DE102004035501A1 - Hubmagnet mit einstellbarer Magnetkraft - Google Patents

Hubmagnet mit einstellbarer Magnetkraft Download PDF

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Abstract

Offenbart ist ein Hubmagnet, dessen Magnetkraft über eine axiale Verschiebung eines Bauelements, das mit einem Polrohr in Wirkverbindung steht und einen Überdeckungsbereich mit einem Gehäusemantel definiert, im montierten Zustand von außen einstellbar ist, und ein Magnetventil, das mit einem derartigen Hubmagneten ausgestattet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hubmagneten mit einstellbarer Magnetkraft nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein mit einem derartigen Hubmagneten ausgeführtes Magnetventil.
  • Ein Hubmagnet mit einstellbarer Magnetkraft ist in der DE 40 22 395 C2 beschrieben. Ein Anker ist in einem Polrohr aufgenommen und gegen einen Ventilsitz federvorgespannt. Das Polrohr ist von einer Spule umgriffen. Die Einstellung der Magnetkraft erfolgt über eine Änderung der Federvorspannung. Hierfür wird der Ventilsitz axial verschoben, so dass die auf den Anker wirkende Federkraft verringert oder erhöht wird.
  • An dieser Lösung ist nachteilig, dass die Magnetkraft nicht unmittelbar geändert wird, sondern mittelbar über eine Erhöhung oder Reduzierung der Federvorspannung. Weiterhin ist nachteilig, dass die Magnetkraft nicht genau eingestellt werden kann.
  • Eine andere Lösung eines Hubmagneten mit einstellbarer Magnetkraft zeigt die EP 0 496 844 B1 . Dieser Hubmagnet hat einen Gehäusedeckel, der axial verschiebbar auf einem Polkörper angeordnet ist und mit seinem Umfang einen Überdeckungsbereich mit einem Gehäusemantel definiert. Der Überdeckungsbereich bildet einen, den Magnetkreis begrenzenden Magnetflussdrosselquerschnitt, so dass bei eine Verschiebung des Gehäusedeckels dieser vergrößert oder verkleinert wird und sich die Magnetkraft entsprechend ändert. Nach erfolgter Einstellung der Magnetkraft wird der Gehäusedeckel von einem Kunststoffmantel umschlossen und somit in seiner Lage fixiert.
  • An dieser Lösung ist nachteilig, dass die Magnetkraft nicht im montierten Zustand des Hubmagneten verändert werden kann. Die während der Montage eingestellte Magnetkraft ist im späteren Betrieb fest vorgegeben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hubmagneten mit einstellbarer Magnetkraft zu schaffen, dessen Magnetkraft im Betrieb einfach und genau einstellbar ist, sowie ein ensprechendes Magnetventil.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Hubmagneten mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 und durch ein mit einem derartigen Hubmagneten ausgeführtes Magnetventil nach dem Patentanspruch 8.
  • Der erfindungsgemäße Hubmagnet hat einen Hubmagneten zur Betätigung eines Ventilkörpers, mit einem Gehäusemantel, der ein von einer Spule umgriffenes Polrohr umschließt. In dem Polrohr ist ein axial beweglicher Anker angeordnet. Zur Veränderung der Magnetkraft ist ein verschiebbares Bauelement vorgesehen, dass mit dem Polrohr in Wirkkontakt steht und einen Überdeckungsbereich mit dem Gehäusemantel begrenzt. Erfindungsgemäß ist das Bauelement im montierten Zustand des Hubmagneten von außen zugänglich, so dass es axial verschiebbar und der Überdeckungsbereich vergrößerbar oder verkleinerbar ist.
  • An dieser Lösung ist vorteilhaft, dass die Magnetkraft jederzeit verändert bzw. neu eingestellt werden kann, so dass zum Beispiel ein mit dem Hubmagneten ausgeführtes Magnetventil schnell und genau an verschiedene Betriebsparameter angepasst werden kann. Dabei bedeutet eine Vergrößerung des Überdeckungsbereichs eine Erhöhung der Magnetkraft und umgekehrt.
  • Eine besonders einfache Lösung kann dadurch realisiert werden, dass das Bauelement als eine Drehhülse ausgeführt ist, die auf dem Polrohr axial geführt ist und ein Außengewinde hat, dass mit einem Innengewinde des Gehäusemantels kämmt. Dabei kann das Außengewinde eine längere axiale Erstreckung als das Innengewinde haben.
  • Eine sehr genaue Einstellung der Magnetkraft ist durch eine Anordnung der Drehhülse auf dem Polrohr im Bereich des Ankers erreichbar. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn zur sicheren Führung der Drehhülse das Polrohr zumindest soweit aus dem Gehäusemantel herausragt, dass die Drehhülse stets über ihre gesamte Innenumfangsfläche auf dem Polrohr geführt ist.
  • Vorzugsweise ist die Drehhülse mit einer radial zurückgestuften Angriffsfläche zum Ansetzen einer Handhabe ausgebildet.
  • Der Hubmagnet ist bevorzugterweise als Proportionalmagnet mit einer im Arbeitsbereich nahezu waagerechten Magnetkraft-Ankerhubkennlinie ausgebildet.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden erfolgt eine ausführliche Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand schematischer Darstellungen. Es zeigen
  • 1 einen Längsschnitt durch einen bevorzugten Hubmagneten,
  • 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 mit einer erfindungsgemäßen Drehhülse in Grundstellung,
  • 3 den Ausschnitt aus 2 mit der Drehhülse in einer Justierstellung,
  • 4 einen Widerstandsplan des Hubmagneten aus 1, und
  • 5 Kraft-Hubkennlinien bei wechselnden Erregerströmen und Umdrehungen der Drehhülse.
  • 1 zeigt einen Hubmagneten 2 zum Anschluss an ein nicht dargestelltes bekanntes Ventilgehäuse. Derartige Ventilgehäuse haben meist einen vorgespannten Ventilkörper über den bei einer axialen Verschiebung Druckmittelverbindungen auf- oder zu gesteuert werden können. Der Hubmagnet 2 hat einen Anker 4, der in einem Ankerraum 6 eines mehrteiligen Polrohrs 8 axial verschiebbar aufgenommen ist.
  • Das Polrohr 8 hat einen ferromagnetischen Pol 10, einen Deckel 12 und einen zwischen dem Pol 10 und dem Deckel 12 angeordneten ferromagnetischen Rohrkörper 14. Der Ankerraum 6 wird im Wesentlichen axial von dem Pol 10 und dem Deckel 12 und radial von dem Rohrkörper 14 begrenzt, wobei der Anker 4 in der dargestellten Position in eine stirnseitige Ausnehmung 16 des Pols 10 eintaucht. Zwischen dem Pol 10 und dem Rohrkörper 14 ist ein Isolationsring 18, bspw. aus Kunststoff, angeordnet, der den Magnetfluss über den Anker 4 führt.
  • Der Deckel 12 ist in den Rohrkörper 14 abschnittsweise eingesetzt, wobei in einem Umfangsabschnitt des Deckels 12 eine Dichtung 20 zum Abdichten des Ankerraum 6 angeordnet ist.
  • Der Anker 4 ist über eine Feder 22, die sich am Boden einer Vertiefung 24 des Deckels 12 abstützt und in eine gegenüberliegende Vertiefung 26 des Ankers 4 eintaucht, gegen eine Anschlagscheibe 28 am Boden der Ausnehmung 16 vorgespannt. Er ist mit leichtem radialen Spiel in dem Ankerraum 6 aufgenommen, so dass sich zwischen seinem Umfang und einer Innenwandung des Ankerraums 6 ein Radialspalt ausbildet. Zusätzlich ist der Anker 4 von zwei axialen Ausgleichsbohrungen 30, 32 durchsetzt.
  • Der Pol 10 hat an seinem freien Endabschnitt einen Anschlussstutzen 34 mit einer Stufenbohrung 36 und einem Außengewinde 38, der in eine Aufnahme des Ventilgehäuses einschraubbar ist. Die Stufenbohrung 36 steht über eine Durchgangsbohrung 40 in dem Pol 10 mit dem Ankerraum 6 in Verbindung.
  • In der Axialbohrung 40 ist ein axial verschiebbarer Stößel 42 aufgenommen, der bei Montage des Ventilgehäuses an dem Anschlussstutzen 34 durch den vorgespannten Ventilkörper den Anker 4 in seine unbestromte Ausgangslage in der 1 nach links überführt. Diese Ausgangslage befindet sich etwa im Bereich des Isolationsrings 18 und bildet einen axialen Arbeitsspalt zwischen dem Anker 4 und der Anschlagscheibe 28 aus, der den Hub des Ankers 4 definiert.
  • Das Polrohr 8 ist abschnittsweise von einer Spule 44 auf einem nicht magnetisierbaren Spulenträger 46, z.B. aus Kunststoff, umgriffen. Die Spule 44 ist in einem Spulenraum 50 aufgenommen, der von einem ferromagnetischen Gehäusemantel 48 radial begrenzt ist. Axial ist der Spulenraum 50 von einer Polscheibe 62 und von einem stirnseitigen Boden 52 des Gehäusemantels 48 begrenzt.
  • Die Polscheibe 62 besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff und ist mit einer Durchgangsbohrung 82 versehen. Im montierten Zustand ist die Polscheibe 62 auf dem Pol 10 aufgeschoben und in den Gehäusemantel 48 zusammen mit einem Dichtring 64 eingesetzt. Aus fertigungstechnischen Gründen ist der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 82 etwas größer als der Außendurchmesser des Pols 10 gewählt, wodurch zwischen der Polscheibe 62 und dem Pol 10 ein schmaler radialer Fertigungsspalt ausgebildet ist.
  • Der stirnseitige Boden 52 hat einen axial in den Spulenraum 50 gerichteten Vorsprung 54, an dem der Spulenträger 46 anliegt. Der Boden 52 ist radial von dem Rohrkörper 14 beabstandet. In dem zwischen dem Boden 52 und dem Rohrkörper 14 entstehenden Ringraum ist zumindest abschnittsweise eine erfindungsgemäße ferromagnetische Drehhülse 56 angeordnet.
  • Die Drehhülse 56 ist axial verschiebbar auf dem Rohrkörper 14 geführt, wobei sie einen Überdeckungsbereich 60 mit dem Boden 52 des Gehäusemantels 48 zur Veränderung der Magnetkraft bildet. Um zu erreichen, dass die Drehhülse 56 optimal auf dem Rohrkörper 14 geführt ist, ragt dieser derart weit aus dem Gehäusemantel 48 hervor, dass die Drehhülse 56 stets über ihre maximale axiale Länge auf dem Rohrkörper 14 geführt ist. Eine ausführlichere Form- und Funktionserklärung der Drehhülse 56 und des Überdeckungsbereichs 60 erfolgt unter den 2 bis 5.
  • Die 2 und 3 zeigen den vergrößerten Ausschnitt x aus 1, in dem die Drehhülse 56 mit dem Überdeckungsbereich 60 dargestellt ist. Der Unterschied zwischen den 2 und 3 besteht darin, dass in der 2 die Drehhülse 56 in ihrer Grundstellung, d.h. maximaler Überdeckungsbereich 60 bzw. keine Umdrehung, und in der 3 in einer Justierstellung mit reduziertem Überdeckungsbereich 60 bei etwa 2,5facher Umdrehung dargestellt ist.
  • Gemäß 2 hat die Drehhülse 56 einen Körperabschnitt 58 zur Bildung des Überdeckungsbereichs 60 und eine Angriffsfläche 84 zum Ansetzen einer Handhabe.
  • Der Körperabschnitts 58 hat auf seiner Umfangsfläche 66 ein Außengewinde, das mit einem Innengewinde einer Bodenumfangsfläche 68 des Gehäusemantels 48 im Eingriff steht. Die sich so überlagernden Bereiche der Drehhülse 56 und des Bodens 52 bilden den Überdeckungsbereich 60. Idealerweise hat die Umfangsfläche 66 eine größere axiale Erstreckung als die Bodenumfangsfläche 68. Die Querschnitte des Magnetkreises sind derart ausgelegt, dass ein kritischer, die Magnetkraft im erregten Zustand begrenzender Drosselquerschnitt des Magnetkreises im Überdeckungsbereich 60 zwischen der Umfangsfläche 66 und der Bodenumfangsfläche 68 liegt. In Abhängigkeit von den Drehbewegungen bzw. Umdrehungen und der axialen Verschiebung der Drehhülse 56 wird die magnetische Drosselung über den Überdeckungsbereich 60 und somit die Magnetkraft verändert. Dabei steigt die Magnetkraft mit Vergrößerung des Überdeckungsbereichs 60 an.
  • Die Angriffsfläche 84 ist gegenüber der Umfangsfläche 66 des Körperabschnitt 58 radial zurückgestuft, so dass zum einen die Handhabe von außen sicher ansetzbar und zum anderen das Außengewinde einfach auf dem Körperabschnitt 58 aufbringbar ist.
  • Die Drehhülse 56 ist axial auf dem Rohrkörper 14 geführt, wobei zwischen einer Innenumfangsfläche 70 der Drehhülse 56 und einem Außenumfangsabschnitt 72 des Rohrkörpers 14 ein schmaler Ringspalt ausgebildet ist.
  • In Grundstellung, d.h. maximaler Überdeckungsbereich 60, liegt die Drehhülse 56 stirnseitig an dem Spulenträger 46 an. Bei einer entsprechenden Drehung wird sie nach links weg von dem Spulenträger 46 verschoben. Dabei bildet sich zwischen dem Boden 52 und dem Rohrkörper 14 ein Luftspalt 74 aus, wodurch der Überdeckungsbereich 60 und somit der Drosselquerschnitt verkleinert wird (3), da nur noch ein Teilbereich der Umfangsfläche 66 mit der Bodenumfangsfläche 68 in Kontakt steht. Der Luftspalt 74 wirkt praktisch als Isolator und verhindert ein sich Ausbilden des Magnetkreises über die gesamte axiale Länge der Bodenumfangsfläche 68. Dabei ist die Isolationswirkung über den Luftspalt 74 um so größer, je größer die radiale Ausdehnung, d.h. die Dicke, der Drehhülse 56 ist.
  • 4 zeigt wesentliche existierende Widerstände R1 bis R10 des Hubmagneten 2. Die Widerstände R1 bis R10 lassen sich in die Blöcke "Spule" 76, "Spule/Polrohr" 78 und "Polrohr" 80 unterteilen.
  • Der Block "Spule" 76 wird im Wesentlichen durch den einstellbaren Widerstand R10 der Drehhülse 56, den Widerstand R1 des Gehäusemantels 48 über seine Axiallänge incl. Boden 52 und den Widerstand R2 der Polscheibe 62 bestimmt.
  • Der Block "Spule/Polrohr" 78 wird hauptsächlich durch den Widerstand R3 des Fertigungsspaltes zwischen der Polscheibe 62 und dem Pol 10 und den Widerstand R9 des Ringspalts zwischen dem Rohrkörper 14 und der Drehhülse 56 definiert.
  • Der Block "Polrohr" 80 wird durch den Widerstand R4 des Pols 10, den Widerstand R5 des axialen Arbeitsspalts, den Widerstand R6 des Ankers 4, den Widerstand R7 des Radialspalts zwischen dem Anker 4 und dem Rohrkörper 14 und den widerstand R8 des Rohrkörpers 14 bestimmt.
  • Bei Bestromung der Spule 44 bildet sich der Magnetkreis wie folgt aus. Die dabei aufgezeigte Richtung ist beispielhaft zu verstehen und kann sich selbstverständlich bei entgegengesetzter Bestromung auch umkehren: Von dem Gehäusemantel 48 (R1) erstrecken sich die magnetischen Feldlinien durch die Polscheibe 62 (R2) und von dort über den Fertigungsspalt (R3) zum Pol 10 (R4). Von dem Pol 10 (R4) breiten sie sich über den axialen Arbeitsspalt (R5) durch den Anker 4 (R6) und von dort über den Radialspalt (R7) in den Rohrkörper 14 (R8) aus. Von dem Rohrkörper 14 (R8) bilden sich die Feldlinien über den Ringspalt (R9) in die Drehhülse 56 (R10) und von dort abschließend in den Gehäusemantel 48 (R1) aus. Der Magnetkreis ist somit geschlossen.
  • 5 ist ein Kraft-Hubkennlinien-Diagramm bei wechselnden Erregerströmen und Umdrehungen der Drehhülse 56. Dabei wird der Anker 4 schrittweise um einen bestimmten Hub aus seiner unbestromten Ausgangslage bewegt und fixiert. Anschließend wird die Spule 44 bestromt. Die dabei auftretenden Magnetkräfte ergeben dann die hysteresartigen Kennlinien.
  • Zur Erzielung einer im Arbeitsbereich nahezu waagerechten Kraft-Hubkennlinie kann der Hubmagnet 2 als ein kraftgesteuerter, weggesteuerter oder lagegeregelter Proportionalmagnet ausgeführt sein.
  • Die durchgezogenen Kennlinien entsprechen einem maximalen Überdeckungsbereich, d.h. keine Umdrehung und somit kein Luftspalt 74, bei 15%igem Betriebsstrom (untere Kennlinie) und bei 100%igem Betriebsstrom (obere Kennlinie).
  • Die gestrichelten Kennlinien entsprechen einer reduzierten Überdeckung bei 2,5facher Umdrehung der Drehhülse 56, d.h. ausgeprägter Luftspalt 74, bei 15%igem Betriebsstrom (untere Kennlinie) und bei 100%igem Betriebsstrom (obere Kennlinie).
  • Anhand der Kennlinien ist deutlich zu erkennen, dass die Magnetkraft sowohl bei 15%igem als auch bei 100%igem Betriebsstrom bei einer 2,5fachen Umdrehung der Drehhülse 56 und somit bei einem reduziertem Überdeckungsbereich 60 merklich gegenüber dem maximalen Überdeckungsbereich 60 verkleinert ist.
  • Offenbart ist ein Hubmagnet, dessen Magnetkraft über eine axiale Verschiebung eines Bauelements, das mit einem Polrohr in Wirkverbindung steht und einen Überdeckungsbereich mit einem Gehäusemantel definiert, im montierten Zustand von außen einstellbar ist, und ein Magnetvenil, das mit einem derartigen Hubmagneten ausgestattet ist.
  • 2
    Hubmagnet
    4
    Anker
    6
    Ankerraum
    8
    Polrohr
    10
    Pol
    12
    Deckel
    14
    Rohrkörper
    16
    Ausnehmung
    18
    Isolationsring
    20
    Dichtung
    22
    Feder
    24
    Vertiefung
    26
    Vertiefung
    28
    Anschlagscheibe
    30
    Ausgleichsbohrung
    32
    Ausgleichsbohrung
    34
    Anschlussstutzen
    36
    Stufenbohrung
    38
    Außengewinde
    40
    Durchgangsbohrung
    42
    Stößel
    44
    Spule
    46
    Spulenträger
    48
    Gehäusemantel
    50
    Spulenraum
    52
    Boden
    54
    Vorsprung
    56
    Drehhülse
    58
    Körperabschnitt
    60
    Überdeckungsbereich
    62
    Polscheibe
    64
    Dichtring
    66
    Umfangsfläche
    68
    Bodenumfangsfläche
    70
    Innenumfangsfläche
    72
    Außenumfangsabschnitt
    74
    Luftspalt
    76
    Block Spule
    78
    Block Spule/Polrohr
    80
    Block Polrohr
    82
    Durchgangsbohrung
    84
    Angriffsfläche

Claims (8)

  1. Hubmagnet mit einem Gehäusemantel (48), der ein von einer Spule (44) umgriffenes Polrohr (8) umschließt, in dem ein verschiebbarer Anker (4) aufgenommen ist, wobei zum Einstellen einer Magnetkraft ein Überdeckungsbereich (60) zwischen dem Gehäusemantel (48) und einem axial verschiebbaren Bauelement (56) einstellbar ist, das mit dem Polrohr (8) in Wirkkontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (56) im montierten Zustand des Hubmagneten von außen betätigbar ist.
  2. Hubmagnet nach Anspruch 1, wobei das Bauelement (56) eine Drehhülse ist.
  3. Hubmagnet nach Anspruch 2, wobei die Drehhülse (56) axial auf dem Polrohr (8) geführt ist und ein Außengewinde hat, das mit einem Innengewinde des Gehäusemantels (48) in Eingriff steht.
  4. Hubmagnet nach Anspruch 3, wobei ein das Außengewinde aufweisender Körperabschnitt (58) der Drehhülse (56) eine größere axiale Erstreckung als ein das Innengewinde aufweisender Körperbereich (52) des Gehäusemantels (48) hat.
  5. Hubmagnet nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Drehhülse (56) ankerseitig angeordnet ist und das Polrohr (8) axial so weit aus dem Gehäusemantel (48) herausragt, dass die Drehhülse (56) unabhängig von ihrer axialen Verschiebung über ihre gesamte Innenumfangsfläche (70) auf dem Polrohr (8) geführt ist.
  6. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Drehhülse (56) mit einer radial zurückgestuften Angriffsfläche (84) zum Ansetzen einer Handhabe ausgebildet ist.
  7. Hubmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hubmagnet (2) als Proportionalmagnet ausgeführt ist.
  8. Magnetventil mit einem Hubmagneten nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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