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Proportionalmagnet
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Die Erfindung betrifft einen Proportionalmagneten mit einem Magnetanker,
der in einem ferromagnetischen Führungsfohr axial verschiebbar gelagert ist, das
von einem nichtmagnetischen Bereich unterbrochen ist.
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Proportionalmagnete werden zur Umformung eines elektrischen Eingangssignals
in eine analoge mechanische Ausgangsgröße verwendet.
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Aus der DE-OS 22 51 215 ist bereits eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung
bekannt, die einen Magnetanker aufweist, der in zwei im Abstand voneinander angeordneten
Lagerringen angeordnet ist, die mit den Wänden von Polschuhen verbunden sind. Um
den Magnetanker in Bewegung zu setzen, muß die Magnetkraft die von der Haftreibung
zwischen dem Magnetanker und den Lagerringen hervorgerufene Kraft überwinden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Proportionalmagneten derart
weiterzuentwickeln, daß die der Bewegung des Magnetankers entgegenwirkende Kraft
vermindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Magnetanker
auf Gleitsegmenten gelagert ist, die von der Oberfläche des Magnetankers vorspringen
und gegenüber der Oberfläche kleine Abmessungen haben. Damit werden sowohl die Größe
der Reibungsfläche zwischen dem Magnetanker und dessen Lagerung, als auch der Strömungswiderstand
verringert, der bei der Bewegung des Magnetankers in dem Medium im Innern des Gehäuses
des Proportionalmagneten überwunden werden muß. Die Energie für die Betätigung des
Magnetan.
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kers kann deshalb reduziert werden. Außerdem weist der erfindungsgemäße
Proportionalmagnet eine höhere Ansprechempfindlichkeit und eine kleinere Hysterese
auf. Die Reproduzierbarkeit der Ankerstellungen bei gleichen Signalen an den Magnetspulen
wird wesentlich verbessert. Außerdem ergibt sich eine günstigere Frequenzcharakteristik
des Proportionalmagneten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind jeweils
drei Gleitsegmente nahe den beiden Stirnseiten des Magnetankers angeordnet. Diese
Zahl von Gleitsegmenten reicht für eine genaue Führung des Magnetankers in axialer
Richtung aus. Dies bedeutet eine wesentliche Reduzierung der Reibungsflächen. Ebenso
wird der Reibungswiderstand zwischen dem Magnetanker und dem Fluid im Gehäuse des
Proportionalmagneten verkleinert.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens sind die drei Gleitsegmente
in einer senkrecht zur Längsachse des Magnetankers verlaufenden Ebene angeordnet
und haben gleiche Abstände voneinander.
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Eine derartig ausgebildete Vorrichtung behält ihre günstigen Eigenschaften
in Bezug auf geringe Reibung, hohe Ansprechempfindlichkeit und kleine Hysterese
unabhängig von ihrer Orientierung im Raum bei.
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Um eine günstigere Reibwertpaarung zu erreichen, sind die Auflageflächen
der Gleitsegmente mit einer Schicht aus einem Werkstoff überzogen, der gute Gleiteigenschaft
besitzt.
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Besonders einfach läßt sich die Beschichtung dadurch aufbringen, daß
in die porös ausgebildeten Auflageflächen der Gleitsegmente ein Werkstoff eindiffundiert
wird, der gute Gleiteigenschaften besitzt.
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Ein besonders geeigneter Werkstoff hierfür ist ein Fluorkunststoff.
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Die Reibung wird auch dadurch herabgesetzt, daß gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung die Innenwand eines den Magnetanker nebst Gleitsegmenten umgebenden
Führungsrohrs glatt ausgebildet ist.
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Zweckmäßigerweise überragen die Gleitsegmente die Oberfläche des Magnetankers
nur wenig. Damit läßt sich ein geringer Luftspalt zwischen dem Führungsrohr und
der Außenseite des Magnetankers erreichen. Der Magnetisierungsstrom wird deshalb
kleiner.
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Vorteilhafterweise ist der Querschnitt der Gleitsegmente in Bewegungsrichtung
des Magnetankers als Profil mit geringem Strömungswlderstand ausgebildet. Mit dieser
Maßnahme wird die Wirbelbildung im Fluid während der Bewegung des Magnetankers reduziert.
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Die Genauigkeit und das dynamische Verhalten des Proportionalmagneten
wird hiermit verbessert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
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Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Proportionalmagneten im
Längsschnitt, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie I-I des in Fig. 1 dargestellten
Proportionalmagneten, Fig. 3a und 3b im Querschnitt zwei unterschiedliche Gleitsegmente
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Proportionalmagnet 1 weist in einem Gehäuse
2 eine Spulenwicklung 3 mit einem zylindrischen Aufbau auf. Konzentrisch zu der
Spulenwicklung 3 ist im Innern des Proportionalmagneten 1 ein ferromagnetisches
Führungsrohr 4 angeordnet. Das Führungsrohr 4 erstreckt sich nicht über die gesamte
axiale Länge des Gehäuses, sondern hat eine Unterbrechung, in der ein Ring 5 aus
nichtmagnetischem Material angeordnet ist.
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Im Innern des Führungsrohres 4 ist konzentrisch zur Spulenwicklung
3 ein zylindrischer Magnetanker 6 axial verschiebbar gelagert.
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Die Lagerung erfolgt über Gleitsegmente 7, die an der Oberfläche 10
des Magnetankers 6 befestigt sind. Die Gleitsegmente 7 können auch als Vorsprünge
des Führungsrohrs 4 ausgebildet sein. Die zuerst erläuterte Anordnung läßt sich
mit weniger Aufwand herstellen.
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Der Magnetanker 6 kann durch Beaufschlagung der Spulenwicklung 3 mit
einer Spannung von beispielsweise 12 V oder 24 V im Inneren des Führungsrohres 4
bewegt werden. In Fig. 1 ist der Magnetanker 6 in seiner Arbeitsbereichslage gezeigt.
In diese Stellung kann der Magnetanker 6 unter Einwirkung einer Kraft gebracht werden,
wenn an der Spulenwicklung 3 eine Spannung anliegt. Die Magnetkraft des Ankers kann
gegen eine Feder wirken. Eine solche Anordnung
wird bei direktgesteuerten
Wege-, Drossel- oder Druckventilen eingesetzt.
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Die Gleitsegmente 7 sind in der Nähe der Stirnseiten 9 des Magnetankers
6 so angeordnet, daß jeweils drei Gleitsegmente 7 gleichen Abstand von einer Stirnseite
9 aufweisen. Die drei Gleitsegmente 7 an jeder Stirnseite liegen in einer Ebene
senkrecht zur axialen Richtung des Magnetankers 6. Die Abstände zwischen den Gleitsegmenten
7 auf der Oberfläche 10 des Magnetankers 6 sind gleich groß.
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An den inneren Stirnwänden des Gehäuses 2 sind jeweils Anschläge vorgesehen.
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Die Auflageflächen der Gleitsegmente 7 auf der Innenwand 8 des Führungsrohrs
4 sind mit einer Schicht 11 aus einem Werkstoff überzogen, der gute Gleiteigenschaften
besitzt. Besonders geeignet hierfür sind Fluorkunststoffe. Es ist aber auch möglich,
einen Werkstoff in die Gleitsegmente 7 einzudiffundieren, wenn die Gleitsegmente
7 eine gewisse Porosität haben. Auch hier verbessert ein eindiffundierter Fluorkunststoff
die Gleiteigenschaften der Gleitsegmente 7. Die Innenwand 8 des Führungsrohrs 4
ist möglichst glatt ausgebildet, wodurch die Reibung mit den entsprechend behandelten
Gleitsegmenten 7 weiter vermindert wird.
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Die Gleitsegmente 7 können, wie in Fig. 3a dargestellt, rechteckige
Querschnitte haben; aber auch quadratische Querschnitte sind möglich.
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Eine besonders günstige Ausführungsform ist gegeben, wenn die Querschnitte
der Gleitsegmente 7 in Bewegungsrichtung des Magnetankers 6 als Profile mit geringem
Strömungswiderstand ausgebildet sind, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist.
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Die Gleitsegmente 7 ragen nur wenig über die Oberfläche 10 hinaus.
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Aufgrund des damit verbundenen geringen Abstandes zwischen der Innenseite
der Spulenwicklung 3 und dem Magnetanker 6 treten nur geringe magnetische Streuflüsse
auf.
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Die Gleitsegmente 7 sind gegenüber der Oberfläche 10 des Magnetankers
6 klein ausgebildet, so daß auch die Reibungsfläche zwischen den Gleitsegmenten
und dem Führungssrohr 4 gering ist.
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Bei der oben beschriebenen Vorrichtung ist zwischen dem Führungsrohr
4 und den Gleitsegmenten 7 nur eine geringe Reibung vorhanden, so daß nur wenig
Energie notwendig ist, um den Magnetanker in Bewegung zu setzen. Bei gleicher Energiezufuhr
ist die Verzögerungszeit kleiner, die vergeht, bis der Magnetanker 6 nach der Beaufschlagung
der Spulenwicklung 3 mit einem Steuersignal in Bewegung versetzt wird. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist auch weniger Energie erforderlich, um den während der Bewegung des
Magnetankers 6 wirkenden Strömungswiderstand des Fluids im Gehäuse zu überwinden.
Bei dem Fluid kann es sich um ein Ö1 handeln, das durch seine Schmiereigenschaften
die Reibung zwischen dem Führungsrohr 4 und den Gleitsegmenten 7 zusätzlich vermindert.
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Mit einer derartigen Vorrichtung lassen sich die statischen und dynamischen
Eigenschaften eines Proportionalmagneten verbessern. Gegenüber bekannten Vorrichtungen
ist die Ansprechempfindlichkeit höher und die Hysterese kleiner. Die Reproduzierbarkeit
der Stellungen des Magnetankers beim Zurückführen in die Ausgangslage ist genauer.
Außerdem ergibt sich eine günstigere Frequenzcharakteristik. Der Proportionalmagnet
1 eignet sich besonders gut für Magnetventile und andere Stellglieder. Durch die
oben erwähnte Verbesserung der statischen und dynamischen Eigenschaften treten
nur
sehr geringe Abweichungen der proportionalen Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden
Magnetkraft von der in die Spulenwicklung 3 eingespeisten elektrischen Energie auf.
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Der Proportionalmagnet 1 wird über eine nicht dargestellte Steuerelektronik
angesteuert, durch die z.B. mit einer elektrischen Eingangsspannung beliebige Kräfte
am Magnetstößel erzeugt werden können.
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Bezugszeichenliste: 1 Proportionalmagnet 2 Gehäuse 3 Spulenwicklung
4 magnetisches Führungsrohr 5 Ring 6 Magnetanker 7 Gleitsegmente 8 Innenwand des
Führungsrohrs 9 Stirnseite des Magnetankers 6 10 Oberfläche des Magnetankers 6 11
Schicht