DE3527174A1 - Doppeltwirkendes magnetventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Magnetventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits ein Magnetventil beschrieben worden, welches durch Überlagerung der Felder eines Permanentmagneten und zweier Elektromagneten arbeitet. In diesem Magnetventil wird für die Bewegungen Öffnen und Schließen jeweils eine der Magnetspulen mit Strom beaufschlagt. Dadurch bedingt ist eine niedrige, auf die Baugröße bezogene Magnetkraft.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Magnetventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer Verminderung der Baugröße bzw. eine Erhöhung der spezifischen Magnetkraft. Durch die Einführung von Permanentmagneten zwischen die Pole des Elektromagnetkreises wird trotz der Streuung des Magnetflusses im Spalt zwischen Anker und den Polen die volle Magnetflußdichte erreicht. Die Anzahl der Pole kann somit gegenüber bekannten Lösungen erhöht werden. Hierdurch ist eine Reduktion der Masse des Ankers möglich, die Eigenresonanz des Schaltsystems wird angehoben, wodurch die Bewegungsenergie des Ankers in kurzer Zeit vernichtet wird und ein Schwingen und Prellen des Ankers in der Zeit bis zum nächsten Schaltvorgang unterbunden wird. Da radiale Magnetspalte nicht vohanden sind, reduzieren sich bei dem erfindungsgemäßen Magnetventil außerdem die Kräfte in radialer Richtung bei gleichzeitiger Verminderung der Reibungsverluste.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetventils, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetventils.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Zeichnung dargestellte Magnetventil befindet sich in einem zweiteilig aufgebauten Gehäuse, bestehend aus einem topfförmigen Ventilgehäuse 1 und einem flachen Gehäuseboden 2. Im Gehäuse befinden sich, symmetrisch zur Mittelachse des Magnetventiles angeordnet, mindestens zwei Magnetspulen 3. Alternativ ist jede andere, gerade Zahl von Magnetspulen 3 möglich. In den Fig. 1 und 2 ist eine Ausführungsform mit vier Magnetspulen 3 dargestellt, die annähernd der gleichen Abstand zueinander haben. Jede dieser Magnetspulen 3 umschließt einen parallel zur Mittelachse des Magnetventiles verlaufenden Kern 4 aus weichmagnetischem Material, welcher über je einen radial verlaufenden Steg 5 mit je einem ebenfalls parallel zur Mittelachse verlaufenden ersten Polteil 6 verbunden ist. Kern 4, Steg 5 und erstes Polteil 6 bilden einen weichmagnetischen ersten Leitkörper 16, der U-förmig ausgebildet mit dem ersten Polteil 6 je eine Magnetspule 3 auf ihrer der Mittelachse des Magnetventiles zugewandten Seite zumindest teilweise umgreift. Die um die Mittelachse des Magnetventiles gruppierten ersten Polteil 6 bilden zusammen einen ersten Polkörper 7 mit vorzugsweise zylindrischem Mantel. An der dem Steg 5 abgewandten Seite jedes Kerns 4 liegt mit einem Anlageabsatz 35 je ein zweiter Leitkörper 36 an und umgreift teilweise mit einem zweiten Polteil 37 jede zugeordnete Magnetspule 3 auf ihrer der Mittelachse des Magnetventiles zugewandten Seite. Die zweiten Polteile 37 sind mit axialem Abstand zu diesen auf die ersten Polteile 6 ausgerichtet und bilden zusammen einen zweiten Polkörper 8 mit vorzugsweise zylindrischem Mantel. Erster Polkörper 7 und zweiter Polkörper 8 weisen jeweils eine koaxiale, durchgehende Bohrung 9 bzw. 10 auf. Die Bohrung 10 im zweiten Polkörper 8 nimmt einen koaxial zum Ventilgehäuse 1 in den Innenraum des Ventilgehäuses 1 ragenden und am Ventilgehäuse 1 angebrachten Zapfen 11 auf. In der Bohrung 9 des aus den Polteilen 6 bestehenden ersten Polkörpers 7 wird ein zylindrischer Ventilkörper 12, beispielsweise durch an dem Umfang des Ventilkörpers 12 befestigte Nasen 13, geführt. Der zwischen Bohrung 9 des ersten Polkörpers 7 und dem Ventilkörper 12 gebildete Ringspalt 20 dient dem bei Verdrängung durch einen Magnetanker 14 auftretenden Zu- und Abfließen des Fluides, etwa bei Verwendung des Magnetventils in der Steuerung der Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine. Dieser Magnetanker 14 hat die Form einer Scheibe, deren Stirnkreisflächen etwa gleich groß sind wie die ihr zugewandten Stirnflächen der Polkörper 7 und 8. Die Dicke des Magnetankers 14 ist geringer als der axiale Abstand zwischen den Polkörpern 7 und 8, wodurch sich zwischen Magnetanker 14 und erstem Polkörper 7 einerseits und Magnetanker 14 und zweitem Polkörper 8 andererseits jeweils ein Luftspalt bildet. Ventilkörper 12 und Magnetanker 14 sind dergestalt miteinander verbunden, daß bei einem Anliegen des Ventilkörpers 12 am Zapfen 11 ein Spalt 15 zwischen zweitem Polkörper 8 und Magnetanker 14 verbleibt. Bei entgegengesetzt gerichteter Bewegung des Magnetankers 14 auf den ersten Polkörper 7 zu liegt der Ventilkörper 12 mit einem Schließkopf 38 an einem mit dem Schließkopf 38 zusammenwirkenden und durch die Öffnung einer koaxialen Bohrung 17 in dem Gehäuseboden 2 gebildeten Ventilsitz 18 an. In diesem Fall verbleibt ein Spalt 19 zwischen Magnetanker 14 und erstem Polkörper 7.

Den Aufbau des ersten Polkörpers 7 zeigt Fig. 2 (gilt aus Symmetriegründen ebenfalls für Polkörper 8). Der zylindrisch aufgebaute erste Polkörper 7 gliedert sich bei der beispielsweise dargestellten Ausführungsform mit vier Magnetspulen 3 in vier ersten Polteile 6 sowie vier Permanentmagnete 21.

Die ersten Polteile 6 besitzen annähernd die Querschnittsform eines Kreisausschnittes in Form eines Viertelkreises mit Flachseiten 40, wobei die einander zugewandten Flachseiten 40 jeweils zweier benachbarter erster Polteile 6 mit Abstand zueinander verlaufen und zwischen diesen Flachseiten 40 jeweils einer der flachen Permanentmagnete 21 dergestalt eingelassen ist, daß die vier kreisausschnittförmigen ersten Polteile 6 und die vier Permanentmagneten 21 zusammengefaßt einen geschlossenen kreisförmigen Querschnitt ergeben. Die Anordnung der ersten Polteile 6 und Permanentmagnete 21 ist dabei dergestalt, daß die den kreisförmigen Umfang des ersten Polteils 6 und zugleich einen Teil des Außenmantels des zylinderförmigen ersten Polkörpers 7 bildende Fläche 22 jedes ersten Polteils 6 auf den mit dem jeweiligen ersten Polteil 6 zusammenwirkenden Kern 4 gerichtet ist.

Wie schon angedeutet, bezog sich die vorangestellte Beschreibung auf ein Magnetventil mit vier Magnetspulen 3. Bei Realisierung einer anderen, ganzzahligen Zahl von Magnetspulen ändern sich in gleicher Weise die Zahl von Kernen 4, ersten Polteilen 6, Permanentmagneten 21 und Stegen 5. Außerdem ändert sich die dargestellte näherungsweise Viertelkreis- Form der ersten Polteile 6 in eine näherungsweise Halbkreis-, Sechstelkreis- usw. -Form.

Die Permanentmagnete 21 sind so gepolt, daß Nord- und Südpol eine Permanentmagneten 21 zu je einer Fläche 40 benachbarter erster Polteile 6 ausgerichtet und an dieser anliegend verlaufen. An den Flächen 40 jedes ersten Polteiles 6 liegen jeweils gleichnamige Magnetpole der benachbarten Permanentmagnete 21 an. Jedes zwischen je zwei benachbarten Permanentmagneten 21 liegende erste Polteil 6 erhält dadurch eine dauernde homogene Magnetisierung, welche der Magnetisierung der Flächen der seitlich anliegenden Permanentmagnete 21 entspricht. Die Zahl der als Südpol magnetisierten ersten Polteile 6 und der als Nordpol magnetisierten ersten Polteile 6 ist gleich.

Der zweite Polkörper 8 ist wie der erste Polkörper 7 aufgebaut und liegt diesem spiegelbildlich gegenüber, so daß die Polung einander gegenüberliegender Permanentmagnete 21 gleichnamig ist.

Im Gehäuseboden 2 ist ein Fluidströmungskanal 32 ausgebildet, welcher in eine den Ventilkörper 12 im Bereich des Schließkopfes 38 umgebende Kammer 33 mündet. Die Kammer 33 geht über den Ventilsitz 18 in die Bohrung 17 über.

Die elektrische Ansteuerung der Magnetspulen 3 erfolgt nun in der Weise, daß je zwei sich gegenüberliegende Kerne 4 die gleiche Richtung des induzierten Magnetflusses und je zwei einander benachbarte Kerne 4 die entgegengesetzte Richtung des induzierten Magnetflusses aufweisen. In Verbindung mit den durch die Permanentmagnete 21 erzeugten Magnetfelder in den ersten und zweiten Polkörpern 7 und 8 bewirkt die Ansteuerung der Magnetspulen 3 mit Strom bestimmter Polarität eine Änderung des magnetischen Flusses in den axialen Luftspalten 15, 19 am Magnetanker 14 und damit entweder eine Verstärkung des magnetischen Flusses in Spalt 15 und eine Abschwächung in Spalt 19 oder umgekehrt. Magnetanker 14 und Ventilkörper 12 reagieren darauf entweder mit einer Bewegung in Richtung auf den zweiten Polkörper 8 oder mit einer Bewegung in Richtung auf den ersten Polkörper 7 zu.

Die erforderliche magnetische Induktion der Permanentmagnete 21 errechnet sich wie im folgenden dargelegt.

Bezeichnet man mit B _P die Stärke des Permanentmagnetfeldes und mit B _E die Stärke des elektromagnetischen Feldes, so gilt für die Kraft auf den Magnetanker 14 mit der Konstante C:

wobei beispielsweise die erste Klammer der Kraft in Spalt 15, die zweite Klammer der Kraft in Spalt 19 entspricht. Damit erhält man bei Anwendung der binomischen Lehrsätze

Für die beim Weicheisenmagneten erzeugte Kraft gilt:

Vergleicht man die Gleichungen (2) und (3), so ergibt sich, daß für

die Kraft F auf den Magnetanker 14 größer wird als die Kraft F _E des Weicheisenmagneten und somit durch Überlagerung des Permanentmagnetfeldes eine Verstärkung der auf den Magnetanker 14 wirkende Kraft eintritt.

Die oft wichtigere Nettokraft Δ F wird nach (2) wegen der Umpolbarkeit von B _E und damit von F schon ab

größer.

Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Magnetventils läßt sich wie folgt veranschaulichen; betrachtet werden sollen dabei die im unteren Teil des Magnetventiles nach Fig. 1 wirkenden magnetischen Kräfte zwischen dem ersten Polkörper 7 und dem Magnetanker 14. Zur besseren Verständlichkeit sind jene ersten Polteile 6 des ersten Polkörpers 7, welche durch die Wirkung der Permanentmagnete 21 zu Südpolen werden, mit 25 bezeichnet und jene ersten Polteile 6 des ersten Polkörpers 7, welche durch die Wirkung der Permanentmagnete 21 zu Nordpolen werden, mit 26 bezeichnet.

Werden die Magnetspulen 3 in der Weise mit Strom durchflossen, daß sich infolge des elektromagnetischen Flusses die Polteile 26 ebenfalls als Nordpole und die Polteile 25 ebenfalls als Südpole ausbilden, so findet durch Überlagerung mit der durch die Permanentmagnete 21 festgelegten Polcharakteristik eine Verstärkung des magnetischen Flusses im Spalt 19 statt. Dies führt zu einer Kraft auf den Magnetanker 14 in Richtung auf den ersten Polkörper 7 zu und damit zu einem Schließen des Ventilsitzes 18 durch den Schließkopf 38.

Werden die Magnetspulen 3 in der Weise mit Strom durchflossen, daß sich die Polteile 25 infolge des elektromagnetischen Flusses als Nordpole und die Polteile 26 als Südpole ausbilden, so findet durch Überlagerung mit der durch die Permanentmagnete 21 festgelegten Polcharakteristik eine Abschwächung des magnetischen Flusses im Spalt 19 statt.

Die vorangestellte Beschreibung des Arbeitsprinzips bezog sich nur auf die magnetische Kraftwirkung in Spalt 19. Da die Lage und Polung der Permanentmagnete 21 innerhalb des oberen, dem Ventilsitz 18 abgewandten zweiten Polkörpers 8 gleich ist wie innerhalb des ersten Polkörpers 7, findet ein Einfluß der auf den Magnetanker 14 wirkenden Kräfte dergestalt statt, daß, wenn sich die Kräfte von permanentem und elektrischem Magnetfeld im ventilseitigen Spalt 19 überlagern und somit verstärken, gleichzeitig eine Subtraktion der Kraftwirkung der beiden Magnetfelder im ventilabgewandten Spalt 15 eintritt und umgekehrt. Man kann insofern von einer doppelten Kraftwirkung bzw. einem doppeltwirkenden Magnetventil sprechen.

Eine besonders vorteilhaft aufgebaute Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils mit vier Magnetspulen 3 zeigt Fig. 3. Die gegenüber Fig. 1 und Fig. 2 gleichwirkenden Einzelteile sind hierbei durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Vorteilhaft ist insbesondere der einfache Aufbau des ersten Polkörpers 7 (gilt auch hier in gleicher Weise für den zweiten Polkörper 8). In diesen auch hier vorzugsweise zylindrisch geformten ersten Polkörper 7 sind zwei flache Permanentmagnete 29 mit ihren Flachseiten parallel zueinander liegend in der Weise eingelassen, daß sie jeweils in gleichem Abstand zur zentralen Längsachse des Magnetventils liegen. Zweckmäßigerweise ist der Abstand der beiden Permanentmagnete 29 voneinander gleich oder größer als der Durchmesser der Bohrung 9, welche den Ventilkörper 12 aufnimmt. Ist der Abstand der beiden Permanentmagnete 29 größer als der Durchmesser der Bohrung 9, dann wird durch die beiden Permanentmagnete 29 der zylindrische erste Polkörper 7 symmetrisch in zwei, die Querschnittsform eines Kreisabschnittes aufweisende erste äußere Polteile 30, 34 und ein erstes zentrales Polteil 31 unterteilt. Für den Grenzfall, daß der Abstand zwischen beiden Permanentmagneten 29 gleich ist dem Durchmesser von Bohrung 9, wird das erste zentrale Polteil 31 in zwei selbständige, zur zentralen Längsachse symmetrische Hälften geteilt.

Die flachen Permananetmagnete 29 sind in der Weise magnetisch induziert und eingebaut, daß die einander zugewandten, Pole bildenden Flachseiten jeweils die gleiche Polung aufweisen. Ebenfalls die jeweils gleiche Polung weisen die nach außen gerichteten Flachseiten der Permanentmagnete 29 auf. Die Verbindung zwischen den Kernen 4 und den mit ihnen zusammenwirkenden ersten äußeren Polteilen 30, 34 bzw. dem ersten zentralen Polteil 31 wird in gleicher Weise wie bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel in einem U-förmigen ersten Leitkörper 16 hergestellt. Die Permanentmagnete 29 sind dergestalt im ersten Polkörper 7 eingelassen, daß ihre Flachseiten parallel zu jenen zwei ersten Leitkörpern 16 verlaufen, welche das erste zentrale Polteil 31 enthalten.

Vorteil der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetventils ist die Verwendung lediglich zweier Permanentmagnete 29 bei gleicher Wirkungsweise wie sie bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 2 mit vier Permanentmagneten 21 erreicht wird.

Claims (3)

1. Magnetventil mit einem Anker, mindestens zwei Magnetspulen mit je einem jeder Magnetspule zugeordneten Leitkörper aus ferromagnetischem Material sowie mit mindestens einem an jedem Leitkörper angreifenden Permanentmagneten, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (3) symmetrisch zur Mittelachse des Magnetventiles in einer senkrecht zur Mittelachse des Magnetventiles liegenden Ebene angeordnet sind und jede Magnetspule (3) je einen Kern (4) umschließt, der Bestandteil je eines ersten Leitkörpers (16) ist, welcher, U-förmig ausgebildet, über einen am Kern (4) angreifenden, radial zu Mittelachse des Magnetventils führenden Steg (5) sowie ein am Steg (5) angreifendes, die Magnetspule (3) teilweise an ihrer der Mittelachse zugewandten Seite umgreifendes erstes Polteil (6) verfügt, welches seinerseits zusammen mit allen anderen ersten Polteilen (6) und mit zwischen diesen ersten Polteilen (6) eingelassenen Permanentmagneten (21) einen ersten Polkörper (7) bildet, in welchem die ersten Polteile (6) symmetrisch um die Mittelachse angeordnet sind und in welchem zwischen einander zugewandten Flächen (40) jeweils zweier benachbarter erster Polteile (6) jeweils ein, mit seinen Polen an den zugewandten Flächen (40) der benachbarten ersten Polteile (6) anliegender Permanentmagnet (21) eingelassen ist und in welchem die jeweils dem gleichen ersten Polteil (6) zugewandten Flächen der anliegenden Permanentmagnete (21) die gleiche Polung aufweisen, wobei koaxial in dem ersten Polkörper (7) ein Ventilkörper (12) gleitend gelagert und mit einem Magnetanker (14) unter Bildung eines ersten Luftspaltes (19) gegenüber dem ersten Polkörper (7) verbunden ist und sich andererseits des Magnetankers (14) zwischen dem Magnetanker (14) und einem zweiten, spiegelbildlich zum ersten (7) liegenden Polkörper (8), welcher in gleicher Weise wie der erste Polkörper (7) aus Permanentmagnete (21) umschließenden und durch zweite Leitkörper (36) über Stege (5) mit den Kernen (4) verbundenen zweiten Polteilen (37) besteht, ein zweiter Luftspalt (15) befindet.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Magnetspulen (4) vorgesehen sind und erster Polkörper (7) sowie zweiter Polkörper (8) jeweils zwei, jeweils mit einem Kern (4) verbundene und zusammenwirkende erste bzw. zweite äußere Polteile (30, 34) aufweisen, welche mit ihren parallel zueinander verlaufenden Flachseiten ein weiteres, mit zwei einander gegenüberliegenden Kernen (4) verbundenes und zusammenwirkendes erstes bzw. zweites zentrales Polteil (31) umgeben und daß zwischen den einander zugewandten Flachseiten von ersten bzw. zweiten äußeren Polteilen (30, 34) und erstem bzw. zweitem zentralem Polteil (31) jeweils ein, mit seinen Polen an den zugewandten Flachseiten der benachbarten Polteile (30, 31, 34) anliegender Permanentmagnet (29) eingelassen ist, dessen Polung symmetrisch zum jeweils anderen Permanentmagneten (29) ist.

3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (12) bei Anliegen an einem gehäusefesten Anschlag (11) einen ersten Endpunkt der Bewegung des Magnetankers (14) definiert und daß der Ventilkörper (12) im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz (18) einen zweiten Endpunkt bei der Bewegung des Magnetankers (14) definiert.