DE3905640A1 - Magnetische kupplung zur beruehrungslosen uebertragung von kraeften aus abgeschlossenen raeumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetkupplung, mit deren Hilfe ein Permanentmagnet oder ein ferromagnetisches Teil kraftschlüssig, aber berührungslos frei schwebend, gegebenenfalls durch eine Trennwand hindurch an einen Gegenpol angekoppelt werden kann, ohne daß zur Steuerung des für die Erzeugung des stabilen, frei­ schwebenden Zustands erforderlichen Schweberegelkreises ein Lage­ sensor für das schwebende Teil erforderlich ist. Insbesondere für die Zwecke der Thermoanalyse, der Hochdruck- und Thermogravime­ trie kann der Gegenpol mit einer empfindlichen Analysenwaage verbunden sein, so daß eine Kraft, speziell die Gewichtskraft, die am schwebenden Teil oder an einer damit verbundenen Reak­ tionsprobe angreift, aus einem geschlossenen Gefäß herausgeleitet und außerhalb gemessen werden kann. Ferner gestattet die Anord­ nung auch die direkte Registrierung von Kraft- oder Masseän­ derungen ohne Einschaltung einer Analysenwaage in den Kraftfluß.

Stand der Technik ist, daß die Position des schwebenden Körpers mit geeigneten, berührungslos wirkenden Verfahren (z.B. optisch, induktiv, magnetogalvanisch oder über die Rückwirkung hochfrequenter Wirbelströme) erfaßt wird und die Abweichung dieses Lagesignals von einem vorgegebenen Sollwert über einen Regler in Form eines elektrischen Stromes auf einen Elektromagne­ ten gegeben wird. Durch die Kraftwirkung des Elektromagneten auf den Schwebekörper wird der Regelkreis geschlossen, so daß der Sollabstand zwischen Schwebekörper und Elektromagnet erhalten bleibt. Der Schwebekörper kann entweder durch Anziehungskraft unterhalb des Elektromagneten gehalten werden, dann ist vertikale Abstandsregelung erforderlich, oder durch Abstoßungskraft ober­ halb des Elektromagneten, dann ist horizontale Regelung in zwei orthogonalen Koordinaten erforderlich.

Die Notwendigkeit von Positionssensoren bedeutet Einschränkun­ gen in der Konstruktion und in der Festigkeit durch transparente Fenster bei optischen, dielektrische Fenster bei induktiven und kapazitiven Sensoren sowie durch elektrische, gegebenenfalls druckfeste Durchführungen und Zusatzeinrichtungen am Schwebe­ körper. Sensoren können außerdem durch Nullpunktdrift Fehler verursachen und verursachen Kosten. Die erfindungsgemäße Kupplung ist von diesen Nachteilen frei. Hier wird der Elektromagnet gleichzeitig als Sensor benutzt.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Grundanordnung. Der Schwebe­ körper (4), der eine angehängte Last m tragen kann, wird durch die Kraftwirkung des Elektromagneten (1) , z.B. einer Spule mit Eisenkern, in der Schwebe gehalten. Es wird keine Vorrichtung zur Erfassung der Schwebelage von Teil (4) benötigt, deshalb kann zwischen den Teilen (1) und (2) eine beliebig geformte Trennwand (3) angeordnet sein, deren maximale Dicke nahezu gleich dem Luftabstand zwischen Oberseite des Permanentmagneten (2) und Unterseite des Elektromagneten (1) sein kann, gerade so, daß das freie Schweben von Teil (4) noch nicht behindert wird, oder die Trennwand (3) kann den Schwebekörper (4) völlig umschließen. Das Material der Trennwand (3) darf nicht supraleitend und nicht magnetisch sein, ansonsten gelten keine weiteren Einschränkungen. Die Trennwand (3) kann also z.B. aus hochfestem, nichtmagneti­ schem Stahl bestehen. Ferner sind am Schwebekörper (4) außer, daß er den Permanentmagneten (2) oder statt dessen ein entsprechendes ferromagnetisches Teil besitzen muß, keine weiteren Vorrichtungen erforderlich.

Befindet sich nun bei zunächst stromloser Spule (1) der Perma­ nentmagnet (2) in einem solchen Polabstand z zum Eisenkern (1), daß die magnetische Anziehungskraft zwischen beiden Polen gerade ausreicht, um der Gewichtskraft des Schwebekörpers (4) auszuglei­ chen, so sind die momentane Beschleunigung und die momentane Geschwindigkeit v des Permanentmagneten (2) Null, aber das labile Kraftgleichgewicht kann ohne Regelkreis nicht aufrecht erhalten bleiben. Der Schwebekörper wird sich also entweder nach oben oder nach unten in Bewegung setzen, d.h., die Magnetgeschwindigkeit v = dz/dt wächst von Null ausgehend in positiver oder negativer Richtung an. Da dies aber mit einer Änderung des magnetischen Flusses in der Spule (1) verknüpft ist, wird in der Spule eine elektrische Spannung u ∼ dR/dt induziert, die ein Maß für die Magnetgeschwindigkeit ist und an den Spulenenden abgegriffen werden kann. Die geschwindigkeitsabhängige Spannung wird dem Übertragungsblock (5) (Regler) zugeführt. Dessen - formale - Übertragungsfunktion ist

Ein solcher Übertragungsblock kann formal als Tiefpaß mit negati­ ver Zeitkonstante -|T| angesehen werden. Er ist für sich allein betrieben nicht stabil, sondern seine Ausgangsspannung fa _(t) klingt, je nach Vorzeichen der angelegten Eingangsspannung, von Null ausgehend in positiver oder negativer Richtung nach einer e-Funktion auf:

Soll der negative Tiefpaß (5) mit analogen Bauelementen reali­ siert werden, so ist dies z.B. mit der Schaltung nach Fig. 2, aber auch mit anderen Schaltungen unter Verwendung von in der Fachliteratur bekannten Negativimpedanz-Konvertern möglich.

Die Ausgangsspannung des negativen Tiefpasses (5) wird auf einen Spannungs/Strom-Wandler (6) gegeben. Dieser treibt einen Strom i durch den Elektromagneten (1), wodurch der Regel­ kreis geschlossen wird.

Wenn sich der Schwebekörper aus der Gleichgewichtslage heraus bewegt, z.B. infolge einer Störkraft oder einer Laständerung, so tritt ein induziertes Geschwindigkeitssignal auf, das über den beschriebenen Regelkreis ein Aufklingen des Spulenstromes ent­ sprechend Gl. (2) zur Folge hat. Dies bedeutet wegen

i ∼ F = m · b mit m - Masse, b - Beschleunigung

auch ein Aufklingen der auf den Schwebekörper wirkenden Beschleu­ nigungskraft, und zwar in der Richtung, daß der Schwebekörper abgebremst wird. Wenn er die Geschwindigkeit Null erreicht hat, befindet er sich wieder in einem Gleichgewichtszustand, der nur durch die momentane, zusätzliche Kraftwirkung des Spulenstromes ermöglicht wird. Der Aufklingvorgang der Ausgangsspannung von Block (5) und damit auch des Spulenstromes setzt sich jedoch fort, so daß der Schwebekörper nun in entgegengesetzter Richtung beschleunigt wird. Dadurch wird der Schwebekörper in eine neue Lage des Kraftgleichgewichts gebracht, höher als vorher, wenn die Last größer geworden ist, und tiefer, wenn sie kleiner geworden ist. Der Spulenstrom fluktuiert bei diesem Gleichgewicht auf der Grenze zwischen Aufklingen in positiver und negativer Richtung, im Mittel ist er Null.

Um die von der Magnetgeschwindigkeit abhängige Signalspannung unverfälscht zu erhalten, muß von der an den Spulenenden von (1) auftretenden Gesamtspannung noch die durch den Strom i am induk­ tiven und ohmschen Widerstand der Spule erzeugte Teilspannung abgezogen werden. Dies läßt sich mit Hilfe einer Referenzspule und einer Kompensationsschaltung nach Fig. 3 erreichen. Fig. 3 zeigt schematisch eine komplette funktionsfähige Ausführung der Erfindung.

Zum Einleiten des freien Schwebens wird dem Eingang von Block (5) ein kurzer Spannungsimpuls zugeführt, der ein Aufklingen des Stromes in einer solchen Richtung erzeugt, daß der in Grenzlage befindliche Schwebekörper (4) in Richtung zur späteren Gleichge­ wichtslage hin beschleunigt wird.

Claims (7)

1. Magnetische Kupplung zur Übertragung von Gewichtskräften auf einem Schwebekörper aus Reaktionskammern heraus, bestehend aus einem Elektromagneten (1) und einem Permanentmagneten (2), deren einander zugewandte Pole sich durch eine Gefäßwand (3) hindurch anziehen und deren Anziehungskraft längs der Koordinate z zwecks Erzeugung eines stabilen Gleichgewichts durch die Spule des Elek­ tromagneten (1) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der übliche Positionssensor oder Abstandssensor entfällt und durch Auswertung der in der Spule induzierten Spannung ersetzt wird.

2. Magnetische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der schwebende Magnet durch einen ortsfesten Permanent­ magneten in der vertikalen Achse gestützt wird und durch zwei Elektromagnete (1) in den horizontalen Koordinaten x und y unter Verzicht auf Lagesensoren durch Auswertung der in den Steuer­ spulen induzierten Spannungen stabilisiert wird.

3. Magnetische Kupplung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwebekörper ferromagnetisch ist und der Elektromagnet durch einen zusätzlichen Permanentmagneten oder einen konstanten Gleichstrom, gegebenenfalls in getrennter Wick­ lung, vormagnetisiert wird.

4. Magnetische Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (5) einen Negativimpedanz- Konverter enthält.

5. Magnetische Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule des Elektromagneten (1) in Reihe mit einer elektronisch erzeugten, negativen Induktivität geschaltet ist.

6. Magnetische Kupplung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufgabe des Reglers (5) in digi­ taler Weise von einem Prozessor übernommen wird.

7. Magnetische Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch analoge oder digitale Inte­ gration der in der Spule des Elektromagneten (1) induzierten Spannung ein Meßwert für die Laständerung am Schwebekörper (4) gewonnen wird.