DE1253363B

DE1253363B - DC magnet with piston armature and two-sided stroke

Info

Publication number: DE1253363B
Application number: DE1958B0050197
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Binder; Rudolf Hauer
Original assignee: Binder Magnete GmbH
Current assignee: Binder Magnete GmbH
Priority date: 1958-09-01
Filing date: 1958-09-01
Publication date: 1967-11-02

Description

Gleichstrommagnet mit Kolbenanker und zweiseitigem Hub 1 Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommagneten mit Kolbenanker und zweiseitigem Hub, insbesondere einen Betätigungsmagneten für Ventile mit drei Funktionsstellungen, bei welchem der wahlweise von zwei Magnetspulen betätigte Anker im mittleren Teil eines rohrförmigen Magnetgehäuses gleitend und ohne Rückstellkräfte angeordnet ist.Direct current magnet with piston armature and bilateral stroke 1 The invention relates to a direct current magnet with piston armature and bilateral stroke, in particular an actuating magnet for valves with three functional positions, in which the armature, optionally actuated by two magnetic coils, is arranged in the middle part of a tubular magnet housing so as to slide and without restoring forces.

Es sind Gleichstrommagnete mit zwei Funktionsstellungen bekannt, bei denen der im mittleren Teil eines rohrförmigen Magnetgehäuses gleitend angeordnete Anker wahlweise von zwei Magnetspulen betätigbar ist. Die Ankerenden sind hülsenförmig ausgebildet und können über zylindrische Ankergegenstücke gleiten. Die hülsenförmigen Ankerenden sind so gestaltet, daß sich ihr magnetisch wirksamer Querschnitt über den Hubweg ändert. Hierbei handelt es sich jedoch um einen Magneten, dessen Anker nur zwei Funktionsstellungen einnehmen kann.DC magnets with two functional positions are known those of the slidably arranged in the central part of a tubular magnet housing Armature can be operated either by two solenoid coils. The anchor ends are sleeve-shaped and can slide over cylindrical counterparts. The sleeve-shaped Armature ends are designed so that their magnetically effective cross-section extends over changes the stroke. However, this is a magnet, its armature can only assume two functional positions.

Es ist bekannt, daß man die Hubkraftcharakteristik eines Gleichstrommagneten durch unterschiedliche Bemessung des magnetisch wirksamen Eisenquerschnitts von Kolbenanker und Ankergegenstück in weiten Grenzen verändern kann, und zwar von einer ansteigenden über eine im wesentlichen gleichbleibende bis zu einer fallenden Hubkraftkennlinie.It is known that the lifting force characteristics of a DC magnet can be obtained due to different dimensioning of the magnetically effective iron cross-section of Piston armature and armature counterpart can change within wide limits, from one rising through an essentially constant up to a falling lifting force characteristic.

Es sind aber auch schon Gleichstrommagneten mit drei Funktionsstellungen bekannt. So kann man von einem Magneten mit zwei Funktionsstellungen ausgehen und bei diesem den Anker der Einwirkung von zwei einander entgegenwirkenden Zentrierfedern aussetzen, deren Kräfte gleich sind, wenn sich der Anker genau in der Mitte zwischen den beiden Hubwegendstellungen befindet. Abgesehen davon, daß auf Grund der Federn Schwingungen auftreten können, müssen die Magnetkräfte der beiden Magnetspulen stets auch die Federkräfte überwinden, ehe der Anker in seine Endstellungen gebracht werden kann. Hinzu kommt, daß der Anker in der Endstellung verriegelt oder magnetisch gehalten werden muß, was den Betrieb wesentlich erschwert und verteuert.But there are also direct current magnets with three functional positions known. So one can assume a magnet with two functional positions and in this the anchor of the action of two counteracting centering springs expose whose forces are equal when the anchor is exactly in the middle between the two stroke end positions. Apart from the fact that because of the feathers Vibrations can occur, the magnetic forces of the two magnetic coils must always also overcome the spring forces before the armature can be brought into its end positions can. In addition, the armature is locked or held magnetically in the end position must be, which makes the operation much more difficult and expensive.

Bei Drehmagneten ist es seit Jahrzehnten bekannt, drei Funktionsstellungen auf rein magnetischem Wege zu gewährleisten. Die Verhältnisse bei einem Drehmagneten liegen jedoch wesentlich anders als bei einem Gleichstrommagneten mit Kolbenanker. So kann in der einen Endstellung des Drehankers wahlweise die eine oder die andere Magnetspule eingeschaltet sein, ohne daß sich an der Stellung des Ankers dadurch etwas ändert. Es ist also ausgeschlossen, lediglich durch Umschalten der beiden Magnetspulen den Anker von der einen in die andere Extremstellung zu bringen. Es muß stets erst eine mittlere Stellung eingestellt werden, aus der heraus dann die gewünschte Endstellung eingefahren werden kann. Die drei Stellungen werden dadurch erreicht, daß in bestimmten Schaltzuständen ein Dreipol und in anderen ein Zweipol ausgebildet wird. Derartige Zustände sind bei Gleichstrommagneten mit Kolbenanker unbekannt.It has been known for decades for rotary solenoids to have three functional positions to ensure in a purely magnetic way. The conditions in a rotary magnet are, however, significantly different from a DC magnet with a piston armature. So can either one or the other in one end position of the pivot armature Solenoid be switched on without affecting the position of the armature something changes. So it is ruled out simply by switching the two Magnet coils to move the armature from one extreme position to the other. It a middle position must always be set first, from which the desired end position can be retracted. The three positions are thereby achieves that in certain switching states a three-pole and in others a two-pole is trained. Such states are found in direct current magnets with piston armatures unknown.

Um auch bei Gleichstrommagneten mit Kolbenanker auf rein magnetischem Wege drei Funktionsstellungen zu gewährleisten, ist es bekannt, drei wahlweise einschaltbare Magnetspulen vorzusehen, von denen zwei in üblicher Weise die beiden Endstellungen des Ankers und die dritte die Mittelstellung bestimmen. Diese Anordnung ist aufwendig, da für drei Magnetspulen und zu deren Unterbringung eine große Baulänge benötigt wird. In einem anderen bekannten Fall hat man bei einer Betätigungsvorrichtung für ein Dreistellungsventil zwei Gleichstrommagnete an den Enden des Ventilschiebers angeordnet, welche in entgegengesetzten Richtungen wirksam sind. Jeder Gleichstrommagnet weist eine Magnetspule und einen Kolbenanker auf. Der Anker wird jeweils durch einen am Kolbenende befestigten Federstern so vorgespannt, daß der durch die beiden Anker verschiebbare Ventilschieber bei abgeschalteten Spulen stets in seine Mittelstellung zurückgeführt wird. Die Anker müssen also auch bei dieser Anordnung ihre Hubbewegungen stets entgegen den Federkräften ausführen. Die Magnetsysteme sind so ausgebildet, daß auf dem ausgenutzten Teil des Hubweges die Hubkraftkennlinie abfällt, so daß beide Systeme bei gleichzeitiger und gleich starker Erregung die Rückstellwirkung der Federsterne unterstützen.In order to use a purely magnetic one even with direct current magnets with piston armatures To ensure three functional positions, it is known to have three optionally switchable Provide solenoid coils, two of which in the usual way, the two end positions of the anchor and the third determine the center position. This arrangement is complex, because a large overall length is required for three magnet coils and to accommodate them will. In another known case, an actuator for a three-position valve two DC solenoids at the ends of the valve spool arranged, which are effective in opposite directions. Any DC magnet has a solenoid and a piston armature. The anchor is each by one at the end of the piston attached spring star so biased that the by the two anchors sliding valve slide always in its central position when the coils are switched off is returned. The anchors must therefore also have their lifting movements in this arrangement always work against the spring forces. The magnet systems are designed in such a way that that the lifting force characteristic drops on the utilized part of the stroke, so that both systems with simultaneous and equally strong excitation the restoring effect support the spring stars.

Die Praxis zeigt also, daß der Fachmann bei Gleichstrommagneten mit Kolbenanker zur Verwirklichung von drei Funktionsstellungen stets Federn zur Erreichung einer der drei Stellungen zu Hilfe nehmen müßte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrommagneten der eingangs näher bezeichneten Art zu schaffen, bei dem die drei Funktionsstellungen ohne jede andere Kraft nur auf magnetischem Wege mit Hilfe von nur zwei Magnetspulen zuverlässig eingestellt werden können.Practice shows that the expert with direct current magnets with Piston armature to achieve three functional positions, always springs to achieve would have to use one of the three positions to help. The invention lies the object is based on a DC magnet of the type specified in the introduction Kind of creating in which the three functional positions without any other force only reliably adjusted magnetically with the help of only two magnetic coils can be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiderseits am rohrförmigen Magnetkern vorgesehenen Ankergegenstücke je eine Einlaufhülse für das jeweilige Ankerende haben und daß der magnetisch wirksame Querschnitt jeder Hülse und/ oder jedes Endes des Kolbenankers über den Hubweg unterschiedlich bemessen ist, derart, daß die magnetische Hubkraft -ausgehend von der Mittelstellung-nach beiden entgegengesetztenHubrichtungen im Anfang der Hubbewegung in bekannter Weise wesentlich größer ist als in der Hubendstellung, und derart, daß bei gleichzeitiger Einschaltung beider Erregerspulen der Anker aus jeder Endstellung in die Mittelstellung gezogen und dort gehalten ist.This object is achieved according to the invention in that the two sides Armature counterparts provided on the tubular magnet core each have an inlet sleeve for have the respective anchor end and that the magnetically effective cross-section of each Sleeve and / or each end of the piston armature dimensioned differently over the stroke is such that the magnetic lifting force -starting from the center position-after two opposite stroke directions at the beginning of the stroke movement in a known manner is much larger than in the stroke end position, and such that at the same time Activation of both excitation coils of the armature from each end position into the middle position pulled and held there.

Bei dem neuen Gleichstrommagneten ist der Kolbenanker ohne jede mechanische Verspannung axial völlig frei verschiebbar geführt. Seine Verschiebung erfolgt also in jeder Richtung auf rein magnetischem Wege. Dadurch lassen sich die magnetischen Verstellkräfte optimal ausnutzen, da sie keine Federvorspannkräfte, sondern lediglich Reibungs- und Massenkräfte zu überwinden haben. Der gemeinsame Kolbenanker verharrt aber auch stets genau in der Stellung, die er beim Abschalten der Magnetspulen innehatte. Die drei Stellungen des Ankerkolbens sind also stabile Stellungen, die durch keine äußeren Kräfte aufrechterhalten werden müssen. Die Magnetkräfte dienen also lediglich zum Verändern, nicht aber zum Aufrechterhalten der Stellungen. Damit kann der neue Gleichstrommagnet trotz der drei gleichwertigen Stellungen impulsmäßig geschaltet werden, was zu einem sehr wirtschaftlichen und einfachen Betrieb führt. Da keine Federn vorhanden sind, können auch keine Änderungen an Vorspannkräften über längere Betriebszeiten eintreten, so daß ein sehr stabiler Betrieb erreicht wird. Auch lassen sich relativ große Stellwege erreichen.With the new DC magnet, the piston armature is without any mechanical Bracing axially guided completely freely displaceable. So its shift takes place in every direction in a purely magnetic way. This allows the magnetic Optimal use of adjustment forces, as they are not spring preload forces, but only Have to overcome frictional and inertial forces. The common piston anchor remains but also always exactly in the position it was in when the solenoid was switched off. The three positions of the armature piston are therefore stable positions, those by none external forces must be maintained. The magnetic forces only serve to change, but not to maintain the postures. So the new DC solenoid switched pulsed despite the three equivalent positions resulting in a very economical and simple operation. There no If springs are present, they cannot change the preload forces over long periods of time Operating times occur, so that a very stable operation is achieved. Let too relatively large travel ranges can be achieved.

An Stelle von einer impulsmäßigen Betätigung läßt sich der neue Gleichstrommagnet auch in anderer Weise mit Vorteil betreiben. So können die Spulen zur Aufrechterhaltung der Stellung des Kolbenankers auch eingeschaltet bleiben, wenn dies durch größere Rückstellkräfte in der zu betätigenden Einrichtung erforderlich wird.Instead of a pulsed actuation, the new direct current magnet also operate with advantage in other ways. So the coils can be used to maintain the position of the piston armature also remain switched on, if this is due to larger Restoring forces in the device to be operated is required.

Die Erfindung wird im nachfolgenden an Hand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is illustrated below with reference to schematic drawings explained in more detail using two exemplary embodiments.

F i g. 1 zeigt den Magnet gemäß der Erfindung, und zwar teilweise im Längsschnitt; F i g. 2 zeigt schematisch den Verlauf der Hubkraftcharakteristik der beiden Magnetsysteme, aufgetragen über den Hubweg; F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer abgewandelten Ausführungsform eines Doppelhubmagneten gemäß der Erfindung.F i g. Figure 1 shows the magnet according to the invention, in part in longitudinal section; F i g. 2 shows schematically the course of the lifting force characteristic of the two magnet systems, plotted over the stroke path; F i g. 3 shows a section from a modified embodiment of a double lifting magnet according to the invention.

In F i g.1 ist ein Doppelhubmagnet 1 gemäß der Erfindung mit einem Ankerkolben 2 dargestellt, welcher in dem Magnetgehäuse 3 gleitet. Das Magnetsystem weist zwei axial nebeneinander liegende Spulen 4 und 5 auf, welche jeweils wahlweise getrennt oder gemeinsam eingeschaltet werden können. Der Anker 2 ist in dem T-förmigen Mittelteil 6 des Magnetgehäuses 3 geführt und mit einer über die beiden Stirnseiten des Magneten hinausragenden Betätigungsstange verbunden. Die eigentliche Lagerung des Ankers wird durch Lagerstücke 8 in den Ankergegenstücken 9 und 10 sichergestellt. Die Lagerstücke 8 bestehen aus nichtmagnetischem Material. Außerdem ist die Lagerstelle in bekannter Weise durch einen balgenförmigen Mantel 11 gegen Eindringen von Staub und anderen Verunreinigungen geschützt.FIG. 1 shows a double lifting magnet 1 according to the invention with an armature piston 2 which slides in the magnet housing 3. The magnet system has two axially adjacent coils 4 and 5, which can each be switched on either separately or together. The armature 2 is guided in the T-shaped central part 6 of the magnet housing 3 and is connected to an actuating rod protruding beyond the two end faces of the magnet. The actual storage of the armature is ensured by bearing pieces 8 in the armature counterparts 9 and 10. The bearing pieces 8 are made of non-magnetic material. In addition, the bearing is protected in a known manner by a bellows-shaped jacket 11 against the ingress of dust and other contaminants.

Die beiden Ankergegenstücke 9 und 10 weisen jeweils eine Führungshülse 12 und 13 auf, welche mit den Enden des Ankers zusammenwirken. Diese Hülsen dienen in bekannter Weise zur Steuerung des Kraftflusses und damit zur Beeinflussung der Huikraftcharakteristik. Im vorliegenden Fall ist der Querschnitt der vorderen Enden der Hülsen relativ gering und nimmt erst etwa auf der Hälfte des Hubweges bei 14 unstetig zu. Außerdem sind die Führungshülsen sowie die übrigen Teile des Ankergegenstücks derart dimensioniert, daß nach Überschreiten der Hubwegmitte die auf den Anker wirkende Hubkraft abnimmt. Diese Verhältnisse sind in F i g. 2 dargestellt.The two anchor counterparts 9 and 10 each have a guide sleeve 12 and 13 which cooperate with the ends of the anchor. These sleeves are used in a known manner to control the flow of force and thus to influence the force characteristic. In the present case, the cross-section of the front ends of the sleeves is relatively small and only increases discontinuously at about half of the stroke at 14. In addition, the guide sleeves and the other parts of the armature counterpart are dimensioned in such a way that the lifting force acting on the armature decreases after the center of the stroke path has been exceeded. These relationships are shown in FIG. 2 shown.

In F i g. 2 ist auf der Abszisse jeweils der Hubweg a aufgetragen, wobei m die Hubwegmitte bedeuten soll. Auf der Ordinate dagegen ist die Hubkraft aufgetragen. Wie man aus der Figur entnehmen kann, ist die Darstellung entsprechend der Ausbildung des Ankers gemäß F i g. 1 gewählt: Auf der linken Seite der Figur ist die Hubkraftcharakteristik der Spule 4 und auf der rechten Seite die Hubkraftcharakteristik der Spule 5 dargestellt. Man erkennt, daß beide Darstellungen im wesentlichen spiegelbildlich um die Mitte des Magnets ausgebildet sind. Es genügt also im folgenden, nur die Hubkraftcharakteristik eines der beiden Magnetsysteme, beispielsweise das Magnetsystem 4, zu betrachten.In Fig. 2 the stroke a is plotted on the abscissa, where m is intended to mean the middle of the stroke. In contrast, the lifting force is plotted on the ordinate. As can be seen from the figure, the representation corresponds to the design of the armature according to FIG. 1 selected: the lifting force characteristic of the coil 4 is shown on the left-hand side of the figure and the lifting force characteristic of the coil 5 is shown on the right-hand side. It can be seen that both representations are essentially mirror images around the center of the magnet. It is therefore sufficient in the following to consider only the lifting force characteristic of one of the two magnet systems, for example magnet system 4 .

In dem Schaubild ist eine ausgezogene Kurve I eingezeichnet, welche die theoretisch angestrebte Kurvenform darstellt. Man erkennt, daß in der Ankeranfangsstellung die Hubkraft bei Einschalten .dir Spule sehr schnell auf einen hohen Wert Pa ansteigt, so daß der Anker mit großer Kraft in Bewegung gesetzt wird. Nach etwa der Hälfte des Hubweges fällt die Hubkraft von dem Wert Pa plötzlich, d. h. ohne Übergang auf den wesentlich niedrigeren Endwert Pe ab. Mit dieser geringen Kraft wird der Anker in seine Endstellung bewegt. Im Fall der Betätigung eines Hydraulikventils kann die Spule dann, wenn der Anker seine Endstellung erreicht hat, wieder abgeschaltet werden, da der Anker infolge seiner Reibung in seiner Stellung verbleibt.In the diagram, a solid curve I is drawn, which represents the theoretically desired curve shape. It can be seen that in the anchor start position the lifting force when the coil is switched on rises very quickly to a high value Pa, so that the anchor is set in motion with great force. After about halfway through of the stroke, the lifting force suddenly drops from the value Pa, i.e. H. without transition on the significantly lower final value Pe. With this small force, the anchor moved to its end position. In the case of actuation of a hydraulic valve, the coil is switched off again when the armature has reached its end position because the anchor remains in its position due to its friction.

Diese theoretische Kurve läßt sich in der Praxis jedoch nicht erreichen. Din in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform des Magneten gemäß der Erfindung weist dagegen eine Hubkraftcharakteristik auf, wie sie durch die gestrichen dargestellte Kurve II wiedergegeben wird. Man erkennt, daß diese Kurve 1I ihr Maximum in der ersten Hälfte des Hubweges aufweist, wobei der Wert nach Einschalten der Spule sehr rasch auf diesen maximalen Wert ansteigt. Fast ebenso rasch fällt der Wert nach Passieren des Maximums ab, um schließlich in der Hubendstellung ebenfalls den Wert Pe zu erreichen.However, this theoretical curve cannot be achieved in practice. Din in Fig. 1 illustrated embodiment of the magnet according to the invention has on the other hand, a lifting force characteristic as shown by the dashed line Curve II is reproduced. It can be seen that this curve 1I is its maximum in the first half of the stroke, the value after switching on the coil very much rises rapidly to this maximum value. The value drops almost as quickly Passing the maximum, to finally also get the value in the stroke end position To reach pe.

Man erkennt, daß die in F i g. 1 dargestellte IKttelstellung auf magnetischem Wege durch Einschalten beider Spulen erreicht wird, da das Maximum der Hubkraft jedes Magnetsystems in der ersten Hälfte liegt. Nimmt man also an, daß der Anker sich in F i g. 1 in der rechten Endstellung befindet, so wirkt auf ihn bei Einschalten beider Spulen nach rechts die Zugkraft Pe, während die Zugkraft in Richtung nach links etwa dem Wert Pa entspricht. Die Differenz dieser beiden Kräfte ist diejenige Kraft, die den Anker aus der rechten Endstellung in die Mittelstellung bringt, wobei diese Mittelstellung durch das Gleichgewicht beider Kräfte bestimmt ist.It can be seen that the in F i g. 1 shown IKttelstellung on magnetic Way is achieved by turning on both coils, as the maximum of the lifting force each magnet system in the first half lies. So if one assumes that the anchor is in F i g. 1 is in the right end position, so acts on when switching on both coils to the right the pulling force Pe, while the pulling force in the left direction corresponds approximately to the value Pa. The difference between these two Forces is the force that moves the armature from the right end position to the middle position brings, whereby this middle position is determined by the balance of both forces is.

Wie bereits eingangs erwähnt, lassen sich die Ankerstellungen vorteilhafterweise durch Rasteinrichtungen sicherstellen. Diese sind in der Figur nicht mit dargestellt.As already mentioned at the beginning, the anchor positions can advantageously ensure by locking devices. These are not shown in the figure.

Die in F i g. 2 dargestellte Hubkraftcharakteristik bzw. die für die Erfindung angestrebte Hubkraftcharakteristik läßt sich auf verschiedene Weise erreichen. In F i g. 3 ist beispielsweise eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt, bei der die Steuerung des Magnetflusses nicht in erster Linie durch die Führungshülse 15 des Ankergegenstücks 16 erzielt wird, sondern durch eine entsprechende Ausbildung des Ankers 17 selbst. Man erkennt, daß dieser an seinem Ende eine Ausnehmung aufweist, durch welche der Eisenquerschnitt an diesem Ende vermindert ist. Die gleichen Ziele lassen sich auch bei konisch ausgebildeten Ankerstücken erreichen, bei denen das Ende des Ankerstücks entsprechend konisch und gegebenenfalls mit einem sprunghaften Übergang zwischen zwei konischen Flächen von verschieden radialer Weite ausgebildet sind.The in F i g. The lifting force characteristic shown in FIG. 2 or the lifting force characteristic sought for the invention can be achieved in various ways. In Fig. 3 shows, for example, a modified embodiment in which the control of the magnetic flux is not primarily achieved by the guide sleeve 15 of the armature counterpart 16 , but by a corresponding design of the armature 17 itself. It can be seen that this has a recess at its end, by which the iron cross-section is reduced at this end. The same goals can also be achieved with conical anchor pieces, in which the end of the anchor piece is correspondingly conical and optionally with a sudden transition between two conical surfaces of different radial width.

Claims

Claims: 1. DC magnet with piston armature and bilateral Stroke, in particular an actuating magnet for valves with three functional positions which is the armature, optionally operated by two solenoids, in the middle part of one tubular magnet housing is arranged sliding and without restoring forces, thereby characterized in that the armature counterparts provided on both sides of the tubular magnet core each have an inlet sleeve for the respective anchor end and that the magnetically effective Cross-section of each sleeve and / or each end of the piston armature different over the stroke is dimensioned such that the magnetic lifting force - starting from the middle position -after both opposite stroke directions in the beginning of the stroke movement in known Way is much larger than in the Hubendstellung, and such that at the same time Activation of both excitation coils of the armature from each end position into the middle position pulled and held there.

2. DC magnet according to claim 1, characterized by a lifting force characteristic on each side of the magnet system, in which the maximum of the lifting force between the beginning and the middle of the lifting path lies. Considered publications: German Patent Specifications No. 167 707, 304 970, 478 878, 646 886; German patent applications M8843 VIIIc / 21g (announced on April 3, 1952); H 10020 VIIIc / 21g (announced September 25, 1952); British patents No. 591040, 616 777; French Patent No. 347,670; U.S. Patent No. 2,579,723.