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Die Erfindung betrifft einen schmierungsfreien elektromagnetischen Antrieb zur Betätigung von Ventilen für Pumpen und Kompressoren oder andere Anwendungen, bei denen Medienströme mit insbesondere hohen Frequenzen zu- beziehungsweise abzuschalten sind.
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Elektromagnetische Antriebe für Ventile, welche gasförmige oder flüssige Medien zu- bzw. abschalten sind seit längerem bekannt und werden verbreitet in der Industrie und im Haushalt eingesetzt. Diese Antriebe bestehen in der Regel aus einer Spule mit oder ohne Magnetkern und einem unterschiedlich ausgebildeten beweglichen Anker, der sich im Magnetfeld durch die Anziehungskräfte hin- und herbewegen kann und dabei einen Schließmechanismus betätigt.
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In vielen Ausführungen wird das System durch eine Federkraft in einer bestimmten Stellung fixiert, die dann durch die Magnetkraft überwunden wird und somit die Ventilplatte betätigt.
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Diese bekannten Systeme sind ausgereift und seit langer Zeit weitverbreitet im Einsatz.
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Nachteil dieser bekannten elektromagnetischen Antriebe ist die Tatsache, dass durch die Auf- bzw. Abmagnetisierung der ferromagnetischen Komponenten der Spule bzw. des Ankers eine gewisse Trägheit des Systems vorhanden ist.
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Diese bedingt, dass selbst moderne konventionelle Magnetventile lediglich maximale Betätigungsfrequenzen von weniger als 1000 Schaltungen erreichen.
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Mit fortschreitender Digitalisierung in allen technischen Bereichen werden jedoch auch in der Ventiltechnik wesentlich höhere Arbeitsfrequenzen erforderlich.
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Hier stößt das bisher bekannte elektromagnetische Antriebsprinzip an seine Grenzen.
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Deshalb wurde bereits 1980 von Pischinger/Kreuter als elektromagnetisches Antriebsprinzip ein Resonanzaktuator vorgeschlagen.
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Dieser besteht aus einem Feder-Masse-System, bei dem zwei Elektromagnete in einem Abstand zueinander angeordnet sind, zwischen deren Polflächen ein Anker entsprechend der Bestromung hin- und herbewegt wird. Dieser Anker ist fest verbunden mit einem Ventilschaft und öffnet bzw. schließt das Ventil entsprechend.
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Darüber hinaus ist der Anker mit einer Ankerplatte ausgestattet, auf welche zwei vorgespannte Rückstellfedern wirken, so dass ein Feder-Masse-System gebildet wird. Bei Stromabschaltung eines der Elektromagneten schwingt das System in die jeweils andere Endstellung und wird dort durch den Magneten fixiert. Es sind damit zwei Schaltstellungen realisierbar. Um das System betriebsbereit zu machen, muss der Anker in der beiden möglichen Endstellungen gebracht sein, was durch Erzeugung von Schwingungen mit zunehmender Amplitude erreicht wird, bis ein Elektromagnet den Anker in einer Endstellung einfängt und festhält.
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Der Nachteil dieses Systems ist ein hoher mechanischer Aufwand, da die Ankerplatte in der jeweiligen Endstellung an die Polplatte des Elektromagneten schlägt und damit einem erheblichen Verschleiß unterliegt.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde eine aufwändige elektronische Softsteuerung entwickelt.
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Trotzdem hat sich dieses System nur in Spezialbereichen durchgesetzt, da es mechanisch sehr aufwändig und durch die benötigte Steuerung sehr teuer ist.
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Außerdem kann durch die mechanischen Komponenten das System nicht schmierungsfrei betrieben werden.
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Aus der
DE 102 41 591 A1 ist eine Lösung eines elektromagnetischen Stellantriebs mit zwei koaxial in einem Gehäuse angeordneten Topfmagneten bekannt. Deren Polplatten stehen sich in einem vorgegebenen Abstand zueinander gegenüber. In einer Bohrung durch die Polplatten befindet sich ein verschiebbares Trägerelement, an dem ein hülsenförmiger Anker befestigt ist. Diese Ankerhülse ist in dem Luftspalt der beiden sich gegenüberstehenden Polplatten angeordnet und wird je nach dem welche Polplatte mit einer Spannung beaufschlagt ist in diesen Luftspalt hinein gezogen. Durch die mechanische Verbindung der Ankerhülse und dem Trägerelement wir das Trägerelement mit in die jeweilige Richtung bewegt und kann somit die mechanischen Ventilteile antreiben.
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Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Stellantrieb bei Einschalten sofort betriebsbereit ist und auch einen variablen Ventilhub erzeugen kann. Nachteilig ist durch die Masse der Polplatten und des hülsenförmigen Ankers eine magnetische Trägheit, die die Betätigungsfrequenz des Systems begrenzt. Durch die mechanische Führung des Trägerelementes bedarf auch dieses System einer Schmierung.
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In der
DE 22 12 231 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die nach dem Prinzip des Schwingspulenlautsprechers arbeitet und den Schub verwendet, der erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch eine Spule fließt, die im Spalt eines Magnetsystems angeordnet ist. Diese Anordnung verwendet man auch als Linearmotorantrieb zur Einstellung von magnetischen Schreib-Leseköpfen für Festplattendatenspeichersysteme. Hier kommt es insbesondere darauf an, dass entsprechend der Spulenlänge große Wege mit gleichbleibenden Kraftvektoren erzeugt wird.
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Die Besonderheit dieser Erfindung besteht in einer sich auf dem zentralen Polstück befindlichen Abschirmung, welche die magnetische Kraft auf den Luftspalt konzentriert und somit die Antriebsleistung der Spule erhöht.
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Da diese Anordnung mehr auf große Betätigungswege als auf eine hohe Betätigungskraft ausgelegt ist, ist sie für die Verwendung eines Ventilantriebes, bei welchem es auf hohe Kräfte und kürzeste Schaltzeiten ankommt, nicht geeignet.
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In der
DE 10 2008 030 258 A1 wird ein resonantes magnetisches Aktorsystem zur Verwendung in der Industriepneumatik beschrieben, welches die magnetischen Verluste durch die hohe Betätigungsfrequenz, bereits beschrieben bei Pischinger/Kreuter, dadurch vermeidet, dass wirbelstromrelevante Bauteile der Magnetkreise aus elektrisch nicht leitendem, jedoch magnetisch gut leitendem Sintermaterial ausgelegt sind.
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Ein Nachteil diese Systems ist die Lagerung der Ankerplatte in einem Federsystem, was der gesamten Vorrichtung Resonanzeigenschaften auferlegt und sich auch negativ auf eine obere Grenze der Betätigungsfrequenz auswirkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventilantrieb vorzuschlagen, welcher die Nachteile des bekannten Standes der Technik beseitigt, schmierungsfrei und wartungsarm ist und in speziellen Ausführungsformen Betätigungsfrequenzen modernster Resonanzventile von 100 bis maximal 150 Hz um das hundertfache überschreiten kann.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung soll nachfolgend anhand der bis näher erläutert werden.
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In ist der Aufbau des erfindungsgemäßen elektrodynamischen Ventils schematisch dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem magnetisch leitenden Material, vorzugsweise Stahl, ausgebildeten Magnettopf 1 mit einer oberen und unteren Aussparung.
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Dabei dient die obere Aussparung der Aufnahme des Magnetsystems 2 und die untere Aussparung der Aufnahme der Steuerelektronik 3. Beide Aussparungen sind mittels einer mittig angeordneten Öffnung zur Durchführung der Spannungszuführung 4 zur Arbeitsspule 6 miteinander verbunden.
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In der oberen Aussparung des Magnettopfes 1 ist ein ringförmig ausgebildeter Dauermagnet 5, beispielsweise bestehend aus Neodyn, zentrisch angeordnet, welcher ebenfalls mittig eine Öffnung zur Durchführung der Spannungszuführung 4 zur Arbeitsspule 6 aufweist.
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Direkt auf dem Dauermagneten 5 befindet sich zentrisch angeordnet ein Polkern 7, welcher den magnetischen Fluss vom Dauermagneten 5 zur Oberseite des Magnettopfes 1 über einen Arbeitsluftspalt 8 realisiert.
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Der Polkern 7 ist nicht als Dauermagnet ausgebildet, jedoch aus magnetisch leitendem Material gefertigt.
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Er dient dazu, die optimale Geometrie zwischen Arbeitsluftspalt 8 und Arbeitsspule 6 einstellen zu können.
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Auch der Polkern 7 weist eine zentrische Öffnung zur Durchführung der Spannungszuführung 4 auf, durch welche die Spannungszuführung 4 von der Arbeitsspule 6 zur Steuerelektronik 3 geführt ist.
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Die Arbeitsspule 6 ist auf den Umfang des Spulenkörpers 9 direkt aufgebracht und im Arbeitsluftspalt 8 so angeordnet, dass sie die Innenwände der oberen Aussparung des Magnettopfes 1 und die Außenwand des Polkernes 7 nicht berührt, jedoch den noch verbleibenden Luftspalt so gering wie möglich hält, um eine möglichst große magnetische Kraft zu generieren.
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Der Spulenkörper 9, welcher den Polkern 7 ringförmig umschließt, ist an seiner Oberfläche geschlossen und überträgt die mechanische Kraft der Arbeitsspule 6 auf eine Membran 10, welche den Magnettopf 1 an seiner Arbeitsseite luftdicht verschließt.
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Zwischen Spulenkörper 9 und Membran 10 wird durch Klebetechnik oder andere geeignete Verfahren eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt, damit je nach Polarität der Betätigungsspannung der Arbeitsspule 6 die Membran 10 nach innen oder außen bewegt werden kann.
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In ihrer Ruhestellung befindet sich die Membran 10 in der Mitte zwischen oberem und unterem Bewegungsendpunkt.
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Auf der Außenseite der Membran 10 kann ein Betätigungselement für das Ventil, in einer besonderen Ausführung ein Ventilteller 14, angeordnet sein, welches im Arbeitsgerät den Ventilsitz betätigt.
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In weiterer besonderer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, durch die Einbringung eines geeigneten Federmaterials zwischen Spulenkörper 9 und Polkern 7 eine definierte Ruheposition in der oberen oder unteren Endlage des Ventilsystems zu realisieren. Um die Auslenkung des Spulenkörpers 9 in Richtung des Polkernes 7 zu begrenzen, ist auf dem Polkern 7 mittig ein vorzugsweise elastisches Dämpfungselement 11 angeordnet, welches ebenfalls eine mittig angeordnete Öffnung zur Durchführung der Spannungszuführung 4 zur Durchleitung der elektrischen Anschlüsse aufweist.
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Die elektrischen Anschlüsse der Arbeitsspule 6 sind im Spulenkörper 9 vorzugsweise eingegossen und werden mittig durch die alle Bauteile aufweisende Öffnung zur Durchführung der Spannungszuführung 4 in die Steuerelektronik 3 geleitet.
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Die Steuerelektronik 3, welche sich in der unteren Aussparung des Magnettopfes 1 befindet und die über eine Zuleitung mit der Spule 6 verbunden ist, dient dazu, die frequente Betätigungsspannung für die Arbeitsspule 6 zu erzeugen.
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Über ein Steuerkabel 12, welches durch eine Öffnung im Magnettopf 1 geführt ist, wird die Spannungsversorgung und die Ansteuerung der Steuerelektronik 3 realisiert.
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Die Steuerelektronik 3 wird durch eine Kappe 13 auf dem Magnettopf 1 nach außen geschlossen.
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Wird nun über die Steuerelektronik 3 einen Spannungsimpuls an die Arbeitsspule 6 gegeben, so wird eine mechanische Kraft je nach Polarität nach außen oder nach innen auf den Spulenkörper 9 übertragen. Dadurch bewegt sich die Membran 10 je nach Polarität nach innen oder nach außen und öffnet oder verschließt den Ventilsitz, wodurch flüssige oder gasförmige Medien ein- oder ausgelassen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachstehend als Ausführungsbeispiel im Ventilkopf einer Vakuumpumpe beschrieben.
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Das Anwendungsbeispiel ist in der in Schnittdarstellung gezeigt.
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In einem die Vakuumpumpe nach oben abschließenden Pumpenkopf 21 befinden sich an der Unterseite in einer gewölbten Öffnung 15 eine Bohrung für den Gasaustritt 16 und eine Ansaugöffnung 17.
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Die Gasaustrittsbohrung 16 ist an der Außenseite des Pumpenkopfes 21 durch ein Flatterventil 18 einseitig verschlossen.
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Die Ansaugöffnung 17 mündet in den Ventilsitz 19.
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Ebenfalls mündet in den Ventilsitz 19 die Anschlussöffnung 20 für die Vakuumpumpe.
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In einer oben liegenden Aussparung im Pumpenkopf 21 ist der erfindungsgemäße elektrodynamische Ventilantrieb angeordnet, dessen Unterseite mit dem Ventilteller 14 in den Ventilsitz 19 hineinragt.
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Wenn der Kolben der Vakuumpumpe sich nach unten bewegt, entsteht in der gewölbten Öffnung 15 ein Unterdruck. Dieser Unterdruck kann nach Öffnung des Ventiltellers 14 über die Anschlussöffnung 20 an ein angeschlossenes Arbeitsgerät weiter geleitet werden.
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Bei Bewegung des Kolbens der Vakuumpumpe nach oben wird der Ventilteller 14 über eine entsprechende Beaufschlagung der Arbeitsspule 6 in den Ventilsitz gedrückt und schließt diesen dabei ab. Somit kann das komprimierte Medium über den Gasaustritt 16 und das Flatterventil 18 aus dem Pumpenkopf 21 gedrückt werden.
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Der Vorteil dieser Ventilanordnung bei Vakuumpumpen gegenüber Flatterventilen im Auslass und Einlass liegt darin, dass ein höheres Vakuum dadurch erzeugt werden kann, dass die Ansaugöffnung 17 nicht bei jedem Arbeitshub, sondern beispielsweise nur bei jedem zweiten, dritten oder vierten Arbeitshub geöffnet wird.
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Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen elektrodynamischen Ventilantriebs bei Vakuumpumpen lassen sich so bei gleicher optimaler Pumpendrehzahl beliebige Vakuumdrücke einstellen.
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Gleiche Vorteile lassen sich auch in der Kompressortechnik erzielen, indem man bisher eingesetzte passive Ventile wie Flatterventile durch aktive Ventile ersetzt.
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In ist der in gezeigte Pumpenkopf einer Vakuumpumpe mit eingesetztem elektrodynamischen Ventilantrieb als Ansicht gezeigt.
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Durch die direkte Einbindung des elektrodynamischen Ventilantriebs in den metallischen Ventilkopf ist auch für eine optimale Abführung der Arbeitswärme des elektrodynamischen Ventilantriebs gesorgt.
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Durch das Fehlen jeglicher mechanisch gelagerter Betätigungselemente arbeitet der erfindungsgemäße Ventilantrieb schmierungs- und wartungsfrei.
