Title:
Verbesserung elektromagnetischer Stellvorrichtungen
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

1 zeigt beispielhaft den erfindungsgemäßen Betriebsbereich der elektromagnetischen Stellvorrichtung vom Zeitpunkt Null, also vom Einschaltzeitpunkt, der ausschließlich innerhalb der Einschaltzeit der Spule liegt, was den Vorteil hat, dass mit sehr kurzen Stromstößen, die ausschließlich im Induktivbereich erfolgen, eine nahezu beliebige Stromübersteuerung der Spule erfolgen kann, solange die eingebrachte Energie klein genug ist, um die Grenztemperatur der elektromagnetischen Stellvorrichtung nicht zu überschreiten. Aufgrund der kurzen Stromstöße, die beispielsweise in einem Bereich von 10 μs–1 ms liegen können, ist die Einschaltdauer ED der Spule äußerst kurz und liegt beispielsweise bei 0,01%, so dass auch die Stromübersteuerung der Spule den Faktor 10.000 annehmen kann, ohne die Grenztemperatur zu überschreiten.





Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102016008129A
Publication Date:
01/11/2018
Filing Date:
07/06/2016
Assignee:
Blank, Anton, 70173 (DE)
International Classes:
H01F7/18
Claims:
1. Verbesserung elektromagnetischer Stellvorrichtungen, mit einer elektronischen Ansteuervorrichtung (1) und einer elektrischen Spule (L) dadurch gekennzeichnet, dass die Spule nur bis maximal innerhalb ihrer eigenen spezifischen Einschaltzeit angesteuert und um bis zu mehreren Größenordnungen stromübersteuert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb ihrer Einschaltzeit stark stromübersteuerte Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung ein entsprechend sehr rasch ansteigendes Magnetfeld zur Folge hat und dadurch eine zur Stromübersteuerung proportionale Erhöhung der Schnelligkeit des Stellglieds erreicht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die innerhalb der Einschaltzeit der Spule erfolgende starke Stromübersteuerung der elektromagnetischen Stellvorrichtung die Kraft des Stellgliedes proportional mit der Stromübersteuerung ansteigt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die sehr kurze Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung, die Spule in Bezug auf die sehr großen auftretenden Ströme unterdimensioniert und so Bauvolumen eingespart werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die sehr starke Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung teilweise oder ganz auf einen ferromagnetischen Kern verzichtet werden kann, um die Zeitkonstante T der Induktivität deutlich zu verkleinern und damit die Anstiegszeit des Stellgliedes weiter zu erhöhen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung, die Bauart und das Bauvolumen bekannter elektromagnetischer Stellvorrichtungen durch die erfindungsgemäße Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule nicht geändert werden müssen, selbst wenn die Stromübersteuerung mehrere Größenordnungen über dem nominellen Strom liegt, bei der eine konventionelle Stellvorrichtung bei 100% ED seine Grenztemperatur erreichen würde.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die starke Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung zur Verbesserung des Zurückholens des Stellgliedes in seine Ruhelage mit den gleichen genannten Vorteilen verwendet werden kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die schnelle Stromänderung und die starke Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung schnelle und starke monostabile, bistabile, multistabile und astabile Stellvorrichtungen realisiert werden können.

Description:

Die Erfindung betrifft die Verbesserung elektromagnetischer Stellvorrichtungen, um deren Schnelligkeit und Kraft wesentlich zu erhöhen.

Stand der Technik

Elektromagnetische Stellvorrichtungen kommen in vielen Bereichen der Technik in unterschiedlichen Ausführungen und Anordnungen zur Anwendung. Bei den am häufigsten verwendeten elektromagnetischen Stellvorrichtungen, die mittels Gleichspannung betrieben werden, erzeugt ein elektrischer Strom mittels einer elektrischen Spule ein Magnetfeld, welches eine Kraft auf ein bewegliches magnetisierbares Stellglied ausübt und dadurch die eingebrachte elektrische Arbeit in mechanische Arbeit umgewandelt wird.

Bei elektromagnetischen Stellvorrichtungen treten aufgrund der Induktivität (L) der elektrischen Spule (im Folgenden 'Spule' genannt) Begrenzungen der Bewegungsgeschwindigkeit des Stellglieds auf. Die Induktivität der Spule begrenzt die Stromanstiegszeit und damit auch die des Magnetfeldes nach der mathematischen Beziehung T = L/R wobei (R) den elektrischen Widerstand der Spule darstellt. Der Strom in der Spule steigt bei Anlegen einer Gleichspannung (U) nicht schlagartig, sondern exponentiell nach der Beziehung i(t) = U/R(1 – e–1/T) an. T gibt die Zeit an, nach der der Strom durch die Induktivität ca. 63,2% des Endstromes erreicht hat. Nach 5T hat der Strom etwa 99,3% seines Endwertes erreicht, man betrachtet den Einschaltvorgang in der Technik damit als abgeschlossen, dieser Zeitbereich wird auch als 'Einschaltzeit' bezeichnet. Nach beendeter Einschaltzeit wirkt nur noch der elektrische Widerstand und nicht mehr die Induktivität der Spule, dieser Bereich wird auch als 'eingeschwungener Zustand' bezeichnet.

Eine weitere Begrenzung der Leistungsfähigkeit elektromagnetischer Stellvorrichtungen ist die Erwärmung aufgrund des elektrischen Widerstands (R) der Spule, welcher in dieser eine Verlustleistung hervorruft, die mit dem Quadrat des Ansteuerstroms steigt. Abhängig vom Bauvolumen, den Materialien und der Wärmeleitfähigkeit des Systems kann eine systemspezifische Grenztemperatur nicht überschritten werden, da sonst eine thermische Schädigung oder Zerstörung der elektromagnetischen Stellvorrichtung eintreten würde. Durch den im vorigen Abschnitt beschriebenen exponentiellen Anstieg des Stroms in der Spule erreicht die Verlustleistung in der Spule erst nach Abschluss der Einschaltzeit ihr Maximum, ab dann ist die Verlustleistung Pv = I2 × R.

Elektromagnetische Stellvorrichtungen, die einen Dauerbetrieb gestatten, der als 100% ED (ED = Einschaltdauer) bezeichnet wird, weisen eine in Bezug auf ihr Bauvolumen geringe Leistungsfähigkeit auf, da der auftretenden dauerhaften Verlustleistung Pv nach der Einschaltzeit Rechnung getragen werden muss und durch die die Grenztemperatur erzeugt wird. Die eingebrachte elektrische Leistung dient in diesem Fall nur noch zum Halten des Stellgliedes in seiner Arbeitsstellung.

Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit elektromagnetischer Stellvorrichtungen, die keinen Dauerbetrieb erfordern, wird nach dem Stand der Technik die erlaubte Einschaltdauer (ED) reduziert, so dass die Stellvorrichtung im gleichen Maß höher ausgesteuert werden kann, ohne die Grenztemperatur zu überschreiten. Beispielsweise kann eine Stellvorrichtung mit 50% definierter Einschaltdauer zu 100% höher ausgesteuert werden, ohne die maximal erlaubte Grenztemperatur zu überschreiten, da die Stellvorrichtung in der Hälfte der Zeit stromlos ist und sich in dieser Zeit abkühlen kann.

Selbst bei den nach dem Stand der Technik kleinesten Einschaltdauern von 5% ED für eine sichere Funktion der Stellvorrichtung wird die Spule zeitlich stets weit über die Einschaltzeit hinaus angesteuert und damit die höchstmögliche Verlustleistung, erzeugt. Eine ED von 5% erlaubt theoretisch eine 20-fache Übersteuerung der Stellvorrichtung.

Um ein leistungsloses Halten zu realisieren werden elektromagnetische Stellvorrichtungen bistabil ausgelegt. Ein Stromstoß bringt das Stellglied in die Arbeitsstellung, wo es beispielsweise durch einen Permanentmagneten gehalten wird, ein weiterer Stromstoß, der am Ende der Haltezeit erzeugt wird, bringt das Stellglied wieder zurück in seine Ruhelage. Die Verlustleistung für die Hin- und Herbewegung des Stellgliedes hängt dann stark von den Schaltzeiten ab, die jedoch durch die Induktivität der Spule relativ langsam ablaufen, zudem müssen höhere Ströme aufgewendet werden, um insbesondere die Haltekraft, die ja möglichst groß sein soll, zu überwinden, um das Stellglied zurück in die Ruheposition zu bringen.

Elektromagnetische Stellvorrichtungen des Stands der Technik erfahren Begrenzungen ihrer maximalen Einsatztemperatur durch ihren Betrieb im eingeschwungenen Zustand in welchem die Verlustleistung im unerwünschten elektrischen Widerstand der Spule am größten ist und die eingebrachte Energie nur noch zum Halten des Stellglieds in seiner Arbeitsstellung verwendet wird. Die Schnelligkeit der bekannten elektromagnetischen Stellvorrichtungen wird durch die begrenzte Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms in der Spule, hervorgerufen durch die Induktivität derselben, limitiert. Da die Kraft der beschleunigten Masse des Stellgliedes proportional zum Magnetfeld in der Spule, hervorgerufen durch den Strom, verläuft, wirken sich die genannten Limitierungen direkt auf die Leistungsfähigkeit elektromagnetischer Stellvorrichtungen aus. Eine weitere Begrenzung der Leistungsfähigkeit elektromagnetischer Stellvorrichtung entsteht durch das ferromagnetische Kernmaterial des Elektromagneten der Stellvorrichtung, wenn denn ein solches zum Einsatz kommt. Um eine verständliche und klare Darstellung der Erfindung zu gewährleisten, wird auf die Einbeziehung des Kernmaterials verzichtet, die folgenden Ausführungen beziehen sich daher auf Luftspulen als Elektromagnet, die ein ferromagnetisches Stellglied bewegen.

An den genannten, die Leistungsfähigkeit begrenzenden Zusammenhängen, setzt vorliegende Erfindung an, um die Leistungsfähigkeit von elektromagnetischen Stellvorrichtungen, seien diese nun monostabil, bistabil, multistabil oder astabil ausgelegt, zu verbessern.

Die Erfindung

Die Erfindung beinhaltet den Gedanken, elektromagnetische Stellvorrichtungen so elektrisch auszulegen und anzusteuern, dass ein sehr kleines T der Induktivität, also eine sehr schnelle Stromanstiegsgeschwindigkeit entsteht und gleichzeitig ein sehr großer Strom in der Spule fließen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer elektronischen Ansteuervorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Spule nur bis maximal innerhalb ihrer eigenen spezifischen Einschaltzeit angesteuert und um bis zu mehreren Größenordnungen stromübersteuert wird.

Ein wesentlicher Vorteil, welcher gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, dass die innerhalb ihrer Einschaltzeit stark stromübersteuerte Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung ein entsprechend sehr rasch ansteigendes Magnetfeld zur Folge hat und dadurch eine zur Stromübersteuerung proportionale Erhöhung der Schnelligkeit des Stellglieds erreicht wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil, welcher gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, dass durch die innerhalb der Einschaltzeit der Spule erfolgende starke Stromübersteuerung der elektromagnetischen Stellvorrichtung die Kraft des Stellgliedes proportional mit der Stromübersteuerung ansteigt.

Ein Vorteil, welcher gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, dass durch die sehr kurze Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung, die Spule in Bezug auf die sehr großen auftretenden Ströme unterdimensioniert und so Bauvolumen eingespart werden kann.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil, welcher gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, dass durch die sehr starke Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung teilweise oder ganz auf einen ferromagnetischen Kern verzichtet werden kann, um die Zeitkonstante T der Induktivität deutlich zu verkleinern und damit die Anstiegszeit des Stellgliedes weiter zu erhöhen.

Ein weiterer Vorteil, welcher gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, dass die Stromversorgung, die Bauart und das Bauvolumen bekannter elektromagnetischer Stellvorrichtungen durch die erfindungsgemäße Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule nicht geändert werden müssen, selbst wenn die Stromübersteuerung mehrere Größenordnungen über dem nominellen Strom liegt, bei der eine konventionelle Stellvorrichtung bei 100% ED seine Grenztemperatur erreichen würde.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die starke Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung zur Verbesserung des Zurückholens des Stellgliedes in seine Ruhelage mit den gleichen genannten Vorteilen eingesetzt werden kann.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil, welcher gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, dass durch die schnelle Stromänderung und die starke Stromübersteuerung innerhalb der Einschaltzeit der Spule der elektromagnetischen Stellvorrichtung schnelle und starke monostabile, bistabile, multistabile und astabile Stellvorrichtungen realisiert werden können.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Diagrammen näher erläutert, hierbei zeigen:

1: den Betriebsbereich der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung im Vergleich zum Betriebsbereich des Stands der Technik

2: eine beispielhafte 100-fache Stromübersteuerung im erfindungsgemäßen Zeitbereich innerhalb der Einschaltzeit zwischen T = 0 und T = 1 der Induktivität der Spule.

3: eine beispielhafte 1000-fache Stromübersteuerung einer mit 2 identischen Stellvorrichtung im erfindungsgemäßen Zeitbereich innerhalb der Einschaltzeit zwischen T = 0 und T = 0,65 der Induktivität der Spule.

1 zeigt schematisch die Ansteuerschaltung 1, die die Steuergleichspannung USt, generiert und welche den Strom IL in der Spule L hervorruft, was im darunter liegenden Spulenstrom-Zeitdiagramm einer herkömmlichen elektromagnetischen Stellvorrichtung mit dem exponentiellen Anstieg des Stroms hervorgerufen durch die Induktivität der Spule dargestellt ist. Nach der Einschaltzeit von 5T erreichen der Strom und damit auch die Verlustleistung, hervorgerufen durch den unerwünschten elektrischen Widerstand der Spule, ihre Maxima, das ist der eingeschwungene Zustand der Spule. Der Betrieb im eingeschwungenen Zustand ist Stand der Technik und wird in der überwiegenden Anzahl der Anwendungen eingesetzt, auch bei monostabilen Stellvorrichtungen mit nur 5% ED und bistabilen Ausführungen. Dazu muss man sich die zeitlichen Größenverhältnisse vor Augen führen, denn die eingezeichnete Zeitkonstante T liegt im Bereich von ca. 0,5–10 Millisekunden (1/1000 Sekunde). Demgegenüber erstreckt sich der erfindungsgemäße Betriebsbereich vom Zeitpunkt Null, also vom Einschaltzeitpunkt, ausschließlich innerhalb der Einschaltzeit der Spule, was den Vorteil hat, dass mit sehr kurzen Stromstößen, die ausschließlich im Induktivbereich erfolgen, eine nahezu beliebige Stromübersteuerung der Spule erfolgen kann, solange die eingebrachte Energie klein genug ist, um die Grenztemperatur der elektromagnetischen Stellvorrichtung nicht zu überschreiten. Aufgrund der kurzen Stromstöße, die beispielsweise in einem Bereich von 10 μs–1 ms liegen können, ist die Einschaltdauer ED der Spule äußerst kurz und liegt beispielsweise bei 0,01%, so dass auch die Stromübersteuerung der Spule den Faktor 10.000 annehmen kann, ohne die Grenztemperatur zu überschreiten.

2 zeigt beispielhaft das Spulenstrom-Zeitdiagramm einer erfindungsgemäßen 100-fachen Stromübersteuerung im erfindungsgemäßen Zeitbereich zwischen T = 0 und T = 1 der Induktivität der Spule. Der nominelle Spulenstrom von 0,1 A einer elektromagnetischen Stellvorrichtung nach dem Stand der Technik mit 100% ED ist mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet. Es ist zu beachten, dass zur zeichnerischen Darstellung der Spulenstrom IL in logarithmischem Maßstab aufgetragen ist. Der Strom IL steigt exponentiell vom Einschaltzeitpunkt (Null Sekunden) entsprechend der Zeitkonstante T der Induktivität der Spule an und wird bei T = 1 und 10 A abgeschaltet. Die mit Ex gekennzeichnete Fläche entspricht der eingebrachten Energie, die die gleiche Fläche, also die gleiche Energie der Stellvorrichtung nach dem Stand der Technik (zeichnerisch nicht dargestellt) aufweist und mit der die Grenztemperatur nicht überschritten wird.

3 zeigt die gleiche Spule mit gleicher Induktivität wie in 2, jedoch mit dem 10-fachen Stromimpuls, also mit 1000-facher Übersteuerung gegenüber der Stellvorrichtung des Stands der Technik. Es ist klar ersichtlich, dass sich trotz gleicher Zeitkonstante der Induktivität der Spule die Anstiegszeit des Stroms wesentlich verkürzt, also der Strom schneller ansteigt und durch die nun 10-fache Stromstärke gegenüber 2 eine entsprechende 10-fache Magnetkraft auf das Stellglied wirkt. Da die eingebrachte Energie, gekennzeichnet durch die Fläche Ex, auf die gleiche Fläche wie die Fläche Ex in 2 eingestellt wurde, erwärmt sich die erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung nicht mehr als diejenige in 2 und auch nicht mehr als die Stellvorrichtung nach dem Stand der Technik, die eine wesentlich geringe Schnelligkeit und Kraft aufweist.