DE4330531A1

DE4330531A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Dämpfung der Bewegung des Ankers von Elektromagneten

Info

Publication number: DE4330531A1
Application number: DE19934330531
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Loeffler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1995-03-16

Description

Elektromagneten werden in vielfältigen Bauformen als Aktuatoren für Bewegungen mit kurzen Hüben zwischen zwei Endlagen eingesetzt. Antriebe für Magnetventile, Türöffner, Auswerfer, Stellelemente im Maschinenbau sind nur einige Anwendungen. Eine Endlage der Bewegung stellt die Ruheposition des Ankers im stromlosen Zustand dar, die andere wird durch einen mechanischen Anschlag bestimmt, den der Anker erreicht, nachdem ein Erregerstrom durch die Spule eine Ankerbewegung bewirkt hat. Eine Kraft auf den Anker ist dabei stets so gerichtet, daß die aus der Kraft resultierende Bewegung den Luftspalt im magnetischen Kreis verkürzt. Die Bewegung des Ankers zwischen der Ruhelage und der Endposition bei erregter Spule erfolgt nach der von Maxwell gefundenen Formel:

D. h. die auf den Anker wirkende Kraft F ist neben einigen Systemkonstanten wie der Permeabilität des freien Raumes µo, dem Quadrat der Windungszahl w und der Luftspaltfläche A proportional zum Quadrat des Stromes I und umgekehrt proportional zum Quadrat der Luftspaltbreite (lo - x). Die Kraft nimmt also zu, je kleiner der Luftspalt wird und sie erreicht ihren höchsten Wert mit dem Ende der Bewegung am Anschlag für x = lo. Dies hat einen harten Aufschlag des Ankers mit Geräuschentwicklung und Erschütterungen zur Folge.

Spezielle konstruktive Gestaltung des magnetischen Kreises bewirkt bei einigen Ausführungsformen, daß die Kraft in einem Teilbereich des Hubes konstant bleibt (Proportionalmagnete). Bei anderen Ausführungen sorgen elastische Anschläge für eine Dämpfung von Geräusch und Erschütterungen, was der Wirkung, nicht aber der Ursache entgegenwirkt.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung sorgt dafür, daß die Geschwindigkeit des Ankers auf dem Weg von der Ruhelage zum Endanschlag der Bewegung abnimmt und dadurch der Anker sanft am Endanschlag landet, ohne daß die aufgrund der Konstruktion und des Erregerstromes erzeugbare maximale Kraft merklich verändert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der Strom durch die Erregerspule mittels einer elektronischen Schaltung in einer Weise gesteuert wird, daß eine Bewegung mit einer gegen die Endlage hin abnehmenden Geschwindigkeit ausgeführt wird. Hat der Anker eine größere Masse zu bewegen, so wird auch ein höherer Strom zur Verfügung gestellt, jedoch nur um soviel höher, daß die vorgegebene Maximalgeschwindigkeit nicht überschritten wird. Dadurch ist jeder Punkt der ursprünglichen Kraft-Weg-Kennlinie des Elektromagneten weiterhin erreichbar. Wegen der Begrenzung der Ankergeschwindigkeit verlängert sich natürlich die Bewegungszeit des Ankers, und zwar umso mehr, je weicher die Landung am Anschlag erfolgen soll.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es also, die Geschwindigkeit des Ankers zu beeinflussen und damit die Geräuschentwicklung und die Erschütterungen beim Erreichen des Anschlages zu reduzieren.

Nach dem Induktionsgesetz wird in der Wicklung des Magneten während der Ankerbewegung eine Spannung induziert, die der Geschwindigkeit proportional ist.

D. h. es steht ein geschwindigkeitsproportionales Signal zur Verfügung, ohne daß ein entsprechender Sensor benutzt werden muß. Allerdings ist dieses Signal auch dem Strom I proportional und dieser verändert sich während der Ankerbewegung. Ebenso ist eine Proportionalität zum Quadrat des Kehrwertes der Luftspaltbreite vorhanden. Der Strom kann leicht gemessen werden. Dividiert man die geschwindigkeitsproportionale Spannung durch das Stromsignal, so ist die Stromabhängigkeit beseitigt. Dieses Signal wird in einem Regelkreis konstant gehalten. Dann gilt

Umgeformt erhält man den Ausdruck für die Ankergeschwindigkeit

Die Ankergeschwindigkeit ist also dem Quadrat der augenblicklichen Luftspaltbreite proportional. Da der Luftspalt während der Ankerbewegung gegen Null geht (x = lo), nimmt auch die Geschwindigkeit auf den Wert Null ab.

Die beschriebene Wirkung wird auch dann erreicht, wenn durch konstruktive Maßnahmen im Eisenkreis die ursprünglich quadratische Kraft-Weg-Kennlinie des Magneten beeinflußt worden ist. Deshalb kann die Erfindung eingesetzt werden mit Elektromagneten beliebiger Bauformen und Kennlinien, beispielsweise mit Einfachmagneten ebenso wie mit Umkehrmagneten, mit Hubmagneten wie mit Drehmagneten.

Es bleibt noch zu erklären, wie die induzierte Spannung U gewonnen werden kann. Für das Spannungsgleichgewicht an den Anschlüssen der Spule des Elektromagneten gilt die Beziehung

U_sp = I · R + U

Die Spannung an den Anschlüssen der Spule setzt sich zusammen aus einer Komponente, die durch den ohmschen Widerstand R bestimmt wird und der während der Bewegung induzierten Spannung U. Eine noch vorhandene Komponente, die durch die Induktivität der Spule verursacht wird, kann vernachlässigt werden. Klemmenspannung, Strom und Widerstand der Spule sind bekannt bzw. können gemessen werden. Dann ergibt sich die induzierte Spannung als Differenz aus Klemmenspannung und der Spannungskomponente I·R.

Es soll nun noch der Bewegungsablauf des Ankers vom Stillstand in der stromlosen Ruhelage bis zum Stillstand unter Strom nach Ende der Bewegung betrachtet werden. Er läßt sich in 5 Phasen einteilen.

Phase 1: Der Anker befindet sich bei maximalem Luftspalt in der stromlosen Ruhelage.

Phase 2: Spannung wird an die Spule gelegt. Der Strom steigt nach einer Exponentialfunktion an. Der Anker befindet sich solange noch in Ruhe, bis die vom Spulenfeld erzeugte Kraft die Summe der äußeren Kräfte übersteigt.

Phase 3: Der Anker beginnt, sich zu bewegen. Die Geschwindigkeit nimmt solange zu, bis der Schnittpunkt mit der oben angegebenen Kurve für v erreicht ist.

Phase 4: Der Regelkreis übernimmt die Führung des Ankerstromes. Der Anker erreicht mit abnehmender Geschwindigkeit die Endposition.

Phase 5: Die Geschwindigkeit und die Luftspaltbreite sind Null. Der Strom erreicht den durch Versorgungsspannung und Spulenwiderstand definierten Maximalwert.

Aus der Beschreibung geht hervor, daß der Regelkreis nur während der Phase 4 in den Bewegungsablauf eingreift. Während der übrigen Phasen der Bewegung verhält sich der Elektromagnet, wie wenn die Dämpfungsschaltung nicht vorhanden wäre.

Eine Ausführung der Erfindung soll näher beschrieben werden. Sie ist aufgebaut in elektronischer Analogtechnik unter Verwendung käuflicher integrierter Bausteine. Andere Ausführungen sind möglich in digitaler Technik oder unter Verwendung von Mikroprozessoren oder Computern.

Das Blockschaltbild Fig. 1 zeigt das Prinzip der Ausführung. Mit einem Operationsverstärker (z. B. Typ LM 324 von Fa. Texas Instruments) wird in bekannter Weise die Differenz zwischen der Versorgungsspannung und dem Stromsignal gebildet. Das Ergebnis ist zur induzierten Spannung U proportional. Im nachfolgenden Quotientenbildner bekannter Funktionsweise (z. B. dem Typ MC 1495 von Fa. Motorola) wird die Spannung U durch das Stromsignal dividiert. Der Geschwindigkeitsregler (z. B. ein als Integrator geschalteter Operationsverstärker LM 324) sorgt dafür, daß das Ergebnis der Division gleich der Referenzspannung U_ref konstant gehalten wird. Der Stromregler (z. B. ein als Differenzverstärker geschalteter Operationsverstärker LM 324) sorgt dafür, daß der Istwert des Stromes gleich dem Ausgangssignal des Geschwindigkeitsreglers wird. Die Strommessung erfolgt über einen in Reihe mit der Magnetspule geschalteten Widerstand und einen Operationsverstärker (z. B. LM 324) als Spannungsverstärker geschaltet. In Form eines kleinen Moduls aufgebaut, kann die Dämpfungsschaltung zwischen die Gleichspannungsquelle und den Elektromagneten geschaltet werden.

Für Umkehrmagnete, die 2 Spulen besitzen und damit die Erzeugung bidirektionaler Kräfte ermöglichen, kann die Dämpfungsschaltung über je eine Diode mit beiden Spulen verbunden werden. Da zu einem Zeitpunkt nur eine der beiden Spulen aktiviert wird, ist mit dieser Oder-Verknüpfung eine Dämpfungsschaltung ausreichend, um beide Spulen zu dämpfen.

Claims

1. Verfahren zur Beeinflussung der Bewegung des Ankers von Elektromagneten, bei dem aus den Momentanwerten von Strom und Spannung des Magneten ein Signal gewonnen wird, das der Ankergeschwindigkeit als Funktion der Luftspaltbreite proportional ist und dieses Signal dazu benutzt wird, die Ankergeschwindigkeit zu verringern, gekennzeichnet dadurch, daß

- ein Differenzbildner vorhanden ist, der aus den Augenblickswerten von Strom und Spannung an der Magnetspule ein Signal gewinnt, das der Ankergeschwindigkeit proportional ist,
- ein Quotientenbildner vorhanden ist, der dieses der Geschwindigkeit proportionale Signal durch den Augenblickswert des Stromes dividiert, um eine darin enthaltene Stromabhängigkeit zu beseitigen,
- ein Regelkreis für Spulenstrom oder Spulenspannung des Magneten vorhanden ist, der das Ergebnis des Quotientenbildners konstant hält, um so die Geschwindigkeit des Ankers mit kleiner werdendem Luftspalt zu verringern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gewinnung des geschwindigkeitsproportionalen Signales mittels einer elektronischen Schaltung entsprechend dem Blockschaltbild nach Fig. 1 ausgeführt wird, bestehend aus einem Differenzbildner zur Gewinnung des geschwindigkeitsproportionalen Signales, einem Quotientenbildner zur Eliminierung der Stromabhängigkeit und einem Geschwindigkeitsregler zur definierten Beeinflussung von Spulenstrom oder Spulenspannung des Elektromagneten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Rechen- und Regelvorgänge ganz oder teilweise mit Bauelementen der Analogelektronik ausgeführt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Rechen- und Regelvorgänge ganz oder teilweise mit Bauelementen der Digitalelektronik ausgeführt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Rechen- und Regelvorgänge ganz oder teilweise mit Mikroprozessoren ausgeführt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Rechen- und Regelvorgänge ganz oder teilweise mit Computern ausgeführt werden.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, verbunden durch eine Oder-Schaltung aus zwei Halbleiterdioden mit beiden Spulen eines bidirektionalen Elektromagneten, so daß die Dämpfungswirkung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für beide Bewegungsrichtungen erreicht wird.