DE3533817A1 - Servoventil sowie dafuer geeigneter steuermotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf ein Servoventil mit einem Steuermotor sowie einem hydraulischen Verstärker. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen elektrischen Steuermotor für ein Servoventil.

Servoventile sind bereits seit langem bekannt und dienen dazu, ein kleines elektrisches Eingangssignal analog in ein hydraulisches Ausgangssignal umzuwandeln.

Es sind ferner bereits zahlreiche Bauarten für Steuermotore bekannt. Gemäß einer dieser Bauarten weist der Steuermotor einen plattenförmigen horizontal angeordneten Anker auf, der mit seinen beiden Enden zwischen dauermagnetischen Feldern angeordnet ist. Dabei werden die von einem elastischen Rohr abgelegenen Enden des Ankers durch zwei Steuerspulen mit gleicher magnetischer Polarität erregt, so daß eine Verkippung des Ankers hervorgerufen wird. Die Verkippung des Ankers wird auf eine mit diesem verbundene Stange übertragen, die ihrerseits einen hydraulischen Verstärker steuert. In der DE- OS 33 38 602 wird ein Steuermotor einer Bauart beschrieben, gemäß welcher der Anker eine langgestreckte hohlzylindrische Gestalt besitzt und von einer im Gehäuse des Steuermotors angeordneten Steuerspule umgeben ist. Die mit dem Anker verbundene als Ausgangsglied wirkende Stange kann direkt oder indirekt auf ein hydraulisches Bauteil einwirken.

Die Hin- und Herbewegung des unteren Endes der Stange erfolgt entsprechend dem der Steuerspule zugeführten Steuerstrom. Der Steuerstrom kann je nach der Aufgabe des Steuermotors eine unterschiedliche Frequenz aufweisen, so daß sich für den Steuermotor ein gewisser Frequenzgang ergibt. Nimmt man beispielsweise an, daß die Steuerspule mit einem eingeprägtem Strom von beispielsweise 700 mA versorgt wird, so ergibt sich bei der Frequenz f = 0 maximaler oder 100% Hub, d. h. das untere Ende des Ausgangsglieds überstreicht zwischen seinen beiden Extremstellungen beispielsweise eine Strecke von 0,8 mm, also 0,4 mm zwischen der Mittelstellung und der einen wie auch der anderen Extremstellung. Mit steigender Frequenz nimmt der Hub gegenüber seinem 100%igem Wert ab. Bei einer bestimmten Frequenz kann dann aber abhängig auch von dem hydraulischen System, welches durch das untere Ende des Ausgangsglieds betätigt wird, wieder ein Anstieg des Hubs eintreten, und zwar auf Werte die oberhalb 100% liegen. Absolut ausgedrückt bedeutet dies, daß man beispielsweise statt des maximal erwünschten zulässigen Hubwertes von 0,8 mm einen Hub von 1,5 mm erhält, was die Bauteile des Steuermotors insbesondere auch das den Anker tragende elastische Rohr überlastet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Servoventil bzw. einen elektrischen Steuermotor für ein Servoventil derart auszubilden, daß keine Überlastung der Bauteile auftritt. In der Resonanzfrequenz sollen Anstiege der Hubwerte über den zulässigen Wert hinaus vermieden werden. Ganz allgemein liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Servoventil bzw. bei einem Steuermotor für ein Servoventil vor, daß Dämpfungsmittel im Steuermotor angeordnet werden, die bei bestimmten Frequenzen eine unzulässige Huberhöhung verhindern. Insbesondere sieht die Erfindung vor, daß die Dämpfungsmittel auf die Steuerspule elektrisch einwirken. Erfindungsgemäß sind die Dämpfungsmittel elektrische Bauelemente, welche in den von der Steuerspule gebildeten elektrischen Steuerkreis eingeschaltet sind. Vorzugsweise sind in den von der Steuerspule gebildeten Kreis Induktivitäten und/oder Kapazitäten eingeschaltet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine kurzgeschlosssene Dämpfungsspule benachbart zu einer Hauptspule der Steuerspule angeordnet ist. Das Windungsverhältnis der beiden Spulen ist derart gewählt, daß die erwünschte Dämpfung bei einer bestimmten Frequenz erreicht wird. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Bescheibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig.1 einen schematischen Schnitt durch ein einstufiges Druck-Servoventil mit Steuermotor und hydraulischem Verstärker;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen an sich bekannten Steuermotor mit einer erfindungsgemäßen Steuerspule;

Fig. 3 einen schematischen Schnitt längs Linie 3-3 in Fig. 2, aber nur durch die erfindungsgemäße Steuerspule;

Fig. 4 einen schematischen Schnitt längs Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 den Frequenzgang eines Steuermotors gemäß Fig. 2 mit und ohne die erfindungsgemäßen Dämpfungsmittel.

Fig. 1 zeigt ein einstufiges Druck-Servoventil 100. Das einstufige Druck-Servoventil umfaßt einen elektrischen Steuermotor 1 und einen hydraulischen Verstärker 2. Der aus Permanentmagnet 3, Steuerspulen 4 und Anker 5 mit Prallplatte bestehende Steuermotor 1 wandelt einen kleinen Steuerstrom in eine proportionale Bewegung der Prallplatte um. Der Anker und die Prallplatte sind ein Teil, welches an einem dünnwandigen elastischen Rohr 6 federnd befestigt ist. Das Rohr 6 dichtet gleichzeitig den Steuermotor gegen den hydraulischen Teil ab. Durch ein Stromsignal werden die Steuerspulen 4 erregt und der Anker 5 gegen die Federkraft des Rohres 6 ausgelenkt. Die Auslenkrichtung wird von der Polarität des Eingangsstroms bestimmt. Das auf das Rohr 6 ausgeübte Moment und damit die Auslenkung der Prallplatte ist dem Betrag des Steuerstroms proportional. Bei abgeschaltetem Steuerstrom bringt das als Rückstellfeder wirkende Rohr 6 den Anker 5 und somit auch die Prallplatte wieder in Mittelstellung. Die Umsetzung der Auslenkung der Prallplatte in eine hydraulische Größe erfolgt im hydraulischen Verstärker 2. Als hydraulischer Verstärker wird hier das Düsen-Prallplattensystem verwendet. Man erkennt, daß der Steuerölzulauf vom Anschluß P über ein kleines Schutzfilter 7 zu Festdüsen 8 und weiter zu Regeldüsen 9 erfolgt.

Das Servoventil gemäß Fig. 1 wie auch der dort gezeigte elektrische Steuermotor 1 sind bereits bekannt.

Fig. 2 veranschaulicht im Schnitt eine abgewandelte Ausbildungsform eines elektrischen Steuermotors 101. Der elektrische Steuermotor 101 ist in der DE-OS 33 38 602 im einzelnen beschrieben. Der Steuermotor 101 weist im wesentlichen einen Anker 15 auf, der an einem elastischen Rohr 16 befestigt ist. Das elastische Rohr 16 ist in einem Sockel 17 befestigt. Der Anker 15 kann unter dem Einfluß einer Steuerspule 119 und unter Einfluß von ebenfalls vorhandenen Permanentmagnetmitteln Bewegungen ausführen, die auf ein Ausgangsglied (Stange) 25 übertragen werden. Das untere freie Ende 26 der Stange 25 wird somit zu Hin- und Herbewegungen gegenüber seiner Mittelstellung veranlaßt werden. Das untere Ende 26 wirkt direkt auf ein hydraulisches Bauteil ein oder arbeitet in ähnlicher Weise mit Düsen zusammen, wie dies in Fig. 1 für den dort gezeigten elektrischen Steuermotor 1 veranschaulicht ist. Erfindungsgemäß ist die in einem Gehäuse 18 des Steuermotors 101 sitzende Steuerspule 19 in der noch zu beschreibenden Art und Weise ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung des Betriebsverhaltens des elektrischen Steuermotors insbesondere bei einem Servoventil. Obwohl die Erfindung auch bei einem Steuermotor 1 gemäß Fig. 1 sinngemäß angewandt werden kann, so sei die Erfindung doch im folgenden anhand des Steuermotors gemäß Fig. 2 beschrieben, für den die erfindungsgemäßen Maßnahmen besonders vorteilhaft sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, den elektrischen Steuermotor 101 mit Dämpfungsmitteln derart auszurüsten, daß sich ein störungsfreier Betrieb über einen grossen Frequenzbereich hin ergibt. Die Erfindung sieht dabei Dämpfungsmittel für die Steuerspule 19 vor. Vorzugsweise haben diese Dämpfungsmittel die Form einer Dümpfungsspule 22, die benachbart zu einer Hauptspule 21 angeordnet ist. Bei der Dämpfungsspule 22 handelt es sich vorzugsweise um eine Kurzschlußspule, d. h. die beiden Enden der Dämpfungsspule 22 sind miteinander verbunden, beispielsweise verlötet.

Erfindungsgemäß besteht die Steuerspule 19 aus einer ersten oder Hauptspule 21 und der zweiten oder Dämpfungsspule 22. Hauptspule 21 und Dämpfungsspule 22 sind auf einen Spulenkörper 20 aufgewickelt, wie dies näher in schematischer Weise auch in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist.

Man erkennt, daß auf den im Querschnitt quadratischen Spulenkörper 20 zunächst die Dämpfungsspule 22 aufgewickelt ist. Die Dämpfungsspule 22 hat beispielsweise 40 Windungen, wobei Anfang und Ende miteinander verlötet sind. Auf die Dämpfungsspule 22 ist sodann die Hauptspule 21 aufgewickelt, die beispielsweise 600 Windungen besitzt. Der Widerstand beträgt beispielsweise 9 Ohm. Der Steuerstrom für die Hauptspule 21 ist beispielsweise 700 mA. Die Hauptspule 21 wird von einer nicht gezeigten Quelle eingeprägten Stromes gespeist. Zwischen der Dämpfungsspule 22 und der Hauptspule 21 ist eine Lage aus einer Isolierfolie 23 angeordnet. Die Isolierfolie 23 besteht vorzugsweise aus Polytetraflorethylen. Die Anschlüsse 27 und 28 der Hauptspule 21 sind wie in Fig. 3 gezeigt aus dem Spulenkörper herausgeführt, um mit der bereits erwähnten Quelle eingeprägten Stromes in einem Steuerkreis verbunden zu werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dämpfungsspule 22 unmittelbar benachbart zur Hauptspule 21 im Spulenkörper 20 angeordnet. Allgemein muß die kurzgeschlossene Dämpfungsspule 22 im Bereich der magnetischen Feldlinien der Hauptspule 21 angeordnet sein. Während sich vorzugsweise die Dämpfungsspule 22 (wie dargestellt) in der Hauptspule 21 befindet, so sei bemerkt, daß die Dämpfungsspule 22 auch auf die Hauptspule 21 gewickelt sein könnte. Ferner könnte die Dämpfungsspule 22 auch außen auf den Anker 15 gewickelt sein, und zwar vorzugsweise im Bereich der Hauptspule 21.

Anhand der Fig. 5 (Bode-Diagramm) sei die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Dämpfungsmittel in der Form der Dämpfungsspule 22 erläutert. Die Kurve 50 zeigt den Frequenzgang eines Steuermotors 101 gemäß Fig. 2 allerdings ohne die Dämpfungsspule 22. Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Auslenkung des unteren Endes 26 der Stange 25 von der Frequenz, die logarithmisch aufgetragen ist. Im einzelnen ist mit A(dB) folgendes bezeichnet:

Was die Kurve 50 anlangt, so erkennt man, daß im Bereich einer Frequenz von etwa 300 Hz ein beträchtliches Überschwingen auftritt. Ein solches Überschwingen ist nachteilig, weil dadurch eine starke Beanspruchung des elastischen Rohrs 16 auftritt, welches dadurch über Gebühr beansprucht werden kann, so daß es zu einer Zerstörung des Steuermotors 101 kommt. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Dämpfungsmittel erzielt man einen Frequenzgang gemäß Kurve 51, der deutlich verbesserte Ergebnisse liefert.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Überschwingbereich der Kurve 50 zu beseitigen, was im dargestellten Ausführungsbeispiel durch Dämpfungsmittel in der Form einer Dämpfungsspule 22 erreicht wird. Ganz allgemein ist es natürlich möglich, anstelle der Dämpfungsspule 22 andere frequenzabhängige Bauelement zur Dämpfung der Hauptspule 21 zu verwenden. Beispielsweise können neben Induktivitäten auch Kapazitäten eingesetzt werden.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand des Steuermotors 101 gemäß Fig. 2 erläutert, da dort die Erfindung mit besonderem Vorzug eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich mit geringem Kostenaufwand verwirklichen.

Claims (14)

1. Steuermotor (101) insbesondere für ein Servoventil, wobei der Steuermotor Permanentmagnetmittel, Steuerspulenmittel (19), sowie einen Anker (15) aufweist, der entsprechend dem den Steuerspulenmitteln zugeführten Steuerstrom Bewegungen ausführt, die vom Anker (15) auf ein Ausgangsglied (25) übertragen werden, welches seinerseits mit seinem freien Ende (26) Hin- und Herbewegungen um eine Mittelstellung herum ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, daß frequenzabhängige Dämpfungsmittel (22) in den von den Steuerspulenmitteln (19) gebildeten Steuerkreis eingeschaltet sind.

2. Steuermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel durch eine Kapazität gebildet sind.

3. Steuermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel durch eine Induktivität gebildet sind.

4. Steuermotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspulenmittel eine oder mehrere Steuerspule(n) (19) aufweisen, die von einer oder mehreren Hauptspule(n) (21) und einer oder mehreren Dämpfungsspule(n) (22) gebildet ist (sind).

5. Steuermotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel eine Dämpfungsspule (22) induktiv gekoppelt mit den Steuerspulmitteln aufweisen.

6. Steuermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsspule (22) kurzgeschlossen ist.

7. Steuermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Dämpfungsspule (22) wesentlich kleiner ist, als die Windungszahl der Steuerspule.

8. Steuermotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspulenmittel durch eine einzige Steuerspule (19) gebildet sind, die eine einzige Hauptspule (21) und eine einzige Dämpfungsspule (22) aufweist.

9. Steuermotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsspule (22) in der Hauptspule (21) angeordnet ist.

10. Steuermotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsspule auf der Hauptspule angeordnet ist.

11. Steuermotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsspule auf dem Anker benachbart zur Hauptspule angeordnet ist.

12. Steuermotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsspule (22) als erstes auf den Kern eines Spulenkörpers (20) aufgewickelt ist, von einer Isolierfolie (23) abgedeckt ist, auf die dann die Hauptspule (21) aufgewickelt ist.

13. Servoventil gekennzeichnet durch einen Steuermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

14. Servoventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermotor einen Anker (15) aufweist, der ein elastisches Rohr (16) koaxial umgibt,
und daß eine einzige Steuerspule (19) den Anker (15) ebenfalls koaxial umgibt.