DE3345880C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der JP-OS 10 198/80 bekannten Art.

Bei einem solchen Steuerventil wird ein in einem Gehäuse axial beweglicher Steuerkolben direkt von einem Antrieb getrieben, der aus einem Joch, einem Permanentmagneten und aus einer Spule besteht. Solche Antriebe haben ein gutes Ansprechverhal­ ten, da der bewegliche Teil mit einem geringen Gewicht ausge­ führt werden kann. Diese Eigenschaft macht den Antrieb für den Einsatz in hydraulischen Antriebssystemen, z. B. einem Vibrati­ onstisch, einem Walzwerk oder dergleichen geeignet.

Zur Positionierung des Schiebers dienen als mechanische Vor­ richtung eine Feder und ein Sensor in Form eines Differential­ übertragers. Bei Verwendung einer Feder wird aber das An­ sprechverhalten (etwa 600 Hz) verschlechtert, bei Verwendung eines Sensors treten Schwierigkeiten im Erreichen eines guten Ansprechverhaltens bei über etwa 1 kHz auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil mit verbessertem Ansprechverhalten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgehend von dem gattungs­ gemäßen Steuerventil durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Steuerventil ist es möglich, die Geschwindigkeit und die Verschiebung des Steuerkolbens mit hohem Ansprechvermögen genau festzustellen. Demzufolge ist es möglich, durch Rückkopplung der durch die Detektoren festge­ stellten Werte von Weg und Geschwindigkeit zu einem Hauptsteu­ ersystem die Verstärkung zu erhöhen und das Ansprechverhalten des Systems wesentlich zu verbessern.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen Steuerventils sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbei­ spiel des erfindungsgemäßen Steuerventils und ein Regelkreis für das Steuerventil erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Axialschnitt eines Steuer­ ventils,

Fig. 2 den Axialschnitt einer Einzelheit des Steuer­ ventils der Fig. 1 und

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Regelkreises für das Steuerventil.

Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Steuerventil hat ein Antrieb A einen Magnetkreis, der von einem ersten Joch 1, einem im Joch 1 befestigten ersten Permanentmagneten 2 und einer zylindrischen ersten Spule 3 gebildet wird, die axial beweglich in das Joch 1 eingefügt ist. Die Spule 3 wird von einer Blatt- oder Scheibenfeder 5 ge­ halten, die an einem Gehäuse 6 befestigt ist. Auf eine äußere Umfangs­ fläche eines zylindrischen Abschnittes der Spule 3 ist eine Wicklung 4 gewickelt. Die Spule 3 wird entgegen der Wirkung der Scheibenfeder 5 axial bewegt, wenn ein Steuerstrom durch die Wicklung 4 fließt.

Zusätzlich zu dem einteilig mit dem Joch 1 verbundenen Gehäuse 6 hat ein hydraulischer Abschnitt B eine Buchse 7, die in die inne­ re Umfangsfläche des Gehäuses 6 eingepaßt ist, und einen in der Buchse 7 befindlichen axial verschiebbaren Steuer­ kolben 8. Der Steuerkolben 8 ist mi dem einen seiner beiden Enden (dem rechten in der Zeichnung) an der Schei­ benfeder 5 befestigt, während an seinem anderen Ende (dem linken in der Zeichnung) zwei Magnete 9a und 9b angebracht und im Abstand ne­ beneinander angeordnet sind. Zwischen dem Magnetpaar 9a, 9b ist ein einen magnetischen Widerstand aufweisendes Element 9c mit hoher Empfindlichkeit angebracht, das mit den Magneten 9a und 9b zusammenwirkt, so daß ein Steuerkolben-Ver­ schiebungsdetektor 9 gebildet wird, der einen dritten Magnetkreis darstellt.

Die Scheibenfeder 5, die die Aufgabe hat, eine Rotation des Steuerkolbens 8 zu verhindern und ihn im Ausgangs­ zustand in einer Neutralstellung zu halten, hat eine Federkonstante, die keine nachteilige Wirkung ausübt, wenn der Steuerkolben 8 bewegt wird. Das Gehäuse 6 und die Buchse 7 weisen in ihren Wänden Steueröffnungen 14a und 14b, eine Druckfluidzuführungsöffnung 16a und Druck­ fluidabflußöffnungen 16b und 16c auf, die eine Verbin­ dung einer Fluidkammer 15 mit einer nicht gezeigten Be­ tätigungseinrichtung ermöglichen.

In der ersten Spule 3 des Antriebs A ist ein Steuerkol­ ben-Geschwindigkeitsdetektor 11 angebracht, der einen zweiten Magnetkreis bildet, der aus einem zwei­ ten Joch 11a, einem im Innern des zweiten Joches 11a angeordnten Permanentmagneten 11b und einer zwischen dem zweiten Joch 11a und dem zweiten Permanentmagneten 11b befindlichen zweiten Spule 11c besteht. Die Spule 11c trägt eine um ihren zylindrischen Abschnitt gewickelte Wicklung 11d und ist mit einer Innenfläche eines Zen­ tralabschnittes der ersten Spule 3 des Antriebs A einstückig verbunden. An der Innenfläche des Zentralabschnittes der ersten Spule 3 ist mit einem ihrer beiden Enden eine Schraubenfeder 13 angebracht, die mit dem anderen Ende an einem Neutral­ punkt-Einstellteil 12 des Steuerkolbens 8 befestigt ist, das in Schraubverbindung mit dem ersten und zweiten Joch 1 und 11a und dem ersten und zweiten Permanentmag­ neten 2 und 11b steht.

Es ist demzufolge möglich, durch axiales Bewegen des Neutralpunkteinstellteils 12 zum Einstellen der Feder­ kraft der Schraubenfeder 13 den Steuerkolben 8 axial über die Spule 3 des Antriebs A zu bewegen, und dadurch den Steuerkolben 8 in die Nullpunkt- oder Neu­ tralstellung zu bringen.

Wenn der Antrieb A bei sehr hohen Frequenzen über 1 kHz betrieben werden soll, hat der Steuerkolben 8 einen klei­ nen Durchmesser von etwa 2 bis 5 mm und einen vergrößer­ ten Hub. Die Buchse 7 hat ebenfalls einen kleinen Außen­ durchmesser von etwa 5 bis 15 mm.

Das Steuerventil arbeitet folgendermaßen:

Vor einer Betätigung des Antriebs A wird der Steuerkolben 8 in eine Neutralstellung gebracht. Dazu wird die Feder­ kraft der Schraubenfeder 13 durch Drehen des Neutral­ punkt-Einstellteils 12 verstellt. Dadurch wird der Steuer­ kolben 8 über die Spule 3 axial bewegt, bis die vorste­ henden Teile des Steuerkolbens 8 auf die Öffnungen in der Buchse 7 ausgerichtet sind, wenn die drehende Bewegung des Neutralpunkteinstellteils 12 beendet wird. Diese Stel­ lung des Steuerkolbens 8 wird als seine Neutral- oder Nullstellung bezeichnet. Ist der Steuerkolben 8 in dieser Stellung, wird die Nullstellung des Stellungsde­ tektors 9 elektrisch eingestellt.

Dann wird ein Steuerstrom durch die Wicklung 4 der Spule 3 geschickt. Das verursacht entsprechend der Dreifingerregel eine axial gerichtete Kraft in der Spule 3, da zwischen dem Joch 1 und dem Permanentmagneten 2 ein Magnet­ kreis gebildet wird. Die in der Spule 3 erzeugte Kraft bewegt den Steuerkolben 8 über die Feder 5 axial in der Buchse 7, so daß die Steueröffnungen 14a und 14b abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, um der Betätigungseinrichtung Druckfluid zuzuführen, die ent­ sprechend angetrieben wird. Da Volumen des der Be­ tätigungseinrichtung zugeführten Druckfluids kann, ab­ hängig von der Gesamtöffnung, die durch die in der Buchse 7 befindlichen Öffnungen und den vorstehenden Teilen des Steuerkolbens 8 gebildet werden, variieren.

Bewegt sich der Steuerkolben 8 in der Zeichnung nach links, wird der Betätigungseinrichtung Druckfluid durch die Druckfluidzuführungsöffnung 16a, die Fluidkammer 15 und die Steueröffnung 14b zugeführt. Die Geschwindigkeit des Steuerkolbens 8 und seine Verschiebung können zu diesem Zeitpunkt durch den im Antrieb A angebrachten Ge­ schwindigkeitsdetektor 11 bzw. den im hydraulischen Ab­ schnitt angebrachten Verschiebungsdetektor 9 genau fest­ gestellt werden. Die durch die beiden Detektoren 11 und 9 ermittelten Werte werden dazu benutzt, eine selbsttä­ tige Regelung durch eine Regeleinheit zu bewirken, die im folgenden noch beschrieben wird.

Die im Element 9c des Verschie­ bungsdetektors 9 induzierte Spannung ist proportional zu seinem in das Magnetfeld zwischen den beiden Magneten 9a und 9b eintauchenden Volumen. Dieses eintauchende Vo­ lumen ändert sich mit der Bewegung des Steuerkolbens 8, so daß eine Ausgangsspannung erhalten wird, die propor­ tional zum Weg des Steuerkolbens 8 ist. Theoretisch hängt diese Ausgangsspannung vom Betrag der durch den Magnetfluß bedingten Bewegung der Elektronen ab, so daß das Ansprechverhalten verbessert werden kann. Der Ge­ schwindigkeitsdetektor 11 erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zu der Geschwindigkeit der zweiten Spule 11c ist. Die auf der Spule 11c ange­ brachte Wicklung 11d ermöglicht die Erzeugung einer Ausgangsspannung mit gutem Störabstand.

Der Verschiebungsdetektor 9 kann die Verschiebung des Steuerkolbens 8 genau feststellen, da das zu Schwingungen neigende Element 9c an einer Ab­ deckung 10 befestigt ist und sich nur die Permanentmag­ neten 9a und 9b mit dem Steuerkolben 8 als Einheit bewe­ gen. Diese Anordnung zeigt ein sehr gutes und genaues Ansprechverhalten bei hohen Frequenzen (1 kHz).

Die erste und die zweite Spule 3 bzw. 11c werden von der Scheibenfeder 5 getragen und sind mit dem Neutralpunkt- Einstellteil 12 über die Schraubenfeder 13 verbunden. Das ermöglicht es, den Steuerkolben 8 in seiner Neutralstel­ lung durch Bedienung des Neutralpunkt-Einstellteils 12 zu halten und eine Drehung durch die Scheibenfeder 5 zu ver­ hindern. Die Genauigkeit, mit der der Verschiebungsde­ tektor 9 die Verschiebung des Steuerkolbens 8 feststellt, kann durch die Wirkung der Scheibenfeder 5 erhöht wer­ den. Da die erste und die zweite Spule 3 bzw. 11c als einteiliger Aufbau ausgebildet sind, ist ein genaues, fluchtendes Ausrichten der Spulen 3 und 11c zu den Magneten 2 bzw. 11b möglich.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelkreises des Steuerventils. Wie oben beschrieben, werden eine Geschwindigkeit v und eine Verschiebung x des Steuerkolbens 8 des Steuerventils S durch den Geschwindigkeitsdetektor 11 bzw. den Ver­ schiebungsdetektor 9 gemessen. Die erhaltenen Werte v und x werden in entsprechenden Verstärkern Kv bzw. Kx verstärkt und zum Vergleich mit einer Führungsgröße Xc zur Eingangsseite des Steuerventils S zurückgeführt. Die ermittelte dient als Sig­ nal zur Steuerung der Verschiebung des Steuerkolbens 8 des Steuerventils S. Zur Ansteuerung des Steuer­ ventils S dient ein vom Konstantstrom-Ansteuerverstärker V mit einem guten Ansprechverhalten bzw. einem hohen Frequenzgang. Der Verschiebungsdetektor 9 hat eine hohe Impedanz, so daß das Kabel zur Verbindung des Detektors 9 mit dem Verstärker A sehr kurz sein sollte, oder, wenn möglich, der Verstärker A so nahe wie möglich am Detektor 9 angeordnet sein sollte, um die Impedanz der Zuführung zum Verstärker A zu verändern.

In der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist der Geschwindigkeitsdetektor 11 an der Seite des Steuerkolbens 8 angeordnet, an der sich der Antrieb be­ findet, und der Verschiebungsdetektor 9 an seiner gegen­ überliegenden Seite. Die Position der beiden Detektoren 11 und 9 kann auch vertauscht werden. In diesem Fall werden der Geschwindigkeitsdetektor 11, das Neutralpunkt- Einstellteil 12 und die Schraubenfeder 13 usw. auf die Seite des Steuerkolbens 8 gebracht, die dem Antrieb gegenüberliegt, während die Magneten 9a und 9b und das Element 9c des Verschiebungsde­ tektors 9 auf die Seite des Steuerkolbens 8 gebracht werden, an der sich der Antrieb befindet.

Claims (6)

1. Steuerventil mit

• - einem einen Steuerkolben (8) direkt antreibenden Antrieb (A) mit einer ersten Spule (3) eines ersten Magnetkreises, der von einem ersten Joch (1) und einem am Joch befestigten ersten Magneten (2) gebildet ist,
• - einem an einem Ende des Steuerkolbens (8) angeordneten Steuerkolben-Geschwindigkeitsdetektor (11), der von einem aus einem zweiten Joch (11a) und einem zweiten Magneten (11b) gebildeten zweiten Magnetkreis besteht und,
• - einem Steuerkolben-Verschiebungsdetektor (9),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Steuerkolben-Geschwindigkeitsdetektor (11) eine zweite Spule (11c) enthält,
• - die erste Spule (3) des Antriebs (A) und die zweite Spule (11c) einteilig aufgebaut und fluchtend zueinander ausge­ richtet sind, und
• - sich das zweite Joch (11a) und der zweite Magnet (11b) im Innern des den ersten Magnetkreis bildenden Antriebs (A) befinden.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkolben-Verschiebungsdetektor (9) einen dritten Magnetkreis aufweist, der von dritten Magneten (9a, 9b) und einem magnetischen Teil (9c) gebildet und an dem dem Antrieb (A) gegenüberliegenden Ende des Steuerkolbens (8) angeordnet ist.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkolben-Verschiebungsdetektor (9) zwei Magnete (9a, 9b) enthält, die in einem Abstand nebeneinander an dem dem Antrieb (A) gegenüberliegenden Ende des Steuerkolbens (8) angeordnet sind, und daß zwi­ schen die beiden Magnete (9a, 9b) ein einen magnetischen Widerstand aufweisendes Element (9c) eingeschoben ist.

4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule (3) von einer am Gehäuse (6) des Steuerventils befestigten Scheibenfe­ der (5) getragen und über eine Schraubenfeder (13) mit einem Neutralpunkt-Einstellteil (12) verbunden ist.

5. Steuerventil nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung an der Scheibenfeder (5) zur Verhinde­ rung einer Drehung des Steuerkolbens (8).