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Die Erfindung betrifft einen Ventilantrieb für ein Ventil, ein Ventil mit einem Ventilantrieb sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Ventilantriebs für ein Ventil.
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Über einen Ventilantrieb kann die Stellung eines Ventilelements und dadurch der Durchfluss eines Mediums durch ein Ventil eingestellt werden. Der Ventilantrieb umfasst typischerweise einen Elektromotor, der über ein Getriebe und eine Spindel mit dem Ventilelement gekoppelt ist, welches einem Ventilsitz zugeordnet ist, um den Durchfluss durch das Ventil zu steuern oder zu regeln. Generell wird versucht, den Ventilantrieb möglichst reibungsarm auszubilden, wodurch sich die erforderlichen Verstellkräfte reduzieren und die Effizienz des Ventilantriebs entsprechend gesteigert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Spindel mit einer sehr hohen Qualität gefertigt ist, sodass deren Reibung minimiert ist. Eine solche Spindel wird auch als superreibungsarme Spindel bezeichnet.
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Hierbei hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass das Ventilelement aufgrund des Mediumdrucks verstellt werden kann, da die reibungsarme Spindel keine Selbsthemmung aufweist, die dem vom Mediumdruck resultierenden Öffnungsmoment entgegenwirkt. Daher ist das Ventil zwar hoch effizient hinsichtlich der Verstellbarkeit; es lässt sich jedoch nicht sicher in einer gewünschten Position halten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventilantrieb zu schaffen, der eine hohe Effizienz aufweist und gleichzeitig das Ventil sicher in einer eingestellten Position halten kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ventilantrieb für ein Ventil gelöst, mit einem Elektromotor, der einen Rotor und einen Stator aufweist, sowie einer magnetischen Rastbremse mit wenigstens einem Rastmagneten zum Halten des Rotors in einer Rastposition, wobei am Rotor wenigstens ein Rotormagnet angeordnet ist, der mit der Rastbremse zusammenwirkt und insbesondere als Permanentmagnet ausgebildet ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, den Ventilantrieb mit einer magnetischen Rastbremse zu versehen, die auf den Elektromotor, insbesondere den Rotor, derart wirkt, dass die Rotormagnete in bestimmten Positionen mit dem wenigstens einen Rastmagneten wechselwirken. Dadurch wird ein Rastmoment erzeugt, welches höher ist als das vom Mediumdruck erzeugte Öffnungsmoment. Hierdurch wird eine externe Hemmung des Ventilantriebs geschaffen, die sicherstellt, dass der Mediumdruck das Ventil nicht verstellen kann. Aufgrund der extern geschaffenen Hemmung kann der Ventilantrieb mit einer superreibungsarmen Spindel ausgebildet sein, insbesondere eine Kugelumlaufspindel, sodass der Ventilantrieb beim Verstellen eine hohe Effizienz aufweist und dennoch sichergestellt ist, dass das Ventil in der beabsichtigten Stellung gehalten wird. Die Effizienz des Ventilantriebs ist im Vergleich zu einem Ventilantrieb mit selbsthemmenden Getriebe oder Spindel deutlich höher. Die Ausbildung der Rastbremse als magnetische Rastbremse stellt zudem sicher, dass kein Verschleiß der Rastbremse auftritt, wie dies bei einer mechanischen Rastbremse der Fall wäre. Bei dem Elektromotor kann es sich insbesondere um einen bürstenlosen Elektromotor handeln, da dieser besonders effizient ist, wodurch sich die Effizienz des gesamten Ventilantriebs entsprechend erhöht. Ferner ist hierdurch ein energiesparsamer Ventilantrieb geschaffen.
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Der Stator kann als ein Spulenträger ausgebildet sein, der einen Grundkörper sowie zum Rotor gewandte, vom Grundkörper abstehende Spulenhalteabschnitte umfasst, an denen Spulen vorgesehen sind, insbesondere sechs Spulenhalteabschnitte. Der Stator bildet gleichzeitig ein Gehäuseteil des Elektromotors aus. Der Stator kann ferner aus einem ferromagnetischen oder magnetisierbaren Material bestehen. An dem Gehäuseteil sind die Spulen des bürstenlosen Elektromotors vorgesehen, mit denen ein Drehfeld erzeugt werden kann, welches zur Ansteuerung des Rotors dient. Der Rotor weist typischerweise mehrere Rotormagnete auf, die mit dem erzeugten Drehfeld wechselwirken, beispielsweise acht Rotormagnete. Durch die Ausbildung des Stators als Gehäuseteil ist eine materialsparende sowie einfach herzustellende Ausführung des Elektromotors möglich.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung bildet die Rastbremse, insbesondere der Rastmagnet, mit dem Stator einen Magnetkreis aus. Der Stator wird demnach von der Rastbremse bzw. dem Rastmagneten magnetisiert, sodass der Stator selbst Teil des Magnetkreises ist, der vom Rastmagneten ausgeht.
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Insbesondere ist der Rastmagnet in Bezug auf die Ausbildung und/oder das Material des Stators derart stark, dass der Stator seine Sättigungsmagnetisierung erreicht. Der Rastmagnet erzeugt ein derart starkes Magnetfeld, dass eine hohe Feldliniendichte des Magnetfelds vorliegt. Da der Stator vom Rastmagneten bis zur Sättigungsmagnetisierung magnetisiert ist, können die übrigen Magnetfeldlinien, die nicht zur Sättigung des Stators beitragen, mit dem wenigstens einen Rotormagneten wechselwirken, um den Rotor in seiner Rastposition zu halten. Der Rastmagnet bildet somit im Stator zwei Magnetkreise aus, einen geschlossenen oder gesättigten Magnetkreis (magnetischer Kurzschluss) sowie einen zusätzlichen Magnetkreis, der zur Erzeugung des Rastmoments dient. Aufgrund des starken Magnetfeldes des Rastmagneten tritt somit nicht nur ein magnetischer Kurzschluss auf, welcher beispielsweise auftreten würde, wenn der Rastmagnet zu schwach ist und das Gehäuseteil nicht seine Sättigungsmagnetisierung erreicht. Das vom Rastmagneten ausgehende Magnetfeld richtet die im Material des Stators vorhandenen Elementarmagnete aus, wodurch das vom Rotormagneten ausgehende Magnetfeld im Stator umgelenkt wird. Hierdurch wird das vom Rastmagneten ausgehende Magnetfeld im Stator selbst verstärkt. Dies hat zur Folge, dass im Stator eine höhere magnetische Flussdichte vorliegt als außerhalb des Stators. Die Magnetfeldlinien liegen im Stator somit dichter zusammen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Rastmagnet einer Seitenfläche des Stators zugeordnet ist. Die Seitenflächen sind diejenigen Seiten, durch die sich die Drehachse des Rotors nicht erstreckt. Der Rastmagnet wirkt demnach nicht auf alle vorhandenen Rotormagnete gleichzeitig, sondern nur auf diejenigen, die der Seite zugeordnet sind, deren Seitenfläche der Rastmagnet zugeordnet ist, sodass der Rastmagnet den Rotor hemmt. Befindet sich der Rotor im Stillstand, so erzeugt der Rastmagnet ein Rastmoment auf die Rotormagnete, die der Seite des Gehäuseteils zugeordnet sind, an der der Rastmagnet angeordnet ist, sofern aufgrund des Mediumdrucks ein Öffnungsmoment wirkt. Es kann vorgesehen sein, dass der Stator von einem Gehäuseelement umgeben ist, an dem der Rastmagnet angeordnet ist.
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Ferner kann an der Seite des Stators, deren Seitenfläche der Rastmagnet zugeordnet ist, wenigstens eine Ausnehmung vorgesehen sein, insbesondere derart, dass der Stator einen durchgehenden Schlitz aufweist. Die Ausnehmung ist dabei im Grundkörper des Stators vorgesehen. Über die strukturelle Ausbildung des Stators, also die Ausnehmung oder den Schlitz, kann eingestellt werden, wann der Stator seine Sättigungsmagnetisierung erreicht. Durch das Vorsehen von Ausnehmungen und Schlitzen kann die Sättigungsmagnetisierung des Stators früher erreicht werden, sodass der Rastmagnet entsprechend schwächer ausgebildet werden kann, um das benötigte Rastmoment zu erzeugen. Die mit dem Schlitz einhergehende mechanische Schwächung kann durch ein Lagerschild kompensiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Rastbremse zwei Rastmagnete, die insbesondere an zwei entgegengesetzten Seitenflächen des Stators angeordnet sind. Die einzelnen Rastmagnete können schwächer ausgebildet sein, da das benötigte Rastmoment über die Summe der Rastmagnete und ihrer jeweiligen Stärke bereitgestellt wird. Durch die Anordnung an zwei entgegengesetzten Seiten bzw. Seitenflächen wird ein homogen wirkendes Rastmoment auf den Rotor erzeugt, wenn auf den Rotor ein Öffnungsmoment wirkt.
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Insbesondere kann die Rastbremse wenigstens ein Flussleitelement umfassen, insbesondere wenigstens einen Polschuh. Über das Flussleitelement kann das vom Rastmagneten erzeugte Magnetfeld gezielt umgelenkt werden, sodass dieses in Abhängigkeit von der Ausbildung des Stators und des Rotors optimal mit dem Rotor bzw. dem wenigstens einen Rotormagneten zusammenwirkt, um eine effiziente Rastbremse auszubilden. Der Polschuh ist dabei direkt am Pol des Rastmagneten angeordnet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Rastmagnet als Permanentmagnet ausgebildet ist. Hierdurch steigert sich die Effizienz des Ventilantriebs, da keine zusätzliche Energieversorgung für den Rastmagneten vorgesehen sein muss, wie dies bei einem Elektromagneten der Fall wäre. Insbesondere kann es sich bei dem Permanentmagneten um einen Selten-Erden-Magnet handeln, beispielsweise aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) oder Samariumhaltige Magnete, beispielsweise aus Samarium-Cobalt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Ventil mit einem Ventilantrieb der zuvor beschriebenen Art. Aufgrund des derart ausgebildeten Ventilantriebs ist sichergestellt, dass das Ventil in seiner vorgesehenen Stellung sicher gehalten wird. Das Ventil weist dennoch beim Verstellen eine besonders hohe Effizienz auf.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Ventilantriebs für ein Ventil, das einen Elektromotor und eine magnetische Rastbremse aufweist, bei dem der Elektromotor beim Anfahren derart gesteuert bzw. geregelt wird, dass der Elektromotor ein Magnetfeld erzeugt, insbesondere ein stationäres Magnetfeld, das ein Magnetfeld, insbesondere ein zusätzliches Magnetfeld, der magnetischen Rastbremse schwächt. Hierdurch ergeben sich bessere Laufeigenschaften, da das vom Rastmagneten erzeugte Magnetfeld beim Anfahren geschwächt wird, sodass dieser keine oder nur geringe Drehmomentrippel bzw. Drehmomentschwankungen verursacht. Dies verbessert die Laufeigenschaften des Ventils beim Verstellen, insbesondere beim Anfahren. Beim Anfahren des Elektromotors werden nur diejenigen Spulen des Stators angesteuert, die benötigt werden, um ein stationäres Magnetfeld aufzubauen, das demjenigen des Rastmagneten entgegenwirkt.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ventils,
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2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie X in 1 durch Rotor und Stator eines Elektromotors, der beim erfindungsgemäßen Ventilantrieb gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,
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3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie X in 1 mit einem Ventilantrieb, der einen zu schwachen Rastmagneten aufweist,
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4 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einem Schnitt entlang der Schnittlinie X in 1,
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5 eine dritte Ausführungsform in einem Schnitt entlang der Schnittlinie X in 1,
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6 eine vierte Ausführungsform in einem Schnitt entlang der Schnittlinie X in 1,
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7 in vergrößertem Maßstab ein Detail des Stators aus 2 im Bereich des Rastmagneten,
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8 eine Ansicht entsprechend 7, wobei eine fünfte Ausführungsform gezeigt ist,
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9 Ansicht entsprechend 7, wobei eine sechste Ausführungsform gezeigt ist,
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10 eine siebte Ausführungsform in einem Schnitt entlang der Schnittlinie X in 1,
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11 eine achte Ausführungsform in einem Schnitt entlang der Schnittlinie X in 1,
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12 die in 2 dargestellte Ausführungsform im Betrieb, und
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13 ein Diagramm, in dem das beim Anfahren wirkende Rastmoment auf den Rotor mit und ohne Anfahrtssteuerung vergleichend dargestellt sind.
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1 zeigt ein Ventil 10, das ein Gehäuse 11 aufweist, in dem ein Eingang 12, über den ein Medium in das Ventil 10 strömt, und ein Ausgang 14 vorgesehen sind, über den das Medium das Ventil 10 verlassen kann.
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Das Ventil 10 weist einen Strömungsweg 15 zwischen dem Eingang 12 und dem Ausgang 14 auf, in dem ein Ventilelement 16 vorgesehen ist, das mit einem Ventilsitz 17 zusammenwirken kann, um die Durchflussmenge zu beeinflussen. Das Ventilelement 16 ist in der gezeigten Ausführungsform als ein Dichtkegel ausgebildet.
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Das Ventilelement 16 ist mit einem Ventilantrieb 18 gekoppelt, sodass das Ventilelement 16 vom Ventilantrieb 18 verstellt werden kann, wenn eine andere Durchflussmenge durch das Ventil 10 eingestellt werden soll.
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Der Ventilantrieb 18 umfasst einen Elektromotor 20, der als bürstenloser Elektromotor ausgebildet sein kann, sowie ein Getriebe 22, das das vom Elektromotor 20 erzeugte Drehmoment auf eine Spindel 24 überträgt. Es handelt sich insbesondere um ein Untersetzungsgetriebe.
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Die Spindel 24 ist ferner über eine Gewindemutter 26 sicher gehalten und geführt, die an einem Gehäuse 10 des Ventils 12 angeordnet ist. Die Gewindemutter 26 wirkt mit der Spindel 24 zusammen, um eine Drehbewegung der Spindel 24 in eine axiale Verstellung zu übertragen. Die Spindel 24 geht ab der Gewindemutter 26 in einen zylinderförmigen Stößel 28 über, welcher direkt mit dem Ventilelement 16 gekoppelt ist und ebenfalls Teil des Ventilantriebs 18 ist.
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Demnach wird das vom Elektromotor 20 erzeugte Drehmoment über das Getriebe 22 auf die Spindel 24 übertragen und dann in eine Axialbewegung des Stößels 28 und damit des Ventilelements 16 umgesetzt, um die Durchflussmenge durch das Ventil 10 einzustellen.
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Die Spindel 24 kann mit einer hohen Qualität gefertigt sein, sodass sie besonders reibungsarm ist, wodurch der Ventilantrieb 18 eine hohe Effizienz beim Verstellen des Ventilelements 16 hat. Aufgrund der hohen Qualität weist die Spindel 24 und der gesamte Ventilantrieb 18 keine Selbsthemmung auf.
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Um zu verhindern, dass der Mediumdruck das Ventilelement 16 und somit das gesamte Ventil 10 verstellt, umfasst der Ventilantrieb 18 zusätzlich eine Rastbremse 30, die den Ventilantrieb 18 in einer gewünschten Position hält. Die Rastbremse 30 ist am Elektromotor 20 angeordnet und wirkt mit diesem zusammen, wie anhand der 2 bis 13 beschrieben wird.
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In 2 ist der Ventilantrieb 18 mit der Rastbremse 30 in einer Querschnittsdarstellung dargestellt.
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Wie aus 2 hervorgeht, ist der Elektromotor 20 als bürstenloser Elektromotor ausgebildet, der einen Stator 32 und einen Rotor 34 umfasst, der vom Stator 32 umfangsmäßig zumindest teilweise umgeben ist.
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Der Rotor 34 weist in der gezeigten Ausführungsform acht Rotormagnete 36 auf, die als Permanentmagnete ausgebildet sind. Die Rotormagnete 36 sind dabei in gleichen radialen Abständen um die Drehachse D des Rotors 34 direkt aneinander angrenzend angeordnet. Sie sind dabei jeweils abwechselnd hinsichtlich ihrer Polarität angeordnet. Die Rotormagnete 36 sind zudem derart ausgebildet, dass sich die jeweiligen Magnetachsen aller Rotormagnete 36 in der Drehachse D treffen. Als Magnetachse ist diejenige Achse eines Rotormagnets 36 zu verstehen, die durch beide Pole mittig verläuft. Die Rotormagnete 36 sind dabei am radial äußeren Rand des Rotors 34 angeordnet.
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Die Rotormagnete 36 sind als Permanentmagnete ausgeführt, insbesondere als Seltene-Erden-Magnete.
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Der Stator 32 bildet gleichzeitig ein Gehäuseteil 38 und besteht aus einem magnetisierbaren Material, beispielsweise einem ferromagnetischen Material. Der Stator 32 umfasst einen Grundkörper 40 sowie vom Grundkörper 40 abstehende, zum Rotor 34 gewandte Spulenhalteabschnitte 42. Zwischen den Spulenhalteabschnitte 42 sind jeweils Lufträume ausgebildet, wodurch das Gehäuseteil 38 oder der Stator 32 materialsparend ausgebildet ist.
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In der gezeigten Ausführungsform hat der Stator 32 insgesamt sechs Spulenhalteabschnitte 42, die jeweils eine Spule 44 halten. Die Spulenhalteabschnitte 42 sind in Bezug zur Drehachse D in gleichen Abständen umfangsmäßig verteilt angeordnet, sodass sich immer zwei Spulenhalteabschnitte 42 diametral gegenüberliegen.
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Dies stellt sicher, dass über die Spulen 44 ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt werden kann, das den Rotor 34 antreibt, sodass sich dieser im Betrieb um die Drehachse D dreht.
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Aus 2 geht ferner hervor, dass die magnetische Rastbremse 30 einen Rastmagneten 46 umfasst, der einer Seitenfläche des Stators 32 zugeordnet ist, wobei als Seitenfläche jegliche Fläche zu verstehen ist, durch die sich die Drehachse D des Rotors 34 nicht erstreckt. Dies stellt sicher, dass der Rastmagnet 46 nicht gleichzeitig auf sämtliche am Rotor 34 angeordnete Rastmagnete 36 wirkt, sondern nur auf diejenigen, die der entsprechenden Seitenfläche zugeordnet sind, wie nachfolgend erläutert wird.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die magnetische Rastbremse 30 direkt an der entsprechenden Seite 48 des Stators 32 angeordnet. Dies liegt unter anderem daran, dass der Stator 32 gleichzeitig das Gehäuseteil 38 ausbildet. Würde der Stator 32 beispielsweise von einem weiteren Gehäuseelement ummantelt sein, so kann die Rastbremse 30 auch an dem weiteren Gehäuseelement angeordnet sein, wenn sichergestellt ist, dass sich ein guter Magnetfluss vom Gehäuseelement zum Stator ausbilden kann.
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Da der Stator 32 aus einem magnetisierbaren oder ferromagnetischen Material besteht, werden die vom Rastmagneten 46 ausgehenden Magnetfeldlinien im Stator 32 konzentriert, wodurch im Stator 32 eine stärkere magnetische Flussdichte vorliegt als außerhalb des Stators 32. Typischerweise wird der Rastmagnet 46 über den Stator 32 magnetisch kurzgeschlossen.
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Der Rastmagnet 46 ist derart stark ausgebildet, dass er den Stator 32 bis zu dessen Sättigungsmagnetisierung magnetisiert. Das bedeutet, dass ein magnetischer Kurzschluss oder ein geschlossener Magnetkreis M1 vorliegt (fett dargestellte Magnetfeldlinie), der durch den gesättigten Stator 32 verläuft.
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Da der Stator 32 bereits sättigend magnetisiert ist, existiert aufgrund der hohen Stärke des Rastmagneten 46 zusätzlich zum magnetischen Kurzschluss M1 des Rastmagneten 46 eine weitere Magnetfeldlinienschar, von der nur eine einzelne Magnetfeldlinie gezeigt ist. Diese Magnetfeldlinien bilden einen zusätzlichen Magnetkreis M2 aus.
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Der zusätzliche Magnetkreis M2 verläuft über den Grundkörper 40 des Stators 32 und einen zum Rastmagneten 46 benachbarten Spulenhalteabschnitt 42a. Über den Spulenhalteabschnitt 42a tritt der Magnetkreis M2 aus dem Gehäuseteil 38 aus, um über einen Rotormagnet 36a zu verlaufen, der an dem Spulenhalteabschnitt 42a anliegt. Von dem Rotormagnet 36a verläuft der zusätzliche Magnetkreis M2 weiter zu einem direkt benachbarten Rotormagnet 36b, der hinsichtlich der Polarität entgegengesetzt zum Rotormagneten 36a orientiert ist. Über diesen Rotormagnet 36b verläuft der zusätzliche Magnetkreis M2 wieder vom Rotor 34 zum Stator 32 zurück, da er auf einen anderen Spulenhalteabschnitt 42b übergeht, der am Rotormagneten 36b anliegt und ebenfalls benachbart zum Rastmagneten 46 ist. Von diesem Spulenhalteabschnitt 42b verläuft der zusätzliche Magnetkreis M2 zum Rastmagneten 46 zurück und schließt sich.
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Die Elementarmagnete des magnetisierbaren Stators 32 richten sich aufgrund des externen Magnetfelds des Rastmagneten 46 aus. Das externe Magnetfeld kann ferner auch von den Rotormagneten 36 beeinflusst werden.
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Über diesen zusätzlichen Magnetkreis M2 wird somit eine Haltekraft auf den Rotor 34 ausgeübt, da der Magnetkreis M2 teilweise über den Rotor 34 verläuft und diesen magnetisch mit dem Stator 32 koppelt. Dadurch ist es möglich, dass der Rotor 34 entgegen des Öffnungsmoments des Mediumdrucks in der vorgesehenen Position gehalten wird, da die Haltekraft dann ein Rastmoment erzeugt.
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Ferner umfasst die Rastbremse 30 zumindest ein Flussleitelement 50, das in der gezeigten Ausführungsform direkt am Rastmagneten 46 angeordnet ist, um die vom Rastmagneten 46 ausgehenden Feldlinien gezielt in den Stator 32 umzuleiten. Jeweils ein Flussleitelement 50 ist den beiden Polen des Rastmagneten 46 zugeordnet.
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In 3 ist dieselbe strukturelle Anordnung gezeigt, wobei der Rastmagnet 46 jedoch schwächer ausgebildet ist. Der schwache Rastmagnet 46 kann das Gehäuseteil 38 nicht bis zu dessen Sättigungsmagnetisierung magnetisieren (dünn gezeichnete Magnetfeldlinie), wodurch kein zusätzlicher Magnetkreis entstehen kann, der über den Rotor 34 verläuft. Es liegt somit lediglich ein durch den Stator 32 verlaufender magnetischer Kurzschluss M1 vor. Demnach kann hiermit kein Rastmoment erzeugt werden. 3 stellt daher aufgrund des zu schwachen Rastmagneten 46 keine Ausführungsform der Erfindung dar.
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In den 4 bis 6 sind weitere Ausführungsformen des Ventilantriebs 18 gezeigt, wobei sich die Ausführungsform gemäß 4 von derjenigen gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass der Rastmagnet 46 anders orientiert an der Seite 48 des Stators 32 angeordnet ist.
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Trotz der im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 2 um 90° verdrehten Anordnung des Rastmagneten 46 ist es möglich, dass der Rastmagnet 46 bei einer entsprechend hohen Magnetstärke den Stator 32 vollständig magnetisiert. Dadurch erreicht der Stator 32 seine Sättigungsmagnetisierung, und der zusätzliche Magnetkreis M2 kann sich ausbilden, der hier jedoch nicht eingezeichnet ist. Dies liegt vor allem daran, dass der Stator 32 aus einem magnetisierbaren oder ferromagnetischen Material besteht, das die Magnetfeldlinien des Rastmagneten 46 entsprechend verstärkt.
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Der zusätzliche Magnetkreis M2 fixiert in analoger Weise zur vorherigen Ausführungsform den Rotor 34 in einer vorgesehenen Position.
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Gemäß 5 ist der Rastmagnet 46 an der Seite 48 nicht mittig, sondern seitlich verschoben angeordnet sein. Hierdurch kann die Fixierung des Rotors 34 in der vorgesehenen Stellung feineingestellt werden, da das vom Rastmagnenten 46 ausgehenden Magnetfeld in den benachbarten Spulenhalteabschnitten 42a, 42b nicht gleich groß ist. Dies bewirkt eine unterschiedliche Haltekraft auf den Rotor 34.
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In 6 ist eine weitere Ausführungsform des Ventilantriebs 18 gezeigt, bei der die Rastbremse 30 zwei Rastmagnete 46a, 46b aufweist, die an derselben Seite 48 des Stators 32 angeordnet sind.
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Die beiden Rastmagnete 46 sind dabei bezüglich ihrer Polarität entgegengesetzt zueinander angeordnet, sodass über die beiden Rastmagnete 46 ein Magnetfeld analog zu demjenigen in 2 erzeugt wird. Aufgrund der Ausbildung der Rastbremse 30 mit zwei Rastmagneten 46 können die beiden Rastmagnete 46 jeweils schwächer ausgebildet sein als der Rastmagnet 46 gemäß der Ausführungsform in 2. Dennoch kann aufgrund der höheren Anzahl der Rastmagnete 46 ein gleich großes Rastmoment erreicht werden.
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In den 7 bis 9 ist ein Detail des Stators 32 gezeigt, welches in 2 gestrichelt umrandet ist.
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7 entspricht dabei exakt der Ausführung in 2, bei der der Rastmagnet 46 direkt an der Gehäuseseite 48 vollflächig anliegt.
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In 8 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der der Stator 32 im Bereich des Rastmagneten 46 eine Ausnehmung 52 aufweist, die senkrecht zum Magnetfluss des geschlossenen Magnetkreises M1 ist. Aufgrund dieser Ausnehmung 52 kann der Rastmagnet 46 schwächer ausgebildet sein, da das Gehäuseteil 38 schneller seine Sättigungsmagnetisierung erreicht.
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Die Ausnehmung 52 ist dabei im Grundkörper 40 des Stators 32 vorgesehen und erstreckt sich im gezeigten Ausführungsbeispiel bis ungefähr zur Hälfte der Dicke des Grundkörpers 40. Als Dicke ist hierbei die Materialstärke des Grundkörpers 40 in radialer Richtung in Bezug auf die Drehachse D des Rotors 34 definiert.
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Die benötigte Sättigungsmagnetisierung kann nochmals dadurch vermindert werden, dass die an der Seite 48 vorgesehene Ausnehmung als ein durchgehender Schlitz 54 ausgebildet ist, wie in der Ausführungsform gemäß 9 gezeigt. Der Schlitz 54 erstreckt sich demnach über die gesamte Dicke des Grundkörpers 40, sodass ein Spalt zwischen zwei Grundkörperabschnitten 40a, 40b entsteht, der ebenfalls senkrecht zum Magnetfluss des Magnetkreises M1 ist.
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In dieser Ausführungsform wird der Elektromotor 20, insbesondere der gesamte Stator 32, dadurch stabilisiert, dass nicht dargestellte Lagerschilde den Stator 32 fixierend halten. Dies bedeutet, dass der Stator 32 zwischen den beiden Lagerschilden eingespannt und dadurch stabilisiert ist.
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In den 10 und 11 sind weitere Ausführungsformen des Ventilantriebs 18 gezeigt.
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Bei dem Ventilantrieb 18 gemäß der in 10 gezeigten Ausführungsform sind die Flussleitelemente 50 als Polschuhe 56 ausgebildet, wodurch eine noch stärkere bzw. gerichtete Magnetfeldumleitung des Rastmagneten 46 erfolgen kann.
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Die Polschuhe 56 erstrecken sich in der gezeigten Ausführungsform bis in den Stator 32 hinein, wodurch eine sichere Anordnung der Rastbremse 30 am Stator 32 garantiert ist. Des Weiteren kann hierdurch das vom Rastmagneten 46 ausgehende Magnetfeld direkt auf die benachbarten Spulenhalteabschnitte 42a, 42b gerichtet werden.
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Der Stator 32 gemäß dieser Ausführungsform weist ebenfalls einen Schlitz 54 auf, der den Grundkörper 40 an der Seite 48 teilt, an der der Rastmagnet 46 angeordnet ist.
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11 zeigt eine Ausführungsform des Ventilantriebs 18, bei der die Rastbremse 30 wiederum zwei Rastmagnete 46 umfasst, die an entgegengesetzten Seiten 48, 58 des Stators 32 bzw. deren Seitenflächen angeordnet sind. Die beiden Rastmagnete 46 liegen über entsprechend zugeordnete Flussleitelemente 50a, 50b an den Seiten 48, 58 an.
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Hierdurch kann die Stärke der einzelnen Rastmagnete 46 erneut reduziert werden und dennoch ein im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 2 gleich großes Rastmoment erzeugt werden. Des Weiteren kann aufgrund der Anordnung der Rastmagnete 46 an den entgegengesetzten Seiten 48, 58 ein homogenes Rastmoment erzeugt werden, das auf den Rotor 34 wirkt.
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Das Gehäuseteil 38 weist ferner zwei Schlitze 54a, 54b auf, die an den entsprechenden Seiten 48, 58 vorgesehen sind, sodass die Sättigungsmagnetisierung des Stators 32 reduziert ist. Dadurch können die Rastmagnete 46 noch schwächer ausgebildet werden, um dennoch das erforderliche Rastmoment zu erzeugen.
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In 12 ist die in 2 gezeigte Ausführungsform des Ventilantriebs 18 dargestellt, anhand dessen nachfolgend ein Verfahren zur Steuerung des Ventilantriebs 18 erläutert wird.
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Die Spulen 44 des Stators werden von einer Steuerung derart angefahren, dass zumindest ein stationäres Magnetfeld M3, M4 erzeugt wird, welches dem zusätzlichen Magnetfeld M2 des Rastmagneten 46 entgegenwirkt. Das den Rotor 34 in seiner Rastposition haltende zusätzliche Magnetfeld M2 wird von den beiden stationären Magnetfeldern M3, M4 weitesgehend kompensiert, welche von den Spulen 44 erzeugt werden. Hierdurch werden beim Anfahren des Rotors 34 die Drehmomentrippel verringert, die sich aufgrund der Rastmagnete ergeben, und der Rotor kann gleichmäßig hochfahren (13). Dadurch kann das Ventilelement sehr feinfühlig verstellt werden, da kein oder nur ein geringes Haltemoment überwunden werden muss, das vom Rastmagneten 46 erzeugt wird.
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Zur Erzeugung der beiden stationären Magnetfeldern M3, M4 reicht es aus, wenn lediglich vier Spulen 44a bis 44d angesteuert werden. Bei den vier Spulen 44a bis 44d handelt es sich um diejenigen Spulen 44a, 44b, durch deren zugeordnete Spulenhalteabschnitte 42a, 42b der zusätzliche Magnetkreis M2 verläuft, sowie um die Spulen 44c, 44d, die den erstgenannten Spulen 44a, 44b bezüglich der Rotorachse D diametral gegenüberliegen.
