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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Derartige
Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und
werden insbesondere in Verbindung mit Ventilen zum Schalten von Fluiden
verwendet, wobei typischerweise mittels des Ankers ein Verschlusselement
des Ventils zwischen einer Öffnungs-
und einer Schließstellung
bewegt wird und das Verschlusselement als mit dem Ventilsitz zusammenwirkende
Dichtung agiert. Auf diese Weise können dann geeignet (flüssige oder
gasförmige)
Volumenströme
gesteuert werden, wobei prinzipiell (und auch im Rahmen der vorliegenden
Erfindung) verschiedene Varianten denkbar sind, etwa Ausführungen
im Rahmen eines 3/2-Wegeventils oder eines 2/2-Wegeventils.
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Entsprechend
wird als gattungsbildend vorausgesetzt eine elektromagnetische Stellvorrichtung, bei
welcher ein mit dem Anker (Ankereinheit) zusammenwirkendes Verschlusselement
axial in einem Gehäuse
bewegt wird, wobei die Ankereinheit relativ zu einer stationär im Gehäuse vorgesehenen
Spulenvorrichtung und auf Bestromung derselben, typischerweise gegen
die Rückstellkraft
einer Feder, bewegt wird.
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Ein
sich bei gattungsgemäßen Vorrichtungen ergebendes
Problem liegt in der Notwendigkeit, den Anker in seiner Axialbewegung
im Gehäuse
genau zentriert zu führen,
wobei in diesem Zusammenhang die Abstimmung der Ankereinheit und
der (Rückstell-)Feder
aufeinander von Bedeutung ist. Dies führt dann zu engen Toleranzvorgaben
an das die Ankereinheit umgebende Gehäuse sowie die Feder mit entsprechend
aufwendiger (und potenziell teurer) Fertigung; insbesondere großserientaugliche, nicht-spanende
Herstellungsverfahren für
die Bauelemente kommen aus den diskutierten Gründen für die Realisierung derartiger
Vorrichtungen praktisch nicht in Betracht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung
im Hinblick auf ihre einfache Montier- und Herstellbarkeit zu verbessern,
insbesondere auch das Verwenden von Teilen bzw. Bauelementen mit
größeren Fertigungstoleranzen
zu ermöglichen und
zusätzlich
eine gattungsgemäße Stellvorrichtung,
insbesondere Stellvorrichtung zur Realisierung eines Fluidventils,
in höherem
Maße automatisiert fertigbar
auszugestalten.
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Die
Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den
Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst;
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In
erfindungsgemäß vorteilhafter
Weise sind der stationär
im Gehäuse
vorzusehende Träger
und die relativ zu diesem bewegbare Ankereinheit über das
flache Federelement unlösbar
miteinander verbunden, so dass auf diese Weise nicht nur eine modulartig
zu fertigende und als solche während
der Montage einfach im Gehäuse
vorzusehende Einheit entsteht, diese bewirkt zusätzlich eine konstante, unveränderliche
und gegenüber
Fertigungstoleranzen relativ unempfindliche Führung des Ankers relativ zum
Träger
(und damit relativ zum Gehäuse);
während
nämlich
das Federelement durch seine unlösbare
und weiterbildungsgemäß durch
Löten,
Schweißen,
Kleben, Nieten, Verstemmen oder dergleichen Verfahren realisierte
Verbindungsart die vorbestimmte Hubbewegung zwischen Anker und Gehäuse (und damit
dem Träger)
ermöglicht,
bestimmt sie gleichzeitig diesen Bewegungspfad. Mit anderen Worten, die
klassische Rolle eines typischerweise als separates Einzelelement
verbauten Federelements wird gemäß der vorliegenden
Erfindung durch die unlösbare Verbindung
mit Träger
und Ankereinheit so weiterentwickelt, dass das Federelement zusätzlich Einfluss auf
die Hubbewegung der Ankereinheit bzw. deren Zentrierung (zentrische
Führung)
bekommt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
zu diesem Zweck der Träger
ringförmig
und die Ankereinheit umgebend ausgestaltet, so dass, in ihrer erfindungsgemäßen Realisierung
als flache Feder, die modulartige Einheit aus Träger, Federelement und Ankereinheit
ebenfalls flach und kompakt wird, sich entsprechend günstig zur
Ventilsteuerung eignet.
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Dabei
ist es weiterbildungsgemäß besonders
bevorzugt, den Träger
mit (über
das Federelement) ansitzender Ankereinheit in axialer Richtung stirnseitig
der Spulenvorrichtung im Gehäuse
vorzusehen, so dass der im Rahmen der Erfindung von der Ankereinheit
gehaltene Dichtkörper
günstig
mittels Ankerhub in seine Verschlussposition bewegt werden kann.
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Zusätzlich weiterbildungsgemäß ist es
dabei vorteilhaft, das (geeignet aus einem Dichtmaterial realisierte)
Dichtelement so an bzw. in der Ankereinheit zu halten, dass dieses
von dem unlösbar
am Anker ansitzenden Federelement (genauer: eines Abschnitts desselben)
gehalten wird; weiterbildungsgemäß vorteilhaft
lässt sich
so zusätzlich eine
Abfederung des Dichtkörpers
relativ zur Ankereinheit und damit eine weitere Verschleißminderung
erreichen.
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Während es
im Rahmen einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung günstig ist,
das Federelement als Blatt- und/oder
Membranfeder zu realisieren und die den Ankerhub aufnehmenden Federabschnitte
gebogen- und/oder mäanderförmig auszubilden,
eignet sich prinzipiell jegliche (flache) Federform, welche in der
erfindungsgemäß beabsichtigten
Weise einen mechanischen Halt bzw. mechanische Führung zwischen Anker und Träger mit
Federkraftwirkung in Hubrichtung kombiniert.
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Durch
die vorliegende Erfindung können zahlreiche,
insbesondere in der Fertigung wirksame Vorteile realisiert werden.
Nicht nur ermöglicht
es die erfindungsgemäße unlösbare Befestigung
zwischen Ankereinheit und Träger,
diese Elemente als (preiswert) spanlos zu fertigende Bauelemente
vorzusehen, auch ermöglicht
etwa die vorteilhaft modulartige Bauweise der erfindungsgemäß aus Träger, Federelement
und Ankereinheit realisierten Baugruppe, durch deren Axialverschiebung
im Gehäuse
eine einfache und elegante Justierung des Ventilhubs vorzunehmen.
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Im
Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung, insbesondere
auch deren Verwendung im Rahmen eines Ventils zum Schalten von Fluiden, eine
kostengünstig
und mit hoher Präzision
herstellbare Vorrichtung, welche geringen Bauteileaufwand mit günstigen
Montage-, magnetischen und Betriebseigenschaften kombiniert.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen; diese zeigen in
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1:
einen Längsschnitt
durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer
ersten, bevorzugten Ausführungsform
in einer Realisierung als Fluidventil;
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2:
eine längsschnittliche
Detailansicht einer modular aus Haltering (Träger), Anker sowie beide Elemente
verbindender Feder gebildeten Einheit und
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3:
eine Detailansicht in Draufsicht der im Ausführungsbeispiel der 1, 2 verbauten
Feder.
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Ein
in den Ansichten der 1, 2 gezeigtes,
elektromagnetisch betätigtes
Fluidventil weist eine in einem Ventilkörper 10 gebildete
Ventilkammer 12 auf, wobei eine düsenförmige Öffnung 14 im Ventilkörper 10 durch
eine an einem elektromagnetisch bewegbar geführten Anker 16 befestigte Dichtung 18 aus
einem geeigneten Dichtungsmaterial (z. B. Elastomere wie NBR, HNBR,
EPDA, FRM, FPM) gesteuert verschließbar bzw. öffenbar ist.
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Die
Ankereinheit 16 ist mittels einer Flachfeder 20 unlösbar an
einem ringförmigen
Träger
(Haltering) 22 befestigt, welcher wiederum stirnseitig
einer Spulenanordnung 24, Ventilkammer 12 bzw.
Düse 14 gegenüberliegend,
in einem Gehäusemantel 26 (Gehäuse) gehalten
ist.
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Magnetisch
wirkt die als Flachanker realisierte Ankereinheit 16 über den
Träger 22 bzw.
den Gehäusemantel 26 im
magnetischen Kreis zusammen mit einem Kernabschnitt 28,
welcher selbst eine einen Auslass 30 zum Zusammenwirken
mit der Dichtung 18 anbietende zentrale Bohrung 32 (Durchbruch)
aufweist. Auf diese Weise kann die im Anker gehaltene Dichtung 18 zwischen
einer ersten, in 1 gezeigten und die Düse 14 verschließenden Stellung
als Ruhestellung (bei unbestromter Spuleneinheit 24) und,
bei Bestromen der Spuleneinheit 24, einer zweiten Bewegungsstellung,
welche den Auslass 30 mit der Dichtung 18 verschließt und dabei
die Düse 14 freilegt,
gesteuert bewegt werden. Die Federeinheit 20 bewirkt dabei,
dass in der Ruheposition die Ankereinheit 16 in der in 1 gezeigten
Weise linksseitig zum Verschließen
der Düse 14 anliegt.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung und verdeutlicht durch die Detailansicht
der 2 ist die Kombination aus Haltering 22 (Träger), scheibenförmigem Flachanker 16 und
Federeinheit 20 unlösbar miteinander
durch (punktweises) Verschweißen
so verbunden, dass der Anker 16 durch Wirkung der Federeinheit 20 fest
zentriert und entlang seines gesamten axialen Ankerhubs einen vorbestimmten, Reibung
und damit Verschleiß vermeidenden
Betrieb ermöglicht.
Gleichzeitig wirkt die Federeinheit 20 in der beschriebenen
Weise als Rückstellfeder
und spannt die Ankereinheit 16 in der in 1 gezeigten Weise
in Linksrichtung gegen die Düse 14 des
Ventilkörpers 10 vor.
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Weiter
vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung sorgt die Federeinheit 20 zudem
dafür, dass
diese zumindest teilweise eine im Flachanker 16 zum Aufnehmen
der Dichtung 18 gebildete zentrische Ausnehmung 34 überspannt.
Dies bewirkt vorteilhaft, dass nicht nur die Ausnehmung 16 mit
darin sitzender Dichtung 18, die nicht durch Verkleben
oder auch sonstige Weise mit dem Anker 16 verbunden ist,
in Richtung auf die Düse 14 verschlossen
ist und damit die Dichtung 18 in ihrer Position gehalten
wird. Gleichzeitig bewirkt die Feder vorteilhaft, dass beim Bewegen
(Anziehen) der Ankereinheit 16 durch Bestromung der Spule 24 (d.
h. Bewegung in Rechtsrichtung der 1) eine
rückwärtige Abfederung bzw.
Pufferung der Dichtung 18 entsteht, wiederum mit den erreichbaren
Vorteilen einer Verschleißminderung,
einer Verminderung des Prellens und einer Verbesserung von Verschluss-
bzw. Dichteigenschaften bezogen auf den Auslass 30.
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Die
in 2 gezeigte modulartige Einheit lässt sich
entsprechend vorteilhaft als solche in geeigneten Vorrichtungen
fertigen und fixieren, so dass sich die spätere Montage innerhalb des
Gehäusemantels 26 auf
ein einfaches Einsetzen bzw. eine Justage in axialer Richtung (durch
welche zudem vorteilhaft das Verschluss- bzw. Ventilspiel eingestellt werden
kann) beschränkt.
Die vorteilhaft eingesetzte unlösbare
Verbindung, welche alternativ auch durch Verfahren wie Löten, Verstemmen
oder dergleichen erfolgen kann, verhindert dagegen ein unbeabsichtigtes
Verrutschen und nutzt die (konventionell lediglich zu Rückstellzwecken
verwendete) Feder zur Vorbestimmung und Führung der Ankereinheit 16 entlang
des gesamten Ankerhubes.
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Dies
ermöglicht
im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, dass sowohl der
Haltering 22 (Träger)
als auch der Flachanker 16 als spanlos gefertigte Bauelemente,
also z. B. Stanz- oder Prägeteile
und ohne Verwendung teurer Produktionsverfahren wie Drehen oder
Fräsen
herstellbar sind und in der Art der in 2 gezeigten
Moduleinheit fest mittels der Wirkung der Feder vorzentrierbar sind.
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Ebenso
vorteilhaft ist das Gehäuseteil 26 (Gehäuse) durch
ein preisgünstiges
und großserientaugliches
Herstellverfahren wie Rollen oder Tiefziehen herstellbar, da, im
Gegensatz zum Stand der Technik, durch die beschriebene Moduleinheit
keine besonderen Zentrierungsanforderungen mehr an das umgebene
Gehäuse
gestellt werden müssen
und so etwa auf ein teures Drehteil verzichtet werden kann.
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Die 3 zeigt
exemplarisch in der Draufsicht eine mögliche Realisierungsform einer
in der Art einer Membranfeder realisierten Federeinheit 20 gemäß 1, 2.
Konkret besteht diese aus einem Ringabschnitt 36, welcher
durch geeignete Schweißpunkte 39 auf
dem Haltering 22 sitzt; der Ringabschnitt 36 geht
dann über
vier mäanderförmig gewundene
und sich verjüngende
Stegabschnitte 38 in einen Mittelabschnitt 40,
welcher in der vorbeschriebenen Weise die (federnde) Abdeckung der
Aufnahme 34 in der Ankereinheit 16 für die Dichtung 18 ermöglicht.
Geeignet an den Positionen ist die Feder mit der Ankereinheit 16 durch
Schweißpunkte 41 unlösbar verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt;
vielmehr sind beliebige weitere Realisierungsformen einer Ventillösung und
auch Einsatzbereiche der elektromagnetischen Stellvorrichtung außerhalb
eines Ventils denkbar. Auch ist die in 3 gezeigte
Membranfeder lediglich exemplarisch zu verstehen und, je nach Anwendungsfall,
geeignet ausgestaltbar, ebenso wie die erfindungsgemäße unlösbare Verbindung zwischen
Federeinheit (20) und Träger (Haltering) einerseits
sowie Feder und Ankereinheit (16) andererseits. Während beim
beschriebenen Ausführungsbeispiel
ein Punktverschweißen
eingesetzt wurde, sind exemplarisch und alternativ Verbindungsverfahren wie
Löten,
Nieten, Verstemmen oder Kleben oder andere denkbar.
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Im
Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung in überraschend
einfacher Weise eine einfache und mit geringem Aufwand fertigbare
elektromagnetische Stellvorrichtung, insbesondere für Einsatzzwecke
als elektromagnetisch steuerbares Ventil, welche vorteilhafte elektromagnetische
Eigenschaften mit optimierter automatisierter Fertigbarkeit bei
drastisch verminderten Anforderungen an Bauteiletoleranzen und Ausrichtung
in der Fertigung kombiniert.