EP2506272B1 - Schnellschaltender Hubmagnet - Google Patents

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EP2506272B1
EP2506272B1 EP20120160349 EP12160349A EP2506272B1 EP 2506272 B1 EP2506272 B1 EP 2506272B1 EP 20120160349 EP20120160349 EP 20120160349 EP 12160349 A EP12160349 A EP 12160349A EP 2506272 B1 EP2506272 B1 EP 2506272B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
armature
short
lifting magnet
circuit ring
magnet according
Prior art date
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Active
Application number
EP20120160349
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English (en)
French (fr)
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EP2506272A1 (de
Inventor
Markus Rekla
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Kendrion (Donaueschingen/Engelswies) GmbH
Original Assignee
Kendrion (Donaueschingen/Engelswies) GmbH
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Publication date
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Publication of EP2506272B1 publication Critical patent/EP2506272B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1607—Armatures entering the winding
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/081—Magnetic constructions
    • H01F2007/086—Structural details of the armature
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/13—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures characterised by pulling-force characteristics

Definitions

  • the invention relates to a lifting magnet according to the features of the preamble of claim 1.
  • Such a solenoid is, for example, in WO 2011/003547 A1 described.
  • the local lifting magnet combines the Lorentz force acting on the basis of an intended short-circuit ring with the reluctance force customary for lifting magnets when the exciting coil is energized. In this way, the holding force of the solenoid can be increased.
  • Fast-switching solenoids which operate according to the reluctance principle, regularly have an optimized compromise between fast current increase and high magnetic force.
  • the problem here is that large forces are required to accelerate the armature.
  • a large armature cross-section is required at a constant flux density.
  • the larger the anchor mass the more The armature begins to move more cumbersomely, since the mass must first be set in motion.
  • the inductance of the coil increases with increasing iron content of the magnetic circuit.
  • a large inductance requires a slower current increase.
  • a slow current increase of the coil also leads to a slower increase in the force-generating magnetic flux, which in turn has a slow movement of the armature result.
  • electrodynamic actuators which are based on the effect of Lorentz force.
  • a Lorentz force occurs when a current-carrying conductor is in a magnetic field, wherein the current-carrying conductor is movably mounted relative to the magnetic field.
  • This effect is illustrated by the well-known collaborative effort originally discovered by Eliho Thomson.
  • a ring of electrically conductive material for. As copper, arranged around an elongated coil with soft iron core. With a short current pulse through the coil, the ring jumps off the coil.
  • This principle is not common in actuators, since due to the large leakage field and other losses only a low efficiency is achieved. The required for such actuators fast switching of high currents is also technically complex.
  • the advantage of electrodynamic actuators lies in the fact that the short-circuiting ring is flooded by a rapidly changing magnetic field. As a result, a voltage is induced in the ring, which leads to a current which also generates a magnetic field. This field is directed counter to the excitation field from its direction. Seen from the outside, it seems that the inductance of the magnetic circuit is largely short-circuited. This is a fast Current increase nothing contrary. As a result, the ring abuts the exciting coil.
  • the invention aims to provide a lifting magnet which switches much faster compared to conventional solenoids of similar size.
  • a solenoid which combines a conventional solenoid, which operates on the principle of relunction, with an electrodynamic actuator with a short-circuit ring, the short-circuit ring is loosely coupled to the armature of the solenoid.
  • a fast-switching solenoid is thus achieved by the features of claim 1.
  • a second solution for a fast-switching solenoid with short-circuit ring is to arrange the pole core located in the lifting magnet with its end face facing the armature at least approximately on a plane which is defined by an upper end of the exciter coil.
  • the pole core does not protrude or at least not very far into the space wrapped by the exciter coil.
  • the end face of the pole core facing the armature projects as far as possible up to the middle of the space wrapped by the exciter coil.
  • This second solution is advantageously combined with the first solution.
  • the solenoid of FIG. 1 is designated by the reference numeral 10.
  • This solenoid 10 has a housing 11, which is part of a magnetic circuit.
  • the housing 11 has an upper housing cover 12 and a lower housing bottom 14, which are connected to each other via a rotationally symmetrical to the center axis X of the solenoid 10 housing wall 16.
  • a rotationally symmetrical housing wall 16 this can also be configured as a quadrangular or rectangular housing wall 16.
  • the housing wall 16 is made of metal.
  • the housing cover 12 and the housing bottom 14 may be made of metal, but also of other materials.
  • a pole core 20 which has a central bore 22 extending along the central axis X.
  • a plunger 40 which also penetrates an opening 12 located in the housing cover 12a.
  • a guide bush 43 is inserted.
  • one end of the plunger 40 is fixedly connected to an armature 30, preferably an anchor 30 made of steel.
  • the fixed connection of the plunger 40 with the armature 30 can be done for example by screwing.
  • the lower end of the plunger 40 has an external thread and the armature 30 has an opening with internal thread 36 into which the lower end of the plunger 40 can be screwed.
  • the plunger 40 is guided with the armature 30 axially movable along the center axis X.
  • the armature 30 is in the rest position and is, as shown, by way of example on the housing bottom 14.
  • the solid, block-like configured armature 30 is provided with a funnel-shaped opening 32.
  • the armature 30 is provided with a plurality of bores 34 which run axially parallel to the center axis X through the armature 30. These holes 34 ensure that when moving the armature 30 back and forth no "air pump action" occurs, so air can escape through the armature 30.
  • the armature 30 has on its side facing the pole core 20 via a flange-like extension 31 which annularly surrounding the plunger 40 and can dive into the central opening 22 of the pole core 20 when the armature 30 moves in the direction Polkern 20.
  • FIG. 1 the rest position of the solenoid 10 is shown.
  • an air gap 70 is formed between the opposite end faces of the pole core 20 and the armature 30.
  • This air gap 70 is at least partially surrounded by an excitation coil 50 which is wound on a coil core 52.
  • the pole core 20 has an end face 21 which faces the armature 30.
  • This end face 21 is at least approximately on a plane which is perpendicular to the center axis X and by the upper, the housing cover 12 facing the end of the exciter coil 50 is formed.
  • This level is in FIG. 1 represented by dashed lines and designated by the reference numeral E1.
  • the armature 30 has an end face 37 facing the pole core 20.
  • This end face 37 lies at least approximately on a plane E2 which is defined by the lower end of the exciter coil 50.
  • This plane E2 is also dashed in FIG. 1 shown .... of the solenoid, in FIG.
  • the excitation coil 50 thus surrounds an air gap 70, which is bounded by the mentioned planes E1 and E2 and thus by the end faces 21 of the pole core 20 and the end face 37 of the armature 30.
  • the air gap 70 thus has at least approximately, with respect to the center axis X, a height which corresponds to the length of the winding axis of the exciter coil 50.
  • a short-circuit ring 60 which is preferably formed of aluminum or copper.
  • This short-circuit ring 60 surrounds the pole core 20 annularly.
  • the short-circuit ring 60 has a significantly lower height than the pole core 20, so that the short-circuit ring 60 from his resting position in FIG. 1 in which it rests on the spool core 52 in the direction of the housing cover 12 can move.
  • the short-circuit ring 60 is over in FIG. 1 unrecognizable webs or at least one web with an inner flange 62 preferably integrally connected.
  • This flange 62 is in the rest position of the solenoid 10 at an annular shoulder 42 of the plunger 40 flat.
  • the short-circuit ring 60 has an annular circumferential recess 64, which surrounds the coil 50, at least in sections annularly, as from FIG. 1 can be seen.
  • the housing wall 16 and the housing cover 12 are two separate parts, these two parts could also be integrally connected to each other.
  • the housing cover 12 is a metal part, it is advantageous to provide a circumferential recess 13, so that a constriction A in the region of the recess 13 results in terms of material. This constriction A ensures that the magnetic flux primarily does not flow over the housing cover 12 in the operation of the solenoid, but rather - as will be explained below - via the short-circuit ring 60th
  • FIG. 1 lifting magnets
  • the excitation coil 50 can be energized with a sufficient high current very quickly, preferably leaps and bounds.
  • a capacitor discharge device as shown schematically in FIG. 2 is shown.
  • As energy storage is a capacitor C, which forwards via a switch S a surge to the exciter coil 50 when closing the switch S.
  • the equivalent circuit of the exciter coil 50 consists of a conditional by the windings ohmic resistance R in series with an inductance L.
  • the short-circuit ring 60 which moves relative to the housing cover 12, absorbs the shoulder 42 and thus the plunger 40 during its movement via its flange 62. As a result, the armature 30 lifts in the direction of pole core 20. This happens extremely fast. However, since the charge of the capacitor C is limited, this rapid increase in current can not be maintained for long. The current curve flattens off, eventually falling off. Despite the still high amount of current in the short-circuit ring 60 then no large forces generated. However, the high magnetic force provided by the reluctance principle now acts in the armature 30. While the force provided by the short-circuit ring 60 decreases, the force provided by the reluctance principle increases even further.
  • FIG. 3 the power curves are shown schematically over time.
  • the reference numeral 100 is the through the shorting ring 60 provided electrodynamic force 100 denotes.
  • the reference numeral 102 designates the reluctance force.
  • the sum of both force curves 100 and 102 can be seen in the curve 108. It follows from the course of forces 108 that altogether a very strong and steeper increase in force occurs immediately after the excitation coil 50 has been energized.
  • the sum of the forces in the tip is almost twice as high as each individual force according to the curve 100 and the curve 102, respectively FIG. 3 is denoted by the reference numeral 104 nor the course of the coil current through the excitation coil over time and the reference numeral 106, the anchor position of the armature 30 applied.
  • the short-circuit ring 60 In the stroke end position of the short-circuit ring 60 with its flange 62 continue to rest against the shoulder 42 of the plunger 40.
  • the short-circuit ring 60 is loosely coupled to the plunger 40, so that upon movement of the short-circuit ring 60 at the beginning of the energization of the excitation coil 50, the plunger 40 on its shoulder 42 entrains and with decreasing Lorentz force through the short-circuit ring 60 in the direction of exciter coil 50 can fall off again, so that he does not have to be moved by the then taking over the movement reluctance force ..

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hubmagneten gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Ein solcher Hubmagnet wird beispielsweise in WO 2011/003547 A1 beschrieben. Der dortige Hubmagnet vereinigt die aufgrund eines vorgesehenen Kurzschlussringes wirkende Lorentzkraft mit der bei Hubmagneten üblichen Reluktanzkraft bei Bestromung der Erregerspule. Auf diese Weise kann die Haltekraft des Hubmagneten verstärkt werden.
  • Ähnliche Hubmagnete sind z. B. aus WO 2008/139250 A1 und DE 197 22 013 A1 bekannt.
  • Es besteht bei Hubmagneten oft das Erfordernis, deren Schaltzeiten zu reduzieren. Herkömmliche Hubmagneten arbeiten gewöhnlich nach dem Reluktanzprinzip. Hierbei wird innerhalb eines metallischen Gehäuses, das Bestandteil eines Magnetkreises ist, ein durch Bestromung einer Erregerspule bewegbarer Eisenanker vorgesehen. Die Wirkungsweise beruht dabei auf der Kraftwirkung, die im inhomogenen magnetischen Feld auf magnetische Grenzflächen ausgeübt wird. Das Magnetfeld wird dabei durch den Spulenstrom erzeugt. Bei Bestromung der Spule bewegt sich der Anker in eine vorgegebene Richtung.
  • Schnellschaltende Hubmagnete, die nach dem Reluktanzprinzip arbeiten, weisen regelmäßig einen optimierten Kompromiss aus schnellem Stromanstieg und hoher Magnetkraft auf. Problematisch ist hierbei, dass zur Beschleunigung des Ankers große Kräfte gefordert werden. Hierzu wird nach der Maxwellschen Zugkraftformel bei konstanter Flussdichte ein großer Ankerquerschnitt benötigt. Mit ansteigendem Ankerquerschnitt steigt jedoch auch die Ankermasse. Je größer die Ankermasse ist, desto schwerfälliger beginnt sich der Anker zu bewegen, da die Masse erst einmal in Bewegung gebracht werden muss. Auch die Induktivität der Spule nimmt mit zunehmendem Eisenanteil des Magnetkreises zu. Eine große Induktivität bedingt jedoch einen langsameren Stromanstieg. Ein langsamer Stromanstieg der Spule führt jedoch auch zu einem langsameren Anstieg des krafterzeugenden magnetischen Flusses, was wiederum einen langsamen Bewegungsablauf des Ankers zur Folge hat.
  • Andererseits sind auch elektrodynamische Aktoren bekannt, die auf der Wirkung der Lorentzkraft beruhen. Eine Lorentzkraft tritt auf, wenn sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld befindet, wobei der stromdurchflossene Leiter relativ zu dem Magnetfeld bewegbar gelagert ist. Dieser Effekt wird durch den bekannten Ringversuch, ursprünglich entdeckt von Eliho Thomson, illustriert. Bei diesem Ringversuch wird ein Ring aus elektrisch leitendem Material, z. B. Kupfer, um eine langgestreckte Spule mit Weicheisenkern angeordnet. Bei einem kurzen Stromimpuls durch die Spule springt der Ring von der Spule. Dieses Prinzip ist bei Aktoren nicht gebräuchlich, da aufgrund des großen Streuverlustfeldes und anderer Verluste nur ein geringer Wirkungsgrad erreicht wird. Das für derartige Aktoren erforderliche schnelle Schalten von hohen Strömen ist zudem technisch aufwändig.
  • Der Vorteil von elektrodynamischen Aktoren liegt jedoch darin, dass der Kurzschlussring von einem sich schnell ändernden Magnetfeld durchflutet wird. Hierdurch wird in dem Ring eine Spannung induziert, die einen Strom führt, welcher ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld ist von seiner Richtung her dem Erregerfeld entgegen gerichtet. Von außen betrachtet, erscheint es so, als ob die Induktivität des Magnetkreises weitestgehend kurzgeschlossen ist. Damit steht einem schnellen Stromanstieg nichts entgegen. Als Folge stößt sich der Ring von der Erregerspule ab.
  • Die Erfindung hat das Ziel, einen Hubmagneten bereitzustellen, der im Vergleich zu herkömmlichen Hubmagneten ähnlicher Baugröße deutlich schneller schaltet.
  • Dieses Ziel wird in einer ersten Lösung durch einen Hubmagneten erreicht, der einen herkömmlichen Hubmagneten, der nach dem Relunktanz-Prinzip arbeitet, mit einem elektrodynamischen Aktor mit einem Kurzschlussring vereinigt, wobei der Kurzschlussring lose mit dem Anker des Hubmagneten gekoppelt ist.
  • Ein schnellschaltender Hubmagnet wird somit durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Eine zweite Lösung für einen schnell schaltenden Hubmagneten mit Kurzschlussring besteht darin, den im Hubmagneten befindlichen Polkern mit seiner dem Anker zugewandten Stirnfläche mindestens annähernd auf einer Ebene anzuordnen, welche durch ein oberes Ende der Erregerspule definiert ist. Damit ragt also der Polkern nicht oder zumindest nicht besonders weit in den durch die Erregerspule umwickelten Raum hinein. Bei herkömmlichen Hubmagneten ist es dagegen so, dass die dem Anker zugewandte Stirnfläche des Polkerns möglichst bis zur Mitte der durch die Erregerspule umwickelten Raums hineinragt.
  • Diese zweite Lösung ist vorteilhaft mit der ersten Lösung kombinierbar.
  • Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hubmagneten sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der erfindungsgemäße, schnellschaltende Hubmagnet wird im Zusammenhang mit nachfolgenden Figuren anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    Eine Schnittansicht durch einen beispielhaften Hubmagneten nach der Erfindung in seinem Ruhezustand, d. h. bei nicht bestromter Erregerspule, mit dem Anker in seiner Hubanfangsstellung,
    Figur 2:
    ein Prinzipschaltbild zum Bestromen der Erregerspule von Figur 1, und
    Figur 3:
    ein Diagramm, aus dem die einzelnen Kräfteverläufe, der Spulenstrom sowie die Ankerposition des in Figur 1 gezeigten Hubmagneten hervorgeht.
  • In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen, gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • Der Hubmagnet von Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Dieser Hubmagnet 10 verfügt über ein Gehäuse 11, welches Bestandteil eines magnetischen Kreises ist. Das Gehäuse 11 weist einen oberen Gehäusedeckel 12 und einen unteren Gehäuseboden 14 auf, welche über eine zur Mittenachse X des Hubmagneten 10 rotationssymmetrische Gehäusewandung 16 miteinander verbunden sind. Anstelle einer rotationssymmetrischen Gehäusewandung 16 kann diese auch als viereckförmige oder rechteckförmige Gehäusewandung 16 ausgestaltet sein. Die Gehäusewandung 16 besteht aus Metall. Der Gehäusedeckel 12 und der Gehäuseboden 14 können aus Metall, aber auch aus anderen Materialien bestehen.
  • Innerhalb des Gehäuses 11 befindet sich ein Polkern 20, welcher eine entlang der Mittenachse X verlaufende zentrische Bohrung 22 aufweist. In dieser zentrischen Bohrung 22 sitzt ein Stößel 40, welcher auch eine im Gehäusedeckel 12 befindliche Öffnung 12a durchdringt. In dieser Öffnung 12a des Gehäusedeckels 12 ist eine Führungsbuchse 43 eingelegt. Innerhalb des Gehäuses 11 des Hubmagneten 10 ist ein Ende des Stößels 40 feststehend mit einem Anker 30, vorzugsweise einem aus Stahl bestehenden Anker 30 verbunden. Die feststehende Verbindung des Stößels 40 mit dem Anker 30 kann beispielsweise durch Verschraubung erfolgen. Hierfür weist das untere Ende des Stößels 40 ein Außengewinde und der Anker 30 eine Öffnung mit Innengewinde 36 auf, in den das untere Ende des Stößels 40 eingeschraubt werden kann. Der Stößel 40 ist mit dem Anker 30 axial beweglich entlang der Mittenachse X geführt. In Figur 1 befindet sich der Anker 30 in Ruhestellung und liegt, wie gezeigt, beispielhaft auf dem Gehäuseboden 14 auf. Auf seiner dem Gehäuseboden 14 zugewandten Seite ist der massive, blockartig ausgestaltete Anker 30 mit einer trichterförmigen Öffnung 32 versehen. Zusätzlich ist der Anker 30 mit mehreren Bohrungen 34, die achsparallel zur Mittenachse X durch den Anker 30 verlaufen, ausgestattet. Diese Bohrungen 34 sorgen dafür, dass beim Hin- und Herbewegen des Ankers 30 keine "Luftpumpenwirkung" auftritt, also Luft durch den Anker 30 entweichen kann.
  • Der Anker 30 verfügt auf seiner dem Polkern 20 zugewandten Seite über einen flanschartigen Fortsatz 31, welcher ringförmig den Stößel 40 umgibt und in die zentrische Öffnung 22 des Polkerns 20 eintauchen kann, wenn sich der Anker 30 in Richtung Polkern 20 bewegt.
  • In Figur 1 ist die Ruhestellung des Hubmagneten 10 gezeigt. Hierbei ist zwischen den sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Polkerns 20 und des Ankers 30 ein Luftspalt 70 gebildet. Dieser Luftspalt 70 ist von einer Erregerspule 50, die auf einem Spulenkern 52 aufgewickelt ist, mindestens teilweise umgeben.
  • Wie Figur 1 weiter zeigt, verfügt der Polkern 20 über eine Stirnfläche 21, die dem Anker 30 zugewandt ist. Diese Stirnfläche 21 liegt mindestens annähernd auf einer Ebene, die senkrecht zur Mittenachse X liegt und durch das obere, dem Gehäusedeckel 12 zugewandte Ende der Erregerspule 50 gebildet wird. Diese Ebene ist in Figur 1 strichliert dargestellt und mit dem Bezugszeichen E1 bezeichnet. Bevorzugterweise gilt Ähnliches für den Anker 30. Der Anker 30 verfügt über eine zum Polkern 20 zugewandte Stirnfläche 37. Diese Stirnfläche 37 liegt mindestens annähernd auf einer Ebene E2, die durch das untere Ende der Erregerspule 50 definiert wird. Diese Ebene E2 ist ebenfalls strichliert in Figur 1 dargestellt.... des Hubmagneten, der in Figur 1 dargestellt ist, umgibt die Erregerspule 50 damit einen Luftspalt 70, der durch die erwähnten Ebenen E1 und E2 und damit durch die Stirnflächen 21 des Polkerns 20 und der Stirnfläche 37 des Ankers 30 begrenzt ist. Der Luftspalt 70 hat damit mindestens annähernd, bezogen auf die Mittenachse X, eine Höhe, die der Länge der Wicklungsachse der Erregerspule 50 entspricht.
  • Oberhalb der Erregerspule 50 sitzt ein Kurzschlussring 60, der vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer gebildet ist. Dieser Kurzschlussring 60 umgibt den Polkern 20 ringförmig. Dabei weist allerdings der Kurzschlussring 60 eine deutlich geringere Höhe als der Polkern 20 auf, so dass sich der Kurzschlussring 60 von seiner Ruhestellung in Figur 1, bei der er auf dem Spulenkern 52 aufliegt in Richtung Gehäusedeckel 12 bewegen kann. Der Kurzschlussring 60 ist über in Figur 1 nicht erkennbare Stege oder über mindestens einen Steg mit einem inneren Flansch 62 vorzugsweise einstückig verbunden. Dieser Flansch 62 liegt in Ruhestellung des Hubmagneten 10 an einer ringförmigen Schulter 42 des Stößels 40 flächig an. Zusätzlich verfügt der Kurzschlussring 60 über einen ringförmig umlaufenden Rücksprung 64, welcher die Spule 50 mindestens abschnittsweise ringförmig umgibt, wie aus Figur 1 zu erkennen ist.
  • Wenngleich im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert wurde, dass die Gehäusewandung 16 und der Gehäusedeckel 12 zwei separate Teile sind, könnten diese beiden Teile auch einstückig miteinander verbunden sein. Sofern es sich bei dem Gehäusedeckel 12 um ein Metallteil handelt, ist es von Vorteil, einen umlaufenden Einstich 13 vorzusehen, sodass sich materialmäßig eine Einschnürung A im Bereich des Einstiches 13 ergibt. Diese Einschnürung A sorgt dafür, dass der magnetische Fluss vornehmlich nicht über den Gehäusedeckel 12 im Betrieb des Hubmagneten fließt, sondern vielmehr - wie nachstehend erläutert werden wird - über den Kurzschlussring 60.
  • Die Betriebsweise des in Figur 1 dargestellten Hubmagneten ist im Wesentlichen folgende, wenn davon ausgegangen wird, dass die Erregerspule 50 mit einem ausreichenden hohen Strom sehr schnell, vorzugsweise sprunghaft, bestromt werden kann. Hierfür dient beispielsweise eine Kondensatorentladeeinrichtung, wie diese schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Als Energiespeicher dient ein Kondensator C, der über einen Schalter S einen Stromstoß an die Erregerspule 50 beim Schließen des Schalters S weiterleitet. Das Ersatzschaltbild der Erregerspule 50 besteht dabei aus einem durch die Wicklungen bedingten Ohm'schen Widerstand R in Serie mit einer Induktivität L.
  • Zum Beginn der Entladung des Kondensators C ergibt sich ein sehr schneller Stromanstieg durch die Erregerspule 50. Dieser schnelle Stromanstieg zu einem sich sehr schnell aufbauenden Magnetfeld durch den Kurzschlussring 60. Hierdurch wird in dem Kurzschlussring 60 eine Spannung indiziert, die zu einem Strom führt, welcher ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld ist von seiner Richtung her dem durch die Erregerspule 50 gerichteten Feld entgegengerichtet. Von außen betrachtet erscheint es so, als ob die Induktivität des Magnetkreises weitestgehend kurzgeschlossen ist. Dem schnellen Stromanstieg steht so nichts im Weg. Als Folge stößt sich der Kurzschlussring 60 von der Erregerspule 50 in Richtung Gehäusedeckel 12 ab.
  • Der sich zum Gehäusedeckel 12 bewegende Kurzschlussring 60 nimmt über seinen Flansch 62 die Schulter 42 und damit den Stößel 40 bei seiner Bewegung mit. Als Folge hebt sich der Anker 30 in Richtung Polkern 20. Dies geschieht extrem schnell. Da die Ladung des Kondensators C allerdings begrenzt ist, kann dieser schnelle Stromanstieg nicht lange aufrecht erhalten werden. Die Stromkurve flacht ab, um schließlich abzufallen. Trotz des im Betrag noch hohen Stroms werden im Kurzschlussring 60 dann keine großen Kräfte mehr erzeugt. Allerdings wirkt jetzt die nach dem Reluktanzprinzip bereitgestellte hohe Magnetkraft im Anker 30. Während die vom Kurzschlussring 60 bereitgestellte Kraft nachlässt, steigt die nach dem Reluktanzprinzip bereitgestellte Kraft noch weiter an.
  • In Figur 3 sind die Kräfteverläufe schematisch über die Zeit dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 100 ist die durch den Kurzschlussring 60 bereitgestellte elektrodynamische Kraft 100 bezeichnet. Das Bezugszeichen 102 bezeichnet dagegen die Reluktanzkraft. Die Summe beider Kräftekurven 100 und 102 ist in der Kurve 108 zu erkennen. Aus dem Kräfteverlauf 108 ergibt sich, dass insgesamt ein sehr starker und steiler Kraftanstieg unmittelbar nach dem Bestromen der Erregerspule 50 eintritt. Zudem ist die Summe der Kräfte in der Spitze nahezu doppelt so hoch wie jede einzelne Kraft gemäß der Kurve 100 beziehungsweise der Kurve 102. In Figur 3 ist mit dem Bezugszeichen 104 noch der Verlauf des Spulenstroms durch die Erregerspule über die Zeit und mit dem Bezugszeichen 106 die Ankerposition des Ankers 30 aufgetragen.
  • In der Hubendstellung kann der Kurzschlussring 60 mit seinem Flansch 62 weiterhin an der Schulter 42 des Stößels 40 anliegen. Allerdings ist von Vorteil, wenn der Kurzschlussring 60 lose mit dem Stößel 40 gekoppelt ist, sodass bei einer Bewegung des Kurzschlussringes 60 zu Beginn der Bestromung der Erregerspule 50 den Stößel 40 an seiner Schulter 42 mitnimmt und bei nachlassender Lorentzkraft durch den Kurzschlussring 60 in Richtung Erregerspule 50 wieder abfallen kann, so dass er nicht von der dann die Bewegung übernehmenden Reluktanzkraft mitbewegt werden muss..
  • Bei der Dimensionierung des Hubmagneten ist es lediglich notwendig, dafür zu sorgen, dass zu Beginn der Bestromung der Erregerspule 50 eine Nach-Oben-Bewegung des Kurzschlussringes 60 unmittelbar eine Mitnahme des Stößels 40 und damit des Ankers 30 zur Folge hat. Nachdem der Stößel 40 durch den Kurzschlussring 60 sehr schnell mitgenommen wird, übernimmt im nächsten Zeitabschnitt, nachdem die Lorentzkraft nachlässt, die durch das Reluktanzprinzip bereitgestellte magnetische Kraft die Bewegung des Ankers 30 zum Gehäusedeckel 12 hin.
  • Durch das Prinzip, innerhalb eines Hubmagneten einen Kurzschlussring 60 dafür zu verwenden, den Anfang der Bewegung des Ankers 30 sehr schnell herbeizuführen und anschließend diese Bewegung durch die Magnetkraft nach dem Reluktanzprinzip zu kombinieren, wird ein extrem schnellschaltender Hubmagnet bereitgestellt. Ein solches beschleunigtes Schaltverhalten ist bei Schaltzeiten im Bereich von Millisekunden ein wesentlicher Fortschritt.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Hubmagnet
    11
    Gehäuse
    12
    Gehäusedeckel
    12a
    Bohrung
    13
    Einstich
    14
    Gehäuseboden
    16
    Gehäusewandung
    20
    Polkern
    21
    Stirnfläche
    30
    Anker
    31
    flanschartiger Fortsatz
    32
    Öffnung
    34
    Bohrungen
    36
    Gewinde
    37
    Stirnfläche
    40
    Stößel
    42
    Schulter
    43
    Buchse
    50
    Erregerspule
    52
    Spulenkörper
    70
    Luftspalt
    60
    Kurzschlussring
    62
    Flansch
    64
    Rücksprung
    100
    elektrodynamische Kraft 102 Reluktanzkraft
    104
    Spulenstrom
    106
    Ankerposition
    108
    resultierende Kraft
    A
    Einschnürung
    X
    Mittenachse
    E1
    Ebene 1
    E2
    Ebene 2
    L
    Induktivität
    R
    Widerstand
    C
    Kondensator
    S
    Schalter

Claims (11)

  1. Hubmagnet mit einem innerhalb eines Gehäuses (11) durch Bestromung einer Erregerspule (50) axial bewegbaren Anker (30) sowie einem mit dem Anker (30) gekoppelten, ebenfalls axial bewegbaren Kurzschlussring (60), dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (60) lose mit dem Anker (30) gekoppelt ist und der Anker (30) vom Kurzschlussring (60) nur in eine Bewegungsrichtung mit bewegbar ist.
  2. Hubmagnet nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach dem Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Polkern (20) mit seiner dem Anker (30) zugewandten Stirnfläche (21) mindestens annähernd auf einer Ebene (E1) angeordnet ist, welche durch ein oberes Ende der Erregerspule (50) definiert ist.
  3. Hubmagnet nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (30) mit einem Stößel (40) feststehend verbunden ist, dass der Stößel (60) eine Schulter (42) aufweist, und dass der Kurzschlussring (60) zum Mitnehmen des Stößels (60) an der Schulter (42) anschlägt.
  4. Hubmagnet nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (60) koaxial zum Stößel (40) angeordnet ist und einen mittigen, ringförmigen Flansch (62) aufweist, welcher an der Schulter (42) des Stößels anschlägt.
  5. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass in einem nicht bestromten Zustand der Erregerspule (50) ein am Kurzschlussring (60) ausgebildeter, ringförmiger Rücksprung (64) die Erregerspule (50) mindestens teilweise umgreift.
  6. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (60) aus Aluminium oder Kupfer besteht.
  7. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (30) aus Stahl besteht.
  8. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass im nicht bestromten Zustand der Erregerspule (50), bei dem sich sowohl der Anker (30) als auch der Kurzschlussring (60) in ihren Ruhestellungen befinden, ein im Gehäuse (11) befindlicher Polkern (20) zum Anker (30) über einen Luftspalt (70) beabstandet ist, und dass die Erregerspule (50) mindestens teilweise um diesen Luftspalt (70) herumgewickelt angeordnet ist.
  9. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (40) mit dem Anker (30) verschraubt ist.
  10. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) einen Gehäusedeckel (12) aus Metall aufweist, in den ein umlaufender Einstich (13) eingearbeitet ist.
  11. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Erregerspule (50) mit einer Kondensatorentladeeinrichtung (C) in Verbindung steht.
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