Ankerposition eines Elektromagneten

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Position des

Ankers eines Elektromagneten, wie er beispielsweise als Stellglied zur Betätigung mechanischer oder elektrischer Komponenten eingesetzt wird. Bei vielen Anwendungen von Elektromagneten ist eine Überwachung der Ankerposition wünschenswert, um beispielsweise jeweils den momentanen Zustand eines Mechanismus, der durch den Elektromagneten betätigt wird, erfassen zu können. Konkrete Beispiele sind die Überwachung der Öffnungs- oder Verschlussposition von Brandschutztüren, die mittels Elektromagneten betätigt werden, oder die Betätigung von Ventilen.

Stand der Technik

Bisherige Lösungen zur Überwachung der Ankerposition eines Elektromagneten nutzen Sensoren,

Videoanalysen oder die Auswertung des Erregerstroms des Elektromagneten. Bei Verwendung von Sensoren muss deren Einsatz bzw. Position jedoch schon bei der Auslegung des Magnetkreises des Elektromagneten berücksichtigt werden. Eine Auswertung der Ankerposition durch

Videoanalyse ist aufwändig und teuer. Aus der DE 195 05 219 AI ist ein Gerät zur

Erfassung der Position des Ankers einer elektromagnetischen Stelleinrichtung bekannt, das ohne

Anbringen von Lagesensoren auskommt. Bei dem Gerät werden die Spulenspannung und der Spulenstrom des Elektromagneten erfasst, um daraus die momentane

Position des Ankers eines Hubmagneten abzuleiten.

Die DE 10 2012 005 685 AI beschreibt ein Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung des Ankers eines Elektromagneten, bei dem die Ankerposition aus einer Phasenverschiebung zwischen einer Wechselspannungskomponente und der Wechselstromkomponente des Stroms durch die Spule des Elektromagneten bestimmt wird.

Auch aus der DE 10 2013 215 939 AI und der DE 22 26 101 A sind Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung des Ankers eines Elektromagneten bekannt. Bei der erstgenannten Druckschrift wird hierfür die von der Lage des Ankers abhängige Induktivitätsänderung einer Magnetspule genutzt, die den Anker bewegt. Bei der zweitgenannten Druckschrift wird eine von der Lage des Ankers abhängige Verteilung des magnetischen

Flusses über die Änderung von induzierten Spannungen in geeignet angeordneten Spulen erfasst.

Die Veröffentlichung von A. Ambia et al . ,

„Electrical Impedance Imaging Using Eddy Current", in: International Journal of Electrical, Computer,

Energetic, Electronic and Communication Engineering,

Vol. 2, Nr. 4, 2008, S. 597-600 beschreibt die Technik der elektrischen Impedanztomographie, um die räumliche Verteilung elektrischer Leitfähigkeit innerhalb einer Probe zu bestimmen. Hierbei wird ausgenutzt, dass das Magnetfeld einer Spule eine Wirbelstromverteilung in der Probe verursacht, die von der Leitfähigkeits ^¬ verteilung in der Probe und der Feldverteilung des magnetischen Feldes abhängt. Die bei unterschiedlichen Abständen des Magnetkerns von der Probe verursachten Spannungsunterschiede in der Probe werden zwischen zwei Stellen an der Probe gemessen und aus den unterschied ^¬ lichen Messungen dann ein Bild der Leitfähigkeits- Verteilung innerhalb der Probe erzeugt. Diese

Veröffentlichung befasst sich somit mit einem vollkommen anderen technischen Gebiet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur

Bestimmung der Position des Ankers eines Elektro ^¬ magneten anzugeben, die sich kostengünstig realisieren lassen und auch ohne weiteres nachträglich an

bestehenden Magnetsystemen eingesetzt werden können.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der

Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden

Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bestimmung der Position des Ankers eines Elektromagneten wird an dem Joch oder dem Anker des Elektromagneten wenigstens eine Differenzspannung zwischen zwei Messstellen am Joch oder Anker oder zwischen einer Messstelle am Joch oder Anker und einem Bezugspotential gemessen und aus der gemessenen Differenzspannung die Position des

Ankers relativ zu einer Bezugsposition am Elektro- magneten bestimmt. Die Messung erfolgt während des Betriebs des Elektromagneten, also während eines

Stromflusses durch die Spule des Elektromagneten. Sie kann kontinuierlich oder wiederholt oder auch nur dann erfolgen, wenn die Position des Ankers erfasst werden soll. Die Bestimmung der (von einer Nullposition abweichenden) Ankerposition über die Messung der

Differenzspannung (en) setzt dabei voraus, dass die jeweils zu bestimmende Ankerposition eine inhomogene Verteilung der im Joch induzierten Wirbelströme

verursacht. Dies ist bei vielen Ausführungen von

Elektromagneten bzw. bei vielen Ankerpositionen der Fall. Die Lage der Messstellen am Joch oder Anker wird dabei so gewählt, dass durch die jeweilige Position des Ankers bei Auslenkung aus der Nullposition hervor- gerufene Potentialunterschiede oder -änderungen im Joch oder Anker über die gemessene Differenzspannung erfasst werden können. Unter der Nullposition ist hierbei eine Ankerposition zu verstehen, bei der eine homogene

Wirbelstromverteilung und damit keine Potentialunter- schiede im Joch oder Anker vorliegen, insbesondere die Ruheposition des Ankers am Joch.

Das Verfahren nutzt somit die durch eine

inhomogene Wirbelstromverteilung bei einer Auslenkung des Ankers erzeugten Potentialunterschiede im Joch oder Anker, um aus diesen Potentialunterschieden die

momentane Position des Ankers relativ zu einer

Bezugsposition zu bestimmen. Als Bezugsposition kann insbesondere die Ruheposition des Ankers am Joch dienen, in der der magnetische Kreis geschlossen ist. In Abhängigkeit vom Aufbau des Elektromagneten und der Anordnung der Messstellen kann die Ankerposition dabei in bis zu drei Achsen bestimmt werden.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der

zugehörigen Anordnung werden die beim Betrieb des Elektromagneten auftretenden Wirbelströme im Joch oder Anker genutzt, um daraus die Position, insbesondere Ort und/oder Orientierung, des Ankers zu bestimmen. Wird ein Magnetsystem mit einem zeitlich veränderlichen Strom beaufschlagt, wirft dieser einen zeitlichen veränderlichen Fluss hervor. Dies hat eine induzierte elektrische Spannung ui _nd zur Folge:

Hierdurch entstehen Wirbelströme i„i _rb im elektrisch leitfähigen Material des Jochs, welche wieder ein induziertes magnetisches Feld Hi _nd zur Folge haben: iwirb ^{= —} TT ^" ~1 ⁼ § H _ind dl . Bei einer homogenen Verteilung der Wirbelströme

herrscht dabei im gesamten elektrisch leitfähigen

Material das gleiche Potential. Ist die Verteilung der Wirbelströme inhomogen, so entstehen Potentialunterschiede. Diese Potentialunterschiede können als

Differenzspannungen am Joch oder am Anker gemessen werden. Hierfür werden beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung elektrische Abgriffe am durchfluteten und elektrisch leitfähigen Material des Magnetsystems, also am Joch oder am Anker des

Elektromagneten, angebracht. Durch Festlegung eines Koordinatensystems und Auswertung der gemessenen

Differenzspannungen können Rückschlüsse auf die

relative Lage des Ankers zum Joch getroffen werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des

vorgeschlagenen Verfahrens werden die eine oder

mehreren gemessenen Differenzspannungen mit Werten einer Kalibrierkurve oder Kalibriertabelle verglichen, die vorab für diesen Elektromagneten erstellt wurde. Diese Kalibrierkurve oder Kalibriertabelle gibt für jeden Wert einer an den entsprechenden Messstellen gemessenen Differenzspannung die jeweilige Position des Ankers an. Auf diese Weise lässt sich die Ankerposition über die Messung der einen oder mehreren Differenzspannungen exakt bestimmen. In einer weiteren Ausgestaltung wird die

Ankerposition anhand einer aus dem Induktionsgesetz abgeleiteten Abhängigkeit der Höhe der Differenzspannung vom Abstand des Ankers zur Bezugsposition bestimmt. Diese Bestimmung beruht auf einer Abschätzung oder einer Simulation und ist damit nicht so exakt wie die vorangegangene Ausgestaltung mit der Kalibrierkurve oder Kalibriertabelle. Für viele Anwendungen ist die Bestimmung der ungefähren Position des Ankers jedoch ausreichend, um beispielsweise die offene oder

geschlossene Position eines Stellglieds zu ermitteln.

Vorzugsweise werden mehrere Differenzspannungen zwischen unterschiedlichen Messstellen am Joch oder am Anker gemessen, um daraus die Position des Ankers zu bestimmen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Position des Ankers in mehr als einer Dimension bzw. Achse bestimmt werden soll. Vorzugsweise werden dann wenigstens zwei Differenzspannungen zwischen jeweils zwei Messstellen gemessen, die auf zueinander

senkrechten Achsen liegen. Die Messstellen auf jeder Achse sind hierbei wie auch bei Messung von nur einer Differenzspannung jeweils vorzugsweise möglichst weit voneinander entfernt, um eine hohe Sensitivität zu erreichen. Die Lage der gewählten Messstellen hängt von der Art des Elektromagneten, das heißt von der

geometrischen Form des Jochs und der Bewegungs ^¬ möglichkeiten des Ankers ab. Die Messstellen sollten außerdem gut zugänglich sein.

Bei Elektromagneten, bei denen der Anker auch Positionen entlang einer Achse einnehmen kann, die keine inhomogene Verteilung der Wirbelströme im Joch oder Anker auslösen, kann eine derartige Achsenposition bei Bedarf durch Erfassung und Auswertung des

Spulenstroms ermittelt werden, wie dies aus dem bereits genannten Stand der Technik bekannt ist. Andere

Positionen werden über die Messung der Differenz- Spannungen bestimmt.

Die vorgeschlagene Anordnung umfasst einen

Elektromagneten, der wenigstens eine Spule, ein Joch und einen relativ zum Joch beweglichen Anker aufweist. Am Joch oder am Anker des Elektromagneten ist

wenigstens ein elektrischer Abgriff zwischen zwei

Messstellen angebracht, über den eine Differenzspannung zwischen den zwei Messstellen erfasst werden kann. Alternativ kann der Abgriff auch nur zwischen einer Messstelle und einem Bezugspotential ausgebildet sein. Die Anordnung weist weiterhin eine mit dem elektrischen Abgriff verbundene Messeinrichtung zur Messung der Differenzspannung und eine Auswerteeinrichtung auf, die auf Basis der gemessenen Differenzspannung eine

Position des Ankers relativ zu einer Bezugsposition am Elektromagneten bestimmt und ausgibt. Die Anordnung ist dabei in einen oder mehreren

Ausgestaltungen so ausgeführt, dass damit die

unterschiedlichen Ausführungsformen des vorangehend erläuterten Verfahrens ausgeführt werden können. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige

Anordnung lassen sich in allen technischen Bereichen einsetzen, in denen die Position des Ankers eines Elektromagneten überwacht oder bestimmt werden soll. Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen die

Positionserkennung des Ankers in bis zu drei Achsen. Das Messsystem der Anordnung kann nachträglich an bereits vorhandene Elektromagneten angebracht werden, ohne diese im Aufbau verändern zu müssen. Das Joch oder der Anker des jeweiligen Elektromagneten muss hierzu nur an wenigstens einer Messstelle elektrisch

kontaktiert werden. Dies kann beispielsweise durch Anklemmen, Anlöten oder Schrauben entsprechender elektrischer Kontakte an das Joch oder den Anker erfolgen .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden im Folgenden anhand von zwei

Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für die vorgeschlagene

Anordnung mit einem rotationssymmetrischen Elektromagneten in der Ruheposition des Ankers;

Fig. 2 die Anordnung gemäß Figur 1 mit einem ausgelenkten Zustand des Ankers;

Fig. 3 ein weiteres Beispiel für die

vorgeschlagene Anordnung mit einem

Elektromagneten mit Tauchanker im

Querschnitt ;

Fig. 4 die Anordnung der Figur 3 in einer

Ansicht von unten; und

Fig. 5 ein Beispiel für die Mess- und Auswerte ^¬ einrichtung der vorgeschlagenen

Anordnung .

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden beispielhaft anhand eines rotations ^¬ symmetrischen Elektromagneten in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 nochmals erläutert. Figur 1 zeigt hierbei in der oberen Teilabbildung eine Draufsicht auf den Elektromagneten 1, in der der aufliegende Anker 1 zu erkennen ist. Das unter dem Anker liegende Joch 2 sowie die Spule 3 sind in dieser Teilabbildung

ebenfalls angedeutet. In der unteren Teilabbildung der Figur 1 ist dieser Elektromagnet auch nochmals im

Querschnitt dargestellt, wobei auch die Richtung des durch die stromdurchflossene Spule 3 erzeugten

Magnetfeldes Hi _nd mit den umlaufenden Pfeilen angedeutet ist. Der Anker 1 befindet sich bei der Figur 1 im

Ruhezustand, in dem der Magnetkreis durch den Anker geschlossen ist. Es liegt damit keine Verschiebung des Ankers 1 relativ zum Joch 2 vor, der Anker 1 befindet sich in Nullstellung oder Nullposition. In diesem

Zustand wird von einer homogenen Verteilung der

Wirbelströme im Joch 2 ausgegangen.

In diesem Beispiel werden zwei Differenzspannungen u _y und u _x an jeweils zwei Messstellen am Joch 2

gemessen. Die Achsen der jeweils zwei Messstellen liegen in diesem Beispiel senkrecht zueinander, einmal parallel zur x-Achse und einmal parallel zur y-Achse, wie dies aus der Figur 1 erkennbar ist. Die Auswerte ^¬ einrichtung ist in dieser und den nachfolgenden Figuren 2 bis 4 nicht dargestellt. Sowohl die Differenzspannung u _x als auch die

Differenzspannung u _y sind im Fall der homogenen

Verteilung der Wirbelströme im Joch gleich Null, da kein Potentialunterschied vorliegt. Wird der Anker 1 nun aus der Nullstellung um Δχ und/oder Ay verschoben, wie dies in der Figur 2 dargestellt ist, so hat dies eine inhomogene Verteilung der Wirbelströme und somit einen Potentialunterschied im Joch 2 zur Folge. Die Differenzspannungen u _x oder u _y sind nun ungleich Null. Durch eine Auswertung der Amplituden dieser Differenzspannungen kann dann die genaue Position des Ankers 1 relativ zum Joch 2 in x- und y-Richtung bestimmt werden .

Eine Verschiebung in z-Richtung kann bei diesem Elektromagneten über die Messung der Differenzspannungen nur dann detektiert werden, wenn

gleichzeitig eine Verschiebung in x-Richtung, in y- Richtung oder in x- und y-Richtung vorliegt. Eine solche Verschiebung in z-Richtung wirkt sich dabei gleichermaßen auf die Amplitude von u _x und u _y aus.

Erfolgt allerdings eine Verschiebung alleine in z Richtung, so kann dies nicht über die Differenzspannungen u _x und u _y erfasst werden. Bei alleiniger Verschiebung in z-Richtung bleibt die Verteilung der Wirbelströme homogen. Um auch eine Verschiebung des Ankers alleine in z-Richtung feststellen zu können, bestehen mehrere Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, zusätzlich eine Auswertung des

Spulenstromes über einen Mess-Shunt vorzunehmen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer asymmetrischen elektrischen Kontaktierung am Umfang des Jochs, die dann die Detektion des Ankers in z-Richtung ermöglicht Auch durch eine geschickte elektrische Kontaktierung des Ankers besteht die Möglichkeit der Detektion der Ankerposition in z-Richtung.

Die Messung und Auswertung für beide Varianten, das heißt alleine auf Basis der Differenzspannungen oder in Kombination mit der Erfassung des Spulenstroms kann mit Einrichtungen erfolgen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Figur 5 zeigt hierzu eine beispielhafte Mess- und Auswerteschaltung. Die Energie ^¬ versorgung 4 erzeugt einen zeitlich veränderlichen Strom bzw. eine zeitlich veränderliche Spannung, welche in die Spule des Elektromagneten 5 eingespeist wird. Die Differenzspannungen u _x , u _y und u _z werden von

Differenzverstärkern 6 in die Signale u' _x , u' _y und u' _z umgewandelt. Hierbei werden die Differenzspannungen u _x und u _y zwischen den elektrischen Abgriffen am Joch des Elektromagneten 5 gemessen, die Differenzspannung u _z resultiert aus der Messung des Spulenstroms über einen Messshunt (R _{me S} s ) · Die Signale u' _x , u' _y und u' _z werden anschließend von Analog-Digital-Wandlern 7 aufbereitet und an einen Mikroprozessor 8 weitergeleitet. Der

Mikroprozessor 8 wertet die Signale aus und gibt das Ergebnis an ein I/O-Interface 9 zur Ausgabe der

ermittelten Ankerposition weiter. Figur 3 zeigt beispielhaft eine weitere

Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung mit einem Elektromagneten, der einen Tauchanker aufweist. Im linken Teil der Figur 3 ist hierbei wiederum das Joch 2 mit der Spule 3 zu erkennen, in dem der Tauchanker 1 angeordnet ist. Die Detektion der Ankerposition in z- Richtung erfolgt dabei über die Messung der

Differenzspannung u _z an den beiden im linken Teil der Figur angedeuteten Messstellen. Eine Ankerverkippung wird über eine Messung von u _x und u _y zwischen den im rechten Teil der Figur 3 angedeuteten Messstellen gemessen. In dieser Teilabbildung ist dabei jeweils nur eine der beiden Messstellenpaare zu erkennen, da das zweite Messstellenpaar in der Ebene senkrecht zur Zeichnungsebene liegt. Dies ist in der Figur 4 zu erkennen, die diese Anordnung nochmals in einer Ansicht von unten darstellt. Durch eine asymmetrische Anordnung der Messstellen für die Messung von u _x oder u _y , bspw. indem die beiden Messstellen für die Messung der

Differenzspannung im rechten Teil der Figur 3 axial nicht auf der gleichen Höhe liegen, kann über die

Messung der Differenzspannung auch die Position des Ankers in z-Richtung bestimmt werden.

Bezugs zeichenliste

1 Joch

2 Anker

3 Spule

4 Energieversorgung

5 Elektromagnet

6 DifferenzVerstärker

7 Analog-Digital-Wandler

8 Mikroprozessor

9 I/O-Interface