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Verfahren und Vorrichtung zur Kennlinienjustierung von
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Elektro-Stellmagneten Stand der Technik Die Erfindung geht aus von
einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. des
ersten Sachanspruchs. Es ist bekannt, Magnetsysterme, üblicherweise bestehend aus
einer elektrischen Erregerwicklung und einem sich unter derem Einfluß bewegenden
Anker, zu Stellzwecken beliebiger Art zu verwenden, beispielsweise um hydraulische
Mehrstellungsventile zu schalten. Dabei ist üblicherweise der Hydraulikte il mit
seinen verschiedenen Ventilöffnungen in Baueinheit mit dem Elektromagneten so angeordnet,
daß der sich unter dem Einfluß des elektromagnetischen Feldes bewegende Magnetanker
Bewegungsabläufe im Hydraulikventil derart bewirkt, daß, gegebenenfalls sogar je
nach der Größe des Erregungszustandes des Magneten, auch eine größere Anzahl von
Ventilöffnungen untereinander
selektiv verbunden oder gegeneinander
abgesperrt werden können. Voraussetzung für die Durchführung solcher Schaltvorgänge
ist allerdings, daß die verwendeten Magnete ihre dem jeweiligen Anwendungszweck
entsprechenden Sollkennlinien exakt einhalten. Dies ist allerdings nicht immer gewährleistet,
da sich erhebliche Kennlinienstreuungen ergeben können, die aus Toleranzen der Geometrie,
der Stoffzusanimensetzung, der Windungszahl, der Dichte (bei Sinterteilen) usw.
resultieren.
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Bisher ist es üblich gewesen, die erforderliche Anpassung divergierende
Kennlinien dadurch vorzunehmen, daß man eine Justierung an dem vom Magneten betätigten
Gerät vornimmt; bei Anwendung eines elektromagnetischen Stellmagneten auf ein hydraulisches
Magnetventil beispielsweise dadurch, daß man die Federvorspannung beispielsweise
für den Schieber des Magnetventils entsprechend einstellt. Diese Justierungsarbeiten
sind aufwendig und führen letzten Endes dazu, daß man eine vorhandene Abweichung
in der Sollkennlinie des Magneten durch eine erst noch zu schaffende, stärkere Abweichung
im von diesem Magneten betätigten Gerät kompensiert, was im Endeffekt in einer stärkeren
Abweichung beider Teile Rlagnetteil und Hydraulikteil, von vorgegebenen Werten resultiert,
bei gegenseitiger Kompensation.
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Es besteht daher Bedarf nach einer Mögliciikeit, die Kraftcharakteristik
eines Elektromagneten an seine Sollkennlinie anzupassen, und zwar dadurch, daß eventuelle
Kennlinienstreuungen durch eine Justagemöglichkeit im Rahmen der
Montage
kompensiert werden können.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihren kennzeichnenden
Merkmalen haben den Vorteil, daß Eingriffe am Hydraulikteil eines Magnetvenüls beispielsweise
gar nicht mehr erforderlich sind; dennoch ist eine stufenlose Anpassung im Magnettell
übereren variablen Luftspalt als Drosselstelle möglich. Die vorgeschlagene Justierung
läßt sich im Rahmen der Montage kostengünstig durchführen; sie ist einfach und insbesondere
auch automatisierbar.
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In vorteilhafte Weise läßt sich die vorliegende Erfindung grundsätzlich
in gleicher Weise für alle möglichen Ausführungsformen von elektromagnetischen Stellmagneten
anwenden, also für Rund-und Rechteckmagneten, für Flach- oder Tauchankersysteme
sowie für Hub-, Zug- oder Drehmagnete; schließlich, was insbesondere für die Anwendung
auf hydraulische I1/Ie hrstellun gs ventile von Bedeutung ist, für Zw-eistellungs-
oder Mehrstellungsmagnete, also auf Magnete, die abhängig von der rnagnetischell
Durchflutung ihren die Stellbewegung durchführenden Anker in mehr als zwei definierte
Endpositionen verschieben können.
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Eine besonders günstige Anwendungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung
ergibt sich dabei für Flachankermagnete; bei
diesen kann die sonst
stark progressive Kennlinie abgeflacht werden, so daß sich günstigere Schaltzeiten,
eine geringere Geräuschentwicklung sowie eine höhere Lebensdauer ergeben.
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Vorteilhaft ist ferner, daß es nunmehr möglich ist, einen bestimmten
Standardmagneten in hohen Stückzahlen herzustellen, wodurch sich eine besondere
Wirtschaftlichkeit ergibt, und diesen dann durch Einsetzen der vorliegenden Erfindung
einem breiten Anwendungsspektrum zugänglich zu machen. Ferner ist es moglich, unter
Einsatz vorliegender Erfindung Stelimagnete bei gleicher Anzugskraft in vorteilhafter
Weise an verschiedenen Kau=spannungen zu betreiben sowie schließlich auch eine Magnetkraftregelung
während des Einsatzes des jeweiligen Magneten zu bewirken, indem nämlich entsprechend
den sich ändernden Betriebes bedingungen (Drucks chwankunge n, Spannungs s chwankun
gen) der Magnet automatisch diesen Änderungen angepaßt wird.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich; je nach dem gewünschten
Anwendungszweck läßt sich der Kenniinienabgleich beispielsweise durch entsprechend
kontinuierliches Verdrehen einer Drosselschraube oder durch den sukzessiven Einschub
von den magnetischen Widerstand im Magnetkreis ändernden Einschubleisten justieren.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 im Querschnitt eine Ausführungsform eines Tauchankermagneten mit magnetischer
Drosselschraube, die Fig. 2a und 2b geben in einer Seitenansicht die möglichen maximalen
Verstellpositionen der Drosselschraube an; Fig. 3 zeigt den Kennlinienverlauf eines
Flachank'ermagneten mit und ohne Anwendung einer Drosselschraube im Eisenkreis;
Fig. 4 zeigt in einer der Darstellung der Fig. 1 entsprechenden Ansicht die Kennlinienjus
tierung eines Flachankermagneten mittels Drosselbolzen im Eisenkreis, Fig. 5 zeigt
die Position des Drosselbolzens in einer Seitenansicht beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 4 mit weggeschnittenen Teilen; die Fig. 6 zeigt ebenfalls in einer Schnittansicht
einen Flachankermagneten, bei dem der Magnetab gleich durch Auffüllen von Drosselbohrungen
erfolgt, wobei Fig. 7 in einer Seitendarstellung den Auffüllvorgang genauer angibt;
schließlich zeigen die Fig. 8, 9 und 10 weitere Ausführungsformen zur Durchführung
des Kennlinienabgleichs mit Hilfe von Einschubleisten zur Veränderung des magnetischen
Widerstands.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, die erforderliche Anpassung an Sollkennlinien von über
Stellrnagnezen
geschalteten Geräten nicht am Ge-rät, im speziellen
Anwendun-sfall also nicht am Hydraulikteil eines Mehrstellungs-Magnetventils vorzunehmen,
sondern die Kraftcharakteristik des Elektromagneten durch Verstellen und Anpassen
seiner Sollkennlinie so einzustellen, daß sich die gewünschten Eigenschaften des
Gesamtsystem ergeben.
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Luftspalte im Eisenkreis eines Magneten steilen die für den Kraftverlauf-und
das erzielbare Kraftniveau dominierenden Variablen dar, da der magnetische Widerstand
von Luftspalten um Größenordnungen höher ist als im Eisenkreis. Es ist daher möglich,
den magnetischen Widerstand und damit die Kraftcharakteristik von Stellmagneten
im großen Umfang dadurch zu beeinflussen, daß im Magnetkreis ein oder mehrere variable
Luft spalte angeordnet werden; solche variablen Drosselstellen können, den geometrischen
Gegebenheiten des Magneten entsprechend, an jeder beliebigen Stelle im Eisenkreis
eingebaut werden.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Flachankermagneten 1 ist das, auch den
magnetischen, über den Anker 2 ge-schlossenen Eisenkreis bildende Gehäuse mit 3
bezeichnet; die die magnetische Durchflutung erzeugende, von einem Strom gewünschter
oder auch veränderlicher Größe durchflossene Spule l befindet sich mit ihrer Spulenhalterung
5 in einer entsprechend ausgebildeten, hier ringförmigen oder auch rechteckförmigen
Bohrung 6 des Gehäuses. Am Anker 2 ist ein Ankerstößel 2a befestigt, der der Übertragung
des Ankerhubs auf das nicht weiter dargestellte
vom Anker betätigte
Gerät dient; im Falle der Verwendung des Magneten als Stellmagneten für die Betätigung
eines hydraulischen Mehrstellungs-Magnetventils kann die Stößelspitze 7 unmittelbar
am Schieber des federvorgespannten Magnetventils anliegen (nicht dargestellt). Seine
Lagerung erfährt der Anker 2 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von einer
Flachfeder 8, die bei 9 in geeigneter Weise, etwa mit Hilfe einer Schraube und Unterlegscheibe,
am Gehäuse befestigt ist. Die federnde Aufhängung des Ankers 2 ermöglicht dessen
Bewegung in Richtung des Pfeils A; mit anderen Worten, bei Durchführung des Ankerhubs
taucht der Flachanker 2 stärker in das aus einem geeigneten, gut magnetisch leitendem
Material gebildete Gehäuse ein.
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Ein solchermaßen ausgebildeter Flachanker verfügt über eine Sollkennlinie,
wie sie in ihrem qualitativen Verlauf bei I in Fig. 3 dargestellt ist; d.h. mit
einer meist unerwünschten, starken Progression.
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In den vom Magnetankergehäuse 3 und dem Anker 2 gebildeten Eisenkreis
sind zur Anpassung und Beeinflussung sowohi des Kraftniveaus als auch der Steigung
der Kennlinie magnetische Drosselstellen eingebaut; bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 dadurch, daß an einer oder an mehreren Stellen in Querbohrungen 10 des
Gehäuses Schlitzmuttern 11 eingese tzt sind, die als Drosselschrauben wirken. Im
Aufbau besteht jede Schlitzmutter aus einer verdickten Kreisscheibe 12 mit einem
tief
eingeschnittenen mittigen, durchlaufenden Schlitz oder Nut 13, die, da materialfrei,
für die magnetischen Kraftlinien einen erheblichen Widerstand darstellt. Die Schlitzmutter
11 besteht aus einem magnetisch gut leitenden Material, beispielsweise ebenfalls
aus Eisen und ist bündig in die Querbohrung 10 des Gehäuses 3 eingesetzt, so daß
entsprechend der in den Fig. 2a und 2b angegebenen möglichen Endstellungen der Schlitzmutter
der magnetische Widerstand des Gesamtkreises stufenlos von einem minimalen bis zu
einem maximalen Wert variiert werden kann, und zwar durch Verdrehen der Schlitzmutter
aus der Position der Fig. 2b, die die Stellung minimalen Widerstands angibt, in
die Position der Fig. 2a, der Stellung maximalen magnetischen Widerstands-An der
Querschnittsdarstellung der Fig. 1 erkennt man, daß der Schlitz 13 in der Mutter
für den Magnetfluß einen großen Luftspalt und damit einen großen Widerstand darstellt,
denn die magnetischen Kraftlinien sind, wie schematisch bei 14 in Fig. 1 dargestellt,
gezwungen, im Schlitz be reich eng zusammenzurücken, wodurch sich der Widerstand
erhöht. Dies ergibt sich für den Fall, daß der Schlitz 13 quer zur Flußrichtung
der magnetischen Kraftlinien verläuft; wird der Schlitz wie in Fig. 2b gezeigt;
parallel zu den magnetischen Kraftlinien eingestellt, dann ergibt sich ein hinreichend
großes, zusätzlichen Eisenvolumen und der durch die Drosselschraubenanordnung der
Fig 1 in den magnetischen Eisenkreis hineingebrachte magnetische Widerstand ist
minimal.
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Bei entsprechendem Aufbau, wenn nämlich der variable Luftspalt einen
großen Eisonquerschnitt überdeckt, kann die Magnetcharakteristik in entsprechend
großem Ausmaß beeinflußt werden, wodurch sich, wie der mittels Drosselschraube korrigierte
Kennlinienverlauf II der Fig. 3 zeigt, insbesondere die unerwünschte Progression
abbauen läßt, während die magnetische Anfangskraft nahezu unbeeinflußt bleibt; der
in diesem Fall relativ geringe Fluß wird über den schmalen Verbindungssteg der Schlitzschraube
geleitet.
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Es versteht sich, daß die Drosselstelle in den Eisenkreis so eingebaut
werden soll, daß für den beweglichen Anker symmetrische iNIagnetÏlußverhältnisse
vorliegen; mit anderen Worten, die Bohrung 10 an der Außenfläche des Gehäuses sollte
mittig des Magnetankersystems angeordnet sein, damit durch einen unsvmmetrischen
Fluß der Anker nicht schräg gezogen wird, was eine erhöhte Radialkraft und eine
entsprechend unerwünschte seitliche Lagerbelastung zur Folge hätte.
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Entsprechend dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten Rusführungsbeispiel
hann der Magnetabgleich auch über Drosseibolzen erfolgen, wobei in den Eisenkreis
zunächst wiederum eine quer zur Richtung des Magnetftusses verlaufende Bohrung 15
eingebracht wird. Hierdurch ergibt sich an diesem Rückfluß-Gehäuseteilbereich eine
Schwächung des Eisenwegs und eine Erhöhung des magnetischen NXiderstandes, die durch
Einsetzen eines Drosselbolzens 16 in die Bohrung 15 zwischen zwei Endwerte. des
maximalen
und minimalen magnetischen Widerstandes variiert werden
kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 sowie der weiteren Ausführungsbeispiele
sind mit in der Fig. 1 angegebenen Teilen gleiche Teile auch mit gleichen Bezugszeichen
versehen, wobei es sich im übrigen versteht, daß das durchgehend als Ausführungs
beispiel verwendete Flachankermagne tsystem stellvertre -tend für alle anderen nutzbar
einzusetzenden und durch variable Veränderung des magnetischen Widerstandes in ihren
Kennlinien veränderbaren Elektromagneten steht.
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Der in die Bohrung 15 eingesetzte Drosselbolzen ist drehbar ausgebildet
und verfügt über einen mehr oder weniger großen Teil seiner Länge gesehen über Volumenabnahmen
oderAnfräsungen 15a, 15b, die abhängig vom Drehwinkel für den Magnetfluß einen mehr
oder weniger großen Luftspaltwiderstand darstellen. In der in Fig. 4 gezeigten Position
ist dabei der magnetische Widerstand geringer, verglichen mit einer Position, in
welcher das angefräste Halbrund des Drosselbolzens quer zur Magnetflußrichtung den
gesamten Bohrungsquerschnitt freigeben würde. In den Magnetkreis können ein oder
mehrere drehbare Bolzen eingebracht werden, wobei die Bolzen in ihren Aufnahmebohrungen
mittels Gewinde oder Preßpassung sitzen.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 6 und 7 ist es auch
möglich, den Magnetabgleich durch Auffüllen der
der Drosselbohrungen
15' im Magnetkreis mittels geeigneter Materialien, hier Zylinderstücke 17a, 17b,
17c durchzuführen.
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Es versteht sich, daß die Zylinderstücke untereinander auch unterschiedliche
Abmessungen aufweisen können, so daß, etwa wie bei einer Waage durch Auflegen immer
feinerer Gewichte feinfühlig stufenweise auf gewünschte Kennlinienverläufe und Kraftniveaus
abgeglichen werden kann. Die Reduzierung des magnetischen Widerstandes ist so stufenweise
bis auf den minimalen Wert, der etwa dem von Vollmaterial entspricht, möglich.
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Die Zylinderstücke - selbstverständlich können hier auch unrunde Ausnehmungen
und entsprechend komplementär ausgebildete Materialstücke verwendet werden - können
in den Ausnehmungen über Pressung oder durch Kleben oder durch sonstige verfügbare
Haltemöglichkeiten fixiert werden, bei spielsweise auch durch Anordnen von Verstemmkerben,
wodurch ein Verlassen der Bohrungen verhindert wird. Die Bohrungen im Eisenmaterial
des Magnetgehäuses können auch Sacklöcher sein; bevorzugt sollte beim Auffüllen
aber so vorgegangen werden, daß die Materialstücke von beiden Seiten, also symmetrisch
in die Bohrung eingebracht werden zur Vermeidung ungleichmäßiger, radialer Einflüsse.
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Schließlich erfolgt bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 8, 9 und
10 der Magnetabgleich durch das hier dann wieder stufenlos mögliche Einbringen von
Einschubleisten in den Magnetkreis.
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In beiden Ausführungsbeispielen der Fig. 8 und 9 einerseits sowie
10 andererseits werden in den Magnetkreis Stellen mit geringen Querschnitten durch
die Anordnung von Aussparungen
eingebracht, die rechteckig, rund
oder sonstwie beschaffen sein können und die dann durch entsprechende E-inlegteile
bis zum vollen Querschnitt aufgefüllt werden. Die Aussparungen sind in den Fig.
8 und 9 mit 18, 18' bezeichnet; die Einschubleisten mit 19, 19> . Bei den Einschubte
ilen kann es sich um Metallstreifen, Profile (U -Profile), aber auch Rundmaterial
handeln.
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Durch mehr oder weniger starkes Auffüllen der Querschnittsverengungen
wird der magnetische Widerstand variiert, wobei auch bei den Ausführungsbeispielen
der Fig. 8, 9 und 10 das Auffüllen von mehreren Aussparungen durch auch mehrere
Teilstücke, wie in Fig. 7 gezeigt, im gleichen Sinne möglich ist.
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Schließlich ist in Fig. 10 mit Fig. 10a eine nach unten offenes jedoch
zu beiden Seiten geschlossene Aussparung 20 gezeigt, die dadurch stufenlos aufgefüllt
wird, daß vor, unter, wie in Fig. 10 dargestellt, ein entsprechendes Einlegeteil
21 in die Aussparung mehr oder-weniger stark eingeschoben wird. Die Fixierung kann
dann über Pressung, durch Kleben oder durch sonstige geeignete Mittel geschehen.
Bei dem in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Aussparungen
jeweils unterhalb der Spulenhalterung angeordnet.
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