EP2482293A2 - Vorrichtung zum Betrieb eines Hubmagnets - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hubmagnets (1) und umfasst einen aus magnetisierbarem Material bestehenden Anker (3), welcher vollständig oder teilweise in einer bestrombaren Spule (4) geführt ist und durch Aufmagnetisieren in der Spule (4) bewegbar ist. Der Anker (3) ist gegen einen Endanschlag geführt. Eine Endlage des Ankers (3) wird durch Erfassen einer Unstetigkeitsstelle des Verlaufs des Spulenstroms, welche durch ein Rückfedern des Ankers (3) vom Endanschlag verursacht ist, bestimmt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hubmagnets.
• Hubmagnete bilden generell Stellelemente, welche in unterschiedlichen industriellen Applikationen einsetzbar sind. Ein derartiger Hubmagnet umfasst generell einen Anker aus magnetisierbarem Material und eine Spule, die bestrombar ist, das heißt mit einem Spulenstrom durchflossen ist. Der Anker bildet ein linear bewegliches Element, wobei der Anker mit seinem magnetisierbaren Material je nach aktueller Position völlig oder teilweise von der Spule umschlossen ist. Durch die stromdurchflossene Spule erfolgt ein Aufmagnetisieren des Ankers. Dadurch entstehen Anziehungskräfte zwischen Spule und Anker, welche dazu führen, dass der Anker entlang der Feldlinien des Magnetfelds der Spule beschleunigt wird, so dass der Anker eine Linearbewegung ausführt.
• Die Bewegung des Ankers erfolgt typischerweise zwischen definierten Endlagen. Typischerweise erfolgt die Bestimmung der Endlage mittels einer geeigneten Sensorik. Hierzu sind insbesondere in den Endlagen geeignete Endschalter vorgesehen. Nachteilig hierbei ist, dass zur Bestimmung der Endlagen generell sogenannte Sensorelemente erforderlich sind, was den Installations-und Kostenaufwand in unerwünschter Weise erhöht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels derer eine kostengünstige und gleichzeitig zuverlässige Endlagenerfassung ermöglicht wird.
• Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Betrieb eines Hubmagnets und umfasst einen aus magnetisierbarem Material bestehenden Anker, welcher vollständig oder teilweise in einer bestrombaren Spule geführt ist und durch Aufmagnetisieren in der Spule bewegbar ist. Der Anker ist gegen einen Endanschlag geführt. Eine Endlage des Ankers wird durch Erfassen einer Unstetigkeitsstelle des Verlaufs des Spulenstroms, welche durch ein Rückfedern des Ankers vom Endanschlag verursacht ist, bestimmt.
• Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass eine sensorlose Endlagenerkennung ermöglicht wird. Da keine Sensorik, insbesondere keine Endschalter zur Endlagenerkennung benötigt werden, kann diese mit einem geringen Kostenaufwand durchgeführt werden.
• Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die zur Endlagenerfassung erforderliche Strommessung rückwirkungsfrei für den Spulenstrom durchgeführt werden kann, so dass die Leistungsdaten, insbesondere die Zugkraft des Hubmagnets, nicht beeinträchtigt werden. Insbesondere muss zur Bestimmung der Endlagenerfassung die am Hubmagnet anliegende Spannung nicht moduliert werden. Damit wird eine Reduzierung dieser Spannung und eine dadurch bedingte Verminderung der Zugkraft des Hubmagnets vermieden.
• Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Detektion der Endlage das charakteristische Verhalten des Aufpralls des Ankers an Endanschlägen selbst ausgenutzt wird, so dass zur Endlagenerfassung keine zusätzlichen Maßnahmen wie das Vorsehen einer Sensorik oder einer Veränderung, insbesondere Modulation der Spannung am Hubmagnet, vorgesehen werden müssen.
• Bei der vorliegenden Erfindung wird dabei der Umstand ausgenutzt, dass es bei Aufprall des Ankers auf dem Endanschlag bedingt durch die vorherige Beschleunigung und aufgrund der Impulserhaltung zwangsläufig zu einem oder zu einem mehrfachen Rückfedern des Ankers kommt. Dieses Rückfedern bewirkt eine Gegeninduktion innerhalb der Spule, welche dem Spulenstrom, der den Anker treibt, entgegengesetzt ist. Durch die Gegeninduktion verringert sich kurzfristig der Stromfluss durch die Spule. Dieser kurzfristige Einbruch wird als Unstetigkeitsstelle im zeitlichen Verlauf des Spulenstroms erfasst und als direktes Maß für die Endlage ausgewertet. Damit kann die Endlage mit geringem Aufwand genau und zuverlässig bestimmt werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das damit durchgeführte Verfahren kann für eine große Bandbreite von Applikationen für Hubmagnete eingesetzt werden. Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet ist der Einsatz des Hubmagnets bei Torantrieben, wie Antrieben für Garagentore, Drehtore oder Schiebetore. Besonders vorteilhaft wird dabei der Hubmagnet zur Sperrung einer oder mehrerer Bewegungsrichtungen des Torantriebs eingesetzt. Ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet ist der Bereich der Schiebetore, wo der Hubmagnet mit einem Antriebsritzel in einer Endlage in Eingriff gebracht wird, wenn die Bewegung des Torantriebs gesperrt werden soll.
• In diesem Fall weist der Anker an seinem Vorderende eine Verlängerung in Form eines Stößels auf, wobei das Antriebsritzel gesperrt ist, indem der Stößel mit diesem in Eingriff ist. Der Anker ist in einem Gehäuse geführt. Der Endanschlag ist vom Boden des Gehäuses gebildet, gegen welches das hintere Ende des Ankers geführt ist.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zusätzlich auch Fehlfunktionen des Hubmagnets detektierbar. Eine solche Fehlfunktion liegt vor, wenn der Hubmagnet an einem Objekt verklemmt. Im Fall des Einsatzes der Vorrichtung an einem Schiebetor ist das Objekt von Antriebsritzel gebildet. Dann bleibt ein Rückfedern des Hubmagnets aus, was am Verlauf des Spulenstroms detektiert werden kann. Bei Auftreten einer derartigen Fehlfunktion können dann geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Beispielsweise kann der Anker des Hubmagnets gezielt bewegt werden, um die Verklemmung des Ankers zu lösen. Bei Fehlschlagen dieser Maßnahme kann eine Warn- oder Fehlermeldung ausgegeben werden. Insbesondere wird ein Starten des Antriebs für das Schiebetor gesperrt.
• Besonders vorteilhaft wird zur Bestimmung der Endlage des Ankers zusätzlich die Anstiegszeit des Spulenstroms gegen einen Grenzwert bestimmt. Der Grenzwert ist durch den ohmschen Anteil der Spulenimpedanz bestimmt.
• Damit wird die Endlage auf zwei verschiedene Weisen bestimmt, wodurch die Detektionssicherheit bei der Endlagenbestimmung erhöht wird. Ein weiterer Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass dann auch bei Verklemmen des Ankers am Antriebsritzel und damit bei Ausbleiben der charakteristischen Unstetigkeit des Verlaufs des Spulenstroms die Endlage trotzdem noch erfasst werden kann.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dem Anker eine Feder als mechanisches Rückstellelement zugeordnet. Insbesondere drückt die Feder im stromlosen Zustand der Spule den Anker mit dem Stößel gegen das Antrieb sritzel.
• Die Feder erfüllt somit eine Sicherungsfunktion, da sie mechanisch den Anker in der Endlage hält, auch wenn die Spule nicht bestromt ist.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1:

Darstellung eines Hubmagnets zur Sperrung der Bewegung eines Antriebsritzels.

Figur 2:

Schaltbild für den Hubmagnet gemäß Figur 1.

Figur 3:

Zeitlicher Verlauf des Spulenstroms des Hubmagnets gemäß Figur 1 bei fehlerfreiem Einfahren des Hubmagnets in eine Endlage.

Figur 4:

Zeitlicher Verlauf des Spulenstroms des Hubmagnets gemäß Figur 1 bei am Antriebsritzel festgeklemmtem Anker des Hubmagnets.

• Figur 1 zeigt schematisch die Komponenten eines Hubmagnets 1, der zur Sperrung der Bewegung eines Antriebsritzels 2 eingesetzt wird, wobei das Antriebsritzel 2 vorteilhaft Bestandteil eines Torantriebs für ein Schiebetor ist. Der Hubmagnet 1 weist einen Anker 3 auf, der einen Ferritkern 3a oder allgemein ein Segment aus magnetisierbarem Material aufweist. Der Ferritkern 3a ist je nach Position des Ankers 3 ganz oder teilweise in einer Spule 4 geführt, die ebenfalls Bestandteil des Hubmagnets 1 ist. Der Anker 3 weist weiterhin einen Stößel 3b auf, der in axialer Richtung an das Vorderende des Ferritkerns 3a anschließt. Zur Sperrung der Bewegung des Antriebsritzels 2 wird der Stö-βel 3b des Ankers 3 in Eingriff mit diesem gebracht. Durch Bestromung der Spule 4 wird der Ferritkern 3a des Ankers 3 aufmagnetisiert. Dadurch entstehen Anziehungskräfte zwischen Spule 4 und Anker 3, welche dazu führen, dass der Anker 3 entlang der Feldlinien des mit der Spule 4 erzeugten Felds beschleunigt wird und so eine lineare Bewegung ausführt, die in Figur 1 mit einem Pfeil gekennzeichnet ist. Somit kann der Stößel 3b vom Antriebsritzel 2 wegbewegt werden, wenn die Bewegung des Antriebsritzels 2 freigegeben werden soll. Ebenso kann der Stößel 3b auf das Antriebsritzel 2 so zubewegt werden, bis der Stößel 3b in seiner Endlage in Eingriff mit dem Antriebsritzel 2 ist und so die Bewegung des Antriebsritzels 2 sperrt. Hierzu dient eine am Hubmagnet 1 angeordnete Feder 5, die als mechanisches Sicherungselement den Stößel 3b auch bei nicht bestromter Spule 4 gegen das Antriebsritzel 2 drückt.
• Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist der Anker 3 innerhalb eines Gehäuses 6 geführt. Das Gehäuse 6 weist einen Boden 6a auf, der einen Endanschlag für das hintere Ende des Ankers bildet.
• Figur 2 zeigt das Ersatzschaltbild des Hubmagnets 1 gemäß Figur 1 mit Komponenten zu dessen Ansteuerung beziehungsweise Auswertung. Da der Ferritkern 3a teilweise aus der Spule 4 herausgeführt werden kann, bildet der Hubmagnet 1 eine Reihenschaltung aus einer Luftspule mit der Induktivität L_L und einer Spule 4 mit Ferritkern 3a mit einer Induktivität L_A. Weiterhin weist die Spule 4 des Hubmagets einen ohmschen Impedanzanteil auf, bezeichnet in Figur 2 mit dem Spulenwiderstand R_S. Je nach Position des Ferritkerns 3a relativ zur Spule 4 ändert sich das Verhältnis der Induktivitäten L_A, L_L. Der Spulenwiderstand R_S bleibt dabei unverändert. Er weist lediglich eine Temperaturabhängigkeit auf.
• Figur 2 zeigt weiter eine Spannungsversorgung V für den Hubmagnet 1 sowie analoge Schaltungskomponenten zur Ansteuerung des Hubmagnets 1, in Form eines Transistors 7 einer Diode 8 und mehrerer Widerstände 9, 10. Insbesondere zur Bestimmung der Endlage des Hubmagnets 1 wird der Spulenstrom der Spule 4 ausgewertet. Der Spulenstrom wird über eine Strommesseinrichtung erfasst. Diese kann von einer Hallsonde gebildet sein. Im vorliegenden Fall ist die Strommesseinrichtung von einem Shunt gebildet, das heißt dem Widerstand 10. Der Spulenstrom wird mittels eines Verstärkers 11 verstärkt und dann über eine Zuleitung 12, an welche ein Kondensator 13 geschaltet ist, einer Auswerteeinheit 14 zugeführt.
• Die Auswerteeinheit 14 ist im vorliegen Fall von einer digitalen Logik gebildet, beispielsweise von einem Mikroprozessor oder einem FPGA. Prinzipiell kann die Auswerteeinheit 14 auch von einem analogen Schaltkreis gebildet sein.
• Mit dem Hubmagnet 1 wird die Bewegung des Antriebsritzels 2 des Torantriebs freigegeben oder gesperrt. Hierzu wird der Anker 3 des Hubmagnets 1 durch einen geeigneten Spulenstrom in der Spule 4 in eine entsprechende Position gebracht. Ist der Anker 3 vom Antriebsritzel 2 abgehoben, ist die Bewegung des Antriebsritzels 2 und damit die Bewegung des mit dem Torantrieb angetriebenen Schiebetors freigegeben.
• Um die Bewegung des Antriebsritzels 2 zu sperren, wird durch die Feder 5 der Stößel 3b gegen das Antriebsritzel 2 gedrückt, wodurch das Antriebsritzel 2 blockiert ist. Die Erfassung dieser Endlage erfolgt sensorlos anhand der Auswertung des Spulenstroms in der Auswerteeinheit 14.
• Der zeitliche Verlauf des Spulenstroms ist in Figur 3 dargestellt. Dort ist der mit I bezeichnete Spulenstorm in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
• Durch eine Bestromung der Spule 4 wird der Anker 3 aus seiner Ruheposition, in welcher der Stößel 3b das Antriebsritzel 2 blockiert, herausgefahren, bis der Anker 3 mit seinem hinteren Ende gegen den Endanschlag, das heißt den Boden 6a des Gehäuses 6 gefahren ist. Der Spulenstrom steigt dabei ausgehend vom Wert I_min im wesentlichen exponentiell an und nähert sich dann einem Maximalwert I_max nachdem der Anker 3 die Endlage erreicht, das heißt der Anker 3 gegen den Endanschlag gefahren ist.
• Bei fehlerfreier Verriegelungsfunktion des Hubmagnets 1 prallt der Anker 3, nachdem der Stößel 3b durch die Bestromung der Spule von Antriebsritzel 2 gelöst wird, in der Endlage gegen den Endanschlag am Gehäuse 6 auf und federt einmal oder mehrmals von diesem zurück. Das Rückfedern des Ankers 3 vom Antriebsritzel 2 beruht auf der Impulserhaltung, da der Anker 3 mit endlicher Geschwindigkeit auf den Endanschlag aufprallt. Die Feder 5 sorgt dann dafür, dass nach dem Rückfedern des Ankers 3 dieser wieder gegen das Antriebsritzel 2 geführt wird.
• Der Aufprallvorgang auf den Endanschlag und das Rückfedern des Ankers 3 werden zur Bestimmung der Endlage des Ankers 3 herangezogen. Vor Einfahren gegen den Endanschlag ist der Ferritkern 3a des Ankers 3 noch nicht vollständig in der Spule 4. Befindet sich der Anker 3 am Endanschlag, ist der Ferritkern 3a nahezu vollständig in der Spule 4. Durch das Rückfedern des Ankers 3 wird der Ferritkern 3a kurzfristig etwas aus der Spule 4 herausgeführt. In der Spule 4 kommt es bei diesem Rückfedern zu einer Gegeninduktion in der Spule 4, die der Ursache, das heißt dem treibenden Spulenstrom, entgegengesetzt ist. Dadurch ergibt sich bei Aufprallen des Ankers 3 auf dem Antriebsritzel 2 zur Zeit t₁ ein kurzfristiger Einbruch des Spulenstroms (Figur 3), der als Maß für die Endlage mit der Strommesseinrichtung erfasst und in der Auswerteeinheit 14 ausgewertet wird. Damit kann die Endlage des Ankers 3 im fehlerfreien Betrieb der Verriegelung des Antriebsritzels 2 mittels des Hubmagnets 1 exakt bestimmt werden.
• Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms für den Fall, dass nach Einfahren des Ankers 3 in die Endlage der Stößel 3b am Antriebsritzel 2 festklemmt. Dies bedeutet eine Fehlfunktion, da dazu der Anker 3 des Hubmagnets 1 nicht mehr oder nur durch zusätzliche Maßnahmen wieder vom Antriebsritzel 2 gelöst werden kann, beispielsweise durch ein Rütteln des Stößels 3b, dass durch eine gezielte Ansteuerung des Antriebs bewirkt wird.
• Diese Fehlfunktion kann mit der Strommesseinrichtung und der nachgeordneten Auswerteeinheit 14 dadurch detektiert werden, dass der lokale Einbruch des Spulenstroms in der Endlage des Ankers 3 ausbleibt, da bedingt durch das Festklemmen am Antriebsritzel 2 kein Rückfedern des Ankers 3 mehr erfolgt.
• Nach Detektion der Fehlfunktion können über die Auswerteeinheit 14 und/oder bedienergeführt Gegenmaßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann erneut versucht werden, die Spule 4 zu bestromen, um den Anker 3 vom Antriebsritzel 2 zu lösen. Zusätzlich oder alternativ kann von der Auswerteeinheit 14 eine Warn- oder Fehlermeldung ausgegeben werden. Insbesondere wird ein Start des Antriebs unterbunden.
• Um auch bei der Fehlfunktion des Festklemmens des Ankers 3 am Antriebsritzel 2 die Endlage des Ankers 3 zu bestimmen, wird diese zusätzlich durch eine Auswertung des Anstiegs des Spulenstroms nach Erreichen der Endlage ausgewertet. Dabei wird vorteilhaft in der Auswerteeinheit 14 die Anstiegszeit des Spulenstroms bis zum Erreichen seines oberen Grenzwerts I_max bestimmt. Dieser Grenzwert ist durch den ohmschen Anteil der Spulenimpedanz bestimmt.
Bezugszeichenliste

(1)

Hubmagnet

(2)

Antriebsritzel

(3)

Anker

(3 a)

Ferritkern

(3b)

Stößel

(4)

Spule

(5)

Feder

(6)

Gehäuse

(6a)

Boden

(7)

Transistor

(8)

Diode

(9)

Widerstand

(10)

Widerstand

(11)

Verstärker

(12)

Zuleitung

(13)

Kondensator

(14)

Auswerteeinheit

(V)

Spannungsversorgung

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Betrieb eines Hubmagnets (1), mit einem aus magnetisierbarem Material bestehenden Anker (3), welcher vollständig oder teilweise in einer bestrombaren Spule (4) geführt ist und durch Aufmagnetisieren in der Spule (4) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) gegen einen Endanschlag geführt ist, und dass eine Endlage des Ankers (3) durch Erfassen einer Unstetigkeitsstelle des Verlaufs des Spulenstroms, welche durch ein Rückfedern des Ankers (3) vom Endanschlag verursacht ist, bestimmt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Anker (3) eine Feder (5) als mechanisches Rückstellelement zugeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung des Verlaufs des Spulenstroms ein Verklemmen des Ankers (3) detektierbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Endlage des Ankers (3) zusätzlich die Anstiegszeit des Spulenstroms gegen einen Grenzwert bestimmt wird, wobei der Grenzwert durch den ohmschen Anteil der Spulenimpedanz bestimmt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Spulenstroms eine Strommesseinrichtung vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Strommesseinrichtung eine Hallsonde oder ein Widerstandselement vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Strommesseinrichtung bestimmte Spulenstrom in einer Auswerteeinheit (14) auswertbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (14) von einem analogen Schaltkreis oder einer digitalen Logik gebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) an seinem Vorderende eine Verlängerung in Form eines Stößels (3b) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubmagnet zur Sperrung eines Antriebsritzels (2) eines Antriebs ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein Torantrieb, insbesondere ein Schiebetorantrieb ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsritzel (2) gesperrt ist, in dem der Stößel (3b) in Eingriff mit diesem ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (5) im stromlosen Zustand der Spule (4) den Anker (3) mit dem Stößel (3b) gegen das Antriebsritzel (2) drückt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) in einem Gehäuse (6) geführt ist, wobei der Endanschlag vom Boden (6a) des Gehäuses (6) gebildet ist, gegen welches das hintere Ende des Ankers (3) geführt ist.

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