DE3641023A1 - Einstufiges elektrohydraulisches servoventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein einstufiges Servo­ ventil mit einem elektromagnetischen Stellantrieb, der Feldwicklungen und einen Anker aufweist, welcher mit dem Steuerschieber des Servoventils verbunden ist.

Servoventile machen teilweise hohe Stellkräfte erfor­ derlich, die häufig hydraulisch, durch eine Vorsteuerstufe, aufgebracht werden. Bekannt ist auch die Anwendung von elektromagnetischen Betätigungselementen, beispielsweise Drehmomentmotoren. Nachteilig ist dabei die Notwendigkeit der Umformung der Drehbewegung in eine Längsbewegung im Falle der Steuerung eines Servoventils mit längs bewegtem Schieber. Solche Schieber können auch durch Elektromagnete bewegt werden, jedoch sind diese außerordentlich voluminös. Dies gilt auch für Linearmotoren, bei denen nur der Hubbe­ reich ausgenutzt wird, in welchem Ankerkraft und Ankerweg einander annähernd proportional sind. Wenn der Linearmotor im nichtlinearen Bereich betrieben wird, können zwar die Stellkräfte im Verhältnis zum Bauvolumen vergrößert werden, jedoch macht die Nichtlinearität dieser Stellkräfte Schwierigkeiten bei der richtigen Steuerung des Servo­ ventils.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einstufiges Servoventil mit elektromagnetischem Stell­ antrieb zu schaffen, der sich für hohe Stellkräfte - im Vergleich zu seinem Bauvolumen - eignet.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Stellantrieb ein Linearmotor ist, dessen Ankerkraft progressiv zum Ankerweg ist, und daß auf den Anker oder den Steuerschieber Federelemente einwirken, deren Rück­ stellkraft zum Verschiebeweg so progressiv ansteigt, daß die Rückstellkraft am Anker proportional zum Ankerweg ist.

Auf diese Weise gelingt es, ausgehend von einer Nullposition des Ankers bzw. des Steuerschiebers den Verschiebeweg propor­ tional zur Erregung zu halten.

Die Federelemente können als membranartige Platten ausgebildet sein, von denen wenigstens die äußeren Ränder oder die inneren Ränder eingespannt sind. Je mehr Platten­ rand eingespannt ist, umso progressiver nimmt die Federkenn­ linie zu. Gegebenenfalls können beide Plattenränder einge­ spannt sein. Die membranartigen Platten werden zweckmäßig als Kreisscheiben oder Kreisringe ausgebildet.

Der Linearmotor enthält Dauermagnete die man zweckmäßig so anordnet, daß diese vom Magnetfluß infolge der Feldwicklungen weitgehend frei bleiben. Hierzu kann man den oder die Dauermagnete im Anker anordnen, wobei die Magnetpole axial ausgerichtet sind. Der Linearmotor kann auch mit radial magnetisiertem Dauermagneten ausge­ führt sein. Schließlich ist es auch möglich zwei Dauermag­ nete mit einem Spulenkreis zu kombinieren.

Beim Zusammenbau von Linearmotor und Servoventil können sich Fluchtungsfehler und Zentrierungsprobleme ergeben. Aus diesem Grund ist zur Verbindung von Anker und Steuerschieber ein Betätigungsglied vorgesehen, das eine Hülse und eine biegeweiche Stange enthält, die mit Abstutz­ stellen innerhalb der Hülse versehen ist. Die biegeweiche Stange vermeidet die Einleitung von Klemmkräften in dem Steuerschieber, auch wenn unvermeidliche Montageungenauig­ keiten vorliegen sollten. Das Abknicken der Stange wird durch die Abstützstellen - praktisch Ringbunde an der Stange - verhindert. Die Hülse ist zweckmäßigerweise Teil des Ankers, so daß keine Vergrößerung der Baulänge des Servoventils mit dem klemmfreien Stellantrieb gegeben ist.

Der Anker wird zweckmäßig mittels Führungs­ scheiben pendelnd in dem Stellantriebsgehäuse gelagert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein einstufiges Servoventil mit seinem Stell­ antrieb im Längsschnitt,

Fig. 2 ein Kraft-Weg-Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung,

Fig. 3 eine erste abgewandelte Ausführungsform des Linearmotors im Längsschnitt,

Fig. 4 eine zweite abgewandelte Ausführungsform und

Fig. 5 eine dritte abgewandelte Ausführungsform.

Das in Fig. 1 dargestellte elektrohydraulische Servoventil weist einen hydraulischen Teil 1 und einen elektrischen Teil 2 auf. Der hydraulische Teil 1 beinhaltet ein Gehäuse 3 mit beispielsweise vier Anschlußöffnungen und einen Steuerschieber 4 mit Steuerhülse 5. Die Lage des Steuerschiebers 4 kann über einen Wegsensor 6 abge­ tastet werden, dem eine Buchse 7 zugeordnet ist. Eine Stromzuführungsbuchse 8 ist noch im Gehäuse 3 angebracht, das muffenartig mit einem Gehäuse 9 des elektrischen Teils 2 gekoppelt ist. Dieser enthält einen Dauermagneten 10, zwei Doppelspulen 11 und 12, einen mehrteiligen Anker 13, Flußleitungs-Polstücke 14 bis 17, flexible Führungs­ scheiben 18 sowie eine Hülse 19 und eine biegeweiche Stange 20, die zusammen ein Betätigungsglied bilden. Der Anker 13 enthält im wesentlichen zwei Ankerscheiben 21, 22 und einen Ankerkern 23, die mittels Abstandshülsen 24, 25, 26 unter Zwischenklemmen der Führungsscheiben 18 auf der Hülse 19 aufgeschoben und dort befestigt sind. Die radial äußeren Ränder der Führungsscheiben 18 sind am rohrförmigen Gehäuse 9 befestigt, so daß die Teile 19 bis 26 im Inneren des Gehäuses 9 pendelnd aufgehängt sind, d. h. das Betätigungsglied 19, 20 entlang der Geräteachse verschoben werden kann. Die Führungsscheiben 18 stellen zwar Feder­ elemente dar, ihre Federkraft ist jedoch gering und kann praktisch außer Betracht bleiben.

Das Gehäuse 9 ist mit dem Betätigungsglied 19, 20 noch über Rückstellfederelemente 30 verbunden, die relativ steif sind und eine progressiv ansteigende Feder­ kennlinie (Fig. 2) aufweisen. In der Praxis handelt es sich um Kreisringe 31, 32, deren innerer Rand unter Ver­ wendung einer Abstandsscheibe 33 und einer Spannmutter 34 an dem Teil 26 befestigt ist, während der äußere Rand unter Verwendung von Scheiben 35 bis 38 und Schrauben 39 an dem Gehäuseteil 9 eingespannt und befestigt ist. Die passende Wahl der Dicke der Unterlegscheite 38 ermöglicht es, den Anker 13, axial mittig, zu den Magnetfluß-Polteilen 14 bis 17 auszurichten, ohne daß die Rückstellfederelemente 30 gespannt sind.

An dem Teil 26 ist ferner eine Einstellein­ richtung 40 für den Nullpunkt des Steuerschiebers 4 ange­ bracht. Die Stelleinrichtung 40 besteht aus einer Mutter 41 und einer Stellschraube 42 die auf das Ende der bieg­ samen Stange 20 einzuwirken vermag, um diese in axialer Richtung gegenüber der Hülse 19 zu verstellen. Die flexible Stange 20 ist bei 44 mit dem Steuerschieber 4 verbunden, so daß dieser über die Stange 20 in seine Null­ stellung gebracht werden kann.

Zwischen den vier Flußleitungs-Polstücken 14 und 17 einerseits und den Ankerscheiben 21, 22 andererseits wer­ den vier radiale Luftspalte 51 bis 54 gebildet. Wenn das Betätigungsglied 19/20 in der Zeichnung nach links ver­ schoben wird, verkleinern sich die Spalte 51 und 53, während sich die Spalte 52 und 54 vergrößern. Bei der Be­ wegung nach rechts vergrößern sich die Spaltweiten 51 und 53 und verkleinern sich die Spalte 52 und 54. Durch den Dauermagneten 10 werden die Teile 14 bis 17 und 21 bis 23 von einem Magnetfluß durchsetzt, der in der Nullpunkt­ stellung des Ankers 13 mit symmetrisch großen Luftspalten 51 bis 54 zu einem labilen Gleichgewicht der Ankerstellung 13 führt. Wird demnach der Anker 13 bei stromlosen Spulen 11 und 12 verschoben, so ändern sich die Leitwerte der einzelnen Luftspalte 51 bis 54 und damit die Flußdichte in diesen Luftspalten. Da die Flußdichte mit quadratischer Abhängigkeit in die Gleichung für die Anziehungskraft der Grenzflächen des Luftspaltes eingeht, wird eine Kraft erzeugt, die den Anker weiter auszulenken trachtet.

Die Verhältnisse sind in Fig. 2 dargestellt, wobei die Abszisse die Verschiebung des Ankers 13 und die Ordinate die einwirkende Kraft F bedeuten. (Positive Kräfte ziehen den Anker nach rechts und negative Kräfte nach links.) In der Mittenstellung ist der Anker 13 bei strom­ losen Spulen 11, 12 kräftefrei.

Die Auslenkung des Ankers 13 aus seiner Mittel­ stellung in die eine oder andere Richtung kann durch Erregen der Magnetspulen 11 und 12 in die eine oder andere Richtung bewerkstelligt werden. Dabei wird die strich­ punktiert dargestellte Magnetkraftresultierende in Fig. 2 im wesentlichen parallel in Richtung der Ordinate - nach oben für eine Bewegung des Ankers nach rechts und nach unten für eine Bewegung nach links - verschoben. Dies führt zur Erzeugung von Rückstellfederkräften, die der Magnetkraftresultierenden entgegenwirken und zur gewünsch­ ten proportionalen Rückstellkraft des Ankers führen.

Die Rückstellfederkräfte 30 haben eine progres­ sive Federcharakteristik, die eine Form gemäß dem Spiegel­ bild der Magnetkraftresultierenden hat, jedoch etwas steiler verläuft. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Auslenkung s des Ankers 13 proportional zum angelegten Strom in den Spulen 11 und 12 ist.

In Fig. 3 ist eine Variante des magnetischen Teils 2 des elektrohydraulischen Servoventils schematisch darge­ stellt. Soweit bauliche Übereinstimmung oder Korrespondenz besteht, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. An der räumlichen Stelle der Teile 10, 15, 16 tritt ein Flußleitungspolstück 60 und an die örtliche Stelle des Teils 23 tritt ein Dauermagnet 61 mit axial angeordneten Polen. Der Dauermagnet 61 ist ringförmig ausgebildet; er kann jedoch auch scheibenförmig sein, wenn man das Betäti­ gungsglied 19/20 kürzer ausbildet. Wie ohne weiteres er­ sichtlich, wird dieser Dauermagnet 61 praktisch nicht vom Magnetfluß infolge der Magnetspulen 11 und 12 durchsetzt. Der hohe magnetische Widerstand des Dauermagneten geht deshalb nicht in den Kraftflußkreis der Elektromagnete 11 und 12 ein.

In Fig. 4 ist eine weitere Variante zu diesem Thema gezeigt. Funktionsgleiche Teile tragen wiederum das glei­ che Bezugszeichen wie zuvor. Statt des Teils 60 tritt nun ein Flußleitungs-Polstück 63, welches einen radial magne­ tisierten Dauermagneten 64 trägt. Der Anker 13 besteht einheitlich aus flußleitendem Material ohne Einbezug eines Dauermagneten. Die Gestalt der Flußleitungspolstücke 14 und 17 sowie des Ankers 13 ist leicht verändert, so daß die Luftspalte 51 bis 54 räumlich verändert angeordnet sind. Wie im Fall der Fig. 3 gilt jedoch, daß der Magnet­ fluß infolge der Spulen 11 und 12 nicht durch den Dauer­ magneten 64 hindurchtritt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante, bei der die beiden Spulen durch eine einzige Spule 65 ersetzt sind. In diesem Fall sind zwei Dauermagnete 66, 67 vorgesehen, deren Flußleitungs-Polstücke mit 68 und 69 bezeichnet sind, während die gemeinsamen Flußleitungs-Polstücke die Bezugszeichen 70 und 71 tragen. Bei Erregen der Spule 65 schließt sich der magnetische Fluß über die Luftspalte 52 und 53 und durchsetzt die Teile 70, 21, 23, 22, 71, so daß wiederum die Dauermagnete 66 und 67 ausgespart bleiben.

Wie in Fig. 1, 3, 4 und 5 dargestellt, sind zwischen der Hülse 19 und der biegeweichen Stange 20 Abstützstellen 20 a gebildet, die zweckmäßigerweise durch Ringbunde an der biegeweichen Stange 20 realisiert werden. Wenn die biegeweiche Stange 20 infolge des auf sie ausge­ übten Drucks eine Tendenz zum seitlichen Ausweichen oder Ausknicken entwickeln sollte, so legen sich die Bunde 20 a gegen die Innenoberflache der Hülse 19 an und bilden auf diese Weise eine Abstützung, die das Ausknicken verhindert. Andererseits ist die von der biegeweichen Stange 20 auf den Steuerschieber 4 ausgeübte Kraft senkrecht zur Ver­ schieberichtung klein, was deshalb wichtig ist, weil der Schieber 4 andernfalls zum Klemmen neigen würde. Die beschriebene Konstruktion ist hinsichtlich Fluchtungs­ fehlern zwischen den Gehäuseteilen 3 und 9 unempfindlich.

Die Abstützstellen 20 a können auch durch Ringe gebildet werden welche zwischen Hülse 19 und biege­ weicher Stange 20 angeordnet sind. Man kann auch eine glatte Stange in einer Hülse oder Bohrung ohne aufge­ schobene Verdickung benutzen, um zu einem klemmungsfreien Antrieb zu gelangen.

Claims (13)

1. Einstufiges elektrohydraulisches Servoventil mit einem elektromagnetischen Stellantrieb (2), der Feld­ wicklungen (11, 12; 65) und einen Anker (13) aufweist, welcher mit dem Steuerschieber (4) des Servoventils (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (2) ein Linearmotor ist, dessen Ankerkraft progressiv zum Ankerweg ist, und daß auf den Anker (13) oder den Steuerschieber (4) Federelemente (30) einwirken, deren Rückstellkraft zum Verschiebeweg derart progressiv ansteigt, daß die Rück­ stellkraft am Anker (13) proportional zum Ankerweg (s) ist.

2. Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (30) als membranartige Platten (31, 32) ausgebildet sind, die wenigstens an einem Gehäusebauteil (9) oder am Anker (13) befestigt sind.

3. Servoventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die membranartigen Platten (31, 32) an ihrem Rand eingespannt sind.

4. Servoventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die membranartigen Platten (31, 32) als Kreisscheiben oder Kreisringe ausgebildet sind.

5. Servoventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearmotor so angeordnete Dauermagnete (10; 61; 64; 66; 67) enthält, daß der durch die Feldwicklungen (11, 12; 65) hervorgerufene Magnetfluß im wesentlichen die Dauermagnete nicht durchsetzt.

6. Servoventil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung von Anker (13) und Steuerschieber (4) ein biegeweiches Betätigungsglied (19, 20) vorgesehen ist.

7. Servoventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das biegeweiche Betätigungs­ glied eine Hülse (19) und eine biegeweiche Stange (20) enthält, die mit Abstützstellen innerhalb der Hülse versehen ist.

8. Servoventil nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (13) mittels Führungsscheiben (18) pendelnd im Stellantriebsgehäuse (9) gelagert ist.

9. Servoventil nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (13) zwei Anker­ scheiben (21, 22) aufweist, die mit gehäusefesten Magnet­ fluß-Polstücken (14, 15, 16, 17) zur Bildung von radialen Luftspalten (51 bis 54) zusammenarbeiten.

10. Servoventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Dauermagnet (10), eingerahmt zwischen Magnetfluß-Polstücken (15, 16) und Feldwicklungen (11, 12) am Gehäuse (9) angebracht ist.

11. Servoventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein ring- oder scheibenförmi­ ger Dauermagnet (61) mit axial gerichteten Polen zwischen den beiden Ankerscheiben (21, 22) angeordnet ist und daß den die jeweilige Ankerscheibe (21 bzw. 22) umgebenden Magnetfluß-Polstücken (14, 17) zwei Feldwicklungen (11, 12) zugeordnet sind.

12. Servoventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein gehäusefester ringförmiger Dauermagnet (64) mit radial angeordneten Polen an dem Gehäuse (9) angebracht ist und in den Raum zwischen den beiden Ankerscheiben (21, 22) hineinragt, während benach­ bart zu den Außenseiten der Ankerscheiben (21, 22) die Feldspulen (11, 12) angeordnet sind.

13. Servoventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Raum zwischen zwei Ankerscheiben (21, 22) eine Feldspule (65) hineinragt, während benachbart zu den radial äußeren Rändern der Ankerscheiben (21, 22) gehäusefeste, ringförmige Dauer­ magnete (66, 67) angeordnet sind, deren Magnetfluß-Pol­ stücke (68, 69, 70, 71), die teilweise (70, 71) auch dem dem durch die Feldwicklung (65) gebildeten Elektromagneten angehören, unter Freilassung der Spalte (51 bis 54) an die Ankerscheiben (21, 22) herangeführt sind.