DE2406429C3

DE2406429C3 - Elektromagnet, mit mehreren ihn speisenden Quellen und relativ dazu beweglichem Anker

Info

Publication number: DE2406429C3
Application number: DE2406429A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof. Dr.-Ing. 8012 Ottobrunn Flachenecke
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-02-11
Filing date: 1974-02-11
Publication date: 1982-07-08
Also published as: US4166261A; DE2406429B2; GB1493058A; DE2406429A1; NL7501149A; FR2260853A1; DE2406633A1; FR2260853B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromagneten mit mehreren ihn speisenden Stromquellen, bestehend aus einem mit mindestens zwei Polschuhen versehenen Joch, das mit Hilfe eines von Erregerströmen durchflossenen Erregerspulensystems magnetisierbar ist, aus einem zwischen den Pölschuhen befindlichen, relativ dazu beweglichen Anker, der aus magnetisierbarem Material besteht und gegebenenfalls auch Leiterschleifen enthält, sowie aus einem von Steuerstromquellen gespeisten Steuerspulensystem.

Aus der DE-AS 10 44 976 is' ein Elektromagnet dieser Art für ein elektromagnetisches Relais bekannt, das aus einem U-förmigen Eisenkern besteht und eine

Arbeitswicklung sowie eine Eingangswicklung zur Steuerung des Scheinwiderstandes der Arbeitswicklung hat.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung von Anfang an soll jedoch zunächst der Hintergrund der Erfindung an Hand der F i g. 1 bis 4 erläutert werden, wobei zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Elektromagneten, mit dem zunächst die verwendeten Begriffe erläutert werden,

Fig.2 den Elektromagneten der Fig. 1 mit den eingetragenen Feldlinien,

F i g. 3 eine andere zur Erläuterung der verwendeten Begriffe dienende Anordnung, bei der das Joch des Elektromagneten drei Polschuhe trägt,

Fig.4 eine nochmals andere zur Erläuterung der verwendeten Begriffe dienende Anordnung mit einer Vielzahl von Polschuhen;

Fig. 5—12 zeigen weitere Einzelheiten der Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Es ist ein Joch 1 aus magnetisierbarem Material gezeigt, das alle an sich bekannten Formen r.nnehnien kann. Der Elektromagnet besitzt, wie beispielsweise aus der GB-PS 4 54 644 bekannt und in F i g. 1 gezeigt ist, eine Erregerspule 2 oder ein Erreger-Spulensystem, durch das die Erregerquelle 3 einen Erregerstrom schickt, um in dem Joch ein magnetisches Feld zu erzeugen. Das Erreger-Spulensystem und die Erregerquelle bilden zusammen das Erregersystem.

Mit dem Joch 1 sind in bekannter Weise Polschuhe 4 und 5 verbunden. Das von dem Erreger-Spulensystem im Joch erzeugte, magnetische Feld tritt aus dem einen Polschuh aus und entsprechend den in F i g. 2 gezeichneten Faldlinien in den zweiten Polschuh wieder ein. Die Pfeilspitzen der Feldlinien zeigen die Richtung der Feldlinien an. Zwischen den Polschuhen liegt ein magnetisierbarer Anker 6, der in bekannter Weise aus magnetisierbarem Material, z. B. Eisen, bestehen kann, aber auch Leiterschleifen enthalten kann wie bei Motoren. Der Anker ist beweglich und wird von dem magnetischen Fluß 12 des Erregersystems durchflossen. Der in den Anker eintretende magnetische Fluß übt auf den Anker eine Kraft aus, ebenso der aus dem Anker austretende Fluß. Ist B die im Luftspalt zwischen Polschuh und Anker bestehende magnetische Flußdichte, so ist die auf den Anker wirkende Kraft proportional zu der Größe

K = [β

dF.

Diese Kraft wirkt auf den Teil Fder Oberfläche des Ankers, in die der von dem benachbarten Polschuh ausgehende magnetische Fluß eintritt bzw. der in den benachbarten Polschuh eintretende Fluß austritt, c/Fist das Flächenelement der Fläche F.

Ist die Erregerquelle eine mehrphasige Quelle, z. B. ein dreiphasiges Quellensystem, so trägt beispielsweise in einer aus der Technik der Elektromotoren bekannten Weise das Joch 1 drei Polschuhe wie in Fig. 3, und es gibt drei Spulen bzw. Spulensysteme 2a bis 2c, die von den drei Quellen 3a bis 3c gespeist werden. Bekannt ist ferner ein dreiphasiges Quellensystem nach Fig.4, bei dem das Joch 1 zahlreiche Polschuhe und ein sechsteiliges Spulensystem besitzt, wobei der magnetische Fluß benachbarter Pplschuhe dadurch nach Größe und Phase verschieden ist, daß um das [och herum zwischen benachbarten Polschuhen je eine Erregerspule gewickelt ist. Ferner ist auch der Elektromagnet eines Linearmotors von Interesse, der aus Fig.4 dadurch entsteht, daß die Polschuhe nebeneinander auf einem geradlinigen Joch angeordnet sind.

Ein Polschuh ist somit in allgemeinster Form ein zusammenhängendes Gebilde aus magnetisierbarem Material, aus dem ein magnetischer Fluß in einen Anker übertritt, wobei der vom Erregersystem erzeugte magnetische Fluß aus allen Teilen der Stirnfläche des Polschuhs in gleicher Richtung austritt.

Es gibt nun Anwendungsfälle, bei denen die Notwendigkeit besteht, daß auf den Anker neben der durch das Erregersystem erzeugten Kraft noch eine zweite, magnetisch erzeugte Kraft oder mehrere zusätzliche Kräfte dieser Art wirken. Hierbei entstehen die zusätzlichen Kräfte. Steuerkräfte genannt, durch zusätzliche magnetische Felder, die aus einem oder mehreren Polschuhen in den Anker übertreten. Diese magnetischen Felder werden durch zusätzliche Ströme, Steuerströme genannt, erzeugt, wobei diese Ströme im Erreger-Spulensystem oder in zusätzlichen Spulensystemen durch zusätzliche Quellen, Steuerquellen genannt, erzeugt werden. Die an der Steuerung beteiligten Spulen werden als Steuerspulen oder Steuerspulensysteme bezeichnet.

Jedes Steuerspulensystem bildet zusammen mit der zugehörigen Steuerquelle das zu dieser Steuerquelle gehörende Steuersystem. Ein Beispiel ist die magnetische Lagerung eines rotierenden Ankers in Anordnungen nach F i g. 3 und Fig. 4. Hier benötigt man neben den Antriebskräften Steuerkräfte zur Stabilisierung der Lage des Ankers. Ein weiteres Beispiel zur Anordnung nach F i g. 1 ist der Anker als akustischer Generator, der vom Erregersystem zu einer niederfrequenten Schwingung angeregt wird und dann noch zusätzliche niederfrequente Schwingungen anderer Frequenzen ausführen soll.

Bekannt ist die Lösung, durch die die zweite magnetisch erzeugte Kraft durch einen zweiten Elektromagneten erzeugt wird, beispielsweise beim rotierenden Anker durch ein vom Antriebssystem getrenntes magnetisches Lager. Dies bedeutet jedoch einen relativ hohen Aufwand.

Aus der DE-OS 21 14 040 ist es bekennt, bei einem magnetisch gelagerten Rotor die elektromagnetischen Mittel einer Stabilisierungseinrichtung des magnetischen Lagers zur Aufnahme eines Mehrphasenwechselstroms einzurichten und dadurch den Rotor nach Art eines Hysterese- oder Wirbelstrommotors anzutreiben. Sie gibt ferner an sich bekannte Mittel zur Trennung der Stromkreise der die magnetische Lagerung stabilisierenden Quelle und der den Antrieb erzeugenden Mohrphasenquelle an.

Ferner ist es aus der Technik der Lautsprecher bekannt, eine magnetisierbare Membrane durch magnetische Kräfte zu Schwingungen auf mehreren Frequenzen dadurch anzuregen, daß man in die gleiche Erregerspule Ström mehrerer Frequenzen schickt.

Aus der DE-PS 3 42 286 ist es bekannt, bei einem Elektromagneten die Stirnfläche eines oder mehrerer Polschuhe je in mindestens zwei nicht zusammenhängende Polschuhteilflächen zu unterteilen und in den dadurch entstandenen Zwischenräumen mindestens einen stromdurchflo^snen Leiter eines Sekundärspulensystems zu legen. Aus der DE-OS 19 38 897 ist ein Elektromagnet bekannt, bei dem die Stirnfläche eines Polschuhs in drei Polschuhteilflächen unterteilt ist und

bei dem zwei dieser Polschuhteilflächen beiderseits der dritten Polschuhteilflache liegen.

Diese bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß durch die Überlagerung von mehreren von den verschiedenen Spulensystemen erzeugten, magnetischen Feldern gekoppelte Kräfte auftreten.

Die magnetische Flußdichte ödes Flusses von einem Polschuh zum Anker ist nämlich die Summe mehrerer Flußdichten verschiedener Herkunft. Für zwei verschiedene Quellen ist

Ii

Ii, .

wobei ß dor vom Frregersvstem erzeugte FIuIl und Ii_: der vom Steuersystem erzeugte Fluß ist. Nach der Formel (I) ist dann die auf den Anker wirkende Kraft proportional zu

K /iß, - Ii- dl

j B],11 > j 2Ii₁IiJF < \li\dl·

Diese Kraft ist also die Summe von drei Kräften, von denen die erste Kraft, auch Teilkraft erster Art genannt, diejenige Kraft darstellt, die vom Frregersvstem allein erzeugt wird und die dritte Kraft, auch Teilkraft dritter Art genannt, diejenige, die \om Steuersystem allein erzeugt wird.

Die zweite Kraft, auch Teilkraft zweiter Art genannt, entsteht, wenn beide Flusse gleichzeitig vorhanden sind und stellt eine Kopplung beider Systeme dar. Sie enthält beispielsweise Summenfrequenzen und Differenzfrequenzen, wenn die gekoppelten Vorgänge sinusförmige Zeitabhängigkeit haben, wie bei zwei Tönen im Lautsprecher. Im Fall des von der ersten Kraft angetriebenen Rotors addiert sich in diesem Fall zu dem zur Steuerung dienenden dritten Kraftanteil der zweite Anteil, der wegen des Faktors B die Antriebsfrequenz enthält und ein Vibrieren der magnetisch gelagerten •\chse erzeugt bzw. die magnetische Lagerung bei sehr kleinen Abständen zwischen Polschuh und Anker sogar unmöglich macht.

Es ist bekannt, die nichtlineare Abhängigkeit der Kräfte durch eine Vormagnetisierung weitgehend zu \errneiden. Dann ist B ein zeitlich konstanter Fluß, der w esen'.lich größer ist als B-_. In Gleichung (3) ist dann die drute Kraft wesentlich kleiner als die zweite Kraft und wird praktisch unwirksam. Die zweite Kraft enthält dann neben dem Konstanten B alle zeitabhängigen Flüsse im B₂ in linearer Kombination, so daß alle Teile von S: unabhängig voneinander Kräfte ausüben können.

Eine Vormagnetisierung bedeutet jedoch zusätzlichen Aufwand. Bei bewegtem Anker erzeugt die Vormagnetisierung Wirbelströme im Anker, wodurch Energie verbraucht wird und der Anker sich erwärmt. Bei kleinen Abständen zwischen Anker und Polschuh ist eine Wärmeausdehnung des Ankers nicht zulässig.

Aufgabe der Erfindung ist es. den Polschuhen und dem Steuersystem eine Form zu geben, bei der die in Gleichung (3) enthaltene Kraft zweiter Art hinreichend unwirksam ist so daß nur die Kräfte erster und dritter An wirksam werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 geker-nzeichneten Merkmale gelöst.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispicle der Erfindung sind in der Zeichnung Fig. 1, F i g. 2 und Fig. 5 bis Fig. 12 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

In einem einfachen Ausführungsbeispiel der F i g. 1 ist die Aufteilung der Stirnfläche des Polschuhs 4 in zwei Polschuhteilflächen 7, 8, gezeigt, die durch den Zwischenraum 9 voneinander getrennt sind. In diesem Zwischenraum liegen Leiter, die Bestandteil einer .Steiierspnle 10 sind, die von einer .Steuerquelle 11 gespeist wird. Durch .Steuerspulen geeigneter Form v. ird ein zusätzliches magnetisches Feld erzeugt, das Feldlinien 13 in der in Fig. 12 gezeichneten Form besitzt, wobei aus den Pfeilrichtungen der gezeichneten Feldlinie zu ersehen ist. daß dieses Zusatzfeld aus den Teilflächen 7 und 8 in verschiedener Richtung austritt. Diese verschiedene Richtung bedeutet verschiedenes V'iirjpirKpn fl*>c ß* für Kpirjp PnjcrhijhtfMJflanhiin r *i*> Kraft dritter Art der Gleichung (3) ist unabhängig vom Vorzeichen des B_:. weil B₂ quadratisch vorkommt. Der gewollte Kraftanteil des ß> ist also unabhängig von der Richtung des zur Steuerung dienenden Flusses, und die Wirkungen aller Teilflächen eines Polschuhs addieren sich in der dritten Kraft der Gleichung (3). Dagegen treten in der Kraft zweiter Art der Gleichung (3) die Kräfte der verschiedenen Teilflächen mit verschiedenen Vorze' hen auf, wodurch der unerwünschte zweite Kraftanteil eine Differenz wird und dadurch kleiner ist als im Fall von Zusatzfeldern gleicher Richtung.

Im einfachsten Fall wie in F i j. I und Fig. 5 gibt es nur eine Steuerquelle 11, derer« Strom durch Leiter in den Zwischenräumen zwischen den Polschuhteilflächen fließt. Diese Leiter sind ergänzt zu einer Spule oder einem Spulensystem, das von der Steuerquelle gespeist wird. Ein Beispiel ist das Spulensystem von F i g. 5 mit zwei Polschuhteilflächen 7, 8 und einem Zwischenraum 9 und zwei Steuerspulen 14,15.

Lm die Formeln zu vereinfachen, wird im folgenden vorausgesetzt, daß der Luftspalt zwischen Anker und Polschuh sehr klein und für die gesamte Stirnfläche des Polschuhs gleich groß ist.

Dann sind die magnetischen Felder homogen, und B<, ist eine Konstante. Die störende Kraft zweiter Art in Gleichung (3) ist dann proportional zu

K₂ = 2B₁Jl

B₂dF =

d. h. proportional zu dem Gesamtfluß Φ2, der von der Steuerquelle unter Berücksichtigung der verschi jenen Feldrichtungen zwischen Polschuh und Anker erzeugt wird. Dann ist Φι = 0 der anzustrebende Fall, in dem die Wirkungen des B-, und des ft voneinander unabhängig sind.

Ist der Polschuh in nur zwei Teilflächen unterteilt, ist ferner das von der Steuerquelle erzeugte Feld für jede Polschuhteilfläche homogen und weist entgegengesetzte Flußrichtungen auf. so ist die unerwünschte Kraft zweiter Art proportional zu

K₂ = 2

B₂₁F₁ - B₂₂F₂) = 2ß, (Φ_2Ι - Φ_η). (5)

Hierbei ist F: die Teilfläche mit der einen Flußrich-

■5 tung und Fi die Teilfläche mit der entgegengesetzten Rußfichiung. ft- die von der Sieuerqueüe erzeugte Flußdichte der Teilfläche F-. und B22 die entsprechende Fiußdichte der Teilfläche F₂. Φ·,·_; der von der

.Steuerquelle erzeugte Fluß durch die Teilfläche Fi und Φ 22 der Fluß durch die Teilfläche F2. Die unerwünschte zweite Kraft verschwindet also, wenn <Ι>2\=Φ2ΐ ist. Dieses läßt sich mit einer Doppelspule nach Fig. 5 erreichen, wobei um jede der beiden Teilflächen eine Spule gewickelt ist und beide Spulen mit geeignetem Wicklungssinn in Serie wie in Fig. 5 oder parallel gestaltet sind.

Der einfachste Fall ist gegeben, wenn der Polschuh durch einen geradlinig verlaufenden Zwischenraum in zwei gleich geformte Teilflächen unterteilt ist und die beiden um die Polschtihteilflä'cheii gewickelten Spulen gleich sind. Dann erzeugen beide, wenn sie in Serie oder parallel geschaltet sind und daher den gleichen Steuerstrom führen, auch gleiche Teilflüsse '/'>i und Φ< >-In diesem Fall braucht die Stirnfläche des Polschuhs und die gegenüberstehende Fläche des Ankers weder eine F.bcne zu sein noch überall gleicher Abstand /wischen Polschuh und Anker zu bestehen.

Rs reicht aus, wenn Polschuh und Anker symmetrisch zu dem geradlinigen Zwischenraum aufgebaut sind. Als Beispiel zeigt Fig. 6 einen derartigen Polschuh mit Polschuhteilflächen 7,8 und Zwischenraum 9.

Bei der Unterteilung des Polschuhs in mehrere Teilflächen greifen die von jeder Teilfläche erzeugten Kräfte auf den Anker dort an, wo der betreffende magnetische Fluß den Anker trifft. Die Kraft jeder Polschuhteilfläche hat daher einen von den Kräften der anderen Teilflächen verschiedenen Angriffspunkt auf den Anker. Zwischen jeder Teilfläche und dem Anker gibt es die drei in Gleichung (3) beschriebenen Teilkräfte. Die Kräfte zweiter Art, die sich nur als Summe für den Polschuh als Ganzes erfindungsgemäß kompensieren, sind jedoch als Teilkräfte für jede einzelne Teilfläche weiterhin existent und haben, entsprechend den verschiedenen Vorzeichen des B₂, verschiedene Richtung. Durch diese Polschuhteilkräfte der zweiten Art entstehen auf den Anker wirkende Drehmomente, die die Bewegung des Ankers zusätzlich und oftmals in unerwünschter Weise beeinflussen.

Es ist zweckmäßig, wenn die Teilflächen und die Steuerspulensysteme so gestaltet sind, daß sich die durch die Steuersysteme auf den Anker ausgeübten Drehmomente gegenseitig nahezu aufheben.

Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist ein Polschuh mit nur einer Steuerquelle, dessen Stirnfläche in drei Teile geteilt ist. wobei zwei dieser Teilflächen die vom Steuersystem erzeugte Flußdichte Bi in gleicher Richtung besitzen und die dritte Teilfläche die vom Steuersystem erzeugte Flußdichte in der entgegengesetzten Richtung. Dementsprechend ist auch die Richtung der Teilkräfte zweiter Art verschieden. F i g. 7 zeigte einen Polschuh mit drei Polschuhteilflächen 7, 8 und 16 mit Zwischenräumen 9 und 17 und drei Spulen 14, 15 und 18. Die Spulen sind in solchem Sinn um die Teilflächen gewickelt, daß sich magnetische Feldlinien 21 und 22 ausbilden, die die mittlere Spule 15 in gleicher Richtung durchlaufen und die äußeren Spulen 14 und 18 in der dazu entgegengesetzten Richtung.

Weil der Fluß des Erregersystems in allen Teilen der Polschuhe gleiche Richtung hat (gleiches Vorzeichen des Bi), haben die Teilkräfte zweiter Art wegen des wechselnden Vorzeichens von B₂ verschiedene Richtung entsprechend den Pfeilrichtungen der magnetischen Feldlinien in Fig. 7. Ein solches System aus drei Kraftanteilen läßt sich so gestalten, daß kein Drehmoment auf den Anker ausgeübt wird.

Wenn man beispielsweise in F i g. 7 die drei Spulen, bezogen auf die Steuerquelle 11, in Serie schaltet und dadurch gleichen Strom in ihnen erzeugt, allen Spulen gleiche Windungszahl und gleiche Länge ihres Eisenkerns gibt und die Teilflächen 7 und 16 halb so groß

■> macht wie die Teilfläche 8, so ist die vom Polschuh 8 ausgeübte Teilkraft zweiter Art doppelt so groß wie die Teilkräfte zweiter Art der Polschuhe 7 und 16 und von entgegengesetzter Richtung, so daß kein Drehmoment .auf den Anker ausgeübt wird.

κι Ein zweites Beispiel ohne Drehmoment, das nur zwei Polschuhteilflächen benötigt, besitzt nach Fig. 8 eine Teilung der Stirnfläche der Art. daß die erste Teilfläche die zweite Teilfläche vollständig oder nahezu vollständig umgibt. Eine derartige Ausführung ist aus der

π CH-PS 4 53 501 bekannt. Die eine der für das Steuersystem benötigten Spulen wird um die innere Polschiihteilflächc 8 gewickelt und liegt im Zwischenraum 9. Die zweite Spule kann verschiedene Lagen hahpn hoUnjpUwpup atjßcp uiv. die Pois'jh'.ihieüfljichc 7

:ii gewickelt sein

Fig. 8a zeigt ein Beispiel, in dem die äußere Teilfläche 7 die innere Teilfläche 8 ringförmig umgibt und der Zwischenraum 9 entlang einer in sich geschlossenen Kurve verläuft. Eine Form, die wegen

:-. ihrer Symmetrie besonders kleine Drehmomente erzeugt, ist die konzentrische Anordnung mit Kreisringen. F i g. 8b zeigt ein Beispiel mit einer nicht vollständig geschlossenen, äußeren Teilfläche 7. Stets ist bei Aufteilung in zwei Polschuhteilflächen erforderlich, daß

im die Teilfläche 7 die Teilfläche 8 weitgehend umgibt.

Ein System, in dem die Teilflächen zweiter Art für jeden Polschuh als Summe verschwinden, ist auch für zwei oder mehr Steuersysteme möglich. Im folgenden wird ein einfaches Beispiel mit zwei Steuersystemen

j-, beschrieben und unter der Annahme homogener Felder auch formelmäßig dargestellt. Alle Formeln, die hier zwecks Vereinfachung der mathematischen Darstellung für homogene Felder geschrieben sind, lassen sich natürlich auch für inhomogene Felder in Integralform wie in Gleichung (3) darstellen, und entsprechende Anordnungen lassen sich demzufolge auch für inhomogene Felder sinngemäß entwickeln.

Ein einfaches Beispiel eines Polschuhs mit homogenem Feld, dem durch ein Erregersystem eine Flußdichte

Ji B] mit überall gleicher Richtung gegeben wird, wird in vier Teilflächen den Größen Fi bis Ft unterteilt. Diese sind im Beispiel der F i g. 9 rechteckig und gleich groß gezeichnet. Die vier Teilflächen sind mit Spulen so umwickelt und diese Spulen so an die beiden

5n Steuerquellen geschaltet, daß die durch das erste Steuersystem erzeugten Flußdichten B₂ rechts und links vvm senkrechten Zwischenraum jeweils gleiche, aber oberhalb und unterhalb des waagerechten Zwischenraums jeweils verschiedene Richtung haben. Die durch das zweite Steuersystem erzeugten Flußdichten Bi haben rechts und links vom senkrechten Zwischenraum entgegengesetzte Richtung, aber oberhalb und unterhalb des waagerechten Zwischenraums jeweils gleiche Richtung. Unter Berücksichtigung der durch die Flußrichtung gegebenen Vorzeichen ist also die Gesamtflußdichte B jeder Teilfläche

in Fm B= B,+ B₂ +B₃.

in F₂:B= B₁ + B₂-B₃,

in Fy. B= B₁ -B₂ + B₃,

XnFt-B=B_x-B₂-B₃.

Entwickelt man aus Gleichung (1) entsprechende Formeln für die Kräfte, die jede Polschuhteilfläche auf

den Anker ausübt, so erhält man für jede Teilfläche in Erweiterung von Gleichung (3) drei Teilkräfte /.weiter Art aus den Produkten

Si B₂ und B₁ Bi und B₂ B₁.

Diese Teilkräfte haben je nach den Vorzeichen des B\ und B₁ in den Polschuhteilflächen verschiedene Richtung, so daß "ich diese Teilkräfte zweiter Art bei geeigneter Gestaltung der Teilflächen und der Spulensysteme innerhalb der Summenkraft, die der Polschuh als Ganzes auf den Anker ausübt, teilweise oder ganz gegenseitig aufheben können. Hierdurch wird erreicht, daß das Frregersystem und die beiden Steuersysteme leweils m ihren Wirkungen voneinander entkoppelt sind. Dall dies prinzipiell möglich ist. wird an Hand von F i g. 9 im Beispiel homogener l'elder mit vier gleichen

I eilfliichen

gezeigt, wobei zur Vereinfachung der Formeln angenommen wird, daß die erste Steuerquelle in jeder Teilfläche die gleiche Flußdichte B₂ und die zweite .Steuerquelle in jeder Teilfläche die gleiche Flußdichte Wi erzeugt. Dann entstehen Teilkräfte /weiter Art in den Flächen

ml·]: 2 Fn(Bi Il - ß, ß,+ ß>ß,).
in F₂:2 F. (B, B₂- S, B₁- B₂B,).
in F,:2F»{- ß, fr +B, Bi- ö, O₁),
\n F*:2F_n(-Bi B₂-B, ß, + ß,ß,).

Addiert man diese Kräfte, so ergibt sich Null. Wenn für den Polschuh die einzelnen Teilkräfte zweiter Art für die vier Teilflächen nicht genau sind, so tritt trotzdem durch die verschiedenartigen Vorzeichen der Teilkräfte bereits eine vorteilhafte Verkleinerung der Summenkraft zweiter Art aller Teilflächen ein.

Dank Kombination der durch F i g. 7 gegebenen Regel und der durch Fig. 9 gegebenen Regel läßt sich mit Hilfe einer Aufteilung des Polschuhs in mehr als vier Teilflächen zusätzlich eine drehmomentfreie Kraftentwicklung auf den Anker für zwei Steuerquellen erreichen.

Es ist keinesfalls erforderlich, für jede der beteiligten Quellen ein gesondertes Spulensystem zu verwenden. Zur Verminderung des Aufwandes sind einzelne oder alle Spulen des Spulensystems einer Quelle auch Bestandteil des Spulensystems einer anderen Quelle.

In einem besonders einfachen Beispiel mit nur einer Steuerquelle ist in F i g. 10 gezeigt, wie man vier Spulen so zusammenschalten kann, daß sie gleichzeitig vom Erregerstrom und vom Steuerstrom durchflossen werden und beide Quellen so angeschlossen werden, daß die beiden Quellen bei geeigneter Wahl der Spulen voneinander entkoppelt sind. In Fig. IOa ist die Anordnung der Spulen 14,15,18,19 und der Quellen 3,

I1 in einer Brückenschaltung gezeichnet Bei Erfüllung der bekannten Formeln für ein Brückengleichgewicht liegen die Anschlußpunkte der zweiten Quelle 11 so, daß zwischen diesen Anschlußpunkten keine Spannung der ersten Quelle 3 entsteht, und umgekehrt Die vier Spulen können wie in Fig. 10b um eine von vier Teilflächen eines Polschuhs so gewickelt und so zusammengeschaltet sein, daß sie vom Erregerstrom der Quelle 3 (Pfeile in F i g. 1 Oa) so durchflossen werden, daß der zugehörige magnetische Fluß aus allen vier Teüfiächen in gleicher Richtung austritt (Pfeile in F i g. 10b). Hierbei werden sie in der Schaltung der Fig. 10a durch die Ströme der

Stellerquelle Il (Pfeile mit zwei Pfeilspitzen) so durchflossen, da»; zwei gegenüberliegende Spulen 14 und 19 von beiden Quellen gleiche Stromrichtung und die beiden anderen gegenüberliegenden Spulen 15 und 18 von beiden Quellen entgegengesetzte Stromrichtung besitzen.

Die Spulen 14 und 19 erzeugen daher seitens des Steuersystems einen magnetischen Fluß in gleicher Richtung wie das Erregersystem (Pfeile mit zwei Pfeilspitzen in Fi g. I Ob) und die Spulen 18 und 15 einen magnetischen Fluß in entgegengesetzter Richtung wie das Frregersystem.

Man kann statt c.er vier Teilflächen der F i g. I Ob auch eine Anordnung mit nur zwei [eilfliichen des Polschuhs verwenden, wobei wie in F i g. 1 2 um die eine Teilfläche die beiden Spulen 14 und 19 und um die /weit< Teilfläche die Spulen 15 und 18 gewickelt sind. Dann is! in der einen Teilfläche die Flußrichtung beider Systeme gleich und in der /weiten Teilfläche die FltiUrk-htiin^ beider Systeme verschieden, wie dies in F i g. 2 gezeichnet ist.

Fig. 10b läßt erkennen, daß durch jede S[HiIe magnetische Flüsse beider Stromkreise treten und dort induktive Wirkungen erzeugen. Bei der Gestaltung des Elektromagneten muß daher die induktive Kopplung /wischen den beiden Stromkreisen hinreichend klein sein. Dies geschieht dadurch, daß die Polschuhe, die Polschuhteilflächen und die Spulen so ausgebildet, angeordnet und zusammengeschaltet sind, daß sich die verschiedenen induktiven Kopplungen in allen beteiligten Stromkreisen so kompensieren, daß die Vorgänge in jedem Stromkreis praktisch unabhängig von den Vorgängen in den anderen Stromkreisen sind.

Ein Beispiel zeigt, daß dies möglich ist. aber besonderer Dimensionierung bedarf.

In der Brückenschaltung der Fig. 10a muß beachtet werden, daß zwischen den vier Spulen magnetische Kopplung besteht. Das Brückengleichgewicht, das die Entkopplung zwischen den beiden Stromkreisen herstellt, muß daher unter Berücksichtigung der induktiven Kopplung zwischen den vier Spulen eingestellt werden. Ein Beispie! einer Anordnung, mit deren HiUe dies auf einfachste Weise gelingt, ist eine Brücke mit vier gleichen Spulen und vier gleichen Polschuh-Teilflächen, die räumlich in symmetrischer Form wie in der Brückenschaltung (Fig. 11) so angeordnet sind, daß auch die induktiven Kopplungen eine entsprechende Symmetrie besitzen, wodurch das Brückengleichgewicht und gleichzeitig Drehmomentfreiheit Φ entsteht.

Eine Steuerquelle kann auch derart gestaltet sein, daß sie ein Meßgerät speist, das an die Spulen des Steuersystems derart angeschlossen ist, daß das Meßgerät die Induktivität der Spulen des Steuersystems mißt und dadurch in bekannter Weise den Absland zwischen Polschuh und Anker mißt. Das Meßergebnis kann in magnetischen Lagern in bekannter Weise zur Stabilisierung des Abstandes zwischen Polschuh und Anker verwendet werden.

Auch bei dieser Messung sind diejenigen Teile von besonderem Nutzen, die zur Entkopplung der verschiedenen Stromkreise dienen und verhindern, daß der Antriebsvorgang und/oder' Stabilisierungsvorgang durch Induktion Störspannungen in den Meßvorgang überträgt und das Meßergebnis verfälschen mit dem Fffekt daß dadurch der Stabilisierungsvorgang beeinträchtigt wird.

Ein System, bei dem ein Antriebsvorgang (Erregersy- stem), ein Stabilisieningsvorgang (Steuersystem.) Bi und

Il

ein Meßvorgang gleich/eilig iw einem Polschuh mit entsprechenden Spulen stattfindet, läßt sich als eine Anordnung mit zwei SteuerqueMen beschreiben, weil jedes Meßgerät eine speisende Quelle enthält, /weck mäßig ist ein Meßverfahren, das eine Meflfrequen/

enthält, die wesentlich verschieden ist. von Frequenzen, die im Erregersystem verwendet werden, und von Frequenzen, die in anderen Steuersystemen des gleichen F.lektroniiigneten verwendet werden.

Claims

Patentansprüche:

I. Elektromagnet mit mehreren ihn speisenden Stromquellen, bestehend aus einen mit mindestens zwei Polschuhen versehenen Joch, das mit Hilfe eines von Erregerströmen durchflossenen Erregerspulensystems magnetisierbar ist, aus einem zwischen den Polschuhen befindlichen, relativ dazu beweglichen Anker, der aus magnetisierbarem ι ο Material besteht und gegebenenfalls auch Leiterschleifen enthält, sowie aus einem von Steuerstromquellen gespeisten Steuerspulensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche eines oder mehrerer Polschuhe (4,5) je in mindestens zwei ι ϊ zusammenhängende Polschuhteilflächen (7,8) unterteilt ist und in den dadurch entstehenden Zwischenräumen (9) mindestens ein stromdurchflossener Leiter des Steuerspulensystems (10) liegt, daß der vom Steuerstrom einer Steuerstromquelle erzeugte, -<> aus einer odir mehreren Polschuhteilflächen eines der Polschuhe austretende magnetische Fluß eine entgegengesetzte Richtung hat wie der aus den übrigen Polschuhteilflächen dieses Polschuhs austretende magnetische Fluß und daß die Polschuhteilflächen (7, 8) und das Steuerspulensystem derart bemessen sind, daß der vom Steuerstrom einer Steuerstromquelle erzeugte magnetische Gesamtfluß in der einen Richtung annähernd gleich dem von diesem Steuerstrom erzeugten Gesamtfluß in der m Gegenrichtung ist.
2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß d^e Stircwäche des Polschuhs (4) in zwei Polschuhteilflächen (7,8) unterteilt ist, daß um jedes eine Polschuhteilflä! Ίε einschließende J5 Polschuhsegment eine Steuerspule (14,15) gewickelt ist und beide Steuerspulen (14, 15) in Serie oder parallel geschaltet sind.
3. Elektromagnet nach Anspruch 2 mit nur einer Steuerstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die -to Stirnfläche des Polschuhs durch einen geradlinig verlaufenden Zwischenraum in zwei gleichgeformte Polschuhteilflächen (7, 8) unterteilt ist und der Polschuh (4) symmetrisch zum geradlinigen Zwischenraum geformt ist und daß die Steuerspulen (14, J5 15) gleich sind.
4. Elektromagnet nach Anspruch 1 mit nur einer Steuerstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs in mindestens drei Polschuhteilflächen (7, 8, 16) unterteilt ist und daß aus mindestens zwei dieser Polschuhteilflächen (7, 16), die beiderseits der dritten Polschuhteilfläche (8) liegen, der magnetische Fluß, der durch die Steuerstromquelle (11) erzeugt ist, in gleicher Richtung austritt. ·η
5. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs derart in zwei Polschuhteilflächen (7, 8; Fig.8) aufgeteilt ist. daß eine der Polschuhteilflächen (7) die andere Polschuhteilfläche (8) vollständig oder w> nahezu vollständig umgibt und daß im Zwischenraum (9) zwischen den Teilflächen eine der Steuerspulen angeordnet ist.
6. Elektromagnet nach Anspruch 1 mit zwei Steuersystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die f>> Stirnfläche des Polschuhs in mindestens vier Polschuhteilflächen aufgeteilt ist, und diese PoI-schuhleilflächen in vier Gruppen unterteilt sind, wobei in der ersten Gruppe die von der Erreger- und den Steuerstromquellen erzeugten magnetischen Flüsse gleiche Richtung haben, in der zweiten Gruppe der Fluß des Erregersystems und der Fluß des ersten Steuersystems gleiche Richtung und der Fluß des zweiten Steuersystems dazu entgegengesetzte Richtung hat, in der dritten Gruppe der Fluß des Erregersystems und des zweiten Steuersystems gleiche Richtung und der Fluß des ersten Steuersystems dazu entgegengesetzte Richtung hat, in der vierten Gruppe die Flüsse beider Steuersysteme entgegengesetzte Richtung haben wie der Fluß des Erregersystems.
7. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder alle Spulen (14, 15, 18, 19) des Spulensystems einer Quelle (11) auch Bestandteil des Spulensystems einer anderen Quelle (3) sind.
8. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Polschuhs zwei Polschuhteilflächen besitzt und um jedes eine Polschuhteilfläche einschließende Polschuhsegment je zwei Spulen derart gewickelt sind, daß um das eine Polschuhsegment diejenigen Spulen (14, 19) liegen, durch die der Erregerstrom und der Steuerstrom in gleicher Richtung fließt, und um das andere Polschuh?igment diejenigen Spulen (15, 18), durch die der Erregerstrom und der Steuerstrom in entgegensetzter Richtung fließt.
9. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß vier gleiche Spulen (14, 15, 18, 19) auf vier gleichen, auf den Ecken eines Quadrats angeordneten Polschuhsegmenten montiert und in einer Brückenschaltung so zusammengeschaltet sind, daß die in der Brückenschaltung benachbarten Spulen auch um räumlich benachbarte Polschuhsegmente gewickelt sind (Fig.10aundFig.il).
10. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise eines der Steuersysteme ein Meßgerät enthalten, das die Induktivität einer oder mehrerer Spulen des betreffenden Steuersystems mißt und dadurch den Abstand des betreffenden Polschuhs vom Anker mißt.
11. Elektromagnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für das Meßgerät eine Quelle konstanter Frequenz verwendet ist und daß diese Frequenz verschieden ist von Frequenzen, die im Erregersystem oder Steuersystem der gleichen Elektromagneten verwendet sind.