DE4002286C2 - Magnetantrieb, insbesondere für eine Magnetdosierpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetantrieb für ein hin- und herbewegbares Element, insbesondere für eine Magnetdosierpumpe, mit einem Elektromagneten, der einen gegen eine Kraft arbeitenden Anker aufweist, einer Gleichspannungsquelle und einer Schalteinrichtung zum Verbinden und Trennen von Elektromagnet und Gleichspannungsquelle, einem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher, einem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher, der nach dem Trennen des Elektromagneten von der Gleichspannungsquelle elektrische Energie aus dem Elektromagneten aufnimmt, wobei der Energiespeicher über erste Dioden mit dem Elektromagneten verbunden ist, die bezüglich des Stroms aus der Gleichspannungsquelle in Sperrichtung geschaltet sind, und Schaltmittel vorgesehen sind, die die im Energiespeicher gespeicherte Energie gesteuert wieder dem Elektromagneten zuführen.

Eine Stromversorgungsschaltung für eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung mit diesen Merkmalen ist aus DE 33 23 400 A1 bekannt. Bei dieser Schaltung kommt es primär darauf an, ein möglichst schnelles Ansprechen des Elektromagneten zu erzielen. Zu diesem Zweck ist ein zweiter Kondensator vorgesehen, der mit Hilfe einer Chopperanordnung und dem ersten Kondensator auf einen höheren Wert als die normale von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung aufgeladen werden kann. Durch die höhere Spannung ist ein schnellerer Stromanstieg durch den Elektromagneten möglich. Nach dem Anziehen des Ankers ist nur noch ein Haltestrom erforderlich, der über eine zweite Schalteinrichtung und einen zweiten Schalter und eine zweite Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird. Sobald der anfängliche Anzieh-Strom nicht mehr erforderlich ist, wird die erste Schalteinrichtung geöffnet. Die erste Diode ist mit in Bezug auf den Elektromagneten mit der zweiten Schalteinrichtung in Reihe geschaltet. Nach dem Öffnen des zweiten Schalters fließt der Strom durch den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator, wobei der erste Kondensator ge- und der zweite Kondensator entladen wird. Die gesamte Anordnung ist sehr aufwendig aufgebaut.

Bei derartigen Anordnungen wird der Anker in der Regel wiederholt oder periodisch angezogen, wenn die Schalteinrichtung die Gleichspannungsquelle mit dem Elektromagneten 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 Bauelement. Induktive Bauelemente sind Energiespeicher, in denen die Energie in Form eines elektromagnetischen Feldes gespeichert wird. Bei realen induktiven Bauelementen 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 Gleichspannungsquelle 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 gespeicherte Energie muß also abgeleitet werden. Ohne eine kontrollierte Ableitung der Energie könnten im Elektromagneten Effekte entstehen, beispielsweise Wirbelströme, Abstrahlungen, Spannungsüberschläge, die bis zur Selbstzerstörung führen können. Um dies zu verhindern, wird die im Elektromagneten gespeicherte elektrische Energie durch eine sogenannte Schnellabschaltung abgeleitet, bis die im Elektromagneten gespeicherte Restenergie gering genug ist und der Anker abfallen kann. Insbesondere bei Magnetdosierpumpen ist es erwünscht, 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 Elektromagneten gespeicherte Energie in Wärme umgewandelt. Hierzu werden im wesentlichen ohmsche Verluste von elektrischen Bauelementen ausgenutzt. Bei vielen Anwendungen ist aber das hin- und herbewegbare Element, beispielsweise 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 herabsetzt und damit die Schadenshäufigkeit vergrößert.

DE 24 51 477 A1 offenbart eine Schutzbeschaltung von Schalttransistoren, bei der ebenfalls ein als Kondensator ausgebildete Energie nach dem Abschalten einer Induktivität mit Hilfe von Schaltmitteln wieder der Induktivität zurückführbar ist.

DE 37 02 680 A1 offenbart ein Verfahren und Schaltung zur Ansteuerung von elektromagnetischen Verbrauchern, aus denen die Zwischenspeicherung von magnetischer Energie einer Magnetspule mit Hilfe von als Kondensatoren ausgebildeten Energiespeichern, Dioden und Schaltnetzwerken bekannt ist.

Der Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, einen Magnetantrieb anzugeben, der mit geringem Schaltungsaufwand bei kurzen Reaktionszeiten ein energiesparendes Arbeiten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetantrieb der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Energiespeicher über zweite Dioden, die in bezug auf den Strom aus der Gleichspannungsquelle in Sperrichtung geschaltet sind, mit den nicht mit dem Elektromagneten verbundenes Anschlüssen der Schaltmittel verbunden ist.

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. Der als Kondensator ausgebildete Energiespeicher kann die elektrische elektrische Energie, die im Elektromagneten als Strom, d. h. vergleichbar mit einer kinetischen Energie, gespeichert ist, in Form einer Spannung, d. h. entsprechend einer potentiellen Energie, speichern. Kondensatoren lassen sich, auch in Verbindung mit integrierten Schaltungen, leicht realisieren. Sie beanspruchen wenig Raum und sind leicht herzustellen. Die Schaltmittel erleichtern zum einen die Entsorgung der gespeicherten Energie. Zum anderen wird die Magnetleistung um die zwischengespeicherte Energie gesteigert. Der Energieverbrauch des gesamten Antriebs nimmt bei sonst gleichbleibenden Leistungen ab. Wenn die Schaltmittel durch die Schalteinrichtung gebildet sind, ist lediglich eine einzige Schalteinrichtung notwendig, die sowohl die Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Elektromagneten sicherstellt, als auch die elektrische Energie aus dem Energiespeicher wieder dem Elektromagneten zuführt, wenn dieser für seine Bewegung Energie benötigt. Durch die Anordnung der ersten Dioden vereinfacht sich der 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. Auch die Anordnung der zweiten Dioden vereinfacht den Aufbau der Schaltmittel bzw. der Schalteinrichtung. Der Energiespeicher kann seine gespeicherte Energie nur dann an den Elektromagneten abgeben, wenn die Potentialverhältnisse so sind, daß auf einer Seite des Energiespeichers 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 Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie dem Elektromagneten 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 (4)

1. Magnetantrieb für ein hin- und herbewegbares Element, insbesondere für eine Magnetdosierpumpe, mit einem Elektromagneten, der einen gegen eine Kraft arbeitenden Anker aufweist, einer Gleichspannungsquelle und einer Schalteinrichtung zum Verbinden und Trennen von Elektromagneten und Gleichspannungsquelle, einem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher, der nach dem Trennen des Elektromagneten von der Gleichspannungsquelle elektrische Energie aus dem Elektromagneten aufnimmt, wobei der Energiespeicher über erste Dioden mit dem Elektromagneten verbunden ist, die bezüglich des Stroms aus der Gleichspannungsquelle in Sperrichtung geschaltet sind, und Schaltmittel vorgesehen sind, die die im Energiespeicher gespeicherte Energie gesteuert wieder dem Elektromagneten zuführen, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (8) über zweite Dioden (D2, D3), die in bezug auf auf den Strom aus der Gleichspannungsquelle in Sperrichtung geschaltet sind, mit den nicht mit dem Elektromagneten verbundenen Anschlüssen der Schaltmittel (S1, S2) verbunden ist.

2. Magnetantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (8), einen Überspannungsschutz (ZD) aufweist.

3. Magnetantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überspannungsschutz durch eine parallel zum Energiespeicher geschaltete Zenerdiode (ZD) gebildet ist.

4. Magnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die durch Induktivität des Elektromagneten (3) und Kapazität des Kondensators (C) gebildete Zeitkonstante im wesent­ lichen proportional zur gewünschten Rücklaufzeit des Ankers (7) gewählt ist.