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Die vorliegende Erfindung betrifft elektromagnetisch betätigbare Aktoren, die beispielsweise in Stetigventilen für Fluide einsetzbar sind.
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Stand der Technik
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Um Flüsse von flüssigen oder gasförmigen Fluiden zu steuern, werden vielfach elektromagnetisch betätigbare Ventile eingesetzt. Schaltventile haben mehrere diskrete Schaltstellungen, in denen ein Durchgang für das Fluid entweder geöffnet oder gesperrt ist und/oder in denen bestimmte Anschlüsse des Ventils untereinander verbunden sind oder aber nicht. Stetigventile erlauben stetige Übergänge zwischen solchen Schaltstellungen und werden beispielsweise zur Druckregelung in hydraulischen Kreisen, wie etwa in Fahrzeuggetrieben, eingesetzt. Dabei ist in der Regel ein proportionales Verhalten zwischen dem Strom, mit dem eine Magnetspule des Ventils beaufschlagt wird, und der hierdurch auf einen Anker des Ventils ausgeübten Magnetkraft gewünscht.
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Gerade bei der Druckregelung kann es je nach Anwendung jedoch auch gewünscht sein, dass die Magnetkraft in progressiver Weise vom Strom abhängt, d.h., dass bei höheren Strömen die Kraft stärker mit dem Strom ansteigt als bei niedrigeren Strömen. Hierzu offenbaren die
DE 10 2013 213 712 A1 , die
DE 102 55 414 A1 sowie die
DE 102 44 527 A1 verschiedene Lösungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein elektromagnetisch betätigbarer Aktor entwickelt. Dieser Aktor umfasst mindestens eine bestrombare Magnetspule, mindestens einen beweglichen ferromagnetischen Anker sowie mindestens ein ferromagnetisches Joch. Das Joch ist dazu ausgebildet, den magnetischen Fluss der Magnetspule zumindest teilweise durch den Anker zu führen, so dass durch Bestromung der Magnetspule eine Kraft auf den Anker ausgeübt und der Anker hierdurch bewegt werden kann.
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Das Joch weist mindestens einen nicht ferromagnetischen Bereich auf, der den energetisch günstigsten Weg des magnetischen Flusses verlängert. Die Feldlinien des magnetischen Flusses verlaufen um die Magnetspule herum und streben hierbei diejenigen geschlossenen Wege an, auf denen unter Berücksichtigung der jeweils durchquerten Materialien die Gesamtenergie minimal ist. Der nicht ferromagnetische Bereich fungiert als „Hürde“, deren direkte Überwindung vergleichsweise viel Energie kostet. Je nach geometrischer Ausbildung und Material des nicht ferromagnetischen Bereichs kann es also energetisch günstig werden, wenn der magnetische Fluss einen längeren Weg nimmt, der dafür beispielsweise nur auf einem kürzeren Teilstück durch den nicht ferromagnetischen Bereich führt.
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Der nicht ferromagnetische Bereich kann beispielsweise auch so ausgebildet sein, dass es innerhalb des ferromagnetischen Materials des Jochs einen Weg gibt, auf dem der magnetische Fluss den nicht ferromagnetischen Bereich umgehen kann. Dann kann ein solcher Weg energetisch am günstigsten werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der nicht ferromagnetische Bereich eine Engstelle für den magnetischen Fluss im Joch definieren, an der das ferromagnetische Material des Jochs nicht vollständig unterbrochen ist.
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Der nicht ferromagnetische Bereich ist nun so ausgebildet, dass ab einer vorgegebenen Flussdichte des magnetischen Flusses eine Führung zumindest eines Teils des magnetischen Flusses auch auf kürzeren Wegen energetisch begünstigt ist. In dem zuletzt genannten Beispiel, in dem der nicht ferromagnetische Bereich auf einem verlängerten Weg durch das Joch umgehbar ist, kann es beispielsweise ab der vorgegebenen magnetischen Flussdichte energetisch günstiger werden, zumindest einen Teil des magnetischen Flusses über den nicht ferromagnetischen Bereich zu führen, als den kompletten magnetischen Fluss auf dem verlängerten Weg um diesen Bereich herum zu führen.
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Prinzipiell gibt es für jede Ausbildung des nicht ferromagnetischen Bereichs eine Flussdichte, ab der es energetisch günstiger wird, zumindest einen Teil des magnetischen Flusses auch auf kürzeren Wegen zu führen. Wenn die Flussdichte nur groß genug ist und etwa das ferromagnetische Material in einer Engstelle, über die der nicht ferromagnetischen Bereich umgehbar ist, bereits vollständig gesättigt ist, gibt es bei einer weiteren Steigerung des magnetischen Flusses gar keine andere Möglichkeit mehr, als auf den Weg über den nicht ferromagnetischen Bereich auszuweichen. Die vorgegebene Flussdichte ist jedoch in dem Aktor gezielt so gewählt, dass sie innerhalb des Betriebsbereichs des Aktors liegt, d.h., dass sie mit einem Strom durch die Magnetspule, der im für den normalen Betrieb des Aktors vorgesehenen Bereich liegt, erzeugt werden kann.
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Es wurde erkannt, dass auf diese Weise die Kraft-Strom-Kennlinie des Aktors in konstruktiv besonders einfacher Weise progressiv gestaltet werden kann. Solange der komplette magnetische Fluss im Joch auf dem verlängerten Weg geführt ist, wird auch die nächste infinitesimale Erhöhung dieses Flusses, wie sie durch eine infinitesimale Erhöhung des Stroms durch die Magnetspule bewirkt wird, ebenfalls auf diesem Weg geführt werden. Dies verringert den Durchgriff dieser Erhöhung auf die Kraft, die auf den Anker ausgeübt wird. Ist jedoch die vorgegebene Flussdichte erreicht oder überschritten und wird infolgedessen zumindest ein Teil des magnetischen Flusses auch auf kürzeren Wegen geführt, so werden auch weitere infinitesimale Erhöhungen des Flusses ebenfalls auf diesen kürzeren Wegen geführt. Diese weiteren infinitesimalen Erhöhungen schlagen also stärker auf die auf den Anker ausgeübte Kraft durch. Die Kraft-Strom-Kennlinie wird steiler.
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Hierbei ist es durch die jeweilige Anwendung des Aktors, beispielsweise in einem Ventil, vorgegeben, ab welcher magnetischen Flussdichte, d.h. ab welchem Strom, die Kraft-Strom-Kennlinie steiler werden soll und welche Steigungen sich unterhalb bzw. oberhalb dieser Flussdichte jeweils einstellen sollen. Mit dieser Vorgabe ist der Fachmann in der Lage, den nicht ferromagnetischen Bereich so auszubilden, dass sich das gewünschte Verhalten einstellt. Beispielsweise kann der Fachmann das Verhalten mit gängigen Softwaretools, etwa mit der Finite-Elemente-Methode, simulieren und dann physisch diejenige Konfiguration anfertigen, die in der Simulation das gewünschte Verhalten zeigt.
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Für die Herstellung des nicht ferromagnetischen Bereichs im Joch können insbesondere beispielsweise ohnehin bei der Fertigung des Aktors entstehende Fügespalte gezielt im Hinblick auf die beschriebene Wirkung modifiziert werden. Beispielsweise kann das Design des Aktors gegenüber dem Stand der Technik dahingehend abgeändert werden, dass derartige Fügespalte an anderen Stellen im Joch entstehen und in der beschriebenen Weise als nichtmagnetische Bereiche wirken.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind somit zumindest Teilbereiche des nicht ferromagnetischen Bereichs so ausgebildet, dass eine zumindest teilweise Führung des magnetischen Flusses über diese Teilbereiche gegenüber einer vollständigen Führung des magnetischen Flusses um den nicht ferromagnetischen Bereich herum energetisch begünstigt ist, wenn die Flussdichte des magnetischen Flusses die vorgegebene Flussdichte erreicht oder überschreitet.
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Dabei bilden vorteilhaft diese Teilbereiche bei der maximalen gemäß Betriebsbereich des Aktors vorgesehenen Flussdichte einen volumenmäßigen Anteil von mindestens 10 %, bevorzugt von mindestens 20 % und ganz besonders bevorzugt von mindestens 50 %, des nicht ferromagnetischen Bereichs. Idealerweise wird der nicht ferromagnetische Bereich bei der maximalen vorgesehenen Flussdichte zur Gänze von dem magnetischen Fluss durchsetzt.
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Beispielsweise kann der nicht ferromagnetische Bereich in dem Joch einen Spalt und/oder Schlitz mit zueinander parallelen Wänden bilden und/oder ausfüllen. Der Spalt und/oder Schlitz kann somit neben Luft oder Vakuum auch beliebige andere nicht ferromagnetische Materialien enthalten. Wenn der Spalt und/oder Schlitz mit einem festen Material ausgefüllt ist, dann kann damit insbesondere vermieden werden, dass Fremdstoffe, die beispielsweise durch ein Ventil mit dem Aktor dosiert werden, mit der Magnetspule in Kontakt kommen.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der nicht ferromagnetische Bereich so ausgebildet, dass es innerhalb des Betriebsbereichs des Aktors mindestens ein Intervall der magnetischen Flussdichte gibt, in dem der magnetische Widerstand des nicht ferromagnetischen Bereichs mit der magnetischen Flussdichte kontinuierlich variabel ist. Der magnetische Widerstand kann insbesondere mit zunehmender magnetischer Flussdichte abnehmen. Auf diese Weise lässt sich der progressive Charakter der Kraft-Strom-Kennlinie noch verstärken, denn jede Erhöhung der magnetischen Flussdichte schafft ihrerseits die Voraussetzungen dafür, dass der nicht ferromagnetische Bereich noch mehr magnetischen Fluss tragen kann.
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Dies kann beispielsweise bewirkt werden, indem in dem Intervall der magnetischen Flussdichte ein volumenmäßiger Anteil von zumindest einen Teil des magnetischen Fluss tragenden Teilbereichen am nicht ferromagnetischen Bereich mit zunehmender magnetischer Flussdichte ansteigt.
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Beispielsweise kann der nicht ferromagnetische Bereich zumindest teilweise keilförmig und/oder kegelförmig ausgebildet sein. Die energetischen „Kosten“ dafür, weitere Erhöhungen des magnetischen Flusses über den nicht ferromagnetischen Bereich zu führen, sind dann entlang einer Längsachse des Keils bzw. Kegels variabel.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weitet sich dann der keilförmige und/oder kegelförmige Verlauf mit zunehmender Annäherung an die Magnetspule, beispielsweise entlang einer Längsachse des Keils bzw. Kegels, auf. Dann kann beispielsweise die Spitze des Keils bzw. Kegels eine Engstelle in dem verlängerten Weg definieren, auf dem der magnetische Fluss innerhalb des ferromagnetischen Materials des Jochs den nicht ferromagnetischen Bereich umgehen kann. Für einen magnetischen Fluss mit einer nur geringen Flussdichte ist es dann energetisch am günstigsten, auf dem verlängerten Weg durch die Engstelle um den nicht ferromagnetischen Bereich herumzufließen, ohne das ferromagnetische Material des Jochs zu verlassen. Nähert sich bei einer Erhöhung des Flusses nun beispielsweise das ferromagnetische Material im Bereich der Engstelle der Sättigung, so kann es energetisch am günstigsten werden, zumindest einen Teil des Flusses durch den unmittelbar an die Engstelle angrenzenden Teil des nicht ferromagnetischen Bereichs an der Spitze des Keils bzw. Kegels zu führen. Analog kann es dann bei einer weiteren Erhöhung des Flusses energetisch optimal werden, das vom magnetischen Fluss durchsetzte Teilgebiet des nicht ferromagnetischen Bereichs entlang der Längsachse des Keils bzw. Kegels weiter in Richtung auf die Magnetspule hin auszudehnen. Je breiter der Keil bzw. Kegel an der jeweiligen Stelle entlang seiner Längsachse ist, desto mehr Energie kostet es absolut, einen Teil des magnetischen Flusses an dieser Stelle durch den nicht ferromagnetischen Bereich zu führen. Dies kann jedoch immer noch günstiger sein als einen in anderen Bereichen schon bestehenden starken Fluss quantitativ noch weiter aufzustocken.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Aktor weiterhin Mittel zur Ausübung einer Rückstellkraft, die der durch die Magnetspule auf den Aktor ausgeübten Kraft zumindest teilweise entgegenwirkt. Diese Rückstellkraft kann beispielsweise durch eine oder mehrere Ventilfedern bereitgestellt werden. Die Rückstellkraft kann aber auch beispielsweise durch den Druck eines Fluids, welches unter Zuhilfenahme des Aktors dosiert wird, bereitgestellt werden.
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Wie eingangs erläutert, sind Stetigventile für ein Fluid ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für Aktoren mit progressiver Kraft-Strom-Kennlinie. Hiermit kann beispielsweise bei der Druckregelung erreicht werden, dass kleine Drücke sehr fein und präzise geregelt werden können, während bei höheren Drücken schnell die volle Aussteuerung des Ventils erreicht wird. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Stetigventil für ein Fluid mit einem Durchlass für das Fluid, dessen wirksamer Strömungsquerschnitt durch Bewegung eines Steuerelements in stetiger Weise variabel ist. Das Steuerelement ist an den zuvor beschriebenen Aktor gekoppelt.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
- 1 Erstes Ausführungsbeispiel eines Aktors 1 mit Schlitz als nicht ferromagnetischer Bereich 4a (1a), zugehörige Kraft-Strom-Kennlinien (1b);
- 2 Zweites Ausführungsbeispiel eines Aktors 1 mit Keil als nicht ferromagnetischer Bereich 4a (2a), zugehörige Kraft-Strom-Kennlinien (2b);
- 3 Drittes Ausführungsbeispiel eines Aktors 1 mit Keil an anderer Position als nicht ferromagnetischer Bereich 4a (3a), zugehörige Kraft-Strom-Kennlinien (3b);
- 4 Ausführungsbeispiel eines Stetigventils 10 mit dem Aktor 1.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Aktors 1 in schematischer Schnittzeichnung. Der Aktor 1 ist rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse R aufgebaut. In einem ferromagnetischen Joch 4 befindet sich eine Magnetspule 2. Wenn ein Strom durch die Magnetspule 2 fließt, wird ein magnetischer Fluss 2a, von dem in 1 beispielhaft eine geschlossene Feldlinie eingezeichnet ist, in dem Joch 4 erzeugt.
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Damit der magnetische Fluss 2a nicht durch das Joch 4 kurzgeschlossen wird, sondern zumindest teilweise durch den Anker 3 geleitet wird, ist in dem Joch 4 eine magnetische Trennung 4b, wie beispielsweise eine Kerbe, vorgesehen. Die magnetische Trennung 4b bewirkt, dass es für den magnetischen Fluss 2a energetisch günstiger ist, einen Umweg durch den Anker 3 zu nehmen.
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Das Joch 4 hat eine Aussparung 4c, in der der Anker 3 beweglich ist. Die Magnetkraft FM ist bestrebt, den Anker 3 von rechts nach links zu bewegen. Der Magnetkraft FM ist die Rückstellkraft FR der Feder 5 entgegen gerichtet. Da die Rückstellkraft FR mit fortschreitendem Zusammendrücken der Feder 5 zunimmt, bestimmt ein Kräftegleichgewicht FM=FR von Magnetkraft FM und Rückstellkraft FR , welche Position hA der Anker 3 einnimmt.
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Die Kraft-Strom-Kennlinie wird durch den nicht ferromagnetischen Bereich 4a in eine progressive Kennlinie verwandelt. Der nicht ferromagnetische Bereich 4a ist in diesem Ausführungsbeispiel als Schlitz ausgebildet, der optional mit einem festen Material, wie etwa Messing, gefüllt sein kann. Für einen vergleichsweise geringen magnetischen Fluss 2a ist es energetisch am günstigsten, auf dem Weg 2b um den nicht ferromagnetischen Bereich 4a herum zu fließen. Der nicht ferromagnetische Bereich 4a schafft auf diesem Weg allerdings eine Engstelle 4d. Ab einer vorgegebenen magnetischen Flussdichte 2a' des magnetischen Flusses 2a wird es energetisch günstiger, den magnetischen Fluss 2a teilweise auf dem Weg 2b* durch den nicht ferromagnetischen Bereich 4a zu leiten, als den Fluss in der Engstelle 4d noch weiter zu erhöhen. Jede Einheit an zusätzlicher magnetischer Flussdichte, die auf dem kürzeren Weg 2b* geführt ist, erhöht die Magnetkraft FM um einen größeren Betrag als eine betragsmäßig gleiche Einheit an zusätzlicher magnetischer Flussdichte, die auf dem längeren Weg 2b geführt ist.
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Der Effekt ist in 1b zu sehen. Hier sind Kennlinien der Magnetkraft FM über dem Strom I durch die Magnetspule 2 aufgetragen. Die Kurven a-e beziehen sich auf verschiedene Positionen hA des Ankers 3. Zum Vergleich ist das idealerweise gewünschte progressive Verhalten als Kurve P eingezeichnet. Mit den Kurven a-e wird dieses Verhalten angenähert.
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2a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Aktors 1, wiederum in schematischer Schnittzeichnung. Im Unterschied zu 1a ist der nicht ferromagnetische Bereich 4a hier ausgehend von der Engstelle 4d im ferromagnetischen Joch 4 keilförmig ausgebildet, wobei der Keil sich entlang des Weges von der Engstelle 4d zur Magnetspule 2 hin öffnet.
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Die keilförmige Ausbildung des nicht ferromagnetischen Bereichs 4a hat die Wirkung, dass es bei Erreichen oder Überschreiten der vorgegebenen magnetischen Flussdichte 2a' zuerst an der Spitze des Keils energetisch günstiger wird, einen zusätzlich hinzukommenden Anteil des magnetischen Flusses 2a nicht mehr auf dem verlängerten Weg 2b durch die Engstelle 4d zu führen, sondern auf dem abgekürzten Weg 2b* durch den nicht ferromagnetischen Bereich 4a. Dies wiederum bewirkt, dass der nicht ferromagnetische Bereich 4a in kontrollierter Weise von unten nach oben mit zusätzlichem magnetischem Fluss „aufgefüllt“ wird.
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Der Effekt ist in 2b zu sehen. Analog zu 1b sind Kennlinien der Magnetkraft FM über dem Strom I aufgetragen. Das ideale progressive Verhalten gemäß Kurve P wird durch die Kurven a-e etwas genauer angenähert als in 1b.
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3a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Aktors 1, wiederum in schematischer Schnittzeichnung. Im Unterschied zu 2a befindet sich der nicht ferromagnetische Bereich 4a an einer anderen Stelle im Joch 4 und ist insgesamt kleiner, so dass die Verlängerung des Weges 2b entsprechend kürzer ausfällt.
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Der Effekt ist in 3b zu sehen. Das ideale progressive Verhalten gemäß Kurve P wird durch die Kurven a-e weniger genau angenähert als in 2b.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stetigventils 10. Der Querschnitt eines Durchlasses 11 für ein Fluid 10a, das flüssig oder gasförmig sein kann, kann durch einen Schieber als Steuerelement 12 variiert werden, um so den Druck des Fluids 10a stromabwärts des Stetigventils 10 zu regeln. Das Steuerelement 12 ist an den beschriebenen Aktor 1 gekoppelt und bewegt sich somit in der gleichen Weise wie der Anker 3 des Aktors 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013213712 A1 [0003]
- DE 10255414 A1 [0003]
- DE 10244527 A1 [0003]
- DE 102014209384 A1 [0004]
- US 6386220 B1 [0004]
- DE 102013206958 A1 [0004]
