ELECTROMAGNETIC ACTUATOR WITH POSITION DETECTION

Abstract: 1. An electrically actuated solenoid magnet with a travel position detection, comprising a load winding (22), a soft magnetic armature guide part which projects axially past the load winding at one end, in which guide part an armature (10) is displaceably arranged, a nonmagnetic isolating joint (26) provided in the armature guide part (14) outside the load winding (22), a sensing coil (24) which surrounds the isolating joint and which is fed by an alternating voltage and whose inductive impedance is determined as a function of the travel position of the armature, and a device for compensating for the temperature dependence of the resistive impedance of the measuring coil, characterised by a temperature sensor (40) arranged in heat-conductive contact with the sensing coil (24) and a compensating circuit (42) which varies the alternating voltage (U2 ), which feeds the sensing coil (24), in accordance with the temperature determined by the temperature sensor (14).

Description: Elektrisch betätigter Hubmagnet mit Hublageerkennung Die Erfindung betrifft einen elektrisch betätigten Hubmagneten mit Hublageerkennung gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein Hubmagnet dieser Gattung ist aus der DE-OS 29 30 995 bekannt. Solche Hubmagnete werden z.B. zur Betätigung von Ventilen eingesetzt, wobei der Ventilkörper über eine Stange mit dem Anker des Hubmagneten verbunden ist. Zur Regelung der Ventilstellung wird die Hublage des Ankers als Ist-Wert bestimmt und mit einem vorgegebenen Soll-Wert verglichen, und der der Arbeitswicklung des Hubmagneten zugeführte Betätigungsstrom wird entsprechend der so ermittelten Regelabweichung gesteuert. Die Hublageerkennung zur Ermittlung des Ist-Wertes besteht bei diesem bekannten Hubmagneten in einer Messspule, die axial anschliessend an die Arbeitswicklung auf dem weichmagnetischen Ankerführungsteil im Bereich einer unmagnetischen Trennfuge angeordnet ist, die von dem einen Ende des Ankers bei dessen Axialbewegung überstrichen wird. Die Induktivität der Messspule ändert sich je nach dem, wie weit die Trennfuge durch den Anker überbrückt wird. Die Messspule wird mit einer Wechselspannung gespeist und ihr induktiver Widerstand zur Hublageerkennung bestimmt. Zu dem induktiven Widerstand der Messspule kommt deren temperaturabhängiger ohmscher Widerstand hinzu. Da sich die Temperatur der Messspule, insbesondere durch die unterschiedliche Stromstärke der Arbeitswidlung und durch Umwelteinflüsse ändert, ändert sich auch ihr ohmscher Widerstand, was zur Verfälschung des ermittelten Hublage-Ist-Wertes führt. Bei dem bekannten Hubmagneten ist zur Kompensation des Temperaturganges eine zweite Messspule vorgesehen, die in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Messspule steht, deren Induktivität aber nicht durch die Hublage des Ankers beeinflusst wird. Die Änderung des induktiven Widerstandes der ersten Messspule wird durch Vergleich mit dem Widerstand der zweiten Messspule ermittelt, so dass der für beide Messspulen gleiche temperaturabhängige ohmsche Widerstand ohne Einfluss ist. Die zweite Messspule erhöht bei der bekannten Hublageerkennung die Kosten und den Platzbedarf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kompensation des Temperaturganges der Messspule mit geringerem Aufwand und Platzbedarf zu bewirken. Diese Aufgabe wird bei einem Hubmagneten der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Durch den an der Messspule angeordneten Temperaturfühler wird die jeweilige momentane Temperatur der Messspule festgestellt. Die die Messspule speisende Wechselspannung wird entsprechend dieser momentanen Temperatur variiert, so dass gerade der dieser momentanen Temperatur entsprechende ohmsche Widerstand der MeBspule kompensiert wird. Die Temperaturkompensation wird durch eine einfache, wenig aufwendige elektronische Schaltung bewirkt. An der Messspule selbst muss nur der Temperaturfühler angeordnet sein, während die übrige elektronische Schaltung nicht in den Hubmagneten integriert werden muss. Die für den Einbau wesentlichen Abmessungen des Hubmagneten werden daher durch die Temperaturkompensation nicht beeinflusst. Als Temperaturfühler kann prinzipiell jedes elektronische Bauelement mit einer temperaturabhängigen Kennlinie verwendet werden; z.B. ein Thermoelement oder ein temperaturabhängiger Widerstand. Vorzugsweise werden als Temperaturfühler Dioden verwendet, die mit einem konstanten Strom gespeist werden. Der Spannungsabfall über diese Dioden ist dann direkt proportional der Temperatur. Dadurch lässt sich in einfacher Weise die die Messspule speisende Wechselspannung proportional der Temperatur variieren, um den proportional mit der Temperatur ansteigenden ohmschen Widerstand der Messspule zu kompensieren. Um eine eventuelle ungleichmässige Temperaturverteilung innerhalb der Messspule zu berücksichtigen, sind vorzugsweise mehrere Temperaturfühler über den Umfang der Messspule verteilt. Vorzugsweise werden vier in Reihe geschaltete Dioden um die Messspule herum angeordnet. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen in der oberen Hälfte axial geschnittenen Hubmagneten, Figur 2 in einem Blockschaltbild die gesamte Hublagen regelung des Hubmagneten, Figur 3 ein Schaltbild der Temperaturkompensation der Messspule des Hubmagneten und Figur 4 in einem'Diagramm die Temperaturkompensation. Der in Figur 1 dargestellte Hubmagnet weist einen weichmagnetischen Anker 10 auf, mit dem eine unmagnetische Kolbenstange 12 verbunden ist. Die Kolbenstange wirkt gegen eine Federkraft auf ein nicht dargestelltes Stellglied, beispielsweise einen Ventilkörper, ein. Der Anker 10 wird in einem als Druckrohr ausgebildeten weichmagnetischen Ankerführungsteil 14 axial verschiebbar geführt. Die Hubbewegung des Ankers 10 wird einerseits durch das geschlossene Ende des Ankerführungsteils 14 und andererseits durch einen in diesen Ankerführungsteil eingesetzten Anschlag 16 begrenzt. Eine erste unmagnetische Trennfuge 18 unterbricht den Ankerführungsteil 14 im Bereich des dem Anschlag 16 zugewandten Ende des Hubweges des Ankers 10. Auf dem Ankerführungsteil 14 sitzt ein Spulenkörper 20, auf welchen eine Arbeitswicklung 22 gewickelt ist. Ein weichmagnetisches Magnetfluss-Rückschlussteil 28 schliesst den Magnetkreis des Ankerführungsteils 14 aussen um die Arbeitswicklung 22. Der Hubmagnet kann mit einer Flanschplatte mittels Befestigungsschrauben unmittelbar an einem hydraulischen System angebaut werden. Bohrungen in dem Anschlag 16 und dem Anker 10 ermöglichen den Eintritt des unter Druck stehenden Hydraulik fluids auf beide Seiten des Ankers 10. Ein axial vorspringender Ansatz des Ankers 10 mit einer für die Führung des Magnetflusses ausreichenden radialen Dicke ragt über den Magnetfluss-Rückschlusssteil 28 axial hinaus. Ebenso ist der Ankerführungsteil 14 über den 24agnetfluss- Rückschlussteil 28 hinaus axial verlängert. Auf der axialen Verlängerung des Ankerführungsteil 14 sitzt eine Messspule 24. Der Ankerführungsteil 14 weist im Bereich der Messspule 24 eine zweite unmagnetische Trennfuge 26 auf. Ein Magnetfluss-Rückschlussteil 30 schliesst den Magnetkreis der Messspule 24. Der Magnetfluss-Rückschlussteil 30 ist an seiner der Arbeitswicklung 22 zugewandten Stirnfläche durch einen mit einer radialen Xunststoffscheibe 32 ausgefüllten Spalt von dem Magnetfluss-Rückschlussteil 28 der Arbeitswicklung 22 getrennt. Dadurch wird ein Übergreifen des Magnetflusses der Arbeitswicklung 22 auf den Magnetfluss der Messspule 24 vermie den. Der induktive Widerstand der MeBspule 24 ist veränderlich und hängt davon ab, wie weit die zweite unmagnetische Trennfuge 26 durch den Anker 10 überbrückt wird, und somit von der durch die die Arbeitswicklung 22 speisenden Stromstärke abhängige Hub lage des Ankers 10. Anhand des Blockschaltbildes der Figur 2 wird die Regelung der Hublage des Hubmagneten erläutert. Im Blockschaltbild der Figur 2 sind die Arbeitswicklung 22, der Anker 10 und die Messspule 24 des Hubmagneten schematisch dargestellt. Die Messspule 24 wird mit einer Wechselspannung U2 gespeist, die aus einer Gleichspannung U mittels eines Transistors 34 erzeugt wird, der durch einen Quarzoszillator 36 mit nachgeschaltetem Frequenzumformer 38 auf- und zugesteuert wird. Die Gleichspannung U wird zur Kompensation des temperaturabhängigen ohmschen Widerstandes der Messspule 24 entsprechend der durch einen an der Messspule 24 angeordneten Temperaturfühler 40 ermittelten Temperatur a variiert. Die in Figur 2 schematisch angedeutete Temperaturkompensationsschaltung 42 wird später im einzelnen erläutert. Die Messspule 24 ist mit einem ohmschen Messwiderstand 44 in Reihe geschaltet. Der durch die Messspule 24 fliessende Wechselstrom ist von dem induktiven Widerstand der Messspule 24, d.h. von der Hublage des Ankers 10, abhängig. Der entsprechend diesem hublageabhängigen Wechselstrom an dem Messwider- stand 44 auftretende Spannungsabfall wird über einen Präzisionsgleichrichter 46 gleichgerichtet und einem Eingang eines Regelverstärkers 48 mit P-I-Verhalten zugeführt. Dem anderen Eingang des Regelverstärkers 48 wird der Soll-Wert der Ankerhublage als Gleichspannungssignal zugeführt. Dieser Soll-Wert wird durch ein Potentiometer 50 und einen Verstärker 52 eingegeben. Der Regelverstärker 48 vergleicht nun das den Ist-Wert der Hublage darstellende Ausgangssignal des Präzisionsgleichrichters 46 mit dem den Soll-Wert darstellenden Ausgangssignal des Verstärkers 52 und regelt entsprechend der Regelabweichung über einen Schaltregler 54 den der Arbeitswicklung 22 zugeführten Strom, so dass die Regelabweichung null wird und der Anker die eingegebene Soll-Hublage einnimmt. Dem der Arbeitswicklung 22 zugeführten Strom wird zusätzlich durch einen Dither 56 eine Zitterfrequenz überlagert, um ein Festsetzen des Ankers bzw. des durch diesen betätigten Stellgliedes zu verhindern. Aus Figur 3 geht die Temperaturkompensationsschaltung 42 im einzelnen hervor. Der Temperaturfühler 40 wird durch eine Diode gebildet, die an eine Konstantstromquelle 58 angeschlossen ist. Anstelle der in Figur 3 dargestellten einen Diode 40 werden in der Praxis vorzugsweise vier in Reihe geschaltete Dioden verwendet, die über den Umfang der Messspule 24 verteilt angeordnet sind. Der der Temperatur der Diode 40 bzw. der Messspule 24 direkt proportionale Spannungsabfall über die Diode 40 wird dem einen Eingang eines Differenz-Operationsverstärkers 60 zugeführt. Dem anderen Eingang des Differenz- Operationsverstärkers 60 wird über ein Potentiometer 62 eine einstellbare Gleichspannung zugeführt. Der Gegenkopplungswiderstand 64 des Operationsverstärkers 60 ist ebenfalls einstellbar veränderlich. Die Gleichspannung am Ausgang des Differenz-Operationsverstärkers 60 wird durch den bereits oben erwähnten quarzgesteuerten Transistor 34 in eine Wechselspannung U4 mit einer Frequenz von beispielsweise 200 Hz umgewandelt. Diese in der Amplitude von der Temperatur der Diode 40 bzw. der Messspule 24 abhängige Wechselspannung U4 wird über einen Operationsverstärker 66 und einen Transistor 68, die zur Impedanzwandlung dienen, in die gleichgrosse temperaturabhängige Wechselspannung U2 umgewandelt, die die MeBspule 24 speist. Anhand der Figur 4 wird die Einstellung der Temperaturkompensation erläutert. Da der ohmsche Widerstand der Messspule 24 proportional mit der Temperatur ansteigt, muss auch die Spannung U4 bzw. die mit dieser gleiche Spannung U2 proportional mit der Temperatur ansteigen. Dieser in Figur 4 dargestellte lineare Anstieg der Spannung U4 mit der Temperatur ergibt sich aus dem temperaturproportionalen Spannungsabfall an der Diode 40 und der linearen Verstärkung des Differenz-Operationsverstärkers 60. Um eine vollständige Kompensation des temperaturabhängigen ohmschen Widerstandes der Messspule 24 zu erhalten, wird zunächst empirisch ermittelt, welche Spannungen U4 bei einer sehr tiefen und bei einer sehr hohen Temperatur der Messspule 24 notwendig sind, um die gleiche, nur von der Hublage S des Ankers 10 abhängige Ist-Wert-Spannung U3 zu erhalten. Die Konstantstromquelle 58 und die Diode 40 werden dann durch eine variable Spannungsquelle ersetzt und zunächst an dem Punkt 70 (in Figur 3) die Spannung eingespeist, die dem Spannungsabfall der Diode 40 bei dieser tiefen Temperatur entspricht. Mittels des Potentiometers 62 wird dann die Spannung U4 auf den empirisch ermittelten Wert für diese tiefe Temperatur eingestellt, d.h. es wird der Punkt A in Figur 4 festgelegt. Anschliessendwird an dem Punkt 70 die Spannung eingespeist, die dem Spannungsabfall der Diode 40 bei der hohen Temperatur entspricht. Mittels des einstellbaren Gegenkopplungswiderstandes 64 wird nun die Verstärkung des Operationsverstärkers 60, d.h. die Steigung der in Figur 4 dargestellten linearen Abhängigkeit der Spannung U4 von der Temperatur ° so eingestellt, dass die für diese hohe Temperatur empirisch ermittelte Spannung U4 erhalten wird. Aufgrund der linearen Abhängigkeit ist damit eine Temperaturkompensation über den gesamten Temperaturbereich erreicht.

Claims: PATENTAN SPRÜCHE 1. Elektrisch betätigter Hubmagnet mit Hublageerkennung mit einer Arbeitswicklung, mit einem innerhalb der Arbeitswicklung angeordneten, diese an einem Ende axial überragenden, weichmagnetischen Ankerführungsteil, in dem ein Anker verschiebbar angeordnet ist, mit einer ausserhalb der Arbeitswicklung in dem Ankerführungs teil vorgesehenen unmagnetischen Trennfuge, mit einer die Trennfuge umgebenden Messspule, die mit einer Wechselspannung gespeist ist und deren von der Hublage des Ankers abhängiger induktiver Widerstand bestimmt wird, und mit einer Einrichtung zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstands der Messspule, gekennzeichnet durch einen in wärmeleitendem Kontakt mit der Messspule (24) angeordneten Temperaturfühler (40) und durch eine Kompensationsschaltung (42), welche die die MeBspule (24) speisende Wechselspannung (U2) entsprechend der durch den Temperaturfühler (14) er mittelten Temperatur variiert. 2. Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Dioden als Temperaturfühler (40) dienen. 3. Hubmagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Reihe geschaltete Dioden über den Um fang der Messspule (24) verteilt angeordnet sind. 4. Hubmagnet nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, dass die Diode /Dioden (40) an eine Konstantstrom quelle (58) angeschlossen sind und dass die über der Diode/den Dioden anliegende Gleichspannung mittels eines durch einen Frequenzgenerator (36, 38) gesteuer ten elektronischen Schalters in die die Messspule (24) speisende Wechselspannung (U2) umgewandelt wird. 5. Hubmagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter ein Transistor (34) ist. 6. Hubmagnet nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, dass die über der Diode/den Dioden (40) anliegende Gleichspannung durch einen Operationsverstärker (60) verstärkt wird. 7. Hubmagnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker (60) als Differenzverstärker ausgebildet ist, an dessen einem Eingang die über der Diode/den Dioden (40) anliegende Gleichspannung und an dessen anderem Eingang eine mittels eines Potentiometers (62) einstellbare Gleichspannung anliegt. 8. Hubmagnet nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des Operationsverstärkers (60) mit tels eines veränderlichen Gegenkopplungswiderstandes (64) einstellbar ist.

Inventors: MUCKLE, NORBERT, ING. GRAD.
Applicants: BINDER MAGNETE GMBH
Application year: 1982
Main classification: H01F7
IPC codes: G05D23, G12B7, H01F7