DE69703746T2

DE69703746T2 - Heber mit elektropermanentmagneten mit einer sicherheitsvorrichtung

Info

Publication number: DE69703746T2
Application number: DE69703746T
Authority: DE
Inventors: E. Elias
Original assignee: Railfix NV
Current assignee: Railfix NV
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: EP0929904B1; DE69703746D1; US6104270A; CA2261272A1; ES2154467T3; EP0929904A1; ATE198243T1; JP2001502852A; KR100471505B1; DK0929904T3; RU98121314A; AU3555497A; WO1999008293A1; KR20000065224A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Magnet-Heber, insbesondere einen Heber mit Elektropermanentmagneten mit einer Sicherheitsvorrichtung zur Steuerung ihres Arbeitspunktes.
Bekanntlich werden Heber je nach Art der verwendeten Magnete, nämlich Permanentmagnete, Elektropermanentmagnete und Elektromagnete, in drei Klassen unterteilt. Jeder Hebertyp hat seine eigenen Vor- und Nachteile.
Die Heber mit Permanentmagneten haben den Vorteil eines nahezu vernachlässigbaren Energieverbrauchs und einer erzeugten magnetischen Kraft, die zuverlässig konstant und unabhängig von äußeren Versorgungsquellen ist. Andererseits ist es nicht möglich, die magnetische Kraft erforderlichenfalls zu erhöhen, und die Magnete zum Anheben schwerer Lasten sind übermäßig sperrig. Weiterhin ist zum Lösen der Last der Einsatz einer beträchtlichen Menge an mechanischer Energie erforderlich, um die magnetische Kraft auf einen Wert zu verringern, der kleiner ist als die Gewichtskraft der Last. Alternativ dazu müssen die Magnete beweglich gemacht werden, damit sie von der Last weg bewegt werden können, um so die magnetische Anziehung zu verringern.
Im Gegensatz dazu ist es bei den Hebern mit Elektromagneten möglich, die magnetische Kraft frei zu variieren, indem einfach der Strom eingestellt wird, der in den Windungen fließt, die das Magnetfeld erzeugen. Jedoch führt jeglicher Ausfall der Spannungsversorgung, selbst wenn er sehr kurz ist, zu einer sofortigen Aufhebung der magnetischen Kraft und damit zum Lösen der Last. Es liegt daher auf der Hand, daß Sicherheitssysteme wesentlich sind, die die Kontinuität der Spannungsversorgung gewährleisten.
Die Heber mit Elektropermanentmagneten kombinieren im wesentlichen die Vorteile der beiden vorgenannten Hebertypen. Dies beruht auf der Verwendung eines reversierbaren Permanentmagneten, daß heißt, eines Magneten, bei dem die Polarität einfach durch Anwendung eines elektrischen Impulses umgekehrt werden kann. Der reversierbare Magnet erzeugt somit einen einstellbaren Fluß, der den Fluß eines damit kombinierten herkömmlichen Permanentmagneten lenken kann. So ist es möglich, die beiden Magnete kurzzuschließen, wenn der Heber deaktiviert werden soll, oder sie parallel anzuordnen, um den Heber zu aktivieren. Da zum Umpolen des reversierbaren Magneten nur ein elektrischer Impuls und keine kontinuierliche Versorgung benötigt wird, werden die bei Elektromagneten auftretenden Sicherheitsprobleme überwunden. Dabei ist es selbst trotz des Einsatzes von Permanentmagneten möglich, die magnetische Kraft innerhalb gewisser Grenzen zu variieren, und das Lösen der Last läßt sich einfach mit einem minimalen Energieverbrauch und ohne komplexe Strukturen zum Bewegen der Magneten bewerkstelligen.
Im Vergleich zu den beiden anderen Magnettypen haben die Elektropermanentmagneten jedoch einen Nachteil in der Arbeits-Instabilität, die auf der speziellen Magnetisierungskurve des reversierbaren Magneten beruht. Die reversierbaren Magneten werden nämlich gewöhnlich aus einer Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierung (ALNICO) hergestellt, deren Hysterese dadurch gekennzeichnet ist, daß eine hohe Induktion einer verminderten Koerzitivkraft entspricht. Diese Charakteristik ermöglicht es, den magnetischen Fluß in dem Permanentmagneten zu lenken, der den Elektropermanentmagneten bildet.
Die Magnetisierungskurve hat jedoch ein "Knie", jenseits dessen das Verhalten des reversierbaren Magneten zwar noch linear ist, aber wesentlich steiler als in dem ersten Bereich. Dies bringt große Änderungen der Induktion entsprechend kleinen Änderungen der Koerzitivkraft mit sich. In der Praxis bedeutet dies, daß die. Heber mit Elektropermanentmagneten stark durch die Dynamik des angehobenen Materials beeinflußt werden. Es ist in der Tat bekannt, daß die Oszillationen von mit einer solchen Einheit angehobenen Platten zu einer Variation des Luftspaltes und demgemäß einer Variation des gesamten magnetischen Widerstands des magnetischen Kreises führen, wodurch sich der Arbeitspunkt der magnetischen Massen des Hebers unter das erwähnte "Knie" verschieben kann. Diese Dynamik wird selbst durch geringe Verlagerungen des angehobenen Materials beeinflußt, und somit genügen geringe Verbiegungen oder kaum meßbare Krümmungen, eine beträchtliche Variation der magnetomotorischen Kraft zu verursachen, wodurch das Hubsystem sehr instabil wird.
WO-97/03911, die einen Heber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschreibt, und GB-A-2 043 354 offenbaren Heber mit einem System zur Messung der magnetischen Kraft, das für jeden Magnettyp dasselbe ist. Dieses Meßsystem dient nur zur Berechnung des Sicherheits-Arbeitsfaktors, durch Vergleich der erzeugten magnetischen Kraft mit dem Gewicht der anzuhebenden Last. Dies geschieht durch Anordnung der Meßeinrichtung in der Nähe der Polschuhe, die mit der Last in Berührung kommen, um den mit der Last gekoppelten Gesamtfluß relativ genau zu messen. Eine solche Maßnahme liefert offensichtlich keine genaue Angabe über den Arbeitspunkt, so daß sie nicht in der Lage ist, die Gefahr zu signalisieren, die sich aus der etwaigen Instabilität des reversierbaren Magneten ergibt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heber mit Elektropermanentmagneten zu schaffen, der mit einer Sicherheitsvorrichtung ausgestattet ist, die es erlaubt, die etwaige, von den tatsächlichen Arbeitsbedingungen abhängige Instabilität der Hubeinheit zu kontrollieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Heber mit einem Sensor, der in der Lage ist, nur den Beitrag des reversierbaren Magneten und damit dessen Arbeitspunkt zu messen.
Der Hauptvorteil dieses Hebers besteht somit darin, daß die höchste Arbeitssicherheit gewährleistet wird, durch Anzeige nicht nur des Gesamt-Sicherheitsfaktors, sondern auch der Annäherung an die Instabilitätsbedingung.
Ein weiterer Vorteil des Hebers gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, durch geeignete Kombination der Daten des Sensors, der den Fluß des reversierbaren Magneten mißt, mit den Daten des Sensors, der den gesamten magnetischen Fluß mißt, den Ablesefehler des letzteren zu kompensieren, der auf den magnetischen Dispersionen beruht, die durch den Luftspalt zwischen den aktiven Polen und der Last verursacht werden, wobei dieser Fehler proportional zur Größe des Luftspaltes ist.
Weitere Vorteile und Merkmale des Hebers gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische, in der linken Hälfte aufgeschnittene Frontansicht eines Hebers gemäß der Erfindung in der Ruhephase;
Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch eine Symmetriehälfte des Hebers nach Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm der Magnetisierungskurven des reversierbaren Magneten und des Permanentmagneten;
Fig. 4 eine Ansicht des Hebers nach Fig. 1 in der Lasttransportphase.
Gemäß Fig. 1 umfaßt der Heber mit Elektropermanentmagneten gemäß der vorliegenden Erfindung in bekannter Weise eine äußere Tragstruktur, mehrere Magnete und eine Einstell- und Steuereinheit. Die Tragstruktur besteht aus einem oberen Block 1 mit Befestigungsansätzen 2 für eine Hubeinrichtung, z. B. einen Kran, vier Seiten 3 und einer abschließenden Grundplatte 4. Natürlich ist eine solche Struktur aus magnetisch hochleitfähigen Materialien hergestellt, um dem Widerstand des magnetischen Kreises zu minimieren.
Jeder Elektropermanentmagnet wird durch einen reversierbaren Magneten 5 und einen Permanentmagneten 6 gebildet, die einer über dem anderen angeordnet sind. Die Pole des reversierbaren Magneten 5 liegen an den waagerechten Seiten eines Kerns 5a aus ALNICO um den herum eine Umpolspule 5b zur Steuerung der Umpolung angeordnet ist. Solange der Heber nicht in Betrieb ist, wie in Fig. 1, liegt der Nordpol (N) an der Oberseite und der Südpol (S) an der Unterseite.
Der Permanentmagnet 6 weist mehrere Ferritblöcke 6a auf, die längs der seitlichen Ränder eines Eisenkerns 6b angeordnet sind. Dieser Kern 6b ist an dem Block 1 durch mehrere Stangen 7 befestigt, die durch den ALNICO-Kem 5a hindurchgehen und mit Muttern 8 in geeigneten Sitzen 9 gehalten sind. So wird auch der Permanentmagnet 5 unter dem Block 1 befestigt. Der Kern 6b erstreckt sich nach unten in einen Polschuh 6c, der von der Platte 4 vorspringt und mit der anzuhebenden Last in Berührung kommen soll.
Die Polung der Ferritblöcke 6a ist deutlich in Fig. 2 gezeigt, wonach an allen Seiten der Nordpol dem Kern 6b zugewandt ist und der Südpol nach außen weist.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf die Magnete 5, 6 auf der linken Seite des in Fig. 1 gezeigten Hebers, d. h. auf diejenigen, die in dem Halbschnitt sichtbar sind. Zum Schließen der durch die Pfeile angegebenen magnetischen Kreise ist ein weiterer Elektropermanentmagnet in geeigneter Weise mit umgekehrten Polungen in der rechten Hälfte des Hebers angeordnet. Mit anderen Worten gibt es dort einen zweiten reversierbaren Magneten 6' mit dem Südpol an der Oberseite und dem Nordpol an der Unterseite. Der zweite Permanentmagnet 6' hat ebenfalls mehrere Ferritblöcke 6a', die mit ihren Südpolen dem Kern 6b' zugewandt und mit ihren Nordpolen nach außen weisend angeordnet sind (siehe Fig. 2).
Diese Magnetanordnung erzeugt ein Magnetfeld mit drei Scharen von Flußlinien, die im wesentlichen in der durch die Pfeile in Fig. 1 angegebenen Richtung orientiert sind. Die mittlere Schar dieser Flußlinien verläuft durch die beiden reversierbaren Magnete 5, 5', die beiden Kerne 6b, 6b' und die dazwischen angeordneten Ferritblöcke 6a, 6a', sowie durch gewisse Teile der äußeren Tragstruktur. Die beiden seitlichen Scharen von Flußlinien verlaufen dagegen nur durch einen der reversierbaren Magnete 5, 5', einen der Kerne 6b, 6b' und die Ferritblöcke 6a, 6a', die zwischen einem dieser Kerne und den Seiten 3 angeordnet sind. Diese miteinander verketteten Flußlinien verlaufen im Inneren des Hebers, so daß eine dicht an den Polschuhen 6c, 6c' angeordnete ferromagnetische Last nicht durch den Heber angezogen würde.
Die Einstell- und Steuerschaltungen umfassen wenigstens eine Steuerschaltung 10 für die Umpolspule 5b, einen ersten Magnetsensor 11 und einen zweiten Magnetsensor 12, die über beziehungsweise unter den Ferritblöcken 6a angeordnet sind, sowie wenigstens eine Sicherheitsvorrichtung 13 zur Verarbeitung von Signalen der Sensoren 11 und 12. Der untere Magnetsensor 11 besteht zum Beispiel aus einer Spule, deren Windungen die Basis des Kerns 6b umgeben, um den mit der Last gekoppelten Fluß zu messen. Der obere Magnetsensor 12, der zum Beispiel aus einer weiteren Spule besteht, deren Windungen den oberen Teil des Kerns 6b umgeben, ist der innovative Aspekt des vorliegenden Hebers, da er es ermöglicht, allein den Beitrag des reversierbaren Magneten 5 zu messen, wie nachstehend erläutert wird.
Gemäß Fig. 3 hat die Magnetisierungskurve, die die Beziehung zwischen der Rest-Induktion Br und der Koerzitivfeldstärke He angibt, je nach Magnettyp des Hebers zwei unterschiedliche Charakteristiken. Insbesondere hat die Magnetisierungskurve 14 der reversierbaren Magnete 5, 5' anders als die Kurve 15 der Permanentmagnete 6, 6' ein recht kurzes lineares Segment 16 zwischen dem "Knie" 17 und der Achse der Rest-Induktion Br, die einem Nullpegel der Koerzitivfeldstärke He entspricht. Jenseits des "Knies" 17 verläuft die Magnetisierungskurve 14 sehr steil und zeigt eine Hysterese, wodurch, wenn der Arbeitspunkt des Hebers zufällig in diesen Bereich gelangt, seine Hubkraft instabil wird, weil sich die Rest-Induktion Br bei geringen Variationen der Feldstärke Hc schnell ändert und weil außerdem aufgrund der magnetischen Hysterese keine eindeutige Beziehung zwischen diesen beiden Größen besteht.
Gemäß Fig. 4 kann eine ferromagnetische Last 18 durch den Heber gemäß der vorliegenden Erfindung angezogen werden, indem sie in die Nähe der Polschuhe 6c, 6c' gebracht wird und indem die Polaritäten der reversierbaren Magnete 5, 5' mit Hilfe der jeweiligen Umpolspulen umgekehrt werden. Somit sind die magnetischen Flußlinien nicht mehr in der in Fig. 1 gezeigten Weise mit denjenigen der Permanentmagnete 6a, 6a' verkettet. Statt dessen verlaufen sämtliche Flußlinien durch die Last 18, weil Dank der speziellen Magnetanordnung der magnetische Kreis gezwungen wird, aus den Polschuhen 6c auszutreten und in die Polschuhe 6c' zurückzukehren. Auch in diesem Fall wird ein Magnetfeld erzeugt, das drei Scharen von Flußlinien aufweist, die jedoch im wesentlichen in der durch die Pfeile in Fig. 4 angegebenen Richtung orientiert und somit konzentrisch sind.
Insbesondere ist zu bemerken, daß die Flußlinien, die durch die reversierbaren Magnete 5, 5' gehen, nicht durch die Ferritblöcke 6a, 6a' verlaufen, und somit nicht durch deren Magnetfeld beeinflußt werden. Deshalb erfassen die Sensoren 12 die Stärke des magnetischen Flusses, der nur durch die reversierbaren Magnete erzeugt wird, wohingegen die Sensoren 11 auch den Beitrag der Ferritblöcke 6a, 6a' erfassen.
Die Sicherheitsvorrichtung 13 umfaßt in der vorliegenden Ausführungsform eine elektronische Schaltung, die durch einen Mikroprozessor gesteuert wird, der als Eingangssignale die von den Sensoren 11 und 12 übermittelten und anschließend verstärkten und in digitale Form umgewandelten Signale erhält. Die Vorrichtung 13 verarbeitet die Signale der Sensoren 11 und 12, um die gesamte magnetische Kraft der Elektropermanentmagnete sowie den Arbeitspunkt der reversierbaren Magnete 5, 5' auf der Kurve 14 zu erfassen. Durch Vergleich dieser Werte miteinander kompensiert die Vorrichtung 13 die Differenz zwischen dem von den Sensoren 11 gemessenen magnetischen Fluß und dem magnetischen Fluß, der tatsächlich durch die Last 18 verläuft. Eine solche Differenz resultiert aus den Dispersionen des magnetischen Flusses infolge des Luftspaltes A, d. h. infolge der Schwankungen des Abstands zwischen der Last 18 und den Polschuhen 6c, 6c'. In Fig. 4 sind auf der linken Seite die Flußlinien durch den Luftspalt A (vergrößert) unter Realbedingungen gezeigt, d. h., mit den Dispersionseffekten, und auf der rechten Seite dieselben Flußlinien unter Idealbedingungen, d. h. ohne die Dispersionseffekte.
Dank der über den Permanentmagneten angeordneten Sensoren 12 ermittelt die Vorrichtung 13 den Arbeitspunkt der reversierbaren Magnete 5, 5' auf der Kurve 14 in Fig. 3 und berechnet demgemäß nacheinander die Größe des Luftspaltes 4, den Wert der Induktion Br, die magnetische Kopplung mit der Last 18 und schließlich die effektive magnetische Kraft, die auf die letztere wirkt. Die Software der Sicherheitsvorrichtung 13 umfaßt somit einen speziellen Algorithmus, der in der Lage ist, die Meßwerte der Sensoren 11 automatisch zu korrigieren, um die Fehler aufgrund der infolge des Luftspaltes 4 dispergierten magnetischen Flüsse zu eliminieren.
Sollte die auf die Last 18 wirkende effektive magnetische Kraft nicht ausreichen, um diese Last anzuheben, oder sollte der Arbeitspunkt der reversierbar en Magnete 5, 5' nicht auf dem linearen Segment 16 liegen, würde die Vorrichtung 13 die Risikosituation sofort mit Hilfe eines optischen oder akustischen Alarmsignals oder dergleichen an das Bedienungspersonal melden.
Natürlich ist die oben beschriebene und dargestellte Ausführungsform des Hebers gemäß der Erfindung nur ein Beispiel, das verschiedenen Abwandlungen zugänglich ist. Insbesondere kann das Material, aus dem die Magnete hergestellt sind, je nach Anforderungen an den Heber variieren. Zum Beispiel können die Permanentmagnete aus Neodym oder anderen seltenen Erden hergestellt sein.
Ebenso selbstverständlich können die Magnetsensoren 11 und 12 in einer anderen Ausführungsform des Hebers gemäß der Erfindung anstelle von Spulen auch andere Arten von Sensoren, z. B. Halleffekt-Sensoren aufweisen.

Claims

1. Ein Heber mit wenigstens einem reversierbaren Magneten (5, 5'), der über wenigstens einem Magneten (6, 6') angeordnet ist, der einen längs einer waagerechten Achse polarisierte Permanentmagnete (6a) an den Seiten wenigstens eines ferromagnetischen Kerns (6b, 6b') aufweist, der geeignet ist, mit der anzuhebenden Last (18) in Berührung zu kommen, und mit wenigstens einem Magnetsensor (11), der in der Nähe der Basis (6c, 6c') des ferromagnetischen Kerns angeordnet ist, sowie mit einem weiteren Magnetsensor (12) und einer Sicherheitsvorrichtung (13) zum Verarbeiten der von den Magnetsensoren (11, 12) übermittelten Signale und zur Ermittlung des Arbeitspunktes des Hebers auf der Magnetisierungskurve (14) des reversierbaren Magneten (5, 5'), dadurch gekennzeichnet, daß der reversierbare Magnet (5, 5') längs einer vertikalen Achse gepolt ist, der Magnet (6, 6') wenigstens einen weiteren Permanentmagneten (6a') aufweist, wobei diese Permanentmagnete (6a, 6a') an den Seiten des ferromagnetischen Kerns (6b, 6b') längs einer waagerechten Achse gepolt sind, und daß der weitere Magnetsensor (12) über den Permanentmagneten (6a, 6a') angeordnet ist, um im wesentlichen nur den magnetischen Fluß zu messen, der durch den reversierbaren Magneten (5, 5') hindurchgeht.

2. Ein Heber nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei reversierbare Magnet (5, 5') aufweist, die längs einer vertikalen Achse entgegengesetzt zueinander gepolt sind, über einem Magneten (6, 6') mit mehreren Permanentmagneten (6a, 6a'), die an den Seiten eines ferromagnetischen Kerns (6b, 6b') längs einer waagerechten Achse gepolt sind, wobei die von den reversierbaren Magneten (5, 5') erzeugten magnetischen Flüsse miteinander verkettet sind.

3. Ein Heber nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß er einen an der Basis eines jeden von zwei ferromagnetischen Kernen (6b, 6b') angeordneten Magnetsensor (11) und einen weiteren Magnetsensor (12) aufweist, der zwischen jedem der beiden reversierbaren Magnete (5, 5') und den ihnen zugeordneten Permanentmagneten (6a, 6a') angeordnet ist.

4. Ein Heber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der reversierbaren Magnete (5, 5') aus einer Metallegierung hergestellt ist, die Aluminium, Nickel und Kobalt enthält.

5. Ein Heber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das wenigstens einer der Magnetsensoren (11, 12) eine Spule aufweist, deren Windungen einen Teil der ferromagnetischen Kerne (6b, 6b') umgeben.

6. Ein Heber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Magnetsensoren (11, 12) einen Halleffekt-Sensor aufweist.

7. Ein Heber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reversierbaren Magnete (5, 5') und die Permanentmagnete (6a, 6a') im Inneren einer magnetisch hochleitfähigen Struktur (1, 3, 4) untergebracht sind, von deren Basis die ferromagnetischen Kerne (6b, 6b') teilweise vorstehen.

8. Ein Heber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (13) eine elektronische Schaltung aufweist, die durch einen Mikroprozessor gesteuert ist, der als Eingangssignale die von den Magnetsensoren (11, 12) übermittelten und in digitale Form umgewandelten Signale aufnimmt.

9. Ein Heber nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (13) den durch die angehobene Last (18) gehenden magnetischen Fluß berechnet, der von der Differenz der durch die Magnetsensoren (11, 12) erfaßten Werte abhängig ist.

10. Ein Heber nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (13) eine Alarmeinrichtung aufweist, die automatisch aktiviert wird, wenn der Arbeitspunkt des Hebers auf der Magnetisierungskurve (14) der reversierbaren Magnete (5, 5') nicht in dem linearen Segment (16) zwischen dem Knie (17) und der Achse der Rest-Induktion (Br) liegt, die einem Nullpegel der Koerzitivfeldstärke (Hc) entspricht.