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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb, mit mindestens einem eine bestrombare Spule aufweisenden Elektromagnet und mit einem unter Ausführung einer Umschaltbewegung relativ zu dem Elektromagnet in einer Hauptachsrichtung beweglichen Anker, auf den mittels des Elektromagneten eine in die Hauptachsrichtung wirksame elektromagnetische Stellkraft ausübbar ist, wobei der Anker ein in der Hauptachsrichtung polarisierter, zwei permanentmagnetische Ankerpole mit einander entgegengesetzter Polarität aufweisender permanentmagnetischer Anker ist, und wobei durch den Elektromagnet gleichzeitig ein erster Elektromagnetpol und ein diesbezüglich in der Hauptachsrichtung beabstandeter und gegensinnig polarisierter zweiter Elektromagnetpol hervorrufbar sind, die mit mindestens einem der beiden Ankerpole anziehend oder abstoßend zusammenwirken, wobei der Elektromagnet eine an einer ersten Polfläche den ersten Elektromagnetpol und an einer zweiten Polfläche den zweiten Elektromagnetpol ausbildende magnetisierbare Flussleitstruktur aufweist, die zweckmäßigerweise aus einem ferritischen oder ferromagnetischen Material besteht, wobei bei aktiviertem Elektromagnet der erste Elektromagnetpol in der Hauptachsrichtung und der zweite Elektromagnetpol quer zu der Hauptachsrichtung orientiert ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Ventil zur Steuerung von Fluidströmen, das mit einem elektromagnetischen Antrieb und einem durch den elektromagnetischen Antrieb zwischen mehreren Schaltstellungen umschaltbaren Ventilglied ausgestattet ist.
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Ein in dem vorgenannten Sinne ausgebildeter elektromagnetischer Antrieb geht aus der
JP S57- 198612 A hervor. Der bekannte elektromagnetische Antrieb hat zwei jeweils eine Spule aufweisende Elektromagnete, die axial hintereinander angeordnet und von einem zylindrischen Joch umschlossen sind. Durch die beiden Elektromagnete hindurch erstreckt sich ein axial verschiebbarer Plunger, der eine Stange aufweist, die einen axial magnetisierten Permanentmagnet trägt. Zwischen den beiden Spulen befindet sich auch noch eine Jochplatte. Bei einer Bestromung der Spulen bilden sich Elektromagnetpole aus, die mit den Ankerpolen des Permanentmagneten in Wechselwirkung treten und ein Verschieben des Plungers hervorrufen.
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Die
US 4 928 028 A offenbart einen elektromagnetischen Antrieb mit einem axial polarisierten permanentmagnetischen Anker, der zwei Elektromagnetspulen durchsetzt, deren Bestromung Elektromagnetpole hervorrufen. Die Elektromagnetpole treten mit den Ankerpolen des permanentmagnetischen Ankers in Wechselwirkung, um ein Verschieben des Ankers zu bewirken.
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Aus der
DE 26 14 004 A1 ist eine bistabil betreibbare Betätigungsvorrichtung bekannt, die einen durch Bestromung zweier Elektromagnetspulen bewegbaren Anker aufweist. Im Bereich jeder Elektromagnetspule ist ortsfest ein Permanentmagnet angeordnet.
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Aus der
DE 28 26 212 A1 ist eine bistabile Betätigungsvorrichtung bekannt, die ein zylindrisches Gehäuse aus magnetischem Material aufweist, mit dem zwei axial magnetisierte Ringmagnete verbunden sind, die jeweils radial außen von einer bestrombaren Spule umschlossen sind. Zwischen den beiden Ringmagneten ist axial beweglich ein aus magnetischem Material bestehender Anker angeordnet, der peripher einen Ringschlitz aufweist, in den sich ein als ringförmige Scheibe gestaltetes Polstück hinein erstreckt, das den Anker mit einem radialen Abstand umschließt und ebenfalls mit dem Gehäuse verbunden ist. Durch aufeinander abgestimmte Erregung der beiden Spulen ist ein Magnetfluss erzeugbar, durch den der Anker zwischen zwei Endpositionen verschiebbar ist.
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Aus der
DE 10 2008 019 453 B3 gehen ein elektromagnetischer Antrieb sowie ein damit ausgestattetes Ventil hervor, wobei der elektromagnetische Antrieb zwei Elektromagnete enthält, die jeweils eine bestrombare Spule aufweisen und denen gemeinsam ein gleichzeitig als Ventilglied fungierender beweglicher Anker zugeordnet ist, der durch aufeinander abgestimmte Betätigung der Elektromagnete in mehrere Schaltstellungen bewegbar ist. Der Anker verfügt über einen aus einem ferritischen Material bestehenden Tragkörper und wird durch das Magnetfeld des momentan betätigten Elektromagneten angezogen, sodass eine den Anker umschaltende und bei Bedarf in einer Schaltstellung festhaltende Stellkraft erzeugbar ist. Im deaktivierten Zustand beider Elektromagnete nimmt der Anker eine durch Federmittel vorgegebene Mittelstellung ein.
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Aus der
DE 41 39 947 A1 ist ein Magnetventil bekannt, das über ein verschwenkbares Betätigungselement verfügt, an dem ein Ventilglied angeordnet ist. Das Betätigungselement weist einen Permanentmagnet zum Festhalten an Endanschlägen auf. Ferner enthält das Magnetventil einen Elektromagneten zum Erzeugen einer das Betätigungselement bewegenden Magnetkraft.
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Die
WO 98/57081 A1 beschreibt ein Magnetventil mit einem Magnetantrieb, der einen zwischen zwei Weicheisenteilen beweglichen Permanentmagnet und eine Magnetspule aufweist. Das Magnetfeld der Magnetspule bewegt den Permanentmagnet je nach Polarität des Magnetfeldes gegen das eine oder andere der beiden Weicheisenteile.
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Die
DE 10 2015 216 766 B3 offenbart eine im Zusammenhang mit einem Ventil verwendbare Antriebsvorrichtung, die mit einer ersten Magneteinrichtung ausgestattet ist, die sich aus einer ersten Permanentmagneteinheit und einer magnetisierbaren Flussleitstruktur zusammensetzt. Die Antriebsvorrichtung ist außerdem mit einem Membran-Polymeraktuator ausgestattet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen bei einfachem Aufbau effektiv arbeitenden elektromagnetischen Antrieb und ein damit ausgestattetes Ventil zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem elektromagnetischen Antrieb der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der permanentmagnetische Anker zumindest in seinem Interaktionsbereich mit dem zweiten Elektromagnetpol an seiner Mantelfläche zylindrisch gestaltet ist, wobei der zweite Elektromagnetpol entsprechend der Innenfläche eines an den permanentmagnetischen Anker angepassten Hohlzylinders ausgebildet ist und wobei die zweite Polfläche die Mantelfläche des permanentmagnetischen Ankers zur Bewirkung einer Linearführung möglichst eng umschließt.
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Die Aufgabe wird ferner bei einem Ventil der eingangsgenannten Art dadurch gelöst, dass der elektromagnetische Antrieb in dem vorgenannten Sinne ausgebildet ist, wobei das Ventilglied durch den permanentmagnetischen Anker gebildet oder antreibbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Antrieb und einem damit ausgestatteten Ventil ist mindestens ein Elektromagnet mit einem axial polarisierten permanentmagnetischen Anker kombiniert. Dadurch lässt sich mittels eines niederenergetischen Stromimpulses eine sehr effiziente Stellkraftwirkung bezüglich des Ankers realisieren. Der Anker kann als Stellglied zur Ausführung von Antriebs- und Festhaltefunktionen auf unterschiedlichsten Gebieten eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Nutzung im Zusammenhang mit einem Ventil und dabei unmittelbar als ein zur Steuerung von Fluidströmen dienendes bewegliches Ventilglied oder als Antriebsglied für ein solches Ventilglied. Der mindestens eine Elektromagnet kann durch Bestromung seiner Spule aktiviert werden, wobei die Aktivierung die Ausbildung zweier Elektromagnetpole hervorruft, die in einer mit der Bewegungsrichtung des beweglichen Ankers zusammenfallenden Hauptachsrichtung zueinander beabstandet sind. Die Polarisierungsrichtung lässt sich durch die Bestromungsrichtung der Spule beeinflussen. Bei deaktiviertem Elektromagnet sind die Elektromagnetpole nicht vorhanden und können folglich keinen Einfluss auf die Schaltstellung des permanentmagnetischen Ankers nehmen. Durch eine geeignete längenmäßige Abstimmung des permanentmagnetischen Ankers auf den Abstand zwischen den beiden erzeugbaren Elektromagnetpolen lässt sich erreichen, dass sich durch die Bestromung der Spule an den beiden Elektromagnetpolen die gleiche Polarisierung wie beim jeweils benachbarten permanentmagnetischen Ankerpol des Ankers einstellt, sodass der Anker mit hoher Kraft abgestoßen und mit hoher Geschwindigkeit in eine andere Schaltstellung bewegt wird. Da sich bei der Bewegung der von dem einen Elektromagnetpol abgestoßene Ankerpol an den entgegengesetzt polarisierten zweiten Elektromagnetpol annähert, wodurch eine zusätzliche Zugkraft auf den Anker ausgeübt wird, erfährt der bewegliche Anker praktisch während seiner gesamten Umschaltbewegung eine hohe Stellkraft, was wesentlich für die Effizienz des elektromagnetischen Antriebes verantwortlich ist. Der im aktivierten Zustand des Elektromagneten erzeugte erste Elektromagnetpol ist in der Hauptachsrichtung und somit in der Bewegungsrichtung des beweglichen Ankers orientiert. Die Hauptachsrichtung wird im Folgenden auch als axiale Richtung bezeichnet. Der gleichzeitig erzeugbare zweite Elektromagnetpol ist hingegen quer und insbesondere rechtwinkelig zu der Hauptachsrichtung orientiert. Die beiden Elektromagnetpole sind somit quasi um 90 Grad verdreht zueinander ausgerichtet. Als vorteilhaft wird es erachtet, dass der permanentmagnetische Anker zumindest in seinem Interaktionsbereich mit dem zweiten Elektromagnetpol zylindrisch gestaltet ist. Als Interaktionsbereich wird der Längenabschnitt des permanentmagnetischen Ankers angesehen, der eine auf gleicher axialer Höhe mit dem zweiten Elektromagnetpol liegende Axialposition einnehmen kann. Der zweite Elektromagnetpol ist dabei mit angepasster Querschnittskontur entsprechend der Innenfläche eines Hohlzylinders ausgebildet. Bevorzugt ist der permanentmagnetische Anker von dem zweiten Magnetpol koaxial umschlossen. Der mindestens eine Elektromagnet verfügt über eine magnetisierbare Flussleitstruktur, an der sich bei Bestromung der mindestens einen Spule des Elektromagneten die beiden einander entgegengesetzt polarisierten Elektromagnetpole ausbilden. Auf diese Weise erzielt man eine hohe Flussdichte des elektromagnetischen Feldes mit entsprechend hoher Magnetkraft in der Interaktion mit dem permanentmagnetischen Anker. Die Flussleitstruktur besteht zweckmäßigerweise aus einem ferritischen oder einem ferromagnetischen Material. Derartige Materialien sind besonders einfach magnetisierbar und haben die Eigenheit, das mit ihnen zusammenwirkende Magnetfeld so umzulenken, dass die Feldlinienlänge insgesamt möglichst kurz ist. Zweckmäßigerweise wird ein weichmagnetisches Material gewählt, das seine Magnetisierung ganz oder teilweise wieder verliert, sobald es aus dem Einfluss eines Permanentmagneten gelangt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bevorzugt ist im aktivierten Zustand des Elektromagneten der dadurch ausgebildete erste Elektromagnetpol einem der beiden Ankerpole des permanentmagnetischen Ankers in der Hauptachsrichtung gegenüberliegend angeordnet, während der gleichzeitig ausgebildete zweite Elektromagnetpol unabhängig von der Schaltstellung des permanentmagnetischen Ankers quer zu der Hauptachsrichtung seitlich neben dem permanentmagnetischen Anker angeordnet ist.
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Eine besonders starke elektromagnetische Feldwirkung lässt sich erreichen, wenn der bei Aktivierung des Elektromagneten vorliegende zweite Elektromagnetpol den permanentmagnetischen Anker in jeder Axialposition peripher, also an der radial orientierten Mantelfläche ringsum umschließt. In der Hauptachsrichtung betrachtet hat der zweite Elektromagnetpol vorzugsweise eine ringförmige Kontur, die bevorzugt gekrümmt ist, ohne weiteres aber auch mehreckig ausgeführt sein kann.
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Bevorzugt ist ein in der Hauptachsrichtung gemessener axialer Abstand zwischen dem ersten Elektromagnetpol und dem diesem ersten Elektromagnetpol zugewandten axialen Endbereich des zweiten Elektromagnetpols nicht kleiner als die Hälfte des Abstandes, der bei aktiviertem Elektromagnet zwischen dem axial orientierten ersten Elektromagnetpol und dem von dem ersten Elektromagnetpol abgewandten axialen Endbereich des zweiten Elektromagnetpols gemessen wird. Dadurch ergibt sich ein optimaler Übergang zwischen einer durch den ersten Elektromagnetpol schiebenden und einer durch den zweiten Elektromagnetpol ziehenden Wirkung bezüglich des dem ersten Elektromagnetpol gegenüberliegenden permanentmagnetischen Ankerpols des beweglichen Ankers.
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Wie schon angesprochen, ist es vorteilhaft, wenn der Elektromagnet und der bewegliche Anker abmessungs- und gestaltungsmäßig so aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Bestromung der Spule des Elektromagneten beide Elektromagnetpole gleichzeitig derart mit dem Magnetfeld des permanentmagnetischen Ankers zusammenwirken, dass sich zwei jeweils aus einem Elektromagnetpol und einem permanentmagnetischen Ankerpol zusammensetzende Polpaare einstellen, von denen das eine Polpaar abstoßend, das heißt schiebend wirkt, während das andere Polpaar eine ziehende Kraftwirkung entfaltet, wobei die von den beiden Polpaaren auf den Ankerpol ausgeübten Stellkraftanteile die gleiche in der Hauptachsrichtung weisende Wirkrichtung haben.
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Ein mit einer Flussleitstruktur ausgestatteter Elektromagnet wird bei dem elektromagnetischen Antrieb bevorzugt genutzt, um im deaktivierten Zustand des Elektromagneten eine leistungslose Selbsthaltefunktion bezüglich des permanentmagnetischen Ankers zu erzielen. In mindestens einer Schaltstellung ist der permanentmagnetische Anker so nahe an einem Abschnitt der Flussleitstruktur angeordnet, dass eine permanentmagnetische Anziehungskraft erzeugt wird, die den permanentmagnetischen Anker bezüglich der Flussleitstruktur unbeweglich festhält.
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Der Anker stützt sich dabei zweckmäßigerweise an der Flussleitstruktur oder an einer anderen, bezüglich der Flussleitstruktur ortsfesten Komponente des elektromagnetischen Antriebes ab. Bevorzugt liegt der Anker in diesem Zustand direkt an der Flussleitstruktur an.
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Der Selbsthalteeffekt ergibt sich insbesondere durch ein permanentmagnetisches Zusammenwirken des Ankers mit mindestens einem als Polabschnitt bezeichneten Abschnitt der Flussleitstruktur, an der bei Aktivierung des Elektromagneten ein Elektromagnetpol ausgebildet wird.
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Durch Aktivierung des Elektromagneten kann an dem besagten Polabschnitt ein Elektromagnetpol mit bezüglich des gegenüberliegenden permanentmagnetischen Ankerpols gleichnamiger Polarisierung erzeugt werden, sodass sich eine eine Stellkraft auf den Anker ausübende Abstoßwirkung einstellt. Außerdem kann durch entgegengesetzte Bestromung der Spule des Elektromagneten erreicht werden, dass sich an dem Polabschnitt ein bezüglich des gegenüberliegenden Ankerpols ungleichnamiger bzw. entgegengesetzt polarisierter Elektromagnetpol ergibt, der den beweglichen Anker auch schon dann mit hoher Kraft anzieht, wenn selbiger noch einen etwas größeren Abstand zu dem Polabschnitt aufweist.
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Innerhalb des Elektromagneten sind die Spule und die Flussleitstruktur insbesondere so angeordnet, dass die Spule einen Längenabschnitt der Flussleitstruktur umschließt. Eine besonders vorteilhafte Anordnung sieht vor, dass die Spule einen Längenabschnitt der Flussleitstruktur umschließt, der an einer Stirnseite eine Polfläche definiert, die dem zweiten Elektromagnetpol zugewandt ist und bei Aktivierung des Elektromagneten den ersten Elektromagnetpol ausbildet. Prinzipiell kann die Spule aber auch an anderer Stelle mit der Flussleitstruktur kombiniert werden, um ein die beiden zueinander beabstandeten Elektromagnetpole definierendes elektromagnetisches Magnetfeld zu erzeugen.
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Bevorzugt ist die Flussleitstruktur so gestaltet, dass der an ihr bei Aktivierung des Elektromagneten ausbildbare erste Elektromagnetpol zumindest im Wesentlichen bündig mit der dem zweiten Elektromagnetpol axial zugewandten vorderen Stirnseite der Spule angeordnet ist oder mit Abstand zu dieser vorderen Stirnseite im Innern der Spule liegt. Die bündige Anordnung ist vor allem dann von Vorteil, wenn an dem den ersten Elektromagnetpol definierenden Polabschnitt der Flussleitstruktur ein mit einem von dem Anker gebildeten oder angetriebenen Ventilglied eines Ventils zusammenwirkender Ventilsitz angeordnet ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Formgebung hat die Spule des Elektromagneten eine an der dem zweiten Elektromagnetpol zugewandten vorderen Stirnseite eine durch die Spulenwicklung der Spule bestimmte, nach Art eines Innenkonus konkav konische Vertiefung. Der durch Aktivierung des Elektromagneten erzeugbare erste Elektromagnetpol liegt dabei axial innerhalb der konischen Vertiefung und befindet sich insbesondere am Grund dieser konischen Vertiefung. Dies ermöglicht eine Bauform, bei der sich die Spule axial bis in die Nachbarschaft des erzeugbaren zweiten Elektromagnetpols erstreckt und dennoch der gewünschte axiale Abstand zwischen den beiden Elektromagnetpolen bereitgestellt werden kann. Mit einer solchen Gestaltung der Spule ist ein Abschirmeffekt verbunden, der verhindert, dass elektromagnetisch erzeugte Feldlinien in einem zwischen der Spule und dem zweiten Elektromagnetpol liegenden Bereich nach innen abzweigen und keinen Beitrag zur Erzeugung des zweiten Elektromagnetpols leisten.
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Die Spule kann an ihrer der konischen Vertiefung axial entgegengesetzten Rückseite in üblicher Weise abgeflacht sein, das heißt über eine zur Längsachse der Spule rechtwinkelige Stirnfläche verfügen. Vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Spule an dieser anderen Stirnseite eine durch die Spulenwicklung bestimmte, nach Art eines Außenkonus gestaltete, konvex konische Formgebung hat, was insbesondere dazu führt, dass die gesamt Spulenwicklung in Längsschnitt betrachtet nach Art einer Raute profiliert ist. Damit verbunden ist eine Platzoptimierung zu Gunsten kompakter Abmessungen des elektromagnetischen Antriebes.
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Bei einer möglichen Ausführungsform hat der elektromagnetische Antrieb nur einen einzigen Elektromagnet. Ebenfalls vorteilhaft ist aber eine Ausführungsform, bei der der elektromagnetische Antrieb über zwei in der Hauptachsrichtung aufeinanderfolgend angeordnete Elektromagnete verfügt, die im Folgenden auch als erster und zweiter Elektromagnet bezeichnet werden. Diesen beiden Elektromagneten ist ein einziger permanentmagnetischer Anker gemeinsam zugeordnet, der zwischen sie eingegliedert ist. Jeder der beiden Elektromagnete definiert bei seiner Aktivierung einen eigenen ersten Elektromagnetpol. Außerdem erzeugt jeder Elektromagnet bei seiner Aktivierung einen eingangs schon erläuterten zweiten Elektromagnetpol, wobei es sich aber um einen gemeinsamen Elektromagnetpol handelt, wenn die beiden Elektromagnete zur gleichen Zeit aktiviert sind. Damit lassen sich auf den beweglichen permanentmagnetischen Anker besonders hohe Stellkräfte ausüben, die nutzbar sind, um den Anker sehr schnell zwischen verschiedenen Schaltstellungen umzuschalten und/oder um den Anker in mindestens einer Schaltstellung mit einer sehr hohen Stellkraft festzuhalten. Letzteres ist vor allem im Zusammenhang mit einem den elektromagnetischen Antrieb aufweisenden Ventil von Vorteil, da der Anker gegen eine hohe Fluidkraft bewegt und festgehalten werden kann.
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Die beiden erzeugbaren ersten Elektromagnetpole sind zweckmäßigerweise in der Hauptachsrichtung beabstandet zueinander angeordnet und einander zugewandt. Der dazwischen befindliche permanentmagnetische Anker hat zwei den Elektromagnetpolen zugewandte, einander entgegengesetzte Endabschnitte, die jeweils einen von zwei einander entgegengesetzt polarisierten permanentmagnetischen Ankerpolen bilden. Bevorzugt ist der permanentmagnetische Anker von dem bei Aktivierung mindestens eines Elektromagneten ausgebildeten zweiten Elektromagnetpol umschlossen.
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Mindestens ein Elektromagnet ist zweckmäßigerweise mit einer magnetisierbaren Flussleitstruktur ausgestattet. Bevorzugt enthalten die beiden Elektromagnete eine gemeinsame Flussleitstruktur, was insbesondere die Ausbildung des gemeinsamen zweiten Elektromagnetpols begünstigt.
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Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit, axial zwischen den beiden Elektromagneten mindestens eine zusätzliche bestrombare Spule einzugliedern, die als Zusatzspule bezeichnet sei. Sie ermöglicht es, durch eine Bestromung, die auf die Bestromung der Spulen der beiden Elektromagneten abgestimmt ist, zusätzlich zu zwei von den beiden Elektromagneten definierbaren, als End-Schaltstellungen bezeichenbaren Schaltstellungen des beweglichen Ankers mindestens eine dazwischenliegende Zwischenschaltstellung des permanentmagnetischen Ankers zu realisieren. Besonders vorteilhaft ist dies im Zusammenhang mit der Ausbildung eines Ventils, da hierdurch beispielsweise ein Drei-Stellungs-Ventil sehr einfach verwirklicht werden kann, dessen Ventilglied in drei Schaltstellungen fixierbar ist.
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Ein unter Verwendung des elektromagnetischen Antriebes ausgebildetes Ventil verfügt zweckmäßigerweise über ein Ventilglied, das durch entsprechende Betätigung des permanentmagnetischen Ankers in mindestens einer Schließstellung positionierbar ist, in der es axial an einem die Mündung eines von Fluid durchströmbaren Ventilkanals umrahmenden Ventilsitz anliegt. Der Ventilsitz befindet sich bevorzugt an einem den ersten Elektromagnetpol bildenden Ventilsitzkörper, der zweckmäßigerweise von einer magnetisierbaren Flussleitstruktur des elektromagnetischen Antriebes gebildet ist. Das Ventilglied ist entweder unmittelbar von dem permanentmagnetischen Anker gebildet oder ein diesbezüglich gesondertes Bauteil, das durch den permanentmagnetischen Anker antreibbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
- 1 bis 5 eine bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes und eines damit ausgestatteten Ventils in einem Längsschnitt in verschiedenen Betriebszuständen, wobei der elektrische Antrieb mit zwei Elektromagneten ausgestattet ist,
- 6 bis 10 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines elektromagnetischen Antriebes und eines damit ausgestatteten Ventils in einem Längsschnitt in verschiedenen Betriebszuständen, wobei der elektromagnetische Antrieb mit nur einem einzigen Elektromagnet ausgestattet ist,
- 11 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes und eines damit ausgestatteten Ventils mit wiederum zwei Elektromagneten, und
- 12 erneut eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes und Ventils im Längsschnitt mit ebenfalls zwei Elektromagneten.
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In den einzelnen Figuren sind die magnetischen Polarisierungen mit „N“ für den Nordpol und mit „S“ für den Südpol kenntlich gemacht. Bei den permanentmagnetischen Ankerpolen sind diese Polarisierungsangaben in Quadraten und bei den Elektromagnetpolen in Kreisen angegeben. In Rauten einbeschriebene Polarisierungsangaben beziehen sich auf in der Flussleitstruktur durch das Zusammenwirken mit dem permanentmagnetischen Magnetfeld des Ankers entstehende Polarisierungen.
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Es folgt zunächst eine Beschreibung des in den 1 bis 5 illustrierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ventils 1, das mit einem elektromagnetischen Antrieb 2 bevorzugten Aufbaus ausgestattet ist.
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Der elektromagnetische Antrieb 2 ist auch für andere Zwecke als zur Fluidsteuerung bei Ventilen einsetzbar, beispielsweise als Aktor zur Betätigung einer mechanischen Struktur oder eines elektrischen Relais.
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Der im Folgenden auch nur noch als Antrieb 2 bezeichnete elektromagnetische Antrieb 2 erstreckt sich entlang einer imaginären Hauptachse 3 und umfasst zwei Elektromagnete 4, 5, die zur besseren Unterscheidung auch als erster Elektromagnet 4 und als zweiter Elektromagnet 5 bezeichnet seien.
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Die Achsrichtung der Hauptachse 3 sei als Hauptachsrichtung 6 bezeichnet und ist zur besseren Verständnis durch einen Doppelpfeil kenntlich gemacht.
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Die beiden Elektromagnete 4, 5 sind in der Hauptachsrichtung 6 aufeinanderfolgend angeordnet, insbesondere in zueinander koaxialer Ausrichtung. Jeder Elektromagnet 4, 5 hat eine Spule 7, die in an sich bekannter Weise über eine aus mindestens einem Spulendraht hergestellte Spulenwicklung 8 verfügt und jeweils über zwei Anschlusskontakte 12 elektrisch bestrombar ist.
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Die beiden Spulen 7 können individuelle Spulen sein, die unabhängig voneinander bestrombar sind, wobei allerdings die Möglichkeit besteht, die Anschlusskontakte 12 so zu verdrahten, dass eine gleichzeitige Bestromung beider Spulen 7 möglich ist. Es besteht ferner die vorteilhafte Möglichkeit, die beiden Spulen 7 als Teilspulen einer Gesamtspule auszuführen, die stets nur einheitlich bestrombar ist.
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Die elektrische Bestromung einer Spule 7 bewirkt eine Aktivierung des betreffenden Elektromagneten 4, 5 und hat die Erzeugung eines elektrischen Magnetfeldes 13a, 13b des jeweiligen Elektromagneten 4, 5 zur Folge. Das von dem ersten Elektromagnet 4 erzeugte Magnetfeld ist in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 13a versehen und als Strichpunktlinie eingezeichnet. Das von dem zweiten Elektromagnet 5 erzeugte Magnetfeld ist in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 13b versehen und als Strichzweipunktlinie eingezeichnet.
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Die beiden Spulen 7 sind gleichzeitig gegensinnig aktivierbar, sodass die von ihnen erzeugten Magnetfelder einander entgegengesetzt polarisiert sind. Hierzu sind sie entweder gleichsinnig gewickelt und werden gegensinnig bestromt, oder sie sind gegensinnig gewickelt und werden gleichsinnig bestromt. Die Bestromung ist in den Figuren durch in die Spulen eingezeichnete umkreiste Kreuze und Punkte dargestellt, wobei die Stromflussrichtung bei dem umkreisten Kreuz vom Betrachter abgewandt und bei dem umkreisten Punkt dem Betrachter zugewandt ist.
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Jeder Elektromagnet 4, 5 hat zweckmäßigerweise eine magnetisierbare Flussleitstruktur 14. Sie besteht beim Ausführungsbeispiel aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere Weicheisen, kann aber auch aus einem anderen über flussleitende Eigenschaften verfügenden Material bestehen.
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Exemplarisch ist den beiden Elektromagneten 4, 5 eine Flussleitstruktur 14 gemeinsam zugeordnet. Es besteht allerdings die Möglichkeit, jeden Elektromagneten 4, 5 mit einer eigenen Flussleitstruktur 14 auszubilden, wobei diese dann separaten Flussleitstrukturen 14 beabstandet zueinander angeordnet sein können, vorzugsweise jedoch in einem direkten Kontakt miteinander stehen.
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Die Flussleitstruktur 14 ist so ausgebildet und angeordnet, dass die Aktivierung eines Elektromagneten 4, 5, also die Bestromung der Spule 7 dieses Elektromagneten 4, 5, die Ausbildung zweier gegensinnig polarisierter Elektromagnetpole 15, 16 hervorruft, die zur besseren Unterscheidung im Folgenden auch als erster Elektromagnetpol 15 und als zweiter Elektromagnetpol 16 bezeichnet seien.
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Prinzipiell lassen sich die Elektromagnete 4, 5 auch ohne eine Flussleitstruktur 14 realisieren. Aufgrund der mit einer Flussleitstruktur 14 einhergehenden Bündelung der durch die Elektromagnete 4, 5 erzeugbaren Magnetfelder 13a, 13b ist es jedoch vorteilhaft, wenn jeder Elektromagnet 4, 5 über eine Flussleitstruktur 14 verfügt.
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Die bei Aktivierung eines Elektromagneten 4, 5 entstehenden Magnetpole, bei denen es sich um die schon erwähnten ersten und zweiten Elektromagnetpole 15, 16 handelt, bilden sich exemplarisch an der entsprechend gestalteten Flussleitstruk- tur 14 aus.
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Wenn im Folgenden vom Vorhandensein von Elektromagnetpolen 15, 16 die Rede ist, bezieht sich dies auf den aktivierten Zustand der für die Erzeugung des betreffenden Elektromagnetpols 15, 16 verantwortlichen Elektromagneten 4, 5. Es versteht sich, dass die durch einen Elektromagnet 4, 5 erzeugten Elektromagnetpole 15, 16 bei deaktiviertem Elektromagnet 4, 5 nicht (mehr) vorhanden sind.
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Die Flussleitstruktur 14 ist so gestaltet, dass der erste Elektromagnetpol 15 jedes Elektromagneten 4, 5 in der Hauptachsrichtung 6 weist. Bevorzugt bildet sich der erste Elektromagnetpol 15 an der in der Hauptachsrichtung 6 orientierten freien Stirnfläche 17 eines im Folgenden als Polabschnitt 18 bezeichneten Längenabschnittes der Flussleitstruktur 14 aus, der von der zugeordneten Spule 7 koaxial umschlossen ist und der bevorzugt koaxial zu der Hauptachse 3 ausgerichtet ist. Diese freie Stirnfläche 17 besitzt zweckmäßigerweise die gleiche Flächennormale wie die ihr in Achsrichtung der Hauptachse 3 gegenüberliegende Stirnfläche eines weiter unten beschriebenen permanentmagnetischen Ankers 24. Bevorzugt ist die freie Stirnfläche 17 eben und erstreckt sich in einer zu der Hauptachse 3 rechtwinkeligen Ebene. Sie ist bevorzugt kreisförmig konturiert.
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Die Fläche der Flussleitstruktur 14, an der sich der erste Magnetpol 15 ausbilden lässt, und die beim Ausführungsbeispiel von der Stirnfläche 17 des Polabschnittes 18 gebildet ist, sei im Folgenden auch als erste Polfläche 22 bezeichnet.
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Bei dem mit zwei Elektromagneten 4, 5 ausgestatteten Antrieb der 1 bis 5 sind die beiden ersten Elektromagnetpole 15 beziehungsweise die diese beiden Elektromagnetpole 15 definierenden ersten Polflächen 22 der Polabschnitte 18 in der Hauptachsrichtung 3 einander zugewandt, dabei aber mit axialem Abstand zueinander angeordnet.
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Der zweite Elektromagnetpol 16 jedes Elektromagneten 4, 5 befindet sich in einem in der Hauptachsrichtung 6 gemessenen Abstand zum ersten Elektromagnetpol 15 des gleichen Elektromagneten 4, 5. Er entsteht an einer zweiten Polfläche 23 der Flussleitstruktur 14 und ist der ersten Polfläche 22 in der Hauptachsrichtung 6 vorgelagert. Die erste Polfläche 22 ist so ausgerichtet, dass sie in der Hauptachsrichtung 6 zur zum gleichen Elektromagnet 4, 5 gehörenden zweiten Polfläche 23 weist.
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Bei dem mit zwei Elektromagneten 4, 5 ausgestatteten Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 ist der zweite Elektromagnetpol 16 beziehungsweise die für dessen Ausbildung verantwortliche zweite Polfläche 23 mit axialem Abstand und bevorzugt gleichem axialem Abstand zu beiden ersten Elektromagnetpolen 15 beziehungsweise zu den beiden ersten Polflächen 22 zwischen diesen beiden ersten Polflächen 22 angeordnet. Dabei ist zweckmäßigerweise ein und derselbe zweite Elektromagnetpol 16 beziehungsweise ein und dieselbe zweite Polfläche 23 ein gemeinsamer Bestandteil beider Elektromagneten 4, 5 und folglich nur einfach vorhanden.
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Eine bevorzugte Besonderheit des zweiten Elektromagnetpols 16 besteht darin, dass er quer zu der Hauptachsrichtung 6 und insbesondere rechtwinkelig zu dieser Hauptachsrichtung 6 orientiert ist. Gleiches gilt für die zweite Polfläche 23, an der sich bei Aktivierung eines Elektromagneten 4, 5 der zweite Elektromagnetpol 16 ausbildet.
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Jedem Elektromagnet 4, 5 ist ein in der Hauptachsrichtung 6 beweglicher Anker 24 zugeordnet. Die Ankerbewegung sei im Folgenden als Umschaltbewegung 25 bezeichnet und ist in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil kenntlich gemacht. Die Umschaltbewegung 25 ist durch entsprechende Betätigung des zugeordneten Elektromagneten 4, 5 hervorrufbar. Jeder Elektromagnet 4, 5 ist in der Lage, eine in der Hauptachsrichtung 6 wirksame elektromagnetische Stellkraft 26 auf den Anker 24 auszuüben, die die Umschaltbewegung 25 zur Folge haben kann.
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Eine Besonderheit des Ankers 24 besteht darin, dass er permanentmagnetisch ist. Er verfügt über eine mit der Hauptachsrichtung 6 zusammenfallende axiale Polarisierung mit zwei permanentmagnetischen Ankerpolen 27, 28, die naturgemäß gegensinnig polarisiert sind. Zur besseren Unterscheidung werden die Ankerpole 27, 28 im Folgenden auch als erster Ankerpol 27 und als zweiter Ankerpol 28 bezeichnet.
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Der Anker 24 ist bevorzugt nach Art eines Stabankers ausgebildet. Er hat eine Längsachse 29, die zweckmäßigerweise mit der Hauptachse 3 zusammenfällt.
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Der Anker 24 erzeugt ständig ein permanentmagnetisches Magnetfeld, das in der Zeichnung gestrichelt angedeutet und mit dem Bezugszeichen 13c versehen ist.
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Der Anker 24 hat zwei einander entgegengesetzt in der Hauptachsrichtung 6 orientierte Stirnflächen, die jeweils eine permanentmagnetische Polfläche 33, 34 definieren, an der sich der zugeordnete erste oder zweite Ankerpol 27, 28 befindet. Die den ersten Ankerpol 27 definierende Polfläche des Ankers 24 sei als erste Polfläche 33 bezeichnet, die den zweiten Ankerpol 28 definierende Polfläche als zweite Polfläche 34.
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Der zum ersten Elektromagnet 4 gehörenden ersten Polfläche 22 der Flussleitstruktur 14 liegt die ihr zugewandte erste Polfläche 33 des Ankers 24 gegenüber. In vergleichbarer Weise liegt der zum zweiten Elektromagnet 5 gehörenden ersten Polfläche 22 der Flussleitstruktur 14 die zweite Polfläche 34 des Ankers 24 gegenüber. Der Anker 24 ist insgesamt kürzer als der lichte Abstand zwischen den beiden ersten Polflächen 15 der Flussleitstruktur 14, sodass er zwischen diesen beiden ersten Polflächen 33 die Umschaltbewegung 25 ausführen kann.
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In einer aus 1 ersichtlichen ersten Schaltstellung liegt der Anker 24 mit seiner ersten Polfläche 33 an der ersten Polfläche 22 des ersten Elektromagneten 4 an. In der aus 4 und 5 ersichtlichen zweiten Schaltstellung liegt der Anker 24 mit seiner zweiten Polfläche 34 an der ersten Polfläche 22 des zweiten Elektromagneten 5 an.
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Die zweite Polfläche 23 liegt wie erwähnt zwischen den beiden ersten Polflächen 22 der Flussleitstruktur 14. Dabei ist die axiale Länge des Ankers 24 so gewählt, das sich die zweite Polfläche 23 und folglich der zweite Elektromagnetpol 16 unabhängig von der im Rahmen der Umschaltbewegung 25 eingenommenen axialen Schaltstellung des Ankers 24 seitlich, das heißt quer zu der Hauptachse 3 neben dem permanentmagnetischen Anker 24 befindet.
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Bevorzugt ist der zweite Elektromagnetpol 16 so ausgebildet, dass er den permanentmagnetischen Anker 24 in jeder von dessen möglichen Axialpositionen peripher, das heißt an der Mantelfläche 32 ringsrum umschließt. Exemplarisch gilt dies auch für die zur Ausbildung des zweiten Elektromagnetpols 16 vorhandene zweite Polfläche 23.
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Der permanentmagnetische Anker 24 ist zumindest in seinem Interaktionsbereich mit dem zweiten Elektromagnetpol 16, exemplarisch also mit demjenigen Längenabschnitt, der bei der Umschaltbewegung 25 auf gleicher Höhe mit der zweiten Polfläche 23 der Flussleitstruktur 14 liegen kann, an seiner Mantelfläche 32 zylindrisch gestaltet. Bevorzugt handelt es sich um eine kreiszylindrische Formgebung. Die für die Bildung des zweiten Elektromagnetpols 16 verantwortliche zweite Polfläche 23 hat eine daran angepasste Formgebung entsprechend der Innenfläche eines Hohlzylinders, wobei die zweite Polfläche 23 die Mantelfläche 32 zur Bewirkung einer Linearführung möglichst eng umschließt, gleichzeitig aber einen ausreichenden Spalt belässt, um die Umschaltbewegung 25 des Ankers 24 relativ zur Flussleitstruktur 14 zu ermöglichen.
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Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel sind der Anker 24 und die ihn umschließende zweite Polfläche 23 der Flussleitstruktur 14 unrund und insbesondere mehreckig ausgebildet.
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Bevorzugt ist der axiale Abstand zwischen dem in der Hauptachsrichtung 6 orientierten ersten Elektromagnetpol 15 und dem dem ersten Elektromagnetpol 15 zugewandten axialen Endbereich 35 des zweiten Elektromagnetpols 16 gleich oder größer als die Hälfte des Abstandes zwischen dem besagten ersten Elektromagnetpol 15 und dem vom ersten Elektromagnetpol 15 abgewandten axialen Endbereich 36 des zweiten Elektromagnetpols 16. Diese beiden einander entgegengesetzten axialen Endbereiche 35, 36 des zweiten Elektromagnetpols 16 beziehungsweise der zweiten Polfläche 23 sind in der Zeichnung der besseren Übersichtlichkeit halber nur für den ersten Elektromagnet 4 eingezeichnet.
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Pro Elektromagnet 4, 5 hat die Flussleitstruktur 14 zweckmäßigerweise einen sich an der der ersten Polfläche 22 entgegengesetzten Seite an den Polabschnitt 18 anschließenden ersten axialen Endabschnitt 37, der die Spule 7 rückseitig flankiert. Der erste axiale Endabschnitt 37 ist bevorzugt scheibenförmig oder plattenförmig ausgebildet. Er erstreckt sich ausgehend von dem Polabschnitt 18 radial nach außen bis in den Bereich des Außenumfanges der Spule 7. Dort schließt sich an den ersten axialen Endabschnitt 37 ein peripherer Abschnitt 38 der Flussleitstruktur 14 an, der die Spule 7 an ihrem radialen Außenumfang umschließt und sich axial in Richtung zur der zweiten Polfläche 23 erstreckt. An diesen peripheren Abschnitt 38 schließt sich in einem der Spule 7 axial vorgelagerten Bereich ein zweiter axialer Endabschnitt 39 der Flussleitstruktur 14 an, der wiederrum bevorzugt scheibenförmig ausgebildet ist und sich in den der Spule 7 axial vorgelagerten Bereich erstreckt. An diesem zweiten Endabschnitt 39 befindet sich, beispielsweise durch eine axiale Durchbrechung realisiert, die zweite Polfläche 23.
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Der zweite axiale Endabschnitt 39 der Flussleitstruktur 14 ist ein Bestandteil der Flussleitstruktur 14, der zu beiden Elektromagneten 4, 5 gehört, wenn der Antrieb 2 mit zwei Elektromagneten 4, 5 ausgestattet ist.
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Der Anker 24 durchsetzt den zweiten axialen Endabschnitt 39 der Flussleitstruktur 14 in axial verschieblicher Weise, um die Umschaltbewegung 25 zu ermöglichen.
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Der Anker 24 kann eine aus 1 ersichtliche erste Schaltstellung einnehmen, in der er mit seiner ersten Polfläche 33 an der ersten Polfläche 22 des ersten Elektromagneten 4 anliegt. In dieser ersten Schaltstellung erstreckt sich der Anker 24 mit seinem der zweiten Polfläche 34 zugewandten Längenabschnitt entlang der zweiten Polfläche 23. Mit seiner zweiten Polfläche 34 schließt der Anker 24 dabei bevorzugt bündig mit dem vom ersten Elektromagnet 4 abgewandten axialen Endbereich 36 der Flussleitstruktur 14 ab oder überragt diesen abgewandten Endbereich 36 geringfügig.
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In dieser ersten Schaltstellung ist dieser Anker 24 allein aufgrund seiner permanentmagnetischen Eigenschaften und der magnetischen Interaktion mit der Flussleitstruktur 14 festgehalten, auch wenn jeder Elektromagnet 4, 5 deaktiviert ist und keine elektromagnetische Stellkraft 26 auf den Anker 24 einwirkt. Es wirkt dann nur eine durch einen Pfeil markierte permanentmagnetische Haltekraft 42. Sie resultiert aus der magnetischen Anziehung zwischen dem ersten Ankerpol 27 und dem die Spule 7 durchsetzenden Polabschnitt 18 sowie der magnetischen Haltekraft zwischen dem zweiten Ankerpol 28 und dem die zweite Polfläche 23 definierenden Abschnitt der Flussleitstruktur 14.
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Der Anker 24 ist somit ohne Energieeintrag in seiner ersten Schaltstellung magnetisch fixiert.
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Durch Aktivierung der Elektromagnete 4, 5 kann der Anker 25 aus der in 1 eingenommenen ersten Schaltstellung in die aus 5 ersichtliche zweite Schallstellung umgeschaltet werden. In dieser zweiten Schaltstellung liegen bezüglich einer den zweiten Elektromagnetpol 16 durchsetzenden und zu der Hauptachse 3 rechtwinkeligen Referenzebene spiegelbildliche Gegebenheiten vor. Der Anker 24 liegt mit seiner zweiten Polfläche 24 an der ersten Polfläche 15 des zweiten Elektromagneten 5 an, wobei er mit einer im Vergleich zur 1 entgegengesetzten Haltekraft 42 an die erste Polfläche 22 angedrückt ist. Die Haltekraft 42 resultiert aus der permanentmagnetischen Anziehungskraft zwischen dem zweiten Ankerpol 28 und dem die erste Polfläche 22 bildenden Polabschnitt 18 sowie der permanentmagnetischen Anziehungskraft zwischen dem ersten Ankerpol 27 und dem die zweite Polfläche 23 definierenden Abschnitt der Flussleitstruktur 14, der exemplarisch von dem zweiten axialen Endabschnitt 39 gebildet ist.
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Um den Umschaltvorgang auszuführen, werden gemäß 2 die beiden Elektromagnete 4, 5 gleichzeitig gegensinnig aktiviert. Eine daraus resultierende elektromagnetische Stellkraft 26 egalisiert und überwindet die zuvor noch herrschende permanentmagnetische Haltekraft 41 und ruft eine Umschaltbewegung 25 ausgehend von der ersten Schaltstellung gemäß 1 in die zweite Schaltstellung gemäß 5 hervor.
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Konkret werden durch die Aktivierung der Elektromagnete 4, 5 die Elektromagnetpole 15, 16 erzeugt, aus denen ein elektromagnetisches Feld resultiert, das dem permanentmagnetischen Feld 13c des permanentmagnetischen Ankers 24 entgegengesetzt und diesbezüglich größer ist. Gemäß 2 entsteht an der ersten Polfläche 22 des ersten Elektromagneten 4 ein erster Elektromagnetpol 15, der die gleiche Polarisierung hat wie der gegenüberliegende erste Ankerpol 27. Dadurch wird der Anker 24 vom ersten Elektromagnetpol 15 abgestoßen.
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Ein gleichzeitiger Abstoßeffekt stellt sich ein zwischen dem zweiten Elektromagnetpol 16, der eine bezüglich des ersten Elektromagnetpols 15 entgegengesetzte Polarisierung hat, der jedoch gleichnamig polarisiert ist wie der benachbarte zweite Ankerpol 28 des Ankers 24.
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Die 2 zeigt eine Betriebsphase, bei der der Anker 24 sich ein stückweit aus der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bewegt hat, wobei ersichtlich ist, dass sich der vom ersten Elektromagnetpol 15 des ersten Elektromagneten 14 entfernende erste Ankerpol 27 an den zweiten Elektromagnetpol 16 annähert. Da letzterer eine entgegensetzte Polarisierung hat wie der erste Ankerpol 27, stellt sich mit zunehmender Annäherung des ersten Ankerpols 27 an den zweiten Elektromagnetpol 16 eine verstärkte Anziehungskraft ein, durch die die elektromagnetische Stellkraft 26 verstärkt wird und durch die insbesondere auch kompensiert wird, dass die Abstoßungskraft zwischen dem ersten Ankerpol 27 und dem ersten Elektromagnetpol 15 des ersten Elektromagneten 4 abnimmt.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, die einen Betriebszustand zeigt, bei dem der Anker 24 fast bis zur zweiten Schaltstellung bewegt ist, wirkt der erste Elektromagnetpol 15 des zweiten Elektromagneten 5 mit dem zugewandten, entgegengesetzt polarisierten zweiten Ankerpol 28 zusammen und zieht somit den Anker 24 zunehmend stärker an.
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Zum Ende der Umschaltbewegung 25 liegt der bewegliche Anker 24 gemäß 4 mit seiner zweiten Polfläche 34 an der ersten Polfläche 22 des zweiten Elektromagneten 5 an und ist dadurch in seiner Bewegung gestoppt. Der Anker 24 befindet sich jetzt bereits in der zweiten Schaltstellung, wobei allerdings die beiden Elektromagnete 4, 5 noch aktiviert sind.
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Im nächsten Schritt können die beiden Elektromagnete 4, 5 abgeschaltet werden, sodass sich der in 5 gezeigte Betriebszustand ergibt, der sich hinsichtlich der Schaltstellung des Ankers 24 vom Betriebszustand der 4 nicht unterscheidet. Der einzige Unterschied liegt in der Aufbringung der den Anker 24 in der zweiten Schaltstellung festhaltenden Kraft, bei der es sich nun wieder um eine rein permanentmagnetische Haltekraft 42 handelt, nachdem die elektromagnetische Stellkraft 26 aufgrund Deaktivierung der Elektromagneten 4, 5 entfernt worden ist.
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Um den Anker 24 in die erste Schaltstellung zurückzuschalten, sind lediglich die beiden Elektromagnete 4, 5 mit einer Bestromung zu aktivieren, die derjenigen entgegengesetzt ist, die zum Umschalten aus der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung aufgebracht wurde.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, die beiden Elektromagnete 4, 5 zeitgleich zu aktivieren und zu deaktivieren. Es ist auch eine zeitlich aufeinanderfolgende Aktivierung und Deaktivierung möglich, was sich allerdings auf die Umschaltgeschwindigkeit und auf die Höhe der elektromagnetischen Stellkraft 26 auswirkt. Man hat die vorteilhafte Möglichkeit, durch eine aufeinander abgestimmte Aktivierung und Deaktivierung der beiden Elektromagnete 4, 5 das dynamische Verhalten des Ankers 24 zu beeinflussen und beispielsweise die Aufprallintensität beim Erreichen der jeweiligen Schaltstellung zu reduzieren.
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Das in den 6 bis 10 illustrierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen der 1 bis 5 nur dadurch, dass der elektromagnetische Antrieb 2 anstelle zweier Elektromagnete 4, 5 nur einen einzigen Elektromagnet 4 aufweist. Hier ist dieser einzige Elektromagnet 4 für die Umschaltbewegung des permanentmagnetischen Ankers 24 verantwortlich.
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Die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 gemachten Ausführungen bezüglich des ersten Elektromagneten 4 und dessen Interaktion mit dem Anker 24 gelten für das Ausführungsbeispiel der 6 bis 10 und dessen einzigen Elektromagnet 4 entsprechend. In den 6 bis 10 sind daher solche Bestandteile, die Bestandteilen des Ausführungsbeispiels der 1 bis 5 entsprechen, mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Die zum Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 gemachten Ausführungen gelten in entsprechender Weise für das Ausführungsbeispiel der 1 bis 10.
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Beim Ausführungsbeispiel der 6 bis 10 zeigt die 6 eine der 1 entsprechende erste Schaltstellung im deaktivierten Zustand des ersten Elektromagneten 4, der hier der einzige Elektromagnet ist. Die 7 zeigt einen der 2 entsprechenden Betriebszustand und die 8 zeigt einen der 4 entsprechenden Betriebszustand, allerdings jeweils ohne einen zweiten Elektromagnet 5, sodass die elektromagnetische Stellkraft 26 ausschließlich durch den ersten und einzigen Elektromagnet 4 erzeugt wird.
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Der in 9 illustrierte Betriebszustand entspricht demjenigen der 5, wobei der erste, einzige Elektromagnet 4 deaktiviert ist und die zweite Schaltstellung des Ankers 24 nur durch die permanentmagnetische Anziehungskraft zwischen dem ersten Ankerpol 27 und dem die zweite Polfläche 23 definierenden Abschnitt der Flussleitstruktur 14 erzeugt ist.
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Die 10 zeigt einen Betriebszustand, bei dem der erste und einzige Elektromagnet 4 im Vergleich zum Umschaltvorgang der 7 und 8 in entgegengesetzter Richtung bestromt ist, sodass der entstehende zweite Elektromagnetpol 16 ein bezüglich des ersten Ankerpols 27 gleichnamiger Magnetpol ist. Die daraus resultierende Abstoßung führt zu einer elektromagnetischen Stellkraft 26 in Richtung zur ersten Polfläche 22. Je weiter sich der Anker 24 dabei an die erste Polfläche 22 annähert, desto stärker wird die Anziehungskraft zwischen dem ersten Ankerpol 27 und dem diesbezüglich entgegengesetzt polarisierten ersten Elektromagnetpol 15, sodass der Anker 24 zunehmend stärker angezogen wird. Parallel wirkt als weitere Anziehungskraft eine Magnetkraft zwischen dem zweiten Elektromagnetpol 16 und dem sich daran annähernden, entgegengesetzt polarisierten zweiten Ankerpol 28.
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Die 11 und 12 zeigen zwei abgewandelte Ausführungsformen je eines elektromagnetischen Antriebes 2 und eines damit ausgestatteten Ventils 1, die abgesehen von der Formgebung der Spulen 7 und der daraus resultierenden Zuordnung zu der ersten Polfläche 22 identisch ausgebildet sind wie das Ausführungsbeispiel der 1 bis 5. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind in den beiden 11 und 12 daher nur die Wesentlichen Bezugszeichen enthalten.
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Beiden Ausführungsbeispielen der 11 und 12 ist gemeinsam, dass mindestens eine und bevorzugt jede Spule 7 an der dem zweiten Elektromagnetpol 16 beziehungsweise der den zweiten Elektromagnetpol 16 definierenden zweiten Polfläche 23 zugewandten vorderen Stirnseite 43 eine nach Art eines Innenkonus ausgebildete, konkav konische Vertiefung 44 aufweist. Dies bedeutet, dass der an der vorderen Stirnseite 43 liegende Innendurchmesserbereich 45 der Spule 7 bezüglich des ebenfalls der vorderen Stirnseite 43 zugeordneten Außendurchmesserbereiches 46 axial zurückversetzt ist und einen größeren Abstand zu dem zweiten Elektromagnetpol 16 aufweist als der Außendurchmesserbereich 46.
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Bevorzugt liegt die erste Polfläche 22 auf der axialen Höhe des Innendurchmesserbereiches 45 im Bereich der vorderen Stirnseite 43 und liegt somit axial vertieft innerhalb der Spule 7. Bevorzugt befindet sich die erste Polfläche 22 dadurch am Grund der konischen Vertiefung 44.
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Ein vorteilhafter Effekt dieser Gestaltung besteht darin, dass sich die Spule 7 mit ihrem Außendurchmesserbereich 46 bis hin zu dem Abschnitt der Flussleitstruktur 14 erstrecken kann, der den zweiten Elektromagnetpol 16 beziehungsweise die zweite Polfläche 23 definiert. Dennoch haben die beiden Elektromagnetpole 15, 16 den angestrebten axialen Abstand zueinander in der Hauptachsrichtung 6. Man erreicht damit, dass das durch die Flussleitstruktur 14 geleitete elektromagnetische Magnetfeld nicht teilweise schon in dem zwischen den beiden Elektromagnetpolen 15, 16 liegenden Bereich aus der Flussleitstruktur 14 austritt, sondern in vollem Umfang seinen Weg zum zweiten Elektromagnetpol 16 nimmt, was in einer besonders hohen elektromagnetischen Stellkraft 26 resultiert.
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Besonders einfach realisierbar ist die konische Vertiefung 44 durch eine entsprechende Wicklungsgestalt der Spule 7.
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Die Spule 7 kann in Kombination mit der an der Vorderseite ausgebildeten konischen Vertiefung 44 eine Rückseite 47 haben, die in einer zu der Hauptachse 3 rechtwinkeligen Ebene verläuft. Dies ist bei dem Ausführungsbeispiel der 11 der Fall. Um besonders kompakte Abmessungen des Elektromagneten 4, 5 zu erhalten, besteht aber auch die aus 12 ersichtliche vorteilhafte Möglichkeit, die Spule 7 an ihrer Rückseite mit einer nach Art eines Außenkonus gestalteten, konvex konischen Formgebung 48 zu versehen. Bevorzugt hat in diesem Fall auch der erste axiale Endabschnitt 37 der Flussleitstruktur 14 eine entsprechend konische Formgebung, was insgesamt zu kleineren Außenabmessungen des Antriebes 2 führt.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 10 ist die Spule 7 sowohl an ihrer vorderen Stirnseite 43 als auch an ihrer Rückseite 47 so gestaltet, dass sie in einer zur Hauptachse 3 rechtwinkeligen Ebene abschließt. Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die zur Ausbildung des ersten Elektromagnetpols 15 dienende erste Polfläche 22 zumindest im Wesentlichen bündig mit der vorderen Stirnseite 43 der Spule 7 ausgerichtet ist.
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Ein mit dem elektromagnetischen Antrieb 2 ausgestattetes, zur Steuerung von Fluidströmen geeignetes Ventil 1 hat zweckmäßigerweise ein nur strichpunktiert angedeutetes Ventilgehäuse 52, in dem der Antrieb 2 zumindest partiell untergebracht ist. Die bevorzugt vorhandene Flussleitstruktur 14 kann zumindest partiell ein Bestandteil des Ventilgehäuses 52 sein.
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Das Ventil 1 hat ein zwischen mehreren Schaltstellungen umschaltbares Ventilglied 53, das bei allen Ausführungsbeispielen unmittelbar von dem Anker 24 gebildet ist. Das Ventilglied 53 kann allerdings auch ein bezüglich des Ankers 24 gesondertes Bauteil sein, das antriebsmäßig mit dem Anker 24 gekoppelt ist.
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Das Ventilglied 53 hat mindestens eine Schließfläche 54, die mit einem Ventilsitz 55 zusammenwirken kann, um eine Fluidströmung in dem Ventil 1 zu beeinflussen.
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Exemplarisch mündet zu jeder ersten Polfläche 22 ein Ventilkanal 56, 57 aus, dessen Kanalmündung von einem Ventilsitz 55 umrahmt ist. Der Ventilsitz 55 ist somit in der Hauptachsrichtung 6 orientiert.
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Eine mit dem Ventilsitz 55 zusammenwirkende Schließfläche 54 befindet sich an der axial gegenüberliegenden Stirnseite des exemplarisch von dem Anker 24 gebildeten Ventilgliedes 53.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 5, 11 und 12 enthält das Ventil 1 zwei durch das Ventilglied 53 steuerbare Ventilkanäle 56, 57, von denen ein erster Ventilkanal 56 dem ersten Elektromagnet 4 und ein zweiter Ventilkanal 57 dem zweiten Elektromagnet 5 zugeordnet ist. Hiervon unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der 5 bis 10, das über nur einen ersten Ventilkanal 56 und dementsprechend auch über nur eine gegenüberliegende Schließfläche 54 am Ventilglied 53 verfügt.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 5, 11 und 12 liegt das Ventilglied 53 in jeder Schaltstellung mit einer seiner Schließflächen 54 am gegenüberliegenden Ventilsitz 55 an und sperrt somit den zugehörigen Ventilkanal 56 oder 57 ab. Hier handelt es sich also bei beiden geschilderten Schaltstellungen des Ankers 24 um je eine Schließstellung bezüglich eines der Ventilkanäle 56 oder 57. Hiervon abweichend repräsentiert beim Ausführungsbeispiel der 6 bis 10 nur die erste Schaltstellung eine Schließstellung, in der der einzige Ventilkanal 56 durch das Ventilglied 53 verschlossen ist.
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Der in einer Schaltstellung des Ventilgliedes 53 abgesperrte Ventilkanal 56 oder 57 ist in der jeweils anderen Schaltstellung des Ventilgliedes 53 offen und kann mit einer Ventilkammer 58 des Ventils 1 kommunizieren, die zweckmäßigerweise ständig mit einem weiteren, nicht steuerbaren Ventilkanal 62 in Verbindung steht. Somit besteht die Möglichkeit, abhängig von der Schaltstellung des Ventilgliedes 53 beziehungsweise des Ankers 24 einen der Ventilkanäle 56, 57 mit dem weiteren Ventilkanal 32 zu verbinden oder diesbezüglich abzutrennen.
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Beim Ausführungsbeispiel der 6 bis 10 ist eine 2/2-Ventilfunktion möglich. Abhängig von der eingenommenen Schaltstellung des Ventilgliedes 53 ist hier der eine Ventilkanal 56 entweder mit dem weiteren Ventilkanal 62 verbunden oder von dem weiteren Ventilkanal 62 abgetrennt. Die anderen Ausführungsbeispiele erlauben jeweils die Umsetzung einer 3/2-Ventilfunktion, wobei der weitere Ventilkanal 62 abhängig von der eingenommenen Schaltstellung des Ventilgliedes 53 entweder mit dem einen oder anderen Ventilkanal 56, 57 verbunden und gleichzeitig vom jeweils anderen Ventilkanal 56,5 57 abgetrennt ist.
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Bei allen illustrierten Ausführungsbeispielen bildet der Polabschnitt 18 der Flussleitstruktur 14 einen den Ventilsitz 55 aufweisenden Ventilsitzkörper 63. Hiervon abweichend kann der Ventilsitz 55 allerdings auch an einer anderen Komponente des Ventils 1 ausgebildet sein.
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Bei den illustrierten Ausführungsbeispielen sind die Ventile 1 mit einer hartdichtenden Schließfunktion ausgebildet. Hier liegt der Anker 24 in der Schließstellung direkt an dem als Bestandteil des Polabschnittes 18 ausgebildeten Ventilsitz 55 an. Damit verbunden ist der Vorteil, dass ein unmittelbarer magnetisch leitender Kontakt vorliegt, was die Ausbildung einer größtmöglichen magnetischen Anziehungskraft gestattet. Abweichend hiervon besteht allerdings auch die Möglichkeit zur Realisierung einer weichdichtenden Variante, bei der zwischen dem Ventilschieber 53 und dem Ventilsitz 55 ein elastisches Dichtmaterial angeordnet ist oder der Ventilsitz 55 unmittelbar selbst aus einem gummielastischen Dichtungsmaterial besteht.
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Gemäß nicht illustrierter Ausführungsbeispiele kann der elektromagnetische Antrieb zusätzlich zu den beiden Elektromagneten 4, 5 mindestens eine bestrombare Zusatzspule aufweisen, die axial beabstandet zu den beiden Elektromagneten 4, 5 zwischen diesen beiden Elektromagneten 4, 5 angeordnet ist. Dadurch lassen sich sehr einfach weitere Schaltstellungen des Ankers 24 verwirklichen, in denen der Anker 24 durch Magnetkraft axial unbeweglich fixiert ist. Man hat dann insbesondere die Möglichkeit, zusätzlich zu zwei von den beiden Elektromagneten 4, 5 definierbaren End-Schaltstellungen eine oder mehrere Zwischenschaltstellungen des permanentmagnetischen Ankers 24 vorzugeben. In Verbindung damit lassen sich beispielsweise auch Ventile 1 realisieren, dessen Ventilglied 53 in mehr als zwei Schaltstellungen magnetisch positionierbar ist.
