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Die vorliegende Erfindung betrifft ein pneumatisches Magnetventil sowie eine Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes, die ein derartiges pneumatisches Magnetventil aufweist.
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In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden zur Steuerung von Luftströmen pneumatische Magnetventile verwendet. In diesen Magnetventilen wird mittels einer Magnetspule eine Magnetkraft erzeugt und hierdurch ein Schaltvorgang des Ventils ausgelöst. Ein Anwendungsbereich solcher Magnetventile ist die Befüllung von elastischen Fluidkammern in einer Verstellvorrichtung zum pneumatischen Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche (Bereich der Sitzfläche bzw. Sitzlehne) eines Sitzes in einem Verkehrsmittel, wie z.B. eines Kraftfahrzeugsitzes.
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Häufig muss der Druck in den Fluidkammern nachgeregelt werden. Dies ist einerseits notwendig, da Leckagen im pneumatischen System zu einem Druckverlust in den Fluidkammern führen können. Andererseits muss der Druck in der Fluidkammer aufgrund wechselnder örtlicher Umgebungsbedingungen (Temperatur- und/oder Luftdruckänderungen) kontinuierlich angepasst bzw. nachgeregelt werden. Herkömmliche pneumatische Magnetventile weisen dabei den Nachteil auf, dass das Magnetventil den Fluidanschluss entweder vollständig schließt oder vollständig öffnet. Das führt dazu, dass der Fluidanschluss beim jedem Nachregeln stets vollständig geöffnet wird. Durch das vollständige Öffnen des Fluidanschlusses kommt es zu einer schlagartigen Druckänderung im Inneren des Magnetventils, was sich in einem lauten Schaltgeräusch in der Form eines Klackens äußert, das als störend empfunden wird.
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Aus dem Dokument
DE 10 2008 005 586 A1 ist ein elektromagnetisch steuerbares Ventil zum Steuern von flüssigen oder gasförmigen Medien bekannt. Das Ventil umfasst einen Elektromagnet und mindestens zwei Medienanschlüsse, die von einem Anker geöffnet und geschlossen werden, wobei der Anker aus einem magnetisierbaren Material besteht und kipp- oder verschiebbar in einem Ventilkörpergehäuse aus nichtmagnetischem Material angeordnet ist.
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Ferner offenbart das Dokument
DE 199 27 403 A1 eine verstellbare Rückenlehne mit einem im Lehnenpolster integrierten Formkissen, das mit einem gasförmigen Medium, insbesondere Luft, über ein elektromagnetisches Ventil gesteuert gefüllt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein pneumatisches Magnetventil bereitzustellen, welches geringe Schaltgeräusche bei einer gleichzeitig verbesserten Regelung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein pneumatisches Magnetventil, insbesondere ein pneumatisches Magnetventil für eine Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes, bereitgestellt. Das pneumatische Magnetventil umfasst einen Fluidanschluss, eine Magnetspule, die sich entlang einer Spulenachse erstreckt, ein an der Magnetspule angeordnetes Joch und einen relativ zum Joch bewegbaren Anker. Der Anker erstreckt sich entlang einer Ankerachse und ist zum Öffnen und Schließen des Fluidanschlusses ausgebildet. Der Anker nimmt ferner durch Beaufschlagung der Magnetspule mit drei unterschiedlichen elektrischen Leistungen bzw. durch Bestromung der Magnetspule mit drei unterschiedlichen Stromstärken drei unterschiedliche Schaltstellungen ein, wobei der Anker gegebenenfalls auch noch weitere Schaltstellung aufweisen kann. In der ersten Schaltstellung sind die Ankerachse und die Spulenachse parallel zueinander angeordnet und verschließt der Anker den Fluidanschluss vollständig. Dadurch ist das pneumatische Magnetventil in einer geschlossenen Stellung, in der kein Fluidstrom in das Innere des Ventils einströmen kann. In der zweiten Schaltstellung ist der Anker um eine Drehachse gedreht, sodass die Ankerachse und die Spulenachse einen Winkel zueinander einnehmen und der Anker den Fluidanschluss teilweise öffnet. Dadurch ist das pneumatische Magnetventil in einem teilweise geöffneten Zustand, sodass nur ein Teil eines maximal steuerbaren Fluidstroms in das Innere des Ventils strömen kann. In der dritten Schaltstellung ist der Anker schließlich in Bezug zu der ersten Schaltstellung axial verschoben, sodass der Fluidanschluss vollständig geöffnet ist. Das pneumatische Magnetventil befindet sich somit in einem vollständig geöffneten Zustand. Die Bezeichnungen „teilweise geöffnet“ und „teilweise offen“ beschreiben einen Zustand, bei dem der Fluidanschluss einen Öffnungsgrad aufweist, der sich zwischen vollständig geöffneten vollständig geschlossen befindet. Indem der Anker in der zweiten Schaltstellung den Fluidanschluss nur teilweise öffnet, muss der Anker beim Nachregeln nicht jeweils den vollständigen Hub durchführen. Außerdem kommt es aufgrund des kleineren Fluidstroms nur zu einer langsamen Druckänderung im Inneren des pneumatischen Magnetventils, wodurch das Schaltgeräusch des Ventils merklich vermindert wird. Da das erfindungsgemäße Magnetventil zudem die dritte Schaltstellung aufweist, in der der Fluidanschluss durch das axiale Verschieben des Ankers vollständig geöffnet ist, kann weiterhin wie gewohnt der maximal steuerbare Fluidstrom des Ventils zur Verfügung gestellt werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Fluidkammer wie gewohnt schnell und zuverlässig aufzublasen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des pneumatischen Magnetventils ist der Anker in der dritten Schaltstellung um die in der zweiten Schaltstellung erfolgte Drehung zumindest teilweise zurückgedreht. Dadurch wird sichergestellt, dass der Anker in der dritten Schaltstellung wiederum parallel zu der Magnetspule ausgerichtet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Anker in der dritten Schaltstellung entlang der Spulenachse axial verschoben. Dadurch wird sichergestellt, dass der Anker parallel zur Magnetspule verschoben wird, wodurch eine besonders gute Steuerung des Ankers möglich ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Magnetspule in der ersten Schaltstellung mit einer ersten elektrischen Leistung beaufschlagt, in der zweiten Schaltstellung mit einer zweiten elektrischen Leistung beaufschlagt und in der dritten Schaltstellung mit einer dritten elektrischen Leistung beaufschlagt, wobei die erste elektrische Leistung kleiner als die zweite elektrische Leistung ist und die zweite elektrische Leistung kleiner als die dritte elektrische Leistung ist.
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Vorzugsweise weist die erste elektrische Leistung dabei den Wert Null auf, sodass der Anker in der ersten Schaltstellung nicht mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist und der Anker den Fluidanschluss vollständig schließt. Hierdurch wird ein pneumatisches NC-Magnetventil (normally-closed-Magnetventil) geschaffen. Zudem kann die zweite elektrische Leistung derart ausgewählt sein, dass der Anker in der zweiten Schaltstellung den Fluidanschluss mit einem vorbestimmten bzw. gewünschten Öffnungsgrad, der sich zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen befindet, öffnet. Der Öffnungsgrad des Fluidanschlusses kann dabei durch die zweite elektrische Leistung an die jeweiligen Gegebenheiten eingestellt werden. Vorzugsweise ist die an der Magnetspule anliegende zweite elektrische Leistung zudem proportional zu dem Öffnungsgrad des Fluidanschlusses, sodass mit dem erfindungsgemäßen Magnetventil auch ein proportional steuerbares Magnetventil geschaffen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Anker einen sich entlang der Ankerachse erstreckenden zylindrischen Körper auf, der eine in Bezug zu der Ankerachse radial äußere Mantelfläche und eine zu der Mantelfläche senkrecht angeordnete Stirnfläche umfasst. Die Bezeichnung „zylindrischer Körper“ umfasst dabei sowohl Körper mit einer kreisrunden Stirnfläche wie auch Körper mit anderen Stirnflächen beispielsweise elliptische, viereckige, rechteckige oder andere sinnvolle Stirnflächen. Ferner ist das Joch in Bezug zu dem Anker derart angeordnet, dass bei Beaufschlagung der Magnetspule mit einer elektrischen Leistung eine erste magnetische Kraft bzw. Magnetkraft zwischen dem Joch und der Mantelfläche bzw. einem Teilbereich der Mantelfläche wirkt. Dadurch kann die erste magnetische Kraft den Anker um eine Drehachse, insbesondere eine Drehachse, die senkrecht auf der Ankerachse steht, drehen, sodass der Fluidanschluss teilweise geöffnet werden kann.
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Weiter kann das pneumatische Magnetventil einen mit dem Joch verbundenen Kern aufweisen, der in Bezug zu dem Anker derart angeordnet ist, dass bei Beaufschlagung der Magnetspule mit einer elektrischen Leistung (die die gleiche elektrische Leistung sein kann) eine zweite magnetische Kraft bzw. Magnetkraft zwischen dem Kern und der Stirnfläche bzw. einem Teilbereich der Stirnflächen des Ankers wirkt. Dadurch kann der Anker entlang der Ankerachse verschoben werden.
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Vorzugsweise sind der Anker, das Joch und der Kern derart ausgebildet, dass in der zweiten Schaltstellung die erste magnetische Kraft größer als die zweite magnetische Kraft ist, sodass der Kern in der zweiten Schaltstellung gedreht wird, und dass in der dritten Schaltstellung die erste magnetische Kraft kleiner als die zweite magnetische Kraft ist, sodass der Anker von der zweiten Schaltstellung zur dritten Schaltstellung axial verschoben wird. Durch diese Ausgestaltung kann auf einfache Art und Weise ein pneumatisches Magnetventil geschaffen werden, bei dem der Anker sowohl gedreht als auch axial verschoben wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist dabei zwischen dem Joch und dem Anker ein Spalt ausgebildet, der derart bemessen ist, dass der Anker in einem vorbestimmten Winkelbereich um die Drehachse drehbar ist. Der Spalt zwischen dem Joch und dem Anker ermöglicht, dass der Anker ein gewisses Spiel zum Joch hat, wodurch der Anker verdreht werden kann und ein Öffnungsgrad des Fluidanschlusses einstellbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das pneumatische Magnetventil ferner ein zwischen dem Kern und dem Anker angeordnetes Rückstellelement auf, das mit dem Kern und dem Anker verbunden ist und den Anker in die erste Schaltstellung drückt bzw. vorspannt. Dadurch kann auf besonders einfache Art und Weise ein pneumatisches NC-Magnetventil bereitgestellt werden, bei dem der Anker in der ersten Schaltstellung den Fluidanschluss vollständig schließt, ohne dass die Magnetspule mit elektrischer Leistung beaufschlagt werden muss.
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In dieser Ausgestaltung ist vorzugsweise in der zweiten Schaltstellung die erste magnetische Kraft größer als die zweite magnetische Kraft abzüglich der durch das Rückstellelement auf den Anker hin zur ersten Schaltstellung gerichteten Rückstellkraft und ist in der dritten Schaltstellung die erste magnetische Kraft kleiner als die zweite magnetische Kraft abzüglich dieser Rückstellkraft.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das pneumatische Magnetventil ferner ein den Fluidanschluss aufweisendes Ventilgehäuse auf, wobei der Anker innerhalb des Ventilgehäuses angeordnet ist und das Joch und die Magnetspule außerhalb des Ventilgehäuses angeordnet sind. Beispielsweise kann das Ventilgehäuse ein Spulenkörper der Magnetspule sein, der die Wicklungen der Magnetspule aufweist. Der Spulenkörper ist dabei aus einem Material hergestellt, dass eine magnetische Permeabilität mit dem Wert 1 aufweist.
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Das erfindungsgemäße Magnetventil kann für verschiedene Anwendungszwecke vorgesehen sein. Vorzugsweise dient das erfindungsgemäße Magnetventil zum Befüllen und/oder Entleeren zumindest einer elastischen Fluidkammer in einer Verstellvorrichtung zum pneumatischen Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher eine Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes bereitgestellt. Die Verstellvorrichtung umfasst neben einer Fluidkammer zum Verstellen der Kontur der Sitzanlagefläche auch ein pneumatisches Magnetventil gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon. Dabei ist der Fluidanschluss des Magnetventils ein erster Fluidanschluss, der vorzugsweise mit einer Fluidquelle, die unter Druck gesetztes Fluid zur Verfügung stellt, verbindbar ist. Das Magnetventil kann ferner einen zweiten Fluidanschluss aufweisen, der mit der Fluidkammer verbunden ist, um die Fluidkammer mit Fluid zu befüllen.
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Im Folgenden sollen nun exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Magnetventils, das exemplarisch in einer Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes verwendet wird;
- 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Magnetventils, das einen Anker aufweist, der drei Schaltstellungen einnehmen kann, wobei sich in 2 der Anker in der ersten Schaltstellung befindet;
- 3 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie I-I von 2, bei der zusätzlich ein Teilbereich einer Mantelfläche des Ankers hervorgehoben ist;
- 4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Magnetventils, wobei sich der Anker in der zweiten Schaltstellung befindet; und
- 5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Magnetventils, wobei sich der Anker in der dritten Schaltstellung befindet.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand eines pneumatischen Magnetventils beschrieben, das zum Befüllen und/oder Entleeren einer Fluidkammer in einer Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes verwendet wird. Selbstverständlich kann das pneumatische Magnetventil auch für andere Verwendungszwecke genutzt werden. Die Ausführungsformen der Erfindung werden exemplarisch am Beispiel eines 2/2-NC-Magnetventils erklärt. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Magnetventil je nach Anwendungsfall auch eine andere Anzahl an Fluidanschlüssen und/oder Schaltstellungen aufweisen.
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Es sei zunächst auf 1 verwiesen, die eine schematische Ansicht eines pneumatischen Magnetventils V zeigt. Das Magnetventil V umfasst ein Ventilgehäuse VG mit mehreren Fluidanschlüssen FA1, FA2, eine Magnetspule MS, ein an der Magnetspule MS angeordnetes Joch J, einen relativ zum Joch J bewegbar angeordneten Anker A und einen mit dem Joch J verbundenen Kern K, der zwischen dem Joch J und dem Anker A angeordnet ist.
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Das Magnetventil V umfasst ferner einen elektrischen Kontakt P, der mit der Magnetspule MS elektrisch verbunden ist, sodass die Magnetspule MS mit elektrischer Leistung bzw. elektrischem Strom beaufschlagt werden kann. Das Joch J, der Anker A und der Kern K sind dabei aus einem Material mit guten magnetischen Eigenschaften hergestellt, sodass durch Beaufschlagung der Magnetspule MS mit einer elektrischen Leistung ein magnetischer Fluss vom Anker A über den Kern K und das Joch J zurück zum Anker A erfolgen kann.
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Durch die Beaufschlagung der Magnetspule MS mit einer elektrischen Leistung bewegt sich der Anker A relativ zum Joch J und dem Kern K und kann dabei einen ersten Fluidanschluss FA1 des Magnetventils V öffnen bzw. schließen. Im konkreten Beispiel von 1 befindet sich ein Rückstellelement RS zwischen dem Kern K und dem Anker A, sodass ohne Beaufschlagung der Magnetspule MS mit elektrischer Leistung der Anker A den ersten Fluidanschluss FA1 schließt und durch Beaufschlagung der Magnetspule MS mit elektrischer Leistung der Anker A den ersten Fluidanschluss FA1 öffnet, wie näher in Zusammenhang mit 2 bis 5 beschrieben wird.
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In 1 ist das Magnetventil V ferner als Teil einer Verstellvorrichtung W zum Verstellen einer Kontur C einer Sitzanlagefläche SAF eines Fahrzeugsitzes FZS gezeigt. Die Verstellvorrichtung W weist eine Fluidkammer FK, insbesondere eine elastische Fluidkammer FK, auf, die mit einem mit Druck beaufschlagten Fluid, dass durch eine Fluidquelle FQ bereitgestellt wird, befüllt werden kann. Durch das Befüllen der Fluidkammer FK vergrößert sich deren Volumen, wodurch die Kontur C der Sitzanlagefläche SAF verändert werden kann.
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Wie ferner in 1 dargestellt ist, ist der erste Fluidanschluss FA1 des Magnetventils V fluidmäßig mit der Fluidquelle FQ verbunden. Ein zweiter Fluidanschluss FA2 des Magnetventils V ist fluidmäßig mit der Fluidkammer FK verbunden. Um nun die Fluidkammer FK mit Fluid zu befüllen, wird die Magnetspule MS mit elektrischer Leistung derart beaufschlagt, sodass der Anker den ersten Fluidanschluss FA1 öffnet. Dadurch kann mit Druck beaufschlagtes Fluid von der Fluidquelle FQ über den ersten Fluidanschluss FA1 und den zweiten Fluidanschluss FA2 in die Fluidkammer FK strömen bis ein gewünschter Druck in der Fluidkammer FK vorliegt. Soll anschließend der gewünschte Druck in der Fluidkammer FK gehalten werden, dann wird die Zufuhr von elektrischer Leistung zu der Magnetspule MS unterbrochen, wodurch sich der Anker A mithilfe des Rückstellelements RS in seine ursprüngliche Position zurück bewegt, in der der erste Fluidanschluss FA1 geschlossen ist.
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Im Folgenden soll nun näher auf das Öffnen und Schließen des Fluidanschlusses FA1 mittels des pneumatischen Magnetventils V eingegangen werden.
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Wie bereits in Zusammenhang mit 1 angesprochen wurde, weist das Magnetventil V die Magnetspule MS, das Joch J, den Anker A und den Kern K auf. Das Magnetventil V weist ferner das Ventilgehäuse VG auf, das die Fluidanschlüsse F1 und FA2 aufweist. Das Ventilgehäuse VG ist im vorliegenden Fall der Spulenkörper der Magnetspule MS und trägt die Wicklungen der Magnetspule MS. Der Spulenkörper ist aus einem Material hergestellt, dass eine magnetische Permeabilität mit dem Wert 1 aufweist, sodass bei Beaufschlagung der Magnetspule MS mit elektrischer Leistung eine magnetische Kraft zwischen dem Joch J und dem Anker A wirken kann.
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Der Anker A ist dabei im Inneren bzw. innerhalb des Ventilgehäuses VG angeordnet, wohingegen das Joch J und die Magnetspule MS außerhalb des Ventilgehäuses VG angeordnet sind.
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Das Ventilgehäuse VG weist eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer linken Seitenwand SWL, einer rechten Seitenwand SWR und einer die linke Seitenwand SWL und die rechte Seitenwand SWR verbindende Zylinderwand ZW. Die linke Seitenwand SWL umfasst den ersten Fluidanschluss FA1 und den zweiten Fluidanschluss FA2. Die rechte Seitenwand SWR umfasst den Kern K.
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Die Magnetspule MS ist an der Zylinderwand ZW angeordnet und erstreckt sich entlang einer Spulenachse SA, die sich im Wesentlichen parallel zur Zylinderwand ZW erstreckt.
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Der im Inneren des Ventilgehäuses VG angeordnete Anker A weist einen sich entlang einer Ankerachse AA erstreckenden zylindrischen Körper K auf. Der zylindrische Körper K umfasst eine erste Stirnfläche SF1, eine der ersten Stirnfläche SF1 gegenüberliegende zweite Stirnfläche SF2 und eine die erste Stirnfläche SF1 und die zweite Stirnfläche SF2 verbindende Mantelfläche MF. Die Mantelfläche MF ist dabei die in Bezug zu der Ankerachse AA radial äußere Fläche des zylindrischen Körpers K.
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Um die Magnetspule MS herum ist das Joch J angeordnet. Das Joch J weist eine im Wesentlichen U-förmige Form auf mit einem ersten Schenkel S1, der der Mantelfläche MF des Ankers A zugewandt ist, einem zweiten Schenkel S2, der der zweiten Stirnfläche SF2 des Ankers A zugewandt ist, und einem den ersten Schenkel S1 und den zweiten Schenkel S2 verbindenden Verbindungssteg VS. Der zweite Schenkel S2 des Joch J ist zudem mit dem Kern K verbunden.
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Das Magnetventil V zeichnet sich dadurch aus, dass der Anker A durch Beaufschlagung der Magnetspule MS mit drei unterschiedlichen elektrischen Leistungen drei unterschiedliche Schaltstellungen einnehmen kann, wobei 2 eine erste Schaltstellung des Ankers A zeigt, 4 eine zweite Schaltstellung des Ankers A zeigt und 5 eine dritte Schaltstellung des Ankers A zeigt. Mithilfe dieser drei Schaltstellungen kann der Anker A in der ersten Schaltstellung den Fluidanschluss FA1 vollständig schließen (2), in der zweiten Schaltstellung den Fluidanschluss FA1 teilweise öffnen (4) und in der dritten Schaltstellung den Fluidanschluss FA1 vollständig öffnen ( 5) .
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Wie in 2 gut zu erkennen ist, erstreckt sich der Anker A in der ersten Schaltstellung im Wesentlichen parallel zur Magnetspule MS, sodass die Ankerachse AA und die Spulenachse SA parallel sind. Im konkreten Beispiel von 2 sind die Ankerachse AA und die Spulenachse SA sogar identisch.
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In der ersten Schaltstellung des Ankers A drückt die Rückstellkraft des Rückstellelements RS den Anker A gegen den Dichtsitz des Fluidanschlusses FA1, sodass der Anker A, insbesondere die erste Stirnfläche SF1 des Ankers A, den Fluidanschluss FA1 vollständig schließt. Hierfür weist die erste Stirnfläche SF1 ein Dichtelement DE auf. Das Dichtelement DE kann beispielsweise ein Elastomer sein, das den Fluidanschluss FA1 am Dichtsitz luftdicht verschließt. Auf der zweiten Stirnfläche SF2 des Ankers A ist ein ebenfalls als Elastomer ausgebildetes Anschlagelement AE angeordnet, das verhindert, dass der Anker A in der dritten Schaltstellung gegen den Kern K schlägt, wie später in Zusammenhang mit 5 näher erklärt wird.
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Solange die Magnetspule MS nicht mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist bzw. mit einer ersten elektrischen Leistung beaufschlagt ist, die den Wert Null hat, drückt das Rückstellelement RS den Anker gegen den Dichtsitz des Fluidanschlusses FA1, sodass der Anker A durch das Rückstellelement RS in die erste Schaltstellung vorgespannt ist.
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In der ersten Schaltstellung des Ankers A ist zudem zwischen der Mantelfläche MF des Anker A und dem Joch J, insbesondere zwischen der Mantelfläche MF und einer Schenkelstirnfläche SSF des ersten Schenkel S1 des Jochs J, ein erster Spalt SP1 ausgebildet, der einen ersten Abstand A1 zwischen der Schenkelstirnfläche SSS und der Mantelfläche MF herstellt. Ferner ist zwischen der zweiten Stirnfläche SF2 des Ankers A und dem Kern K, insbesondere zwischen der zweiten Stirnfläche SF2 und einer Kernstirnfläche KSF des Kerns K ein zweiter Spalt SP2 ausgebildet, der einen zweiten Abstand A2 zwischen der Kernstirnfläche KSF und der zweiten Stirnfläche SF2 herstellt.
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Durch Beaufschlagung der Magnetspule MS mit einer elektrischen Leistung bzw. durch Beaufschlagung der Magnetspule MS mit einer zweiten elektrischen Leistung, die größer als die erste elektrische Leistung ist, wird eine erste magnetische Kraft zwischen dem Joch J und der Mantelfläche MS des Ankers A und eine zweite magnetische Kraft zwischen dem Kern K und der zweiten Stirnfläche SF2 des Ankers A erzeugt.
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Die Bezeichnung „magnetische Kraft“ kann dabei als das Inverse des magnetischen Widerstands aufgefasst werden. Das heißt die magnetische Kraft ist umso größer, je kleiner der magnetische Widerstand ist. Mit anderen Worten ist die magnetische Kraft indirekt proportional zum magnetischen Widerstand, wobei der magnetische Widerstand seinerseits direkt proportional zum Quotienten aus der Länge des magnetischen Kreises und der Querschnittsfläche des Leiters ist.
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Im konkreten Beispiel von 2 führt die Beaufschlagung der Magnetspule MS mit einer elektrischen Leistung (bzw. einer gegenüber der ersten elektrischen Leistung größeren zweiten elektrischen Leistung) dazu, das eine erste magnetische Kraft zwischen der Schenkelstirnfläche SSF und der Mantelfläche MF des Ankers A wirkt, wobei diese erste magnetische Kraft indirekt proportional ist zum Quotienten aus der Länge des magnetischen Kreise, das heißt dem ersten Abstand A1, und der Querschnittsfläche des Leiters, das heißt einer ersten Fläche F1 mit der die Schenkelstirnfläche SSF die Mantelfläche MF überdeckt. Zum Abstand A1 ist zu bemerken, dass die magnetischen Permeabilität des Ventilgehäuses VG mit einem Wert von 1 dazu führt, dass der zur Auslegung maßgebliche Abstand A1 der tatsächliche Abstand zwischen der Schenkelstirnfläche SSF und der Mantelfläche MF des Ankers A ist und nicht der Abstand zwischen einen Mantelinnenfläche des Ventilgehäuses VG und der Mantelfläche MF des Ankers A.
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Zur besseren Verdeutlichung der ersten Fläche F1 wird auf 3 verwiesen, die eine schematische Schnittansicht des pneumatischen Magnetventils V entlang der Linie I-I von 2 zeigt. Aus 3 wird deutlich, dass die erste Fläche F1 der Teilbereich der Mantelfläche MF ist, mit der die Schenkelstirnfläche SSF die Mantelfläche MF überdeckt. Dies ist durch die vertikalen strichpunktierten Linien angedeutet.
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Ferner führt im konkreten Beispiel von 2 die Beaufschlagung der Magnetspule MS mit der elektrischen Leistung (bzw. der zweiten elektrischen Leistung) dazu, dass eine zweite magnetische Kraft zwischen der Kernstirnfläche KSF und der zweiten Stirnfläche SF2 des Ankers A wirkt, wobei diese zweite magnetische Kraft indirekt proportional ist zum Quotienten aus der Länge des magnetischen Kreise, das heißt dem zweiten Abstand A2, und der Querschnittsfläche des Leiters, das heißt einer zweiten Fläche F2, mit der die Kernstirnfläche KSF die zweite Stirnfläche SF2 des Ankers A überdeckt. Im konkreten Beispiel von 2 ist die zweite Fläche F2 eine Ringfläche der zweiten Stirnfläche SF2.
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Das Joch J bzw. dessen erster Schenkel S1, der Kern K und der Anker A sind nun derart ausgebildet, dass bei der Beaufschlagung der Magnetspule mit elektrischer Leistung (bzw. mit der zweiten elektrischen Leistung) die erste magnetische Kraft, die zwischen dem Joch J (bzw. dessen Schenkelstirnfläche SSF) und der Mantelfläche MF des Ankers A wirkt, größer ist als die zweite magnetische Kraft, die zwischen dem Kern K (bzw. dessen Kernstirnfläche KSF) und der zweiten Stirnfläche SF2 des Ankers A wirkt. Indem bei der Beaufschlagung der Magnetspule MS mit der zweiten elektrischen Leistung die erste magnetische Kraft größer als die zweite magnetische Kraft ist, kommt es zur Drehung des Ankers A um eine Drehachse DA. Dadurch bewegt sich der Anker A ausgehend von der ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung.
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Bei der Auslegung ist zu berücksichtigen, dass das Rückstellelement RS eine Rückstellkraft auf den Anker A hin zur ersten Schaltstellung ausübt. Die zweite magnetische Kraft ist um diese Rückstellkraft vermindert. In der zweiten Schaltstellung muss daher sichergestellt sein, dass die erste magnetische Kraft stets größer als die zweite magnetische Kraft abzüglich der Rückstellkraft des Rückstellelements RS ist.
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Es sei nun auf 4 verwiesen, in der die zweite Schaltstellung des Ankers A schematisch dargestellt ist.
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Wie zu erkennen ist, weist in der zweiten Schaltstellung des Ankers A die Ankerachse AA einen Winkel W zur Spulenachse SA auf. Durch die Verdrehung des Ankers A um die Drehachse DA wird der Fluidanschluss FA1 teilweise geöffnet, sodass das unter Druck stehende Fluid in das Innere des Ventilgehäuses eindringen kann. Gleichzeitig wird jedoch nicht der gesamte Querschnitt des Fluidanschlusses FA1 freigegeben, sodass nicht der gesamte Hub des Magnetventils V bzw. des Ankers A ausgeführt werden muss. Da nicht der gesamte Hub des Ankers A ausgeführt werden muss, dringt einerseits nicht der mit dem Magnetventil V maximal steuerbare Fluidstrom in das Ventilgehäuse VG ein, wodurch es zu einer vergleichsweise langsamen Druckänderung im Inneren des Ventilgehäuses VG kommt. Andererseits wird durch den verminderten Hub auch ein Impuls des Ankers A auf das Ventilgehäuse VG vermieden, wodurch kein Körperschall auf das Ventilgehäuse VG übertragen wird. Dadurch kann ein Ventilschaltgeräusch weitestgehend vermieden werden.
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Die zweite elektrische Leistung kann ferner so eingestellt sein, dass der Anker A sich um einen vorbestimmten Winkel W dreht. Damit kann ein Öffnungsgrad des Fluidanschlusses FA1, der sich zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen befindet, eingestellt werden. Da die Verdrehung des Ankers A zudem proportional zu der an der Magnetspule MS angelegten zweiten elektrischen Leistung ist, ist es auch möglich, das Magnetventil V proportional anzusteuern, wodurch der Öffnungsgrad noch leichter an die jeweiligen Gegebenheiten anpassbar ist.
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Wie ferner in 4 zu sehen ist, führt eine Drehung des Ankers A dazu, dass sich ein Spalt zwischen der Mantelfläche MF des Ankers A und der Schenkelstirnfläche SSF verringert. Dies ist schematisch dadurch gezeigt, dass der Anker A in den in der ersten Schaltstellung vorhandenen ersten Spalt SP1 „eintritt“. Um eine Drehung des Ankers A in einem gewünschten Winkelbereich zu ermöglichen, ist es notwendig, dass der erste Spalt SP1 zwischen der Schenkelstirnfläche SSF und der Mantelfläche MF ausreichend groß ist. Bei der Auslegung des ersten Spalts SP1 muss allerdings die Dicke der Zylinderwand ZW des Ventilgehäuses VG berücksichtigt werden.
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Die Drehung des Ankers A um die Drehachse DA führt dazu, dass sich ein Spalt zwischen der zweiten Stirnfläche SF2 des Ankers A und der Kernstirnfläche KSF ändert. Durch die Änderung des Spalts zwischen der Schenkelstirnfläche SSF und der Mantelfläche MF und durch die Änderung des Spalts zwischen der Kernstirnfläche KSF und der zweiten Stirnfläche SF2 stellt sich in Abhängigkeit von der an der Magnetspule MS anliegenden zweiten elektrischen Leistung ein Kräfteverhältnis zwischen der ersten magnetischen Kraft und der zweiten magnetischen Kraft ein, wodurch sich die Lage des Ankers A ergibt. Das Joch J bzw. dessen erster Schenkel S1, der Kern K und der Anker A sind zudem derart ausgebildet, dass sich bei der Beaufschlagung der Magnetspule MS mit einer über die zweite elektrische Leistung hinausgehenden dritten elektrischen Leistung (kann auch als Schalt- oder Schwellenleistung bezeichnet werden) das Kräfteverhältnis zwischen der ersten magnetischen Kraft und der zweiten magnetischen Kraft umkehrt und die zweite magnetische Kraft größer als die erste magnetische Kraft ist. Dies führt dazu, dass sich bei der Beaufschlagung der Magnetspule MS mit der dritten elektrischen Leistung der Anker A nicht länger hin zur Schenkelstirnfläche SSF dreht sondern axial in Richtung hin zur Kernstirnfläche KSF verschoben wird. Mit anderen Worten ist der Anker A bestrebt, den Spalt zwischen der zweiten Stirnfläche SF2 und der Kernstirnfläche KSF zu schließen. Dadurch nimmt der Anker A eine dritte Schaltstellung ein.
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Bei der Auslegung ist wiederum die den Anker A hin zur ersten Schaltstellung drückende Rückstellkraft des Rückstellelement RS zu berücksichtigen. In der dritten Schaltstellung muss daher sichergestellt sein, dass die zweite magnetische Kraft stets größer ist als die erste magnetische Kraft zuzüglich der Rückstellkraft.
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Es sei nun auf 5 verwiesen, in der die dritte Schaltstellung des Ankers A schematisch dargestellt ist.
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Wie zu erkennen ist, ist der Anker A axial verschoben, insbesondere axial entlang der Spulenachse SA verschoben. Die axiale Verschiebung des Ankers A führt dazu, dass der Anker A in der dritten Schaltstellung den Fluidanschluss FA1 nunmehr vollständig öffnet. Dadurch kann der maximal steuerbare Fluidstrom in das Ventilgehäuse VG einströmen. Wie ferner zu erkennen ist, ist der Anker A in der dritten Schaltstellung nicht nur axial verschoben sondern auch um die in der zweiten Schaltstellung erfolgte Drehung zurückgedreht. Die Rückdrehung erfolgt dadurch, dass die Verringerung des Spalts zwischen der zweiten Stirnfläche SF2 und der Kernstirnfläche KSF eine viel größere magnetische Kraft erzeugt als die erste magnetische Kraft zwischen der Schenkelstirnfläche SSF und der Mantelfläche MF. Das Rückdrehen des Ankers A in der dritten Schaltstellung hat zur Folge, dass die Ankerachse AA und die Spulenachse SA wiederum parallel zueinander sind und der erste Abstand A1 zwischen der Mantelfläche MF des Ankers A und der Schenkelstirnfläche SSF des Jochs J wieder hergestellt ist.
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Je nach Ausgestaltung kann der Anker A in der dritten Schaltstellung aber auch nur axial verschoben sein, ohne zurückgedreht zu sein. Auch ist es möglich, dass der Anker A in der dritten Stellung lediglich zumindest teilweise um die in der zweiten Schaltstellung erfolgte Drehung zurückgedreht ist.
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Wie bereits erwähnt wurde, weist die zweite Stirnfläche SF2 das als Elastomer ausgebildete Anschlagelement AE auf. Wird nun die Magnetspule MS mit der dritten elektrischen Leistung beaufschlagt, bewegt sich der Anker A auf die Kernstirnfläche KSF zu, bis das Anschlagelement AE die Kernstirnfläche KSF kontaktiert. Da das Anschlagelement AE als Elastomer ausgebildet ist, dämpft das Anschlagelement AE dabei den Aufschlag des Ankers A auf die Kernstirnfläche KSF, sodass nahezu kein Körperschall vom Anker A auf den Kern K übertragen wird.
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Sobald wiederum die Magnetspule MS mit der ersten elektrischen Leistung (bzw. mit keiner elektrischen Leistung) beaufschlagt wird, bewegt sich der Anker A erneut zum ersten Fluidanschluss FA1, sodass der Anker A die erste Schaltstellung einnimmt und das Dichtelement DE den ersten Fluidanschluss FA1 luftdicht schließen kann.
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Mit dem vorliegenden pneumatischen Magnetventil V ist es möglich, ein proportional ansteuerbares pneumatisches Magnetventil zu schaffen, das geringe Schaltgeräusche bei einer gleichzeitig verbesserten Regelung ermöglicht.
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Obwohl Ausführungsformen der Erfindung exemplarisch am Beispiel eines 2/2-NC-Magnetventils erklärt wurden, ist es selbstverständlich auch möglich, dass das erfindungsgemäße Magnetventil je nach Anwendungsfall auch eine andere Anzahl an Fluidanschlüssen und/oder Schaltstellungen aufweisen kann. Beispiel kann das erfindungsgemäße Magnetventil als 3/3-NC Magnetventil oder als 3/2-NO Magnetventil ausgeführt sein. Ein 3/2-NO Magnetventil kann beispielsweise dadurch erhalten werden, dass der Kern K einen dritten Fluidanschluss aufweist, der mit der Umgebung verbunden ist und durch den Anker A in der ersten Schaltstellung geöffnet und in der dritten Schaltstellung geschlossen wird.
