DE29718242U1

DE29718242U1 - Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten

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Publication number: DE29718242U1
Application number: DE29718242U
Authority: DE
Original assignee: Herion Werke & Co KG GmbH
Current assignee: Herion Werke & Co KG GmbH
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2007-10-16

Description

HERION-WERKE GmbH & Co. KG, Stuttgarter Str. 120, 70736 Fellbach

Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines E1ektromagneten

B e s ehre ibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten, insbesondere für Gleichstrommagnetventile, mit einer durch eine Steuerschaltung mit Strom beaufschlagbaren Magnetspule, durch die der Magnetanker betätigbar ist.

Elektromagnete kommen auf den unterschiedlichsten technischen Gebieten zum Einsatz. Sie finden sich beispielsweise in Gleichstrommagnetventilen oder auch in Schaltrelais u.dgl.

In allen diesen Fällen sind Schaltungen zur Betätigung des Magnetankers derartiger Elektromagneten vorgesehen, welche die Magnetspule mit einem Strom beaufschlagen, so daß der Magnetanker durch das auf diese Weise entstehende Magnetfeld angezogen wird. Durch den Magnetanker wird beispielsweise ein Magnetventil

geöffnet oder im Falle eines Relais beispielsweise ein Stromkreis geschlossen.

Der Anzugsstrom, d.h. der an der Magnetspule anliegende Strom, um den Magnetanker anzuziehen, und der Abfällst rom, d.h. der an der Magnetspule anliegende Strom, der zur Verhinderung eines Abfalls des Magnetankers notwendig ist, differieren nun sehr stark. Der Abfallstrom beträgt etwa nur 10 bis 15 % des Anzugstroms. Es ist mit anderen Worten ein wesentlich höherer Anzugsstrom zum Betätigen des Magnetankers erforderlich als zum Halten des Magnetankers in der angezogenen Position.

Bei bekannten Schaltungen zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten wird nun die Magnetspule durch die Steuerschaltung mit einem konstanten Strom beaufschlagt, der mindestens dem Anzugsstrom des Elektromagneten entspricht. Dieser Strom wird so lange beibehalten, bis beispielsweise ein Magnetventil je nach Ausführungsform wieder geöffnet oder geschlossen werden soll oder der Stromkreis eines Relais wieder geöffnet oder geschlossen werden soll.

Unvorteilhaft bei einer derartigen bekannten Schaltung ist nun, daß in der Phase, in der der Magnetanker bereits angezogen ist und lediglich sein Abfallen verhindert werden soll, ein größerer Strom an der Spule anliegt als es erforderlich ist, was einen höheren Energieverbrauch der gesamten Schaltung nach sich zieht.

Darüber hinaus sind verhältnismäßig große Spulen erforderlich, um die zum Anziehen des Magnetankers erforderliche Feldstärke zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß bei möglichst geringem Energieverbrauch der Schaltung der Magnetanker zuverlässig angezogen und in seiner angezogenen Position gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Magnetspule wenigstens zwei Teilspulen umfaßt, die mittels der Steuerschaltung für einen vorgegebenen Zeitraum zunächst parallel und im Anschluß daran hintereinander schaltbar sind.

Die Aufteilung der Magnetspule in zwei oder mehr Teilspulen, die mittels der Steuerschaltung für eine vorgegebene Zeit zunächst parallel und im Anschluß daran hintereinander schaltbar sind, ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise, daß zum Anziehen des Magnetankers ein wesentlich höherer Magnetstrom und damit ein höheres Magnetfeld zur Verfügung steht als zum Halten des Magnetankers in der angezogenen Position. Durch die Parallelschaltung der wenigstens zwei Teilspulen für einen vorgegebenen Zeitraum wird nämlich zunächst ein verhältnismäßig hoher Anzugstrom sichergestellt. Durch die anschließende Hintereinanderschaltung der Teilspulen wird daraufhin nur noch der Abfallstrom,

d.h. der Strom, der verhindert, daß der Magnetanker in seinem angezogenen Zustand abfallen kann, zur Verfugung gestellt.

Besonders vorteilhaft bei dieser Schaltung ist es insbesondere auch, daß die die wenigstens zwei Teilspulen umfassende Spule wesentlich kleiner ausgelegt werden kann, als es bei herkömmlichen Magnetspulen, die in Elektromagneten für Gleichstrommagnetventile oder Relais zum Einsatz kommen, der Fall ist.

Hinsichtlich der Ausbildung der Teilspulen sind die unterschiedlichsten Ausführungen denkbar. Beispielsweise ist vorgesehen, daß sämtliche Teilspulen die gleiche Induktivität aufweisen. In diesem Falle entspricht beispielsweise bei zwei Teilspulen der Haltestrom und damit die Haltefeldstärke, d.h. der Strom und die Feldstärke, die vorhanden sind, wenn die beiden Teilspulen hintereinander geschaltet sind, etwa einem Viertel des Anzugsstroms und der Anzugsfeldstärke, d.h. etwa einem Viertel des Stromes und der Feldstärke, die vorhanden sind, wenn die beiden Teilspulen parallel geschaltet sind. Es hat sich gezeigt, daß dieses Verhältnis der beiden Ströme und Feldstärken bei den meisten Elektromagneten sehr vorteilhaft ist.

Je nach Auslegung des zu betätigenden Gleichstrommagnetventils können auch mehr als zwei, beispielsweise drei oder vier oder mehr als vier Teilspulen vorgesehen sein.

Alternativ hierzu können die Teilspulen aber auch unterschiedliche Induktivität aufweisen. Hierdurch kann

jedes Verhältnis von Anzugsstrom und damit Anzugsfeldstärke und Abfallstrom und damit Abfallfeldstärke eingestellt werden.

Rein prinzipiell können die Teilspulen auf die unterschiedlichste Art und Weise hergestellt sein. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Teilspulen ineinander gewickelt sind. Dies ermöglicht insbesondere eine sehr vorteilhafte, da besonders schnelle und kostengünstige simultane Herstellung der Teilspulen durch simultanes Ineinanderwickeln des Spulendrahts der Teilspulen.

Möglich ist es aber auch, daß die Teilspulen hintereinander gewickelt sind. Auch in diesem Falle können die Teilspulen simultan hergestellt werden.

Hinsichtlich der Steuerschaltung wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Rein prinzipiell können zur Ansteuerung der wenigstens zwei Teilspulen die unterschiedlichsten Schaltungen in Frage kommen. Beispielsweise wäre die Ansteuerung durch eine mikrocomputergesteuerte Schaltung möglich. Zum Einsatz könnte auch eine speicherprogrammierbare Schaltung gelangen. Ein vorteilhaftes, da einfach herzustellendes und besonders kostengünstiges Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die Steuerschaltung eine Transistorschaltung mit wenigstens zwei Transistoren umfaßt, deren Basis über jeweils ein RC-Glied ansteuerbar ist und in deren Kollektorkreise jeweils die wenigstens zwei Teilspulen, miteinander über jeweils eine Diode verbunden, angeordnet sind. Vorteilhafterweise wird die Transistorschaltung direkt an den Teilspulen der Magneten angeschlossen (eventuell auch mit diesem mit Kunststoff umspritzt), um auch bei

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einer größeren Anzahl Teilspulen mit nur zwei Leitungszuführungen zum Magnet auszukommen.

Eine derartige Transistorschaltung ermöglicht auf einfache Weise ein Parallelschalten der Teilspulen für eine vorgegebene, von den RC-Gliedern bestimmte Zeitspanne und ein anschließendes Hintereinanderschalten der Teilspulen über die Diode.

Um einen Verpolungsschutz zu ermöglichen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß eine Diode in Reihe zu der Transistorschaltung geschaltet ist.

Um die Schaltung gegen Überspannung zu sichern, ist darüber hinaus vorteilhafterweise vorgesehen, daß eine weitere Diode parallel zu der Transistorschaltung geschaltet ist.

Der Spulendraht der Teilspulen kann aus den unterschiedlichsten leitenden Werkstoffen, insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, bestehen. Besonders vorteilhaft ist es, daß bei dieser Schaltung auch eloxierter Aluminiumdraht verwendet werden kann, der zwar eine schlechtere Leitfähigkeit als Kupfer, dafür aber ein wesentlich geringeres Gewicht als dieser aufweist.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die Schaltung auch in hochintegrierter Technik ausgeführt sein kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten;

Fig. 2 schematisch eine durch die in Fig. 1 dargestellte Schaltung herbeiführbare Reihenschaltung der beiden Teilspulen;

Fig. 3 den Verlauf des Stromes über der Zeit der in den beiden in Fig. 1 dargestellten Teilspulen fließt für den Fall gleicher Induktivität der beiden Teilspulen;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten und

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten für ein Gleichstrommagnetventil MV, dargestellt in Fig. 1, umfaßt eine Spule mit zwei Teilspulen Ll, L2 und eine Transistorschaltung mit zwei Transistoren Tl und T2.

Die Basis des Transistors Tl ist über ein RC-Glied, das aus einem Widerstand Rl und einem Kondensator Cl gebildet ist, ansteuerbar.

Die Basis des Transistors T2 ist ebenfalls über ein RC-Glied, das aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2 gebildet ist, ansteuerbar.

Im Kollektorkreis des als PNP-Transistor ausgebildeten Transistors Tl ist die erste Teilspule Ll angeordnet, wohingegen im Kollektorkreis des als NPN-Transistor ausgebildeten Transistors T2 die zweite Teilspule L2 geschaltet ist. Durch die beiden Teilspulen Ll und L2 ist über einen gemeinsamen Magnetkern das Magnetventil MV ansteuerbar. Die beiden Kollektorkreise der Transistoren Tl und T2 und damit die beiden Teilspulen Ll und L2 sind über eine Diode Dl miteinander verbunden.

Als Verpolungsschutz ist in Reihe zu der Transistorschaltung eine Diode D2 geschaltet, ferner ist, um einen Überspannungsschutz zu gewährleisten, parallel zu der Transistorschaltung eine Diode D3 in Sperrichtung geschaltet.

Wenn an die in Fig. 1 dargestellte Schaltung eine Spannung angelegt wird, so liegen die beiden Teilspulen Ll und L2 zunächst über die durchgesteuerten Transistoren Tl und T2 parallel. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, in der sich die beiden Kondensatoren Cl und C2 über die Widerstände Rl und R2 so weit aufgeladen haben, daß der Steuerstrom der Transistoren Tl und T2 gegen Null geht, diese also sperren, werden die Teilspulen über die Diode Dl in Reihe geschaltet, wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Die aufgenommene Leistung und somit auch der magnetische Fluß sinken dabei auf einen Wert, der durch das Verhältnis der beiden Teilspulen Ll und L2 bestimmt ist. Sofern beide Teilspulen Ll und L2 die gleiche Induktivität

aufweisen, beträgt die aufgenommene Leistung und der magnetische Fluß etwa ein Viertel des Einschaltwertes.

Der Stromverlauf über der Zeit ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die erforderliche Zeitspanne zum Anziehen des Magnetankers At ist in der Regel sehr kurz, in den meisten Fällen kurzer als 10 ms. Die RC-Glieder, bestehend aus den Widerständen Rl, R2 und den Kondensatoren Cl, C2, werden daher so gewählt, daß die Transistoren erst dann sperren, wenn sichergestellt ist, daß der Magnetanker auch durch die beiden Spulen Ll und L2 auch angezogen wurde. Die Größe der Widerstände Rl und R2 und der Kondensatoren Cl und C2 werden daher so festgelegt, daß die Zeitspanne, in der die beiden Teilspulen Ll und L2 parallel geschaltet sind, etwa 0,1 bis 0,2 see beträgt, was etwa dem 10- bis 20-fachen der Anzugszeit des Magnetsystems entspricht.

Die Leistungsaufnahme und das Verhältnis der beiden Teilspulen Ll und L2 wird so festgelegt, daß die Feldstärke, die vorhanden ist, wenn die beiden Teilspulen Ll und L2 hintereinander geschaltet sind, noch ausreicht, um den Magneten in der angezogenen Position zu halten. In den meisten Fällen werden die Teilspulen Ll und L2 so gewählt, daß sie die gleiche Induktivität aufweisen.

Der Strom, der bei Hintereinanderschaltung durch die beiden Spulen Ll und L2 fließt, wird dabei so festgelegt bzw. eingestellt, daß die resultierende Feldstärke der beiden Stromspulen Ll und L2 ausreicht, um den Magnetanker in seiner angezogenen Position zu halten (Haltestrom).

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Es wird daher vorteilhafterweise eher ein höherer Anzugsstrom, d.h. der Strom, der fließt, wenn die beiden Teilspulen Ll und L2 parallel geschaltet sind, in Kauf genommen, da dieser nur über einen kurzen Zeitraum von etwa 0,1 bis 0,2 see anliegt und sodann auf den Haltestrom absinkt (vgl. Fig. 3) .

Bei einem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 4 und Fig. 5 sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel voll inhaltlich Bezug genommen wird.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel umfaßt jedoch die Spule im in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel drei Teilspulen Ll, L2, L3, die eine Transistorschaltung mit vier Transistoren Tl, T2, T3, T4 erforderlich machen. Die drei Teilspulen Ll, L2, L3 sind über zwei Dioden Dl, D4 miteinander verbunden. Die aufgenommene Leistung geht bei dieser Ausführung nach dem Schaltvorgang auf ein Neuntel zurück.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel umfaßt die Spule vier Teilspulen Ll, L2, L3, L4, welche sechs Transistoren Tl, T2, T3, T4, T5, &Tgr;6 erfordern, und die über drei Dioden Dl, D5, D4 miteinander verbunden sind. Die aufgenommene Leistung geht bei dieser Ausführung nach dem Schaltvorgang auf ein Sechzehntel zurück.

Sowohl bei der in Fig. 4 als auch bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung werden die Teilspulen zunächst

über die durchgesteuerten Transistoren parallel geschaltet und nach einer vorgegebenen Zeitspanne, in der sich die Kondensatoren Cl und C2 über die Widerstände Rl und R2 soweit aufgeladen haben, so daß der Steuerstrom der Transistoren gegen 0 strebt, diese also sperren, werden die Spulenhälften über die Dioden, über die sie miteinander verbunden sind, in Reihe geschaltet, wodurch die aufgenommene Leistung und somit auch der magnetische Fluß sinken, auf einen Wert, der durch das Verhältnis der Teilspulen bestimmt ist.

Die Teilspulen Ll und L2 können beispielsweise durch simultanes Ineinanderwickeln zweier Spulendrähte ausgebildet sein, sie können auch durch simultanes paralleles Aufwickeln zweier Spulendrähte hergestellt sein.

Der Vorteil der beschriebenen Schaltung liegt darin, daß ein hoher Anzugsstrom lediglich dann anliegt, wenn tatsächlich auch der Magnetanker angezogen wird, jedoch nicht mehr, wenn sich der Magnetanker bereits in seiner angezogenen Position befindet. Die obenbeschriebene Schaltung ermöglicht so auch auf besonders vorteilhafte Weise eine beträchtliche Energieeinsparung.

Weiterhin ermöglicht die Schaltung die Verwendung deutlich schlechter leitenden Spulenwickelmaterials als Kupfer, z.B. die Verwendung von Aluminium (insbesondere eloxierter Runddraht). Bei der Verwendung von Aluminiumdraht beträgt das reine Spulendrahtgewicht gegenüber Kupfer - bezogen auf die gleiche Amperewindungszahl nur ca. 50%.

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Die oben beschriebene Schaltung kann insbesondere auch in hochintegrierter Technik und damit besonders kompakt ausgeführt sein.

Claims

&idiagr; J"··· HERION-WERKE GmbH & Co. KG,Stuttgarter Str. 120, 70736 Fellbach Schutzansprüche

1. Schaltung zur Betätigung eines Magnetankers eines Elektromagneten, insbesondere für Gleichstrommagnetventile (MV) , mit einer durch eine Steuerschaltung mit einem Strom beaufschlagbaren Magnetspule, durch die der Magnetanker betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule wenigstens zwei Teilspulen (Ll, L2, L3, L4) umfaßt, die mittels der Steuerschaltung für eine vorgegebene Zeitspanne (At) zunächst parallel und im Anschluß daran hintereinander schaltbar sind.

. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Teilspulen (Ll, L2, L3, L4) die gleiche Induktivität aufweisen.

. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Teilspulen (Ll, L2, L3, L4) unterschiedliche Induktivitäten aufweisen.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Teilspulen (Ll, L2, L3, L4) ineinander gewickelt sind.

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5. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Teilspulen (Ll, L2, L3, L4) hintereinander gewickelt sind.

. Schaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Transistorschaltung mit wenigstens zwei Transistoren (Tl, T2, T3, T4, T5, T6) umfaßt, deren Basis über jeweils ein RC-Glied (Rl, Cl; R2, C2) ansteuerbar ist und in deren Kollektorkreise jeweils die wenigstens zwei Teilspulen (Ll, L2, L3, L4) miteinander jeweils über eine Diode (Dl, D4, D5) verbunden angeordnet sind.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (D2) in Reihe zu der Transistorschaltung geschaltet ist.

8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (D3) parallel zu der Transistorschaltung in Sperrichtung geschaltet ist.

9. Schaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulendraht der Teilspulen aus einem leitenden Werkstoff, insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, besteht.

. Schaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in hochintegrierter Technik ausgeführt ist.