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Die
Erfindung betrifft einen Proportional-Elektromagneten.
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Bei
einem Proportional-Elektromagneten handelt es sich um einen Elektromagneten,
dessen beweglicher Magnetanker einen bestimmten Teil seiner Hubstrecke
oder den Gesamthub in Abhängigkeit von
der Stromstärke
zurück
legt. In einem Koordinatensystem ergibt sich also eine ansteigende
Kennlinie für
den Ankerhub über
der Stromstärke.
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Ein
solcher Proportional-Elektromagnet kann in verschiedenen Gebieten
der Technik angewandt werden, beispielsweise zum Betätigen eines
Ventils, mit dem der Druck oder der Volumenstrom eines Fluids (eines
Gases oder einer Flüssigkeit)
gesteuert oder geregelt werden soll. Der erfindungsgemäße Proportional-Elektromagnet
ist vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, für ein Hydraulik-Proportionalventil
vorgesehen. Ein solches Ventil dient z.B. zum Einstellen unterschiedlicher
Volumenströme,
und zwar in Abhängigkeit
von einer variablen Stromstärke.
Ventile dieser Art finden z.B. Anwendung in hydraulischen Hilfskraftlenkungen
von Kraftfahrzeugen; hier soll die zur Durchführung von Lenkbewegungen von
einem Fahrer aufzubringende Kraft reduziert bzw. hydraulisch unterstützt werden.
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Ausgangspunkt
der Erfindung ist ein Proportional-Elektromagnet, wie er als Teil einer
hydraulischen Hilfskraftlenkung in der nicht-vorveröffentlichten
Patentanmeldung
DE
102 05 859 A1 beschrieben ist. Danach umfasst der Proportional-Elektromagnet eine
elektrische Spule; diese befindet sich bekanntlich in einem magnetisierbaren
Spulenkäfig,
durch den sich eine nicht-magnetische Hülse erstreckt. Ein in der Hülse angeordneter
und in Achsrichtung der Spule beweglicher Magnetanker ist mittels
einer Ankerachse (die zugleich als Ventilkörper ausgebildet ist) in einer
stationären
Ankerführung
gelagert. An dieser Ankerführung
(oder "Einschraubstück") sind der Spulenkäfig mit
der Spule sowie die nicht-magnetische Hülse befestigt. Ein mit dem
Spulenkäfig
in Kontakt stehender magnetisierbarer Steuerhohlzylinder (welcher
ein Teil der Ankerführung
sein kann) erstreckt sich in Richtung zum Anker in die nicht-magnetische
Hülse hinein
und bildet an seinem, dem Anker zugewandten Ende eine umlaufende
Steuerkante. Der Magnetanker weist einen sich verjüngenden Bereich
auf, der im erregten Zustand je nach Höhe der Stromstärke mehr
oder weniger in den Steuerhohlzylinder eintaucht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den oben beschriebenen
Proportional-Elektromagneten dahingehend weiter zu entwickeln, dass
möglichst
viele der nachstehenden Forderungen erfüllt werden:
- A)
Die Kennlinie "Weg
(oder Hub) über
der Stromstär ke" soll möglichst
gleichmäßig proportional verlaufen;
d.h. es soll ein möglichst
stetiger Kennlinienverlauf erreicht werden. Bei der bevorzugten Anwendung
in einem Hydraulik-Proportionalventil soll ein möglichst stetiger Kennlinienverlauf
des Volumenstromes (oder des Druckes) über der Stromstärke erzielt
werden.
- B) Der Wirkungsgrad des Proportional-Elektromagneten soll erhöht werden;
dies bedeutet, dass – für eine geforderte
Ankerkraft – die
Abmessungen der elektrischen Spule möglichst klein sein sollen.
- C) Die Kennlinie soll eine möglichst
geringe Hysterese aufweisen. Dies gilt insbesondere bei der bevorzugten
Anwendung des Elektromagneten in einem Hydraulik-Proportionalventil,
welches den Volumenstrom (oder den Druck) eines Hydrauliköls steuert.
In diesem Fall soll die Bewegung des Magnetankers, zusammen mit
dem Ventilkörper, möglichst
unabhängig
sein von wechselnder Ölviskosität.
- D) Es sollen möglichst
günstige
Bedingungen für die
Fertigung des Proportional-Elektromagneten in Groß-Serien
(Massenfertigung) geschaffen werden.
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Diese
Aufgabe wird, ausgehend von einem Proportional-Elektromagneten mit den im Oberbegriff des
Anspruches 1 angegebenen Merkmalen dadurch gelöst, dass sich – im nicht-erregten
Zustand – die dem
Steuerzylinder zugewandte Ankerstirnfläche von der Steuerkante des
Steuerhohlzylinders in einem Abstand befindet, der nur einem Bruchteil
(z. B. 20 bis 30 %) des Gesamt-Ankerhubs entspricht.
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Versuche
mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten
Proportional-Elektromagneten haben ergeben, dass ein wesentlich
verbesserter, stetiger Kennlinienverlauf erreicht wird. Außerdem erhöht sich
der Wirkungsgrad; dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass – insbesondere im Anfangsbereich
des Ankerhubs, bei z.B. 20 bis 30 % des Ankerhubs – die magnetischen
Feldlinien im Luftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Steuerhohlzylinder
(vor allem im Bereich der Steuerkante) außerordentlich konzentriert
sind.
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Bei
Versuchen wurde außerdem überraschend
festgestellt, dass der erfindungsgemäße Elektromagnet bei einer "trockenen Anwendung" (d.h. wenn der Innenraum
des Elektromagneten, in dem sich der Magnetanker befindet, mit Luft
oder einem anderen Gas gefüllt
ist) die besondere Eigenschaft hat, dass der Magnetanker beim allmählichen Hochfahren
der Stromstärke
zunächst
noch in der Endposition verbleibt, dann aber (bei einer Teil-Stromstärke von
z.B. etwa 40 %) einen ersten Bruchteil des Gesamt-Ankerhubs (z.B.
20 bis 30 %) sprungartig zurücklegt.
Danach erfolgt die weitere Erhöhung
des Ankerhubs proportional zur Erhöhung der Stromstärke, wobei
ein sauberer, stetiger Kennlinienverlauf vorhanden ist. Dieser überraschende
Effekt kann nicht nur bei Anwendung des erfindungsgemäßen Proportional-Elektromagneten
in pneumatischen Proportionalventilen genutzt werden, sondern auch
im "trockenen Prüfbetrieb" von Elektromagneten,
die für
ein Hydraulik-Proportionalventil vorgesehen sind. Bei der Herstellung
solcher Ventile findet nämlich
stets eine sogenannte "trockene
Ventilvermessung" statt,
die insbesondere bei der Massenfertigung bisher relativ hohe Kosten
verursacht. Dank der Erfindung kann nun bei einer solchen Ventilvermessung
der Prüfbereich
beträchtlich
(z.B. um 40 %) reduziert werden. Dies führt zu einer erheblichen Verkürzung des
Prüfvorganges
und somit zu einer deutlichen Kostenreduzierung.
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Es
ist aber eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Proportional-Elektromagneten, dass
die oben beschriebene sprungartige Bewegung des Magnetankers verschwindet,
sobald ein mit ihm verbundenes Hydraulik-Proportionalventil mit
der bestimmungsgemäßen Flüssigkeit
(z. B. Hydrauliköl) betrieben
wird. In diesem sogenannten "nassen" Betrieb ergibt sich über dem
gesamten Bereich der variablen Stromstärke ein außerordentlich stetiger Verlauf
der Kennlinie, insbesondere der Kennlinie "Volumenstrom über Stromstärke". Zu beachten ist insbesondere, dass
schon bei einer sehr geringen Stromstärke ein sanfter, gerundeter
Anstieg des Volumenstroms beginnt, mit einem stetigen Übergang
in einen weiteren geraden, proportionalen Anstieg.
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In
den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Proportional-Elektromagneten
angegeben. Diese werden im Rahmen der nachfolgenden Figurenbeschreibung
erläutert.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Magnetanker an einen Ventilkörper gekoppelt
ist, der dazu geeignet ist, den Drosselquerschnitt einer Blende,
vorzugsweise eines Blendeneinsatzes zu verändern, wobei die Anordnung derart
getroffen ist, dass eine Änderung des
Drosselquerschnittes erst dann stattfindet, wenn die den Steuerhohlzylinder
zugewandte Stirnfläche des
Magnetankers wenigstens angenähert
die Ebene einer Steuerkante erreicht.
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Es
zeigt:
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1 einen Längsschnitt
durch einen Proportional-Elektromagneten
für ein
Hydraulik-Proportionalventil; dargestellt ist der stromlose Zustand,
Ventil zumindest weitgehend geschlossen;
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2 und 3 im Wesentlichen
den gleichen Proportional-Elektromagneten
wie in 1, bei etwa 25
bzw. etwa 90 % des Gesamt-Ankerhubs;
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4 eine Kennlinie "Ankerhub über Stromstärke" beim trockenen Prüfbetrieb;
und
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5 eine Kennlinie "Volumenstrom über Stromstärke" im nassen Betrieb.
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Der
in 1 dargestellt Proportional-Elektromagnet 10 kooperiert
mit einem Proportionalventil 11 zur Steuerung des Druckes
und/oder des Volumenstroms eines Fluids, vorzugsweise eines Hydrauliköls. Der
Elektromagnet umfasst eine elektrische Spule 12, die sich
in einem magnetisierbaren Spulenkäfig 13 befindet. Durch
diesen erstreckt sich eine nicht-magnetische Hülse 14, worin ein
in Achsrichtung der Spule 12 beweglicher Magnetanker 15 angeordnet
ist. Das in der Zeichnung obere Ende der Hülse 14 begrenzt den
Innenraum des Elektromagneten 10 nach außen hin
flüssigkeitsdicht.
Der Magnetanker 15 ist auf einer Ankerachse 16 befestigt,
mit deren Hilfe er in einer stationären Ankerführung 17 (auch "Einschraubstück" genannt) geführt ist.
Das andere Ende der Ankerachse 16 ist als Ventilkörper ausgebildet,
beispielsweise in Form eines scheibenähnlichen Steuergliedes 24.
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Der
durch den Magnetanker 15 angetriebene Ventilkörper 16, 24 ist
Teil des genannten Hydraulik-Proportionalventils 11. Dieses
umfasst ein Ventilgehäuse 23 mit
Blendeneinsatz 25, Zulaufkanal 28 und Ablaufkanal 29.
Der Blendeneinsatz 25 besitzt eine Blendenöffnung 26,
die durch Bewegung des Steuergliedes 24 mehr oder weniger
geöffnet
oder geschlossen wird.
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An
die in das Ventilgehäuse 23 eingeschraubte
Ankerführung 17 ist
ein magnetisierbarer Steuerhohlzylinder 18 angeformt, der
sich in Richtung zum Magnetanker 15 hin erstreckt, so dass
sich der Steuerhohlzylinder 18 im Inneren der nicht-magnetischen
Hülse 14 befindet.
Der Steuerhohlzylinder 18 bildet an seinem dem Magnetanker 15 zugewandten
Ende eine umlaufende Steuerkante 19.
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Der
Magnetanker 15 verjüngt
sich in Richtung zum Steuerhohlzylinder 18; er ist beispielsweise konisch.
Er kann beispielsweise auch zusammengesetzt sein aus einem zylindrischen
Bereich und einem sich in Richtung zum Steuerhohlzylinder verjüngenden
Bereich. In jedem Fall ist der Magnetanker 15 derart gestaltet,
dass er im erregten Zustand in den Steuerhohlzylinder 18 eintauchen
kann. An seiner dem Steuerhohlzylinder 18 zugewandten Stirnfläche ist
eine nicht-magnetisierbare Antihaftscheibe 20 vorgesehen,
die sich ständig – zumindest
teilweise – im Inneren
des Steuerhohlzylinders befindet.
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Zwischen
dem Magnetanker 15 mit seiner Antihaftscheibe 20 einerseits
und der Ankerführung 17 andererseits
kann eine Druckfeder 22 eingespannt sein. Im stromlosen
Zustand drückt
die Druckfeder 22 den Magnetanker 15 an einen
(in der Zeichnung oberen) Endanschlag 21a, der an die Hülse 14 angeformt
ist. Bei voller Erregung des Elektromagneten, also wenn der Magnetanker
den gesamten Ankerhub H zurückgelegt
hat, liegt die Antihaftscheibe 20 an einem (in der Zeichnung
unteren) Vorderanschlag 21b an, der am Steuerhohlzylinder 18 angeformt
ist. Die Antihaftscheibe 20 erleichtert das Wiederablösen des
Magnetankers vom Vorderanschlag 21b.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Anordnung derart getroffen, dass im nicht-erregten Zustand
(wie in 1 dargestellt)
die dem Steuerhohlzylinder 18 zugewandte Ankerstirnfläche sich noch
außerhalb
des Steuerhohlzylinders 18 befindet, jedoch in einem relativ
kleinen Abstand h von der Steuerkante 19, der nur einem
Bruchteil des Gesamt-Ankerhubs H entspricht. Dieser Abstand kann beispielsweise
20 bis 30 % des Gesamt-Ankerhubs H betragen.
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In 2 ist angenommen, dass der
wie in 1 gestaltete
Proportional-Elektromagnet 10 entweder mit einem pneumatischen
Proportionalventil kooperiert oder – falls es sich wiederum um
ein Hydraulik-Proportionalventil 11 handelt – sich noch
im trockenen Zustand befindet, so beispielsweise bei der sogenannten
trockenen Ventilvermessung. Dargestellt ist in 2 der Zustand, bei dem der Spule 12 noch
eine relativ schwache Stromstärke
zugeführt ist,
von beispielsweise etwa 40 % der vollen Stromstärke. Hierbei hat sich der Magnetanker 15 sprungartig
in die dargestellte Position bewegt, bei welcher sich die dem Steuerhohlzylinder 18 zugewandte
Ankerstirnfläche
ungefähr
in der Ebene der Steuerkante 19 befindet oder nur geringfügig in den
Steuerhohlzylinder eingetaucht ist. In diesem Zustand beginnt der Strömungsquerschnitt
der Blendenöffnung 26 sich
zu vergrößern.
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Angenommen,
die Anordnung gemäß 2 sei nun Bestandteil eines
Hydrauliksystems. In diesem Zustand ist nicht nur das Innere des
Ventilkörpers 23 mit
Flüssigkeit
gefüllt,
sondern über
die zentrale Bohrung 27 der Ankerachse 16 auch
der Innenraum der Hülse 14 und
des Steuerhohlzylinders 18. In diesem Zustand erreicht
der Magnetanker 15 die in 2 dargestellte
Position nicht sprungartig; vielmehr bewegt er sich im Wesentlichen
proportional zur zunehmenden Stromstärke kontinuierlich vom Endanschlag 21a in
die dargestellte Position, welche ungefähr 25 bis 30 % des Gesamthubs
H entspricht.
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Gemäß 3 hat der Magnetanker 15 – entsprechend
einer Stromstärke
von etwa 80 % des maximalen Werts – einen Hub von ungefähr 90 %
des Gesamt-Ankerhubs H zurückgelegt.
Diese (nur beispielhaft) dargestellte Position erreicht der Magnetanker
nicht sprungartig, sondern allmählich,
entsprechend einer im Wesentlichen linearen Kennlinie "Ankerhub über Stromstärke". Dies gilt unabhängig davon
ob sich die Gesamtanordnung im "trockenen" oder im "nassen" Zustand befindet.
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Die
in den 2 und 3 dargestellte Bauweise entspricht
derjenigen gemäß 1. Nur die Druckfeder 22 (1) wurde in den 2 und 3 weggelassen, nämlich unter der Annahme, dass
im stromlosen Zustand die Fluidströmung den Ventilkörper 16 mit
dem daran befestigten Magnetanker 15 bis zum Endanschlag 21a nach
oben drückt.
Aus den 1 bis 3 ist noch ersichtlich, dass
zwischen der Außenkontur
der Antihaftscheibe 20 und der Innenwand des Steuerhohlzylinders 18 ein
relativ breiter Ringspalt vorgesehen ist. Ein ähnlicher Ringspalt befindet
sich zwischen der Außenkontur
des Magnetankers 15 und der Innenwand der nichtmagnetischen Hülse 14.
Durch diese konstruktiven Maßnahmen wird
dafür gesorgt,
dass bei einer Bewegung des Magnetankers 15 ein freier,
im Wesentlichen ungedrosselter Fluidausgleich zwischen den Teilräumen des Elektromagnet-Innenraums
stattfinden kann. Dies bewirkt – mit
höherer
Sicherheit als bisher – ein
verklemmungsfreies Bewegen des Magnetankers. Es wird ein einseitiges
Anliegen von relativ zu einander beweglichen Bauteilen vermieden.
Dadurch kann die Dimensionierung der elektrischen Spule 12 gegenüber bisher
verkleinert werden. Trotzdem weist die Kennlinie "Volumenstrom über Stromstärke" eine geringere Hysterese
als bisher auf. Ferner ist die Anordnung weitgehend unabhängig von Änderungen
der Ölviskosität bei hydraulischen
Systemen.
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Gemäß den 1 bis 3 ist der Steuerhohlzylinder 18 zusammen
mit der Ankerführung 17 als
ein einstückiges
Bauteil ausgebildet. Abweichend hiervon kann der Steuerhohlzylinder
auch als ein von der Ankerführung
unabhängiges,
separates Bauteil ausgebildet sein.
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Die 4 zeigt die Kennlinie des
erfindungsgemäßen Proportional-Elektromagneten "Ankerhub s über Stromstärke I" im "trockenen" Zustand. Wie man
sieht, legt der Magnetanker bei etwa 40 % der vollen Stromstärke ungefähr 25 %
des Gesamthubs H in einem einzigen Sprung zurück. Die nachfolgende Bewegung
des Magnetankers erfolgt stetig und proportional zur Zunahme der
Stromstärke.
Der Gesamthub H wird bei etwa 90 % der vollen Stromstärke erreicht.
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Im
Gegensatz hierzu erfolgt die Bewegung des Magnetankers im "nassen" Zustand von Anfang an
entsprechend der zunehmenden Stromstärke stetig. Die 5 zeigt dies in Form einer
Ventil-Kennlinie K "Volumenstrom
Q über
Stromstärke
I". Dabei ist angenommen,
dass im Stromstärke-Bereich
zwischen 0 und etwa 15 % ein geringer Volumenstrom q vorhanden ist,
bei Erhöhung
der Stromstärke über den
Wert von 15 % hinaus erfolgt ein stetiges Zunehmen des Volumenstroms,
mit einem stetigen Übergang
der anfangs horizontalen Kennlinie in den im Wesentlichen linear
ansteigenden Teil der Kennlinie K. Die Kennlinie K zeigt, dass die
erfindungsgemäße Anordnung
eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, weil Magnetanker und
Ventilkörper
schon bei relativ geringer Stromstärke ansprechen und rasch auf
eine Änderung
der Stromstärke
reagieren. Dies zeigt sich auch am Verlauf der Kennlinie Z für den Volumenstrom
bei zurückgehender
Stromstärke,
also daran, dass eine nur geringfügige Hysterese vorhanden ist.
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- 10
- Proportional-Elektromagnet
- 11
- Hydraulik-Proportionalventil
- 12
- Spule
- 13
- Spulenkäfig
- 14
- Hülse
- 15
- Magnetanker
- 16
- Ankerachse
= Ventilkörper
- 17
- Ankerführung =
Einschraubstück
- 18
- Steuerhohlzylinder
- 19
- Steuerkante
- 20
- Antihaftscheibe
- 21a
- Endanschlag
- 21b
- Vorderanschlag
- 22
- Druckfeder
- 23
- Ventilgehäuse
- 24
- Steuerglied
- 25
- Blendeneinsatz
- 26
- Blendenöffnung
- 27
- zentrale
Bohrung
- 28
- Zulaufkanal
- 29
- Ablaufkanal
- H
- Gesamt-Ankerhub
- h
- Abstand
zwischen 15 und 19 im stromlosen Zustand
- K
- Kennlinie
- Z
- Kennlinie