DE19505233A1

DE19505233A1 - Elektromagnetisches Ventil

Info

Publication number: DE19505233A1
Application number: DE1995105233
Authority: DE
Inventors: Lothar Kemmler
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2015-02-17
Also published as: DE19505233C2

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ventil mit einer Fluidkammer, in die mindestens ein Fluideinlaßkanal und ein Fluidauslaßkanal münden, einem Elektromagneten, dessen Polflächen einen parallel zur Ebene der Mündungsöffnung(en) des/der Fluidauslaßkanals/Fluidauslaßkanäle verlaufenden Teil der Wandung der Fluidkammer bilden, einem Klappanker zum bedarfsweisen Verschließen der Mündungsöffnung(en) des/der Fluidauslaßkanals/Fluidauslaßkanäle, der eine den Polflächen des Elektromagneten zugewandte ebene Anlagefläche aufweist, die beim Erregen des Elektromagneten an diesen zur Anlage kommt, und der eine in der Ebene der Polflächen des Elektromagneten liegende Kippachse aufweist, gegen die er durch eine der Anziehungskraft des Elektromagneten entgegen gesetzt wirkende Federeinrichtung gedrückt wird.

Zum leistungsarmen, elektrischen Schalten von Fluidströmen werden sowohl elektromagnetische Ventile als auch Ventile mit piezoelektrischen Biegewandlern verwendet. Ein Beispiel für ein derartiges Piezoventil ist in der EP-A 0 538 236 angege ben. Leistungsarme Ventile mit piezoelektrischen Biegewandlern stellen aus elektrischer Sicht einen Kondensator dar, so daß statisch auch bei angelegter Steuerspannung keine Strom- oder Leistungsaufnahme erfolgt. Um jedoch am freien Ende des Biegeelementes eine brauchbare Auslenkung zu erhalten, sind die piezoelektrischen Kapazitäten der Biegewandler relativ groß, was eine hohe Stromaufnahme bei hochfrequenten Schalt- Vorgängen zur Folge hat. Auch sind die für die Piezoeffekte erforderlichen Steuerspannungen wesentlich höher als die Versorgungsspannungen, die üblicherweise in den Anwendungen konventioneller Elektronikbauteile zur Verfügung stehen. Dies erfordert einen zusätzlichen Schaltungsaufwand zur Span nungswandlung und vergrößert die elektrischen Verluste.

Elektromagnetische Ventile sind in vielfältiger Bauart bekannt und zeichnen sich durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit aus. Sie benötigen allerdings in mindestens einem Schaltzu stand einen Haltestrom und erzeugen damit eine unnötige Erwärmung der zur Krafterzeugung notwendigen elektrischen Wicklungen, was zudem mit einer relativ hohen mittleren Leistungsaufnahme verbunden ist.

Ein Beispiel eines schnell schaltenden elektromagnetischen Ventils zeigt die EP-B 0 400 504, die auch zur Bildung des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 herangezogen ist. Zur Realisierung kurzer Schaltzeiten und hoher Schaltfrequenzen wird keine die Ruhelage definierende Feder eingesetzt, vielmehr sind der Elektromagnet, die elektrische Spule und auch der magnetische Kreis ständig dem Fluid unter Druck ausgesetzt, und ein Absperrelement ist an einer Fläche der Magnetankerplatte befestigt und schließt bzw. öffnet eine Fluidauslaßleitung und somit das elektromagnetische Ventil. Dabei wird ein Drehpunktelement aus elastischem Polymer verwendet, das indirekt das Absperrelement für das Schließen/Öffnen beaufschlagt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromag netisches Ventil zu schaffen, das eine geringe elektrische Leistung benötigt, hohe Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht und bei dem ein Federelement zur Realisierung einer stabilen Ruhelage eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein magnetisches Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Polflächen des Elektromagneten und die Kippachse in einer Ebene liegen, die Mündungsöffnung eines der Fluidauslaßkanäle in der Ebene oder in definiertem Abstand zu der Ebene der Polflächen des Elektromagneten und der Kippachse liegt, die dem Elektro magneten zugewandte Anlagefläche als die Mündungsöffnung(en) des/der Fluidauslaßkanals/Fluidauslaßkanäle unmittelbar beaufschlagende Verschließeinrichtung dient und die Federein richtung den Klappanker in der Öffnungsrichtung des Elektro magneten beaufschlagt.

Nach einer weiteren Ausführungsform existiert eine Gehäuse trennfläche, die mit den Polflächen und der Kippachse in einer Ebene liegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, einen Topfkern als Elektromagneten einzusetzen, um damit in idealer Weise parasitäre Luftspalte zu vermeiden.

Dabei ist die Spule vollständig in dem Topfkern eingeschlossen und um eine Achse gewickelt, die senkrecht zur Ebene der Polflächen verläuft.

Weiter bevorzugt weist der Elektromagnet einen Eisenkern aus mindestens zwei Eisenelementen auf, wobei ein Eisenelement zumindest teilweise im Inneren der Spule liegt und die Spule um eine Achse gewickelt ist, die parallel zur Ebene der Polflächen verläuft. Es wird vorgeschlagen, die Spule außer halb der Fluidkammer anzuordnen, mit dem Vorteil, in einfacher Weise die elektrischen Verbindungen realisieren zu können.

Vorteilhaft ist, wenn der Klappanker die Form eines starren, vollständig ebenen Plättchens hat und aus ferromagnetischem Werkstoff besteht.

Es sollte mindestens einer der Fluideinlaßkanäle oder Fluid auslaßkanäle in der axialen Lage senkrecht zur Ebene der Polflächen einrichtbar sein.

Bevorzugt sind der Fluideinlaßkanal und der Fluidauslaßkanal mit Runddichtringen abgedichtet, die sowohl für eine Abdich tung der Fluidkammer als auch für eine Selbsthaltefunktion der Fluideinlaß- und -auslaßkanäle sorgen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekenn zeichnet, daß der Klappanker symmetrisch bezüglich der Kipp achse ausgebildet ist. Ebenso vorteilhaft ist der Klappanker bezüglich der Kippachse ausgewuchtet. Für beide Ausführungs formen wird durch die jeweilige Maßnahme eine weitgehende Un empfindlichkeit gegen Stöße erreicht.

In besonders einfacher Konstruktion ist die Kippachse eine Kante der Polflächen des Elektromagneten.

Vorteilhaft ist der Fluidauslaßkanal derart eingerichtet, daß ein definierter, minimal gehaltener Luftspalt zwischen den Polflächen und dem Klappanker ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht eine Nachbear beitung der Flächen im Eisenkern beispielsweise durch Schlei fen oder Läppen, da sowohl die Kippachse, die Polflächen und die Gehäusetrennebene als auch der Klappanker einander zuge wandte ebene Oberflächen aufweisen.

Wesentlich ist die exakte Fertigung der Elemente des Elektro magneten, um die Luftspalte so weit wie möglich zu minimieren, da dann erst die hohen Schaltgeschwindigkeiten erreicht werden.

Es sollte der Klappanker mittels einer mechanischen Führung frei und ohne Zwangskräfte bewegbar sein. Dann kann er sich vollständig eben an die Polflächen anlegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachstehenden Beschreibung, in der die Erfindung lediglich beispielhaft dargestellt ist. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines elektromagne tischen Ventils gemäß der vorliegenden Erfin dung in schematisierter Darstellung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des elektromagne tischen Ventils gemäß der vorliegenden Erfin dung, ebenfalls schematisiert dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem zweiteiligen Gehäuse 20 aus magnetisch nichtleiten dem Material, wobei in dessen Innerem eine Fluidkammer 18 gebildet ist, in die ein Fluideinlaßkanal 22 mündet und aus der zwei Fluidauslaßkanäle 24, 26 hinausgeführt sind, wobei diese Kanäle ebenfalls in magnetisch nichtleitendem Material ausgebildet sind. Der Elektromagnet 12 besteht aus einem Eisenkern 14 in Form eines Topfkernes und einer Spule 16 im Inneren dieses Topfkernes. Da der Eisenkern 14 aus einem Stück gefertigt ist, werden parasitäre Luftspalte in idealer Weise vermieden. Der magnetische Kreis wird über die Polflächen 28 und den Klappanker 10 geschlossen. Um die magnetischen Verluste minimal zu halten, ist eine exakte Fertigung der Polflächen 28, des Klappankers 10 und der Kippachse 32, um die sich der Klappanker 10 dreht, vorgesehen. Der Klappanker 10 hat dabei die Form eines starren, vollständig ebenen Plätt chens und ist aus ferromagnetischem Werkstoff hergestellt. Der Klappanker 10 kann um die Kippachse 32 reibungsfrei schwenken. Mittels einer mechanischen Führung 36 ist er in seiner Lage in der Ebene der Kippachse 32, die senkrecht zu der Ebene der Polflächen 28 liegt, gegen seitliches Verschieben gesichert.

Dabei ist vorteilhaft, daß der Klappanker 10 symmetrisch oder ausgewuchtet und mit geringer Masse ausgebildet sein kann, da dadurch eine sehr große Unempfindlichkeit gegenüber Stößen erreicht wird.

Ein Federelement 34 drückt auf den Klappanker 10, und dieser schwenkt bei nichterregter Spule 16 des Elektromagneten 12 um die Kippachse 32 und verschließt dadurch die Mündungsöffnung 30 des Fluideinlaßkanals 22. Die Fluidkammer 18 und auch beide Fluidauslaßkanäle 24, 26, die über die Fluidkammer 18 mitein ander in Verbindung stehen, sind damit druckfrei.

Wird die Spule 16 des Elektromagneten 12 erregt, schwenkt der Klappanker 10 plan auf die Polflächen 28 und verschließt dabei die in gleicher Ebene liegende Mündungsöffnung 30 des Fluid auslaßkanals 24. In der Fluidkammer 18 und am Fluidauslaßkanal 26 wirkt demzufolge der über den Fluideinlaßkanal 22 eintre tende Fluiddruck.

Die Fluideinlaßkanäle 22 und 24 sind in ihrer axialen Lage senkrecht zur Ebene der Polflächen verstellbar, so daß die Mündungsöffnung 30 des Fluidauslaßkanals 24 exakt in der Ebene der Polflächen justierbar ist und über die Einstellung der axialen Lage des Fluideinlaßkanals 22 der beim Anziehen des Elektromagneten 12 zu überwindende Luftspalt eingestellt werden kann.

Der Fluideinlaßkanal 22 und der Fluidauslaßkanal 24 sind mit Runddichtringen 38 abgedichtet, um Leckstellen in der Fluid kammer 18 zu vermeiden, wobei die Runddichtringe 38 als weitere Funktion die Mündungsöffnungen 30 in ihrer justierten Lage durch Reibschluß sichern.

In einer Abänderung ermöglicht die Justierbarkeit der Mün dungsöffnungen desweiteren, daß die Mündungsöffnung 30 des Fluidauslaßkanals 24 auf einen minimalen Abstand oberhalb der Ebene der Polflächen eingestellt werden kann. Dadurch wird mittels eines sehr kleinen Luftspaltes ein Kleben des Klapp ankers 10 an dem Eisenkern 14 vermieden, mit der Folge, daß die Schaltgeschwindigkeit des elektromagnetischen Ventils weiter erhöht wird.

Dieser kleine Luftspalt ist nur dadurch mit der geforderten geringen elektrischen Leistungsaufnahme vereinbar, daß infolge der erfindungsgemäßen Konstruktion und einer exakten Fertigung Polflächen, Kippachse und der Klappanker sehr eben sind und plan ohne Verbiegung aufeinander liegen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei im Gegensatz zu der in Fig. 1 darge stellten Ausführungsform der Eisenkern 14a, 14b des Elektro magneten 12 mehrteilig ist, wodurch eine Plazierung der Spule 16 außerhalb des Gehäuses ohne Verbindung zur Fluidkammer 18 möglich ist. Diese Anordnung erlaubt in einfacher Weise die elektrische Kontaktierung der Spule und ermöglicht eine konstruktiv freiere Geometrie der Polflächen 28. Die Kippachse 32 wird in diesem Beispiel durch eine Kante der Polflächen des Elektromagneten 12 selbst gebildet und kann dadurch nicht außerhalb der Ebene der Polflächen 28 liegen.

Die Funktionsweise des elektromagnetischen Ventils nach dieser zweiten Ausführungsform entspricht im weiteren der des Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 1.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10 Klappanker
12 Elektromagnet
14 Eisenkern
14a Eisenelement
14b Eisenelement
16 Spule
18 Fluidkammer
20 Gehäuse
22 Fluideinlaßkanal
24 Fluidauslaßkanal
26 Fluidauslaßkanal
28 Polflächen
30 Mündungsöffnung
32 Kippachse
34 Federelement
36 Mechanische Führung des Klappankers
38 Runddichtung
40 Gehäusetrennfläche

Claims

1. Elektromagnetisches Ventil, mit einer Fluidkammer (18), in die mindestens ein Fluideinlaßkanal (22) und mindestens ein Fluidauslaßkanal (24, 26) münden, einem Elektromagneten (12), dessen Polflächen (28) einen parallel zur Ebene der Mündungs öffnung(en) (30) des/der Fluidauslaßkanals/Fluidauslaßkanäle (24, 26) verlaufenden Teil der Wandung der Fluidkammer (18) bilden, einem Klappanker (10) zum bedarfsweisen Verschließen der Mündungsöffnung(en) (30) des/der Fluidauslaßkanals/Fluid auslaßkanäle, der eine den Polflächen (28) des Elektromagneten (12) zugewandte ebene Anlagefläche aufweist, die beim Erregen des Elektromagneten (12) an diesen zur Anlage kommt, und der eine in der Ebene der Polflächen des Elektromagneten liegende Kippachse (32) aufweist, gegen die er durch eine der Anzie hungskraft des Elektromagneten entgegengesetzt wirkende Federeinrichtung (34) gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen (28) und die Kippachse (32) in einer Ebene liegen, die Mündungsöffnung (30) eines (24) der Fluidauslaßkanäle in der Ebene oder mit definiertem Abstand zu der Ebene der Polflächen (28) des Elektromagneten und der Kippachse (32) liegt, die dem Elektro magneten zugewandte Anlagefläche des Klappankers (10) als die Mündungsöffnung(en) des/der Fluidauslaßkanals/Fluidauslaß kanäle unmittelbar beaufschlagende Verschließeinrichtung dient und die Federeinrichtung (34) den Klappanker (10) in der Öffnungsrichtung des Elektromagneten (12) beaufschlagt.

2. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusetrennfläche (40), die Pol flächen (28) des Elektromagneten und die Kippachse (32) in einer Ebene liegen.

3. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (12) aus einem Topfkern (14) mit vollständig darin liegender Spule (16) besteht und die Spule um eine Achse gewickelt ist, die senkrecht zur Ebene der Polflächen (28) verläuft.

4. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (12) einen Eisenkern aus mindestens zwei Eisenelementen (14a, 14b) aufweist, wobei ein Eisenelement (14b) zumindest teilweise im Inneren der Spule liegt und die Spule (16) um eine Achse gewickelt ist, die parallel zur Ebene der Polflächen verläuft, und daß die Spule (16) außerhalb der Fluidkammer (18) angebracht ist.

5. Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Klappanker (10) die Form eines starren, ebenen Plättchens hat und aus ferromagne tischem Werkstoff besteht.

6. Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Fluideinlaßkanäle oder Fluidauslaßkanäle (22, 24) in der axialen Lage senkrecht zur Ebene der Polflächen (28) einricht bar ist.

7. Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluideinlaßkanal (22-24) und der Fluidauslaßkanal (34) mit Runddichtringen (38) abgedichtet sind.

8. Elektromagnetisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Klappanker (10) symme trisch bezüglich der Kippachse (32) ausgebildet ist.

9. Elektromagnetisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Klappanker (10) bezüglich der Kippachse (32) ausgewuchtet ist.

10. Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippachse (32) eine Kante der Polflächen (28) des Elektromagneten (12) ist.

11. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidauslaßkanal (24) derart einge richtet ist, daß ein definierter Luftspalt zwischen den Polflächen (28) und dem Klappanker (10) ausgebildet ist.

12. Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Klappanker (10) mittels einer mechanischen Führung (36) frei und ohne Zwangs kräfte bewegbar ist.