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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Ventilaktor für ein Stellventil. Derartige Vorrichtungen dienen zum Positionieren des Ventilglieds bzw. Ventilkegels. Es sind u.a. pneumatische, hydraulische und elektromagnetische Ventilaktoren bekannt. Bei den elektromagnetische Ventilaktoren unterscheidet man insbesondere zwischen schaltenden (binären) und proportionalen Magnetaktoren. Ein schaltender Magnetaktor kann nur zwei Zustände einnehmen, und bei geeigneter Ansteuerung kann die Stromaufnahme gering gehalten werden. Bei einem proportionalen Magnetaktor ist jeder Zwischenwert einstellbar, er hat aber einen hohen Stromverbrauch. Bei Stellventilen ist die Anwendung proportionaler Magnetaktoren aufgrund des hohen Stromverbrauchs problematisch.
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Stand der Technik
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Um den hohen Stromverbrauch zu senken, wurden bisher verschiedene Lösungen entwickelt.
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In den Druckschriften
DE 25 40 388 A1 und
US 4 546 955 A werden Magnetventile mit je zwei in Reihe angeordneten schaltenden Magnetaktoren beschrieben. Durch eine solche Konstruktion wird ermöglicht, mehr als zwei Zustände (maximal geöffnet und maximal geschlossen) zu erreichen.
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In
US 4 546 955 A sind die Anker der beiden Magnetaktoren mittels einer Verbindungsstange und Federn verbunden. Der untere Anker ist direkt mit dem Drosselkörper des Ventils verbunden. Nachteilig ist daran, dass mit dieser Anordnung nur drei Zustände erreicht werden können, also lediglich zwei Durchflussstellungen möglich sind.
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In
DE 25 40 388 A1 sind zwei verschieden große schaltende Magnetaktoren vorgesehen. Der kleinere ist als Hilfsaktor vorgesehen, der eine halbzylinderförmige Blende um die Achse der Ventilstange dreht, um einen mittleren Durchfluss einzustellen, in dem die Durchflussöffnung durch die Blende teilweise verschlossen wird. Durch zusätzliches Verstellen des Drehbereichs dieser Blende (z.B. mittels einer Stellschraube) lässt sich auch die maximale Öffnung des Ventils verstellen, allerdings nicht unabhängig von der mittleren Stellung. Insgesamt ist der Aufbau sehr kompliziert und ermöglicht trotzdem nur, drei Positionen automatisch anzusteuern.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 045 174 A1 beschreibt ein Ventil zur Steuerung eines Fluiddurchgangs. Darin wird eine Ventilnadel oder ein Ventilschieber über einen ersten elektromagnetischen Antrieb betätigt und über eine Rückstellfeder zurückgestellt. Ein zweiter elektromagnetischer Antrieb, der ebenfalls zur Betätigung der Ventilnadel vorgesehen ist, ist in Reihe dazu angeordnet. Keiner dieser elektromagnetischen Antriebe regelt proportional. Stattdessen werden erwünschte, diskrete Zwischenstellungen der Ventilnadel über Teilhübe verwirklicht.
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In der Veröffentlichung
US 2007 / 0 284 456 A1 wird ein Einspritzventilsystem beschrieben, bei dem durch Kopplung einer Spule mit einem magetostriktiven Element ein besonders schnelles Auf-/Zu-Schalten ermöglicht wird. Ein proportionales Ansteuern möglicher Zwischenpositionen ist dabei nicht relevant.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 016 558 A1 ist ein Magnetventil mit Magnetschlusshülse bekannt, das insbesondere zum Einbau in eine Gasarmatur vorgesehen ist. Dieses weist zwei voneinander unabhängige Magnetantriebe auf, die jeweils eigene Ventilglieder von einer Schließstellung in eine Offenstellung umschalten können.
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In der Veröffentlichung
EP 1 200 762 B1 wird ein elektromagnetisch betätigbares Schalt- oder Regelventil beschrieben, das insbesondere als Proportional-Wegeventil vorgesehen ist. Dieses Ventil soll insbesondere bei vorgegebener Dynamik ein geringes Bauvolumen und weniger Bauelemente benötigen.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Ventilaktor anzugeben, der für Stellventile geeignet ist, eine möglichst niedrige Stromaufnahme aufweist und dennoch jede Position stetig anfahren kann.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Ventilaktor für ein Stellventil vorgeschlagen, mit einer Mehrzahl von Magnetaktoren, die zum Positionieren genau eines Ventilkegels entlang einer Achse in dem Stellventil zusammenwirken. Mindestens einer der Magnetaktoren ist ein schaltender Magnetaktor, mindestens ein weiterer der Magnetaktoren ist ein proportional regelnder Magnetaktor. Die Magnetaktoren sind zum Positionieren des Ventilkegels entlang der Achse hintereinander angeordnet.
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Durch den Einsatz mindestens eines Proportionalmagneten lässt sich die Ventilöffnung an jeder Position beliebig fein einregeln, so dass der Ventilaktor für den Einsatz bei Stell- und Regelventilen geeignet ist. Dadurch, dass zusätzlich schaltende Magnetaktoren verwendet werden, lässt sich der Stromverbrauch deutlich verringern. Zum Schalten der schaltenden Magnetaktoren werden kurze Strompulse benötigt, danach jedoch nur Halteströme, deren Stromstärke lediglich etwa ein Drittel der Schaltströme beträgt.
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Insbesondere die schaltenden Magnetaktoren verbrauchen nur sehr wenig elektrische Leistung, so dass ihre Eigenerwärmung entsprechend gering ist. Daher ist der dem Ventilkegel nächstliegend angeordnete Magnetaktor ein schaltender Magnetaktor, und der entlang der Achse am weitesten vom Ventilkegel entfernt angeordnete Magnetaktor ist ein proportional regelnder Magnetaktor, da dieser sich wegen seiner zusätzlichen Eigenerwärmung möglichst weit weg vom Ventilkörper befinden sollte, um beispielsweise Funktionsstörungen durch Überhitzung zu vermeiden.
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Vorzugsweise weisen die Magnetaktoren jeweils mindestens eine Spule und einen Magnetanker auf. Einer der Magnetanker ist mit dem Ventilkegel gekoppelt, und die Magnetanker sind miteinander gekoppelt, wobei die Kopplung der Magnetanker untereinander eine axiale Bewegung der Magnetanker entlang der Achse bis zu einem jeweils definierten maximalen Abstand ermöglicht. Bei einem Bestromen der Spule eines schaltenden Magnetaktors verschwindet der definierte Abstand zwischen dem Magnetanker des schaltenden Magnetaktors und einem benachbarten Magnetanker oder einem Anschlag, und der Ventilkegel wird um den Abstand angezogen. Bei einem Bestromen der Spule des proportional regelbaren Magnetaktors stellt sich der Abstand zwischen dem Magnetanker des proportional regelbaren Magnetaktors und einem benachbarten Magnetanker oder einem Anschlag proportional zur Stromstärke ein. Die Anzahl und Dimensionen der Abstände bzw. Luftspalte sind derart gestaltet, dass sich alle Ventilkegelstellungen über den gesamten Ventilkegelhub einstellen lassen.
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Für einen möglichst geringen Stromverbrauch ist es günstig, wenn genau ein proportional regelnder Magnetaktor vorhanden ist. Dieser hat - abhängig von seiner Auslenkung - einen gegenüber den schaltenden Magnetaktoren höheren, anhaltenden Stromverbrauch, so dass eine minimale Anzahl proportionaler Magnetaktoren optimal ist.
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Die Stromaufnahme lässt sich weiter verringern, wenn mindestens zwei schaltende Magnetaktoren vorhanden sind. Die Stromaufnahme wird nämlich umso geringer, je kürzer der Hub eines Einzelmagneten ausfällt. Zum Schalten eines schaltenden Magnetaktors wird für sehr kurze Zeit ein durch Luftspalt (Abstand) und Kraft vorgegebener Schaltstrom benötigt. Dieser kann nach dem Schaltvorgang auf einen deutlich niedrigeren Haltestromwert reduziert werden. Außerdem verringert sich dadurch die Stromaufnahme des proportionalen Magnetaktors, da sich sein Hub bei dieser Anordnung ebenfalls verringert.
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Die Handhabung des Stellventils ist besonders sicher, wenn es sich bei dem mindestens einen schaltenden Magnetaktor um ein monostabiles Schaltelement handelt. Zum Schalten wird dann kurzzeitig ein vorgegebener Schaltstrom benötigt, danach nur noch ein deutlich geringerer Haltestrom. Wird der Strom auf null reduziert, kehrt der Magnetaktor in seinen Ausgangszustand zurück. Das Stellventil mit dem Ventilaktor kann so ausgelegt werden, dass dieser Ausgangszustand der Sicherheitsstellung des Stellventils entspricht.
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Der Stromverbrauch lässt sich noch weiter senken, wenn es sich bei dem mindestens einen schaltenden Magnetaktor um ein bistabiles Schaltelement handelt. Dann wird kein Haltestrom benötigt. Der Ansteuerungsaufwand ist allerdings etwas höher, da beide Zustände stabil sind. Damit der Magnetaktor in seinen Ausgangszustand zurückkehrt, muss also wieder ein Schaltstromimpuls, mit umgekehrtem Vorzeichen, erfolgen.
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Vorzugsweise ermöglicht die Kopplung der Magnetanker untereinander eine axiale Bewegung der Magnetanker entlang der Achse jeweils gegen ein elastisches Element, so dass die Abstände zwischen den Magnetankern dann, wenn die Spulen nicht bestromt werden, maximal sind. Das Ventil ist dann typischerweise geschlossen bzw. in seiner Sicherheitsstellung.
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Dies funktioniert besonders gut, wenn die Kopplung von zwei benachbarten Magnetankern untereinander jeweils eine Begrenzungsstange mit einem oberen und einem unteren Anschlag und ein elastisches Element aufweist, wobei die Begrenzungsstange längs der Achse angeordnet ist. Durch die Begrenzungsstange werden die Anker geführt, und zugleich wird durch die Anschläge verhindert, dass sie zu weit auseinander geraten. Die elastischen Elemente, z.B. Schraubenfedern, sorgen dafür, dass im stromlosen Zustand die Anker auseinander gedrückt werden, wodurch z.B. das Ventil geschlossen werden kann.
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Eine Druckentlastung des Ventilaktors wird dadurch erreicht, dass der Ventilkegel eine Bohrung aufweist, so dass der Bereich der Magnetanker vom Prozessmedium umspült ist. Beim Ändern des Schließzustandes des Ventils muss der Ventilaktor also nicht den Prozessdruck überwinden.
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Um sicherzustellen, dass dieses Druckentlastung vollständig ist, ist am Ventilkegel oder an der Verbindung zwischen dem Ventilkegel und dem daran gekoppelten Magnetanker eine Stangendichtung vorhanden, deren Innendurchmesser genau so groß ist wie der Durchmesser des Ventilsitzes in seinem Schließbereich. Nur so können die von den Aktoren zu überwindenden Kräfte minimiert werden, was wiederum einem niedrigen Stromverbrauch zu Gute kommt.
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Ein erfindungsgemäßer Ventilaktor lässt sich besonders gut verwirklichen, wenn ein Rohr bereitgestellt wird, welches die Magnetanker der Mehrzahl von Magnetaktoren umschließt und bei ihrer möglichen axialen Bewegung führt. Das Rohr muss hermetisch dicht sein und den herrschenden Prozessdrücken standhalten können.
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Bevorzugt hat das Rohr eine Mehrzahl von Abschnitten, wobei eine Gruppe von Abschnitten derart angeordnet ist, dass sie die Luftspalte (Abstände) zwischen den Ankern der Magnetaktoren umschließt. Diese Gruppe von Abschnitten besteht aus einem magnetisch isolierenden Material, während die übrigen Abschnitte aus einem magnetisch leitenden Material zur Flussführung bestehen. Dadurch werden magnetische Kurzschlüsse verhindert.
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Magnetische Flussleitabschnitte und magnetisch isolierende Abschnitte können in einem Körper vereint werden, der das o.g. Führungsrohr bildet. Dazu sind die Abschnitte des Rohrs stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Besonders günstig lässt sich die stoffschlüssige Verbindung der Abschnitte des Rohrs mittels schweißen oder löten herstellen.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Spulen der Magnetaktoren außen um das Rohr gewickelt sind. Zusätzliche Bauteile als Wickelkörper können dadurch entfallen.
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Ein erfindungsgemäßer Ventilaktor kann außerdem in modularer Weise aus Segmenten zusammengesetzt sein. Dazu besteht jedes Segment aus einem Magnetaktor, den zugehörigen Rohrabschnitten und Kopplungsmitteln.
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Schaltaktoren und zugehörige Rohrsegmente können auf diese Weise „gestapelt“ werden, so dass Ventilaktoren in verschiedensten Größen und Leistungsstufen konfiguriert werden können, die für sehr unterschiedliche Arten von Ventilen optimal geeignet sind.
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Vorteilhafterweise wird der zur maximal geöffneten Ventilstellung gehörende Anschlag des entlang der Achse am weitesten vom Ventilkegel entfernten Magnetaktors durch einen fixierten Polschuh gebildet. Dadurch wird das Rohr bzw. Gehäuse nach oben abgeschlossen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Abstände zwischen den Ankern wie folgt gestaltet:
- - der zum proportional regelnden Magnetaktor gehörende maximale Abstand betrage A;
- - der zu einem ersten schaltenden Magnetaktor gehörende maximale Abstand beträgt ebenfalls A;
- - der zu einem zweiten schaltenden Magnetaktor gehörende maximale Abstand beträgt 2^1 * A;
- - der zu einem ggf. vorhandenen dritten schaltenden Magnetaktor gehörende maximale Abstand beträgt 2^2 * A;
- - der zu jedem ggf. vorhandenen weiteren schaltenden Magnetaktor gehörende maximale Abstand verdoppelt sich jeweils.
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Auf diese Weise lassen sich - wie in einem binären Zahlensystem - alle Abstände mit einer minimalen Anzahl von schaltenden Magnetaktoren erreichen. Und der Abstand A, der auch für den proportional regelnden Magnetaktor gilt, wird minimiert, wodurch wiederum der Stromverbrauch möglichst gering gehalten werden kann.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Stellventil mit einem Ventilaktor, wie er weiter oben beschrieben wurde.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
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Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Stellventils mit einem erfindungsgemäßen Ventilaktor im geschlossenen Zustand;
- 2 eine schematische Schnittansicht desselben Stellventils mit Ventilaktor, in teilweise geöffnetem Zustand, wobei der Hub des Ventilkegels zwischen einem und zwei Dritteln liegt;
- 3 eine schematische Schnittansicht desselben Stellventils mit Ventilaktor, in weitgeöffnetem Zustand, wobei der Hub des Ventilkegels zwischen zwei Dritteln und 100% liegt;
- 4 eine Außenansicht eines erfindungsgemäßen Ventils mit Ventilaktor; und
- 5 eine Außen- und Querschnittsdarstellung des Führungsrohrs.
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In 1 ist der vorgeschlagene Ventilaktor 100 zu sehen, mit dem sich der elektrische Leistungsbedarf deutlich reduzieren lässt. Dies wird erreicht durch Hintereinanderschalten mehrerer Magnetaktoren bzw. Hubmagnete sowie eine Druckentlastung. Durch den Einsatz mindestens eines proportionalen Magnetaktors lässt sich die Ventilöffnung an jeder Position beliebig fein einregeln.
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In 1 ist das Ventil 105 geschlossen. Der Aktor 100 besteht in diesem Beispiel aus 3 Magnetaktoren, einem proportionalen und zwei schaltenden. Die schaltenden Magnetaktoren bestehen im Wesentlichen aus Wicklungen 110, 112 und Ankern 115, 117 sowie den zugehörigen (Arbeits-) Luftspalten 120, 122. Der Anker 115 des ersten schaltenden Magnetaktors ist direkt mit dem Ventilkegel bzw. Verschlusskörper 125 verbunden.
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Der proportional regelnde Magnetaktor hat ebenfalls eine Wicklung 130, einen Anker 135 und einen Luftspalt 140. An seinem oberen Ende ist dieser Luftspalt 140 durch einen Polschuh 145 begrenzt. Die proportional schaltende Eigenschaft dieses Magnetaktors kommt im Wesentlichen durch die Form dieses Polschuhs 145 zustande. Prinzipiell können beliebig viele schaltende Magnetaktoren hintereinandergeschaltet werden. Es wird jedoch vorzugsweise nur ein proportional wirkender Hubmagnet benötigt.
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Der Grundgedanke ist, den für maximalen Durchfluss nötigen Ventilhub auf mehrere Aktormagnete aufzuteilen. Je kürzer der Hub eines Einzelmagneten, desto geringer wird die Stromaufnahme, was insbesondere für den proportional regelnden Magnetaktor, aber auch für die übrigen gilt. Die Einzelhübe addieren sich zum Gesamthub des Verschlusskörpers 125. Bei einem Ventilsitzdurchmesser von beispielsweise 24 mm benötigt man typischerweise 6 mm Ventilhub, um das Ventil vollständig zu öffnen. In dem Beispiel würde also jeder einzelne Hubmagnet 2 mm Hub machen können. Dies entspricht auch der maximalen Länge der Luftspalte 120, 122, 140.
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Im stromlosen Zustand drücken Federn 150, 152, 155 jeweils den Verschlusskörper 125 mit dem ersten Anker 115, den zweiten Anker 117, den dritten Anker 135 und den Polschuh 145 auseinander. Zwischen diesen genannten Komponenten entstehen so die jeweiligen Arbeitsluftspalte 120, 122, 140.
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Zu Führungs- und Begrenzungszwecken sind die genannten Komponenten zudem durch Begrenzungsstangen 160, 162, 165 lose miteinander verbunden. Wenn die Anschläge der Begrenzungsstangen nicht vollständig im Eingriff sind, sind bedingt durch die Hintereinanderschaltung der Federn 150, 152, 155 die Federkräfte alle gleich groß. Die Federkraft entspricht dann also der Kraft, mit der der Verschlusskörper 125 auf den Ventilsitz 170 drückt. Die Begrenzungsstangen 160, 162, 165 sorgen dafür, dass die Luftspalte der einzelnen Hubmagnete den jeweils zulässigen Maximalwert nicht überschreiten können. So ist sichergestellt dass die zur Verfügung stehende elektrische Leistung ausreicht, um die Magnete zu schalten bzw. einzuregeln.
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Die beweglichen Teile (Anker 115, 117, 135 und Verschlusskörper 125) werden in einem Führungsrohr geführt. Dieses weist Isolierabschnitte 180, 182, 185 und Flussleitabschnitte 190, 192, 195 auf und wird durch den Polschuh 145 nach oben abgeschlossen. Nach außen ist die gesamte Anordnung vorzugsweise durch ein Gehäuserohr 175 umschlossen.
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Bei dem beispielhaft beschriebenen Ventilaktor kann also das erste Drittel des Ventilhubes durch Betätigen allein des oberen proportionalen Magnetaktors gefahren werden, indem seine Wicklung 130 kontrolliert bestromt wird. Der proportionale Magnetaktor ist durch Polschuhgeometrie 145 und Dicke einer Antiklebscheibe 199 so ausgelegt, dass jede Hubposition stetig angefahren und gehalten werden kann. Dabei nimmt der sich bewegende Anker 135 über die beiden unteren Begrenzungsstangen 160, 162 beide unteren Anker 115, 117 und auch den Verschlusskörper 125 mit. Ist dieser Hubbereich erschöpft, kommt der Anker 135 an der Antiklebscheibe 199 zum Anliegen.
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Um mehr Hub zu erreichen, kann nun durch Bestromen der Wicklungen 110, 112 der schaltenden Magnetaktoren jeweils ein zusätzliches Hubinkrement von z.B. 2 mm erzeugt werden. Hierzu wird lediglich für sehr kurze Zeit ein durch Luftspalt 120 bzw. 122 und Kraft vorgegebener Schaltstrom benötigt. Dieser kann nach dem Schaltvorgang auf einen deutlich niedrigeren Haltestrom reduziert werden. Die Verwendung von Schalthubmagneten mit Stromprofilansteuerung zur Hubvergrößerung in diskreten Schritten ist extrem hilfreich, um niedrige Stromaufnahmen zu erzielen. Nach Aufaddieren eines Hubinkrementes durch einen der beiden Schalthubmagnete kann im Ventilhubbereich von 1/3 bis 2/3 des Gesamthubes mit dem Proportionalmagneten weiter fein geregelt werden. Nach Erreichen der nächsten Hubgrenze kann dann noch der zweite Schaltmagnet geschaltet werden, um in den Regelbereich von 2/3 bis 3/3 des Gesamthubes zu kommen. Diese Zustände sind in 2 und 3 dargestellt.
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In 2 wurde der zweite schaltende Magnetaktor (mit Spule 112 und Anker 117) geschaltet, der zugehörige Luftspalt 122 ist somit geschlossen, so dass mit dem proportionalen Magnetaktor 130, 135 der Bereich zwischen 1/3 und 2/3 des Gesamthubs geregelt werden kann.
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In 3 wurde auch der erste schaltende Magnetaktor (mit Spule 110 und Anker 115) geschaltet, so dass auch der zugehörige Luftspalt 120 geschlossen ist. Mit dem proportionalen Magnetaktor (mit Spule 130 und Anker 135) lässt sich dann der Bereich zwischen 2/3 und 100% des Gesamthubs regulieren.
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Durch eine Druckentlastungsbohrung 300 wird der Prozessdruck der Einlassseite 310 des Ventils 105 in das Rohr- und Aktor-Innere geleitet. Durch diese Druckentlastungsmaßnahme wird die zum Steuern und Regeln des Hubes nötige Energie unabhängig vom Mediumsdruck bzw. von der Druckdifferenz zwischen Einlass- und Auslassseite 320.
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Eine reibungsarme Stangendichtung 330 verhindert Leckage zwischen der Druckausgleichskammer, also dem Inneren des Ventilaktors 100, und der Auslassseite 320. Der Innendurchmesser der Stangendichtung 330 und der Durchmesser des Ventilsitzes 170 im Schließbereich sollten gleich groß sein, um eine vollständige Druckentlastung zu erreichen.
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Insbesondere die Schaltaktoren verbrauchen nur sehr wenig elektrische Leistung, so dass deren Eigenerwärmung entsprechend gering ist. Es macht also Sinn, in der Nähe des Ventilkörpers einen Schaltaktor anzubringen. Der proportional regelnde Aktor sollte sich wegen seiner zusätzlichen Eigenerwärmung möglichst weit weg vom Ventilkörper befinden. Bei Verwendung mehrerer Aktoren ergibt sich ein länglicher Aufbau. Als Gehäuse findet vorzugsweise ein Rohr 420 Verwendung, wie es in der Außendarstellung in 4 zu sehen ist. Ein erfindungsgemäßer Ventilaktor 410 kann relativ platzsparend auf ein Ventil 400 gesetzt werden. Da der Proportionalaktor möglichst weit vom Ventilkörper entfernt sein soll, kann der zugehörige Polschuh 430 als oberer Abschluss des Rohrs 420 dienen. , Das Rohr 420 dient als magnetische Flussführung und zum Optimieren, insbesondere zum Abschirmen des Magnetsystems.
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Die bewegten Teile (Anker und Verschlusskörper) müssen reibungsarm und stabil geführt werden. Gleichzeitig muss ein Wickelkörper für die Wicklungen der Spulen der Magnetaktoren zur Verfügung gestellt werden. Um im Bereich der Luftspalte keine magnetischen Kurzschlüsse zu bekommen, müssen die Wandbereiche dort magnetisch isolierend sein. Es ist daher vorteilhaft, Führungsrohr, Wickelkörper, magnetische Flussleitabschnitte und magnetisch isolierende Abschnitte in einem Körper zu vereinen, also z.B. in dem Rohr 500. Dieses ist in 5 in einer Außenansicht sowie in einem Querschnitt von A nach A dargestellt.
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Das Rohr ist aus mehreren Segmenten aufgebaut. Diese bestehen abwechselnd aus magnetisch leitendem Material zur Flussführung 540, 545, 550 und aus magnetisch isolierendem Material 520, 525, 530 zum Vermeiden von Kurzschlüssen im Bereich der Arbeitsluftspalte. Der Polschuh 510 des proportional regelnden Aktors schließt das Rohr nach oben ab.
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Bis auf den Polschuh lassen sich diese Bereiche modular als Segmente gestalten, so dass bei der Fertigung verschiedene Größen mit unterschiedlich vielen Magnetaktoren leicht erstellt werden können. Die genannten Bereiche können, wie im Magnetventilbau üblich, miteinander verschweißt werden. Auch Verkleben oder Verschrauben unter Zuhilfenahme von Runddichtringen ist möglich. Das Rohr 500 muss allerdings im zusammengesetzten Zustand den herrschenden Prozessdifferenzdrücken standhalten können. Nur so kann der weiter oben beschriebene Druckausgleich erzielt werden.
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Außerdem muss das fertig montierte Rohr zur Führung der bewegten Teile einen homogenen und eng tolerierten Innendurchmesser und an der Innenwand nicht zu raue Oberflächen aufweisen.
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Das Rohr kann bei entsprechender Ausgestaltung der äußeren Form, wie in 5 an den Aussparungen zu erkennen, direkt als Wickelkörper für die elektrische Wicklungen dienen. Diese liegen dann außerhalb des Rohrs und sind somit gut vor dem Prozessmedium geschützt.
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Glossar
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Aktor
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Ein Aktor setzt elektrische Signale in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen (z.B. Druck oder Temperatur) um und greift damit aktiv in einen Prozess ein. Aktoren sind daher oft Antriebselemente.
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Anker, Magnetanker
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Der Anker oder Magnetanker ist der bewegliche Teil eines Magnetaktors. Häufig bestehen Anker aus weichmagnetischem Material.
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Magnetaktor
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Unter einem Magnetaktor ist ein Aktor zu verstehen, der ein magnetisches bzw. elektromagnetisches Antriebselement ist. Typischerweise besteht ein Magnetaktor aus Anker und Spule und ggf. Führungselementen. Bei Ventilantrieben soll der Anker typischerweise eine begrenzte lineare Bewegung ausführen.
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Binärer bzw. diskreter bzw. schaltender Magnetaktor
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Ein solcher Magnetaktor hat zwei stabile Zustände, zwischen denen er je nach Ansteuerung wechselt. Dies kann z.B. in monostabiler oder bistabiler Form geschehen. Zwischenzustände können nicht angesteuert werden.
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Bei einem monostabilen schaltenden Magnetaktor ist lediglich eine der beiden Positionen, die der Aktor einnehmen kann, bei Unterbrechnung der Stromversorgung stabil. Sollte sich der Aktor zu Beginn der Unterbrechnung der Stromversorgung in dem instabilen Zustand befinden, fährt der Aktor ohne Fremdeinwirkung in den einzigen stabilen Zustand zurück.
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Bei einem bistabilen schaltenden Magnetaktor sind beide Positionen, die der Aktor einnehmen kann, bei Unterbrechnung der Stromversorgung stabil. Der Aktor bleibt bei Unterbrechnung der Stromversorgung in dem Zustand, in dem er sich zu Beginn der Unterbrechnung der Stromversorgung befindet.
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Linearer oder proportionaler Magnetaktor
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Ein proportionaler Magnetaktor ist ein Magnetaktor, der so konfiguriert ist, dass beim Bestromen der Spule sich die Position des Ankers proportional zur Stromstärke einstellt. Dies wird z.B. durch eine spezielle Form von flussführenden Teilen (Eisenkern der Spule o.ä.) erreicht. Dadurch können neben den Endpositionen auch alle möglichen Zwischenzustände angesteuert werden. Nachteil gegenüber schaltenden Magnetaktoren ist ein höherer Stromverbrauch.
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Magnetventil
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Ein Magnetventil ist ein Ventil mit elektromagnetischem Antrieb, z.B. durch Magnetaktor(en). Magnetventile können - abhängig von der Bauart - sehr schnell schalten.
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Spule
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Aufgewickelter Leiter, der eine Induktivität bildet, so dass bei Stromfluss ein Magnetfeld erzeugt wird. Typischerweise der ortsfeste Teil eines Magnetaktors.
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Stellventil, Prozessventil
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Prozessventile, auch Stell- oder Regelventile genannt, dienen zur Drosselung bzw. Regelung fluidischer Ströme. In einer Durchflussöffnung eines Ventilsitzes eines Stellventils wird zu diesem Zweck ein Drosselkörper / Ventilglied / Ventilkegel mittels eines Antriebs bewegt.
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Ventilaktor, magnetischer bzw. elektromagnetischer Ventilaktor
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Bei einem Ventilaktor handelt es sich um eine Antriebseinheit für ein Ventil, genauer für ein Ventilglied. Ein magnetischer bzw. elektromagnetischer Ventilaktor wird mittels Elektromagneten angetrieben und kann dabei mehrere Magnetaktoren umfassen.
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Ventilglied
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Ein Ventilglied besteht aus einer Ventilstange und einem Ventilkegel bzw. Drosselkörper.
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Ventilkegel, Drosselkörper
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Der Ventilkegel bzw. Drosselkörper dient bei einem Stellventil zum Regulieren der Durchflussöffnung. Dieses Teil ist in der Regel kegelförmig oder konisch ausgeführt. Zum Verschließen wird der Drosselkörper typischerweise vom Antrieb des Stellventils mittels der Ventilstange in den Ventilsitz gedrückt, zum Öffnen aus demselben herausgezogen. Durch die Positionierung des Ventilkegels durch den Antrieb können unterschiedliche Durchflussquerschnitte erreicht werden
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Bezugszeichen
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- 100, 410
- Ventilaktor
- 105, 400
- Ventil
- 110, 112
- Wicklungen
- 115, 117
- Anker
- 120, 122
- Luftspalt
- 125
- Ventilkegel bzw. Verschlusskörper
- 130
- Wicklung des Proportionalaktors
- 135
- Anker des Proportionalaktors
- 140
- Luftspalt des Proportionalaktors
- 145,430,510
- Polschuh
- 150, 152, 155
- Federn
- 160, 162, 165
- Begrenzungsstangen
- 170
- Ventilsitz
- 175,420
- Gehäuserohr
- 180, 182, 185
- Isolierabschnitte
- 190, 192, 195
- Flussleitabschnitte
- 199
- Antiklebscheibe
- 300
- Druckentlastungsbohrung
- 310
- Einlassseite des Ventils
- 320
- Auslassseite des Ventils
- 330
- Stangendichtung
- 500
- (Führungs-)Rohr
- 520, 525, 530
- magnetisch isolierende Abschnitte
- 540, 545, 550
- magnetisch leitende Abschnitte
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zitierte Literatur
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zitierte Patentliteratur
