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Die
Erfindung betrifft einen Hubmagneten mit einstellbarer Magnetkraft
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein mit einem derartigen
Hubmagneten ausgeführtes
Magnetventil.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist die Drehhülse
mit einer radial zurückgestuften
Angriffsfläche
zum Ansetzen einer Handhabe ausgebildet.
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Der
Hubmagnet ist bevorzugterweise als Proportionalmagnet mit einer
im Arbeitsbereich nahezu waagerechten Magnetkraft-Ankerhubkennlinie ausgebildet.
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Sonstige
vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im
Folgenden erfolgt eine ausführliche
Erläuterung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung anhand schematischer Darstellungen. Es zeigen
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1 einen
Längsschnitt
durch einen bevorzugten Hubmagneten,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 1 mit einer erfindungsgemäßen Drehhülse in Grundstellung,
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3 den
Ausschnitt aus 2 mit der Drehhülse in einer
Justierstellung,
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4 einen
Widerstandsplan des Hubmagneten aus 1, und
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5 Kraft-Hubkennlinien
bei wechselnden Erregerströmen
und Umdrehungen der Drehhülse.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß 2 hat
die Drehhülse 56 einen Körperabschnitt 58 zur
Bildung des Überdeckungsbereichs 60 und
eine Angriffsfläche 84 zum
Ansetzen einer Handhabe.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur
Erzielung einer im Arbeitsbereich nahezu waagerechten Kraft-Hubkennlinie
kann der Hubmagnet 2 als ein kraftgesteuerter, weggesteuerter oder
lagegeregelter Proportionalmagnet ausgeführt sein.
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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).
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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).
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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.
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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.
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- 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