur Führung des Magnetflusses benützen, werden die Abmessungen des Hubmagneten durch die Hublagenerkennung überhaupt nicht beeinflusst. Auch die Herstellungskosten ändern sich praktisch nicht, da lediglich die Messwicklung zusätzlich auf den Spulenkörper der Arbeitswicklung aufgebracht werden muss.

Ein gewisser Aufwand bei der Hublagenerkennung wird in dieser Ausführungsform dadurch verursacht, dass der Magnetfluss und damit die in der Messwicklung induzierte Spannung von der Stärke des Erregerstroms der Arbeitswicklung abhängt. Der durch Integration der in der Messwicklung induzierten Spannung erhaltene Magnetfluss ist daher nicht nur eine Funktion der Hublage des Ankers sondern auch noch eine Funktion des Erregerstromes der Arbeitswicklung.

Diese etwas aufwendigere rechnerische Auswertung wird bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dadurch verhindert, dass der Magnetkörper axial über die Arbeitswicklung hinausverlängert ist, dass die Messwicklung auf dieser Verlängerung angeordnet und von der Arbeitswicklung durch einen radialen scheibenförmigen Abschnitt des

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Rückschlussteils des Magnetkörpers getrennt ist, in welchem die Magnetflüsse von Arbeitswicklung und Messwicklung verlaufen, und dass der Ankerführungsteil des Magnetkörpers im Bereich der Messwicklung eine zweite unmagnetische Trennfuge aufweist.

In dieser zweiten Ausführungsform durchsetzt der von der Arbeitswicklung erzeugte und die Ankerverschiebung bewirkende Magnetfluss die Messwicklung nicht. Es kann somit die Hublage des Ankers unabhängig von der Stärke des Erregerstromes der Arbeitswicklung bestimmt werden.

Die Hublagenerkennung kann dabei auf zweierlei Weise durchgeführt werden.

Es kann die Messwicklung mit einer Wechselspannung gespeist werden, wobei der sich ändernde induktive Widerstand der Messwicklung gemessen wird. Dieser induktive Widerstand hängt vom magnetischen Widerstand des Magnetkörpers für die Messwicklung und damit von der Hublage des Ankers in Bezug auf die zweite Trennfuge ab.

Da der induktive Widerstand der Meßwicklung auch von der Temperatur abhängt, die sich insbesondere durch die Wärmeerzeugung der Arbeitswicklung ändert, kann zweckmäßigerweise eine bifilare Spule zusätzlich auf den Spulenkörper der Meßwicklung gewickelt werden. Aufgrund der bifilaren Wicklung beeinflußt diese Spule den Magnetfluß und somit den induktiven Widerstand der Meßwicklung nicht. Mit dieser bifilaren Spule kann jedoch der Temperaturgang festgestellt und sein Einfluß bei der Messung des induktiven Widerstandes der Meßwicklung elektronisch kompensiert werden.

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Durch geeignete Formgebuna der zweiten Trennfucre unfl des Endes des Ankers kann erreicht werden, daß sich der induktive Widerstand der Meßwicklung bei anliegender konstanter Wechselspannung im Arbeitsbereich linear mit dem Ankerhub ändert. Insbesondere wird dies durch eine leicht konische Abschrägung des Endes des Ankers erreicht.

Andererseits kann auf den Spulenkörper der Messwicklung eine weitere mit einem konstanten Strom gespeiste Spule gewickelt sein. Dabei wird die Hublage des Ankers messtechnisch in der gleichen Weise erfasst wie bei der ersten Ausführungsform. Die Änderung des die Messwicklung durchsetzenden Magnetflusses aufgrund der durch die Ankerverschiebung hervorgerufenen Änderung des magnetischen Widerstandes wird als in der Messwicklung induzierte Spannung gemessen und über eine vorgegebene Zeitspanne integriert. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform hängt der auf diese Weise bestimmte Magnetfluss nicht mehr von dem Erregerstrom der Arbeitswicklung ab sondern nur noch von der Hublage des Ankers, da der die Messwicklung durchsetzende Magnetfluss von der zusätzlichen Wicklung erzeugt wird, die miu einem konstanten Strom gespeist wird.

Diese beiden letztgenannten Ausführungsformen vereinfachen die rechnerische Auswertung bei der Hublagenerkennung, da die Abhängigkeit von der Erregerstromstärke der Arbeitswicklung entfällt. Die Anordnung der Messwicklung axial an die Arbeitswicklung bedeutet jedoch eine gewisse Vergrösserung der axialen Baulänge des gesamten Hubmagneten. Diese Vergrösserung der axialen Baulänge ist jedoch gering, da einerseits derselbe Magnetkörper verwendet wird und andererseits auch hier der Anker selbst für die Änderung des Magnetflusses der Messwicklung verwendet wird. Auch in diesen beiden letztgenannten Ausführungsformen werden die Material- und Herstellungskosten des Magneten durch die Hublagenerkennung praktisch nicht erhöht.

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Weiter kann der Hubmagnet in vorteilhafter Weise so ausgebildet sein, dass der Ankerführungsteil des Magnetkörpers als an dem von der Kolbenstange abgewandten Ende geschlossenes Druckrohr ausgebildet ist.

Der Hubmagnet kann in dieser Ausführungsform unmittelbar an ein hydraulisches System angeflanscht werden. Das in diesem System fliessende Hydraulikmedium füllt dabei auch dieses den Anker führende Druckrohr. Es sind somit keine Abdichtungen der Kolbenstange erforderlich, die zusätzliche Reibungsverluste und Störungsquellen darstellen.

Weiter kann der Anker an seiner von der Kolbenstange abgewandten Endfläche eine zentrische Ausnehmung aufweisen, in die ein Handbetätigungsbolzen eingreift. Bei dieser Ausführungsform ist der Handbetätigungsbolzen grösstenteils innerhalb des Hubweges des Ankers angeordnet. Die Handbetätigung verursacht daher keine wesentliche Vergrösserung der axialen Baulänge.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 . ein erstes Ausführungsbeispiel des Hubmagneten mit Hublagenerkennung in der oberen Hälfte im Axialschnitt und in der unteren Hälfte in Seitenansicht und

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Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Hubmagneten mit Hublagenerkennung in der oberen Hälfte im Axialschnitt und in der unteren Hälfte in Seitenansicht.

Der in Fig.1 dargestellte Hubmagnet weist einen weichmagnetischen Anker 1o auf, mit dem eine nicht magnetische Kolbenstange 12 verbunden ist. Die Kolbenstange wirkt gegen eine Federkraft F auf ein Stellglied ein. Der Anker 1o wird in einem weichmagnetischen Druckrohr 14 axial verschiebbar geführt. Die Hubbewegung des Ankers 1o wird einerseits durch das geschlossene Ende des Druckrohres 14 und andererseits durch einpn in das Druckrohr eingesetzten Anschlag 16 begrenzt. Eine unmagnetische Trennfuge 18 unterbricht das Druckrohr 14 an dem dem Anschlag 16 zugewandten Ende des Hubweges des Ankers Io.

Auf dem Druckrohr sitzt ein Spulenkörper 2o, auf welchen eine Arbeitswicklung 22 und eine Messwicklung 24 gewickelt sind.

Eine wachmagnetische Flanschplatte 26 am einen Ende des Spulenkörpers 2o und ein scheibenförmiger weichmagnetischer Abschnitt 28, der einstückig mit einem den Spulenkörper umgebenden Mantel 3o ausgebildet ist, am anderen Ende des Spulenkörpers 2o bilden den magnetischen Rückschluss.

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Der Hubmagnet kann mit seiner Planschplatte 26 mittels Befestigungsschrauben 32 unmittelbar an einem hydraulischen System angebaut werden. Bohrungen in dem Anschlag 16 und dem Anker 1o ermöglichen den Eintritt des unter Druck stehenden Hydraulikfluids auf beide Seiten des Ankers 1o. Eine druckdichte Führung der Kolbenstange 12, die zu Reibungsverlusten führen könnte, ist daher nicht erforderlich.

In das von der Kolbenstange 12 abgewandte geschlossene Ende des Druckrohres 14 ist abgedichtet und axial verschiebbar ein Handbetätigungsbolzen 34 eingesetzt. Mittels dieses im Inneren des Druckrohres tellerförmig verbreiterten Bolzens 34 kann der Anker 1o erforderlichenfalls von Hand verschoben v/erden. Der Anker 1o weist an seiner Endfläche eine zentrische Ausnehmung auf, in welche der Handbetätigungsbolzen 34 eingreift, wenn der Anker 1o sich in seiner in der Zeichnung dargestellten vollständig nach rechts zurückgeschobenen Stellung befindet. Auf diese Weise führt der Handbetätigungsbolzen, 34 nicht zu einer zusätzlichen axialen Vergrösserung der Baulänge.

Der die Ausnehmung konzentrisch umschliessende axiale Ansatz 36 des Ankers 1o hat eine für die Führung des Magnetflusses ausreichende radiale Dicke, so dass die gesamte Länge des Ankers 1o einschliesslich dieses Ansatzes 36 für die Führung des Magnetflusses wirksam ist.

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Der in Fig.1 gestrichelt eingezeichnete durch den Erregerstrom der Arbeitswicklung 22 erzeugte Magnetfluss φ _Λ wird in dem Magnetkörper geführt, der von dem Druckrohr 14, der Flanschplatte 26, dem Mantel 3o und dem radialen Abschnitt 28 gebildet wird. Der magnetische Widerstand dieses Magnetkreises wird durch die unmagnetische Trennfuge 18 bestimmt. Dieser magnetische Widerstand und damit der Magnetfluss ψ_Λ ändern sich je nach dem, wie weit die Trennfuge 18 durch den Anker 1 ο überbrückt wird und somit je nach der Hublage des Ankers 1o. Wird die Arbeitswicklung 22 bestromt, so verschiebt sich der Anker 1o in die entsprechende Hublage. Bei dieser Verschiebung ändert sich der Magnetfluss ψ' . Durch diese Änderung des Magnetflusses wird in der Messwicklung eine dem Zeitdifferential des Magnetflusses proportionale Spannung induziert. Diese Spannung wird mittels einer an sich bekannten Einrichtung über einen fest vorgegebenen Zeitabstand, der der Verschiebungszeit des Ankers 1o entspricht, integriert, wobei eine Messwertspeicherung vorgenommen wird.

Durch diese Integration wird der Magnetfluss und damit die Hublage des Ankers 1o ermittelt, mit dem Soll-Wert verglichen und eine eventuelle Abweichung wird zur Regelung der Bestromung der Arbeitswicklung rückgeführt.

Der in Fig.2 dargestellte Hubmagnet stimmt im wesentlichen mit dem der Fig.1 überein. Die übereinstimmenden Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf die vorangehenden Beschreibung wird verwiesen.

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Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Fig.! befindet sich jedoch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.2 auf dem Spulenkörper 2o nur eine Arbeitswicklung 22.

Die Mesb.vicklung 24 sitzt auf dem axial über den radialen scheibenförmigen Abschnitt 28 hinausragenden Teil des Druckrohres 14. Auf dem Spulenkörper 38 der Messwicklung 24 ist eine weitere Spule 4o gewickelt. Der Spulenkörper 38 wird von einem'Rückschlussteil 42 umschlossen.

Im Bereich der Wicklungen 24 und 4o und in dem Hubbereich der Endfläche des Ankeransatzes 36 ist das Druckrohr 14 durch eine zweite unmagnetische Trennfuge 44 unterbrochen.

Die Spule 4o wird zur Hublagenerkennungen mit konstanter Stromstärke bestromt. Der daduch erzeugte in Fig.2 gestrichelt eingezeichnete Magnetfluss ψ~ wird von dem Rückschlussteil 42, dem scheibenförmigen Abschnitt 28 und dem Druckrohr 14 geführt. Die Trennfuge 44 bestimmt den magnetischen Widerstand und damit den Magnetfluss r₂- Dieser Magnetfluss ändert sich mit der Verschiebung des Ankers und der damit verbundenen sich ändernden überbrückung der Trennfuge 44.

Die bei der Änderung des Magnetflusses ψ~ in der Messwicklung 24 induzierte Spannung wird in der oben beschriebenen

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Weise integriert und zur Bestimmung der Hublage des Ankers 1o verwendet. Da der Magnetfluss der Arbeitswicklung 22 die Messspule 24 nicht durchsetzt, ist in dieser Ausführungsform die in der Messwicklung 24 induzierte Spannung von der Stromstärke der Arbeitswicklung unabhängig.

Der Hubmagnet gemäss der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform kann zur Hublagenerkennung auch in der Weise verwendet werden, dass der Messwicklung 24 eine Wechselspannung zugeführt wird. Je nach Hublage des Ankers 1o ändert sich der magnetische Widerstand der Messwicklung 24 und damit deren Induktivität. Zur Bestimmung der Hublage des Ankers 1o wird der induktive Widerstand der Messwicklung 24 bzw. der durch diese Wicklung fliessende Wechselstrom gemessen.

In dieser Ausführungsform kann die in Fig.2 dargestellte weitere Spule 4o entfallen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Elektromagnetischer Hubmagnet mit Hublagenerkennung mit einem Anker, mit einer mit dem Anker verbundenen Kolbenstange, mit einer Arbeitswicklung, mit einem Magnetkörper, der aus einem im Bereich des Ankerhubes von einer unmagnetischen Trennfuge unterbrochenen Ankerführungsteil und einem Magnetfluss-Rückschlussteil besteht, und mit einer koaxial zur Arbeitswicklung angeordneten Messwicklung, in der ein mit dem Anker bewegter weichmagnetischer Kern vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Anker (1ο) des Hubmagneten den weichmagnetischen Kern der Messwicklung (24) bildet,

- dass der Magnetkörper (1 4,26,28,3o,42) den von

der Arueitswicklung (22) erzeugten und auch den die Messwicklung (24) durchsetzenden Magnetfluss führt und

- dass diese Magnetflüsse von Arbeitswicklung (22) und Messwicklung(24)zumindest teilweise den gleichen Weg in dem Magnetkörper aufweisen.

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ORIGINAL INSPECTED

2. Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswicklung (22) und die Messwicklung (24) auf denselben Spulenkörper (2o) gewickelt sind und denselben Weg des Magnetflusses aufweisen und dass eine Einrichtung zur Messung und Integration der in der Messwicklung induzierten Spannung vorgesehen ist.

3. Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper axial über die Arbeitswicklung (22) hinaus verlängert ist, dass die Messwicklung (24) auf dieser Verlängerung (42) angeordnet und von der Arbeitswicklung (22) durch einen radialen scheibenförmigen Abschnitt (28) des Rückschlussteils des Magnetkörpers getrennt ist, in welchem die Magnetflüsse von Arbeitswicklung (22) und Messwicklung (24) verlaufen, und dass der Ankerführungsteil (14) des MagnetKÖrpers im Bereich der Messwicklung (24) eine zweite unmagnetische Trennfuge (44) aufweist.

4. Hubmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Messwicklung (24) mit Wechselspannung speist und den induktiven Widerstand der Messwicklung misst.

5. Hubmagnet nach Ansnruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Spulenkörper (38) der Meßwicklung (24) zusätzlich zu der Meßwicklung (24)

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eine bifilar gewickelte Strule vorgesehen ist, die zur Temperaturkompensierung bei der Messung des induktiven Widerstandes dient.

6. Hubmagnet nach Ansprüchen 3 und 4 oder Ansprüchen 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Trennfuge (44) und das von der Kolbenstange (12) abgewandte Ende (36) des Ankers (lo) so geformt sind, daß der induktive Widerstand der Meßwicklung (24) sich bei konstanter anliegender Wechselspannung im Arbeitsbereich linear mit dem Ankerhub ändert.

7. Hubmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Spulenkörper (38) der Messwicklung (24) eine weitere mit einem konstanten Strom gespeiste Spule (4o) gewickelt ist und dass eine Einrichtung zur Messung und Integration der in der Messwicklung (24) induzierten Spannung vorgesehen ist.

8. Hubmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerführungsteil (14) des Magnetkörpers als an dem von der Kolbenstange (12) abgewandten Ende geschlossenes Druckrohr ausgebildet ist.

Hubmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1o) an seiner von der Kolbenstange (12) abgewandten Endfläche eine zentrische Ausnehmung aufweist, in die ein Handbetätigungsbolzen (34) eingreift.

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