DE19801529C2 - Elektromagnetischer Antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Antrieb zur Erzeugung kraftvoller und schneller Bewegungen, insbesondere für den Einsatz in der Armaturen- und Ventiltechnik nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Ein derartiger Antrieb ist beispielsweise aus der US 2 853 659 bekannt.

Elektromagnetische Antriebe werden seit Jahren in der Armaturen- und Ventiltechnik angewendet, um diese Ventile zu öffnen oder zu schließen. Diese elektromagnetischen Antriebe dienen somit vorrangig als Stellantriebe, Hub- oder Haltemagnete und ihr Prinzip beruht darauf, daß die zu übertragenden Kräfte mittels eines elektrisch erzeugten Magnetfeldes übertragen werden.

Mit der DE 43 10 415 A1 ist ein elektromagnetisches Ventil bekanntgeworden, welches insbesondere für den Einsatz in Wasserdruckleitungen vorgeschlagen wurde, dem die Aufgabe zugrunde lag, daß das Magnetfeld der Erregerspule bereits beim Anziehen des Ventilkörpers seine größte Kraft auf den Anker entfalten soll.

Dies soll dadurch erreicht werden, daß der im Ventil vorgesehene Dichtkörper in Bezug auf den Anker des Ventiles verschiebbar angeordnet ist. Auf diese Weise soll der Anker beim Anziehen des Ventils ohne Last in einen Bereich sich hineinbewegen, wo die Flußdichte des Magnetfeldes besonders stark ausgeprägt ist. Aufgrund dieser hohen Flußdichte soll sodann durch das Auflaufen einer entsprechenden Mitnahmevorrichtung zwischen Anker und Dichtkörper der Dichtkörper mit großer Kraft vom Ventilsitz abgehoben werden. Es wird weiter beschrieben, daß aufgrund des vorherigen lastfreien Teilhubes des Ankers die Strecke des verbleibenden Resthubes naturgemäß kleiner wird, dies soll jedoch den Dichtkörper nicht daran hindern, aufgrund einer zusätzlichen äußeren Kraft, beispielsweise einer Feder- oder Druckeinwirkung, anschließend einen größeren Hub durchzuführen. Dies soll durch die Beweglichkeit des Dichtkörpers im Anker erreicht werden.

Unabhängig davon, ob mit diesem vorgestellten elektromagnetischen Ventil die erfindungsgemäße Aufgabe, nämlich die Krafterhöhung, erzielt wird, muß ausgeführt werden, daß die Fertigungskosten für ein derartiges Ventil sehr hoch sind, was schließlich in dem hohen technischen Aufwand der Lösung selbst begründet ist.

Mit der US 2 853 659 ist ferner ein elektromagnetischer Antrieb zur Erzeugung kraft­ voller und schneller Hubbewegungen, insbesondere für Armaturen und Ventile, bestehend aus einem Gehäuse mit darin angeordneter Erregerwicklung, einer Magnet­ hülse und einem Magnetanker bekannt geworden, bei dem das Magnetgehäuse aus einem Magnetgehäuseboden, einem Magnetgehäuserohr und einem Magnetgehäusedeckel besteht, die kraft- und formschlüssig miteinander verbunden und dazwischen magnetisch wirksame Koppelflächen vorhanden sind.

Dieser Antrieb besitzt lediglich im oberen Kopfbereich der Magnethülse eine sehr klein ausgeprägte Koppelfläche, die umfänglich um die Magnethülse selbst wirkt. Diese Koppelfläche ist nicht nur sehr klein, sondern auch in ihrer Wirksamkeit sehr gering, was darauf zurückzuführen ist, dass hier keine ebenen Flächen vorliegen, sondern ein Gewinde zu einer glatten Fläche wirkt.

In den zurückliegenden Jahren werden auch sogenannte Topfmagneten in der Armaturen- und Ventiltechnik eingesetzt, die sich insbesondere als Stellantriebe in diesem Bereich durchgesetzt haben.

Derartige Topfmagenten sind so ausgebildet, daß sie im weitesten Sinne ein äußeres Gehäuse besitzen, in dem die erforderlichen Spulen, Anker und Magnethülsen angeordnet sind. In den stromdurchflossenen Spulen wird jeweils ein Magnetfeld erzeugt, dessen Feldlinien aufgrund der Konstruktion der Topfmagneten in den Eisenkern gezwungen werden und sich somit notgedrungen über den Anker und den Arbeitsluftspalt schließen müssen.

Zwischen der Ankerstirnfläche und der Gegenfläche des Eisenkernes entsteht bei den bisherigen Ausführungen von Topfmagneten eine Kraftwirkung, die über entsprechende Ankopplungen auf Stellglieder übertragen werden. Die Größe der Kraft derart ausgebildeter Topfmagneten hängt von einer Vielzahl von Faktoren, wie Geometrie des Eisenkernes, Stromstärke, magnetische Durchflutung, Materialzusammensetzung und weiterer Faktoren ab.

Das Leistungsvermögen bekannter Topfmagneten ist jedoch sehr gering, so daß derart ausgebildete Antriebe nur begrenzt einsetzbar sind.

Unter Beachtung der Nachteile des bekannten Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Antrieb zur Erzeugung kraftvoller und schneller Hubbewegungen, insbesondere für den Einsatz in der Armaturen- und Ventiltechnik zu entwickeln, welcher kurzfristig bei seiner Anregung große Kräfte entfaltet und hohe Hubwege realisiert werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach wurde ein elektromagnetischer Antrieb zur Erzeugung kraftvoller und schneller Hubbewegungen für den Einsatz in der Armaturen- und Ventiltechnik geschaffen, welcher sich dadurch auszeichnet, daß der Magnetantrieb im Vergleich zu herkömmlichen Magnetantrieben bei gleicher Kraftentfaltung wesentlich geringere geometrische Abmaße besitzt und damit auch eine wesentlich geringere Masse.

Dieser neue elektromagnetische Antrieb ist als sogenannter Topfmagnet ausgebildet, besitzt ein dreiteiliges Gehäuse, in dem ein Spulenkörper mit den entsprechenden Wicklungen und eine Magnethülse angeordnet sind. Innerhalb der Magnethülse ist vertikal beweglich ein Magnet­ anker gelagert, welcher über Gleitringe in der Innenbohrung der Magnethülse geführt ist. Der Magnetanker besitzt dabei sogenannte Überströmkanäle und eine mittige Bohrung, in der die notwendigen Stellglieder für die Übertragung der Hubbewegung auf das jeweilige Ventil gelagert und befestigt sind.

Das Magnetgehäuse besteht dabei aus einem Magnetgehäuserohr, einem Magnetgehäuse­ boden und einem Magnetgehäusedeckel, die sowohl form- als auch kraftschlüssig miteinander verbunden sind und an diesen Verbindungsstellen entsprechende Koppelflächen ergeben.

Die Verspannung des gesamten Magnetgehäuses und der Magnethülse erfolgt über einen Konterring, wobei die Magnethülse im Wirkbereich des Spulenkörpers eine umfangsseitige Ausdrehung besitzt.

Wesensmerkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die aktiven Koppelflächen des Antriebes gegenüber bisherigen Topfmagneten wesentlich größer sind, was dadurch realisiert wird, daß die Magnethülse in eine Aussparung des Magnetgehäusedeckels eingreift und somit zum Magnetgehäusedeckel sowohl eine stirnflächige Koppelfläche als auch eine umfangsseitige Koppel­ fläche besitzt.

Erfinderisch ist weiterhin, daß der vorgeschlagene elektromagnetische Antrieb mit einer elektronischen Impulsansteuerung, einer Ansteuerelektronik, ausgerüstet ist, mit der sicher­ gestellt ist, daß in der Anzugsphase des Magnetes eine Übererregung erzeugt wird und mit der gleichfalls gesichert ist, daß der Energiebedarf des gesamten Systems in Abhängigkeit von der Größe der vorhandenen Luftspalte verringert wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Magnetantrieb im Vergleich zu herkömmlichen Magnetantrieben bei gleicher Kraftentfaltung wesentlich geringere geometrische Abmessungen und damit bis zu 60% weniger Masse besitzt. Dies verringert die Transportaufwendungen und erleichtert die Vormontage in Industrieanlagen erheblich.

Die Integration der Übererregung in der Anzugsphase des Magneten mittels elektrischer Impulssteuerung erlaubt eine optimale Anpassung an den Energiebedarf des Magnetsystems in Abhängigkeit von der Größe des Arbeitsluftspaltes und bewirkt eine extreme Energieein­ sparung, die bis zu 95% gegenüber herkömmlichen Systemen betragen kann.

Ferner gestattet die vorgestellte Lösung, daß sich alle bekannten Methoden der Kennlinien­ beeinflussung problemlos in die vorgeschlagene Lösung integrieren lassen, so daß der Einsatz des vorgestellten Antriebes vielfältigsten Anforderungen angepaßt werden kann.

Das Bersten der Magnethülse durch Überlastung führt nicht zum Abriß des Magnetantriebes, wie bei bisherigen Topfmagenten, und stellt somit für die äußere Umgebung keine Gefahr dar. Der Magnetantrieb besteht nur aus wenigen Einzelteilen, die sich sehr einfach herstellen und montieren lassen.

Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.

In der dazugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 den Grundaufbau des elektromagnetischen Antriebes in einer Schnittdar­ stellung,

Fig. 2 das Blockschaltbild der Ansteuerelektronik.

Der Grundaufbau und die Ausbildung des vorgestellten elektromagnetischen Antriebes ergibt sich aus der Darstellung nach Fig. 1, wonach das Gehäuse des Antriebes aus dem Magnet­ gehäuserohr 2, dem Magnetgehäusedeckel 1 und dem Magnetgehäuseboden 7 besteht. Diese drei Teile des Gesamtgehäuses sind form- und kraftschlüssig miteinander verbunden, wobei die Verbindung zwischen dem Magnetgehäuserohr 2 und dem Magnetgehäuseboden 7 über eine Schraubverbindung realisiert wird, welches sich sowohl positiv beim Zusammenbau des Antriebs als auch auf den Magnetfeldlinienfluß auswirkt.

Innerhalb des so gebildeten Gehäuses ist die Magnethülse 9 derart angeordnet, daß sie in den Magnetgehäusedeckel 1 hineinragt, somit eine Koppelfläche 13 herausgebildet wird, die sich unmittelbar als stirnseitige Kreisfläche darstellt und ferner eine Koppelfläche 18 herausgebildet wird, die sich umfangsseitig zwischen der Magnethülse 9 zum Magnetgehäusedeckel 1 ergibt. Dies in einem Maß, das dem Maß des Hineinragens der Magnethülse 9 in den Magnetgehäuse­ deckel 1 entspricht.

Im unteren Bereich ist die Magnethülse 9 im Magnetgehäuseboden 7 einschraubbar und über einen vorgesehenen Konterring 8 erfolgt die Konterung der Magnethülse 9 zum Magnet­ gehäuseboden 7 als auch die Arretierung des Magnetgehäusebodens 7 zum Magnetgehäuse­ rohr 2.

Zwischen dem Magnetgehäusedeckel 1 und dem Magnetgehäuseboden 7 befindet sich umfangsseitig ein Spulenkörper 3, in dem die Wicklungen 4 angeordnet sind.

Die Magnethülse 9, als symmetrisches Drehteil ausgeführt, besitzt an ihrem äußeren Umfang, im Wirkbereich der Wicklung 4 eine umfangsseitige Aussparung 10, wodurch ein Luftspalt zwischen der Magnethülse 9 und dem Spulenkörper 3 mit Wicklung 4 erzeugt wird, wodurch gleichzeitig ein Widerstand gegeben ist, so daß die Magnetfeldlinien bei Ansteuerung des Magneten in ihrem Magnetfeldlinienfluß in die gewünschte Kraftrichtung gelenkt werden.

Innerhalb der Magnethülse 9 ist vertikal verschiebbar und über Gleitringe 5 der Magnetanker 6 gelagert, welcher mit Durchtrittsöffnungen 12 und einer Mittelbohrung 11 ausgeführt ist. Zwischen der inneren Stirnfläche der Magnethülse 9 und der oberen Stirnfläche des Magnet­ ankers 6 befindet sich der notwendige Arbeitsluftspalt 17, welcher der Hubbewegung des Magnetankers 6 angepaßt bzw. durch dessen Hubbewegung gebildet wird.

Die im Magnetanker 6 vorgesehenen Durchtrittsöffnungen 11 ermöglichen den Durchtritt des in dem Ventil vorhandenen Mediums, so daß ein Druckausgleich innerhalb des Systems ermöglicht wird.

Die Mittelbohrung 11 dient dabei zur Aufnahme und Lagerung von Elementen zur Über­ tragung der Hubbewegung auf das entsprechende Stellglied des Ventiles, was nicht näher dargestellt ist.

Neben den sogenannten aktiven Koppelflächen 13; 18 sind im gesamten Antrieb noch die Koppelflächen 14; 15; 16 vorhanden, die einmal gebildet werden durch die gemeinsamen Berührungsflächen vom Magnetgehäuserohr 2 zum Magnetgehäusedeckel 1, vom Magnet­ gehäuseboden 7 zum Magnetgehäuserohr 2 als auch von der Magnethülse 9 zum Magnet­ gehäuseboden 7.

Durch die Ausbildung der einzelnen Koppelflächen innerhalb des elektromagnetischen Antriebes ergeben sich sogenannte parasitäre Luftspalte, die durch die Wahl der Anordnung, Ausbildung und Gestaltung der einzelnen Bauelemente des Antriebes wesentlich kleiner sind als die der bisherigen bekannten Antriebe, wodurch sichergestellt ist, daß höhere Kräfte innerhalb des vorgestellten elektromagnetischen Antriebes realisiert werden können.

Dies wird dadurch realisiert und möglich, daß die Koppelflächen 13; 18 zwischen der Magnethülse 9 und dem Magnetgehäusedeckel 1 größer sind als die Kreisfläche der Stirnseite der Magnethülse bei bisher bekannten Ausführungen von Topfmagneten, bzw. größer sind als die Zylindermantelfläche, die sich bei einem völligen Durchtritt der Magnethülse durch einen Magnetgehäusedeckel ergeben würde. Gleichfalls sind die Koppelflächen 14; 15; 16 zwischen dem Magnetgehäusedeckel 1, dem Magnetgehäuserohr 2 und dem Magnetgehäuseboden 7 größer als die Kleinstquerschnittsfläche im äußeren Magnetkreis und somit sind alle Koppel­ flächen wesentlich größer als die effektive Stirnfläche bei bekannten Lösungen.

Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Antrieb ist die Erregerwicklung 4 voll umfänglich im Magnetgehäuserohr 2 mit eingepreßtem Magnetgehäusedeckel 1 und eingeschraubtem Magnetgehäuseboden 7 über den Konterring 8 derart mit der Magnethülse 9 verbunden und angeordnet, daß die umfangsseitige Aussparung 10 im Inneren des Topfmagneten liegt und somit allseitig mechanisch von außen geschützt ist.

Sollte durch irgendeinen Umstand ein Bersten dieses Teiles eintreten, ist dies für die Umwelt ungefährlich, da dieses Hülsenteil nicht aus dem Antrieb herausgeschleudert werden kann. Bei der Ausbildung und Anordnung dieser umfangsseitigen Aussparung 10 wurde berück­ sichtigt, daß das Verhältnis der Wickelfensterhöhe zum effektiven Ankerdurchmesser von 1,5 sich in Richtung 1 verschiebt und damit die geometrischen Abmessungen und die Massen des Antriebes sehr klein gehalten werden können und trotzdem sichergestellt ist, daß große Kräfte über einen großen Hub und im Haltezustand bei extrem geringem Energieeinsatz erreicht werden können.

Ferner wird durch die spezielle Anordnung und Ausbildung der umfangsseitigen Aussparung 10 sichergestellt, daß unmittelbar eine direkte Kennlinienbeeinflussung möglich wird.

Bei der vorgestellten Lösung handelt es sich um einen impulsgesteuerten Elektromagneten, der in der Anzugsphase kurzfristig übererregt wird, um während dieser Phase eine möglichst hohe Hubkraft zu erzeugen.

Diese elektronische Impulssteuerung wird durch die Ansteuerelektronik, dessen Schaltbild in Fig. 2 dargestellt ist, realisiert.

Diese Ansteuerung ist so ausgebildet, daß sie mit ca. 230 Volt Wechselspannung betrieben wird, eine kurzzeitige Übererregung realisiert und dann in eine Halteerregung umschaltet, so daß nur noch ein Bruchteil der Energie auf den Magneten übertragen wird. Das Ansteuern des Magneten ist auch über 24 V Gleichspannung möglich, wobei alle denkbaren Steuerspannungen realisierbar sind.

Claims (5)

1. Elektromagnetischer Antrieb zur Erzeugung kraftvoller und schneller Hubbewegungen, insbesondere für Armaturen und Ventile, bestehend aus einem Gehäuse mit darin angeordneter Erregerwicklung, einer Magnethülse und einem Magnetanker, wobei die Magnethülse und das Magnetgehäuse, bestehend aus Magnetgehäuseboden, Magnetgehäuserohr und Magnetgehäuse­ deckel, kraft- und formschlüssig miteinander verbunden und dazwischen magnetisch wirksame Koppelflächen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnethülse (9) stirnseitig in eine auf der Innenfläche vom Magnet­ gehäusedeckel (1) vorgesehene Aussparung hineinragend angeordnet ist, wobei die Magnethülse (9) über Gewindeverbindungen zum Magnetgehäuseboden (7) sowie zum Magnetgehäuserohr (2) kraft- und formschlüssig verbunden ist und die magnetisch wirksamen Koppelflächen (13; 18) zwischen der Stirnfläche der Magnethülse (9) zur Kreisfläche der Aussparung im Magnetgehäusedeckel (1) und umfangsseitig zwischen der Magnethülse (9) und der Aussparung im Magnetgehäusedeckel (1) vorhanden sind.

2. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Gewindeverbindungen von Magnethülse (9) zum Magnetgehäuse­ boden (7) und zum Magnetgehäuserohr (2) weitere Koppelflächen (16; 15) ausgebildet sind.

3. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Magnetgehäusedeckel (1) und dem Magnetgehäuserohr (2) eine umfänglich ausgebildete Koppelfläche (14) vorgesehen ist.

4. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelflächen (15; 16) infolge der vorhandenen Gewindeverbindungen vergrößernd ausgebildet sind.

5. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Magnetgehäuserohr (2) angeordnete Erregerspule, bestehend aus Spulen­ körper (3) und Wicklung (4), in der Anfangsphase kurzzeitig hocherregbar und mit einer Impulsansteuerung, einer Ansteuerelektronik, verbunden ist.