DE2930995C3 - Elektromagnetischer Hubmagnet mit Hublagenerkennung - Google Patents
Elektromagnetischer Hubmagnet mit HublagenerkennungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Hubmagneten mit Hublagenerkennung, mit einer von
einem Magnetfluß-Rückschluß umgebenen Arbeitswicklung und einem innerhalb der Arbe.tswicklung
angeordneten und diese an einem Ende axial überragenden, weichmagnetischen Ankerführungsteil, in dem ein
gegen eine axiale Federkraft wirkender Anker verschiebbar angeordnet ist, wobei der Ankerführungsteil
im Bereich des Hubes der beiden Enden des Ankers von je tiner unmagnetischen Trennfuge unterbrochen ist,
von denen die außerhalb der Arbeitswicklung angeordnete Trennfuge von einer Meßspule mit einem
Megnetfluß-Rückschlußteil umgeben ist, die mit Wech-
2ü selspannung gespeist ist und deren induktiver Widerstand von der Hublage des Ankers abhängt.
Ein Hubmagnet dieser Gattung zählt gemäß der nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Patentanmeldung
P 28 54 965.7 zum Stand der Technik. Dieser Hubmagnet, der vorzugsweise zur Betätigung von Stellgliedern,
beispielsweise zur Ventilbetätigung in der Hydraulik einsetzbar ist, hat den Vorteil, daß die Hublagenerkennung
in den Hubmagneten integriert ist und dessen axiale Baulänge kaum vergrößert. Dies wird vor allem
dadurch erreicht, daß der Anker des Hubmagneten gleichzeitig als Anker der Meßspule dient.
Zur Hublagenerkennung wird die Meßspule mit einer Wechselspannung gespeist und der sich je nach der
Hublage des Ankers ändernde induktive Widerstand der Meßspule gemessen. Da der induktive Widerstand
der Meßspule einen Temperaturgang aufweist, ergeben sich Meßungenauigkeiten auf Grund der je nach
Einschaltdauer unterschiedlichen Wärmeerzeugung der Arbeitswicklung, die zu der unmittelbar anschließenden
<o Meßspule geleitet wird.
In der Patentanmeldung P 28 54 965.7 ist angegeben,
daß der Temperaturgang durch eine zusätzlich auf den Spulenkörper der Meßspule gewickelte bifilare Spule,
die den Magnetfluß nicht beeinflußt, bestimmt und elektronisch kompensiert werden kann. Die in dieser
Weise durchgeführte Kompensation des Temperaturgangs ist jedoch aufwendig.
Aus der FR-PS 20 28 272 ist ein elektromagnetischer Hubmagnet mit Hublagenerkennung bekannt, bei dem
die Hublage unter anderen durch die Änderung des induktiven Widerstands einer von Wechselstrom
durchflossenen Spule festgestellt wird, deren magnetischer Kreis durch einen Luftspalt mit von der Hublage
abhängiger Länge mehr oder weniger unterbrochen wird. Dieser bekannte Hubmagnet weist allerdings
keinen in axialer Richtung bewegbaren Anker auf, dessen Relativlage gegenüber dem Hauptteil des
Elektromagneten festgestellt werden soll.
Aus der DE-OS 28 13 752 ist weiter ein Hubmagnet mit Hublagenverstellung bekannt, der einen in axialer
Richtung bewegbaren Anker aufweist. Zur Erkennung bzw. Verstellung der Hublage des Ankers wird aber ein
von einem elektrischen Impulssignalgeber geliefertes Signal verwendet, dessen Impulsdauer die Hublage des
Ankers bestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Hubmagneten der eingangs genannten
Gattung so zu verbessern, daß die unterschied-
liehe Wärmeerzeugung der Arbeitswicklung des Hubmagneten
auf die Genauigkeit der Hublagenerkennung möglichst wenig Einfluß hat. ohne daß dabei die
kompakte integrierte Bauweise von Hubmagnet und Hublagenerkennung aufgegeben werden muß. ί
Diese Aufgabe wird bei einem "ubmagneten der
eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine zweite Meßspule axial gegen die erste
Meßspule versetzt, durch einen radialen scheibenförmigen Abschnitt des Magnetfluß-Rückschlußteils von m
dieser getrennt und axial außerhalb des Bereichs der zweiten Trennfuge angeordnet ist, so daß der induktive
Widerstand der zweiten Meßspule von der Hublage des Ankers nicht abhängt, daß die beiden Meßspulen
gleichen Radius, gleiche Windungszahl sowie gleichen ι ο ohmschen Widerstand aufweisen, daß die beiden
Meßspulen jeweils mit einer konstanten Wechselspannung gleicher Amplitude gespeist sind, daß die die erste
Meßspule speisende Wechselspannung eine konstante Frequenz und die die zweite Meßspule speisende :n
Wechselspannung eine einstellbare Frequenz aufweisen und daß eine Einrichtung zum Vergleich des Wechselstromwiderstands
der beiden Meßspulen vorgesehen ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen _>■-.
angegeben.
Die zweite Meßspule weist gleichen Radius, gleiche Windungszahl und gleichen ohmschen Widerstand und
somit genau den gleichen Temperaturgang wie die erste Meßspule auf. Da die zweite Meßspule in der gleichen so
Weise wie die erste Meßspule auf der Verlängerung des Ankerführungsteils sitzt, ist sie auch der gleichen
Erwärmung durch die Arbeitswicklung des Hubmagneten unterworfen. Ein durch den Temperaturgang der
Meßspule und die unterschiedliche Erwärmung hervor- s> gerufener Meßfehler wird in einfacher Weise dadurch
ausgeschlossen, daß nicht mehr der Widerstand der Meßspule absolut gemessen wird, sondern daß nur die
Widerstände der beiden Meßspulen verglichen werden. Da beide Meßspulen den gleichen Temperaturgang -to
aufweisen, ist die tatsächliche Temperatur ohne Einfluß auf diesen Vergleich und aufwendige Temperaturkompensationen
können entfallen.
Die erste Meßspule wird mit einer konstanten Wechselspannung vorgegebener Amplitude und einer
konstanten Frequenz gespeist. Der induktive Widerstand der ersten Meßspule hängt somit ausschließlich
von der Hublape des Ankers in bezug auf die zweite unmagneiische Trennfuge ab. Die zweite Meßspule liegt
außerhalb des Bereichs dieser zweiten Trennfuge und so ihr Magnetfluß wird durch den zwischen den beiden
Meßspulen angeordneten scheibenförmigen Abschnitt des Rückschlußteils geführt, so daß der induktive
Widerstand der zweiten Meßspule von der Hublage des Ankers unbeeinflußt ist. Die zweite Meßspule wird mit
einer gleich großen konstanten Wechselspannung wie die erste Meßspule gespeist, wobei jedoch die Frequenz
dieser Wechselspannung einstellbar ist.
Der induktive Widerstand der zweiten Meßspule hängt somit ausschließlich von der Frequenz der sie
speisenden Wechselspannung ab. Es besteht somit bei Übereinstimmung der induktiven Widerstände der
beiden Meßspulen eine eindeutige Zuordnung von Hublage des Ankers und Frequenz der die zweite
Meßspule speisenden Wechselspannung.
Dadurch ergibt sich eine einfache und genaue Möglichkeit zur Einstellung der Hublage des Kolbens
bzw. eines durch den Kolben betätigten Stellgliedes. Es wird da/u eine bestimmte Frequenz der die zweite
Meßspule speisenden V/echselspannung als Soll-Wert
vorgegeben. Wird bei dem Vergleich der Widerstünde der beiden Meßspulen eine Abweichung des Widerslands der ersten Meßspule 'on dem der zweiten
Meßspule festgestellt, so wird der Anker durch Änderung der Stromstärke der Arbeilswicklung verschoben,
bis seine Ist-Hublage dem vorgegebenen Soll-Wert entspricht, d. h. die Widerstände der beiden
Meßspulen übereinstimmen.
F.in solcher Vergleich der Widerstände der beiden Meßspulen wird in einfacher Weise durch eine
Brückenschaltung erreicht, wobei das Brückensignal als Regelsignal für die Stromstärke der Arbeitswicklung
verwendet wird.
Um einer Restübergriff des Magnetflusses der Arbeitswicklung auf den Magneikörper der Meßspulen
zu verhindern, sind die Magnetfluß-Rückschlußteile des
Hubmagneten und der Meßspulen vorzugsweise durch einen radialen Spalt voneinander getrennt, der zweckmäßigerweisi·
durch eine unmagnetische Kunsistoffscheibe ausgefüllt ist. um eine ununterbrochene
AiißenoberfHiche zu erhalten.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels nähei erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Seitenansicht eines Hubmagneten mit Hublagenerkennung gemäß der Erfindung, wobei die
obere Hälfte im Axialschnilt dargestellt ist,
F i g. 2 das Schaltungsprinzip der beiden Meßspulen der Hublagenerkennung und
F i g. 3 die Stärke der in beiden Meßspulen fließenden Ströme in Abhängigkeit von der Hublage des Ankers
bzw. von der Frequenz der speisenden Wechselspannung.
Der in Fig. 1 aargestellte Hubmagnet weist einen weichmagnetischen Anker tO auf, mit dem eine
unmagnetische Kolbenstange 12 verbunden ist. Die Kolbenstange wirkt gegen eine Federkraft F auf ein
nicht dargestelltes Stellglied ein. Der Anker 10 wird in einem weichmagnetischen Ankerführungsteil 14 axial
verschiebbar geführt, der als Druckrohr ausgebildet ist. Die Hubbewegung des Ankers 10 wird einerseits durch
das geschlossene Ende des Ankerführungsteils 14 und andererseits durch einen in diesen Ankerführungsteil
eingesetzten Anschlag 16 begrenzt. Eine erste unmagnetische Trennfuge 18 unterbricht den Ankerführungsteil
14 an dem dem Anschlag 16 zugewandten Ende des Hubweges des Ankers 10.
Auf dem Ankerführungsteil 1<* sitzt ein Spulenkörper
20, auf welchen eine Arbeitswicklung 22 gewickelt ist. Ein weichmagnetisches Magnetfluß-Rückschlußteil 28
schließt den Magnetkreis des Ankerführungsteils 14 außen um die Arbeitswicklung 22.
Der Hubmagnet kann mit einer Flanschplatte mittels Befestigungsschrauben unmittelbar an einem hydraulischen
System angebaut werden. Bohrungen in dem Anschlag 16 und dem Anker 10 ermöglichen den Eintritt
des unter Druck stehenden Hvdraulikfluids auf beide Seiten des Ankers 10. In das von der Kolbenstange 12
abgewandte geschlossene Ende des Ankerführungsteils 14 ist ein Handbetätigungsbolzen 34 eingesetzt.
Ein axial vorspringender Ansatz 36 des Ankers 10 mit einer für die Führung des Magnetflusses ausreichenden
radialen Dicke ragt über den Magnetfluß-Rückschlußteil 28 axial hinaus. Ebenso ist der Ankerführungsteil 14
über den Magnetfluß-Rückschlußteil 28 hinaus axial verlängerbar.
Auf der axialen Verlängerung des AnkerführungMeils
14 sitzt eine erste Meßspule 24 und axial an diese anschließend eine zweite Meßspule 24,7. Der Ankerlührungstcil
14 weist im Bereich der ersten Meßspule 24 eine zweite unmagnetische Trennfuge 44 auf. Kin
Magnetfluß-Rückschlußlcil 42 schließt den Magnelkreis der Meßspulen 24 und 24.). Der Magnetfluß-Rü-:kschlußteil
42 ist an seiner der Arbeitswicklung 22 zugewandten Stirnfläche 45 durch einen mil einer
radialen Kunststoffscheibc 48 ausgefüllten Spall von
dem Magnetfluß-Rückschlußteil 28 der Arbeitswicklung
22 getrennt.
Dadurch wird ein Übergreifen des Magnetflusses der Arbeitswicklung 22 auf den Magnetfluß Φ der
Meßspulen 24, 24a vermieden. Ein radialer scheibenförriiiger
Abschnitt 46 des Magnetfluß-Rückschlüßteils 42
trennt die Meßspulen 24 und 24a voneinander. Dieser radiale Abschnitt 46 und die zweite Meßspule 24a
befinden sich axial außerhalb des Bereichs der zweiten Trennfuge 44, so daß der Magnetfluß der zweiten
Meßspule 24a durch diesen radialen Abschnitt 46 verläuft und durch die Trennfuge 44 nicht beeinflußt
wird.
In I" i g. 2 ist die Schaltung der Meßspulen 24 und 24a
im Prinzip dargestellt.
Die erste Meßspule 24 ist mit einem ohmsehen Widerstand R in Reihe geschaltet. Ebenso ist die zweite
Meßspule 24a mit einem ohmschen Widerstand R gleicher Größe in Reihe geschaltet. Die Verbindungspunkte der ersten Meßspule 24 und des zugehörigen
ohmschen Widerstands R einerseits und der zweiten Meßspule 24a und des zugehörigen ohmschen Widerstands
R sind durch eine Meßbrücke 50 miteinander verbunden. Die Reihenschaltung der ersten Meßspule
24 und des ohmschen Widerstands R wird mit einer konstanten Wechselspannung U: konstanter Frequenz
/Ί gespeist. Der induktive Widerstand der ersten
Meßspule 24 ist veränderlich und hängt davon ab. wie weit die zweite unmagnetische Trennfuge 44 durch den
Anker 10 überbrückt wird, d. h. von der durch die Stromstärke der Arbeitswicklung 22 abhängigen Hublage
des Ankers 10.
Die Reihenschaltung aus zweiter Meßspule 24a und ohmschem Widerstand R wird mit einer konstanten
Wechselspannung U2 gespeist, die in der Amplitude mit
der Spannung U1 übereinstimmt. Die Frequenz /ί dieser
Wechselspannung U2 ist einstellbar. Der Widerstand der
zweiten Meßspule 24a hängt nur von f2 ab. da der
Magnetfluß dieser Spule durch die Trennfuge 44 und damit Hublage des Ankers 10 nicht beeinflußt wird.
In Fig. 3 ist die Abhängigkeit des Stroms / der Meßspuien 24 und 243 vorn Huh des Ankers 10 und von
unterschiedlichen Frequenzen /2 der die zweite Meßspu-Ic
24a speisenden Wechselspannung U2 an Hand von
Meßergebnissen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt.
Die die beiden Meßspulen 24 und 24a speisenden Wechselspannungen U\ und U2 betragen jeweils 3.40 V.
Die festgehaltene konstante Frequenz f\ der die erste
Meßspule 24 speisenden Wechselspannung U, betrag!
200 Hz. Aul Grund der sieh mil der Verschiebung des
Ankers 10 ändernden Induktivität der ersten Meßspule 24 ändert sich der durch diese Spule fließende Strom /,
, mit dem Hub des Ankers 10. In dem in F i g. 3 dargestellten Beispiel ist eine praktisch lineare Abnahme
des Stroms /, bei einer Hublagenänderung von 0 bis 4 mm zu beobachten. Erst bei größeren Hubwegen wird
die Linearität schlechter.
Der durch die /weite Meßspule 24a fließende Strom
ist für drei verschiedene Frequenzen /> von 170 Hz, 255
H/. und 325 H/ eingezeichnet. Da die Hublage des Ankers 10. wie oben erläutert, den magnetischen
Widerstand der zweiten Meßspule 24a nicht beeinflußt. ist die Stromstärke in dieser zweiten Meßspule 24a nur
von der Frequenz h abhängig und nicht von der i iublagc
des Ankers, wie Fi g. 3 deutlich zeigt.
Wie aus F i g. 3 zu entnehmen ist, ergeben sich gleiche Stromstärken für die Meßspulen 24 und 24a und damit
ν ein Abgleich der Meßbrücke 50 je nach der Frequenz f2
bei unterschiedlichen Hublagen des Ankers 10. Bei einer Frequenz f2 von 170 Hz ergibt sich Übereinstimmung
der Stromstärken beider Meßspulen bei der Hublage 0 mm. Bei einer Frequenz. f2 von 255 Hz ergibt sich
'. Übereinstimmung der Stromstärken und damit Brükkenabgleich
bei einer Hublage von 3 mm. Bei einer Frequenz f2 von 325 Hz ergibt sich schließlich
Übereinstimmung der Stromstärken und damit Abgleich der Meßbrücke 50 bei einer Hublage von 6 mm.
■■:, Wie F i g. 3 zeigt, ist somit eine eindeutige Zuordnung
zwischen der Frequenz f2 der die zweite Meßspule 24a
speisenden Wechselspannung U2 und der Hublage des
Ankers 10 möglich, die sogar über einen weiten Hubweg linear verlauft. Zur Steuerung der Hublage des Ankers
ii 10 und damit eines mit diesem Anker verbundenen
Stellgliedes kann daher die Frequenz f2 als Soll-Wert
vorgegeben werden. Das Signal der Meßbrücke 50 wird dann als Regelsignal verwendet, durch welches die
Stromstärke der Arbeitswicklung 22 gesteuert wird, bis
in der Anker 10 die diesem vorgegebenen Soll-Wert
entsprechende Hublage erreicht und die Meßbrücke 50 abgeglichen ist.
Die Form der Wechselspannungen U\ und U2 ist ohne
Einfluß. Es können sowohl sinusförmige als auch
■ -. rechteckförmige Wechselspannungen verwendet werden.
Unterschiedliche Wärmeerzeugung der Arbeitswick lung 22 hat auf die Genauigkeit der Hublagenerkennung
und der Hublagensteuerung keinen Einfluß, da die
in beiden Meßspulen 24 und 24a einerseits in völlig
gleicher Weise auf dem Ankerführungsteil 14 sitzen und somit vnn diesem gleich erwärmt werden und
andererseits auf Grund ihrer gleichen Ausbildung den gleichen Temperaturgang aufweisen. Eine unterschiedli-
>5 ehe Wärmebeeinflussung der Meßspulen 24 und 24a
durch den Magnetfluß-Rückschlußteil 42 ist ausgeschlossen, da dieser durch die Kunststoffscheibe 48
gegenüber dem Magnetfluß-Rückschlußteil 28 der Arbeitswicklung 22 wärmeisoliert ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Elektromagnetischer Hubmagnet mit Hublagenerkennung, mit einer von einem Magnetfluß-Rückschluß
umgebenen Arbeitswicklung und einem innerhalb der Arbeitswicklung angeordneten und
diese an einem Ende axial überragenden, weichmagnetischen Ankerführungsteil, in dem ein gegen eine
axiale Federkraft wirkender Anker verschiebbar angeordnet ist, wobei der Ankerführungsteil im
Bereich des Hubes der beiden Enden des Ankers von je einer unmagnetischen Trennfuge unterbrochen
ist, von denen die außerhalb der Arbeitswicklung angeordnete Trennfuge von einer Meßspule mit
einem Magnetfluß-Rückschlußteil umgeben ist, die mit Wechselspannung gespeist ist und deren
induktiver Widerstand von der Hublage des Ankers abhängt, dadurch gekennzeichnet,
— daß eine zweite Meßspuie (24a) axial gegen die
erste Meßspule (24) versetzt, durch einen radialen scheibenförmigen Abschnitt (46) des
Magnetfluß-Rückschlußteils (42) von dieser getrennt und axial außerhalb des Bereichs der
zweiten Trennfuge (44) angeordnet ist, so daß der induktive Widerstand der zweiten Meßspule
(24a./ von der Hublage des Ankers (10) nicht abhängt,
— daß die beiden Meßspulen (24, 24a,/ gleichen
Radius, gleiche Windungszahl sowie gleichen ohmschen Widerstand aufweisen,
— daß die beiden Meßspulen (24, 24a) jeweils mit
einer konstanten Wechselspannung (U] bzw. Ut)
gleicher Amplitude gespeist sind,
— daß die die erste Meßspule (24) speisende Wechselspannung (U\) eine konstante Frequenz
(f\) und die die zweite Meßspule (24a,) speisende
Wechselspannung (U2) eine einstellbare Frequenz (f2) aufweisen und
— daß eine Einrichtung zum Vergleich des Wechselstrom-Widerstands
der beiden Meßspulen (24, 24a,/vorgesehen ist.
2. Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
— daß die beiden Meßspulen (24, 24a,/ jeweils mit
einem ohmschen Widerstand ^gleicher Größe
in Reihe geschaltet sind und
— daß die Verbindungspunkte zwischen der ersten Meßspule (24) bzw. der zweiten Meßspule (24a,/
und dem jeweils zugehörigen Widerstand (R) über eine Meßbrücke (50) verbunden sind.
3. Hubmagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (fi) der die zweite
Meßspule (24a,/ speisenden Wechselspannung (U2)
entsprechend der gewünschten Hublage des Ankers (10) einstellbar ist und das Signal der Meßbrücke (50)
eine Steuereinrichtung für die Stromstärke der Arbeitswicklung (22) beeinflußt.
4. Hubmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß-Rückschlußteil
(28) des Hubmagneten durch einen radialen Spalt von dem Magnetfluß-Rückschlußteil
(42) der beiden Meßspulen (24, 24a,J getrennt ist.
5. Hubmagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt durch eine radiale unmagnetische
Scheibe (48) vorzugsweise aus Kunststoff ausgefüllt ist.
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