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Elektromagnetisches Regulierventil
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Regulierventil, dessen Erregerwicklung zur Einstellung der Lage des Schliesskörpers an eine den Erregerstrom steuernde Steuervorrichtung anzuschliessen ist, und bei ihrer Erregung bewirkt, dass ein gehäusefester Magnetkern einen mit dem Schliesskörper fest verbun- denen und unter dem Einfluss einer Feder stehenden, beweglichen Magnetkern anzieht.
Bei den bekannten Regulierventilen oder -schiebern dieser Art ist es schwierig, eine bestimmte Re- guliercharakteristik, d. h. eine eindeutige Zuordnung der Stellung des Schliesskörpers zum Erregerstrom der Elektromagnetwicklung einzuhalten. Wenn man sich lediglich auf das Gleichgewicht zwischen den am Schliesskörper und an dem mit demselben fest verbundenen Magnetkern angreifenden Magnet-, Fe- der-und Fluidumskräften verlässt, so ergeben sich bei den bisherigen Ventilen und Schiebern starke
Schwankungen der Lage des Schliesskörpers und damit starke Schwankungen der Durchflussmenge, bei ein und demselben Erregerstrom. Zur Behebung dieses Nachteils vorgeschlagene Verriegelungsvorrichtungen,
Schrittschaltwerke, Servosteuerungen, kaskadenartig miteinander verbundene Elektromagnetsysteme und dergleichensindkompliziertundteuer.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beheben, wobei wie- der lediglich auf das Gleichgewicht der oben genannten drei Kräfte abgestellt, zugleich aber die Stabili- tät wesentlich erhöht wird. Dies gelingt erfindungsgemäss dadurch, dass der bewegliche Magnetkern einen aus mindestens einer ringförmigen Rippe gebildeten Polschuh aufweist, dem ein aus mindestens einer ringförmigen Rippe gebildeter Polschuh des gehäusefesten Magnetkerns gegenüberliegt, wobei jede die- ser Rippen mindestens eine Kegelstumpffläche aufweist und mindestens ein Paar gleiche Neigung aufwei- sender Kegelstumpfflächen von Rippen gegenüberliegender Polschuhe miteinander einen Luttspalt begrenzt.
Durch den oder die durch Kegelflächen gleicher Neigung begrenzten Luftspalte wird bewirkt, dass einer kleinen Bewegung des Schliesskörpers 2 eine wesentlich grössere Veränderung des Kraftlinienflusses entspricht als bei den bisher üblichen mit flachen Stirnflächen einander gegenüberliegenden Polschuhen.
Zugleich wird eine starke Steigerung der Magnetkraft bei gleichen Dimensionen des Magnetsystems erzielt oder umgekehrt, bei gleicher Magnetkraft eine starke Verminderung des Platz- und Materialbedarfes des Magnetsystems.
Vorzugsweise beträgt der halbe Öffnungswinkel der Kegelstumpff1ächen höchstens 150 und werden mindestens zwei im Magnetkreis zueinander parallele Luftspalte zwischen mindestens zwei Paaren von Kegelstumpfflächen gleicher Neigung vorgesehen. Wenn der Erfindungsgegenstand als Ventil ausgebildet ist, ist es im Hinblick auf das erwähnte Gleichgewicht der Kräfte besonders zweckmässig, wenn der Schliesskörper kugelförmig ist und bei Nichterregung des Magnetsystems durch die Feder auf seinen Sitz gedrückt wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es ist : Fig. l ein Längsschnitt eines Elektromagnet-Ventils, dessen Erregerwicklung an eine durch ihr Schaltungsschema dargestellte Vorrichtung zur Steuerung des Erregerstromes angeschlossen ist, und Fig. 2 ein Diagramm, das die Arbeitsweise der Einrichtung nach Fig. 1 darstellt.
Die dargestellte Steuereinrichtung weist ein Elektromagnet-Ventil l auf, dessen Ventilkörper 2 als Kugel ausgebildet und durch einen Schaft 3 mit einem beweglichen, zylindrischen Magnetkern 4 verbunden ist. Das Ventilgehäuse 5 weist einen Eintrittsstutzen 6, einen Austrittsstutzen 7 und einen Ventilsitz 8 auf, auf dem die Kugel 2 in der Schliesslage sitzt.
Das Ventilgehäuse 5 ist über eine zylindrische Buchse 9 mit einem Kreisring 10 verbunden, der vom unteren Ende eines zylindrischen Mantels 11 umfasst wird. Der Mantel 11 ist oben durch einen Deckel 12
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abgeschlossen, von dem ein unbeweglicher Magnetkern 13 nach innen, dem beweglichen Magnetkern 4 entgegenragt und gleichen Durchmesser. hat wie letzterer. Die Magnetkerne 4 und 13 sind von einem Spulenkörper 14 aus Isoliermaterial umgeben, auf dem eine Erregerwicklung 15 angebracht ist, um die sich das aus den ferromagnetischen Teilen 4,10, 11,12, 13 bestehende Magnetsystem schliesst.
DerMagnetkem4weist einen Polschuh auf, der durch eine ringförmige Rippe 4a gebildet ist, die von der oberen Stirnfläche des Körpers des Magnetkerns 4 nach oben ragt. Der Magnetkern 13 weist einen Polschuh auf, der durch zwei Ringrippen 13a gebildet ist, die von der unteren Stirnfläche des Magnetkernes nach unten ragen. Die Ringrippen 4a und 13a sind koaxial und die Ringrippe 4a, deren Querschnitt die Form eines gleichschenkeligen Trapezes hat, greift zwischen die Ringrippen 13a, deren Querschnitte die Form von ungleichschenkeligen Trapezen haben. wobei die Neigungen der einander gegenüberliegenden Flanken der Querschnittstrapeze einander gleich sind.
In andern Worten weisen die beiden Polschuhe 4a und 13a je zwei paarweise einander gegenüberliegende kegelstumpfförmige Flächen auf. zwischen denen sich zwei ringförmige Luftspalten s erstrecken, die im Magnetkreis zueinander parallelgeschaltet sind.
Es ist ersichtlich, dass sich bei Aufwärtsbewegung des beweglichen Magnetkernes 4 die (nahezu radiale) Breite der Spalten s verringert, während ihre (nahezu axiale) Länge zunimmt. Der Neigungswinkel der
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Ausbildung der Polschuhe 4a und 13a ist-wie eingangs erläutert-für die Erzielung einer stabilen Re- gelung von wesentlicher Bedeutung, wobei zugleich eine grosse Magnetkraft bei relativ kleinen Dimen- sionen des Magnetsystems und eine lineare Charakteristik erzielt werden.
Der Magnetkern 13 weist eine zentrale Längsbohrung 16 auf, deren oberes Ende mit einem Gewinde
17 versehen ist, in das ein Zapfen 18 eingeschraubt ist, der zur Regulierung der Vorspannung einer unter diesem Zapfen 18 in der Bohrung 16 liegenden Druckfeder 19 dient. Die Feder 19 ist unten. auf einem
Druckstück 20 abgestützt, das unten einen Zentrierungsfortsatz 21 aufweist, der in eine Bohrung 22 des
Magnetkernes 4 eingreift, auf dem das Druckstück 20 mit einer Schulter 23 abgestützt ist.
In eine oben am Druckstück 20 vorgesehene Vertiefung 24 greift ein zentraler, innerhalb der Feder 19 angeordneter
Bolzen 25 ein, dessen oberes Ende bei Öffnung des Ventils, d. h. bei Aufwärtsbewegung des mit der Ver- schlusskugel 2 verbundenen Magnetkernes 4 am Zapfen 18 anschlägt, bevor die Polschuhe 4a und 13a einander berühren, um ein "Kleben" dieser Polschuhe aneinander zu verhindern.
Am Ventilschaft 3 ist ein Ring 26 befestigt, mit dem das obere Ende eines metallischen Federbalges 27 fest verbunden ist, dessen unteres Ende seinerseits mit einem am Ventilgehäuse 5 angebrachten Ring 28 fest verbunden ist. Der Balg 27 dient zur stopfbuchsenlosen Abdichtung des Magnetsystems.
Die Erregerwicklung 15 ist an die Ausgangsklemmen 29 und 30 einer Vorrichtung 31 angeschlossen, die den Erregerstrom in Funktion einer Temperatur steuert, z. B. der Temperatur von durch das Ventil 1 strömendem Wasser, wobei das Ventil z. B. in einer Zentralheizungsanlage eingebaut sein kann. Zur Messung der, Temperatur dient ein temperaturabhängiger Widerstand 32, der den einen Zweig einer Wheatstone'schen Brücke bildet, deren andere Zweige durch zwei feste Widerstände33, 34 und einen einstellbaren Widerstand 35 gebildet werden.
Die Eingangsklemmen 36 und 37 der Brücke 32 - 35 sind über einen Widerstand 38 an einen Vollweggleichrichter 39 angeschlossen, dessen Spannung durch einen zum Brückeneingang 36,37 parallelgeschalteten Kondensator 40 geglättet wird. Der Gleichrichter 39 wird von einer ersten Sekundärwicklung 41 eines Transformators 42 gespeist, dessen Primärwicklung 43 an das Wechselstromnetz angeschlossen ist.
Die Ausgangsklemmen 44 und 45 der Brücke 32 - 35 sind an die Basis bzw. den Emitter eines ersten Transistors 46 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 46 ist an die Basis eines zweiten Transistors 47 angeschlossen, dessen Emitter seinerseits an die Basis eines dritten Transistors 48 angeschlossen ist. Die Kollektoren der drei Transistoren 46 - 48 sind unmittelbar mit der Ausgangsklemme 30 verbunden.
Der Emitter des Transistors 48 ist an den positiven Pol eines Vollweggleichrichters angeschlossen, der von zwei Dioden 49 und einer zweiten Sekundärwicklung 50 des Transformators 42 gebildet wird. Der negative Pol des Gleichrichters 49,50 ist mit der Ausgangsklemme 29 verbunden.
Die beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt :
Mittels des einstellbaren Widerstandes 35 wird die Messbrücke 32 - 35 auf eine Grenztemperatur eingestellt, bei deren Überschreitung das Ventil 1 geöffnet werden soll. Das Potential der Ausgangsklemme 45 der Messbrücke 32 - 35 ist, wenn der temperaturabhängige Widerstand 32 der Grenztemperatur ausgesetzt ist, gegenüber demjenigen der Ausgangsklemme 44 leicht positiv, so dass ein kleiner Strom im Emitter-Basis-Kreis des Transistors 46 fliesst, welcher Strom in bekannter Weise durch die Transistoren 47 und 48 verstärkt wird, so dass z. B. ein Erregerstrom von 80 m. A.
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vom Gleichrichter 49,50 der Erregerwicklung 15 geliefert wird, entsprechend dem Punkt Po des Diagramms nach Fig. 2.
Nimmt die Temperatur zu, so nimmt der Wert des Widerstandes 32, der einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, ab, und die Brückenausgangsklemme 44 wird in bezug auf die Brückenausgangsklemme 45 noch negativer, so dass der Erregerstrom zunimmt und der Magnetkern 4 sich gegen die Kraft der Feder 19 nach oben bewegt, die Kugel 2 also von ihrem Sitz 8 abgehoben wird.
In Fig. 2 ist ein mit einer Einrichtung der dargestellten Art tatsächlich aufgenommenes Diagramm dargestellt. Auf der Abszissenachse ist die Zusammenpressung der Feder 19 in Millimeter und auf der Ordinatenachse die entsprechende Federkraft in Kilogramm aufgetragen. Der dünne ausgezogene Teil der Federcharakteristik reicht vom Nullpunkt bis zum Vorspannungspunkt Po. Wenn die Kugel 2 auf ihrem Sitz 8 liegt, ist somit die Feder durch Einschrauben des Regulierzapfens 18 in das Gewinde 17 um 7 mm zusammengepresstworden, entsprechend einer Federkraft von 18 kg. Es ist klar, dass die Federvorspannung dem Druck des Fluidums entsprechend gewählt wird.
Der dick ausgezogene Teil der Federcharakteristik stellt die Arbeitskurve dar. Die maximale Zusammenpressung der Feder beträgt 23 mm, entsprechend einem Ventilkörperhub von 23 - 7 = 16 mm und einer maximalen Federkraft von 54 kg. Der Ventilkörper 2 stellt sich natürlich jeweils so ein, dass die Federkraft und die Magnetkraft (sowie die relativ kleinen hydraulischen Kräfte) sich das Gleichgewicht halten. Bei der Versuchseinrichtung ergab sich eine lineare Beziehung zwischen dem Erregerstrom und der Federkraft, so dass der Erregerstrom einfach auf einer zweiten in Ordinatenrichtung verlaufenden Skala dargestellt worden ist.
Es sei noch bemerkt, dass das Ventil 1 durch eine Temperaturdifferenz von 1/20C bereits voll ausgesteuert wurde, d. h. dass das Ventil 1 bei einer den Grenzwert um 1/2 C überschreitenden Tem- peratur ganz geöffnet, bei der Grenztemperatur selbst (oder einer darunter liegenden Tempera- tur) dagegen ganz geschlossen war. Die Erregerwicklung 15 wies 10 UOü Kupferdrahtwindungen auf. Die
Amperewindungszahl variierte daher im Arbeitsbereich zwischen 800 und 2000 AW. Der Ventilkörper 2 blieb innerhalb des Arbeitsbereiches in jeder Lage absolut ruhig stehen, also in stabilem Gleichgewicht entsprechend der jeweiligen Temperatur.
An Stelle der dargestellten Druckfeder 19, die aus Federtellern zusammengesetzt ist, könnte man auch eine Schraubenfeder oder eine pneumatische Feder verwenden. In gewissen Fällen kann es zweckmässig sein, in der Vorrichtung 31 Magnetverstärker statt Transistoren zu verwenden.
An Stelle eines Kugelventils 1 kann man auch einen Schieber vorsehen, wobei letzterer ein gewöhn- licher Absperrschieber oder auch ein Dreiwegschieber sein kann. Der Verschlusskörper braucht auch im Falle eines Ventils nicht unbedingt kugelförmig zu sein. Die Kugelform des Ventilverschlusskörpers hat sich aber bei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ausgezeichnet bewährt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromagnetisches Regulierventil, dessen Erregerwicklung zur Einstellung der Lage des Schliesskörpers an eine den Erregerstrom steuernde Steuervorrichtung anzuschliessen ist, und bei ihrer Erregung bewirkt, dass ein gehäusefester Magnetkern, einen mit dem Schliesskörper fest verbundenen und unter dem Einfluss einer Feder stehenden, beweglichen Magnetkern anzieht, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Magnetkern (4) einen aus mindestens einer ringförmigen Rippe (4a) gebildeten Polschuh aufweist, dem ein aus mindestens einer ringförmigen Rippe (13a) gebildeter Polschuh des gehäusefesten Magnetkernes (13) gegenüberliegt, wobei jede dieser Rippen (4a, 13a)
mindestens eine Kegelstumpffläche aufweist und mindestens ein Paar gleiche Neigung aufweisender Kegelstumpfflächen von Rippen gegenüberliegender Polschuhe miteinander einen Lufspalt (s) begrenzt.