DE2352121A1

DE2352121A1 - Elektromagnetisch betaetigtes schaltventil

Info

Publication number: DE2352121A1
Application number: DE19732352121
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Geisselbrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-10-17
Filing date: 1973-10-17
Publication date: 1975-04-30

Description

Elektromagnetisch betätigtes Schaltventil

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch betätigtes Schaltventil zum Herstellen von pneumatischen od. hydraulischen Leitungsverbindungen, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit im wesentlichen zylindrischem Innenraum und mit in den Innenraum mündenden Leitungsanschlüssen, sowie einem im Gehäuseinnenraum befindlichen Ventilläufer mit Verbindungskanalen, die in bestimmten Stellungen des Ventilläufers einzelne Leitungsanschlüsse des Ventilgehäuses miteinander verbinden, und mit einem elektromagnetischen Antrieb für den Ventilläufer.

Bekannte Schaltventile dieser Art.arbeiten mit linearer Verschiebung des Ventilläufers im Innenraum des Ventilgehäuses. Als'elektromagnetischer Antrieb ist ein Hubmagnet verwendet, der zusammen mit der zugehörigen Erregerwicklung außerhalb des eigentlichen Ventilgehäuses angeordnet ist. Als mechanische Verbindung

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zwischen Ventilläufer und Elektromagnet dient eine Antriebswelle, die durch eine Bohrung im Ventilgehäuse geführt ist. Die Durchführbohrung für die Antriebswelle im Ventilgehäuse ist mittels eines Dichtringes nach außen gas- bzw. flüssigkeitsdicht abgeschlossen.

Nachteilig bei diesen bekannten Schaltventilen ist neben dem relativ sperrigen und schwergewichtigen Aufbau der verhältnismäßig große Bedarf an Betätigungsenergie bei dennoch relativ hohen Strömungsverlusten. Letztere resultieren daraus, daß Hubmagnete lediglich Hubwege von wenigen Millimetern gestatten. Daher können keine großen Durchlaßöffnungen geschaltet werden und die Strömungsverluste sind entsprechend hoch. Als Grund für den hohen Betätigungsenergiebedarf ist einerseits der ungünstige Ausnutzungs grad von Hubmagneten anzusehen und andererseits auch die ungünstige Ankopplung des Hubmagneten an den Ventilläufer über eine in einem Di.chtring gelagerte Welle. Der Abdichtungsring bewirkt Reibungsverluste und damit weitere Erhöhung der Betätigungsenergie.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltventil der eingangs genannten Art anzugeben, welches diese Nachteile nicht aufweist, d. h. welches im Aufbau weniger sperrig und schwergewichtig ist als die bekannten Sehaltventile und welches bei kleinen Strömungsverlusten weniger Betätigungsenergie als die bekannten Schaltventile erfordert, d. h. welches insgesamt gesehen besser ausgenutzt ist als die bekannten Schaltventile.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ventilgehäuse bis auf die Leitungsanschlüsse allseitig abgeschlossen und im Gehäuseinnenraum der Ventilläufer um die Zylinderachse drehbar eingelagert ist und daß der elektromagnetische Antrieb ein Drehantrieb ist, wobei der Drehantrieb in dichtungsfreier Verbindung mit dem Ventilläufer in den Innenraum des Ventilgehäuses eingebaut ist.

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BAD Q

Beim Schaltventil nach der Erfindung gestattet der elektromagnetische Drehantrieb bei verhältnismäßig geringem Energieaufwand beliebig große Drehhübe. Demnach können also auch bei kleinem Energieaufwand große Durchlaßöffnungen bei äußerst geringen Strömungsverlusten geschaltet werden'. Schon hierdurch ist der Ausnutzungsgrad des erfindungsgemäßen Schaltventils gegenüber herkömmlichen Schaltventilen stark verbessert. Das Schaltventil nach der Erfindung benötigt ferner keine gleitenden oder reibenden Dichtungen zwischen dem Ventilläufer und dem elektromagnetischen Drehantrieb. Vielmehr sind Ventilläufer und Drehantrieb gleichermaßen im zu schaltenden Medium, z. B. Flüssigkeit, eingelagert und damit deren Lager zusätzlich durch das zu schaltende Medium geschmiert, bzw. gegebenenfalls der elektrische Teil des Drehantriebs durch das Medium gekühlt. Auf-grund der so erreichten geringen Reibungsverluste ergibt sich eine weitere Verbesserung im Ausnutzungsgrad. Da ferner elektromagnetische Drehantriebe bei gleicher Leistungsabgabe gegenüber linearen Antrieben (Hubmagneten) sehr viel kleinvolumiger und leichter sind, weist auch das Schaltventil nach der Erfindung in seinem Gesarntaufbau ein wesentlich geringeres Gewicht und Volumen auf als die bekannten Schaltventile. Aufgrund des Zusammenbaus des eigentlichen Ventilteils und des Antriebsteils im Ventilgehäuse ergibt sich außerdem eine kompaktere Bauweise.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Schaltventiles nach der Erfindung im Längenchnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt II-II durch das Schaltventil nach dir Fig. 1 und

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Pig. 3 ein Anwendungsbeispiel des Ventils nach den Fig. 1 und 2 in Verbindung mit einer Kreiselpumpe.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 das Gehäuse des Schaltventiles bezeichnet. Das Gehäuse 1 weist einen im wesentlichen zylindrischen Innenraum 2 auf und ist bis auf die um jeweils 90° am Gehäuseumfang gegeneinander versetzten Leitungsanschlüsse 3 bis 6 allseitig abgeschlossen. Die Leitungsanschlüsse 3 bis 6 dienen zum Anschluß von pneumatischen oder hydraulischen Leitungen.

Im unteren Teil des zylindrischen Innenraums 2 des Ventilgehäuses 1 ist ein zylindrischer Ventilläufer 8 um die Zylinderachse 7 des zylindrischen Innenraums drehbar gelagert. Der Ventilläufer 8 weist in seinem Inneren in Höhe der Leitungsanschlüsse 3 bis 6 am Ventilgehäuse 1 gekrümmt verlaufende Verbindungskanäle 9 bzw. 10 für die Leitungsanschlüsse 3 bis 6 auf. Der zylindrische Ventilläufer 8 steht ferner über ein Wellenstück 11 in dichtungsfreier mechanischer Verbindung mit einem zylindrischen Permanentmagneten 12, der den Rotor eines als Drehantrieb für den Ventilläufer 8 dienenden Drehmotors bildet. Die dem Rotor 12 zugeordnete Ständerwicklung 13 des Drehmotors ist hierbei über einen magnetischen Rückschluß 14 an der dem Rotor 12 gegenüberliegenden Innenfläche des Ventilgehäuses 1 f lüssigkeitsdicht(kunststoffbeschichtet) angeordnet.

Zur Einlagerung des Ventilläufers 8 sowie des Rotors 12 des Drehmotors im Ventilgehäuse 1 sind an den inneren Deckflächen des Gehäuses 1 je ein Wellenlager 15 und 16 vorhanden. In einem Spalt 17 zwischen der Ständerwicklung I3 und dem magnetischen Rückschluß l4 befinden sich Hallgeneratoren 18, die zur jeweiligen Positionserfassung des Motorrotors 12 dienen. Mit 19 sind ferner die elektrischen Leitungsanschlüsse der Hallgeneratoren

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l8 bzw. der Ständerwicklung 13 des Drehmotors an die entsprechenden (nicht dargestellten) elektrischen Steuer- bzw. Versorgungseinrichtungen bezeichnet. Der Versorgungseinrichtung für die Ständerwicklung I3 kann dabei auch eine (ebenfalls nicht dargestellte) Programmsteuereinrichtung zugeordnet sein, die den Schaltablauf des Ventils nach einem vorgebbaren Programm steuert.

Das Schaltventil nach den Fig. 1 und 2 ist speziell für Schaltschritte von jeweils 90° ausgebildet. In der gezeichneten Schaltstellung nach Pig. -2 sind damit durch die Verbindungskanäle 9 und 10 im Ventilläufer 8 jeweils die Gehäuseanschlußleitungen 3 und 6 bzw. 4 und 5 durchverbunden. Bei einem 90 -Drehschritt in Pfeilrichtung ergeben sich hingegen Verbindungen zwischen den Leitungen 3 und 5 bzw. 4 und β etc.. Ein derartiger Drehschritt führt z. B. bei der in der Fig. 3 dargestellten Kombination eines Schaltventiles gemäß den Fig. 1 und 2 mit einer Kreiselpumpe 20 zu einer Richtungsumkehr des zu pumpenden Mediums (aus der gestrichelten Pfeilraichtung 22 in die ausgezogene Pfeilrichtung.21) bei beibehaltener Förderrichtung der Kreiselpumpe.

Die exakte Positionierung des Ventilläufers 8 kann anhand von elektrischen Mitteln (z. B. elektrische Bremsung des Drehmotors 12 bis 14 in Verbindung mit dem Positionsfühler Hallgenerator oder auch beispielsweise mittels anderer elektrischer Kontakte oder auch optischer Positionserkennungseinrichtung) vorgenommen werden. Ebensogut ist es jedoch auch möglich., zur Positionierung des Ventilläufers 8 mechanische Mittel, z. B. Anschläge oder dgl., vorzusehen. Ferner ist es auch zweckmäßig, zur exakten Positionierung des Ventilläufers 8 einen Schrittmotor* als Drehmotor zu verwenden. Der Drehmotor 12 bis 14 kann ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor sein. Ebensogut läßt sich jedoch auch ein Induktionsmotor oder ein sonstwie ausgebildeter Motor einsetzen,, ·

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Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 sind also, wie dargestellt, Ventilläufer und Drehmotor zusammen in ein und demselben Ventilgehäuse eingebaut. Ventilläufer 8 sowie Motorrotor 12 sind dabei vollständig vom zu schaltenden Medium, z. B. Wasser, Öl oder dgl., umspült und demnach durch dieses Medium gleichzeitig geschmiert bzw. gegebenenfalls gekühlt. Soll ein gasförmiges Medium geschaltet werden, so sollten hingegen zweckmäßigerweise die Lager 15 und l6 mit einem Pettdepot versehen werden. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sollte ferner der Ventilspalt zwischen Außenwandung des Ventilläufers 8 und Innenwandung des zylindrischen Gehäuseinnenraumes 2 in seiner Breite so gewählt werden, daß zum einen die Reibungsverluste beim Betätigen des Ventils möglichst gering sind, zum anderen aber auch die Leckverluste mögliehst klein bleiben. In einer praktischen Ausführung des Schaltventiles nach den Fig. 1 und 2 hat es sich dabei als günstig erwiesen, die Breite des Ventilspaltes zu einem Wert im Bereich zwischen etwa einem Zehntel und einem Hundertstel Millimeter, vorzugsweise bei einer Querschnittsfläche der Verbindungskanäle j5 ftis 6 des .Ventilläufers 8 von ca. 1 cm zu 0,01 mm, zu wählen.

Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltventiles sind nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So sind z. B. auch Ausführungsformen möglich., bei denen die Verbindungskanäle im Ventilläufer nicht im wesentlichen in Querschnittsebenen des Läuferzylinders verlaufen und am Zylindermantel münden, sondern im Ventilläufer im wesentlichen in Zylinderlängsrichtung, z. B, tangential am Zylindermantel^ verlaufen und an den Deckflächen des LauferZylinders münden. Auch ist es möglich, den Ventilläufer zugleich als Motorrotor auszubilden. Hierdurch ist eine weitere Miniatureierung der Ventilanordnung möglich. Alle diese möglichen Ausführungsformen sollen selbstverständlich mit unter die Erfindung fallen.

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Claims

Patentansprüche

( 1J Elektromagnetisch betätigtes Schaltventil zum Herstellen von pneumatischen oder hydraulischen. Leitungsverbindungen., bestehend aus einem Ventilgehäuse mit im wesentlichen zylindrischem Innenraum und mit in den Innenraum mündenden Leitungsanschlüssen sowie einem im Gehäuseinnenraum befindlichen Ventilläufer mit Verbindungskanälen, die"in bestimmten Stellungen des Ventilläufers einzelne Leitungsanschlüsse des Ventilgehäuse miteinander verbinden, und mit einem elektromagnetischen Antrieb für den Ventilläufer, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (l) bis auf die Leitungsanschlüsse (3 bis 6) allseitig abgeschlossen und im Gehäuseinnenraum (2) der Ventilläufer (8) um die Zylinderachse (7) drehbar eingelagert ist und daß der elektromagnetische Antrieb (12 bis Ik) ein Drehantrieb ist, wobei der Drehantrieb in dichtungsfreier Verbindung mit dem Ventilläufer (8) in den Innenraum (2) des Ventilgehäuses (l) eingebaut ist.

2. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilläufer (8) als Zylinder geformt ist, dessen Außendurchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des zugeordneten zylindrischen Innenraums (2) des Ventilgehäuses (l).

3. Schaltventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Ventilspaltes zwischen Außenwandung des Ventilläufers (8) und Innenwandung des zylindrischen Gehäuseinnenraumes(2) im Bereich zwischen etwa einem Zehntel und etwa einem Hundertstel Millimeter liegt, vorzugsweise bei einer Querschnittsfläche der Verbindungskanäli

0,01 mm beträgt.

Verbindungskanäle (9> 10) des Ventillaufers (8) von ca. 1 cm

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4. Schaltventil nach Anspruch 2 oder J5, dadurch gekennzeichnet., daß die Verbindungskanäle (9, 10) im Ventilläufer im wesentlichen in Querschnittsebenen des LauferZylinders (8) verlaufen und am Zylindermantel münden.

5. Schaltventil nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (9, 10) im Ventilläufer im wesentlichen in Zylinderlängsrichtung, z. B. tangential am Zylindermantel, verlaufen und an den Deckflächen des Läuferzylinders münden.

6. Schaltventil nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß bei am Mantelumfang des Ventilgehäuses (l) um jeweils ca. 90 gegeneinander versetzten Leitungsanschlüssen (5 bis 6) im Ventilläuferzyllnder (8) zwei Verbindungskanäle (9 bzw. 10) in einer Läuferquerschnittsebene so gekrümmt verlaufen, daß sich in 90°-Drehschritten des Ventilli

Leitungsverbindungen ergeben.

90 -Drehschritten des Ventilläufers jeweils korrespondierende

7. Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß- der Drehantrieb (12 bis 14) ein elektrischer Drehmotor ist.

8. Schaltventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) des Drehmotors ein Permanentmagnet ist.

9- Schaltventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung (lj) um den Rotor (12) im Gehäuseinnern (2) an der dem Rotor gegenüber]legenden Gehäuseinnenflache flüssigkeitsdicht angeordnet ist.

10. Schaltventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilläufer (8) gleichzeitig als Motorrotor (12) ausgebildet ist.

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11. Schaltventil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmotor (12 bis 14) ein Schrittmotor ist.

12. Schaltventil nach einem der Ansprüche 7 bis Hj dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehmotor (12 bis lh) Hallgeneratoren (l8) zur Positionserfassung des Motorrotors (12) zugeordnet sind.

15. Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmsteuereinrichtung vorhanden ist zur Steuerung des Schaltablaufes des Ventils nach einem vorgebbaren Programm.

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