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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Verwendung einer solchen Vorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind gattungsbildende elektromagnetische Stellvorrichtungen allgemein bekannt und werden u. a. für verschiedenste Stellzwecke, eingeschlossen der Ventilbetätigung bzw. Realisierung eines Ventils eingesetzt.
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Gerade im Zusammenhang mit dem Einsatz etwa als Hydraulik- oder Pneumatikventil ist es zur Sicherstellung und sauberen Abgrenzung der beteiligten Fluidräume notwendig, eine Dichtung des Arbeits bzw. Bewegungsraums für die (typischerweise die Ventilschaltfunktion durchführende) Ankereinheit sicherzustellen, wobei es etwa bei typischerweise verwendeten radialsymmetrischen Ventilvorrichtungen üblich und sinnvoll ist, durch das Vorsehen einer Dichtung am oder im Stator diesen Raum zu einem umgebenden Gehäuse abzudichten.
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Konkret ist es beispielsweise als bekannt vorauszusetzen, dass in einem radialsymmetrischen Kontext, bei welchem entlang einer axialen Bewegungsrichtung die Ankereinheit relativ zu einer stationären Kerneinheit (als Statoreinheit) angetrieben wird und die entsprechende stationäre Spuleneinheit diese Anordnung mantelseitig umgibt, eine solche Dichtung mantelseitig in der Statoreinheit vorgesehen ist, in dem in eine umlaufende Nut (Ringnut) ein entsprechend eingepasster Dichtungsring (O-Ring) so eingesetzt ist, dass dieser im Dichtungszustand einerseits die Nut bestmöglich ausfüllt, andererseits eine Dichtungswirkung zu einer umgebenden Wand realisiert.
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Während auf diese, als bekannt vorausgesetzte Weise gute Dichtungseigenschaften erreichbar sind, bringt gleichwohl eine derartige Anordnung Nachteile für ein effizientes magnetisches Flussverhalten im magnetischen Flusskreis zwischen Kern (Statoreinheit), Luftspalt, Ankereinheit und dann weiteren Gehäusekomponenten (zum Schließen des magnetischen Kreisen). So ist nämlich typischerweise die Dichtungsnut in ein flussleitendes Material der Statoreinheit (Kern) so eingebracht, dass durch diese Nut ein flusswirksamer Querschnitt im Bereich verkleinert wird und, bei etwa mit einem Gummimaterial der Dichtung ausgefüllter Nut, dieser Bereich keinen Beitrag zur magnetischen Flussführung leistet, vielmehr im Bereich der Nut den effektiven Flussquerschnitt des Stators (Kerns) verkleinert.
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Dies führt dann in der Konsequenz dazu, dass in der praktischen Auslegung bzw. Dimensionierung der Anordnung dieser Querschnitt als Magnetfluss-Engstelle auf einen Maximalfluss dimensioniert werden muss, um in keinem Betriebszustand in eine magnetische Sättigung zu geraten. Damit liegen dann durch diese Dimensionierungsvorschriften Minimum-Dimensionen vor, welche wiederum für äußere angreifende Gehäusekomponente und weitere Aggregat, als Größenvorgabe dienen (bzw. eine mögliche Kompaktheit der Anordnung begrenzt).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das magnetische Flussverhalten von gattungsbildenden elektromagnetischen Stellvorrichtungen, bei welchem die Statoreinheit randseitig mittels Dichtmitteln gegenüber einem äußeren Gehäuse abgedichtet ist, zu verbessern, insbesondere eine Effizienz des Magnetflusses durch den Stator bei vorhandenen Dichtmitteln, insbesondere eine Nut aufweisenden Dichtmitteln, zu optimieren.
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Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich Schutz im Rahmen der Erfindung wird beansprucht für eine Verwendung einer solchen elektromagnetischen Stellvorrichtung als Pneumatik- oder Hydraulikventil.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind die Dichtmittel nach wie vor als elastomerer Körper ausgebildet, jedoch sind erfindungsgemäß diesem polymeren Material zusätzlich Materialkomponenten zugeordnet (eingebracht), welche magnetisch leitfähig sind. Dies führt dann erfindungsgemäß vorteilhaft dazu, dass der (elastomere) Dichtungskörper nach wie vor dichtet, gleichzeitig jedoch als magnetisch leitender Körper einen Beitrag zum magnetischen Flussleitverhalten des Stators leisten kann, um soweit dann, im Gegensatz zum Stand der Technik, ein den Dichtmitteln zugeordneter Dichtungsbereich nicht mehr in nachteiliger Weise flussquerschnittmindernd wirkt, sondern einen wirksamen Magnetfluss unterstützt und auch im Dichtungsbereich ermöglicht.
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Dabei ist es erfindungsgemäß bevorzugt und gemäß bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, sowohl die elektromagnetische Stellvorrichtung radialsymmetrisch auszugestalten, entlang der gemeinsamen Symmetrie- und Bewegungsachse die Relativbewegung von Ankereinheit und Kern auszugestalten, als auch diese Anordnung dann rand- bzw. mantelseitig von einer die stationäre Spuleneinheit aufnehmenden Gehäuseeinheit zu umgeben. Wiederum verläuft dabei der Magnetfluss in axialer Richtung durch die Kerneinheit, wobei dort, in ansonsten bekannter Weise, wiederum in der Art einer Ringnut oder dergleichen umlaufender Aufnahme dann der Dichtungskörper eingesetzt ist.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft ist dieser Dichtungskörper, vorteilhaft realisiert durch Eisenpartikel, welche in ein gummielastisches Dichtungsmaterial eingebracht sind, so dimensioniert, dass diese Ringnut bestmöglich zum umgebenen Kernmaterial im Dichtungszustand ausgefüllt wird, gleichzeitig die beabsichtigte Dichtungswirkung entsteht. Vorteilhaft im Rahmen der Erfindung wirkt dann jedoch der Dichtungskörper selbst magnetisch flussleitend, verdrängt insoweit nicht das Magnetfeld im Kernbereich (oder nur geringfügig) und sorgt so für eine wesentlich effizientere Flussleitung im magnetischen Flusskreis, sodass nicht unbeträchtliche magnetische Vorteile, etwa Erhöhung der Ankerkraft realisierbar sind (im Vergleich zu geometrisch gleich ausgebildeten, jedoch nicht in der erfindungsgemäßen Weise modifizierten Dichtungskörpern).
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So haben etwa praktische Realisierungen der Erfindung ergeben, dass sich die Ankerkraft zwischen ca. 3% und ca. 10% (bei den erwähnten gleich bleibenden geometrischen Verhältnissen gegenüber einer reinen Luft-Nut bzw. mit einem Gummimaterial als Dichtung ausgefüllten Nut) realisieren lässt, wobei es erfindungsgemäß günstig und bevorzugt ist, eine relative Beimischungsmenge der Partikel des magnetisch leitfähigen Materials (z. B. Eisenpulver) und/oder eine typische Partikelgröße so auszuwählen bzw. auszugestalten, dass eine magnetische Leitfähigkeit des so realisierten Dichtkörpers mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, des Metallmaterials (typischerweise Stahl) des Statorabschnitts beträgt; bei diesen Eigenschaften lässt sich dann ein guter Kompromiss zwischen nach wie vor vorhandener Dichtwirkung und ausreichenden magnetischen Flussleiteigenschaften realisieren. Dabei ist „Partikel” im Sinne der Erfindung nicht auf ein Pulver beschränkt, sondern kann auch etwa (makroskopische) Teile oder Stücke aus geeignet flussleitendem Material sein, die entsprechend platziert sind.
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Im Ergebnis erreicht die Erfindung damit die Realisierung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung welche gerade im Hinblick auf zu dichtende Arbeits- bzw. Bewegungsräume zwischen Ankereinheit und Stator signifikante Effizienzvorteile ermöglicht, in dem nämlich in erfindungsgemäß neuartiger und überraschender Weise ein (traditionell nicht magnetisch zu berücksichtigendes und im Hinblick auf den Einbau-Platzbedarf in einer Nut nachteiliges) Dichtungselement benutzt wird, und so modifiziert wird, dass es aktiv zum Teil des magnetischen Flusskreises werden kann und mithin kritische Dimensionierungs- und Designvorteile erreicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung.
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1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung zur Ausbildung eines magnetisch betriebenen Ventils in axialer Längsschnittansicht.
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Die Stellvorrichtung 1 umfasst eine stationäre Statoreinheit 2 als Kern sowie eine Ankereinheit 4, die entlang einer Symmetrie- und Bewegungslängsachse 6 bewegbar ausgebildet ist. Zwischen der Statoreinheit 2 und der Ankereinheit 4 ist der Arbeitsluftspalt 3 ausgebildet.
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Die Statoreinheit 2 und die Ankereinheit 4 sind von einem Ankerführungsrohr 8 umgeben, das einen schraffiert gezeigten Innenraum 10 begrenzt. Außerhalb des Innenraums 10 ist auf einem nicht gezeigten Spulenträger eine Spuleneinheit 12 stationär vorgesehen, diese wiederum umschlossen von Gehäusekomponenten 14 bis 18, welche als Teile des magnetischen Kreises als unteres Joch 14, oberes Joch 16 sowie Gehäuselängsabschnitt 18 wirken.
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Damit ist die Stellvorrichtung 1 strukturell so ausgebildet, dass, in an sich bekannter Weise, als Reaktion auf eine Bestromung der Spuleneinheit 12 ein Magnetfluss über die Gehäusebestandteile 16, 18, 14, ferner über die Statoreinheit 2 sowie den Anker über den Luftspalt 3 geschlossen wird, wobei im Bestromungszustand die eine Ankerbewegung hervorrufende Kraft auf den Anker ausgeübt wird. In in der 1 nicht gezeigter Weise wirkt der Anker 4 als Ventilschieber oder dergleichen Aggregat mit einem (nicht gezeigten) Ventilsitz zusammen, oder führt auf andere geeignete Weise eine Ventilfunktion aus.
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Konkret bewegt sich die Ankereinheit 4 innerhalb einer geeigneten, dem Ventilzweck bzw. der Ventilfunktion entsprechenden Fluidumgebung, wobei, zur Abdichtung dieses mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Ventil-Innenraums, am Stator 2 in Richtung auf das umschließende Gehäuse eine in einer umlaufenden Ringnut 22 vorgesehene O-Ring-Dichtung 20 gebildet ist. Auf diese Weise wird statorseitig der Innenraum 10 zuverlässig nach Außen abgedichtet.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen werden als derartige Dichtringe 20 Polymere eingesetzte, etwa in Form gängiger Dichtgummis, welche günstige Dichteigenschaften aufweisen. Gleichzeitig entsteht, wie eingangs beschrieben, das Problem eines sich im Bereich der Ringnut (und in der Figurenebene 1 damit horizontal erstreckenden) Engstelle im Stator 2, mit der damit verbundenen Problematik eines Sättigungsquerschnitts.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist bei dem in
1 gezeigten Ausführungsbeispiel der O-Ring realisiert aus einem Elastomermaterial, welches einen bestimmten Anteil, typischerweise 10% bis 90%, an Eisenpartikeln aufweist, welche herstellungstechnisch günstig, vor und/oder während der Dichtungsringproduktion in das Polymermaterial eingeformt wurden, beispielsweise auf in der
DE 10 2004 054 038 B4 beschriebene Weise (wobei hier in Abkehr von der Erfindung permanentmagnetische Partikel in das Elastomer eingeformt sind). Es eignen sich günstig Elastomere mit beigemischten Eisenpartikeln bzw. Eisenspänen, etwa mit einer durchschnittlichen/mittleren Partikelgröße im Bereich von 10 μm, die zur Haftvermittlung mit dem Elastomer beschichtet sein können.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise steuert so der Bereich der Ringnut 22 (mittels des darin aufgenommenen Dichtungsrings 20) zur flusswirksamen Querschnittsfläche des Statorelements 2 bei, mit der vorteilhaften Wirkung, dass gegenüber einer rein polymerischen Dichtung ein verbesserter magnetischer Fluss ermöglicht ist, also die durch das Vorsehen der Ringnut eigentlich verringerte Durchflutungsfläche wiederum faktisch vergrößert werden kann. Dabei erreicht zwar die (Fluss-)Leitfähigkeit des Polymer-Magnetmaterial-Rings nicht die magnetischen Flussleiteigenschaften des Stahlmaterials der Kerneinheit 2, es sind jedoch Permeabilitäten von μ >> 1 (bei hohen Partikelfüllgraden auch μ >> 100) erreichbar, sodass die eingangs beschriebenen Verbesserungen im Hinblick auf Kompaktheit bzw. verbessertes Stell- und Kraftverhalten der Vorrichtung erreichbar sind.
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In der wie zuvor konkret beschriebenen Realisierungsform (wobei die aus der Zeichnung entnehmbaren geometrischen Proportionen als ein typisches Beispiel zur Realisierung der Erfindung gelten können) lässt sich so eine magnetische Krafterhöhung entlang des Pfeils 3 über den Luftspalt erreichen, welcher zwischen ca. 4 und 10% gegenüber der Vergleichsvorrichtung, bei welchem in die umlaufende Ringnut 2 anstelle des magnetisch leitfähigen Dichtungskörpers 20 ein rein polymerer Dichtkörper eingesetzt ist (bzw. dort Luftvorherrschen würde).
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Während das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel der 1 sich im Rahmen einer Anordnung als Magnetventil, insbesondere für Hydraulik- oder Pneumatik-Anwendungen, als günstig erwiesen hat, ist die Erfindung nicht auf diese Realisierungsform beschränkt, sondern eignet sich für beliebig andere, insbesondere in der vorbechriebenen Weise radialsymmetrische Anordnungen, bei welchen eine effektive magnetische Durchtrittsfläche, bei Vorhandensein einer umlaufenden Dichtung, in deutlich verminderter Weise durch eine solche Dichtung beeinträchtigt wird (indem nämlich in erfindungsgemäßer Weise in diese Dichtung selbst magnetisch leitfähiges Material aufgefüllt bzw. ersetzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Statoreinheit
- 3
- Zwischenspalt
- 4
- Ankereinheit
- 6
- Bewegungsachse
- 8
- Ankerführungsrohr
- 10
- Innenraum
- 12
- Spuleneinheit
- 14
- unteres Joch
- 16
- oberes Joch
- 18
- Gehäuseeinheit
- 20
- Dichtmittel
- 22
- Nut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004054038 B4 [0023]
