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Ein- und Mehrweg-Magnetventil mit Dauermagnet und Impul8steuerung.
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1) Stand der Technik Magnetventile konventioneller Bauart mit Zug-
oder Druckanker zur Betätigung einer Ventildichtung sind in zahlreichen Bauformen
bekannt. Das gemeinsame Merkmal dieser Magnetventile ist ein Arbeitsanker, der innerhalb
einer Magnetspule liegt, die zur Betätigung des Ankers von Gleich- oder Wechselstrom
durchflossen wird. Bei einer Änderung des Ventilzustandes ist die Magnetspule während
der gesamten Zeit des geänderten Zustandes von einem Strom durchflossen, Diese Betriebsweise
hat mehrere Nachteile Die Magnetspule erwärmt sich stark.
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Sie hat grosse Abmessungen.
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Die Ventile können meist nur in einer Lage benutzt werden.
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Solche Ventile sind nur fwr eine bestimmte Strömungsrichtung brauchbar,
weil der Arbeitsanker von einer Feder in einer Rahelage gehalten wird.
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Ferner hebt die Ventildichtung bei wechselnder Druckbelastung der
Ventildichtung aus entgegengesetzter Richtung leicht ab.
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2) Aufgabenstellung und Lösung : Das tiel der Entwicklung des neuen
Ventils war, ein Absperrelement für pneumatische oder hydraulische Rohrsysteme zu
schaffen, das die Nachteile der bekannten Magnetventile nicht hat.
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Der verhältnismäßig große, ausserhalb des eigentlichen Ventils liegende
Arbeitsanker der üblichen Ventile wurde durch einen Permanentmagneten ersetzt, der
im inneren Teil des Ventilgehäuses liegt. Die Haftwirkung eines solchen Magneten
wurde weiter dazu ausgenutzt, den Arbeitsanker in den Stellungen "offen" bezw.
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"geschlossen" festzuhalten, ohne daS dafür in einer der Stellungen
ein Strom in einer Magnetspule oder eine Federkraft notwendig sind.
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Die Magnetspule wurde in zwei symmetrisch am Ventilgehäuse außen angebrachte
Spulen mit Eisenjochen aufgeteilt, die die Steuerung des Arbeitsankers durch einen
kurzzeitigen Stromfluß bewirken.
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Die Joche der Spulen (nachfolgend "Zugringe" benannt) wurden gleichzeitig
dazu benutzt, den Arbeitsanker entweder in der Ventilstellung offen oder geschLossen"
zu fixieren,indem sie den Arbeitsanker nach Art eines Haftmagneten durch Kurzschluß
der magnetischen Kraftlinien an einem der Joche festhalten. Das Ergebnis der Entwicklung
war ein Magnetventil von kleinen Abmessungen, das über Stromimpulse zu steuern ist
und weder in Bezug auf die Einbaulage noch auf die Strämungsrichtung des abzusperrenden
Mediums empfindlich ist Zudem ergab sich eine Bauform, deren Gehäuse keine abzudichtenden
Durchbrüche oder Bohrungen besitzt, sodaß das Ventil her metisch dicht ist. Ferner
kann das Gehäuse eine den Erfordernissen angepasste beliebige Form erhalten.
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3) Beschreibung des Ein- und Mehrweg-Magnetventils mit Dauermagnet
und Impulssteuerung.
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Als Ausführungsbeispiel ist ein symmetrisch aufgebautes Dreiwegeventil
gewählt. Die Figur 1 zeigt den Aufbau. In einem in diesem Fall topfförmigen Gehäuse
1 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff mit den Anschlußleitungen 2, 3 und 4 befindet
sich der aus einem nur diesen Fall ringförmigen Dauermagneten 5 und den Weicheisen-Polringen
6 und 7 bestehende Arbeitsanker 8 mit den Dichtungen 9 und 10. Die zugehörigen Veutilsitze
sind die länge 11 und 12 am Ende der Zuleitungen 2 und 3.Auf den kreisförmigen Deckel
und Bodenflächen des Gehäuses 1 sind die Weicheisen-Zugringe 13 und 14 angebracht.
Diese länge, die zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten an einer Stelle geschlitzt
sind, nehmen gleichzeitig die koaxial gelagerten Arbeitsspulen 16 und 17 auSS d.
h. die Windungen liegen in den Rinnen dar Zugringe 13 und L4 und haben deren Durchmesser.
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Es wird angenommen, daß in dem jetzt betrachteten Fall der Arbeitsanker
am Deckel des Gehäuses 1 anliegt und vom Zugring 13, der die magnetischen Kraftlinien
des Ankers 8 kurzschließt, gehalten wird. Die elastische Dichtung 9 verschließt
jetzt die Anschlußleitung 2. Der Weg von 3 nach 4 ist offen.
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Werden jetzt die Spulen 16 und 17 durch einen Gleichstromimpuls so
erregt, daß die Unterseite des Arbeitsankers 8 vom Zugring 14 angezogen und die
Oberseite des Arbeitsankers 8 vom Zugring 13 abgestoßen wird, so verlagert sich
der Arbeitsanker in der Art, daß er jetzt von dem Zugring 14 gehalten wird und die
Dichtung lo die Anschlußleitung 3 verschließt. Nach dem Abklingen des Stromimpulses
in den Spulen 16 und 17 bleibt der Arbeitsanker 8 in seiner zweiten stabilen Lage
vom Zugring 14 gehalten. In dieser Lage des Arbeitsankers 8 ist der Weg von 2 nach
4 offen. Zum Umsvhalten des Ventils auf den Weg 3 nach 4 ist ein Stromimpuls in
umgekehrter Richtung erforderlich, der ein Anziehen der Oberseite des Arbeitsankers
und ein Abstoßen der Unterseite durch die in den Zugringen induzierten Magnetfelder
bewirkt. Im Gegensatz zu den bisherigen Eagnetventilen werden zur Fixierung des
Arbeitsankers in einer bestimmten Lage keine Dauermagnetfelder eines Elektromagneten
und keine Federn benutzt. Die Energie zum Betätigen des Ventils ist im Verhältnis
zur Energie der fruheren Elektromagnete verschwindend klein und damit auch die Folge
der Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme.
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Wegen der schnellen Abnahme der ZugkrEfte zwischen Arbeitsanker 8
und dem jeweiligen Zugring mit der Wanddicke des Gehäuses 1 darf diese Wanddicke
nicht zu groß werden. Für hohe Betriebsdrücke in den Leitungen 2, 3 und 4 ist deshalb
eine Anordnung zweckmäßig, die in Figur 2 (obere Ventilhälfte) gezeigt ist. In den
Deckel und in den Boden des Gehäuses 1' sind bei dieser Ausführung Weicheisen-Leitringe
18 und 19 in das aus einem nichtmagnetischen Werkstoff bestehende Gehause 1' eingesetzt.
Diese Ringe übernehmen jetzt die Leitung der magnetischen Kraftlinien, die vom Arbeitsanker
8 ausgehen und in den Zugringen kurzgeschlossen
werden. Bei entsprechender
Dimensionierung der Ventilsitze 11 und 12 und der Wanddicke des Gehäuses 1 können
solche Ventile für Betriebsdrucke bis zu mehreren hundert atü benutzt werden.
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Da das Ventil nut während des Umschaltens einen kurzen Stromimpuls
benötigt, ist zur Stellungsanzeige des Arbeitsankers 8 in Bezug auf die Zuleitungen
2 oder 3 ein Schauzeichen erforderlich, das z.B. ,wie Figur 3 zeigt, aufgebaut sein
kann : Es besteht sus einem kleinen Stabmagneten 20 und den Eisenjochen 21 und 22
sowie den Spulen 23 und 24. Diese Spulen sind mit den Arbeitsapulen 16 und 17 in
Serie geschaltet, sodaß der Stabmagnet 20 seine Lage in gleicher Weise zwischen
den Jochen 21 und 22 ändert wie der Arbeitsanker 8 zwischen den Zugringen 13 und
14.
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Eine mögliche Schaltung zum Betätigen des neuen Ventils ist in Figur
4 gezeigt. Durch wechselweise Betätigung der Tasten 25 und 26 werden die Kondensatoren
27 und 28 über die Spulen 16, 17, 23 und 24 entladen, wobei der Stromimpuls über
die induzierten Magnetfelder in 13, 14, 21 und 22 den Arbeitsanker 8 und den Anzeigemagneten
20 in die gewtinschte Lage bringen.
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Zur Verminderung des Strömungswiderstandea innerhalb des Gehäuses
1 können am Arbeitsanker 8 entsprechend Figur 5 Leitrinnen2.
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angebracht werden, die einen direkten Weg von 2 nach 4>bezw. von
3 nach 4 freigeben. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, den Arbeitsanker
8 gegen Verdrehung zu sichern. Das kann z.B. dadurch erreicht werden, daß, wie in
Figur 6a gezeigt ist, der Polring 6 abgestuft wird und die Zugringe 13 und 14 (Figur
6b) eine gleichsinnige Abstufung erhalten. Bei der Ausführung für Hochdruckventile
werden anstelle der Abstufung der Zugringe 13 und 14 die Leitringe 3c) 18 und 19
entsprechend Figur 6c als Leitsegmente ausgebildet.
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Wird das Ventil der neuen Bauart für ein flüssiges Medium benutzt,
so ist es u.U. erforderlich, zur Verminderung des Bewegungswiderstandes des Arbeitsankers
8 in diesem entsprechend Figur 7 Bohrungen 31 vorzusehen.
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Ein Einwegventil ist in der gleichen Weise wie beschrieben aufgebaut.
Es fehlt hier nur die Zuleitung 3.