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Kendrion Kuhnke

Elektromagnete intelligent geschaltet

| Autor/ Redakteur: Marie Cavalieri-Westphal / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Mit einer neuen Technik zur intelligenten Ansteuerung von Magnetsystemen nutzt ein Automatisierungshersteller erstmals elektronische Intelligenz, um Schaltvorgänge deutlich zu beschleunigen und Komponenten wie Hubmagnete oder Magnetventile noch wirtschaftlicher zu machen.

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Die Greiffinger dieses Roboters werden über Elektomagnete betätigt. Eine neue Technik ermöglicht es nun, noch schneller zuzugreifen.
Die Greiffinger dieses Roboters werden über Elektomagnete betätigt. Eine neue Technik ermöglicht es nun, noch schneller zuzugreifen.
(Bild: Kendrion)

Eigentlich haben Elektromagnete eine ganz einfache Funktion. Sie kennen nur zwei Stellungen, sind entweder aktiv oder im Ruhezustand, stehen entweder unter Strom oder eben nicht. Folglich müssen sie auch nur ein- oder ausgeschaltet werden und das war‘s. Auf den ersten Blick zumindest. Das Problem ist nämlich, dass Magnetschalter mechanische Bauteile sind. Das heißt, sie haben eine gewisse Trägheit und unterliegen bestimmten physikalischen Gesetzen. Und sie sind elektrische Bauteile, deren Spule eine gewisse Zeit braucht, um ein Magnetfeld aufzubauen und es anschließend wieder abzubauen. Zeit, die heute ein kostbares Gut ist, denn besonders Maschinen sollen immer wirtschaftlicher und damit immer schneller sein.

Magnetschalter besser ansteuern als bisher

Genau das hat Lukas Bremer zum Thema seiner Bachelorarbeit gemacht. Bremer arbeitet im Bereich Systementwicklung Steuerungstechnik bei Kendrion Kuhnke Automation in Malente. Er hat sich überlegt, wie man Magnetschalter besser ansteuern kann, anstatt sie einfach nur ein- und auszuschalten. Herausgekommen ist eine neue Technik, mit der sich Elektromagnete gezielter und intelligenter ansteuern lassen, um deutlich wirtschaftlicher und vor allem schneller zu arbeiten.

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Das Funktionsprinzip dafür beruht auf einer T2-D2 -Brücke zur gezielten Steuerung des Stromflusses in der Magnetspule. Sie erfordert nur einen kleinen Schaltungsaufwand und wird über einen Mikrocontroller angesteuert.

Beim Ein- und Ausschalten wird die angepasste Magnetspule zunächst mit erhöhter Leistung erregt, die dann bei Erreichen der Halteposition auf einen deutlich niedrigeren Haltestrom abgesenkt wird. Die Übererregung beim Schaltvorgang trägt ganz wesentlich zu einer deutlich kürzeren Schaltzeit bei. Die Haltestrombegrenzung senkt die Verlustleistung auf bis zu 50 % und bewirkt damit – besonders bei größeren Schaltmagneten – eine erhebliche Energieeinsparung.

Controller ermittelt genauen Schaltpunkt

Der exakte Zeitpunkt für die Strombegrenzung wird über den Controller ermittelt. Er detektiert den charakteristischen Stromverlauf beim Schaltvorgang und erkennt dabei ohne zusätzliche Positionssensorik, wann der Magnet seine Endposition erreicht hat.

Ein weiteres Merkmal dieser intelligenten Technologie ist eine aktive Energierückspeisung beim Ausschalten des Magnetschalters. Dabei wird die T2-D2-Brücke so angesteuert, dass sich die in der Spule gespeicherte Energie schnell entlädt und in den Stromkreislauf zurückfließt. Das senkt die Entladezeit um 90 % und trägt ebenfalls zu einem schnelleren Schaltverhalten bei.

Doch das ist noch nicht alles. Hat der Anker eines Magnetes seine Endposition erreicht, halten ihn die Haftreibungskräfte zunächst an dieser Position. Diese müssen beim Ausschalten erst überwunden werden, bevor der Anker wieder in seine Ausgangsposition zurückkehren kann. Die integrierte Dithering-Funktion der neuen Steuerung versetzt den Anker in eine ständige minimale Bewegung. Dadurch wird dieses physikalische Phänomen ausgeschaltet und der Magnet kann erheblich schneller reagieren.

In der Summe kann man sagen, dass die Kombination aller genannten Merkmale jedes Magnetsystem um bis zu 80 % schneller und deutlich wirtschaftlicher macht. Ein Vorteil, der natürlich umso mehr ins Gewicht fällt, je leistungsstärker der Magnet ist.

Controller lässt sich genau an jedes beliebige Magnetsystem anpassen

Ein erstes Produkt mit dieser neu entwickelten Technik ist der Controller FIO PWM AO-I von Kuhnke. Dieser Controller zur Ansteuerung induktiver Verbraucher ist mit zwei oder vier PWM-Ausgängen lieferbar. Er ist zur Montage auf der DIN-Schiene gedacht und lässt sich über Ethercat, CAN oder RS485 in eine übergeordnete Maschinensteuerung einbinden.

Der Controller lässt sich so konfigurieren, dass er sich exakt an jedes beliebige Magnetsystem anpasst. Dabei können die Parameter entweder über das Bussystem vorgegeben oder im Controller selbst gespeichert werden. Bei Bedarf besteht auch die Möglichkeit, eine solche intelligente Steuerung in einem Modul direkt an einem Hubmagneten oder einem Magnetventil unterzubringen und genau auf dessen Betriebs­parameter abzustimmen.

* Marie Cavalieri-Westphal ist Mitarbeiterin der Kendrion Kuhnke Automation GmbH in 23714 Malente

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