DE102017008550A1

DE102017008550A1 - Elektromagnet und damit betätigtes Ventil sowie Verfahren zum Betrieb des Ventils

Info

Publication number: DE102017008550A1
Application number: DE102017008550.1A
Authority: DE
Inventors: Paul Roßmann; Martin Petzold
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Aufgabe: Ein Elektromagnet mit Heizwirkung für das Arbeitsfluid und den im Ventil zu steuernden fluidischen Widerstand ist so zu verbessern, dass er eine hohe und gut steuerbare Heizleistung aufweist.Lösung: Die Magnetspule (2) des Elektromagneten (1) enthält zwei elektrisch miteinander durch eine elektrische Verbindung (9) verbundene Wicklungen (7, 8), die von einer elektrischen Ansteuerung (10) mindestens zeitweise in unterschiedlicher Arbeitsweise durch mindestens zwei elektrische Leitungen (17, 18) mit einer elektrischen Spannung und mit elektrischen Strömen versorgt werden, wobei die erste Wicklung (7) eine geringere Windungszahl aufweist als die zweite Wicklung (8).Anwendung: Elektromagnete der beschriebenen Art werden zur Betätigung von Ventilen und Dosiereinrichtungen verwendet

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs, ein damit betätigtes Ventil und mehrere Verfahren zum Betrieb des Elektromagneten und des Ventils.
Stand der Technik:
Elektromagnete zur Betätigung von Ventilen sind bekannt. Aus den Druckschriften WO 2012/022423A1 , DE19721549A1 , US4306704 und DE10059348A1 ist es auch bekannt, die Magnetspulen der Elektromagnete zum Aufheizen des Arbeitsfluids zu verwenden.
Da die Magnetspulen der bekannten Elektromagnete vorrangig für die Betätigung der Ventile ausgelegt sind, weisen sie nur eine geringe Heizleistung auf.
Aufgabe:
Ein Elektromagnet mit Heizwirkung für das Arbeitsfluid und den im Ventil zu steuernden fluidischen Widerstand ist so zu verbessern, dass er eine hohe und gut steuerbare Heizleistung aufweist.
Lösung:
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Elektromagnet besteht mindestens aus einer Magnetspule, einem Magnetanker, einem Magnetpol, einem Joch und einem Magnetrückschluss. Die Magnetspule enthält zwei elektrisch miteinander verbundene Wicklungen, die von einer elektrischen Ansteuerung mindestens zeitweise in unterschiedlicher Arbeitsweise durch mindestens zwei elektrische Leitungen mit einer elektrischen Spannung und mit elektrischen Strömen versorgt werden. Die unterschiedlichen Arbeitsweisen bewirken vorzugsweise

- ein Aufheizen mittels mindestens einer Magnetspule und
- einen vollständiger Arbeitshub des Magnetankers,

- parallel bestromt werden
- in Serie bestromt werden
- oder es wird nur eine der Wicklungen bestromt.

Erfindungsgemäß weist die erste Wicklung eine geringere Windungszahl auf als die zweite Wicklung.
In einer ersten Ausführung ist die Verbindung zwischen einem zweiten Spulenanschluss der ersten Wicklung und einem ersten Spulenanschluss der zweiten Wicklung der Magnetspule durch eine dritte elektrische Leitung herausgeführt und mit der elektrischen Ansteuerung verbunden.
In einer zweiten Ausführung ist die elektrische Verbindung zwischen den beiden Wicklungen aus der Magnetspule nicht leitungsmäßig elektrisch herausgeführt, sondern mittels einer von einem zweiten Spulenanschluss der zweiten Wicklung zu der genannten Verbindung führenden Diode verbunden, wobei die Diode den elektrischen Strom von dem zweiten Spulenanschluss zu der Verbindung leitet.
Ein Ventil wird von einem Elektromagneten der oben beschriebenen Art betätigt. Dabei gibt die Magnetspule ihre Verlustwärme bei einer Bestromung durch die elektrische Ansteuerung zu einem erheblichen Anteil an einen von dem Magnetanker durch seine Bewegung gegen die Kraft einer Feder gesteuerten fluidischen Widerstand ab, weil die Magnetspule nahe dem Widerstand angeordnet ist, oder weil mindestens ein wärmeleitender Körper die Verlustwärme der Magnetspule zu dem fluidischen Widerstand leitet.
Im Betrieb des Elektromagneten der ersten Ausführung wird durch die elektrische Ansteuerung zwischen einer Aufheizphase und einer Arbeitsphase unterschieden. Dabei wird in der Aufheizphase nur die erste Wicklung über die erste und die dritte Leitung mit Spannung versorgt, und in der Arbeitsphase liegt die Spannung über die erste und die zweite Leitung an beiden Wicklungen in Reihenschaltung an.
Im Betrieb des Ventils mit einem Elektromagneten der ersten Ausführung reicht in der Aufheizphase der Magnetfluss der ersten Wicklung nicht aus, um den Magnetanker gegen die Kraft der Feder soweit zu bewegen, dass er den fluidischen Widerstand vollständig verstellt, wobei die erste Wicklung mit einer verminderten Spannung bestromt wird und wobei die zweite Wicklung nicht wirksam ist.
Alternativ zu der beschriebenen Verminderung der Spannung können die Wicklungen mit einem geregelten Strom beaufschlagt werden, dann wird der Strom in der Aufheizphase durch die Regelung begrenzt.
Im Betrieb der elektrische Ansteuerung des Elektromagneten in der ersten Ausführung wird in einer anderen vorteilhaften Weise zwischen einer Aufheizphase und einer Arbeitsphase unterschieden, indem in der Aufheizphase die beiden Wicklungen mit Spannung versorgt werden, die erste Wicklung mit einer gewählten Spannung zwischen dem zweiten Spulenanschluss und dem ersten Spulenanschluss über die dritte und die erste Leitung, und die zweite Wicklung mit derselben Spannung zwischen einem ersten Spulenanschluss und dem zweiten Spulenanschluss über die dritte Leitung und die zweite Leitung.
Dabei heben sich die magnetischen Wirkungen der beiden Wicklungen mindestens teilweise auf.
In der Arbeitsphase dagegen liegt die Spannung an beiden Wicklungen in Reihenschaltung an, also zwischen dem ersten Spulenanschluss der ersten Wicklung und dem zweiten Spulenanschluss der zweiten Wicklung, versorgt von der ersten Leitung und der zweiten Leitung. Bei dieser Beschaltung addieren sich die magnetischen Wirkungen der beiden Wicklungen.
Im Betrieb des Elektromagneten in der zweiten Ausführung (mit Diode) wird ebenfalls durch die elektrische Ansteuerung zwischen einer Aufheizphase und einer Arbeitsphase unterschieden.
Dabei werden in beiden Phasen beide Wicklungen in Reihenschaltung über die erste Leitung und die zweite Leitung mit einer Betriebsspannung versorgt.
Allerdings geschieht dies in der Aufheizphase mit einer negativen Spannung von dem ersten Spulenanschluss der ersten Wicklung zu dem zweiten Spulenanschluss der zweiten Wicklung, so dass die Diode die zweite Wicklung kurzschließt.
In der Arbeitsphase geschieht dies mit einer positiven Spannung von dem ersten Spulenanschluss der ersten Wicklung zu dem zweiten Spulenanschluss der zweiten Wicklung, so dass die Diode einen kurzschließenden Stromfluss sperrt und damit die zweite Wicklung sowohl als magnetflusserzeugende Vorrichtung als auch als elektrischer Widerstand wirksam ist.
Im Betrieb eines Ventils mit einem Elektromagneten in der ersten Ausführung mit Strombegrenzung reicht in der Aufheizphase der Magnetfluss der ersten Wicklung nicht aus, um den Magnetanker gegen die Kraft der Feder soweit zu bewegen, dass er den fluidischen Widerstand vollständig verstellt, weil die erste Wicklung mit einer verminderten Spannung bestromt wird und nur die erste Wicklung wirksam ist.
Im Betrieb eines Ventils mit einem Elektromagneten in der ersten Ausführung mit geregeltem Strom reicht in der Aufheizphase der Magnetfluss der ersten Wicklung nicht aus, um den Magnetanker gegen die Kraft der Feder soweit zu bewegen, dass er den fluidischen Widerstand vollständig verstellt, weil die erste Wicklung mit einem geregelten Strom bestromt wird und nur die erste Wicklung wirksam ist
Im Betrieb eines Ventils mit einem Elektromagneten in der ersten Ausführung mit umgekehrter Parallelschaltung der Wicklungen reicht in der genannten Aufheizphase der Magnetfluss der beiden Wicklungen nicht aus, um den Magnetanker gegen die Kraft der Feder soweit zu bewegen, dass er den fluidischen Widerstand vollständig verstellt, weil die magnetischen Wirkungen der beiden Wicklungen sich mindestens teilweise gegenseitig aufheben.
Die unterschiedlichen Ausführungen der beschriebenen Elektromagnete können nicht nur zur Betätigung von Ventilen, sondern auch zur Betätigung anderer Vorrichtungen eingesetzt werden, wenn es vorteilhaft ist, vor der Betätigung den Elektromagneten und mit dem Elektromagneten in Kontakt stehende Bauteile vor der Ausführung von Bewegungen aufzuheizen.
Anwendung:
Elektromagnete der beschriebenen Art werden zur Betätigung von Ventilen und Dosiereinrichtungen verwendet.
Bilder und beispielhafte Ausführung:
Der erfindungsgemäße Elektromagnet (1) weist eine Magnetspule (2) auf, die entsprechend 1 zwei elektrisch miteinander durch eine elektrische Verbindung (9) verbundene Wicklungen (7, 8) enthält, die über mindestens zwei elektrische Leitungen mit einer elektrischen Spannung und mit elektrischen Strömen versorgt werden.
Erfindungsgemäß weist die erste Wicklung (7) eine geringere Windungszahl auf als die zweite Wicklung (8).
In einer ersten Ausführung gemäß 1 ist die Verbindung (9) zwischen einem zweiten Spulenanschluss (14) der ersten Wicklung (7) und einem ersten Spulenanschlussaus (15) der zweiten Wicklung der Magnetspule (2) durch eine dritte elektrische Leitung (11) herausgeführt.
In einer zweiten Ausführung gemäß 2 ist die Verbindung (9) zwischen den beiden Wicklungen (7, 8) aus der Magnetspule (2) nicht leitungsmäßig elektrisch herausgeführt, sondern mittels einer von einem zweiten Spulenanschluss (16) der zweiten Wicklung (8) zu der Verbindung (9) führenden Diode (12) verbunden, wobei die Diode (12) den elektrischen Strom von dem zweiten Spulenanschluss (16) der zweiten Wicklung (8) zu der Verbindung (9) leitet.
Die Bilder 3, 4 und 5 zeigen den Elektromagneten (1) mit der Magnetspule (2), dem Magnetanker (3), dem Magnetpol (4), dem Joch (5) und dem Magnetrückschluss (6). Die Magnetspule (2) enthält zwei Wicklungen (7, 8), die mindestens von zwei elektrischen Leitungen (17, 18) mit einer elektrischen Ansteuerung (10) verbunden sind. Die Verbindung (9) verbindet die beiden Wicklungen (7, 8).
Die Ausführung des Elektromagneten (1) gemäß 3 zeigt eine Anordnung der Wicklungen (7, 8), bei der die erste Wicklung (7) von der zweiten Wicklung (8) umfasst wird. Der erste Spulenanschluss (13) der ersten Wicklung (7) ist dabei mit der ersten Leitung (17) verbunden, und der zweite Spulenanschluss (14) der ersten Wicklung (7) ist mit der dritten elektrischen Leitung (11) verbunden.
Die Ausführung gemäß 4 zeigt eine Anordnung der Wicklungen (7, 8), bei der sich die erste Wicklung (7) neben der zweiten Wicklung (8) befindet.
Die Ausführung gemäß 5 zeigt eine Diode (12), die den elektrischen Strom von der zweiten elektrischen Leitung (18) zu der Verbindung (9) leitet. Dabei ist die zweite elektrische Leitung (18) mit dem zweiten Spulenanschluss (16) der zweiten Wicklung (8) verbunden, und die Verbindung (9) ist mit dem ersten Spulenanschluss (15) der zweiten Wicklung (8) verbunden. In dieser Ausführung entfällt die dritte elektrische Leitung (11).
Das Bild 6 zeigt das Ventil (20), das von dem Elektromagneten (1) betätigt wird. Dabei gibt die Magnetspule (2) ihre Verlustwärme bei einer Bestromung durch die elektrische Ansteuerung (10) zu einem erheblichen Anteil an einen von dem Magnetanker (3) durch seine Bewegung gegen die Kraft einer Feder (23) gesteuerten fluidischen Widerstand (21) ab, weil die Magnetspule (2) nahe dem Widerstand (21) angeordnet ist und weil ein wärmeleitender Körper (22) die Verlustwärme der Magnetspule zu dem fluidischen Widerstand (21) leitet.
Bezugszeichenliste

1.: Elektromagnet
2.: Magnetspule
3.: Magnetanker
4.: Magnetpol
5.: Joch
6.: Magnetrückschluss
7.: Erste Wicklung
8.: Zweite Wicklung
9.: Verbindung
10.: Elektrische Ansteuerung
11.: Elektrische Leitung
12.: Diode
13.: Erster Spulenanschluss
14.: Zweiter Spulenanschluss
15.: Erster Spulenanschluss
16.: Zweiter Spulenanschluss
17.: Elektrische Leitung
18.: Elektrische Leitung
19.: Ventil
20.: Fluidischer Widerstand
21.: Wärmeleitender Körper
22.: Feder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/022423 A1 [0002]
DE 19721549 A1 [0002]
US 4306704 [0002]
DE 10059348 A1 [0002]

Claims

Elektromagnet (1), mindestens bestehend aus einer Magnetspule (2), einem Magnetanker (3), einem Magnetpol (4), einem Joch (5) und einem Magnetrückschluss (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (2) zwei elektrisch miteinander durch eine elektrische Verbindung (9) verbundene Wicklungen (7, 8) enthält, die von einer elektrischen Ansteuerung (10) mindestens zeitweise in unterschiedlicher Arbeitsweise durch mindestens zwei elektrische Leitungen (17, 18) mit einer elektrischen Spannung und mit elektrischen Strömen versorgt werden, wobei die erste Wicklung (7) eine geringere Windungszahl aufweist als die zweite Wicklung (8).
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (9) zwischen einem zweiten Spulenanschluss (14) der ersten Wicklung (7) und einem ersten Spulenanschlussaus (15) der zweiten Wicklung der Magnetspule (2) durch eine dritte elektrische Leitung (11) herausgeführt und mit der elektrischen Ansteuerung (10) verbunden ist.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (9) zwischen den beiden Wicklungen (7, 8) aus der Magnetspule (2) nicht leitungsmäßig elektrisch herausgeführt ist, sondern mittels einer von einem zweiten Spulenanschluss (16) der zweiten Wicklung zu der Verbindung (9) führenden Diode (12) verbunden ist, wobei die Diode (12) den elektrischen Strom von dem zweiten Spulenanschluss (16) zu der Verbindung (9) leitet.
Ventil (20), das von dem Elektromagneten (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (2) ihre Verlustwärme bei einer Bestromung durch die elektrische Ansteuerung (10) zu einem erheblichen Anteil an einen von dem Magnetanker (3) durch seine Bewegung gegen die Kraft einer Feder (23) gesteuerten fluidischen Widerstand (21) abgibt, weil die Magnetspule (2) nahe dem Widerstand (21) angeordnet ist, oder weil mindestens ein wärmeleitender Körper (22) die Verlustwärme der Magnetspule zu dem fluidischen Widerstand (21) leitet.
Verfahren zum Betrieb des Elektromagneten (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb durch die elektrische Ansteuerung (10) zwischen einer Aufheizphase und einer Arbeitsphase unterschieden wird, wobei in der Aufheizphase nur die erste Wicklung (7) über die erste und die dritte Leitung (17, 11) mit Spannung versorgt wird, und wobei in der Arbeitsphase die Spannung über die erste und die zweite Leitung (17, 18) an beiden Wicklungen (7, 8) in Reihenschaltung anliegt.
Verfahren zum Betrieb eines Ventils (20) nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufheizphase der Magnetfluss der ersten Wicklung (7) nicht ausreicht, um den Magnetanker (3) gegen die Kraft der Feder (23) soweit zu bewegen, dass er den fluidischen Widerstand (21) vollständig verstellt, wobei die erste Wicklung (7) mit einer verminderten Spannung bestromt wird und wobei die zweite Wicklung (8) nicht wirksam ist.
Verfahren zum Betrieb eines Ventils (20) nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufheizphase der Magnetfluss der ersten Wicklung (7) nicht ausreicht, um den Magnetanker (3) gegen die Kraft der Feder (23) soweit zu bewegen, dass er den fluidischen Widerstand (21) vollständig verstellt, wobei die erste Wicklung (7) mit einem geregelten Strom bestromt wird und wobei die zweite Wicklung (8) nicht wirksam ist.
Verfahren zum Betrieb des Elektromagneten (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb durch die elektrische Ansteuerung (10) zwischen einer Aufheizphase und einer Arbeitsphase unterschieden wird, wobei in der Aufheizphase die beiden Wicklungen (7, 8) mit Spannung versorgt werden, die erste Wicklung (7) mit einer gewählten Spannung zwischen dem zweiten Spulenanschluss (14) und dem ersten Spulenanschluss (13) über die dritte und die erste Leitung (11, 17) und die zweite Wicklung (8) mit derselben Spannung zwischen einem ersten Spulenanschluss (15) und dem zweiten Spulenanschluss (16) über die dritte Leitung (11) und die zweite Leitung (18), und dabei sich die magnetischen Wirkungen der beiden Wicklungen (7, 8) mindestens teilweise aufheben, und wobei in der Arbeitsphase die Spannung an beiden Wicklungen (7, 8) in Reihenschaltung anliegt, also zwischen dem ersten Spulenanschluss (13) der ersten Wicklung (7) und dem zweiten Spulenanschluss (16) der zweiten Wicklung (8), versorgt von der ersten Leitung (17) und der zweiten Leitung (18).
Verfahren zum Betrieb des Elektromagneten (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb durch die elektrische Ansteuerung (10) zwischen einer Aufheizphase und einer Arbeitsphase unterschieden wird, wobei in beiden Phasen beide Wicklungen (7, 8) in Reihenschaltung über die erste Leitung (17) und die zweite Leitung (18) mit einer Betriebsspannung versorgt werden, - aber in der Aufheizphase mit einer negativen Spannung von dem ersten Spulenanschluss (13) der ersten Wicklung (7) zu dem zweiten Spulenanschluss (16) der zweiten Wicklung (8), so dass die Diode (12) die zweite Wicklung (8) kurzschließt, - aber in der Arbeitsphase mit einer positiven Spannung von dem ersten Spulenanschluss (13) der ersten Wicklung (7) zu dem zweiten Spulenanschluss (16) der zweiten Wicklung (8), so dass die Diode (12) den kurzschließenden Stromfluss sperrt und damit die zweite Wicklung (8) sowohl als magnetflusserzeugende Vorrichtung als auch als elektrischer Widerstand wirksam ist.
Verfahren zum Betrieb eines Ventils (20) nach Anspruch 4 und 6 mit einem Elektromagneten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufheizphase der Magnetfluss der ersten Wicklung (7) nicht ausreicht, um den Magnetanker (3) gegen die Kraft der Feder (23) soweit zu bewegen, dass erden fluidischen Widerstand (21) vollständig verstellt, wobei die erste Wicklung (7) mit einer verminderten Spannung bestromt wird und wobei nur die erste Wicklung (7) wirksam ist.
Verfahren zum Betrieb eines Ventils (20) nach Anspruch 4 und 7 mit einem Elektromagneten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufheizphase der Magnetfluss der ersten Wicklung (7) nicht ausreicht, um den Magnetanker (3) gegen die Kraft der Feder (23) soweit zu bewegen, dass er den fluidischen Widerstand (21) vollständig verstellt, wobei die erste Wicklung (7) mit einem geregelten Strom bestromt wird und wobei nur die erste Wicklung (7) wirksam ist
Verfahren zum Betrieb eines Ventils (20) nach Anspruch 4 mit einem Elektromagneten (1) betrieben nach einem Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der genannten Aufheizphase der Magnetfluss der beiden Wicklungen (7, 8) nicht ausreicht, um den Magnetanker (3) gegen die Kraft der Feder (23) soweit zu bewegen, dass er den fluidischen Widerstand (21) vollständig verstellt, weil die magnetischen Wirkungen der beiden Wicklungen (7, 8) sich mindestens teilweise gegenseitig aufheben.