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Die Erfindung betrifft ein Magnetventil mit einer in einem Magnetjoch angeordneten Erregerspule und einem beweglich zum Magnetjoch gelagerten Magnetanker, welcher als Aktuator eines Ventils ausgebildet ist und bei Einschalten der Erregerspule gegen eine Magnetanker und Magnetjoch auf Abstand haltende Feder zum Magnetjoch hin bewegt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Luftfedereinrichtung und eine hydraulischen Dämpfer für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Magnetventil.
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Magnetventile, d. h. elektromagnetisch betätigte schaltbare Strömungsventile, sind zur Steuerung von Strömungsvorgängen in allerlei Fluiden häufig eingesetzte Schaltelemente. Dabei wird beim Einschalten des Stromes für eine Erregerspule in einem Magnetkern oder Magnetjoch durch Induktion ein Magnetfeld und ein magnetischer Fluss erzeugt, der den Magnetanker bewegt und durch diese Bewegung das Schließen oder das Öffnen eines Strömungsventils bewirkt.
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Eingesetzt werden solche Magnetventile zum Beispiel in Luftfedersystemen oder Niveauregelsystemen für Kraftfahrzeuge. Luftfedersysteme oder Niveauregelsysteme dienen als besonders komfortable Federungssysteme und sorgen für ein angenehmes Fahrgefühl bei einer Federung, die je nach Straßenverhältnissen zwischen einem „weichen” und „harten” Federungsverhalten angepasst werden kann.
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Ein Luftfedersystem oder Niveauregelsystem besteht dabei aus den die Luftfeder- und Dämpfereinheiten umfassenden Luftfederbeinen für jedes Rad oder mindestens für jede Achse, aus der Luftversorgungsanlage mit einem Verdichter, einem Speicher, einem regenerierbaren Trockner und weist dazu in aller Regel eine elektronische Steuerung auf, wobei über schaltbare pneumatische Steuerelemente in Form von Magnetventilen Verbindungen zwischen Arbeitsräumen oder -kammern, Speichern, Kompressoren bzw. Arbeitsvolumina geöffnet oder geschlossen werden.
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Die Luftfederbeine, auch kurz „Luftfedern” genannt, die zwischen Fahrwerk und Karosserie eingespannt sind, weisen einen Luftfederbalg auf, der wiederum zwischen einem üblicherweise karosserieseitigen Luftfederdeckel und einem fahrwerkseitigen Abrollkolben befestigt ist. Solche Luftfederbeine kennt der Fachmann in einer Vielzahl von Ausführungen. Die Luftfeder steht im Betrieb unter einem inneren Überdruck. Der Luftfederbalg rollt unter Last und bei Federbewegungen unter Bildung einer Rollfalte auf der Außenkontur eines konzentrischen Bauteiles ab, üblicherweise auf dem Luftfederkolben/Abrollkolben. Eine derartige Luftfeder wird häufig in Straßen- oder Schienenfahrzeugen eingesetzt, um eine komfortable Federung zu erreichen.
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Die hier eingesetzten Ventile/Magnetventile bestehen üblicherweise aus mindestens dem Ventilkolben oder -körper und aus der Ventilfeder. Einfache Drosselventile können in bekannter Weise aus lediglich verengten Querschnitten, Spalten, Überströmkanten etc. bestehen, wobei natürlich auch aus Ventilkolben, Ventilfeder und Ventilgehäuse bestehende Ventile eine entsprechende Drosselwirkung aufweisen.
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Die
US 3,157,831 zeigt ein Magnetventil für Wechselstrom zur Betätigung eines Ventilkolbens mit einem laminierten, d. h. aus einzelnen zusammengebauten Blechen bestehendem Magnetjoch, welches drei mit einer Brücke verbundene Jochschenkel aufweist, und aus einem mit dem Ventilkolben verbundenen Anker oder Aktuator, der komplementär zum Magnetjoch ausgebildet ist und mit einem Spaltabstand zu letzterem angeordnet ist. Das Magnetjoch ist als flacher laminierter Körper M-förmig und der Anker in ebendieser Weise T-förmig ausgebildet. Im Magnetjoch ist die Erregerspule so angeordnet, dass sowohl Magnetjoch als auch Magnetanker in die Spule eintauchen bzw. die Spule umgeben. Das Magnetventil weist zwar eine hohe Magnetkraft auf, verhindert auch einen Verklemmen des Aktuators, ist aber in seinen Abmessungen recht groß ausgebildet und für z. B. Luftfedersysteme daher nicht geeignet.
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Magnetventile in Luftfedersystemen sollen nämlich einerseits möglichst klein und leicht sein und andererseits beim Hub möglichst große Kräfte aufbringen können. Außerdem ist es gewünscht, die Magnetkraftkennlinie, d. h. den Zusammenhang zwischen Magnetkraft und Hubweg im Zusammenwirken mit der Rückstellfeder zu beeinflussen bzw. konstruktiv genau auf den Anwendungsfall anpassen zu können, um die nötige Einstellung des Systemverhaltens zu gewährleisten.
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Hierzu werden im Stand der Technik oft Topfmagneten verwendet, die mehrere Luftspalte im Magnetkreis besitzen, nämlich neben dem axialen Luftspalt, über den durch die magnetische Feldstärke bzw. den magnetischen Fluss die eigentliche Stellkraft in axialer Richtung des Magnetes aufgebracht wird, auch nennenswerte radiale Luftspalte zwischen Anker und Joch. In den radialen Luftspalten werden magnetische Fluss Magnetkräfte erzeugt, die im wesentlichen senkrecht zur Achse des Jochs und damit des Magnetventils wirken und somit senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers.
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Diese Magnetkräfte tragen nichts zur eigentlichen Aufgabe des Magnetventils bei und müssen durch zusätzliche magnetische Erregung, also bei natürlich gleichbleibender Anzahl der Spulenwicklungen durch einen stärkeren Spulenstrom kompensiert werden. Somit wird bei diesen Bauarten von Magnetventile im Stand der Technik entweder der Energieverbrauch erhöht oder die Magnetkraft erniedrigt. Zwar kann auch hier die Kennlinie im Hinblick auf die resultierende Kraft beeinflusst werden, jedoch entsteht hier nur eine Verschiebung der maximalen Magnetkraft zum Hubanfang und eine damit einhergehende Erniedrigung zum Hubende.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand also darin, einen kleinbauenden Topfmagneten u. a. für die Anwendung in Luftfedersystemen bereitzustellen, der große Hubkraft erzeugt, wenig magnetische Verlustleistung und eine Verbesserung des magnetischen Wirkungsgrades ermöglicht und eine Beeinflussung der Magnetkraftkennlinie, d. h. des Zusammenhang zwischen Magnetkraft und Hubweg im Zusammenwirken mit der Rückstellfeder erlaubt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Dabei weist das erfindungsgemäße Magnetventil eine Erregerspule auf, die torusförmig ausgebildet ist und ein Magnetjoch, dass die Erregerspule topfförmig umgibt, wobei das topfförmige Magnetjoch in seinem Bodenbereich einen in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule vorspringenden ersten Körper aufweist, der Magnetanker als Deckel für das topfförmige Magnetjoch ausgebildet ist und letzteres unter Bildung eines ersten Spaltes mit einem ersten Spaltabstand schließt, wobei der Magnetanker einen ebenfalls in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule vorspringenden zweiten Körper aufweist, der zum ersten Körper unter Bildung eines zweiten Spaltes einen zweiten Spaltabstand aufweist und wobei erster und zweiter Spalt als Axialspalte so angeordnet sind, dass sich der magnetische Fluss im wesentlichen parallel zur Achse des Magnetventils ausbildet.
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Somit existieren bis auf die erforderlichen Gleitpassungen keine oder kaum magnetisch wirksamen radialen Luftspalte und kaum magnetische Verlustleistung. Eine Verbesserung des magnetischen Wirkungsgrades wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass bei den radial nicht oder nur minimal ausgebildeten Spalten der magnetische Fluss um Größenordnungen kleiner und widerstandsärmer ist, als bei den breit ausgebildeten Spalten, die im Stand der Technik üblich sind.
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Damit wird also der üblich vorhandene Übergang des magnetischen Flusses auf den Anker über einen radialen Luftspalt konstruktiv in einen axialen Spalt gelegt, so dass sich der magnetische Fluss im wesentlichen parallel zur Achse des Magnetventils ausbildet und somit die Magnetkraft im Wesentlichen uneingeschränkt in Bewegungsrichtung des Ankers eingeleitet wird. Das Magnetventil kann damit in allen Bauteilen klein und leicht gebaut werden, insbesondere auch im Hinblick auf die Windungszahl und den Drahtdurchmesser der Torusspule, die dann nicht mehr auf einen stärkeren Spulenstrom zur Kompensation ausgelegt werden muss.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Magnetventil zylindrisch ausgebildet ist und das topfförmige Magnetjoch als rotationssymmetrischer Hohlzylinder, erster und der zweiter Körper als rotationssymmetrische Zylinder und der Magnetanker als runder und rotationssymmetrischer Deckel ausgebildet sind. Neben anderen, z. B. ovalen oder exzentrischen Formen des Magnetventils ist die runde rotationssymmetrische Form der Bauteile besonders geeignet, da die entsprechenden Aufnahmen in den Einrichtungen, in denen das erfindungsgemäße Magnetventil eingesetzt werden soll, lediglich als tolerierte Bohrungen auszubilden sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Magnetanker mehrteilig ausgebildet ist, also üblicherweise zweiteilig, und im Wesentlichen eine Deckelplatte und einem mit der Deckelplatte verbundenen in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule vorspringenden zweiten Körper aufweist. Deckelplatte und zweiter Körper können dabei stoffschlüssig oder formschlüssig miteinander verbunden sein. Damit ergibt sich eine auf den einzelnen Anwendungsfall angepasste Fertigungsweise. Bei kleinen Magneten ist hier durchaus ein Klebverfahren anwendbar
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das topfförmige Magnetjoch mehrteilig ausgebildet ist und im Wesentlichen eine Bodenplatte, einen mit der Bodenplatte verbundenen, in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule vorspringenden ersten Körper und ein mit der Bodenplatte verbundenes und die Erregerspule umgebendes Topfgehäuse ausweist. Auch hier können, mit den bereits genannten Vorteilen, die einzelnen Teile jeweils stoffschlüssig oder formschlüssig miteinander verbunden sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Magnetanker als Ventilkörper ausgebildet ist, der mit einem Ventilsitz zum Schließen und Öffnen des Magnetventils zusammenwirkt, also Magnetanker und Ventilkörper einteilig ausgebildet sind. Damit erreicht man eine Teilereduktion im Hinblick auf den Ventilaufbau insgesamt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Feder zwischen dem als Deckel ausgebildeten Magnetanker und dem topfförmigen Magnetjoch im Bereich des ersten Spaltes angeordnet ist. Damit wird der magnetische Fluss nicht oder nur unmerklich durch die Feder beeinflusst. Gleiches gilt für eine weitere vorteilhafte Ausbildung, die darin besteht, dass im Bereich des ersten Spaltes zwischen dem als Deckel ausgebildeten Magnetanker und dem topfförmigen Magnetjoch ein Anschlagpuffer angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass Magnetjoch und/oder Magnetanker aus Drehteilen bestehen. Bei Drehteilen lassen sich besonders enge Toleranzen fertigen, so dass radiale Luftspalte tatsächlich nicht mehr vorhanden bzw. nicht mehr durch Verluste merkbar sind.
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Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Magnetventils besteht darin, dass das Magnetventil gleichstromerregt wird und in einer Luftfedereinrichtung für ein Kraftfahrzeug oder in einem hydraulischen Dämpfer für ein Kraftfahrzeug angeordnet ist.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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1 ein erfindungsgemäßes Magnetventil,
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2 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Magnetventils mit einer Möglichkeit zur Anpassung der Magnetkennlinie,
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3 die Kraftkennlinien eines Magnetventils gemäß 2.
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Die 1 zeigt hierzu ein erfindungsgemäßes Magnetventil 1 mit einer in einem Magnetjoch 2 angeordneten Erregerspule 3 und einem beweglich zum Magnetjoch 2 gelagerten Magnetanker 4, welcher als Aktuator eines Ventils ausgebildet ist und bei Einschalten der Erregerspule 3 gegen eine Magnetanker 4 und Magnetjoch 2 auf Abstand haltende Rückhaltefeder zum Magnetjoch 2 hin bewegt wird. Die Erregerspule 3 des Magnetventils 1 ist torusförmig ausgebildet und das Magnetjoch 2 umgibt die Erregerspule topfförmig.
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Das topfförmige Magnetjoch 2 weist in seinem Bodenbereich einen in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule 3 vorspringenden ersten Körper 5 auf.
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Der Magnetanker 4 ist als Deckel für das topfförmige Magnetjoch 2 ausgebildet und schließt letzteres unter Bildung eines ersten Spaltes 6 mit einem ersten Spaltabstand.
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Der Magnetanker 4 weist ähnlich wir das Joch einen in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule 3 vorspringenden zweiten Körper 7 auf, der zum ersten Körper 5 unter Bildung eines zweiten Spaltes 8 einen zweiten Spaltabstand aufweist.
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Erster und zweiter Spalt 6 und 8 sind als Axialspalte so angeordnet, dass sich der magnetische Fluss 9, der hier der Einfachheit halber nur auf der rechten Seite der 1 dargestellt ist, im wesentlichen parallel zur Achse 10 des Magnetventils ausbildet. Derselbe magnetische Fluss 9 ist natürlich torusförmig rund um die Erregerspule ausgebildet.
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Das Magnetventil ist hier zylindrisch ausgebildet. Entsprechend sind das topfförmige Magnetjoch 2 als rotationssymmetrischer Hohlzylinder, erster und der zweiter Körper 5 und 7 als rotationssymmetrische Zylinder und der Magnetanker 4 als runder und rotationssymmetrischer Deckel ausgebildet.
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Der Magnetanker 4 ist dabei zweiteilig ausgebildet und weist eine Deckelplatte 11 und den mit der Deckelplatte verbundenen in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule vorspringenden zweiten Körper 7 auf. Beide Teile formschlüssig über hier nicht näher dargestellte Schraubverbindungen miteinander verbunden.
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Eine hier nicht näher gezeigte Rückstellfeder ist in dem strichpunktiert umrahmten Bereich 12 zwischen dem als Deckel ausgebildeten Magnetanker 4 und dem topfförmigen Magnetjoch 2 im Bereich des ersten Spaltes angeordnet.
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Ein besonders vorteilhafte Ausbildung zeigt die 2, bei der der in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule 3 vorspringenden erste Körper 5 und der in den Hohlraum der torusförmigen Erregerspule 3 vorspringenden zweite Körper 7 an ihren einander zugewandten Flächen im Bereich des zweiten Spaltes 8 mit zueinander komplementären Vorsprüngen und Vertiefungen ausgebildet sind. Mit einer solchen Ausbildung lässt sich Kennlinienbeeinflussung erreichen, d. h. eine genaue Anpassung der Magnetkennlinie auf die Ventilcharakteristik.
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Bei der hier vorliegenden Ausführung weist der erste Körper 5 eine konzentrische und von einem vorspringenden Außenrand umgebende Vertiefung 15 auf, währende der zweite Körper 7 einen konzentrischen und zur Vertiefung 15 komplementären zylindrischen Vorsprung 16 aufweist.
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Die hierdurch mögliche Anpassung der Magnetkennlinie zeigt die 3, in der für die Ausführung gemäß 2 die Magnetkraft über dem Hub aufgetragen ist, d. h. die Kraftkennlinien der Einzelluftspalte und des erfindungsgemäßen Magnetventils mit den zwei Luftspalten insgesamt. Dabei wird die durch den Spalt 8 erzeugte Magnetkraft durch die Kurve 17 und die durch den Spalt 6 erzeugte Magnetkraft durch die Kurve 18 dargestellt. Zusammengefasst und überlagert ergibt sich dann eine Kraftbeeinflussung über den Hub, wie sie die Kurve 19 zeigt. Die Magnetkraft wird dabei so geändert, dass sie zu Beginn des Hubs einen hohen Wert erreicht, dann über den Hubweg nur wenig abfällt und erst am Hubende eine deutliches Abfallen der Magnetkraft erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetventil
- 2
- Magnetjoch
- 3
- Erregerspule
- 4
- Magnetanker
- 5
- Erster Körper (zum Joch gehörig)
- 6
- Erster Spalt
- 7
- Zweiter Körper (zum Anker gehörig)
- 8
- Zweiter Spalt
- 9
- Magnetischer Fluss
- 10
- Achse des Magnetventils
- 11
- Deckelplatte
- 12
- Einbau-Ort/Bereich der Rückstellfeder
- 13
- Bodenplatte des Magnetjochs
- 14
- Topfgehäuse des Magnetjochs
- 15
- Konzentrische Vertiefung
- 16
- Zylindrischer Vorsprung
- 17
- Kraftkennlinie der durch den Spalt 8 erzeugten Magnetkraft
- 18
- Kraftkennlinie der durch den Spalt 6 erzeugten Magnetkraft
- 19
- Gesamtkraftkennlinie über den Hub
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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