DE4327180A1 - Elektromagnet - Google Patents

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Inhaltsverzeichnis Einleitung I. Elektromagnet

• I.1 Stand der Technik
• I.2 Magn. Querspannung als Kraftquelle
• I.3 Konstruktive Umsetzung
• I.4 Berechnung eines einfachen Magneten
• I.5 Zahlenbeispiele
• I.6 Auslegung für verschiedene Anwendungen
  • 6.1 Flußleitstück
  • 6.2 Anker
  • 6.3 Joch
  • 6.4 Elektrische Ansteuerung
  • 6.5 Baukastensystem
  • 6.6 Selbsthemmung
• I.7 Ausführung als Drehmagnet
• I.8 Mit Dauermagnet
• I.9 Vergleich der Systeme
• I.10 Anwendungen

Einleitung

Elektromagnete finden heutzutage vielfältige Einsatzgebiete.

Da in dem heutigen Anlagenbau sehr viele Anlagen keine pneumatische oder hydraulische Versorgung haben, sind rein elektrische Lösungen weiterhin wichtig.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, den bisherigen Elektromagneten so weiterzuentwickeln, daß er ein besseres Kraft-Weg-Verhalten hat. Die heutigen Elektromagneten haben nur eine begrenzte Gestaltungsfreiheit, mit der sie an die verschiedenen Anforderungen angepaßt werden können.

Durch die freie Gestaltung des Kraft-Weg-Diagrammes ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad im Vergleich zu bisherigen Lösungen. Wir erreichen eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Bauteile.

I. Der Elektromagnet I.1 Stand der Technik

Die bisherigen Elektromagnete bestehen im wesentlichen aus einer Spule (S), einem Joch (J) und einem Anker (A), der sich im Inneren der Spule bewegen kann. (Zeichnung 1, ohne Plastikteile zur Führung des Ankers, elektr. Anschlüsse der Spule etc.). Der Aufbau von Anker und Spule ist rotationssymmetrisch. Die Form des Jochs ist verschieden.

Durch einen elektrischen Strom durch die Spule (S) wird innerhalb der Spule in Richtung der Zylinderachse ein Magnetfeld erzeugt, das den Anker mit der Kraft K ins Innere der Spule zieht.

Der Nachteil dieser Konstruktion ist die stark abfallende Kraft (siehe Kraft-Weg-Diagramm, Zeichnung 2), je weiter der Anker ausgefahren ist, desto geringer wird die verfügbare Kraft.

Das Ziel der Weiterentwicklung ist es, einen Elektromagneten zu bauen, der einen wesentlich besseren Verlauf des Kraft-Weg-Diagrammes hat. So z. B. eine konstante Kraft über den gesamten Weg, ohne daß mit weiteren mechanischen Hilfsmitteln ein Ausgleich des Kraftverlaufes erfolgt. Bisher setzt dies immer eine Überdimensionierung des gesamten Elektromagneten voraus.

Die Lösung dieses Problems läßt sich an einem Joch mit Spule und Luftspalt verdeutlichen (Zeichnung 3), wobei die linke Seite des Luftspaltes dem Jochende (JE) und die rechte Seite dem Anker (A) entspricht. Beide haben den Abstand s.

Der Elektromagnet erzeugt zwischen dem Anker und dem Joch ein Magnetfeld H mit dem Energieinhalt:

E = 1/2 ∫ HB dV

Die Kraft ergibt sich aus:

K = d/ds E

In diesem Fall gilt für die magnetische Spannung R:

R = n l

n = Anzahl der Windungen der Spule,
l = Strom durch die Spule.

Der magnetische Widerstand R für einen Spalt ist

F = Stirnfläche
wobei Φ der Fluß zwischen A und JE ist. Die Felder innerhalb des Jochs werden vernachlässigt.

Mit H s = R und B = µH folgt

Bei einer Bewegung des Ankers verändert sich der Abstand zwischen dem Anker und dem Joch. Für die Abhängigkeit der Kraft vom Weg ergibt sich:

K = d/ds E ∼ (-1) /s /s

Daraus folgt der quadratische Abfall der Kraft und die Erklärung für die deutlich abfallende Kraft K bei wachsendem Abstand s.

I.2 Magn. Querspannung als Kraftquelle

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist überraschend einfach und läßt sich theoretisch folgendermaßen beschreiben.

Die magnetischen Felder haben in zwei Richtungen eine Wirkung. Die Wirkung in Richtung der Feldvektoren H und B nennen wir Längsspannung und die Wirkung senkrecht zu den Feldvektoren Querspannung.

Die Wirkung der Längsspannung ist, daß die Feldlinien versuchen, sich zu verkürzen, und damit erfolgt eine anziehende Kraft in Richtung der Feldlinien.

Die Querspannung bewirkt, daß parallel verlaufende Feldlinien zusammengezogen werden und damit erfolgt eine Kraftwirkung quer zu den Feldlinien.

Die Lösung der Aufgabe liegt in der Änderung der Fläche F, dazu genügt die Änderung einer Kante der Fläche F. Wir nennen die neue Abmessung s_neu, wobei s_neu jetzt senkrecht zu s (Zeichnungen 1 und 3) ist.

Falls K = dE/ds_neu gilt, folgt aus der obigen Rechnung

K ∼ const.

Dies entspricht im Aufbau des Joches einer Verlängerung der Seiten gemäß Zeichnung 4:

Es ist zu erkennen, daß durch den konstanten Abstand s zwischen den Jochenden das H-Feld konstant bleibt und somit die Energiedichte HB konstant bleibt. Dies ergibt bei einer festen Wegänderung Δ s_neu eine feste Änderung der Gesamtenergie und somit eine konstante Kraft.

Bei den bisherigen Elektromagneten wird die magnetische Längsspannung des Feldverlaufes genutzt, d. h. bei diesen sind die Vektoren s und H parallel angeordnet. Man erkennt diese Systeme daran, daß bei Ihnen das durchflutete Volumen bei einfahrendem Anker verkleinert wird.

Wir nutzen im Gegensatz dazu die zur Verfügung stehende Querspannung. Hierbei sind die Vektoren s_neu und H senkrecht zueinander angeordnet. Die zur Verfügung stehende Energie ist im Prinzip gleich groß, solange das Volumen-Integral über die Energiedichte BH das gleiche Ergebnis liefert. Die Energiedichte hat keine vektorielle Orientierung, weshalb diese Methode funktioniert.

I.3 Konstruktive Umsetzung

Diese prinzipielle Betrachtung läßt sich in einer konstruktiv einfachen Weise umsetzen und wird am Spezialfall des Elektromagneten mit zylindrischem Anker erläutert.

Zu den bekannten Bauelementen Spule (S), Anker (A) und Joch (J) wird zusätzlich ein Flußleitstück (L) eingebaut. Der Aufbau des Elektromagneten sieht damit gemäß Zeichnung 5 aus: (ohne elektrische Anschlüsse und Plastikteile zur Führung des Ankers).

Der zylindrische Anker wird von einem zweiten Zylinder, dem Flußleitstück (L) umschlossen. Zwischen beiden konzentrisch angeordneten Zylindern ist ein Luftspalt. Der Luftspalt ist kleiner als der Abstand zum Jochende. Das H-Feld wird also im wesentlichen im Zwischenraum zwischen den beiden Zylindern aufgebaut. Die physikalische Interpretation entspricht der Änderung der Fläche zwischen den Jochenden in Zeichnung 4. Da die Breite des Luftspalts konstant ist, ist auch das H-Feld konstant und die magnetische Energie hängt im wesentlichen vom Volumen zwischen den beiden Zylindern ab. Dies wiederum hängt im wesentlichen von der Länge ab, die beide konzentrischen Zylinder ineinandertauchen.

Die physikalischen Verhältnisse bei zwei konzentrisch angeordneten Zylindern, die ineinandergeschoben werden, entsprechen also den angestrebten Verhältnissen. Zeichnung 6 zeigt die Verhältnisse als vergrößerten Teilausschnitt.

Der magnetische Fluß geht den geringsten Widerstand, d. h. den kürzesten Weg durch die Luft. Solange der Luftspalt zwischen dem Anker (A) und dem Flußleitstück (L) kleiner ist als der Abstand zwischen Anker und Joch, entsprechen die Verhältnisse im wesentlichen der Zeichnung 6 und der Verschiebung in Zeichnung 4.

In der Praxis wird der obengenannte Luftspalt mit nicht ferromagnetischen Materialien gefüllt sein, z. B. einer Kunststoffhülse zur Führung des Ankers.

Die Breite des Luftspaltes ist größer als es zur mechanischen Führung notwendig wäre. Dies äußert sich auch in der Materialstärke des Flußleitstückes (L), da es als flußleitendes Teil über eine ausreichende Materialstärke verfügen muß.

I.4 Berechnung des Querspannungs-Elektromagneten

Wir gehen bei unseren Berechnungen davon aus, daß die metallischen Teile hervorragende magnetische Leiter sind und für die Berechnungen die Luftspalte und ihre magnetischen Widerstände bestimmend sind.

Wir gehen bei dieser Abschätzung davon aus, daß das Jochende keinen Einfluß auf den Anker hat. Eventuelle Streufelder zwischen dem Ankerende und dem Flußleitstück werden ebenfalls vernachlässigt. Beim Verschieben des Ankers innerhalb des Flußleitstückes verändern sich die Streufelder nicht, solange man annimmt, daß die Enden weit genug weg sind.

Das Ersatzschaltbild zu der Zeichnung 5 ist in Zeichnung 7 dargestellt.

R ist die magnetische Spannung der Spule, d. h.

R = n l

R__m und R__mm sind die magnetischen Widerstände zwischen Anker und Joch.

Wir nehmen an:

R__m « R__z und R__mm « R__z

und vernachlässigen sie in den folgenden Berechnungen.

Der Durchmesser des Ankers sei r, die beiden Zylinder überschneiden sich um die Länge s, die maximale Länge s ist der Hub s_max und der Abstand der beiden Zylinderwände sei h. Der maximale magnetische Fluß durch den Anker wird durch B_max bestimmt, wobei B_max bei der Sättigung des entsprechenden Ankermaterials erreicht wird.

Der Fluß Φ_A-max durch den Anker ist:

Φ_A-max = π r² B_max

Damit wird der maximale Fluß durch die Zylinderwand Φ_Z-max:

Φ_Z-max = Φ_A-max

Daraus ergibt sich:

Φ_Z-max = 2 π r s_max B_Z = π r² B_max

Dies ist das maximale B-Feld, das dadurch begrenzt wird, daß der gesamte Fluß durch die Zylinderwand auch durch den Querschnitt des Ankers muß, wenn der Anker vollständig eingefahren ist.

Anmerkung: Es ist zu erkennen, daß der maximal mögliche Fluß durch die Zylinderwand erreicht wird, wenn s_max=r/2 ist, dann gilt B_Z-max = B_max.

Die Gesamtenergie des Systems bei homogener Feldverteilung ist:

E = ½ B_Z H_Z V

Wobei V das durchflutete Volumen zwischen den Zylindern ist.

Mit

V = 2 π r h s

h = Abstand der Zylinderwände

folgt

E = ½ B_Z H_Z 2 π r h s

E = ¹/_μ B_Z² π r h s

Die dabei entstehende Kraft K ist:

K = ^dE/_ds = ¹/_μ B_Z² π r h = B_max² π h r³/(4s_max s_max) = const

Berechnung der Spule

Der magnetische Widerstand R_Z bestimmt die Spulengröße. Da der Abstand h konstant ist, ist die Auslegung der Spule unabhängig von der Position s.

Eine Abschätzung liefert der Ansatz mit einem magnetischen Widerstand R_m zwischen zwei planen Flächen.

Es gilt:

Dies zeigt, daß die magnetische Spannung R, die durch die Spule erzeugt wird, in jeder Stellung optimal genutzt wird, da in jeder Stellung die gleiche magn. Spannung notwendig ist, um den Luftspalt zu überbrücken und in ihm die maximale Flußdichte B zu erreichen.

Für den Widerstand zwischen zwei konzentrischen Zylinderflächen gilt:

Dieser Widerstand ist kleiner als der Widerstand zwischen zwei parallelen Flächen. In erster Näherung zur Abschätzung der Spule reicht auch das Modell der planparallelen Flächen.

Die Dimensionierung der Spule wird durch die maximale Stromdichte ρ_E [A/mm²], den spezifischen Widerstand von Kupfer ρ_Cu=0,0178 [Ω mm²/m] und R festgelegt.

Für den ohmschen Widerstand R_Ω eines Drahtes gilt:

I_Cu = Länge,
A_Cu = Querschnitt.

Die Gesamtlänge des Kupferdrahtes ist:

I_Cu = 2 π r_s n

r_s = mittlerer Spulenradius,
n = Anzahl der Windungen.

Daraus ergibt sich der Querschnitt zu:

Die minimale Gesamtfläche der Spule ist durch die maximale Stromdichte bestimmt mit ρ_E≈5-50 [A/mm²]:

Daraus ergibt sich die Windungszahl n:

damit ist auch der Strom l bestimmt:

Nennleistung N

Damit ergibt sich die Nennleistung N zu:

N = Ul = 2 π r_s ρ_Cuρ_E R

Da die Materialkonstanten mit den bisherigen Elektromagneten übereinstimmen, bedeutet dies, daß durch das kleinere R die Nennleistung entsprechend kleiner ist.

Selbstinduktivität L

Die Selbstinduktivität bestimmt die Anstiegszeit des elektrischen Stromes und damit die Schaltzeit des Elektromagneten.

Aus

E = 1/2 L l² und E = 1/2 BH V

V = 2π r h Δs, H h = n l folgt:

L = µ n² 2 π r Δs/h

Wir gehen davon aus, daß Δs nicht zu klein ist, denn dann ist das Joch die entscheidende Größe.

I.5 Zahlenbeispiele Zahlenbeispiel 1

Hub 10 mm
Durchmesser des Ankers 10 mm
Luftspalt h = 1 mm
Max. B-Feld ca. 2T → B_Z = 0,5 T

Bei einer maximal zulässigen Stromdichte zwischen 5-50 A/mm² ergibt sich daraus die Fläche der Spule, d. h. zwischen

8 und 80 mm² (z. B. 2*30 mm).

In dieser Größenordnung ist die Spule kleiner als bei der bisherigen Konstruktionen, insbesondere bei Dauerbelastung.

Die Kraft ist:

K = dE/ds = B_Z B_Z/_µ π r h ≈ 3,1 N

Die doppelte Kraft erfordert den 1,26fachen Radius.
Für die Spule wird r_s ≈1,6 r.
Die Schaltzeit ist: (Anstieg der Spule nicht berücksichtigt).

Die Ankermasse sei M = 18 gr

t = 1,1 e-2 sec = 11 msec statt ∼ 60 msec

Die Hubarbeit ist:

K*s_max = 31 Nmm

Zahlenbeispiel 2

Eine Optimierung durch folgende Änderungen:

Radius 2 r = 10 mm → 12 mm,
Luftspalt h = 1 mm → 1,5 mm,
B_max = 2 T → 2,4 T.

ergibt eine Kraft von K=11,6 N, bzw. eine Hubarbeit von

K*s_max = 116 Nmm

und eine Schaltzeit von

t = 5,7 msec

I.6 Auslegung des Elektromagneten

Der Elektromagnet nach dem Querspannungsprinzip hängt in seinem Verhalten von der Auslegung und dem Zusammenwirken von Spule, Form des Flußleitstück, Form des Ankers und des Jochendes ab. Einen weiteren wichtigen Einfluß hat das verwendete Material, da der Sättigungsfluß nicht nur Grenzen setzt, sondern auch gezielt genutzt werden kann. In Verbindung mit der bisherigen Ausnutzung der Längsspannung läßt sich der Elektromagnet in weiten Bereichen den gegebenen Anforderungen anpassen. Das Zusammenwirken dieser Größen entscheidet und somit lassen sich die Betrachtungen schlecht auf eine Größe reduzieren. So läßt sich der Kraft-Weg-Verlauf durch folgende Randbedingungen beeinflussen:

• - dem Abstand zwischen Anker und Flußleitstück,
• - der Form des Jochendstückes,
• - verschiedene Ansteuerung der Spule,
• - Sättigung des Flußleitstückes.

Die Betrachtung teilt sich also in die Kapitel:

6.1 Flußleitstück,
6.2 Anker,
6.3 Jochende,
6.4 Spule und el. Ansteuerung.

I.6.1 Flußleitstück

Das Flußleitstück ist unter folgenden Merkmalen zu betrachten:

Luftspalt zum Anker, Abstand (h),
Innenprofil h(s) zum Anker hin,
Querschnitt in Abhängigkeit vom s, bzw.
Auswirkung der Sättigung des Materials.

Das Volumen zwischen Flußleitstück und Anker speichert die Energie. Um ein Maß für das notwendige Volumen zu erhalten, betrachten wir die Energiedichte eines magn. Feldes mit der Flußdichte B:

Bei B=1 T und µ=0,4 π E-6 H/m gilt:

E = 1/2 B H = 1/2 B B/µ = 0,4 J/qcm

B = 2 T → E = 1,6 J/qcm

B = 2,4 T → E = 2,3 J/qcm

Wenn wir von einer konstanten Kraft ausgehen, dann ist auch h konstant und läßt sich aus den obigen Werten und dem Kraft-Weg-Integral abschätzen.

Es gilt dann:

∫ K(s) ds = ∫ HB dV

Kontur im Flußleitstück

Das Kraft-Weg-Diagramm kann durch die Breite des Luftspaltes zwischen Flußleitstück (F) und Anker (A) beeinflußt werden. Durch den Abstand h (s) wird das Feld H bzw. der Fluß bestimmt und die Änderung des Flusses bei einer Verschiebung bestimmt die Kraft. Es gilt:

K(s) = 1/2 d/ds (BH dV)

und ergibt:

Dies läßt sich auch so formulieren: Die Änderung des Flusses durch den Anker bestimmt die Kraft, somit ist der Verlauf der Flußdichte B(s) verantwortlich für K(s). Eine "Topfform" im Kraft-Weg-Verlauf kann z. B. durch Konturen gemäß Zeichnung 8 verwirklicht werden. Das Verhalten des Elektromagneten wird wesentlich von dem Zusammenspiel von Anker und Flußleitstück bestimmt, deshalb werden die anderen Komponenten nicht dargestellt.

Dadurch wird erreicht, daß wie in Zeichnung 9 dargestellt, am Anfang und am Ende stärkere Kräfte zur Verfügung stehen.

Für das Kraft-Weg-Diagramm ist der Verlauf der Flußdichte entscheidend. Die Grenze dieser Methode ist erreicht, wenn das Verschmieren der Flußdichte Φ(s) zwischen dem Anker und dem Flußleitstück durch Streufelder eine andere Kontur erscheinen läßt (siehe Zeichnung 10).

Eine andere interessante Möglichkeit besteht darin, für Notabschaltung nur am Anfang eine große Kraft zu haben und anschließend einfach den Schwung mit zu benutzen.

Eine mögliche Variante ist eine Haltekraft durch seitlich angebrachten magnetischen Kurzschluß (Zeichnung 11). Hier würde der Anker bei zufälliger Belastung auch ausweichen können, während bei der bisherigen Lösung die Haltekraft durch das Joch zu realisieren, das Joch beschädigt würde.

Der Querschnitt des Flußleitstückes hängt vom Durchmesser des Ankers ab. Der Querschnitt muß der gleiche sein, da er aber einen Kreisring mit einem größeren Umfang ist, kann man die Dicke des Ringes mit dem Faktor 0,4 abschätzen.

Das erste Beispiel ist genau so ausgelegt, daß bei vollständig eingefahrenem Anker der maximal mögliche Fluß durch den Querschnitt des Ankers geht. Die Voraussetzung dafür ist die entsprechende Abstimmung zwischen der Spule und dem Flußleitstück.

Damit dies so erfolgt, ist die Voraussetzung, daß der gesamte Fluß durch das Flußleitstück aufgenommen wird. Dies kann durch die Materialstärke des Flußleitstückes gesteuert werden. Dadurch, daß man die Materialstärke dünn genug wählt, so daß durch die Sättigung der maximale magn. Fluß sicherstellt, daß der Anker weiter in die Spule einfährt.

Darüber hinaus kann das Flußleitstück keilförmig ausgelegt werden, da nur zum Jochende hin der gesamte Fluß geführt werden muß.

Anordnung der Flußleitstücke

Bei den bisherigen Beschreibungen gingen wir davon aus, daß das Flußleitstück den Anker umschließt. Es ist auch prinzipell möglich, diese Anordnung umzukehren.

Statt mit dem Flußleitstück (F) den Anker (A) zu umschließen, kann man die Rolle der Beiden vertauschen (Zeichung 12).

6.2 Anker

Der Anker ist unter folgenden Merkmalen zu betrachten:

Hub und Ankerdurchmesser,
Querschnitt,
Kontur.

Der Querschnitt des Ankers wird dadurch bestimmt, daß bei vollständig eingefahrenem Anker der gesamte Fluß durch den Anker muß:

Aus dem Gesamtfluß Φ_Z durch die Zylinderwand folgt der notwendige Querschnitt des Ankers. Es zeigt sich, daß mit zunehmendem Hub der Querschnitt ansteigt.

Um das Kraft-Weg-Diagramm zu bestimmen, kann man in den Anker genauso Konturen einfräsen, wie in das Flußleitstück (siehe Zeichnung 13). Die Ausführungen für das Flußleitstück sind also auf den Anker übertragbar.

Keilförmige Ausführung des Ankers

Zur Gewichtsersparnis kann man den Querschnitt des Ankers (A) dem notwendigen Fluß anpassen, d. h. es ist möglich, den Anker an den Enden kegelförmig (K) auszusparen (Zeichnung 14 und 15).

Kombination aus Flußleitstück und Anker zur besseren Positionierung

Versieht man das Flußleitstück (F) mit Kerben (siehe Zeichnung 16), so ergeben sich bevorzugte Positionen, da an diesen der Fluß größer ist, als in den unmittelbar benachbarten Positionen, besonders wenn dies durch die entsprechende Geometrie des Ankers angepaßt wird.

So führen aufeinander abgestimmte Nuten dazu, daß der Anker bevorzugt die Stellung einnimmt, in der sich die "Zähne" gegenüberstehen.

6.3 Jochende

Das Jochende beeinflußt:

Kraftverlauf,
Haltekraft,
Klebekraft.

Es ist vor allem für zusätzliche Effekte durch die Längsspannung des magnetischen Feldes verantwortlich.

Es ist unter folgenden Merkmalen zu betrachten:

Wirksame Fläche zwischen Anker und Jochende.
Übergangswiderstand zwischen Joch und Flußleitstück.

Unter der wirksamen Fläche verstehen wir den Bereich des Jochendes, der in der Lage ist, einen Teil des magnetischen Flusses vom Anker aufzunehmen.

Die Auswirkung der Jochenden bestimmt das Verhalten in dem Bereich, in dem der Abstand s in die gleiche Größenordnung kommt wie die Größe h. Es lassen sich damit die Haltekräfte und der Verlauf des Kraft-Weg-Diagrammes beeinflussen.

In der Zeichnung 17 sind J das Joch und JE das Ende des Joches, das jetzt durch den kleinen Abstand zum Anker (A) diesen mehr beeinflußt als die weiter entfernten Flußleitstücke (L).

Der Vorteil liegt darin, daß durch die Fläche zwischen Anker und Jochende die Größe der Haltekraft festgelegt werden kann, als wenn das Joch alleine den Fluß des Ankers aufnehmen muß und eine entsprechend größere Fläche zum Anker hin bieten muß.

Eine weitere Variante besteht darin, im Bereich des Jochs das Flußleitstück zu verjüngen oder gar ganz durchzutrennen, so daß ein kleiner Luftspalt zwischen Joch und Flußleitstück entsteht. Dieser zusätzliche magnetische Widerstand führt zu einer Umlenkung des Flusses vom Flußleitstück zum Joch und vergrößert zusätzlich die Haltekraft.

Die Flußverhältnisse zwischen Joch (J), Anker (A) und Flußleitstück (L) sind in Zeichnung 18 dargestellt.

Klebekraft

Unter der Klebekraft versteht man die Haftung des Ankers durch einen verbleibenden Restmagnetismus nach Abschalten des elektrischen Stromes.

Es gibt Anwendungen, bei denen eine Klebekraft nicht erwünscht ist, falls eine schnelle Abfallzeit, bzw. sich Zurückbewegen des Ankers erwünscht ist. In diesem Fall kann man dies dadurch unterstützen, daß das Joch nicht bis zum Anker verläuft oder auch das Flußleitstück einen größeren Abstand zum Anker hat (Zeichnung 19).

6.4 Spule und elektrische Ansteuerung

Die Spule ist unter folgenden Merkmalen zu betrachten:

Abgestimmt von Φ auf h
Überspannung und dynamische Bewegung

Die Spule erzeugt eine magnetische Spannung, die bei dem Abstand h den magn. Fluß Φ_Z erzeugt. Unsere bisherigen Beispiele sind so ausgelegt, daß der maximale Fluß durch den Anker dann erreicht wird, wenn der Anker vollständig eingefahren ist. Es ist aber möglich eine größere Spannung Φ zu erzeugen mit einer größeren Flußdichte B_Z. Die Folge davon ist, daß der maximal mögliche Fluß durch den Anker erreicht wird, bevor der Anker vollständig eingefahren ist.

Die Folge für den Anker ist, daß er nicht mehr weiter in die Spule eintaucht (von Streueffekten und dynamischen Effekten abgesehen), da er sonst ein energetisch niedrigeres Potential einnehmen würde. Der größere Fluß durch den Anker hat zur Folge, daß auch die Flußdichte B_Z zwischen Anker und Flußleitstück entsprechend größer ist und damit größere Kräfte zur Verfügung stehen.

Eine kurzzeitige Überspannung mit einem höheren Stromimpuls ist zulässig, um am Anfang der Bewegung mehr Kraft, wie in Zeichnung 20 dargestellt, zur Verfügung zu haben.

Man kann diesen Effekt dazu nutzen die Position des Ankers durch die Spule festzulegen oder Schaltzeiten weiter zu verkürzen.

Ein weiterer Effekt, der sich durch sorgfältiges Abstimmen von Anker, Flußleitstück und Spule ergibt, ist folgender:

Der Anker sucht immer die energetisch optimale Position. Diese kann auch dann vorliegen, wenn er nicht ganz eingefahren ist. Daraus folgt, daß bei einem vollständig eingefahrenen Anker es besser ist, wieder ein Stück herauszufahren. Dabei wird die Fläche zwischen Anker und Flußleitstück verkleinert, also B_Z vergrößert.

Wir können nun folgenden Ablauf durchführen:

Die Spule erhält ihre Normspannung und damit einen bestimmten Strom.
Die Folge davon ist der Anker fährt bis zum Anschlag ein.
Die Spule erhält jetzt eine Überspannung.
Der Anker beginnt sich wieder nach außen zu bewegen.
Der Anker hat genügend konetische Energie.
Die Spule wird abgeschaltet.
Durch das Abschalten wird der Anker etwas gebremst.
Der Anker fährt aus der Spule heraus.

Dieser Ablauf erfordert zwar eine sorgfältige Abstimmung der Komponenten, ist aber realisierbar.

Sind größere Reibungskräfte vorhanden, dann kann man zumindest zwischen verschiedenen Positionen hin- und herfahren. Der Anker fährt mindestens soweit ein, daß B_Z=B_A wird.

Möchte man ein Zurückfahren des Ankers bei Überspannung vermeiden, dann kann man gemäß Zeichnung 18 verfahren.

Impulse zur Ansteuerung bestimmter Positionen

In Verbindung mit einem Anker und einem Flußleitstück gemäß Zeichnung 16 kann man dann gezielt Positionen anfahren. Die Genauigkeit der Zahnung sichert ein "magnetisches Einrasten".

Es ist auch offensichtlich, daß der Querschnitt des Flußleitstückes jetzt eine wichtige Rolle spielt. Erreicht das Flußleitstück seinen Sättigungsfluß, dann ist der obige Effekt nur begrenzt machbar.

I.6.6 Selbsthemmung

Der Elektromagnet ist durch seinen Aufbau kein System, das nach erfolgter Bewegung mit einer Haltekraft versehen ist und an der angesteuerten Position verharren kann.

Die jetzige Konstruktion bietet hierzu folgende Hilfen:

Dadurch, daß die Kraft über den gesamten Hub mit einer relativ großen Mindestkraft versehen werden kann, ist es möglich durch eine zusätzliche Reibung den Anker festzuhalten, z. B. Feder, da diese immer sicher überwunden werden kann. So verbleibt der Anker in einer bevorzugten Position.

Die Konstruktion kann durch Einrasten an bevorzugten Positionen, z. B. in den beiden Endstellungen unterstützt werden. Der Vorteil dieser Lösung liegt darüber hinaus in der Möglichkeit durch eine geeignete Kontur im Flußleitstück genau an der Position des Einrastens mehr Kraft zur Verfügung zu stellen. Siehe Kraftverlauf in Zeichnung 9, hier wäre der Elektromagnet in der Lage eine Verriegelung in ausgefahrener Position günstig zu überwinden.

I.6.5 Baukastensystem

Der Elektromagnet der obigen Bauform erlaubt ein Baukastensystem, das sich an bestimmten konstruktiven Größen orientiert.

Es ist sinnvoll, das Flußleitstück austauschbar oder einschraubbar zu machen, so daß bei vorgegebener Grundkonstruktion das Kraft-Weg-Verhalten durch den Austausch eines Teiles anpaßbar ist.

Das gleiche gilt für verschiedene Varianten des Jochendstückes.

I.7 Weitere Bauarten

Die bisherigen Aufbauten sind auch durch nicht rotationssymmetrische Konstruktionen machbar.

Der kreisförmige Querschnitt ist insofern bevorzugt, da er die minimale Oberfläche bei einem gegebenen Querschnitt darstellt. In diesem Fall heißt dies, wir erhalten die maximale Flußdichte B_Z im Luftspalt zwischen den Zylindern bei einem gegebenen Fluß und damit die maximal mögliche Kraft. Insofern ist also der kreisförmige Querschnitt optimal, obwohl Abweichungen davon ebenfalls funktionieren.

Eine weitere Ausführung ist der Aufbau eines Drehmagneten, der nach dem gleichen Prinzip funktioniert. Die linearen Konstruktionen sind dann kurvenförmig am äußeren Rand angebracht.

Der Aufbau ist in Zeichnung 21 dargestellt, wobei J, L und A die bisherigen Funktionen von Joch (J), Flußleitstück (L) und Anker (A) übernehmen.

I.8 Ausführung mit einem Permanentmagneten

Die bisher aufgeführten Lösungen lassen sich auch mit einem einzelnen Permanentmagneten (M) bzw. in Kombination mit einer Spule (S) zu Anwendungen wie in Zeichnung 22 und 23 dargestellt, kombinieren:

Der Vorteil des Flußleitstückes liegt darin, daß die Innenkontur der Magnetisierungskurve des Magneten angepaßt werden kann, so daß wir eine Gerade für den Kraft-Weg-Verlauf realisieren können.

Alternativ dazu läßt sich der Magnet in den Anker einbauen (Zeichnung 23).

I.9 Vergleich zwischen Längsspannungs- und Querspannungsmagnet

Durch die Möglichkeit, die sich aus der Nutzung der Längs- und Querspannung des Magnetfeldes ergibt, kann man den Elektromagneten wesentlich optimieren. Dies wirkt sich folgendermaßen aus:

Schaltzeiten

Dadurch, daß schon am Anfang der Bewegung eine relativ große Kraft zur Verfügung steht, ist es möglich, wesentlich kürzere Schaltzeiten zu erreichen.

Kraft-Weg-Verlauf

Der Hubmagnet läßt sich derart auslegen, daß seine Kraft über den Weg in weiten Bereichen dem gestellten Problem angepaßt werden kann, z. B. daß sie konstant ist. Dies ermöglicht es, eine elektronische Regelung zu bauen, bei der die ausgeübte Kraft lediglich über den elektrischen Strom gesteuert wird, während bei den heutigen Systemen noch zusätzlich die Position bekannt sein muß und trotzdem eine Unsicherheit über die ausgeübte Kraft besteht, da das zeitliche Verhalten der Spule hinzukommt.

Bei Notabschaltungen oder Stanzmaschinen zählt die Schaltzeit mehr, also sollte die Kraft am Anfang entsprechend groß sein.

EMV

Für eine bestimmte Anwendung kann die Spule kleiner gewählt werden, dadurch wird auch die Eigeninduktivität kleiner. Dies hat zur Folge, daß die EMV-Störung beim Einschalten und besonders beim Ausschalten des Elektromagneten kleiner sind.

Baugröße

Da jetzt alle Teile optimal genutzt werden, entfällt zusätzlicher Aufwand zur Lösung einer vorgegebenen Aufgabe. Damit kann Bauaufwand und somit Gewicht und Bauvolumen eingespart werden. Dies wirkt sich auch auf die versorgenden Systeme aus, wenn weniger Leistung notwendig ist, dann können diese kleiner gehalten werden.

Nennleistung

Weiterhin benötigt der Querspannungsmagnet eine kleinere magnetische Spannung, dies bedeutet eine geringere Nennleistung.

Anmerkung

Der Unterschied zwischen den Lösungen durch eine Querspannungs-Elektromagneten und einem Längsspannungselektromagneten ist daran zu erkennen, daß bei den bisherigen Konstruktionen über eine Verkleinerung des durchfluteten Volumens und damit verbunden eine Vergrößerung der Energiedichte die Kraftwirkung erreicht wurde. Bei der Benutzung der Querspannung ist das Gegenteil der Fall. Das durchflutete Volumen wird vergrößert und die Energiedichte konstant gehalten.

Bei einigen heutigen Konstruktionen sind am Ankerende Profile üblich, die durch Streufelder einen ähnlichen Eindruck ergeben. Doch auch bei diesen ist das Prinzip das gleiche. Durch Annäherung des Ankers an das Joch wird das Volumen verkleinert.

Bei diesen Konstruktionen, bei denen der Anker ein Profil an der Stirnseite hat, hat in diesem Fall das Joch die entsprechende Vertiefung, in die der Anker eintaucht (siehe Zeichnung 24).

Damit bleibt die obige Betrachtung gültig, denn durch die Annäherung an das Joch wird das Volumen zwischen Anker und Joch kleiner, bis es annähernd Null wird.

Der beabsichtigte Zweck dieser Konstruktion ist es, einen leichteren Anker zu haben, um kürzere Schaltzeiten zu erreichen.

Anwendungen Elektromagnete allgemein

Vereinfachte Regelung, da zur Erzeugung einer bestimmten Kraft zur Zeit mehrere Parameter entscheiden:

• - Position,
• - momentaner Strom.

Diese Unsicherheiten sind jetzt erheblich eingeschränkt, da die Abhängigkeit von der Position entfällt und der momentane Strom leicht zu ermitteln ist.
Notabschaltungen mit vergrößerter Kraft am Anfang der Bewegung.
Vibrationseinrichtung - die kürzere Schaltzeit bedeutet höhere Frequenz.
Proportionalventile - da bei konstantem Kraftverlauf die erzeugte Kraft nur noch vom Strom abhängt.
Membranpumpen mit besserem Wirkungsgrad, da auch die Nennleistung niedriger ist und der Kraft-Weg-Verlauf sich der Pumpe anpassen läßt.

Relais

Tablettiermaschinen, die über die Spannungsregelung gut gesteuert werden können.

Claims (8)

1. Elektromagnet, bestehend aus Spule "Anker und Joch", sowie magnetischen Fluß leitende Mitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Querspannung als Kraftquelle genutzt wird.

2. Elektromagnet gemäß Anspruch 1, bei dem die magnetischen Fluß leitenden Mittel seitlich der Bewegungsrichtung angeordnet sind und zwischen dem Anker und den flußleitenden Mitteln ein Spalt besteht, in dem ein magnetisches Feld aufgebaut wird.

3. Elektromagnet gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einem oder mehreren Flußleitstücken, derart, daß damit das Kraft-Weg-Diagramm durch ein Profil im Flußleitstück beeinflußt wird.

4. Elektromagnet gemäß vorhergehenden Ansprüchen mit Flußleitstück(en), derart, daß durch ein Profil im Anker das Kraft-Weg-Diagramm beeinfluß wird.

5. Elektromagnet gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig Quer- und Längsspannung des Magnetfeldes benutzt werden.

6. Elektromagnet gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mittels Gleichstrom, Wechselstrom oder getakteter Impulse betrieben wird.

7. Elektromagnet gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung um eine Drehachse als Drehmagnet aufgebaut wird.

8. Elektromagnet gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere Permanentmagnete als magnetische Spannungsquelle genutzt werden.