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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung eines Ventils für ein Fluid, sodass ein geforderter Volumenstrom des Fluids das Ventil durchströmt, wobei das Ventil ein Schließelement und einen Elektromagneten zur Bewegung des Schließelements in eine Öffnungs- und Schließposition aufweist, und wobei eine Durchflussöffnung des Ventils in der Schließposition mittels des Schließelements verschlossen ist und in der Öffnungsposition geöffnet ist, und wobei der Elektromagnet eine Magnetspule und einen mit dem Schließelement gekoppelten Anker aufweist.
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Schaltmagnete zur Betätigung von Ventilen sind bekannt, beispielsweise für hydraulische Wegeventile bzw. Stetigventile, siehe
DE 4244444 A1 .
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Es sind auch Ventilsysteme bekannt, bei denen eine Position eines Schließelements mittels eines damit verbundenen Positionsensors ermittelt wird und hiermit die Position des Schließelements so geregelt wird, dass sich ein geforderter Volumenstrom durch das Ventil einstellt, siehe beispielsweise PQ-Proportionalventile mit integrierter Elektronik der Baureihe D691 der Firma MOOG GmbH.
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Um genaue Fluidströme einstellen zu können ist auch der Einsatz von Proportionalmagneten bekannt. Sogenannte Proportionalwegeventile werden daher üblicherweise mit Proportionalmagneten realisiert.
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Bei Proportionalmagneten wird konstruktiv erreicht, dass die Magnetkraft im Arbeitsbereich des Ventils näherungsweise unabhängig von der Stellposition eines Ventilkolbens bzw. Ankers des Ventils ist. Im Arbeitsbereich ist die Magnetkraft dadurch lediglich von dem zugeführten elektrischen Strom abhängig. Die konstruktiven Eigenarten eines Proportionalmagneten erfordern enge Fertigungstoleranzen, wie auch eng tolerierte magnetische Materialparameter des Magnetkreismaterials, was zu hohen Kosten im Vergleich zu Schaltmagneten führt. Die Positionsunabhängigkeit der Magnetkraft wird dadurch erreicht, dass der Magnetkreis lokal in magnetischer Sättigung des Magnetmaterials betrieben wird, wodurch Proportionalmagnete auch einen relativ schlechten Wirkungsgrad aufweisen.
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Ein weiterer Nachteil von Proportionalmagneten ist, dass eine Überwachung des Ventilverhaltens (Ankerposition bzw. Stellposition des Schließelements oder klemmendes Schließelement) anhand der elektrischen Schnittstellengrößen des Proportionalmagneten wegen der nahezu von einer Ankerposition unabhängigen makroskopischen elektromagnetischen Eigenschaften äußerst schwierig bzw. nicht sicher möglich ist.
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Schaltmagnete sind gegenüber Proportionalmagnete wesentlich effizienter und kostengünstiger, weisen jedoch eine sehr stark ausgeprägte Abhängigkeit der Magnetkraft von der Ankerposition und damit auch der Stellposition des Schließelements auf. Im Detail verfügen diese über eine im Arbeitsbereich nicht-lineare Kraft-Weg-Kennlinie.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Betätigung eines Ventils, sodass ein geforderter Volumenstrom des Fluids das Ventil durchströmt, bereitzustellen sowie ein entsprechendes Ventilsystem und ein Fahrzeuggetriebe mit einem solchen Ventilsystem.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen davon sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Demnach wird ein Verfahren zur Betätigung eines Ventils für ein Fluid, sodass ein geforderter Volumenstrom des Fluids (Volumenstrom = Volumen/Zeit) das Ventil durchströmt, vorgeschlagen. Dabei verfügt das Ventil über genau oder zumindest ein Schließelement und einen Elektromagneten zur Bewegung des Schließelements in eine Öffnungs- und Schließposition, wobei eine Durchflussöffnung des Ventils in der Schließposition mittels des Schließelements verschlossen ist und in der Öffnungsposition geöffnet ist. Die Position des Schließelements wird vorliegend ermittelt und so geregelt, dass sich der geforderter Volumenstrom einstellt. Dabei ist vorgesehen dass der Elektromagnet ein Schaltmagnet ist, also über eine im Arbeitsbereich nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie verfügt, und dass die Position des Schließelements mittels elektrischer Schnittstellengrößen des Elektromagneten ermittelt wird.
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Demnach wir auch ein Ventilsystem vorgeschlagen, mit einem Ventil für ein Fluid, das ein Schließelement und einen Elektromagneten zur Bewegung des Schließelements in eine Öffnungs- und Schließposition aufweist, wobei eine Durchflussöffnung des Ventils in der Schließposition mittels des Schließelements verschlossen ist und in der Öffnungsposition geöffnet ist. Dabei ist ein Positionsermittlungsmittel vorgesehen, mittels dessen eine Position des Schließelements ermittelbar ist, sowie ein Regelmittel, mittels dessen die Position des Schließelements so einregelbar ist, dass ein geforderter Volumenstrom des Fluids das Ventil durchströmt. Hierbei ist zum einen der Elektromagnet ein Schaltmagnet, also weist er eine im Arbeitsbereich nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie auf, und zum anderen ist das Positionsermittlungsmittel dazu ausgeführt, die Position des Schließelements mittels elektrischer Schnittstellengrößen des Elektromagneten zu ermitteln.
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Der Elektromagnet weist insbesondere eine Magnetspule und einen mit dem Schließelement gekoppelten Anker auf. Diese Koppelung kann beispielsweise als direkte mechanische Koppelung ausgeführt sein.
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Die Ermittlung der Position des Schließelements mittels der elektrischen Schnittstellengrößen erfolgt insbesondere dergestalt, dass beispielsweise im Betrieb des Elektromagneten der dessen Magnetspule zugeführte elektrische Strom und/oder elektrische Spannung und/oder dessen zeitlicher Verlauf (Strom- und/oder Spannungsverlauf) und/oder eine Sprungantwort auf einen Strom- oder Spannungsimpuls auf die Magnetspule ermittelt wird und daraus die Position des Schließelements ermittelt wird. Beispielsweise variiert je nach Position des Schließelements und damit des Ankers im Elektromagnet die Impedanz der Magnetspule, so dass sich bei unterschiedlichen Ankerpositionen unterschiedliche elektrische Sprungantworten der Magnetspule auf einen der Magnetspule zugeführten (kurzen) Strom- oder Spannungsimpuls ergeben. Beispielsweise ergibt sich so ankerpositionsabhängig ein charakteristischer zeitlicher Stromverlauf als Antwort auf den Impuls. Diese Antwort wird also beobachtet und einer jeweiligen Ankerposition zugeordnet, beispielsweise durch Abgleich mit bekannten Sprungantworten, zu denen die jeweilige Ankerposition bekannt ist.
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Somit wird auf einen dedizierten Positionssensor für den Anker oder das Schließelement, wie beispielweise einen Näherungssensor, etc. verzichtet. Ebenso wird auf einen Proportionalmagneten verzichtet. Es ergeben sich hieraus Vorteile:
- • Schaltmagnete sind günstiger zu fertigen als Proportionalmagnete und besitzen bei gleichem Bauraum und Gewicht ein höheres Arbeitsvermögen. Hierdurch kann das Ventil bei gleicher hydraulischer Leistung entweder kleiner, leichter und günstiger gefertigt werden oder das Ventil mit gleich großem Magneten kann größere hydraulische Leistungen stellen.
- • Durch die Parameterwahl der Positionsregelung des Schließelements können die dynamischen Eigenschaften des Ventils durch Anpassung der Reglerparameter in weiten Bereichen verstellt werden, wodurch eine einfache Anpassung des Ventils an verschiedene Zielanwendungen ohne konstruktive Änderungen möglich wird.
- • Letzteres ermöglicht insbesondere auch eine effektive Unterdrückung von Schwingungen.
- • Ebenso ermöglicht die Positionsregelung die automatische Adaption von Fertigungsschwankungen, beispielsweise der Feder- oder Magnetkennlinien oder Position der Steuerkanten am Schließelement und/oder der Durchflussöffnung.
- • Die Ermittlung der Schließelementposition ermöglicht die Integration weiterführender Diagnosefunktionen in das Ventil bzw. Ventilsystem, beispielsweise die Erkennung eines durch Verschmutzung des Ventils schwergängigen oder gar klemmenden Schließelements oder ein Verschleiß der Steuerkanten am Schließelement und/oder der Durchflussöffnung.
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Das Ventil weist insbesondere neben dem Schaltmagneten zur Erzeugung einer Hinbewegung des Schließelements eine Federeinrichtung zur Erzeugung einer entgegengerichteten Rückbewegung des Schließelements auf, d. h. eine von dem Schaltmagneten erzeugte Magnetkraft wirkt dann gegen eine Federkraft der Federeinrichtung. Bei hohen Anforderungen an die Ventildynamik kann aber auch ein zweiter Elektromagnet zur Rückstellung des Schließelements eingesetzt werden, wie beispielsweise ein zweiter, gegenwirkender Schaltmagnet.
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Bei dem Schließelement des Ventils handelt es sich bevorzugt um einen Ventilschieber. Dann ist das Ventil als Schieberventil (Längsschieber- oder Drehschieberventil) ausgeführt. Grundsätzlich kann es jedoch auch als Sitzventil ausgeführt sein, dann ist das Schließelement entsprechend ausgeführt, insbesondere als Kugel, Zylinder oder Konus oder als Teil eines solchen, beispielsweise als Halbkugel etc. Vorzugsweise ist das Ventil ein 2/2-Stetig-Wegeventil oder ein 3/2-Stetig-Wegeventil.
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Vorzugsweise wird ein elektrischer Widerstand bzw. Leitwert der Magnetspule im Betrieb des Ventils ermittelt und daraus die Temperatur der Magnetspule, bzw. es ist ein Widerstandsermittlungsmittel vorgesehen, welche dies leistet/leisten kann. Die Temperaturermittlung erfolgt vorzugsweise durch Auswertung der oben genannten elektrischen Schnittstellengrößen der Magnetspule, insbesondere unter Ermittlung der zugeführten Joule'schen Heizleistung (Produkt aus elektrischer Spannung und elektrischem Strom).
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Vorzugsweise erfolgt die Regelung der Position des Schließelements und somit die Einstellung des Volumenstroms zum Arbeitsanschluss auf Basis der Bewegungsgleichung:
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Dabei repräsentieren:
- m = eine vom Elektromagneten beschleunigte Masse zur Bewegung des Schließelements,
- x = Stellposition des Schließelements innerhalb seines Bewegungsspielraums in der Ventilvorrichtung,
- i = dem Elektromagneten zugeführter elektrischer Strom,
- = Beschleunigung des Schließelements,
- dx / dt = Geschwindigkeit des Schließelements,
- ϑ = Temperatur des Fluids,
- fctrl(x, i) = auf das Schließelement wirkende stellpositions- und stellgrößenabhängige Kraft (beispielsweise Summe aus einer Magnet- und Federkraft),
- fr( dx / dt , ϑ) = auf das Schließelement wirkende geschwindigkeits- und temperaturabhängige Reibungskraft.
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Entsprechendes gilt für eine Ventilvorrichtung mit rotatorisch bewegtem Schließelement, wie beispielsweise bei einem Drehschieberventil. Hier treten gegebenenfalls in der oben angegebenen Bewegungsgleichung die Kräfte als Drehmomente am Schließelement in Erscheinung und die Stellposition des Schließelements wird durch den Drehwinkel gebildet. Des Weiteren wird die Schließelementgeschwindigkeit durch eine Winkelgeschwindigkeit des Schließelements und die Schließelementbeschleunigung durch eine Winkelbeschleunigung des Schließelements gebildet.
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Bei der vom Schaltmagneten beschleunigten Masse m zur Bewegung des Schließelements handelt es sich beispielsweise um die Summe der Massen des Ankers und des Schließelements sowie, sofern vorhanden, daran befestigte bzw. mitbewegte Teile des Ventils.
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Bei dem elektrischen Strom handelt es sich insbesondere um einen durch die Magnetspule des Schaltmagneten geführten elektrischen Strom zur Erzeugung einer Magnetkraft auf den Anker und damit auf das Schließelement.
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Die von der Kolbengeschwindigkeit dx / dt und der Fluidtemperatur ϑ abhängige Funktion fr berücksichtigt die auf das Schließelement wirkende Reibung innerhalb des Ventils während es eine Stellbewegung durchführt. Darin enthalten ist somit nicht nur die Reibung am Schließelement selbst, sondern auch noch von anderen möglichweise vorhandenen Reibungsstellen in dem Ventil, beispielsweise an einer Führung für den Anker. Die Berücksichtigung der Fluidtemperatur ϑ trägt insbesondere einer üblicherweise stark temperaturabhängigen Fluidviskosität Rechnung.
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Die Fluidtemperatur ϑ wird in fluidischen Systemen häufig bereits messtechnisch erfasst, beispielsweise zur Realisierung von Schutzfunktionen wie etwa einer Abschaltung bei Übertemperatur. In diesem Fall kann das ohnehin vorhandene Temperatursignal zur Berücksichtigung in fr zugeführt werden. Alternativ kann, wie oben bereits erwähnt, die Fluidtemperatur aus den elektrischen Schnittstellengrößen des Ventils bzw. der Magnetspule ermittelt werden.
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Sofern die Temperaturabhängigkeit der Reibkraft im relevanten Arbeitsbereich des Ventils hinreichend klein im Vergleich zu den übrigen Kräften und Scheinkräften in der oben angegebenen Bewegungsgleichung ist oder die Anforderungen an die dynamische Regelgenauigkeit nicht zu hoch sind, kann auf die Messung bzw. Schätzung der Fluidtemperatur im Betrieb auch verzichtet werden. In diesem Fall bleibt bei der Berechnung der Reibkraft in der Bewegungsgleichung die Temperaturabhängigkeit unberücksichtigt, d. h., die Reibung wird in der Bewegungsgleichung lediglich als Summand fr( dx / dt) berücksichtigt.
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Insbesondere die Zusammenhänge fctrl, fr sowie die beschleunigte Masse m können aus der Ventilgeometrie sowie den Eigenschaften der verwendeten Komponenten (beispielsweise Federsteifigkeiten, Dichte und Viskosität des Fluids) selbst und/oder anhand von Versuchsreihen an einzelnen Exemplaren der Ventilvorrichtung repräsentativ für die gesamte Baureihe ermittelt und als bekannt vorausgesetzt werden.
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Die Fluidtemperatur ϑ kann als (eventuell zeitlich veränderlicher, aber wie eben beschrieben) bekannter Parameter der Bewegungsgleichung angenommen werden oder, sofern die Temperaturabhängigkeit der Reibkraft von untergeordneter Bedeutung für die Ventildynamik ist, wie zuvor beschrieben in der Berechnung der Reibkraft vernachlässigt werden. Die Bewegungsgleichung ist daher differentiell flach mit dem flachen Ausgang x. Daher kann mit üblichen regelungstechnischen Verfahren ein Regler für die Position x des Schließelements basierend auf der Bewegungsgleichung verwendet werden, beispielsweise ein flachheitsbasierter Trajektorienfolgeregler mit Beobachter für die Schließelementgeschwindigkeit dx / dt .
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Der Regler für die Position des Schließelements kann mit einem Integralanteil versehen sein oder einen Beobachter zur Rekonstruktion und Kompensation von Störkräften und Modellunbestimmtheiten, die nicht explizit in der Bewegungsgleichung berücksichtigt wurden, umfassen. Hierdurch werden beispielsweise druck- und positionsabhängige Impulskräfte des Fluids beim Durchströmen des Ventils nahezu ausgeglichen und somit auch bei großen Massen- bzw. Volumenströmen eine hohe Regelgenauigkeit erreicht.
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Die Dynamik des geschlossenen Regelkreises kann in weiten Stücken variiert werden, so dass eine einfache Anpassung an verschiedenste hydraulische Lasten/Verbraucher möglich ist. Beispielsweise kann bei schwach gedämpften schwingfähigen hydraulischen Lasten/Verbraucher dafür gesorgt werden, dass kritische Frequenzen unterdrückt oder lediglich schwach angeregt werden. Hierzu können im Regelkreis auch Modellannahmen des hydraulischen Verbrauchers bzw. der hydraulischen Last genutzt werden.
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Insbesondere können Reglerparameter und eine Reglerstruktur während des Betriebs verändert werden, um beispielsweise arbeitspunktabhängige Eigendynamiken der hydraulischen Last bzw. des hydraulischen Verbrauchers gerecht zu werden. Beispielsweise können berücksichtigt werden:
- • eine arbeitspunktabhängig variierende Fluidsteifigkeit, hervorgerufen durch eine nicht zu vernachlässigende Menge im Fluid enthaltener, nicht gelöster Luft oder eines anderen Gases, und/oder
- • eine sich nahezu diskontinuierlich ändernde Steifigkeit des hydraulischen Verbrauchers/Last bei Erreichen eines mechanischen Endanschlags (etwa beim Komprimieren einer federvorgespannten Reibkupplung oder -bremse), und/oder
- • eine temperaturabhängige Dämpfung infolge einer variierenden Fluidviskosität.
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Hierzu können im Regelkreis auch entsprechende Kennlinien oder Kennfelder, die die Dynamik des hydraulischen Verbrauchers/der hydraulischen Last beschreiben, hinterlegt sein, oder es können die arbeitspunktabhängigen Reglerparameter in Form von Kennlinien oder Kennfeldern hinterlegt sein.
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Bei der Ventilvorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Hydraulikventilvorrichtung. Insbesondere wird diese zur Ansteuerung hydraulischer Motoren oder Linear- bzw. Schwenkzylindern und hierbei insbesondere in einem Fahrzeuggetriebe eingesetzt, beispielsweise zum Positionieren einer Schaltmuffe. Es wird daher auch ein Fahrzeuggetriebe vorgeschlagen, das über das erläuterte Ventilsystem verfügt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert, aus welcher weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung entnehmbar sind. Die Figur zeigt ein Ventilsystem.
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Das Ventilsystem verfügt beispielhaft über ein 2/2-Stetig-Wegeventil 1. Das Ventil 1 kann auch andersartig ausgeführt sein, beispielsweise als 3/2-Stetig-Wegeventil. Das Ventil 1 dient zum wahlweise Sperren oder Öffnen eines Fluiddurchflusses. Hierzu verfügt das Ventil 1 über ein Schließelement 2, das vorliegend beispielhaft als Ventilschieber ausgeführt ist. Das Schließelement 2 kann in eine Öffnungsposition und in eine Schließposition bewegt werden. Eine Durchflussöffnung des Ventils 1 ist in der Schließposition mittels des Schließelements 2 verschlossen, und in der Öffnungsposition ist die Durchflussöffnung geöffnet.
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Zur Bewegung des Schließelements 2 ist ein Elektromagnet 3 vorgesehen. Dieser ist vorliegend als Schaltmagnet ausgeführt. Der Elektromagnet 3 weist eine Magnetspule und einen mit dem Schließelement 2 gekoppelten Anker auf. Der Elektromagnet 3 arbeitet vorzugsweise gegen eine Federeinrichtung 4 (Rückstellfeder). Einer vom Elektromagnet 3 auf das Schließelement 2 ausgeübten Magnetkraft FM wirkt somit eine durch die Federeinrichtung 4 auf das Schließelement 2 ausgeübte Federkraft FF entgegen. Hinzu kommen dynamische Kräfte, wie eine resultierende Reibkraft FR, bedingt durch die Reibung in dem Ventil 1 während einer Bewegung des Schließelements 2, sowie eine resultierende Massenkraft Fm in dem Ventil 1 bei einer Beschleunigung des Schließelements 2, bedingt durch die dabei beschleunigte Masse.
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Vorzugsweise ist auch das Ventil 1 so ausgeführt, dass eine Rückwirkung des ausgangsseitigen Druckes PA (A = Arbeitsanschluss) und/oder des eingangsseitigen Druckes PP (P = Pumpenanschluss/ Versorgungsanschluss) auf das Schließelement 2 vernachlässigbar klein ist.
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Vorliegend ist das Ventil 1 normally-closed ausgeführt. D. h. bei keiner elektrischen Bestromung des Elektromagneten 3 und damit keiner Auslenkung des Schließelements 2 ist das Ventil 1 maximal geschlossen. Das Druckniveau am Arbeitsanschluss A entspricht also dem Druckniveau an der daran angeschlossenen Vorrichtung, wie beispielsweise einem Hydraulikmotor oder einem Hydraulikkolben. Eine elektrische Bestromung des Elektromagneten 3 bewirkt also ein Öffnen des Ventils 1.
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Das Ventil 1 kann allerdings auch normally-opened ausgeführt sein. D. h. die Komponenten 1, 2, 3, 4 sind so angeordnet, dass bei keiner elektrischen Bestromung des Elektromagneten 3 und damit keiner Auslenkung des Schließelements 2 das Ventil 1 maximal geöffnet ist. Das Druckniveau am Arbeitsanschluss A entspricht dann also dem Druckniveau am Versorgungsanschluss P. Eine elektrische Bestromung des Elektromagneten 3 bewirkt also ein Schließen des Ventils 1.
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Neben dem Ventil 1 verfügt das Ventilsystem noch über ein Steuergerät 5, durch welches die elektrische Ansteuerung des Ventils 1, im Detail die elektrische Bestromung des Elektromagneten 3, erfolgt. D. h. das Steuergerät versorgt den Elektromagneten 3 mit elektrischer Energie (elektrische Spannung U, elektrischer Strom i), um das Ventil im Öffnungs- bzw. Schließsinne zu betätigen. Bei elektrischer Bestromung des Elektromagneten 3 erzeugt die darin enthaltene Magnetspule in bekannter Art ein Magnetfeld, welches die Magnetkraft FM in dem darin enthaltenen Anker bewirkt. Dieser überträgt die Magnetkraft FM auf das Schließelement 2, insbesondere durch eine direkte mechanische Koppelung.
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Das Steuergerät 5 verfügt über ein Positionsermittlungsmittel. Dieses ermittelt aus den elektrischen Schnittstellengrößen des Elektromagneten 3, also insbesondere aus der zugeführten Spannung U und/oder des Stroms i und/oder deren jeweiligen zeitlichen Verläufen, die Position des Ankers bzw. des Schließelements 2.
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Das Steuergerät 5 verfügt darüber hinaus über ein Regelmittel. Dieses regelt die Position des Ankers bzw. Schließelements 2 so ein, dass ein geforderter Volumenstrom von Fluid die Durchflussöffnung des Ventils 1 durchströmt. Der geforderte Volumenstrom wird dem Steuergerät 5 insbesondere von außen zugeführt, beispielsweise von einem Benutzer des Ventilsystems oder von einem hierarchisch übergeordneten Steuergerät etc. Das Regelmittel führt insbesondere einen Abgleich zwischen einer Soll-Position und einer Ist-Position des Schließelements 2 durch und minimiert durch eine entsprechende Bestromung des Elektromagneten 3 die Differenz zwischen der Soll- und Ist-Position, beispielsweise indem der elektrische Strom i entsprechend erhöht oder abgesenkt wird oder eine Pulsweitenmodulation des Stromes i bzw. der Spannung U angepasst wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Schließelement
- 3
- Schaltmagnet
- 4
- Federeinrichtung
- 5
- Steuergerät
- A
- Arbeitsanschluss
- FX
- Kraft, mit X = M, F, R, m
- i
- elektrischer Strom
- U
- elektrische Spannung
- P
- Versorgungsanschluss
- PP
- Druck am Versorgungsanschluss
- PA
- Druck am Arbeitsanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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