DE3613648A1 - Vorrichtung fuer einen gleichstrom-magneten - Google Patents
Vorrichtung fuer einen gleichstrom-magnetenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Gleich
strom-Magneten mit Erregerwicklung, Anker und Anker
gegenstück, dessen Kraft-Hub-Kennlinie im Arbeitsbereich
mittels einer elektronischen Ansteuerschaltung z. B.
annähernd waagrecht gestaltet ist.
Es sind Gleichstrom-Elektromagnete bekannt, die vorzugs
weise zum Antrieb von Ventilen dienen. Dabei arbeitet der
Anker des Magneten beispielsweise gegen eine Feder an,
und die Kraft-Hub-Kennlinie des Magneten ist derart
gestaltet, daß einem bestimmten Erregerstrom ein bestimm
ter Weg des Ankers und damit des Ventiles entspricht, so
daß über den Erregerstrom das Ventil verstellt werden
kann. Dabei ist es wichtig, daß nicht nur zwei Ventilstel
lungen möglich sind, die den beiden Endstellungen des
Ankers entsprechen. Vielmehr sollen alle Zwischenstel
lungen ansteuerbar sein. Ein Gleichstrom-Elektromagnet,
der zum Beispiel mit einem Stumpfanker ausgerüstet ist,
besitzt aber im allgemeinen eine Kraft-Hub-Kennlinie in
hyperbolischer Form, d.h. zu Beginn des Hubes werden
nur sehr kleine Kräfte entwickelt, die gegen Ende des
Hubes stark anwachsen. Ein Magnet mit einer derartigen
Kraft-Hub-Kennlinie wäre nicht geeignet zur Steuerung
eines Ventils in verschiedene Zwischenstellungen.
Es ist daher schon vorgeschlagen worden, (vgl. bei
spielsweise DE-PS 9 76 704) die steil ansteigende Kraft-
Hub-Kennlinie durch besondere Ausbildung des Ankers
und/oder des Ankergegenstückes so zu verändern, daß im
Arbeitsbereich die Kennlinie vergleichsweise waagrecht
oder auch fallend gestaltet ist. Dies läßt sich beispiels
weise erreichen, durch eine Ausgestaltung des Ankergegen
stückes in Form eines Außenkonus. Die magnetischen Feld
linien erhalten dann nach einem Teil des Weges des
Ankers teilweise einen Verlauf rechtwinklig zur Anker
bewegung mit dem Ergebnis, daß die Hubkraft nicht mehr
weiter ansteigt,
sondern gegebenenfalls sogar geringer wird.
Beim Zusammenwirken eines derartigen Elektro-Magneten,
der als Proportional-Magnet bezeichnet wird, mit einer
Federkennlinie üblicher Art, läßt sich erreichen, daß
einem bestimmten Erregerstrom eine bestimmte Anker
stellung zugeordnet wird.
Die Veränderung der Kennlinie durch eine entsprechende
Ausbildung des Ankers oder des Ankergegenstückes ist
aber unbefriedigend. Sie beruht nämlich im wesentlichen
darauf, daß die Hubkraft des Magneten im Arbeitsbereich
verringert wird.
Es ist ferner eine als Torque-Motor bezeichnete Magnet-An
ordnung bekannt, mit der es möglich ist, durch eine
Veränderung des Erregerstroms genau definierte Anker
bewegungen herbeizuführen. Dabei läßt sich beim Torque-
Motor erreichen, daß durch Umpolung des Erregerstroms
auch eine umgekehrt gerichtete Ankerbewegung eintritt.
Der Torque-Motor verwendet dabei Permanent-Magnete,
deren Feldlinien sich jeweils dem vom Elektro-Magneten
erzeugten Feldlinien überlagern, und somit diese entweder
verstärken oder aufheben. Ein derartiger Torque- Motor
besitzt zwar eine gute Proportionalität zwischen dem
Erregerstrom einerseits und der Ankerbewegung anderer
seits. Die Kräfte und der maximale Hub sind jedoch sehr
gering, so daß sie nur bei geeigneten Servo-Anordnungen
ausnützbar sind.
Entsprechendes gilt auch für Elektro-Magnete nach dem
Liniearmotor-Prinzip. Auch hier sind Permanent-Magnete
vorgesehen,
die die ausnützbaren Kräfte herabmindern.
In der DE-PS 20 19 345 ist eine Anordnung zum Beeinflussen
des Erregerstroms eines Gleichstrom-Elektromagneten beschrie
ben, bei dem die magnetische Feldstärke im Axialluftspalt am
Ankergegenstück gemessen wird und der gemessene Wert benützt
wird, um über eine Regelschaltung den Erregerstrom so zu
steuern, daß das magnetische Feld und damit auf den Anker
ausgeübte Kraft eine vorbestimmte gleichförmige Größe erhält.
Dabei ergibt sich der Nachteil, daß das Sensorelement, das die
Feldstärke mißt, temperaturempfindlich ist. Auch muß mit einer
lnhomogenität des magnetischen Feldes gerechnet werden. Schwie
rig ist es auch, diese Anordnung bei einem druckdichten
Ankerraum zu verwenden, da die Feldstärke am Ankergegenstück
im Ankerraum zu messen ist, und die zugehörigen Leitungen
aus diesem Ankerraum herausgeführt werden müssen. Auch kann
bei diesem Elektromagneten nur eine im wesentlichen
waagerechte Kraft-Hub-Kennlinie erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-
Magneten der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend wei
terzuentwickeln, daß eine wesentlich bessere Ausnutzung der
Hubarbeit erreicht wird, und eine Kraft-Hub-Kennlinie erreicht
wird, die optimal dem vom Magneten angetriebenen Gerät, z. B.
einem Ventil, angepaßt ist. Insbesondere soll nicht nur eine im
Arbeitsbereich waagrechte Kraft-Hub-Kennlinie möglich sein, son
dern eine beliebig gestaltete Kennlinie, deren Teile, je nach
Bedarf, fallend, steigend oder waagerecht verlaufen.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer
Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art und schlägt vor,
daß ein vom Anker angetriebener Wegaufnehmer vorgesehen ist,
dessen Signal eine Elektronik-Bauteile umfassende Anordnung
steuert, von der die Stromversorgung der Erregerwicklung zur
Erreichung der Kennlinie abhängt.
Während es bisher nur bekannt war, die Kennlinie durch eine
entsprechende Ausgestaltung des Ankers und des Ankergegen
stückes zu beeinflussen, bzw. durch eine elektronische Ansteuer
schaltung im wesentlichen waagrecht, d.h. wegunabhängig zu
halten, geht die Erfindung bei der Beeinflussung und Ausge
staltung der Kraft-Hub-Kennlinie einen ganz anderen Weg. Die
Beeinflussung der Kennlinie durch entsprechende Ausgestaltung
des Ankers und/oder des Ankergegenstückes hat nämlich zur
Folge, daß der z.B. waagrechte Teil der Kraft-Hub-Kennlinie
immer an der gleichen Wegstelle des Ankerhubs beginnt und
zwar unabhängig von dem Strom, der der Spule zugeleitet wird.
Dies bedeutet, daß z.B. bei Belastung des Magneten mit einer
Feder die Hubkraft des Magneten nur dann einigermaßen ausge
nützt wird, wenn die Spule nur geringfügig beaufschlagt wird.
Bei maximaler Beaufschlagung der Spule wird jedoch nur ein
sehr mäßiger Teil der Hubarbeit ausgenützt.
Beim erfindungsgemäßen Vorschlag wird dagegen der Strom des
Magneten in Abhängigkeit von der jeweiligen Ankerstellung, die
vom Wegaufnehmer ermittelt wird, gesteuert. Das Wegsignal
wird in die Elektronik-Bauteile umfassende Anordnung einge
leitet. Auf diese Weise wird es möglich, einen Elektromagneten
zu verwenden, dessen nicht veränderte Kraft-Hub-Kennlinie
annähernd der Kennlinie des anzutreibenden Gerätes, also bei
spielsweise einer Federkennlinie entspricht. Über einen wesent
lichen Teil des Hubs bleibt dabei die Hubkraft unverändert,
aber auch im wesentlichen ausgenützt.
Erst in demjenigen Bereich, der durch das eingegebene
Wegsignal bestimmt ist, verändert die Elektronik-Anordnung die
Beaufschlagung des Magneten, d.h. verringert den Spulenstrom
mit dem Ergebnis, daß die Hubkraft gleich wird mit der
Federgegenkraft. Dadurch kann dann der Anker die gewünschte
Stellung einnehmen,
die einer gewünschten Ventilstellung od. dgl. entspricht.
Da es die Erfindung erlaubt, die Hubarbeit des Magneten
wesentlich besser auszunützen, als dies bisher möglich
erschien, kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung
kleinerer Abmessungen zum Antrieb eines Gerätes, z.B.
eines Ventils, verwendet werden. Die kleineren Abmes
sungen des Gleichstrom-Magneten bringen neben dem
Vorteil des geringeren Herstellungsaufwandes auch den
Vorteil mit sich, daß der zugehörige Anker eine kleinere
Masse besitzt. Auf diese Weise wird die Ansprechzeit des
Magneten in mehrfacher Hinsicht verbessert.
Der geringere Herstellungsaufwand für den kleineren
Magneten gleicht dabei mindestens teilweise den Aufwand
aus, der zur Verwirklichung der Erfindung notwendig ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin
dung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Kraft-Hub-Diagramm,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung
die ein Ventil betätigt und
Fig. 3 einen Blockschaltplan der Vorrich
tung gemäß der Erfindung.
In dem Kraft-Hub-Diagramm bezeichnet "s" den Hub des
Ankers,
wobei in der Praxis bei der Erregung der Spule der
Ankerhub von rechts nach links verläuft. Mit "F" sind
die Kräfte bezeichnet, die der Gleichstrom-Magnet auf
bringt, bzw. die vom Gleichstrom-Magneten zu überwinden
sind.
Die Federkennlinie 30 ist als Doppellinie eingezeichnet.
Sie kennzeichnet bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
das vom Elektromagneten anzutreibende Gerät, z.B. das
Ventil. In der Regel ist diese Federkennlinie geradlinig,
ohne daß dies für die Erfindung entscheidend wäre.
Um als Proportional-Magnet zu wirken, ist der Anker
bzw. das Ankergegenstück beim Stande der Technik so
ausgebildet, daß an der Stelle 32 des Hubes ein wesent
licher Teil der magnetischen Feldlinien rechtwinklig zur
Hubbewegung verläuft, so daß dieser Feldlinienteil keine
Hubkraft erzeugt. Bei Beaufschlagung der Spule mit
Nennstrom ergibt sich dann eine Hubkraft entsprechend
der Kennlinie 33. Wird die Magnetspule nur teilweise
beaufschlagt, werden die Kennlinien 34 bis 37 erhalten.
Alle Kennlinien 33 bis 37 bilden mit der Kennlinie 30
deutliche Schnittpunkte 38, die notwendig sind, um zu
erreichen, daß über die Beaufschlagung der Spule ein
deutige Ventilstellungen od. dgl. erhalten werden können.
Es ist klar, daß als Hubarbeit bei dem Diagramm nach
der Fig. 1 nur die Fläche nutzbar ist,
die sich unter der Kennlinie 30 befindet. Die nicht ausgenützte
Hubarbeit ist bestimmt durch die Fläche zwischen den Kenn
linien 30 und 33.
Die Kennlinien, die beim Stand der Technik erhalten werden,
sind mit durchgehenden Linien dargestellt. Diejenigen Kenn
linien die bei der Erfindung erhalten werden, sind zur Verdeut
lichung demgegenüber gestrichelt gezeichnet. Bei einer Vor
richtung gemäß der Erfindung kann ein Elektromagnet benützt
werden, der bei maximaler Beaufschlagung eine Kennlinie
entsprechend der Kennlinie 39 aufweist. Diese Kennlinie 39 ist
weitgehend der Kennlinie 30 angenähert. Da bei der Erfindung
derjenige Teil der Kennlinie, der waagrecht verlaufen oder
leicht fallend sein sollte, über den Wegaufnehmer gesteuert
wird, lassen sich Kennlinien 40 bis 44 erreichen, die jeweils
an die Kennlinie 39 anschließen. Diese Kennlinien besitzen die
gleichen Schnittpunkte 38 mit der Kennlinie 30. Es ist klar,
daß es hierdurch möglich ist, die nicht ausgenutzte Hubarbeit
sehr gering zu halten, wie durch die schmale Fläche zwischen
den Linien 30 und 39 deutlich wird.
Das Diagramm gemäß Fig. 1 macht auch deutlich, daß bei der
Erfindung mit einem beträchtlich kleineren Elektromagneten
ausgekommen werden kann, bzw. daß bei gleicher Baugröße
deutlich höhere Kräfte erreichbar sind.
In der Fig. 2 ist mit 28 der Elektromagnet bezeichnet, der
dazu bestimmt ist, das Ventil 25 anzutreiben. Das Ventil besitzt
eine Feder 45 mit der Federkennlinie 30 gemäß Fig. 1. Das
Ventil ist als Schieberventil ausgebildet, die Einzelheiten
dieses Ventiles sind für die Erfindung ohne Bedeutung.
Der Gleichstrom-Magnet 28 besitzt eine Erregerwicklung 29,
einen Anker 47 und ein Ankergegenstück 27. Der Anker, der mit
geringer Reibung beweglich ist, ist mit der Ankerstange 24
verbunden,
deren eines Ende 23 das Ventil 25 betätigt, während das
andere Ankerstangenende 26 den Wegaufnehmer 21
antreibt. Der Wegaufnehmer steuert die Anordnung 22, der
der Weg-Sollwert "W" von außen eingegeben wird. Der der
Erregerwicklung 29 zugeleitete Strom ist mit "I" bezeich
net.
Wie sich aus der Darstellung der Fig. 2 entnehmen läßt,
besitzt der Anker 47 eine konische Ausnehmung 46, der
das Ankergegenstück angepaßt ist. Die Ankerstange 24 ist
z.B. durch Wälzkörper gelagert, um die Leichtgängigkeit
sicherzustellen. Gleitlager oder Membranfedern erfüllen
ebenfalls diese Aufgabe.
Die übrigen Teile des magnetischen Kreises sind nicht
näher erwähnt. Sie besitzen eine übliche Ausgestaltung.
Das Signal, das der Wegaufnehmer 21 der Anordnung 22
zuleitet, kann eine vom Weg abhängige Spannung sein,
ohne daß dies für das Wesen der Erfindung entscheidend
wäre.
Das Blockschaltbild gemäß Fig. 3 verdeutlicht die Funk
tion der Anordnung 22.
Von außen wird der Weg-Sollwert "W" eingegeben.
Als Ist-Größen werden der Schaltung Spannungen "Ui"
und "Us" zugeführt, die dem Erregerstrom (I) und der
Ankerposition (s) proportional sind.
Das Wegsignal "Us" gelangt über einen Verstärker 1 mit
Offset-Einstellmöglichkeit auf einen Eingang des Analog-
Dividierers 3, das Stromsignal "Ui" über einen Verstär
ker 2 auf den anderen Eingang des Dividierers.
Der Dividierer bildet das Quotientensignal "s/i", das über
einen Tiefpaß 4 einem Verstärker 5 zugeführt wird, des
sen Verstärkung durch ein spezielles Netzwerk mit nicht-li
nearer Kennlinie bestimmt wird, die auf die Magnetkraft-
Hub-Kennlinie des Elektro-Magneten abgestimmt ist. Der
Verstärker 5, der im beschriebenen Ausführungsbeispiel
im wesentlichen von einer Zener-Diode gebildet ist, hat
die Aufgabe, den bei Elektro-Magneten im Regelfall nicht
linearen Zusammenhang zwischen Ankerweg und Erreger
strom nachzubilden. Seine Ausgangsspannung gelangt über
ein PD-Glied 6 zum Kraftregler. Der D-Anteil dient zur
Verbesserung der dynamischen Eigenschaften. Der Kraft
regler besteht aus einem PI-Regler 8 mit invertierendem
Verstärker 7 am Eingang und nicht invertierendem Ver
stärker 9 am Ausgang. Sein Signal stellt den Sollwert für
den Erregerstrom-Regler dar, der aus dem Strom-Regler 10
mit Leistungsendstufe 12 mit Treiberstufe 11 besteht.
Zur Übererregung des Magneten bei Sollwert-Änderung
dient ein Schaltungsteil, der aus einem D-Regler 13 mit
vorgeschaltetem Impedanzwandler 14 und nachgeschaltetem
Endstufenteil 15 besteht. Er erhöht bei Sollwert-Änderun
gen vorübergehend die Versorgungsspannung der Leistungs
endstufe des Strom-Reglers.
Die vorstehend beschriebene Schaltung arbeitet bezüglich
der Magnetkraft als offene Steuerkette. Das von dem Ver
stärker 18 kommende Eingangssignal des Verstärkers 7 ent
spricht dem Kraft-Sollwert. Bei Belastung des Magneten
mit einer Feder stellt sich ein der Kraft proportionaler
Weg ein. Diese offene Steuerkette für den Weg s kann
jedoch zu einem Lage-Regelkreis erweitert werden. Hierzu
wird ein PID-Regler 16 benützt,
der die von einem Summierer 17 gebildete Regelabweichung
aus Weg-Soll- und Weg-Istwert mit geeignet gestaltetem
Übertragungsverhalten über einen invertierenden Sum
miererverstärker 18 an den Kraftregler aus den Elemen
ten 7, 8 und 9 gibt. Zur Verbesserung des dynamischen
Verhaltens kann der Weg-Sollwert über den Verstärker 31
und den Summiererverstärker 18 direkt auf den Kraft-Soll
wert aufaddiert werden. Die Zuführung des Weg-Istwertes
zum PID-Regler 16 wird über einen Tiefpaß 19 mit Offset-
Einstellmöglichkeit zur Filterung der überlagerten Träger
frequenz-Restspannung vom Wegaufnehmer-Oszillator und
über einen Verstärker 20 vorgenommen.
Mittels der Erfindung lassen sich nicht nur waagrechte
bzw. annähernd waagrechte Kraft-Hub-Kennlinien er
reichen, wie diese der Proportionalmagnet besitzen sollte.
Diese sind nur als Beispiel zu verstehen. Die Erfindung
kann auch benutzt werden, um Kennlinien mit anderem
Verlauf zu erhalten, mit dem Ziel einer optimalen Anpas
sung des Magneten an das anzutreibende Gerät, ohne
deshalb den Anker oder das Ankergegenstück in seiner
Gestalt verändern zu müssen.
Die Erfindung kann auch bei anderen Magnetanordnungen
Anwendung finden z. B. auch bei solchen, bei denen der
magnetische Kreis durch Permanentmagnete beeinflußt
wird, also z. B. bei Torque-Motoren und Linear-Motoren.
Claims (9)
1. Vorrichtung für einen Gleichstrom-Magneten mit Erreger
wicklung, Anker und Ankergegenstück, dessen Kraft-
Hub-Kennlinie im Arbeitsbereich mittels einer elektroni
schen Ansteuerschaltung z. B. annähernd waagrecht
gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom
Anker (47) angetriebener Wegaufnehmer (21) vorgesehen
ist, dessen Signal eine Elektronik-Bauteile umfassende
Anordnung (22) steuert, von der die Stromversorgung
der Erregerwicklung (29) zur Erreichung der Kennlinie
abhängt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anker (47) mit dem einen Ende (23) seiner
Ankerstange (24) auf die anzutreibende Einrichtung,
z.B. auf ein Ventil (25) einwirkt, und mit seinem
anderen Ankerstangenende (26) den Wegaufnehmer (21)
antreibt.
3. Vorrichtung nach einem oder beiden der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anker (47) als Konus- oder Stumpfanker ausgebildet
ist, dem das Ankergegenstück (27) angepaßt ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anordnung (22) die Erregerwicklung (29) derart
ansteuert, daß sich die Magnetkraft mindestens
annähernd proportional zu einem vorgegebenen Sollwert
verhält, wobei der Istwert der Kraft in einer elek
tronischen Schaltung, die Teil der Anordnung (22) ist,
ermittelt wird.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in
einem Teil der Anordnung (22) das Kraft-Hub- Kenn
linienfeld des Elektromagneten (28) nachgebildet wird.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Nachbildung des Kraft-Hub-Kennlinienfeldes die
Anordnung (22) ein Netzwerk mit linearen und nicht
linearen Bauteilen aufweist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Netzwerk eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode
mit parallel geschaltetem Widerstand aufweist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbil
dung der Anordnung, daß bei Sollwert-Änderung
vorübergehend die Versorgungsspannung der Erreger
wicklung (29) übermäßig verändert wird.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Kraft-Regelkreis ein Lage-Regelkreis überlagert ist.
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