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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung von Elektromagneten
mit beschleunigtem Ankeranzug und -abfall, bei der ein Magnet aus einer Wechselstromquelle
über einen Gleichrichter, einen parallelgeschalteten Kondensator und einen zwischen
dem Kondensator und dem Magneten angeordneten Schalter zum Ein- und Ausschalten
des Magneten mit Gleichstrom gespeist wird, wobei zwischen dem Gleichrichter und
dem Kondensator ein Widerstand vorgesehen ist.
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Bei der Anwendung von Hubmagneten in schnelllaufenden Maschinen beispielsweise
zum .Betätigen einer Weiche zum Ausschalten fehlerhafter Werkstücke od. dgl., kommt
es auf folgende Eigenschaften an: 1. kurze Anzugzeit, 2. kurze Abfallzeit, _ -3.
Ertragen großer Schalthäufigkeit ohne überhitzen und 4. Durchbrennsicherheit bei
durch äußere Einflüsse verhindertem vollem Anziehen des Magneten. Normale Gleichstrommagneten,
deren Spulen einen dem Nennstrom entsprechenden ohmschen Widerstand aufweisen, ertragen
zwar aus diesem Grund eine beliebig große Schalthäufigkeit ohne Überhitzung und
brennen auch nicht durch, wenn der Magnet infolge äußerer Einflüsse nicht ganz angezogen
hat, besitzen aber infolge der zur Erzielung des großen ohmschen Widerstandes erforderlichen
großen Windungszahl eine sehr. große Selbstinduktion, -.infolge welcher der Strom
beim Einschalten langsam ansteigt und nach dem Ausschalten langsam abfällt, .so
daß .die Anzugzeit und die Abfallzeit so lang sind, daß normale Gleichstrommagneten
für ein schnelles Arbeiten keine Verwendung finden können.
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Infolge der großen Selbstinduktion der Gleichstrommagneten tritt außerdem
beim Abschalten des Magneten ein sehr großer Öffnungsfunke im Schalter auf, der
durch Abbrand dessen Lebensdauer begrenzt.
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Ein Gleichstrommagnet für eine Hubarbeit von 3 cmkp für eine Spannung
von 200 Volt besitzt einen ohmschen Widerstand von 1800 Ohm, im angezogenen Zustand
eine Induktivität von 70 Hy und im abgefallenen Zustand von 30 Hy (Hy = Henry).
Dieser Magnet hat eine Anzugszeit von 230 ms und eine Abfallzeit von 80 ms.
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Durch Vorschalten eines Widerstandes und Anlegen einer entsprechend
höheren Spannung erreicht man eine entsprechend hohe Klemmspannung an dem Magneten,
so daß derselbe im ersten Augenblick des Einschaltens übererregt ist und schneller
anzieht. Bei einsetzendem Stromfluß bricht die Überspannung infolge des Vorwiderstandes
sofort zusammen,-sö daß nur der Nennstrom des Magneten fließt. Durch diese sogenannte
Schnellerregung kann zwar die Anzugzeit in gewissen Grenzen, nicht aber die Abfallzeit
herabgesetzt werden. Zum Einsatz in schnellaufenden Maschinen, wo eine sehr kurze
Anzugzeit und auch eine kurze Abfallzeit erforderlich ist, kann daher der Gleichstrommagnet
auch bei der soeben angegebenen Schnellerregung keine Verwendung finden.
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Verhältnismäßig kurze Anzug- und Abfallzeiten hat man jedoch schon
mit Wechselstrommagneten erzielt. Da für einen Wechselstrom die Selbstinduktion
einer von ihm durchflossenen Spule ständig als Widerstand wirkt, ergeben sich für
wechselstromgespeiste Magneten Spulen mit einem verhältnismäßig sehr geringen ohmschen
Widerstand.
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Ein WechseIstrommagnet von ebenfalls 3 cmkp und der gleichen Betriebsspannung
von etwa 200 Volt wie bei dem vorerwähnten Gleichstrommagneten hat einen ohmschen
Widerstand von nur 90 Ohm, im angezogenen Zustand eine Induktivität von 3 Hy und
im abgefallenen Zustand von 0,45 Hy.
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Da die Selbstinduktion im abgefallenen Zustand wesentlich geringer
ist als im angezogenen Zustand -im angegebenen Musterfall nur rund der 6,7te Teil
-, fließt beim Einschalten eines abgefallenen Wechselstrommagneten ein wesentlich
höherer Strom als der Nennstrom, welch letzterer durch den induktiven Widerstand
des Magneten bei angezogenem Anker bestimmt wird. Der nach dem Einschalten sehr
große und während des Anziehens auf den Nennstrom abfallende Strom bewirkt eine
sehr starke magnetische Erregung und damit eine große Zugkraft, die zu einer recht
kurzen Anzugzeit führt, die im vorliegenden Beispiel mit etwa 10 ms gemessen wurde.
Die Abfallzeit betrug 10 bis 15 ms.
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Gegenüber den Gleichstrommagneten weisen daher die Wechselstrommagneten
wesentlich schnellere Anzug- und Abfallzeiten auf, selbst gegenüber den Gleichstrommagneten
mit Schnellerregung, doch weisen sie andererseits wiederum empfindliche Mängel auf:
Infolge des erhöhten Stromflusses, bis der Magnet angezogen hat, ist seine Schalthäufigkeit
unter Vermeidung von Überhitzung begrenzt, wobei die Größe des Hubes auch noch eine
Rolle spielt, da die Anzugzeit und damit die Zeit der Übererregung mit dem Hub wächst.
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Weiter müssen aus demselben Grund Wechselstrommagneten stets voll
zum Anzug kommen, wenn sie nicht durchbrennen sollen, da bei nicht voll angezogenem
Anker die Indüktivität zu gering und der Strom daher zu groß für die Spule ist.
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Aus der deutschen Patentschrift 950 479 ist bereits eine Schaltungsanordnung
der eingangs beschriebenen Art bekannt, mittels der ein als Gleichstrommagnet ausgebildeter
Magnet mit Gleichstrom gespeist wird, wobei der zwischen dem Gleichrichter und dem
Kondensator vorgesehene Widerstand lediglich den Zweck hat, die Aufladung des Kondensators
langsam zu gestalten. Diese für Gleichstrommagneten vorgesehene bekannte Schaltungsanordnung
ist nicht gegeignet, die eingangs bereits beschriebenen Nachteile von Gleichstrommagneten
zu überwinden, nämlich die lange Anzug- und Abfallzeit von Gleichstrommagneten,
auf Grund derer diese für schnelle Schaltvorgänge ungeeignet sind.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1028 845 ist ein elektromagnetisches
Schaltventil bekannt, dessen Eisenkreis durch Gleich- oder Wechselstrom erregbar
ist, bei dem die Erregung des Eisenkreises durch die beiden genannten Stromarten
während der Anker-und damit der Ventilbewegung nacheinander erfolgt. Dabei soll
bei dieser bekannten Anordnung der Magnet zum Anziehen mit Wechselstrom gespeist
werden, um das gegenüber Gleichstrommagneten größere Anzugmoment auszunutzen. Dies
bedeutet, daß diese bekannte Anordnung alle oben bereits geschilderten Nachteile
von Wechselstrommagneten besitzt und insofern nachteilig ist. Diese bekannte Anordnung
ist auch insofern nachteilig, als einerseits
der Magnet rasch anziehen
soll, weshalb eine hohe Wechselspannung angelegt werden muß, was jedoch zur Folge
hat, daß nach dem Einschalten des Gleichrichters eine derart hohe Gleichspannung
vorliegt, daß die Gefahr des Durchbrennens der Spule besteht. Wird dieser Gefahr
dadurch Rechnung getragen, daß von einer niedrigeren Wechselspannung ausgegangen
wird, so ist das gewünschte rasche Anziehen des Magneten nicht mehr gewährleistet.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die die vorstehenden Nachteile vermeidet
und die möglichst noch kürzere Anzugzeiten als mit einem Wechselstrommagneten erreichbar
ermöglicht, die kurzen Abfallzeiten der Wechselstrommagneten liefert, eine sehr
große Schalthäufigkeit zu erreichen gestattet, den Magneten gegen nicht vollständiges
Anziehen unempfindlich macht und nur einen geringen Öffnungsfunken beim Abschalten
des Magneten mit sich bringt.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Magnet als Wechselstrommagnet ausgebildet
und für die Spannung der Wechselstromquelle (z. B. 220 V) ausgelegt ist und daß
der Widerstand derart bemessen ist, daß der nach dem Einschalten und nach dem Abklingen
des Kondensator-Entladestroms durch den Wechselstrommagneten fließende, gleichgerichtete
Dauerstrom dem Nennstrom des Wechselstrommagneten entspricht. Durch die Speisung
des Wechselstrommagneten mit Gleichstrom wird Unempfindlichkeit gegen unvollständiges
Anziehen erreicht, da die sich beim Anziehen des Magneten verändernde Selbstinduktion
keine Rolle mehr spielt. Der Kondensator lädt sich bei abgeschaltetem Magneten auf
und bewirkt beim Einschalten durch seine Entladung eine kräftige Übererregung, die
ein sehr schnelles Anziehen des Magneten zur Folge hat. Insbesondere wohl, weil
beim Betrieb mit Gleichstrom keine Erwärmung infolge von Wirbelstromverlusten auftritt
und damit die Erwärmung des Magneten wesentlich geringer ist als beim Betrieb mit
Wechselstrom, konnte an dem erfindungsgemäß gespeisten Magneten eine ganz wesentlich
größere Schalthäufigkeit ohne unzulässige Erwärmung erprobt werden. Infolge der
geringen Induktivität des Wechselstrommagneten im Vergleich mit einem Gleichstrommagneten
und infolge der auf Grund der Niederohmigkeit der Spule geringen Klemmenspannung
des Magneten bei angezogenem Anker ergibt sich beim Abschalten desselben nur ein
äußerst geringer Öffnungsfunke, so daß der Schalter eine lange Lebensdauer hat.
Infolge des wesentlich geringeren induktiven Widerstandes der Wechselstrommagnetspule
gegenüber einer Gleichstromspule ist auch beim Betrieb mit Gleichstrom die Abfallzeit
des erfindungsgemäß gespeisten Magneten, die sehr stark auch von der das Abfallen
bewirkenden Rückholkraft (z. B. Federkraft) abhängt, in keiner Weise größer als
bei dem Betrieb mit Wechselstrom. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist somit
in bezug auf den Magneten in außerordentlich vorteilhafter Weise durchbrennsicher,
schnellschaltend und von hoher Lebensdauer.
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Die erfindungsgemäße Anordnung unter Verwendung eines Gleichrichters
ist an Hand der Zeichnung nachstehend nochmals ausführlich beschrieben. Die dargestellte
Anordnung besteht aus einem Wechsel-Strommagneten 1, der entsprechend dem
geöffneten Schalter 2 in abgefallenem Zustand dargestellt ist, einem jenseits des
Schalters 2 parallel zu dem Magneten geschalteten Kondensator 3, einem dem
Magneten und dem Kondensator vorgeschalteten Widerstand 4
und einem Gleichrichter
5. An den Eingangsklemmen 6 und 7 des Gleichrichters 5 liegt eine Wechselspannung
von beispielsweise effektiv 220 Volt und 50 Hz. Dann wird der Kondensator 3 entsprechend
der Spitzenspannung von 220 - 1,41 = 310 Volt aufgeladen. Schließt man jetzt den
Schalter 2, so erhält der Magnet, der an sich eine Spule für effektiv 220 Volt Wechselstrom
von 50 Hz besitzt, einen kräftigen Stromstoß, so daß er äußerst schnell anzieht.
Bei Wahl eines Kondensators von 64 Mikrofarad wurde eine Anzugzeit von nur 7 ms
gemessen. Der Kondensator ist so bemessen, daß er sich entladen hat, wenn der Magnet
angezogen hat, damit eine unnötige Speisung des Magneten und damit eine für die
Schalthäufigkeit nachteilige unnötige Erwärmung ausgeschlossen sind. Es fließt sodann
durch die Magnetspule ein Gleichstrom, der durch den Widerstand 4 von beispielsweise
500 Ohm von der Mittelwertspannung an den Ausgangsklemmen 8 und 9 des Gleichrichters
5 von 180 auf 30 Volt herabgesetzt ist, welche Spannung den Nennstrom durch die
Magnetspule fließen läßt. Ein Durchbrennen der Magnetspule ist bei diesem Strom
auch dann nicht möglich, wenn der Magnet infolge äußerer Einwirkungen nicht ganz
angezogen haben sollte, da es bei dem Gleichstrom auf den Unterschied des induktiven
Widerstandes im angezogenen und abgefallenen Zustand nicht ankommt. Im Dauerversuch
ertrug der Magnet innerhalb der dargestellten Anordnung 9000 Schaltungen pro Stunde
ohne unzulässig hohe Erhitzung, womit seine Schalthäufigkeit 75mal über derjenigen
(120 pro Stunde) liegt, die für den gleichen Magneten bei Speisung mit Wechselstrom
als nicht zu überschreiten vorgeschrieben ist.
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Eine Schalthäufigkeit von 9000 Ein- und Ausschaltungen in der Stunde
ergibt für jede Ein- und Ausschaltung 400 ms, davon war der Magnet etwa 333 ms eingeschaltet
und 67 ms ausgeschaltet. Die Aufladung des Kondensators erfolgte daher jeweils während
67 ms, was ohne weiteres möglich ist, da der Kondensator in 32 ms im wesentlichen,
d. h. zu 6004, aufgeladen ist. (Da die Aufladung eines Kondensators asymptotisch
verläuft, würde für eine 100%ige Rufladung eine unendliche Zeit benötigt, aus welchem
Grunde man praktisch mit der Zeit für eine 60%ige Rufladung rechnet.)