DE3209355C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tauchankermagnet bestehend aus einer Spule mit in deren Längsachse beweglich angeordnetem Kern aus magnetisch gut leitfähigem Material und einem die Spule ganz oder teilweise umschließenden Joch aus ebenfalls magnetisch gut leitfähigem Material.

Zu einem durch die DE-OS 18 12 843 bekannten solchen Tauchankermagneten ist dort angegeben, daß bei zylindrischem Querschnitt das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Außendurchmesser der Spule beim Wert 0,5 bei vorgegebener Anzugskraft für die erforderliche Stromdichte ein Minimum ergibt.

Tauchankermagnete der eingangs genannten Art gehören seit über 100 Jahren zu einer bevorzugten Form elektromechanischer Wandler. Es handelt sich um ein sehr einfaches, robustes und betriebssicheres Bauelement. Es wird überall dort angewendet, wo elektrische Signale in relativ kleine mechanische Bewegungen umgewandelt werden müssen. Durch geeignete Gestaltung der Polflächen ist es möglich, den Zugkraftverlauf in gewissen Grenzen zu beeinflussen und damit den Erfordernissen der nachgeschalteten mechanischen Einrichtungen anzupassen.

Wie bei allen elektromechanischen Wandlern ist die zuführbare elektrische Energie durch die zulässige Erwärmung der Isoliermaterialien begrenzt. Sofern keine besonderen Zusatzeinrichtungen für die Wärmeabfuhr vorgesehen sind, bestimmt somit die Oberfläche des Bauteils die zulässige elektrische Belastung.

Bisher waren die Bemühungen zur Verbesserung der Eigenschaften des Tauchankermagneten meist auf die möglichst günstige Gestaltung des Kraftlinienweges und hier wieder vorzugsweise auf den Kraftlinienweg im Bereich der wirksamen Polflächen gerichtet. Verbesserungen der rein mechanischen Eigenschaften, wie sie z. B. durch Mittel zur besseren Führung des beweglichen Teils erreicht werden, können in diesem Zusammenhang außer Betracht bleiben.

Es wurde also bisher der Elektromagnet meist vom magnetischen Kreis her betrachtet. Zum Erzielen des gewünschten Arbeitsvermögens wurde dabei die wirksame Polfläche festgelegt und anschließend der magnetische Rückschluß bemessen. Der so festgelegte magnetische Kreis bestimmt dann die notwendige elektrische Durchflutung.

Sollte dabei bei vorgegebenem Volumen des Bauelementes eine Leistungssteigerung erzielt werden (höheres mechanisches Arbeitsvermögen), dann erschien es in der Regel notwendig, die Durchflutung zu erhöhen. Dabei stieg die Verlustleistung überproportional an. Das Ergebnis waren Magnete mit entsprechend reduzierter zulässiger Einschaltdauer.

Auch ist es dem Fachmann geläufig, daß der Aufwand an relativ teurem Kupfer bei einer Leistungssteigerung in der Regel ebenfalls angehoben werden mußte.

Aufgabe der Erfindung ist es, für einen Tauchankermagneten der eingangs genannten Art bei vorgegebenen Außenabmessungen der Spule ein Maximum des mechanischen Arbeitsvermögens bei konstanter Erregerleistung bzw. ein Minimum an erforderlicher Erregerleistung bei konstantem Arbeitsvermögen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 2 gelöst.

Das erfindungsgemäße Optimum ermöglicht gegenüber der Dimensionierungsvorschrift nach DE-OS 18 12 843 einen verringerten Kupferaufwand und geringere Verlustleistung bei konstantem Arbeitsvermögen und vorgegebenen Außenabmessungen der Spule.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Tauchankermagneten mit zylindrischem Kern im Längsschnitt und im Querschnitt bei Linie A-A,

Fig. 2 einen Graphen zur Erläuterung des mechanischen Arbeitsvermögens eines derartigen Tauchankermagneten,

Fig. 3 die Spule eines Tauchankermagneten in einer zylindrischen und einer quadratischen Ausführungsform jeweils in Endansicht und im Schnitt zur Erläuterung der Maße, deren Verhältnis erfindungsgemäß zu optimieren ist,

Fig. 4 und Fig. 5 zwei Graphen für die Bestimmung der optimalenVerhältniszahl für zwei unterschiedliche Ausführungsformen.

Fig. 6 und Fig. 7 für die gleichen Ausführungsformen je einen Graphen zur Darstellung der Abhängigkeit des mechanischen Arbeitsvermögens von der Verhältniszahl,

Fig. 8 und Fig. 9 für die gleichen Ausführungsformen die Abhängigkeit der Luftspaltinduktion von der Verhältniszahl,

Fig. 1 zeigt einen Tauchankermagneten 10 bestehend aus einer Spule 11 in Form eines Hohlzylinders, einem in die Spule 11 eintauchenden in Längsrichtung beweglich angeordneten zylindrischen Kern 12, der als Anker dient, und einem die Spule 11 ganz oder teilweise umschließenden Joch 13, das eine Art Gehäuse bildet. Der Kern 12 besteht aus magnetisch gut leitfähigem Material, vorzugsweise aus kohlenstoffarmem Eisen. Auch das Joch 13 ist aus magnetisch gut leitfähigem Material hergestellt. Die Spule 11 ist aus Kupferdraht gewickelt. Die elektrischen Anschlüsse der Spule 11, die mechanische Führung des Kerns 12 und die Befestigungshilfen für das im Joch 13 konkretisierte Gehäuse sind dem Fachmann geläufig und bedürfen keiner näheren Erläuterung.

Fig. 2 dient der Erläuterung des mechanischen Arbeitsvermögens eines Tauchankermagneten. Dieses ist definierbar als

worin Am die mechanische Arbeit, F die Kraft und S, genauer S 2-S 1, der vom Kern zurückgelegte Weg ist. Die geleistete Arbeit ist von der Ausbildung des Magnetkreises und der der Spule 11 zugeführten elektrischen Leistung abhängig. Im folgenden wird gezeigt werden, daß überraschenderweise das mechanische Arbeitsvermögen eines Magneten nicht nur von der mehr oder weniger günstigen Ausbildung der Polflächen sondern im ganz entscheidenden Maße von dem Verhältnis von Ankerdurchmesser zum Außendurchmesser der Erregerspule abhängig ist. Bei Tauchankermagneten mit quadratischem Kern gilt das gleiche sinngemäß.

Fig. 3 zeigt die hierfür benötigten Maßangaben. b ist die Bauhöhe der hohlzylindrischen Spule 11 bzw. der hohlquadratischen Spule 14. D ist der Außendurchmesser der hohlzylindrischen Spule 11 bzw. die Außenkantenlänge der hohlquadratischen Spule 14. d ist der Kerndurchmesser des zylindrischen Kerns 12 bzw. die Kernseitenkantenlänge eines quadratischen Kerns. Selbstverständlich stimmt der Kerndurchmesser d des Kerns 12 unter Berücksichtigung des notwendigen Spiels mit dem Innendurchmesser der hohlzylindrischen Spule 11 überein. Ebenso stimmt bei der hohlquadratischen Spule 14 die Seitenkantenlänge von deren im Querschnitt quadratischen inneren Freiraum unter Berücksichtigung des notwendigen Spiels mit der Kernseitenkantenlänge überein, wie das Fig. 3 zeigt. Es wird nun die Verhältniszahl d/D aus Kerndurchmesser und Außendurchmesser der Spule bzw. bei der hohlquadratischen Spule 14 aus Kernseitenkantenlänge und Außenkante der Spule gebildet. Die Größe dieser Verhältniszahl d/D ist von erheblichem Gewicht.

Fig. 4 zeigt für die hohlzylindrische Spule 11 aufgetragen über der Verhältniszahl d/D zwei Kurven. Die eine Kurve stellt, wie in der Figur angedeutet, die Verhältniszahl des Kupfervolumens Vcu zum optimalen Kupfervolumen Vcuo dar, die andere Kurve das Verhältnis der elektrischen Leistungsaufnahme Pcu der Erregerspule zur optimalen elektrischen Leistungsaufnahme Pcuo dar. Die elektrische Leistungsaufnahme Pcu ist also dort optimal, wo sie ein Minimum, im Graphen den Wert 1 erreicht. Das Kupfervolumen nimmt mit steigender Verhältniszahl d/D ab. Es gibt jedoch einen aus beiden Kurven abzuleitenden Optimalwert.

Es seien nun einige Punkte im Graphen betrachtet. Die Punkte A und B entsprechen einem Magneten aus dem Fertigungsprogramm eines bekannten Herstellers, bei dem die Verhältniszahl d/D=0,43 beträgt. Aus Punkt A läßt sich entnehmen, daß hier die elektrische Leistungsaufnahme um 24% über dem Optimalwert in Punkt C liegt. Das erforderliche Kupfervolumen (Kupfergewicht) liegt nach Punkt B sogar um 34% über dem Optimalwert nach Punkt C, der für die hohlzylindrische Spule 11 mit zylindrischem Kern bei einer Verhältniszahl d/D=0,62 liegt.

Aus dem Schaubild kann man weiter erkennen, daß man bei Beibehaltung der derzeitigen Listendaten des Tauchankermagneten, also bei gleicher Zugkraft und gleicher Erregerleistung auch einen Magneten in Punkt A′ betreiben könnte, bei dem die Verhältniszahl d/D=0,78 beträgt und demnach das aufzuwendende Kupfervolumen durch Punkt B′ festgelegt wird. Hier ist der Kupferaufwand gegenüber Punkt A um weitere 38% (Bezugspunkt ist der Punkt C) gesenkt. Ausgehend vom derzeitigen Kupferaufwand (Punkt A) entspricht das einer Verminderung um 54%.

Fig. 5 zeigt die gleichen Verhältnisse für die hohlquadratische Spule 14. Auch hier entsprechen die Punkte A und B bei einer Verhältniszahl d/D=0,32 den Listendaten eines Tauchankermagneten aus dem Fertigungsprogramm eines weiteren großen Herstellers. Die erforderliche Erregerleistung liegt nach Punkt A 60% über dem Optimalwert (Punkt C) und auch der Kupferaufwand ist um 32% höher als im Leistungsoptimum. Auch hier ergibt sich wieder aus den Punkten A′ und B′, daß die derzeitigen Listendaten auch bei einer Verhältniszahl d/D=0,84 erreicht würden, bei denen das Kupfervolumen gegenüber dem Optimalwert (C) um weitere 54%, gegenüber Punkt B sogar um 66% gesenkt ist. Der Optimalwert nach Punkt C liegt bei der hohlquadratischen Spule 14 bei einer Verhältniszahl d/D=0,60. Die Verschiebung des Optimalwertes ist auf die gegenüber der hohlzylindrischen Konstruktion unterschiedliche Relation zwischen Kernquerschnitt und mittlerer Windungslänge zurückzuführen.

Die Interpretation der Fig. 4 und 5 zeigt in den Kurven Pcu/Pcuo ein ausgeprägtes Minimum im Punkt C. Hier ist die für eine vorgegebene Zugkraft, also das gewünschte mechanische Arbeitsvermögen aufzuwendende elektrische Leistung ebenfalls im Minimum. Sehr günstige Werte werden auch noch für einen Bereich erzielt, in dem die Verhältniszahl d/D zwischen 0,5 und 0,7 liegt (vergl. Fig. 5). Es darf jedoch nicht nur auf die Optimierung des Verhältnisses zwischen eingesetzter elektrischer Leistung und erzieltem mechanischen Arbeitsvermögen geachtet werden. Vielmehr ist es auch wichtig, mit welchem Aufwand an Kupfer ein bestimmtes mechanisches Arbeitsvermögen erzielt wird. Der Kupferaufwand nimmt nun mit ansteigender Verhältniszahl d/D weiter stark ab.

Bei den beiden vorstehend beschriebenen Beispielen wurde die mögliche Verringerung der Kupferverluste erläutert. Selbstverständlich ist umgekehrt auch bei Beibehalten der maximal zulässigen Erregung eine erhebliche Zunahme des Arbeitsvermögens der Magnete durch die Vergrößerung der Ankerquerschnitte möglich.

Fig. 6 und Fig. 7 zeigen dies für die hohlzylindrische Spule 11 bzw. die hohlquadratische Spule 14 durch Auftragen der Verhältniszahl der Kraft F zur optimalen Kraft Fopt über der Verhältniszahl d/D. Aus Fig. 6 kann abgelesen werden, daß bezogen auf Fig. 4 bei einer Vergrößerung der Verhältniszahl von 0,43 auf 0,62 ein Zugkraftgewinn von 20% erzielt werden kann. Ebenso ergibt sich aus Fig. 7 bei einer Vergrößerung der Verhältniszahl von 0,32 auf 0,6 ein Zugkraftgewinn, der hier sogar 40% beträgt.

Aus dem Verlauf der Kennlinien für den Kupferaufwand ist die oben schon erläuterte Tatsache zu erkennen, daß bereits bei geringfügigem Überschreiten des Optimalwertes (Punkt C) der Kupferaufwand überproportional abnimmt. Es erscheint somit aus wirtschaftlichen Gründen ratsam, eine Verhältniszahl oberhalb des Minimums für die Kupferverluste anzustreben und den möglichen Zugkraftgewinn nicht in allen Fällen voll auszuschöpfen. So beträgt die Zugkrafteinbuße nach Ausweis der Fig. 6 und 7 bei einer Erhöhung der Verhältniszahl von 0,6 auf 0,7 nur 5 bis 7%, während gleichzeitig die zusätzliche Kupfereinsparung zwischen 15 und 20% liegt.

Fig. 8 und 9 zeigen für die hohlzylindrische Spule 11 bzw. die hohlquadratische Spule 14 aufgetragen über der Verhältniszahl d/D die Verhältniszahl der Luftspaltinduktion B zur optimalen Luftspaltinduktion Bopt. Man erkennt daraus, daß entsprechend der Zunahme der wirksamen Polfläche mit der Vergrößerung des Kerndurchmessers die für die Erzeugung einer bestimmten Zugkraft erforderliche Luftspaltinduktion abnimmt. Daraus folgt, daß in vielen Fällen, insbesondere bei Magneten für relativ lange Einschaltdauern, der Querschnitt des Kern- bzw. Ankerschaftes verringert werden kann, ohne daß die Eiseninduktion unzulässig hohe Werte erreicht. Es empfiehlt sich deshalb, den Kern hohl, also als Hülse auszuführen. Gelegentlich wird man durch diese Maßnahme auch eine wünschenswerte Abflachung der Arbeitskennlinie erreichen. Weiter hat ein hohler Kern eine verminderte Masse und ist auch dem Einfluß der Wirbelströme beim Anzugs- und Abfallvorgang weniger ausgesetzt. Das gilt im besonderen Maße dann, wenn ein solcher hülsenförmiger Kern noch zusätzlich durch einen oder mehrere in Achsrichtung durchlaufende Längsschlitze unterbrochen ist. Die durchlaufenden Längsschlitze erleichtern auch den Druckausgleich im Spuleninnenraum während der Ankerbewegung.

Claims (2)

1. Tauchankermagnet bestehend aus einer Spule mit in deren Längsachse beweglich angeordnetem Kern aus magnetisch gut leitfähigem Material und einem die Spule ganz oder teilweise umschließenden Joch aus ebenfalls magnetisch gut leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß bei zylindrischem Kern (12) und zylindrischer Spule (11) das Verhältnis (d/D) von Kerndurchmesser (d) zu Außendurchmesser (D) der Spule (11) 0,62 beträgt.

2. Tauchankermagnet nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei quadratischen Kern- und Spulenquerschnitten das Längenverhältnis (d/D) von Kernseitenkante (d) zu Außenkante (D) der Spule (14) 0,60 beträgt.