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Steuermotor sowie diesen aufweisendes Servoventil
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuermotor und auf ein diesen
aufweisendes Servoventil.
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Die Erfindung bezieht sich insbes. auf einen Steuermotor mit einem
dauermagnetisch erregten aus magnetisch weichem Material bestehenden Anker der vorzugsweise
an einem dünnwandigen elastischen Rohr federnd befestigt ist. Steuermotore dieser
Bauart sind bereits bekannt und verwenden im Rahmen eines Servoventils einen hydraulischen
Verstärker.
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Bei einer bekannten Bauart eines Steuermotors ist ein plattenförmiger,
horizontal angeordneter Anker mit seinen beiden Enden zwischen dauermagnetischen
Feldern angeordnet. Dabei werden die beiden vom elastischen Rohr abgelegenen Enden
durch zwei Steuerspulen mit entgegengesetzter magnetischer Polarität erregt, so
daß eine Verkippung des Ankers hervorgerufen wird. Beim Steuermotor dieser Bauerart
ist nachteiligt, daß ein hydraulischer Verstärker benötigt wird.
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Bei einer weiteren Konstruktion mit hydraulischem Verstärker und mechanischer
Federrückführung ist neben dem nötigen Steueröl die Baugröße sowie ein Stromregler
nachteilig.
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Bei einem bereits bekannten Düsenprallplattenverstärker ist ein Magnetanker
im mittleren Bereich mittels einer reibungsfreien Dichtung gelagert, um eine Prallplatte
zwischen zwei Düsen zu bewegen. Bei dieser Konstruktion ist nachteilig, daß dauernd
fließendes Steueröl erforderlich ist.
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Bei einem weiteren bereits bekannten elektrohydraulischen Servoventil
ist ein schwenkbar gelagerter Anker eines Elektromagneten zwischen zwei hufeisenförmigen
Permanentmagneten gelagert, um bei Anlegung eines Erregerstroms an die Spulen des
Elektromagneten eine Kippbewegung auszuführen, die dann über eine Hubstange auf
den Schieber eines Ventils übertragen wird. Bei dieser Konstruktion ist nachteilig,
daß vom Ventil kommenes Öl ohne weiteres in den Ankerraum eintreten kann und in
dem Magnetspalt zu Störungen führen kann. Wird eine Dichtung verwendet, so bewirkt
diese eine Beeinflussung der Bewegung des Ankers.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steuermotor zu schaffen,
der die Nachteile des Standes der Technik nicht zeigt.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Steuermotor der
eingangs genannten Art derart vorzusehen, daß ohne Verwendung eines hydraulischen
Verstärkers mit diesem Steuermotor ein Servoventil aufgebaut werden kann, ohne daß
dabei die Nachteile des Standes der Technik auftreten.
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Zur Erreichung der genannten Ziele sieht die Erfindung insbesondere
die Maßnahmen gemäß Anspruch 1 und 24vor. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich
aus den übrigen Ansprüchen. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß erfindungswesentliche
Merkmale auch der folgenden Beschreibung wie insbesondere auch der Zeichnung entnommen
werden können.
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Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung
zeigt: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Steuermotors
im Schnitt, und zwar Längslinie A-B in Fig. 4; Fig. 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen
Steuermotors, und zwar aus Richtung des Pfeiles C in Fig. 3; Fig. 3 eine Vorderansicht
des Steuermotors, und zwar aus Richtung des Pfeils D in Fig. 2; Fig. 4 eine Draufsicht
auf den Elektromagneten gemäß Fig. 3, wobei ein Teil der Deckplatte weggebrochen
ist; Fig. 5 und 6 schematisch vereinfachte Schnittdarstellungen längs der Schnittlinien
F-G bzw. H-K in Fig. 1; und Fig. 7 im Schnitt ein durch den erfindungsgemäßen Steuermotor
betätigtes Servoventil.
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Zunächst sei anhand der Fig. 1 bis 4 das bevorzugte Ausführungsbeispiel
eines Steuermotors 10 beschrieben. Anhand der Fig. 5 und 6 wird sodann die Funktionsweise
näher erläutert und in Fig. 7 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
nämlich der erfindungsgemäße Steuermotor direkt gekuppelt mit einem Ventil 20, dargestellt,
um so ohne Verwendung eines hydraulischen Verstärkers ein Servoventil zu bilden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Steuermotor 10 handelt es sich um einen
dauermagnetisch erregten Motor, der hermetisch gegenüber dem Hydraulikteil, beispielsweise
dem Ventil 20 abgedichtet ist.
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Der Steuermotor weist einen beispielsweise zur Anbringung an Ventil
20 geeigneten Sockel 1 auf, der zwei aus weichmagnetischem Material bestehende Flußleitelemente
2 und 3 trägt, zwischen denen ein aus weichmagnetischem Material bestehender Anker
9 verläuft, der seinerseits am Sockel 1 mittels eines Riickstellelements 7 schwenk-
oder kippbar befestigt ist. Ein Ausgangsglied 8 ist am Anker 9 befestigt und überträgt
die Bewegung des Ankers 9 aus dem Inneren des Steuermotors 10 heraus, und zwar zur
Weitergabe beispielsweise an Ventil 20.
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Die beiden Flußelemente 2 und 3'sind in gleicher Weise stangenförmig
aufgebaut und besitzen die Gestalt eines Quaders mit quadratischem Querschnitt (vgl.
Fig. 4). Jedes der Flußelemente 2, 3 besteht aus einem Spulenaufnahmeteil 22 bzw.
26 sowie einem Abschlußteil 24 bzw. 28. Die Spulenaufnahmeteile 22, 26 sind durch
Schrauben 12 am Sockel 1 befestigt. Nicht näher bezeichnete Ausschnitte in den ansonsten
einen quadratischen Querschnitt besitzenden Spulenaufnahmeteilen 22 bzw. 26 dienen
zur Aufnahme einer Steuerspule 30, die nach Aufsetzen der Abschlußteile 24 und 28
an ihrem Platz gehalten wird. Die Abschlußteile 24 und 28 sind durch Befestigungsbolzen
11 an den Spulenaufnahmeteilen 22 und 26 gehalten, und zwar verlaufen diese Bolzen
durch Bohrungen in einer Deckplatte 5 sowie damit ausgerichtete Bohrungen in den
Abschlußteilen 24 und 28, um sodann in die Spulenaufnahmeteile 22 und 26 eingeschraubt
zu sein.
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Dichtungen 13 sind zur Abdichtung der Befestigungsschrauben 12 im
Sockel 1 vorgesehen. Ferner ist in einer Ringnut des Sockels 1 ein O-Ring 14 angeordnet,
der zur Abdichtung gegenüber dem vom Steuermotor 10 betätigten Element, beispielsweise
dem Ventil 20 gemäß Fig. 7 dient.
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Sockel 1 und Deckplatte 5 bestehen vorzugsweise aus nichtmagnetischem
Material.
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Das Rückstellelement 7 wirkt als ein Biegeelement und ist vorzugsweise
rohrförmig ausgebildet. Vorzugsweise hat das Rückstellelement 7 einen kreisförmigen
Querschnitt.
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Das Rückstellelement 7 wirkt als eine Rückstellfeder und besteht vorzugsweise
aus mehreren unterschiedliche Durchmesser aufweisenden Abschnitten. Das Rückstellelement
7 ist mit seinem in Fig. 1 unteren Sockelbefestigungsabschnitt 73 von verhältnismäßig
großem Durchmesser in einer Mittelbohrung des Sockels 1 durch Preßsitz befestigt.
An den Sockelbefestigungsabschnitt 73 schließt sich ein nicht näher bezeichneter,
einen etwas geringeren Querschnitt aufweisender Abschnitt an, auf den dann ein Biegeabschnitt
72 von geringerer Wandstärke folgt. Ein Befestigungsabschnitt 71 von größerer Wandstärke
schließt sich an den Biegeabschnitt 72 an. Das Rückstellelement 7 erstreckt sich
im wesentlichen parallel zu den Flußleitelementen 2 und 3 und ist zwischen diesen
angeordnet, wobei alle drei Elemente eine gemeinsame Mittellinie 31 (Fig. 4) besitzen,
so daß sich insgesamt ein symmetrischer Aufbau bezüglich der Mittellinie 31 und
der dazu senkrecht verlaufenden Linie 32 (Fig. 4) ergibt.
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Am freien Ende des Rückstellelements 7, d. h. oberhalb des Befestigungsabschnitts
71 ist der bereits erwähnte Anker 9 befestigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
erfolgt die Befestigung des Ankers 9 am Befestigungsabschnitt 71 indirekt über ein
Befestigungsende 81 des bereits erwähnten Ausgangsglieds 8. Das Befestigungsende
81 sitzt in einer Längsbohrung 77 des Rückstellelements und ist im Befestigungsabschnitt
71 entweder durch Preßsitz befestigt, oder aber mittels nicht gezeigter Schrauben
oder Stifte, die durch Querbohrungen 74 im Befestigungsabschnitt 71 verlaufen. Zum
anderen ragt das Befestigungsende 81 über Abschnitt 71 hinaus und ist durch Preßsitz
in einer an Längsbohrung 94 anschließenden, einen kleineren Durchmesser als diese
aufweisenden Bohrung 95 des Ankers 9 befestigt. Die Bohrung 95 erweitert sich also
zum Befestigungsabschnitt hin zu der im Querschnitt vorzugsweise kreisförmigen Bohrung
94, die einen solchen Durchmesser besitzt, daß ein Verkippen oder Verschwenken des
Ankers 9 um das
Rückstellelement 7 herum möglich ist. Der Anker
9 erstreckt sich praktisch über die gesamte Länge der Flußleitelemente 2, 3 hinweg,
so daß sein oberer Abschnitt oder Ankerbefestigungsabschnitt 91 benachbart zur Deckplatte
5 angeordnet ist, während sein unterer Abschnitt oder freier Ankerabschnitt 92 benachbart
zum Sockel 1 liegt. Der Mittelabschnitt des Ankers 9 liegt'in etwa im Bereich der
Steuerspule 30.
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Vorzugsweise ist der Anker 9 ähnlich wie die Flußelemente 2, 3 von
quaderförmiger Gestalt mit quadratischem Querschnitt (vgl.
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Fig. 4) und weist in seinem Inneren die bereits erwähnte Bohrungen
94, 95 auf, um so das Rückstellelement 7 schützend zu umgeben.
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Es ist allerdings auch möglich, auf die beiden Seitenwände des Ankers
9 zu verzichten, die nicht benachbart zu den Flußelementen 2, 3 verlaufen, d.h.
die Seitenwände 75, 76 in Fig. 4 könnten im Spulenbereich weggelassen werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Befestigungsende 81 ein
Teil des Ausgangsglieds 8, welches noch das aus einer Längsbohrung 77 des Rückstellelements
7 herausragende Betätigungsende 83 sowie einen sich zum Befestigungsende 81 hin
erweiternden Mittelteil 82 aufweist. Das Ausgangsglied 8 besteht vorzugsweise aus
nichtmagnetischem Material. Gemäß einer Abwandlung der Erfindung ist es auch möglich,
das Befestigungsende 81 entweder als Teil des Rückstellelements 7 oder auch gegebenenfalls
als Teil des Ankers 9 auszubilden. Das Ausgangsglied 8 könnte dann beispielsweise
in das Befestigungsende 81 eingeschraubt sein.
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Die Steuerspule 30 umgibt den Anker 9 in seinem mittleren Bereich
und kann bei Zuführung eines elektrischen Eingangssteuersignals über die Steuerleitungen
33, 34 (Fig. 3) eine Magnetisierung des Ankers 9 bewirken. Erfindungsgemäß erfolgt
die Magnetisierung derart, daß der Anker 9 im Bereich seines oberen Abschnitts 91
eine Polarität (beispielsweise N) und im Bereich seines unteren Abschnitts 92 die
andere Polarität (beispielsweise
S) erhält, und umgekehrt, je
nach Pola; e/ elektrischen Eingangssteuersignals.
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Zur Sicherung der aufrechten Position der Flußleitelemente 2, 3 und
zur Erhöhung der Stabilität des Steuermotors 10 sind die insbesondere in den Fig.
2 und 3 gezeigten Abdeckbleche 66, 67 vorgesehen, welche durch Schrauben/Muttern-Verbindungen
15 an den Flußleitelementen 2, 3 festgelegt sind.
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Des weiteren werden diese Abdeckbleche als Kurzschlußverbindung für
den Abbau der Gegeninduktion (Trafoprinzip) der Spule verwendet.
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Der Anker 9 steht ständig unter dauermagnetischer Erregung, in Querrichtung,
die erfindungsgemäß wie folgt vorgesehen ist (vgl. dazu auch die Fig. 5 und 6).
Die Flußleitelemente 2, 3 besitzen jeweils zwei einander gegenüberliegende Seitenwandflächen
49, 50 und 51, 52. Jede der Seitenwandflächen besitzt einen sockelseitigen und einen
deckplattenseitigen Seitenwandflächenabschnitt, jeweils benachbart zum Sockel 1
bzw. zur Deckplatte 5 und zudem im Bereich des freien Ankerabschnitts 92 bzw. im
Bereich des Ankerbefestigungsabschnitts 91. Dementsprechend besitzt beispielsweise
die Seitenwandfläche 51 einen deckplattenseitigen Seitenwandflächenabschnitt 41
und einen sockelseitigen Seitenwandflächenabschnitt 45. Seitenwandfläche 52 besitzt
einen deckplattenseitigen Seitenwandflächenabschnitt 42 und einen sockelseitigen
Seitenwandflächenabschnitt 46. Seitenwandfläche 49 besitzt einen deckelplattenseitigen
Seitenwandflächenabschnitt 43 und einen sockelseitigen Seitenwandflächenabschnitt
47. Seitenwand 50 schließlich besitzt einen deckelplattenseitigen Seitenwandflächenabschnitt
44 und einen sokkelseitigen Seitenwandflächenabschnitt 48.
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An den erwähnten Seitenwandflächenabschnitten 41 und 43 sind Permanentmagnete
(im folgenden Magnetplättchen) 58 und 59 angeordnet, und zwar -wie gezeigt - mit
entgegengesetzter Polarität, so daß ein Magnetfeld beispielsweise vom Magneten 58
ausgehend zum Magneten 59 verläuft, und zwar durch das Abschlußteil 24 des Flußelements
3 hindurch, und sodann über einen zwischen dem Abschlußelement 24 und den oberen
Abschnitt 91 des Ankers 9 gebildeten Luftspalt
87 hinweg durch
den oberen Abschnitt 91 hindurch, sodann über den Luftspalt 88 gebildet zwischen
oberem Abschnitt 91 und dem Abschlußteil 28 des Flußleitelements 2 hindurch zum
Magneten 59. Der Rückfluß von dort zum Magneten 58 erfolgt vorzugsweise durch einen
Magnetbügel 54, der die beiden Magnete 58 und 59 miteinander magnetisch verbindet.
Auf diese Weise steht der Anker 9 unter dauennagnetischer Erregung in Querrichtung.
Wenn nun die Steuerspule 30 durch ein elektrisches Eingangssteuersignal erregt wird,
so wird der obere Abschnitt 91 des Ankers 9 entweder ein Nordpol oder ein Südpol
und es tritt infolge der dauermagnetischen Erregung entweder eine Abstoßung oder
eine Anziehung zwischen dem oberen Abschnitt 91 und den Abschlußteilen 24 bzw. 28
auf, was eine Kipp- oder Schwenkbewegung des Ankers 9 um das Rückstellelement 7,
insbesondere dessen Biegeabschnitt 72 gestattet, so daß eine der Größe des elektrischen
Eingangssteuersignals entsprechende mechanische Bewegungsausgangsgröße am Betätigungsende
83 des Ausgangsglieds 8 auftritt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch eine effektivere dauermagnetische
Erregung vorgesehen, die im folgenden beschrieben wird. Weiter unten werden dann
noch weitere Abwandlungen der dauermagnetischen Erregung erläutert. Wie die Zeichnung
deutlich zeigt, sind dauermagnetische Erregungen entsprechend der eben bezüglich
der Magnete 58, 59 beschriebenen Erregungen noch an drei weiteren Stellen des erfindungsgemäßen
Steuermotors 10 vorgesehen. Alle die im folgenden beschriebenen magnetischen Erregungen
sind in gleicher Weise, wenn auch mit entsprechend geänderter Polarität aufgebaut.
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Diametral entgegengesetzt zur dauermagnetischen Erregung 58, 59 sind
an den Seitenwandflächenabschnitten 42 bzw. 44 Magnetplättchen 60 bzw. 61 angeordnet.
Diese Magnetplättchen 60, 61 sind über einen Magnetbügel 55 miteinander verbunden.
Die zu den Seitenwandflächenabschnitten 42, 44 hinweisenden Enden der Magnetplättchen
60, 61 besitzen die gleiche Polarität wie die gegendberliegenden Magnetplättchen
58 bzw. 59, so daß die zum Magnetbügel 55 hinweisenden Flächen der Magnetplättchen
60, 61
entgegengesetzte Polarität aufweisen. Nimmt man an, daß
die zum Seitenwandflächenabschnitt 41 hinweisende Seite des Magnetplättchens 58
einen Nordpol besitzt, so weist auch die zum Seitenwandflächenabschnitt 42 hinweisende
Fläche des Magnetplättchens 60 einen Nordpol auf und in entsprechender Weise hat
das Magnetplättchen 59 seinen Südpol am Seitenwandflächenabschnitt 43 und das Magnetplättchen
61 hat ebenfalls seinen Südpol am Seitenwandflächenabschnitt 44.
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Auch im Bereich des unteren Abschnitts 92 des Ankers 9 sind Magnetplättchen
an den bereits erwähnten Seitenwandflächenabschnitten 45 bis 48 angeordnet, und
zwar handelt es sich hier um die Magnetplättchen 62, 64, 63 und 65. Die durch diese
Magnetplättchen 62 bis 65 erzeugten Magnetfelder verlaufen über Luftspalte 89 und
90 und der magnetische Rückschluß ist wiederum durch Magnetbügel 56 bzw. 57 sichergestellt.
Die Magnetplättchen 62 und 64 haben den Magnetplättchen 58 und 60 entsprechende
Polarität, während die Magnetplättchen 63 und 65 den Magnetplättchen 59 und 61 entsprechende
Polaritäten besitzen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Magnetplättchen ergibt
sich ein außerordentlich starkes dauermagnetisches Feld, das bei Anlegung eines
elektrischen Eingangssteuersignals eine Steuerspule 30 in Wechselwirkung mit dem
dann magnetisierten Anker 9 tritt und eine leistungsfähige Bewegung des Betätigungsendes
83 des Ausgangsglieds 8 bewirkt.
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Die Magnetbügel werden ebenfalls durch die bereits erwähnten Abdeckbleche
66, 67 gehalten, und halten ihrerseits die Magnetplättchen. Bei den Magnetplättchen
handelt es sich vorzugsweise um Kobalt-Samarium-Magnetplättchen. Magnetplättchen
dieser Art sind in der folgenden Literaturstelle beschrieben:VAC(AX (Warenzeichen)-
Magnetplättchen der Fa. VAC, Hanau, Broschüre MO 40 Ausgabe 11, 80.
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Hinsichtlich der Materialien für die verschiedenen Bauteile sei hier
zusammenfassend folgendes bemerkt: Das Ausgangsglied 8 besteht aus antimagnetischem
Material. Der Anker 9 besteht aus weichmagnetischem Material. Die Flußleitelemente
2 und 3 bestehen aus weichmagnetischem Material. Die Magnetbügel 54 bis 57 bestehen
aus magnetisch leitfähigem Material. Das Rückstellelement 7 besteht aus antimagnetischem
Material. Der Sockel 1 und die Deckplatte 5 bestehen aus antimagnetischem Material.
Die Abdeckbleche 66, 67 bestehen aus antimagnetischem, jedoch elektrisch leitendem
Material (z. B. Kupferblech).
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Man erkennt, daß durch den erfindungsgemäßen Aufbau ein Steuermotor
10 geschaffen wird, der vollständig "trocken" ist, d.h.
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es kann kein Ö1, welches etwa von einem Ventil 20 herkommt, in den
Ankerraum des Steuermotors 10 eindringen. 01 kann allenfalls bis in die Bohrung
77 des Rückstellelements 7 vordringen, kommt aber nicht über den Bereich des sich
verjüngenden Mitteil teils 82 des Ausgangsglieds 8 hinaus.
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Fig. 7 zeigt die Verwendung'des erfindungsgemäßen Steuermotors 10
zur Betätigung eines Ventils 20, welches ein Ventilgehäuse 35 aufweist, in dessen
Mittelbohrung ein Schieber 40 axial beweglich angeordnet ist. Der Schieber 40 dient
zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Pumpenanschluß 36 und dem einen
oder anderen der Verbraucheranschlüsse 38, 39. Der Schieber 40 seinerseits wird
in an sich bekannter Weise durch eine Stange 78 betätigt, die mechanisch hin- und
herbewegt werden kann.
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Der Hub der Stange 78 liegt etwa in der Größenordnung von +0,4 mm.
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Erfindungsgemäß ist nun das Ausgangsglied 8 mit seinem Betätigungsende
83 direkt über eine Kupplung 80 mit der Betätigungsstange 78 des Ventils 20 gekuppelt,
und zwar ohne Zwischenschaltung eines bislang üblichen hydraulischen Verstärkers.
Zur Befestigung des Steuermotors 10 am Ventilgehäuse 35 ist ein Anschlußflansch
79 vorgesehen, dessen Mittelbohrung mit der Mittelbohrung des Ventilgehäuses 35
fluchtend angeordnet ist. Die Bohrung des Anschlußflansches 79 ist mit einer Mutter
84 verschlossen,
die zum Zwecke des Anschlusses eines Weggebers
entfernt werden kann.
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Eine Nothandbetätigung für den Steuermotor 10 kann ebenfalls in einfacher
Weise vorgesehen werden. Beispielsweise könnte von oben her durch das Gehäuse 85
und durch die Deckplatte 5 hindurch'ein Verlängerungsstift am Ausgangsglied 8 bzw.
am Anker 9 angebracht werden, wobei dann dieser Stift durch die Deckplatte 5 und
den oberen Teil des Gehäuses 85 hindurch nach außen geführt würde, um dann beispielsweise
unter Zwischenschaltung von Federn betätigbar zu sein.
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Eine Dämpfungsdüse 96 verbindet beide Kolbenendräume 97, 98, die unterschiedliche
Volumen aufweisen, sodaß keine Eigenresonanz auftritt.
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Eine Belüftungsschraube 99 dient zur Sicherstellung einer einwandfreien
Belüftung.