DE4002286A1 - Magnetantrieb, insbesondere fuer eine magnetdosierpumpe - Google Patents
Magnetantrieb, insbesondere fuer eine magnetdosierpumpeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Magnetantrieb für ein hin-
und herbewegbares Element, insbesondere für eine Magnet
dosierpumpe, mit einem Elektromagneten, der einen gegen
eine Kraft arbeitenden Anker aufweist, einer Gleichspan
nungsquelle und einer Schalteinrichtung zum Verbinden
und Trennen von Elektromagnet und Gleichspannungsquelle.
Bei derartigen Anordnungen wird der Anker in der Regel
wiederholt oder periodisch angezogen, wenn die Schaltein
richtung die Gleichspannungsquelle mit dem Elektromagne
ten verbindet. Nach dem Trennen der Gleichspannungsquelle
vom Elektromagneten sollte der Anker unter der Einwirkung
der Kraft möglichst schnell wieder in seine Ruhelage
zurückkehren. Ein Elektromagnet ist ein induktives Bau
element. Induktive Bauelemente sind Energiespeicher,
in denen die Energie in Form eines elektromagnetischen
Feldes gespeichert wird. Bei realen induktiven Bauelemen
ten treten ohmsche Verluste auf, die eine Verminderung
des fließenden Stromes und damit der Feldstärke bewirken.
Bei bestimmten Kombinationen von ohmschem Widerstand
und Induktivität des induktiven Bauelements kann der
Strom aber nur relativ langsam abklingen. Bei einem
Elektromagneten ist die Haltekraft abhängig von der
augenblicklichen Stromstärke. Wenn der Stromfluß nach
dem Abschalten des Elektromagneten von der Gleichspan
nungsquelle aber nur relativ langsam abklingt, bleibt
der Anker für eine relativ lange Zeit angezogen. Dies
hat zur Folge, daß die Frequenz, mit der das hin- und
herbewegbare Element, also beispielsweise die Membrane
einer Magnetdosierpumpe, hin- und herbewegt werden kann,
nach oben hin begrenzt ist. Die im Elektromagneten ge
speicherte Energie muß also abgeleitet werden. Ohne
eine kontrollierte Ableitung der Energie könnten im
Elektromagneten Effekte entstehen, beispielsweise Wirbel
ströme, Abstrahlungen, Spannungsüberschläge, die bis
zur Selbstzerstörung führen können. Um dies zu verhin
dern, wird die im Elektromagneten gespeicherte elek
trische Energie durch eine sogenannte Schnellabschal
tung abgeleitet, bis die im Elektromagneten gespeicherte
Restenergie gering genug ist und der Anker abfallen
kann. Insbesondere bei Magnetdosierpumpen ist es er
wünscht, daß der Anker schnell abfallen kann, um mit
einer hin- und herbewegten Membrane einen ausreichend
hohen Druck aufbauen zu können.
Bei einer bekannten Schnellabschaltung wird die im Elek
tromagneten gespeicherte Energie in Wärme umgewandelt.
Hierzu werden im wesentlichen ohmsche Verluste von elek
trischen Bauelementen ausgenutzt. Bei vielen Anwendungen
ist aber das hin- und herbewegbare Element, beispiels
weise die Membrane einer Magnetdosierpumpe, in einem
geschlossenen Gehäuse untergebracht, das nur einen
schlechten Wärmeaustausch nach außen erlaubt. Werden
in einem kurzen Zeitraum viele Elektromagneten-Spiele
durchgeführt, kann es sein, daß die zugeführte Wärme
zu einem Temperaturanstieg führt, der die Lebensdauer
von elektrischen und elektronischen Komponenten herab
setzt und damit die Schadenshäufigkeit vergrößert.
Der Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, einen
Magnetantrieb mit erhöhter Zuverlässigkeit anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Magnetantrieb der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß ein Energiespeicher
vorgesehen ist, der nach dem Trennen des Elektromagneten
von der Gleichspannungsquelle elektrische Energie aus
dem Elektromagneten aufnimmt.
Die im Elektromagneten gespeicherte Energie wird also
nach dem Abschalten nicht mehr verheizt, sondern in
einen Energiespeicher umgeladen. Es entsteht keine zu
sätzliche Wärmebelastung in der Anordnung, so daß die
Bauelemente, deren Lebensdauer unter anderem auch von
der Temperatur in ihrer Umgebung abhängig ist, eine
erhöhte Lebensdauer aufweisen. Die Ausfallwahrscheinlich
keit eines einzelnen Bauelements wird dadurch verringert
und die Zuverlässigkeit erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespei
cher als Kondensator ausgebildet. Dieser Energiespeicher
kann die elektrische Energie, die im Elektromagneten
als Strom, d. h. vergleichbar mit einer kinetischen Ener
gie, gespeichert ist, in Form einer Spannung, d. h. ent
sprechend einer potentiellen Energie, speichern. Konden
satoren lassen sich, auch in Verbindung mit integrierten
Schaltungen, leicht realisieren. Sie beanspruchen wenig
Raum und sind leicht herzustellen.
Mit Vorteil sind Schaltmittel vorgesehen, die die im
Energiespeicher gespeicherte Energie gesteuert wieder
dem Elektromagneten zuführen. Diese Maßnahme hat zwei
Vorteile. Zum einen erleichert sie die Entsorgung der
gespeicherten Energie. Zum anderen wird die Magnet
leistung um die zwischengespeicherte Energie gesteigert.
Der Energieverbrauch des gesamten Antriebs nimmt bei
sonst gleichbleibenden Leistungen ab.
Dabei ist bevorzugt, daß die Schaltmittel durch die
Schalteinrichtung gebildet sind. Es ist also in dieser
Ausführungsform lediglich eine einzige Schalteinrichtung
notwendig, die sowohl die Verbindung zwischen der Gleich
spannungsquelle und dem Elektromagneten sicherstellt,
als auch die elektrische Energie aus dem Energiespeicher
wieder dem Elektromagneten zuführt, wenn dieser für
seine Bewegung Energie benötigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energie
speicher über erste Dioden mit dem Elektromagneten ver
bunden, die bezüglich des Stroms aus der Gleichspannungs
quelle in Sperrichtung geschaltet sind. Dies vereinfacht
den Aufbau der Schalteinrichtung, da keine Vorsorge
dafür getroffen werden muß, den Energiespeicher beim
Verbinden des Elektromagneten mit der Gleichspannungs
quelle von der Gleichspannungsquelle abzukoppeln. Auf
grund der Dioden kann kein Strom direkt von der Gleich
spannungsquelle in den Energiespeicher fließen.
Mit Vorteil ist der Energiespeicher über zweite Dioden,
die in Bezug auf den Strom aus der Gleichspannungsquelle
in Sperrichtung geschaltet sind, mit den nicht mit dem
Elektromagneten verbundenen Anschlüssen der Schaltmittel
verbunden. Auch diese Ausführungsform vereinfacht den
Aufbau der Schaltmittel bzw. der Schalteinrichtung.
Der Energiespeicher kann seine gespeicherte Energie
nur dann an den Elektromagneten abgeben, wenn die Poten
tialverhältnisse so sind, daß auf einer Seite des Ener
giespeichers ein höheres Potential herrscht als auf
der zugeordneten Seite des Elektromagneten. Gleiches
gilt, mit umgekehrten Vorzeichen, auch für die andere
Seite des Energiespeichers bzw. die andere Seite des
Elektromagneten. Dieser Zustand wird genau dann erzeugt,
wenn die Schalteinrichtung die Gleichspannungsquelle
mit dem Elektromagneten verbindet. Gerade in diesem
Augenblick ist es aber wünschenswert, daß die im Energie
speicher gespeicherte elektrische Energie dem Elektro
magneten zugeführt wird, um dessen Leistung zu erhöhen.
Mit Vorteil weist der Energiespeicher einen Überspan
nungsschutz auf. Dieser verhindert, daß eine zu hohe
Spannung nicht nur am Energiespeicher, sondern auch
an den übrigen Bauteilen entsteht. Eine zu große Spannung
kann beim Energiespeicher beispielsweise dann auftreten,
wenn der Energiespeicher als Kondensator ausgebildet
ist und aufgrund einer Alterung einen Kapazitätsverlust
erleidet.
Dabei wird der Überspannungsschutz bevorzugt durch eine
parallel zum Energiespeicher geschaltete Zenerdiode
gebildet. Zenerdioden sind einfach in die Schaltung
einzubauen und bedürfen als passives Bauelement keiner
zusätzlichen Ansteuerung.
Besonders bevorzugt ist, daß die durch die Induktivität
des Elektromagneten und die Kapazität des Kondensators
gebildete Zeitkonstante im wesentlichen proportional
zur gewünschten Rücklaufzeit des Ankers gewählt ist.
Die Kapazität des Kondensators und die Induktivität
des Elektromagneten bilden einen Parallelschwingkreis,
der eine Schwingung mit einer Frequenz durchführt, die
der Wurzel aus dem Produkt aus Induktivität und Kapazität
proportional ist. Aufgrund der ersten Dioden kann natür
lich, wenn die Schalteinrichtung geöffnet ist, keine
vollständige Schwingung erfolgen. Die Länge der Halb
welle, die entsteht, entspricht jedoch der Rücklaufzeit
des Ankers. Durch die Wahl der Kapazität des Kondensators
läßt sich also die Rücklaufzeit des Ankers in gewissen
Grenzen beeinflussen. Je kleiner die Kapazität gewählt
wird, desto kürzer wird die Rücklaufzeit.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung
beschrieben. Darin zeigt die einzige Figur eine Schal
tungsanordnung eines Magnetantriebs.
Eine Gleichspannungsquelle 1 ist über eine Schalteinrich
tung 2 mit einem Elektromagneten 3 verbunden. Die Gleich
spannungsquelle kann dabei beispielsweise eine Dioden-
Brückenschaltung 4 aufweisen, die eine aus einem Netzan
schluß 5 entnommene Wechselspannung gleichrichtet. Die
Gleichspannungsquelle 1 kann aber auch eine herkömmliche
Batterie aufweisen, die eine Gleichspannung an ihren
Ausgangsklemmen zur Verfügung stellt. Die Schalteinrich
tung 2 weist eine Ansteuereinrichtung 6 auf, die zwei
Schalter S1, S2 öffnet und schließt. Beim Schließen
der Schalter S1, S2 wird die Gleichspannung der Gleich
spannungsquelle 1 an den Elektromagneten 3 angelegt.
Daraufhin wird der Anker 7 des Elektromagneten angezogen.
Der Anker 7 arbeitet in der Regel gegen eine Kraft.
Dies kann beispielsweise die Schwerkraft sein oder die
Federkraft, die von einer Membran einer Magnetdosierpumpe
auf den Anker 7 ausgeübt wird. Nachdem der Anker 7 des
Elektromagneten 3 angezogen hat, öffnet die Ansteuerein
richtung 6 die Schalter S1, S2, woraufhin der Anker
7 unter dem Einfluß der Kraft wieder in seine Ausgangs
stellung zurückkehren soll.
Der Elektromagnet 3 ist ein induktives Bauelement, das
versucht nach dem Abschalten der Gleichspannungsquelle,
den augenblicklich fließenden Strom I aufrechtzuerhalten.
Solange aber der Strom I ein vorbestimmtes Maß über
schreitet, kann der Anker 7 nicht in seine Ausgangsstel
lung zurückkehren, da er durch die durch den Strom I
hervorgerufene Kraft in seiner angezogenen Stellung
gehalten wird. Um den Strom schnell abklingen zu lassen,
ist daher ein Energiespeicher 8 vorgesehen, der als
Kondensator C ausgebildet ist. Mit dem Öffnen der Schal
ter S1, S2 durch die Ansteuereinrichtung 6 bleibt dem
Strom nur noch der Weg über die Dioden D4, D1 in den
Energiespeicher 8, wo die elektrische Energie in Form
einer Ladung im Kondensator C gespeichert wird. Der
Kondensator C wird auf eine Spannung U aufgeladen. Da
durch kann der Strom I durch den Elektromagneten 3 rela
tiv schnell abklingen. Der Anker 7 des Elektromagneten
3 kann damit auch relativ schnell in seine Aus
gangsstellung zurückkehren. Die Rücklaufzeit, d. h. die
Zeit, die der Anker 7 von seiner angezogenen Stellung
in seine Ruhestellung benötigt, wird im wesentlichen
durch die Wurzel aus dem Produkt der Induktivität des
Elektromagneten 3 und der Kapazität des Kondensators C
bestimmt. Durch die Wahl der Größe der Kapazität des
Kondensators C läßt sich also die Rücklaufzeit in ge
wissen Grenzen beeinflussen.
Ein Entladen des Kondensators ist, solange die Schalter
S1, S2 geöffnet bleiben, nicht möglich, da ein Stromfluß
in die umgekehrte Richtung durch die ersten Dioden D1,
D4 verhindert wird. Der Kondensator C ist zwar mit
weiteren Dioden D2, D3 verbunden, die mit ihren anderen
Polen mit der Gleichspannungsquelle 1 verbunden sind
und genau wie die ersten Dioden D1, D4 in Bezug auf
die Stromrichtung aus der Gleichspannungsquelle 1 in
Sperrichtung geschaltet sind. Ein Stromfluß aus dem
Kondensator in die Gleichspannungsquelle 1 ist jedoch
nicht möglich, da die Spannung U am Kondensator C stets
kleiner ist als die Ausgangsspannung der Gleichspannungs
quelle 1.
Der Energiespeicher 8, d. h. der Kondensator C ist aber
über die zweiten Dioden D2, D3 mit den Anschlüssen der
Schalter S1, S2 verbunden, die auch mit der Gleichspan
nungsquelle 1 verbunden sind. Mit dem Schließen der
Schalter S1, S2 entsteht also neben der Masche des Net
zes, die den Elektromagneten 3 und die Gleichspannungs
quelle 1 enthält, eine zusätzliche Masche, die parallel
zur Gleichspannungsquelle 1 den Energiespeicher 8 ent
hält, der über die zweiten Dioden D2, D3 und die Schalter
S1, S2 ebenfalls mit dem Elektromagneten 3 verbunden
ist. Die im Energiespeicher 8 in Form einer Spannung
gespeicherten Energie kann nun also ebenfalls in den
Elektromagneten 3 hineinfließen und dessen Leistung
erhöhen, ohne daß von außen eine entsprechend erhöhte
Leistung zugeführt werden muß. Eine Energiezufuhr aus
der Gleichspannungsquelle 1 in den Energiespeicher 8
ist aufgrund der Dioden D1-D4 nicht möglich.
Parallel zum Kondensator C im Energiespeicher 8 ist
eine Zenerdiode ZD geschaltet, die eine Überspannung
am Energiespeicher 8 verhindert. Sollte die Spannung
am Kondensator C zu groß werden, erlaubt die Zenerdiode
ZD einen Stromfluß durch die Dioden D1, D4, der nicht
zu einer Spannungserhöhung am Kondensator C führt.
Claims (9)
1. Magnetantrieb für ein hin- und herbewegbares Element,
insbesondere für eine Magnetdosierpumpe, mit einem
Elektromagneten, der einen gegen eine Kraft arbeiten
den Anker aufweist, einer Gleichspannungsquelle und
einer Schalteinrichtung zum Verbinden und Trennen
von Elektromagneten und Gleichspannungsquelle, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Energiespeicher (8) vorgesehen
ist, der nach dem Trennen des Elektromagneten (3)
von der Gleichspannungsquelle (1) elektrische Energie
aus dem Elektromagneten aufnimmt.
2. Magnetantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Energiespeicher (8) als Kondensator (C) ausge
bildet ist.
3. Magnetantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß Schaltmittel (S1, S2) vorgesehen sind,
die die im Energiespeicher (8) gespeicherte Energie
gesteuert wieder dem Elektromagneten (3) zuführen.
4. Magnetantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltmittel (S1, S2) durch die Schalteinrich
tung (2) gebildet sind.
5. Magnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (8)
über erste Dioden (D1, D4) mit dem Elektromagneten
(3) verbunden ist, die bezüglich des Stroms aus der
Gleichspannungsquelle (1) in Sperrichtung geschaltet
sind.
6. Magnetantrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (8)
über zweite Dioden (D2, D3), die in Bezug auf den
Strom aus der Gleichspannungsquelle in Sperrichtung
geschaltet sind, mit den nicht mit dem Elektromagneten
verbundenen Anschlüssen der Schaltmittel (S1, S2)
verbunden sind.
7. Magnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (8)
einen Überspannungsschutz (ZD) aufweist.
8. Magnetantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Überspannungsschutz durch eine parallel zum
Energiespeicher geschaltete Zenerdiode (ZD) gebildet
ist.
9. Magnetantrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die durch die in Induktivi
tät des Elektromagneten (3) und die Kapazität des
Kondensators (C) gebildete Zeitkonstante im wesent
lichen proportional zur gewünschten Rücklaufzeit
des Ankers (7) gewählt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19904002286 DE4002286C2 (de) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | Magnetantrieb, insbesondere für eine Magnetdosierpumpe |
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DE19904002286 DE4002286C2 (de) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | Magnetantrieb, insbesondere für eine Magnetdosierpumpe |
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DE4002286A1 true DE4002286A1 (de) | 1991-08-01 |
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Family
ID=6398834
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DE19904002286 Expired - Lifetime DE4002286C2 (de) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | Magnetantrieb, insbesondere für eine Magnetdosierpumpe |
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