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Die
Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb für Ventilsteuerungen
gemäß der Gattung
der beigefügten
Patentansprüche.
Derartige Antriebe können
insbesondere dort angewendet werden, wo es um das gezielte Beeinflussen
der Ablaufgeschwindigkeit von Zylindersteuerungen in hydraulischen
Antrieben geht, bspw. bei automatischen Cabrio-Verdeckabläufen und
bei Ventilen für
aktive Fahrwerksysteme.
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Bekannt
sind elektrische Motoren zur direkten Erzeugung oszillierender oder
fortschreitender Bewegungen bei berührungsloser Kraftübertragung, siehe
hierzu Bernd Rohr und Herbert Wiele, Lexikon der Technik, VEB Bibliographisches
Institut, 1986, Seiten 354 + 355. Sie werden u. a. in Positioniereinrichtungen
und in Pumpen für
flüssige
Metalle eingesetzt. Im Falle der oszillierenden Bewegung ist das mit
zweifacher Wirkrichtung zu bewegende Teil mit Hilfe Blattfedern
gelagert, die axial und radial eine hohe Steifigkeit aufweisen.
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Bei
der Steuerung von hydraulischen und pneumatischen Fahrwerkkomponenten
in der Fahrzeugtechnik werden Magnetventile verwendet, bei denen
ein Anker gegenüber
einer Spule in der Regel gleitend bewegt wird. Diese Bewegung soll
durch entsprechende Beschichtungen und/oder Gestaltungen der benachbarten
Oberflächen
möglichst
reibungs- und hysteresearm sowie spielarm gehalten werden. Hierzu
sind erhebliche Aufwendungen zur Vergütung der einander kontaktierenden
Bauteile oder ihrer Oberflächen
ebenso erforderlich wie die Einhaltung enger Toleranzen bei der
Anfertigung der Bauteile. Die Gewährleistung genauer Bewegungsabläufe ist
schließlich
mit einem hohen Montageaufwand und gegebenenfalls mit einer aufwändigen elektronischen
Ansteuerung des sich bewegenden Bauteils verbunden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Magnetantrieb,
vorzugsweise einen Proportionalmagnetantrieb, mit reibungsfreier
oder zumindest nahezu reibungsfreier Lagerung, geringer mechanischer Hysterese,
hoher Ansprechempfindlichkeit, niedriger Umkehrspanne und spielfreier
Führung
des beweglichen Bauteils zu schaffen, der kostengünstig und
prozesssicher herstellbar ist, selbst ein geringes Bauvolumen und
Gewicht sowie einen niedrigen elektrischen Leistungsbedarf aufweist,
verschleißarm
arbeitet und zur Anwendung in Ventilen für ein breites Spektrum von
flüssigen
und gasförmigen
Medien geeignet ist.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs
gelöst
und durch die Merkmale der Unteransprüche vorteilhaft ausgestaltet.
Die Steifigkeit der Blatt- oder
Scheibenfedern liegt in axialer Richtung im Bereich von 1 ... 4
N/mm und in radialer Richtung im Bereich von 1000 ... 5000 N/mm.
Da sich die Kraftnulllage der Federlagerung vorteilhaft im Hubbereich
befindet, sind auch große
Ankerhübe
(3 mm und mehr) möglich,
wenn man von radialen Abmessungen des Ankers bzw. des bewegten Bauteils von
typischer Weise 5 ... 30 mm ausgeht. Der Hubbereich liegt bei ± 1 ...
2 mm in einer Auslenkungsrichtung; ein möglicher Gesamthub beträgt 2 ...
4 mm, bspw. bei vorgespannter Blattfeder bzw. vorgespannten Blattfedern.
Diese können
als Tellerfedern oder radförmig
gestaltet sein, wobei die Speichen vorteilhaft in radialer Richtung
geschwungen gestaltet sind. Die Blattfedern gewährleisten eine exakte axiale Führung des/der
bewegten Bauteils/Bauteile. Eine stabile Bewegungsrichtung jedes
bewegten Bauteils, das vorzugsweise der Anker ist, ergibt sich durch
die Kombination der Federlagerung mit einer zusätzlichen axialen Kraft, bspw.
einer Federkraft, einer hydraulischen Kraft oder einer pneumatischen
Kraft. Die Lagerelemente können
ohne zusätzliche
Bauelemente befestigt (verstemmt) sein. Sie können sich direkt als Elemente
im Magnetkreis befinden. Das bewegte Bauteil kann ein- oder beidseitig
mit Blattfedern gelagert sein. Ist der Anker über einen Stößel oder
eine Zugstange mit einem Dichtkörper
o. ä. verbunden,
so ist diese Verbindung zum Ausgleich von axialen Versätzen vorteilhaft
querkraftweich gestaltet, so dass keine exakte radiale Positionierung
des bewegten Bauteils zum Dichtkörper
oder einem anderen Peripherie- bzw.
Ventilbauteil notwendig ist.
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Insbesondere
wenn das bewegliche Bauteil beidseitig mittels Blattfedern gelagert
ist, ergibt sich eine absolut reibungsfreie Lagerung, die keine
mechanische Hysterese und gleich gar nicht aufwendige elektronische
Ansteuerungen zur Ausschaltung der mechanischen Hysterese aufweist.
Darüber
hinaus ist die erfindungsgemäße Lagerung
radial spielfrei, verschleißfrei,
wartungsfrei und geräuschfrei.
Sie erfordert weder Schmiermittel o. ä. noch besonders vergütete Bauelemente.
Sie ist weiterhin schmutzunempfindlich, temperaturunempfindlich,
trockenlaufgeeignet und verursacht keine Verschmutzungen der das
Ventil durchströmenden
Medien. Die Blattfedern oder Tellerfedern sind in den verschiedensten
Formen einfach herstellbar und prozesssicher montierbar. Die auch
für große Ankerhübe anwendbare
Erfindung ermöglicht
eine definierte Position der bewegten Teile im elektrisch stromlosen
Zustand sowie kurze, leichte Ankerbauformen, mit denen eine hohe Dynamik
verbunden ist. Der Magnetkreis eines Ventils wird durch die Erfindung
nicht mechanisch belastet, so dass es nicht zu diesbezüglichen
Einschränkungen
bei der Werkstoffwahl kommt.
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Aufrissschnitt eines Magnetventils mit einem erfindungsgemäßen Antrieb
in Kraftnulllage der Lagerungselemente,
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2 den
erfindungsgemäßen Antrieb
der 1 in Kraftnulllage des Antriebs, allerdings ohne Strömungsteil,
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3 den
erfindungsgemäßen Antrieb
der 1 bei voller Wirksamkeit, ohne Strömungsteil,
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4 eine
mögliche
Gestaltungsform der Blattfeder in Draufsicht und
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5 ein
Diagramm zur Darstellung der Lagerungshysterese nach dem Stand der
Technik und nach der Erfindung.
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In 1 ist
ein im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Achse X-X ausgebildetes
Magnetventil 10 mit einer Magnethülse 11 zu erkennen, die
beiderseits mit Deckeln 12, 13 versehen ist. In den
an der Hülse 11 befestigten
Deckel 12 ist im Wesentlichen koaxial zur Achse X-X eine
Justier- und Verschlussschraube 14 eingeschraubt, gegen
die sich eine Feder 15, vorzugsweise eine zylindrische Druckfeder,
mit einem Ende abstützt.
Mit dem anderen Ende stützt
sich die Feder 15 gegen ein sie umgebendes Gehäuse 16 ab,
das mit einem axial beweglichen Anker 17 eines Elektromagneten
fest verbunden ist. Zum Elektromagneten gehört eine an der Hülse 11 unbeweglich
angeordnete elektrische Spule 18 mit einem elektrischen
Anschluss 19. An der von der Justierschraube 14 abgewandten
Seite umgreift die Hülse 11 die
Spule 18, so dass letztere starr gehaltert ist und die
Hülse 11 gleichzeitig
ein Führungsteil 20 für den in
Richtung eines Doppelpfeils 30 beweglichen Anker 17 bilden
kann. Das andere Führungsteil 20' wird von einem
Lagerkörper 21 gebildet, der
sich zwischen dem Deckel 12 und der Spule 18 bzw.
dem Spulengehäuse 18' befindet. Eine
Blattfeder (Tellerfeder) 22 ist im Wesentlichen rechtwinklig zur
Achse X-X angeordnet und in der Nähe des Deckels 12 peripher
am Lagerkörper 21 eingespannt. Zentral
ist die Blattfeder 22 mit einer Öffnung für das Gehäuse 16 versehen und
mit diesem starr verbunden. Nahe dem Deckel 13 ist an der
Hülse 11 eine zweite
Tellerfeder 23 peripher eingespannt, die im Zentrum am
sie durchgreifenden Ankerende befestigt ist. Beide Tellerfedern 22, 23 weisen
eine hohe Steifigkeit in radialer Richtung auf, bspw. 3000 N/mm, und
eine geringe Steifigkeit in axialer Richtung, bspw. 2 N/mm. Sie
bewirken, dass die Baueinheit Gehäuse/Anker 16/17 keine
seitliche, wohl aber eine axiale Bewegung von bis zu 5 mm durchführen kann.
Der Anker 17 soll dabei einen Durchmesser von 15 mm aufweisen.
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Der
Deckel 13 besitzt eine zentrale Öffnung 13', durch die
eine am Anker 17 befestigte Stange 24 in axialer
Richtung hindurchragt. Auf der Stange 24 ist ein Schieber 25 starr
befestigt, der in einer Ventilpatrone 26 gleitet, die Öffnungen
T, V und P aufweist. Je nach der Stellung des Schiebers 25 bestehen Strömungsverbindungen
zwischen den Öffnungen
V und P oder V und T oder es besteht wie in der Darstellung der 1 keine
Strömungsverbindung.
Die Stange 24 ermöglicht
eine in axialer Richtung steife und in radialer Richtung weiche
Verbindung des Ankers 17 zum Schieber 25, so dass
ein evtl. vorhandener ungewollter radialer Versatz zwischen dem Schieber 25 und
seinem elektromechanischen Antrieb 17, 18 sich
nicht hemmend auswirken kann. Das gesamte Magnetventil 10 ist
in seinen Teilen im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Achse
X-X ausgebildet.
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In 1 ist
der Elektromagnet 17, 18 so bestromt, dass der
Anker 17 sich in einer mittleren Lage befindet, in der
die Blattfedern 22, 23 sich in einer entspannten
Lage, der Kraftnulllage befinden. Die Druckkraft der Zylinderfeder 15 und
die Anzugskraft des Elektromagneten 17, 18 gleichen
sich in dieser Lage aus, so dass alle möglichen Strömungswege des Ventils 10 gesperrt
sind.
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Befindet
sich das Ventil 10 im stromlosen Zustand, so drückt die
Zylinderfeder 15 den Anker 17 in den Führungen 20, 20' unter Ausnutzung
des möglichen
Hubs der Lagerfedern 22, 23 in axialer Richtung in
eine in 2 dargestellte erste Endlage,
in der die Lagerfedern gespannt sind. In dieser Endlage besteht
eine Strömungsverbindung
zwischen den Öffnungen
T und V, wie sich im Zusammenhang mit 1 leicht
erkennen lässt,
in welcher der Schieber 25 nach unten verschoben zu denken
ist.
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Ist
der Elektromagnet 17, 18 voll unter Strom, so
wird durch den parallel zur Achse X-X bis zum Anschlag an den Lagerkörper 21 und
entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der 2 sich bewegenden Anker 17 die
Feder 15 zusammengedrückt,
die Lagerfedern 22, 23 kommen in eine in 3 gezeigte zweite
Endlage, die bezüglich
Mittellage der 1 etwa symmetrisch zu der in 2 dargestellten
Federlage ist. Der Schieber 25 vollführt also einen entgegengesetzten
Hub bezüglich 2,
so dass eine Strömungsverbindung
zwischen den Öffnungen
P und V in der Patrone 26 zu Stande kommt.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
einer Lagerfeder (S-Feder) 22 (oder 23), die einen
Nabenteil 221, einen Felgenteil 222 und zwischen
beiden bestehende, in radialer Richtung geschwungene Stege 223 aufweist,
die durch Ausnehmungen 224 voneinander getrennt sind. Die
drei Stege 223 gewährleisten
einerseits eine ausreichend sichere und stabile Verbindung, zwischen
dem Nabenteil 221 und dem Felgenteil 222 ermöglichen
sie einen großen
Hub des Ankers 17 mit dem Schieber 25 gegenüber der
Patrone 26. Die S-Federlagerung fixiert also die radiale Position
des bewegten Bauteils (Ankers) 17 zu den umgebenden Teilen 18, 20, 21 des
Magnetkreises (1). Neben der Gestaltung der Polkontur
beeinflusst der radiale Abstand zwischen Anker 17 und Führung 20' bzw. seine
Konstanz entscheidend die Magnetcharakteristik (Kennlinie), die
eine hohe Wiederholgenauigkeit aufweist.
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Andere
Ausführungsformen
der Lagerfedern sind Scheiben mit konzentrisch zur Achse X-X verlaufenden
Riffelungen oder einzelne Blattfederstreifen, die in Durchmesserrichtung
verlaufen.
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Außerdem ist
es möglich
nur eine Lagerfeder 22 oder 23 am Anker 17 vorzusehen
und die Orientierung der Bewegung durch die Gleitführung 20, 20' mit zu sichern.
Auch können
die Hübe
des Ankers 17 aus der Kraftnulllage der Lagerfeder(n) nur
nach einer Seite erfolgen, was in manchen Anwendungsfällen vorteilhaft
sein kann. Dadurch werden allerdings die Hubmöglichkeiten Lagerfedern nur
zur Hälfte ausgenutzt.
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5 lässt ein
Diagramm erkennen, in dem über
dem elektrischen Strom I bei der Bestromung des Elektromagneten 17, 18 (1–3)
als Abszisse der Hub des Ankers 17 mit dem Schieber 25 als Ordinate
dargestellt ist. Kurven 27, 28, 29 verdeutlichen
die Gesamthysterese, welche unter bestimmten untersuchten Lagerungsbedingungen
des Ankers 17 in den Umkehrpunkten bzw. an Haltepunkten
seiner Bewegung auftritt und die sich aus der magnetischen Hysterese
und der mechanischen Hysterese zusammensetzt. In diesem Vergleich
soll die magnetische Hysterese, die von der Magnetkreisgestaltung
abhängt,
in jedem Fall die gleiche sein. Die Kurve 27 stellt die
magnetische und mechanische Hysterese dar, die im Falle einer Gleitlagerung
eines Ankers gemäß dem Stand
der Technik auftritt. Sehr deutlich ist in Kurve 27 die
Wirkung der Haftung bei Umkehrung der Bewegung jeweils als ein Kurvenstück 271 bzw. 272 zu
erkennen, das parallel zum elektrischen Strom I verläuft; das
heißt
also, es tritt eine Umkehrspanne in der Bewegung des Ankers ein,
in der der Anker zunächst
sich nicht bewegt, obwohl die Bestromung umgekehrt wird. Aber auch
wenn die Bewegung des Ankers 17 zwischendurch angehalten
wird, bspw. im Zustand der 1, tritt
bei einer Signaländerung
ein verzögertes
Ansprechen des Ankers 17 an der Stelle 273 der
Hystereseschleife gemäß dem Stand
der Technik auf. Dem gegenüber
stellen die Kurven 28 und 29 die magnetische Hysterese
im Falle der erfindungsgemäßen Federlagerung
des Ankers 17 dar, und zwar die Kurve 28 für die Endpunkte der
Ankerbewegung und die Kurve 29 für anwendungsbedingte Zwischenbewegungen.
In jedem Fall spricht der Anker 17 ohne Verzögerung auf
eine Veränderung
der Bestromung der Spule 18 an, was in den Spitzen 281 und 282 der
Kurve 28 sowie in den Spitzen 291 und 292 der
Kurve 29 deutlich zum Ausdruck kommt.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 10
- Magnetventil
- 11
- Magnethülse
- 12,
13
- Deckel
- 14
- Verschlussschraube
- 15
- Feder
- 16
- Gehäuse
- 17
- Anker
- 18
- Spule
- 19
- Anschluss
- 20,
20'
- Führungsteil
- 21
- Lagerkörper
- 22,
23
- Blattfedern,
Tellerfedern
- 24
- Stange
- 25
- Schieber
- 26
- Patrone
- 27,
28, 29
- Kurven
- 30
- Doppelpfeil
- 221
- Nabenteil
- 222
- Felgenteil
- 223
- Stege
- 224
- Ausnehmungen
- 271,
272, 273
- Kurvenstücke
- 281,
282, 291, 292
- Spitzen
- P,
T, V
- Öffnungen
- X-X
- Achse