DE3506053A1

DE3506053A1 - Schaltmagnet fuer gleichstrom zum antrieb eines ventilgliedes

Info

Publication number: DE3506053A1
Application number: DE19853506053
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. 8702 Himmelstadt Grimm; Rainer 8773 Frammersbach Imhof; Dieter Dipl.-Ing. 8770 Lohr Morawski
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1985-02-21
Filing date: 1985-02-21
Publication date: 1986-08-21

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltmagnet für Gleich-
strom zum Antrieb der Stellglieder von hydraulischen Geräten mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen.
beispielsweise Die Magnetbetätigung von Ventilen mit zwei Schaltstellungen ist in verschiedenen Ausführungen bekannt. Verwendet werden solche Hubmagnete oder auch Schaltmagnete als Gleichstrom- oder Wechselstrommagnet, die entweder in Luft oder in ö1 schalten ausgeführt sind. Durch Erregung der Magnetspule verschiebt der Anker über einen Stößel den Steuerkolben des Ventils von der einen in die andere Schaltstellung. Da zum Betätigen des Ventils vom Schaltmagneten nur die erforderliche Kraft aufgebracht werden muß, ist die Bauart solcher Schaltmagnete sehr einfach.
Ein besonderer Fertigungsaufwand ist nicht erforderlich, so daß auf genaue Gleitpassungen, reibungsarme Lager, sorgfältige Werkstoffwahl usw. verzichtet werden kann und solche Schaltmagnete entsprechend preiswert im Handel,sind.
Sollen aber komplexe Steuerungsvorgänge eines Verbrauchers gesteuert werden, z.B. Beschleunigung - vorbestimmte Geschwindigkeit - Abbremsen, oder sollen bei einem Druckventil beliebige Drücke abgerufen werden, so erfolgt die Betätigung des betreffenden Stellgliedes durch einen Proportionalmagnet, dessen elektrischer Eingangssignal-Strom sich proportional zu seiner Ausangsgröße, beispielsweise also der erzeugten Magnetkraft und damit proportional zum Durchflußstrom eines Wegeventils oder dem Druck eines Druckventils verhält. Der Proportionalmagnet wandelt also ein elektrisches Eingangssignal in eine proportionale Kraft um. Eine Erhöhung des Stroms bewirkt eine entsprechend höhere Magnetkraft.
Bei den Proportionalventilen unterscheidet man die sogenannten hubgeregelten und die kraftgeregelten Magnete sowie direktbetätigte und vorgesteuerte Ventile.
Beim hubgeregelten Proportionalmagnet wird anstelle der Rückführschleife für dqn Regelverstärker zur Ansteuerung der Magnetspule ein geschlossener Regelkreis vorgesehen. Hierzu ist mit dem Stößel des Magnetankers ein Wegaufnehmer verbunden, so daß die Lage des Ankers und damit des Ventilgliedes als Istwert erfaßt und dem Regelverstärker zugeführt wird. Dadurch wird die Hysterese des Magneten klein gehalten und werden auftretende Strömungskräfte am Ventilglied ausgeregelt. Mit dem hubgeregelten Magnet können beispielsweise Kolben von Wege- und Drosselventilen unmittelbar betätigt und in jede beliebige Hublage gesteuert werden. Der Magnethub ist verhältnismäßig groß und beträgt zwischen 3 bis 5 mm.
Beim kraftgeregelten Proportionalmagnet wird die Magnetkraft durch Veränderung des Stromes in der Magnetspule geregelt. Ein gleichmäßiger Verlauf der Kraftabgabe wird erzielt, indem nur ein Teil des zur Verfügung stehenden Magnethubes genutzt wird und der Magnet einen besonderen konstruktiven Aufbau aufweist. Der Regelverstärker zur Ansteuerung des Proportionalmagneten erhält eine Rückführung, um den Magnetstrom in der Spule und damit die Magnetkraft auch bei Änderung des Magnetwiderstandes konstant zu halten. Wegen des kleinen Hubes werden solche kraftgeregelten Magnete für Vorsteuerventile von Wege-, Druck- und Stromventilen eingesetzt.
Solche Vorsteuerventile können in Verbindung mit elektrisch rückgeführten Stellgliedern in Regelkreisen eingesetzt werden.
Um ein zufriedenstellendes Proportionalverhalten, insbesondere eine kleine Hysterese, zu erhalten, muß für Proportionalmagnete ein erheblicher Bau- und Fertigungsaufwand getrieben werden. Um bei gleichem Strom über einen längeren Hubbereich die Magnetkraft konstant zu halten, muß bei Proportionalmagneten das das innere Ankerende im Bereich der magnetisch nichtleitenden Strecke umgebende Gehäuseteil konisch auslaufen. Dieser Konus muß mit großer Präzision hergestellt werden, um die gewünschte Kennlinie zu erhalten. Außerdem ist eine zentrische Lagerung des Ankers in bezug auf die Magnetwicklung erforderlich, um am Anker auftretende Querkräfte möglichst niedrig zu halten.
Bei den erforderlichen engen Gleitpassungen erhöht sich die Gefahr des Ansetzens von Schmutzteilen, welche zu einem Klemmen des Ankers führen können. Es sollte auch eine Auswahl der Werkstoffe dahingehend erfolgen, daß der werkstoffabhängige Anteil der Hysterese des Ventils klein gehalten wird. Bei dem hohen Fertigungsaufwand für Proportionalmagnete erhöhen sich die Kosten ferner durch die laufende Überwachung der Fertigung und Prüfung der fertiggestellten Magnete.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darin gesehen, zur Regelung eines Stellgliedes eine einfachere Ausführung des verwendeten Elektromagneten vorzusehen.
Erfindungsgemäß wird für die Regelung des Stellgliedes anstelle eines Proportionalmagneten ein einfacher Schaltmagnet für Gleichstrom in Verbindung mit einem geschlossenen Regelkreis verwendet, bei dem die Regelgröße als Istwert mit einem elektrischen Aufnehmer erfaßt und dem Regelverstärker des Regelkreises zugeführt wird, der den Schaltmagnet ansteuert.
Es hat sich gezeigt, daß zur Regelung der Stellglieder beispielsweise von Wege-, Druck- und Stronventilen, insbesondere von Wegeschieberventilen anstelle eines aufwendigen Proportionalmagneten ein sehr einfacher Schalt- magnet Verwendung finden kann, wenn er in einem geschlossenen Regelkreis angeordnet wird. Infolge der Regelung kann der vom Magnet bzw. Ventil auszuführende Zylinderhub sehr genau geregelt werden, die Hysterese ist gering und der Fertigungsaufwand wird wesentlich verringert. Es lassen sich somit erhebliche Kosten einsparen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 einen Schnitt durch einen Schaltmagnet und einen Wegaufnehmer, Figur 2 die Kraft-Hub-Kennlinie eines Schaltmagneten im Vergleich zu einem Proportionalmagneten, Figur 3 einen Schnitt durch ein vorgesteuertes Wegevet'il.
In Figur 1 ist eine Wicklung 1 auf einem Wickelkörper 2 angeordnet, der zwischen den beiden Gehäuseteilen 3 und 4 des Schaltmagneten gehalten ist. Beide Gehäuseteile 3 und 4 begrenzen einen Ankerraum 5, in dem ein Anker 6 vorgesehen ist, dessen Stößel 7 bei 8 und 9 in den Gehäuseteilen verschiebbar gelagert ist. Ebenso ist eine Lagerung am Umfang des Ankers 6 bei 23 und 24 im Ankerraum 5 möglich. Das Gehäuseteil 3 weist eine Befestigung für ein nicht dargestelltes Ventil auf, das von dem Stößel 7 des Ankers 6 betätigt wird. Der Umfang des Ankerraums 5 wird einerseits von einem ringförmigen Flansch 10 des Gehäuseteils 3 und von einer Hülse 11 in Verlängerung des Flaiisches 10 gebildet.
Die Hülse 11 ist über einen Ring in einer Bohrung 12 des Gehäuseteils 4 gehalten. Durch einen aus einem nichtmagnetischen Werkstoff bestehenden Ring 110 an der Hülse 11 werden die bei Erregen der Wicklung 1 in den Gehäuseteilen 3 und 4 erzeugten Kraftlinien dazu gezwungen, daß sie den Anker 6 im wesentlichen in axialer Richtung durchsetzen, womit die größtmögliche Magnetkraft erzeugt wird.
In erkennbarer Weise handelt es sich um einen Schaltmagneten. So sind für die Lager 8 und 9 des Ankerstößels keine besonderen Maßnahmen getroffen, insbesondere sind die aneinander anstoßenden Stirnflächen 1112und 100 des Ringes 110 und Flansches 10 plan ausgebildet im Gegensatz zu einem Proportionalmagneten, bei dem diese Flächen konisch verlaufen, um die in Hubrichtung des Ankers wirkende Kraftkomponente unabhängig von der Hublage des Magneten weitgehend konstant zu halten, wie dies in Figur 2 durch die Kennlinie 20 für den Hub-Kraftverlauf eines Proportionalmagneten dargestellt ist.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Schaltmagnet handelt es sich um einen Gleichstrommagnet, bei dem an der Stirnseite des Ankerraums 6 am Gehäuseteil 3 ein nicht magnetischer Abstandsring 12 eingesetzt ist, um eine vollständige Anlage des Ankers 6 am'Gehäuseteil 3 zu vermeiden.
Der Hub des Ankers 6 wird von einem Wegaufnehmer 14 gemessen. Der Stößel 7 des Ankers ist bei 15 verlängert und erstreckt sich längs der Wicklungen 16 des Wegaufnehmers.
Das Ausgangssignal des Wegaufnehmers 14 stellt die Hublage des Ankers 6 dar und wird als Istwert über die Leitung 17 einem Regelverstärker 18 zugeführt. Der Sollwert für die Hublage wird als elektrisches Signal an einem Potentiometer 19 eingestellt. Der Regelverstärker 18 bildet aus dem Istwert und dem Sollwert für den Hub ein Differenzsignal und gibt als Ausgangssignal ein Stromsignal ab, das der Wicklung 1 zugeführt wird. Sobald das Differenzsignal zu Null geworden ist, hat der Anker 6 die durch den Sollwert bestimmte Hublage erreicht.
In Figur 2 ist die Kraft-Hub-Kennlinie 21 für den in Figur 1 dargestellten Schaltmagneten aufgezeichnet. Es sei angenommen, daß der Ankerstößel 7 das nicht dargestellte Ventilglied entgegen der Kraft einer ebenfalls nicht dargestellten Feder betätigt, deren Kennlinie in Figur 2 mit 22 bezeichnet ist.
Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß die von einem Proportionalmagnet erzeugt Magnetkraft über den gesamten genutzten Bereich des Hubes in etwa konstant ist. Dies wird wie erläutert durch die besondere Ausgestaltung des Luftspaltes eines Proportionalmagneten sowie dessen hoher Fertigungsaufwand insbesondere für die Lager des Ankers erreicht. Der Abstand zwischen der Federkennlinie 22 und der Kraftkennlinie 20 ist jeweils die für die Verschiebung des Ventilgliedes zur Verfügung stehende Magnetkraft.
Im Gegensatz zur Kennlinie 20 verläuft die Hub-Kraftkennlinie 21 eines Schaltmagneten kurvenförmig, so daß die erzeugte Magnetkraft sehr stark davon abhängig ist, welche Hublage der Anker aufweist. So ist bei der Verschiebung aus der Nullage heraus die Anderung der Kraft bei einem bestimmten Hubinkrement verhältnismäßig gering, während in der anderen Endlage die Kraftänderung bei einem bestimmten Hubinkrement verhältnismäßig groß ist.
Der Verstärkungsfaktor der Regelschleife kann also in einem Bereich von beispielsweise 1 bis 10 schwanken, je nachdem in welcher Hublage der Anker steht. Solange aber der Regelverstärker den jeweils erforderlichen Verstärkungsfaktor liefert, ist die Hubregelung mit dem Schaltmagneten ohne Schwierigkeiten zu verwirklichen. Aus Figur 2 ist auch ersichtlich, daß die Kraftkennlinie 21 des Schaltmagnet stets über der Federkennlinie 22 des Ventils liegt, so daß stets eine positive Kraft zum Verschieben des Ventilgliedes vorhanden ist.
Bei dem in Figur 3 dargestellten vorgesteuerten Wegeventil wird anstelle des Ankerhubes der Hub des Steuerkolbens 30 des Hauptventils H von dem Wegaufnehmer 14 erfaßt und dem Regelverstärker 18 als Istwert zugeführt und damit mit Hilfe des Schaltmagneten M für das Vorsteuerventil V die Lage des Steuerkolbens 14 des Hauptventils H entsprechend der Eingabe des Sollwertes S festgelegt.
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Claims

PATENTANSPRUCH Schaltmagnet mit nichtlinearer ansteigender Kraftkennlinie für Gleichstrom zum Antrieb der Stellglieder von hydraulischen Geräten, bestehend aus einem in einer Gehäuseausnehmung als Ankerraum axial verschiebbaren Anker und einer den Ankerraum koaxial umgebenden, auf dem zylindrischen Gehäuse sitzenden Magnetspule, zur Verwendung in Verbindung mit elektrischen Aufnehmern zur Messung physikalischer Größen wie Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Druck und Kraft und einem an dem Aufnehmer angeschlossenen Regelverstärker zur Ansteuerung des Schaltmagneten und Regelung der physikalischen Größe.