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Die Erfindung geht aus von einem stromlos geschlossenen Stellventil nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Bremssystem für ein Fahrzeug mit mindestens einem solchen stromlos geschlossenen Stellventil.
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Bei hydraulischen Bremssystemen mit ESP-Funktionalität (ESP: Elektronisches Stabilitätsprogramm) werden für verschiedene Funktionen stetig stellbare Magnetventile verwendet, bei denen ein gewünschter Ventilhub über ein Kräftegleichgewicht zwischen Federkraft und Hydraulikkraft einerseits und Magnetkraft andererseits eingestellt wird. Bisher basieren diese Stellventile in der Regel auf einem stromlos offenen Sitzventil, da Stellventile, welche auf einem stromlos geschlossenen Sitzventil basieren, aufgrund der Eigenschaft, dass der Anstieg der Federkraft über dem Hub immer größer als der Anstieg der Magnetkraft sein muss, sehr aufwändig zu bauen sind. Das bedeutet, dass eine deutlich höhere Mindestfedersteifigkeit als bei stromlos offenen Stellventilen erforderlich ist, welche grundsätzlich auch ganz ohne Rückstellfeder auskommen können. Ferner ist der Magnetkraftverlauf üblicherweise deutlich progressiv, weshalb sehr steife und/oder progressive Federelemente als Rückstellfedern eingesetzt werden. Dadurch ergeben sich bei der Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten stromlos geschlossenen Stellventile deutlich höhere Kosten als bei der Herstellung von stromlos offenen Stellventilen.
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Des Weiteren geht bei den aus dem Stand der Technik bekannten stromlos geschlossenen Stellventilen etwa die Hälfte der zur Verfügung stehenden Magnetkraft verloren, weil die Federvorspannung den kompletten Öffnungsdruck vorhält. Auch wenn keine Fluidkraft anliegt, ist die Magnetbaugruppe so stark ausgeführt, dass das Stellventil gegen die Federvorspannung und alle weiteren Betätigungskräfte vollständig geöffnet werden kann. Üblicherweise ist dies der Arbeitspunkt, an dem die Magnetkraft bei großem Arbeitsluftspalt am niedrigsten ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das stromlos geschlossene Stellventil mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass es ähnlich einfach zu fertigen ist, wie die aus dem Stand der Technik bekannten stromlos offenen Stellventile. Hierbei wird bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stellventils eine Schließkraft, welche den stromlos geschlossenen Zustand des Stellventils bewirkt, nicht über eine Feder, sondern über einen Permanentmagneten aufgebracht. Hierzu kann ein beliebiger Teil bzw. eine beliebige Komponente des Magnetkreises dauermagnetisch bzw. als Permanentmagnet ausgeführt werden. Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stellventils werden dadurch geöffnet, dass über die Magnetbaugruppe ein Magnetfeld dergestalt erzeugt wird, dass der wirksame magnetische Fluss durch den Arbeitsluftspalt reduziert wird. Das bedeutet, dass das von der Magnetbaugruppe erzeugte Magnetfeld gegen das dauerhafte Magnetfeld des Permanentmagneten wirkt, so dass der wirksame Anteil der dauerhaften Magnetkraft des Permanentmagneten im Arbeitsluftspalt reduziert werden kann, bis das dauerhafte Magnetfeld des Permanentmagneten vollständig aus dem Arbeitsluftspalt verdrängt ist. Die im Arbeitsluftspalt wirksame Magnetkraft setzt sich aus der stromabhängigen Magnetkraft des von der Magnetbaugruppe erzeugten Magnetfelds und aus der dauerhaften Magnetkraft des Permanentmagneten zusammen.
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Je nach Ausgestaltung kann der im Arbeitsluftspalt wirkende Anteil der dauerhaften Magnetkraft des Permanentmagneten durch eine weitere Erhöhung der Bestromung der Magnetbaugruppe nicht nur aufgehoben werden, sondern auch negativ werden, so dass sich am Arbeitsluftspalt vorliegende gleiche magnetische Pole abstoßen. Bei entsprechender Konstruktion könnte die Schließkraft durch Rückwärtsbestromung weiter erhöht werden, was den Arbeitsbereich des Stellventils vergrößern könnte. Eine besonders einfache und kostengünstige Ausführung des erfindungsgemäßen Stellventils kann dadurch erreicht werden, dass ein aus dem Stand der Technik bekanntes stromlos offenes Stellventil verwendet wird, bei welchem nur ein Bauteil zumindest teilweise als Permanentmagnet ausgeführt wird. Dann wäre der größte Teil der Ventilentwicklung wiederverwendbar, so dass es möglich ist, stromlos offene Stellventile und stromlos geschlossene Stellventile auf der gleichen Produktionslinie zu fertigen. Dadurch ermöglicht die Verwendung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen stromlos geschlossenen Stellventils bei einem hydraulischen Bremssystem Einsparpotential durch Vereinheitlichung der verwendeten Ventiltypen und Reduzierung der Variantenvielfalt von Ventiltypen im Baukasten für die Hydraulikeinheit.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein stromlos geschlossenes Stellventil mit einer Magnetbaugruppe, welche eine in einem Gehäusemantel angeordnete elektrische Spule und eine den Gehäusemantel abschließende Abdeckscheibe umfasst, und einer als an einem Ende offene Kapsel ausgebildete Führungshülse zur Verfügung, in welcher ein Ventileinsatz fest und ein Ventilanker axial verlagerbar angeordnet sind. Der bewegliche Ventilanker, der Ventileinsatz, der Gehäusemantel und die Abdeckscheibe bilden einen Magnetkreis aus. Die elektrische Spule erzeugt im bestromten Zustand eine den Ventilanker antreibende stromabhängige Magnetkraft, wobei der Ventilanker ein Schließelement während einer Schließbewegung in Richtung eines Ventilsitzes drängt und während einer Öffnungsbewegung aus dem Ventilsitz abhebt. Hierbei ist mindestens eine Komponente des Magnetkreises zumindest teilweise als Permanentmagnet ausgebildet. Der mindestens eine Permanentmagnet erzeugt einen dauerhaften Magnetfluss und eine dauerhafte Magnetkraft im Magnetkreis, welche den Ventilanker im stromlosen Zustand gegen eine in Öffnungsrichtung wirksame Fluidkraft in Schließrichtung in Richtung Ventileinsatz bewegt und einen Arbeitsluftspalt zwischen dem Ventilanker und dem Ventileinsatz reduziert, bis das Schließelement dichtend im Ventilsitz anliegt.
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Vorzugsweise werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen stromlos geschlossenen Stellventils in Bremssystemen für Fahrzeuge eingesetzt, welche eine Fluideinheit und mehrere Radbremsen umfassen. Hierbei weist die Fluideinheit mindestens einen Bremskreis auf, welcher mindestens ein Magnetventil umfasst und eine radindividuelle Bremsdruckregelung durchführt.
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Als mindestens eine Komponente des Magnetkreises, welche zumindest teilweise als Permanentmagnet ausgeführt ist, kann beispielsweise der bewegliche Ventilanker oder der Ventileinsatz oder der Gehäusemantel oder die Abdeckscheibe gewählt werden. Zudem sind Kombinationen von mehreren magnetischen Permanentmagneten möglich. Selbstverständlich können bei allen Ausführungsformen auch der magnetische Nordpol und der magnetische Südpol vertauscht werden, wobei dann auch die Richtung des Stromflusses durch die Spule umgekehrt wird. Ist die mindestens eine Komponenten nur teilweise als Permanentmagnet ausgeführt, dann kann die Lage des Permanentmagneten in der mindestens einen Komponenten an beliebiger Stelle sein und auch bis zur Grenze zu einer anderen Komponente des Magnetkreises reichen. Je nach Lage zum Arbeitsluftspalt kann die Charakteristik des Stellventils unterschiedlich vorgegeben werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen stromlos geschlossenen Stellventils möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die elektrische Spule in Abhängigkeit des Stromflusses ein Magnetfeld erzeugen kann, dessen stromabhängige Magnetkraft gegen die dauerhafte Magnetkraft des mindestens einen Permanentmagneten wirken kann, so dass sich der Ventilanker mit dem Schließelement in Öffnungsrichtung bewegen kann bis sich ein Kräftegleichgewicht zwischen den in Öffnungsrichtung wirkenden Öffnungskräften und den in Schließrichtung wirkenden Schließkräften einstellt. Dadurch kann in Abhängigkeit der Stromstärke der bestromten Magnetbaugruppe in vorteilhafter Weise eine beliebige axiale Position des beweglichen Ventilankers zwischen einer vollständig geschlossenen Endstellung und einer vollständig offenen Endstellung des Stellventils vorgegeben werden, so dass eine Regelung des erforderlichen Kräftegleichgewichts zwischen Fluidkraft einerseits und wirksamer Magnetkraft andererseits für eine gewünschte gehaltene axiale Position in vorteilhafter Weise erleichtert werden kann. Dadurch sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen stromlos geschlossenen Stellventils in vorteilhafter Weise in der Lage, Volumenströme im korrespondierenden Fluidsystem, insbesondere in einem hydraulischen Bremssystem, genau einzustellen. Wird der Stromfluss durch die Spulenwicklung erhöht, dann wird auch die von der Magnetbaugruppe erzeugte Magnetfeldstärke erhöht und die dauerhafte Magnetfeldstärke des mindestens einen Permanentmagneten entsprechend aus dem kraftwirksamen Arbeitsluftspalt verdrängt, so dass der Ventilanker mit Schließelement aufgrund der im Magnetventil wirkenden Fluidkraft in Öffnungsrichtung verschoben wird. Wird der Stromfluss durch die Spulenwicklung reduziert, dann wird auch die von der Magnetbaugruppe erzeugte Magnetfeldstärke reduziert und der Ventilanker mit Schließelement wird durch die in den Arbeitsluftspalt zurückdrängende dauerhafte Magnetfeldstärke des mindestens einen Permanentmagneten gegen die im Magnetventil wirkenden Fluidkraft in Schließrichtung verschoben.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des stromlos geschlossenen Stellventils kann der Ventilanker zwischen dem Ventileinsatz und dem geschlossenen Ende der Führungshülse angeordnet werden und an seiner ersten Stirnseite einen Stößel aufweisen, welcher in einer Durchgangsöffnung des Ventileinsatzes geführt ist und an dessen vom Ventilanker abgewandten Seite das Schließelement angeordnet ist. An einem zweiten Ende des Ventileinsatzes kann ein Ventilkörper mit einer Durchgangsbohrung in die Durchgangsöffnung des Ventileinsatzes eingeführt werden, wobei der Ventilsitz am Rand der Durchgangsbohrung im Ventilkörper ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das stromlos geschlossene Stellventil auf einem stromlos offenen Magnetventil basiert und die Führungshülse mit ihrem offenen Ende auf den Ventileinsatz aufgeschoben werden kann. Die Magnetbaugruppe kann dann auf ein geschlossenes Ende der Führungshülse aufgeschoben werden. Somit ergibt sich ein stellbares Magnetventil ohne Polkern, wodurch sich eine Gewichtsreduzierung ergibt. Der Ventilkörper kann beispielsweise als haubenförmige Ventilhülse ausgeführt werden, an deren geschlossenem Ende der Ventilsitz am Rand der Durchgangsbohrung ausgebildet ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des stromlos geschlossenen Stellventils kann sich der Ventilanker auf einer Rückstellfeder abstützen, so dass die Federkraft der Rückstellfeder die Öffnungsbewegung unterstützt und in Öffnungsrichtung wirkt. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich das Kräftegleichgewicht zwischen den in Öffnungsrichtung wirkenden Öffnungskräften, welche die durch Bestromung der Magnetbaugruppe erzeugte Magnetkraft, die im Stellventil wirkende Fluidkraft und die Federkraft der Rückstellfeder umfassen, und den in Schließrichtung wirkenden Schließkräften, welche hier nur die dauerhafte Magnetkraft des mindestens einen Permanentmagneten umfassen. Die Rückstellfeder kann beispielsweise in der Durchgangsöffnung des Ventileinsatzes angeordnet werden und sich an einem Ende auf einer Federauflage abstützen und am anderen Ende auf den Ventilanker wirken. Hierbei können der Ventilanker und der Stößel einteilig oder mehrteilig ausgeführt werden. Bei der mehrteiligen Ausführung kann der Stößel als Kunststoffspritzteil ausgeführt werden, welches fest mit dem Ventilanker verbunden oder lose mit dem Ventilanker gekoppelt werden kann. Zudem kann das vom Ventilanker abgewandte Ende des Stößels als Schließelement ausgebildet werden. Alternativ kann das Schließelement mit dem Stößel verbunden werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des stromlos geschlossenen Stellventils kann der zumindest teilweise als Permanentmagnet ausgebildete Ventilanker und/oder der zumindest teilweise als Permanentmagnet ausgebildete Ventileinsatz und/oder der zumindest teilweise als Permanentmagnet ausgebildete Gehäusemantel beispielsweise in Axialrichtung magnetisiert werden. Die die zumindest teilweise als Permanentmagnet ausgebildete Abdeckscheibe kann radial magnetisiert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des stromlos geschlossenen Stellventils kann der Ventilanker einen als Permanentmagnet ausgebildeten Abschnitt aufweisen, wobei zumindest zwischen dem als Permanentmagnet ausgebildeten Abschnitt und einem dem Ventileinsatz zugewandten Ende des Ventilankers ein weichmagnetischer Abschnitt angeordnet werden kann. Da eine maximale magnetische Flussdichte in technisch relevanten magnetisierbaren bzw. weichmagnetischen Materialien deutlich größer als in dem mindestens einen Permanentmagneten ist, kann der weichmagnetische Abschnitt im Ventilanker am Übergang zum Arbeitsluftspalt den magnetischen Fluss im Ventilanker bündeln und damit die maximale dauerhafte Magnetkraft erhöhen, da die Ventileinheit am Übergang zum Arbeitsluftspalt auch den Ventilstößel aufnimmt und daher weniger Polfläche als der Ventilanker aufweist. Steht der als Permanentmagnet ausgeführte Teil des Ventilankers über den Gehäusemantel der Magnetbaugruppe hinaus, dann kann ein dortiger magnetischer Streufluss ungewollte Kräfte erzeugen. Dies kann dadurch verhindert werden, dass der entsprechende Teil weichmagnetisch oder unmagnetisch ausgeführt wird. Daher kann der als Permanentmagnet ausgebildete Abschnitt in vorteilhafter Weise zwischen zwei weichmagnetischen Abschnitten oder zwischen einem weichmagnetischen Abschnitt und einem unmagnetischen Abschnitt angeordnet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische perspektivische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen stromlos geschlossenen Stellventils in seiner Geschlossenstellung.
- 2 zeigt eine schematische perspektivische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen stromlos geschlossenen Stellventils aus 1 in seiner Offenstellung.
- 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Komponenten eines Magnetkreises für das stromlos geschlossene Stellventil aus 1 und 2.
- 4 bis 11 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für den Magnetkreis aus 3.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen stromlos geschlossenen Stellventils 1 eine Magnetbaugruppe 20, welche eine in einem haubenförmigen Gehäusemantel 21 angeordnete elektrische Spule 22 und eine den Gehäusemantel 21 am offenen Ende abschließende Abdeckscheibe 23 umfasst, und eine als an einem Ende offene Kapsel ausgebildete Führungshülse 4, in welcher ein Ventileinsatz 2 fest und ein Ventilanker 10 axial verlagerbar angeordnet sind. Der bewegliche Ventilanker 10, der Ventileinsatz 2, der Gehäusemantel 21 und die Abdeckscheibe bilden 23 einen Magnetkreis 26 aus. Die elektrische Spule 22 erzeugt im bestromten Zustand eine den Ventilanker 10 antreibende stromabhängige Magnetkraft, wobei der Ventilanker 10 ein Schließelement 14 während einer Schließbewegung in Richtung eines Ventilsitzes 6.1 drängt und während einer Öffnungsbewegung aus dem Ventilsitz 6.1 abhebt. Hierbei ist mindestens eine Komponente des Magnetkreises 26 zumindest teilweise als Permanentmagnet 9 ausgebildet, wobei der mindestens eine Permanentmagnet 9 einen dauerhaften Magnetfluss und eine dauerhafte Magnetkraft im Magnetkreis 26 erzeugt, welche den Ventilanker 10 im stromlosen Zustand gegen eine in Öffnungsrichtung wirksame Fluidkraft in Schließrichtung in Richtung Ventileinsatz 2 bewegt und einen Arbeitsluftspalt 3 zwischen dem Ventilanker 10 und dem Ventileinsatz 2 reduziert, bis das Schließelement 14 dichtend im Ventilsitz 6.1 anliegt. Der stromlose Geschlossenzustand des Stellventils 1, in welcher das Schließelement dichtend im Ventilsitz 6.1 anliegt, ist in 1 dargestellt.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die elektrische Spule 22 eine Spulenwicklung 22.1, vorzugsweise aus Kupferdraht, welche auf einen Wicklungskörper 22.2 aufgewickelt ist. Die Spulenwicklung 22.1 ist an ihren Enden jeweils mit einem elektrischen Anschluss 24 verbunden, über welche die Spule 22 bzw. die Spulenwicklung 22.1 bestromt werden kann. Die elektrische Spule 22 erzeugt in Abhängigkeit des Stromflusses ein Magnetfeld 25, dessen stromabhängige Magnetkraft gegen die dauerhafte Magnetkraft des mindestens einen Permanentmagneten 9 wirkt, so dass sich der Ventilanker 10 mit dem Schließelement 14 in Öffnungsrichtung bewegt bis sich ein Kräftegleichgewicht zwischen den in Öffnungsrichtung wirkenden Öffnungskräften und den in Schließrichtung wirkenden Schließkräften einstellt. 2 zeigt eine Offenstellung, welche einer maximal möglichen Offenstellung des Stellventils 1 entspricht.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist die Magnetbaugruppe 20 auf die Führungshülse 4 aufgeschoben. Der Ventilanker 10 ist zwischen dem Ventileinsatz 2 und dem geschlossenen Ende der Führungshülse 4 angeordnet und weist seiner ersten Stirnseite einen Stößel 12 auf, welcher in einer Durchgangsöffnung 2.1 des Ventileinsatzes 2 geführt ist und an dessen vom Ventilanker 10 abgewandten Seite das Schließelement 14 angeordnet ist. An einem zweiten Ende des Ventileinsatzes 2 ist ein als Ventilhülse 6A ausgeführter Ventilkörper 6 mit einer Durchgangsbohrung 6.2 in die Durchgangsöffnung 2.1 des Ventileinsatzes 2 eingeführt, wobei der Ventilsitz 6.1 am Rand der Durchgangsbohrung 6.2 im Ventilkörper 6 ausgebildet ist. Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist der Ventilsitz 6.1 zwischen mindestens einer ersten Strömungsöffnung 7.1 und mindestens einer zweiten Strömungsöffnung 7.2 angeordnet. Zudem ist das Stellventil 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Verstemmscheibe 5 mit einer gestuften Aufnahmebohrung 31 eines Fluidblocks 30 verstemmt, welcher mehrere Fluidkanäle 32, 33 aufweist. Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist eine erste Strömungsöffnung 7.1 an einem Ventilunterteil 34 mit einem nicht näher dargestellten Flachfilter angeordnet und wird durch die haubenförmige Ventilhülse 6A und die Durchgangsbohrung 6.2 fortgesetzt, an deren innerem Rand der Ventilsitz 6.1 als Hohlkegel ausgebildet ist. Die mindestens eine zweite Strömungsöffnung 7.2 ist als Radialbohrung in eine seitliche Mantelfläche des Ventileinsatzes 2 eingebracht. Im Bereich der zweiten Strömungsöffnungen 7.2 ist ein Radialfilter 35 angeordnet.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, sind der Ventilanker 10 und der Stößel 12 im dargestellten Ausführungsbeispiel als separate Teile ausgeführt, welche lose miteinander gekoppelt sind. Hierbei weist der als Kunststoffteil ausgeführte Stößel 12 mehrere als Axialnuten ausgeführte Ausgleichsnuten 16 auf, welche einen Druckausgleich zwischen dem, dem Ventilsitz 6.1 zugewandten Schließelement 14 des Stößels 12 und einem Arbeitsluftspalt 3 zwischen Ventilanker 10 und Ventileinsatz 2 ermöglichen. Das Schließelement 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als an den Stößel 12 angeformte Kugelkalotte ausgebildet.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel des stromlos geschlossenen Stellventils 1 eine Rückstellfeder 8 in der Durchgangsöffnung 2.1 des Ventileinsatzes 2 angeordnet. Eine Federauflage 2.2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Ring ausgeführt, welcher in die Durchgangsöffnung 2.2 des Ventileinsatzes 2 eingeschoben ist. wird. Alternativ kann die Federauflage einstückig mit dem Ventileinsatz 2 ausgeführt und an diesen angeformt werden. Die Rückstellfeder 8 stützt sich an einem Ende auf der Federauflage 2.2 ab und wirkt am anderen Ende auf den Ventilanker 10. Der Ventilanker 10 stützt sich auf der Rückstellfeder 8 ab, so dass die Federkraft der Rückstellfeder 8 die Öffnungsbewegung unterstützt und in Öffnungsrichtung wirkt.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, umfasst der Magnetkreis 26 den beweglichen Ventilanker 10, den Ventileinsatz 2, den Gehäusemantel 21 und die Abdeckscheibe 23. Zumindest eine dieser Komponenten ist teilweise als Permanentmagnet 9 ausgeführt. Die anderen Komponenten sind zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt. Durch den Magnetkreis 26 soll der bewegliche Ventilanker 10 bei Bestromung der Spule 22 eine Kraft erfahren. Der Ventileinsatz 2 bildet als feststehende Komponenten des Magnetkreises 26 ein Polteil aus, zwischen dem und dem Ventilanker die Kraft erzeugt werden soll. Somit bilden die einander zugewandten Flächen des Ventilankers 10 und des Ventileinsatzes 2 Polflächen aus, welche sich im Arbeitsluftspalt 3 gegenüberstehen. Die Abdeckscheibe 24 und der Gehäusemantel 21 schließen den Magnetkreis 26, indem sie Magnetfeldlinien aus den Polflächen aufnehmen und um die Spule 22 herum wieder in den Ventilanker 10 leiten. Diese Zweiteilung hat sich als praktisch erwiesen. Selbstverständlich sind auch andere geeignete Ausführungsformen denkbar. Die Führungshülse 4 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem unmagnetischen Werkstoff und sorgt für eine Abdichtung des Stellventils 1. Aus Magnetkreissicht ist die Führungshülse 3 unerwünscht.
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Die Schließkraft wird bei Ausführungsformen des stromlos geschlossenen Stellventils nicht über die Rückstellfeder 8, sondern über den mindestens einen Permanentmagneten 9 aufgebracht. Hierzu kann ein beliebiger Teil des Magnetkreises 26 dauermagnetisch ausgeführt sein. Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des stromlos geschlossenen Stellventils 1 ist der Ventilanker 10 zumindest teilweise als Permanentmagnet 9 ausgeführt. Hierbei ist ein magnetischer Nordpol N des Permanentmagneten 9 an einem dem Arbeitsluftspalt 2 und dem Ventileinsatz 2 zugewandten Ende des Ventilankers 10 ausgebildet und ein magnetischer Südpol S des Permanentmagneten 9 ist an einem dem Arbeitsluftspalt 2 und dem Ventileinsatz 2 abgewandten Ende des Ventilankers 10 ausgebildet. Dadurch entsteht im unbestromten Zustand an einem dem Arbeitsluftspalt 3 zugewandten Ende des Ventileinsatzes 2 ein magnetischer Südpol S, so dass sich der Ventilanker 10 und der Ventileinsatz 2 im unbestromten Zustand anziehen und der Arbeitsluftspalt 3 einen minimalen Wert aufweist und das Schließelement 14 dichtend im Ventilsitz 6.1 anliegt, wie aus 1 ersichtlich ist. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, wird zum Öffnen des Stellventils 1 über die Spule 22 der Magnetbaugruppe 20 ein Magnetfeld 25 dergestalt erzeugt, dass der dauerhafte magnetische Fluss, welcher durch den mindestens einen Permanentmagneten 9 erzeugt wird, im Arbeitsluftspalt 3 reduziert wird, da das von der Magnetbaugruppe 20 erzeugte Magnetfeld 25 gegen das dauerhafte Magnetfeld des Permanentmagneten 9 wirkt, so dass der wirksame Anteil der dauerhaften Magnetkraft des Permanentmagneten 9 im Arbeitsluftspalt 3 reduziert wird, bis das dauerhafte Magnetfeld des Permanentmagneten 9 vollständig aus dem Arbeitsluftspalt 3 verdrängt ist. Die im Arbeitsluftspalt 3 wirksame Magnetkraft setzt sich aus der stromabhängigen Magnetkraft des von der Magnetbaugruppe 20 erzeugten Magnetfelds 25 und aus der dauerhaften Magnetkraft des Permanentmagneten 9 zusammen. Je nach Ausgestaltung kann die Wirkung der dauerhaften Magnetkraft des Permanentmagneten 9 im Arbeitsluftspalt 3 durch eine weitere Erhöhung der Bestromung nicht nur aufgehoben werden, sondern auch eine wirksame negative Magnetkraft im Arbeitsluftspalt 3 erzeugt werden, da sich gleiche magnetische Pole abstoßen. Zudem könnte die Schließkraft des Stellventils 1 bei Bedarf durch Rückwärtsbestromung der Spule 22 weiter erhöht werden, was den Arbeitsbereich des Stellventils vergrößern könnte.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf 4 bis 11 verschiedene Ausführungsvarianten des Magnetkreises 26 beschrieben, bei welchen die mindestens eine Komponente vollständig (4, 6, 8, 10) oder teilweise (5, 7, 9, 11) als Permanentmagnet 9 ausgeführt ist. Zudem sind nicht dargestellte Kombinationen mit mehreren magnetischen Komponenten im Magnetkreis 26 möglich. Selbstverständlich können bei allen Ausführungsbeispielen der magnetische Nordpol N und der magnetische Südpol S vertauscht werden, wobei dann auch die Richtung des Stromflusses durch die Spule 22 umgekehrt wird. Bei Ausführungsbeispielen mit nur teilweise magnetischen Komponenten kann die Lage des Permanentmagneten in der Komponente an beliebiger Stelle sein und auch bis zur Grenze zu einer anderen Komponente reichen. Je nach Lage zum Arbeitsluftspalt 3 können unterschiedliche Charakteristiken für das Stellventil 1 vorgegeben werden. Falls es zum Schutz des Permanentmagneten 9 oder aus anderen Gründen sinnvoll sein sollte, den Permanentmagneten 9 zu beschichten oder ein- oder beidseitig einzufassen, dann sollte das umgebende Material sinnvollerweise nicht magnetisierbar bzw. nicht weichmagnetisch sein, um Kraftverluste durch magnetischen Kurzschluss zu vermeiden. Sollte sich ein magnetischer Kurzschluss nicht vermeiden lassen, so sollte das Material so dünn wie möglich gestaltet werden, um Sättigung im Kurzschluss zu erreichen.
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Wie aus 4 und 5 weiter ersichtlich ist, ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen des Magnetkreises 26A, 26B der Ventilanker 10 zumindest teilweise als Permanentmagnet 9A, 9B ausgebildet. Hierbei zeigt 4 ein erstes Ausführungsbeispiel des Magnetkreises 26A mit einem vollständig als Permanentmagnet 9A ausgebildeten Ventilanker 10, welcher in axialer Richtung magnetisiert ist, wobei der magnetische Nordpol N an dem, dem Ventileinsatz 2 zugewandten Ende und der magnetischen Südpol S an dem, dem Ventileinsatz 2 abgewandten Ende des Ventilankers 10 ausgebildet ist. 5 zeigt ein besonders günstiges zweites Ausführungsbeispiel des Magnetkreises 26B, bei welchem der Ventilanker 10 einen als Permanentmagnet 9B ausgebildeten Abschnitt aufweist, welcher ebenfalls in axialer Richtung magnetisiert ist, wobei der magnetische Nordpol N in Richtung Ventileinsatz 2 und der magnetischen Südpol S in entgegengesetzter Richtung ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem als Permanentmagnet 9B ausgebildeten Abschnitt und dem, dem Ventileinsatz 2 zugewandten Ende des Ventilankers 10 ein erster weichmagnetischer Abschnitt 18.1 angeordnet. Die maximale magnetische Flussdichte ist in technisch relevanten magnetisierbaren bzw. weichmagnetischen Materialien deutlich größer als im Permanentmagneten 9B. Da der Ventileinsatz 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel auch den Stößel 12 bzw. eine hydraulische Betätigungseinheit aufnimmt, weist dieser weniger wirksame Polfläche als der Ventilanker10 auf. Der erste weichmagnetische Abschnitt 18.1 des Ventilankers 10 bündelt auf Polflächenseite den magnetischen Fluss im Ventilanker 10 und erhöht damit die maximale Magnetkraft.
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Das vom Ventileinsatz 2 abgewandte Ende des Ventilankers 10 ist als zweiter weichmagnetischer Abschnitt 18.2 ausgeführt. Dadurch ist der als Permanentmagnet 9B ausgebildete Abschnitt im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen zwei weichmagnetischen Abschnitten 18.1, 18.2 angeordnet. Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das dem Ventileinsatz 2 abgewandte Ende des Ventilankers 10 als unmagnetischer Abschnitt ausgebildet werden. Steht der permanentmagnetische Anteil des Ventilankers 10 über den Gehäusemantel 21 heraus, erzeugt der dortige magnetische Streufluss ungewollte Kräfte. Dies wird verhindert, wenn der entsprechende Teil des Ventilankers 10 weichmagnetisch oder nichtmagnetisch ausgeführt ist. Eine Umkehrung des Stromes durch die Spule 22 kann bei diesem Ausführungsbeispiel bei entsprechender Auslegung abstoßende Kräfte verursachen und einen erweiterten Betriebsbereich ermöglichen.
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Wie aus 6 und 7 weiter ersichtlich ist, ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen des Magnetkreises 26C, 26D der Ventileinsatz 2 zumindest teilweise als Permanentmagnet 9C, 9D ausgebildet. Hierbei zeigt 6 ein drittes Ausführungsbeispiel des Magnetkreises 26C mit einem vollständig als Permanentmagnet 9C ausgebildeten Ventileinsatz 2, welcher in axialer Richtung magnetisiert ist, wobei der magnetische Nordpol N an dem, dem Ventilanker 10 abgewandten Ende und der magnetischen Südpol S an dem, dem Ventilanker 10 zugewandten Ende des Ventileinsatzes 2 ausgebildet ist. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Magnetkreises 26D, bei welchem der Ventileinsatz 2 einen als Permanentmagnet 9D ausgebildeten Abschnitt aufweist, welcher ebenfalls in axialer Richtung magnetisiert ist, wobei der magnetische Nordpol S in Richtung Ventilanker 10 und der magnetischen Südpol N in entgegengesetzter Richtung ausgebildet ist.
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Wie aus 8 und 9 weiter ersichtlich ist, ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen des Magnetkreises 26E, 26F der Gehäusemantel 21 zumindest teilweise als Permanentmagnet 9E, 9F ausgebildet. Leistungsstarke Permanentmagnete 9 sind in der Regel mechanisch spröde, teilweise auch chemisch angreifbar. Daher weisen diese Ausführungsbeispiele den Vorteil auf, dass der Permanentmagnet 9E, 9F außerhalb der Betriebsflüssigkeit angeordnet und mechanisch ideal vor Stößen durch Betätigung geschützt ist. Hierbei zeigt 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel des Magnetkreises 26E mit einem vollständig als Permanentmagnet 9E ausgebildeten Gehäusemantel 21, welcher in axialer Richtung magnetisiert ist, wobei der magnetische Nordpol N am geschlossenen Ende und der magnetische Südpol S am offenen Ende des Gehäusemantels 21 ausgebildet ist. 9 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des Magnetkreises 26F, bei welchem der Gehäusemantel 21 einen als Permanentmagnet 9F ausgebildeten Abschnitt aufweist, welcher ebenfalls in axialer Richtung magnetisiert ist, wobei der magnetische Nordpol N in Richtung offenes Ende und der magnetischen Südpol S in Richtung geschlossenes Ende des Gehäusemantels 21 ausgebildet ist. Durch den großen Durchmesser des Gehäusemantels 21 im Vergleich zum Ventilanker 10 oder zur Polfläche des Ventileinsatzes 2, kann ein weniger leistungsfähiges Magnetmaterial verwendet werden, das andere mechanische, thermische, preisliche usw. Vorteile aufweist. Zudem kann der Gehäusemantel 21 wie der Ventilanker 10 und der Ventileinsatz 2 in axialer Richtung magnetisiert werden, was technisch einfacher umsetzbar zu sein scheint, als eine radiale Magnetisierung.
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Wie aus 10 und 11 weiter ersichtlich ist, ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen des Magnetkreises 26G, 26H die Abdeckscheibe 23 zumindest teilweise als Permanentmagnet 9G, 9H ausgebildet. Analog zum fünften und sechsten Ausführungsbeispiel weisen diese Ausführungsbeispiele den Vorteil auf, dass der Permanentmagnet 9G, 9H ebenfalls außerhalb der Betriebsflüssigkeit angeordnet und mechanisch ideal vor Stößen durch Betätigung geschützt ist. Hierbei zeigt 10 ein siebtes Ausführungsbeispiel des Magnetkreises 26G mit einer vollständig als Permanentmagnet 9G ausgebildeten Abdeckscheibe 23, welche in radialer Richtung magnetisiert ist, wobei der magnetische Nordpol N außen in Richtung des Gehäusemantels 21 und der magnetische Südpol S innen in Richtung Ventileinsatz 2 ausgebildet ist. 11 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel des Magnetkreises 26H, bei welchem die Abdeckscheibe 23 einen als Permanentmagnet 9H ausgebildeten Abschnitt aufweist, welcher ebenfalls in radialer Richtung magnetisiert ist, wobei der magnetische Nordpol N außen in Richtung des Gehäusemantels 21 und der magnetische Südpol S innen in Richtung Ventileinsatz 2 ausgebildet ist. Durch den großen Durchmesser der Abdeckscheibe 23 im Vergleich zum Ventilanker 10 oder zur Polfläche des Ventileinsatzes 2, kann ein großer und damit leistungsstarker Permanentmagnet 9G, 9H verwendet werden. Da Magnetmaterialien in der Regel mechanisch schwer zu bearbeiten sind, erleichtert die einfache Geometrie der Abdeckscheibe 23 in vorteilhafter Weise die Herstellung des Permanentmagneten 9G, 9H für die Abdeckscheibe 23.
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Ausführungsformen des erfindungsgemäßen stromlos geschlossenen Stellventils 1 können beispielsweise in Bremssystemen für Fahrzeuge eingesetzt werden.
