DE3734542A1 - Elektromagnetisches sitzventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Sitz­ ventil gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter Sitzventil versteht man in diesem Fall ein Ventil mit 2/2 Wegschaltfunktionen, d.h. ein Ventil das den Durch­ fluss eines Mediums entweder zulässt oder unterbindet, also mit nur einer AUF-ZU-Funktion. Unter Nassanker ist der bewegliche Teil eines Elektromagnetsystems zu verstehen, der direkt in der Ventilkammer angeordnet ist, also von dem durch das Ventil gesteuerten Medium umgeben ist.

Solche Sitzventile werden unter anderem zum Ansteuern von hydraulischen Positionier- oder Stellantrieben benützt. Daraus ergibt sich, dass es für solche Ventile beson­ ders wichtig ist, mit sehr kurzen Ansprechzeiten so­ wohl zu öffnen als auch zu schliessen und in Schliess­ lage nach Möglichkeit leckfrei zu sein.

Es ist bekannt, kurze Ansprechzeiten sowohl zum Oeff­ nen als auch zum Schliessen solcher Ventile durch spe­ zielle, dem Ventil vorgeschaltete schaltungstechnische Massnahmen anzustreben. Dazu gehört ein Stromstoss­ generator, der beim Einschalten (Oeffnen) des Ventils eine im Vergleich zur Halteleistung erheblich höhere Einschaltleistung abgibt. Ferner kann bekanntlich ein parallel zur Wicklung geschalteter Kondensator vorge­ sehen sein, durch den die Wirbelströme im Kern durch den beim Ausschalten entgegengesetzt überschwingenden Spulenstrom kompensiert werden.

Ebenso können kurze Ansprechzeiten durch eine soge­ nannte Druckkompensation erzielt werden, welche die vom Magneten beim Oeffnungshub aufzuwendende Kraft prak­ tisch auf die Ueberwindung der Federkraft beschränkt.

Schliesslich ist für ein schnelles Schliessen auch Sor­ ge dafür zu tragen, dass ein "Kleben" des Nassankers an den Polflächen des Topfmagnetankers vermieden wird. Das Kleben kann ein "magnetisches", durch die Remanenz im Kern und/oder im Anker bedingtes Klebensein, oder aber auch ein "hydraulisches", durch weitgehende Verdrängung des Flüssigkeitsfilmes zwischen dem Anker und den frei­ en Polflächen hervorgerufenes Kleben sein.

In der Zeitschrift "o+p ölhydaulik und pneumatik" 24 (1980), Nr. 4, auf Seite 293 ff ist ein Sitzventil der eingangs genannten Art dargestellt und beschrieben. Bei diesem bekannten Ventil ist der Topfmagnetkern zweitei­ lig und besteht aus einem inneren Teil, der in einem Endflansch endet, welcher Endflansch auf dem Ventilge­ häuse festgeschraubt ist, das seinerseits den äusseren Teil des Topfmagnetkernes bildet. Die Wicklung ist durch eine vergleichsweise lange Spule gebildet, die einerends am Endflansch und andernends an einem vom in­ neren Teil des Topfmagnetkernes nach aussen abstehenden Bund ansteht. Dieser Aufbau hat zur Folge, dass der magnetische Kreis wegen des genannten Bundes ein, kei­ nen Nutzeffekt bietendes Steufeld verursacht. Der Nass­ anker ist - zur Verminderung des hydraulischen Kle­ bens - durchbohrt und steht bei erregter Wicklung an einem über die Polfläche des inneren Kernteiles vorste­ henden Ring aus amagnetischem Material an, der eine Be­ rührung mit der Polfläche des inneren Teils des Topf­ magnetkernes verhindert. Das einstückig mit dem Anker ausgebildete Schliessteil ist ein Kegel, der mit einem dem Ventileinlass unmittelbar folgenden Ventilsitz zu­ sammenwirkt. Daraus folgt, dass das Schliessteil in Strömungsrichtung vom Ventilsitz abgehoben wird. Am Schliessteil ist ein Kolben befestigt, der von dem am Einlass anstehenden Druck entgegen der Oeffnungsrich­ tung beaufschlagt ist. Das bekannte Ventil ist somit mit dem erwähnten Druckausgleich versehen, und daher ist der Durchmesser des Ventilsitzes vergleichsweise gross.

Aus diesen Darlegungen ist schon ersichtlich, welcher technische Aufwand an Material und Präzision erforder­ lich ist, um das vorbekannte Ventil herzustellen, ganz abgesehen davon, dass bei diesem Ventil die spezifi­ schen Vorteile von Sitzventilen, nämlich Leckfreiheit und Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung, wegen des Druckausgleiches wieder preisgegeben sind.

Es ist daher ein Zweck der Erfindung, ein Ventil der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das zur Her­ stellung einfacher ist und dennoch die an ein Sitzven­ til zu stellenden Anforderungen ohne weiteres zu erfül­ len vermag.

Dieser Zweck wird beim vorgeschlagenen Ventil dadurch erreicht, dass es die im Kennzeichen des Patentanspru­ ches 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Durch die einstückige Ausbildung des Topfmagnetkernes ist ein minimaler magnetischer Widerstand des magneti­ schen Kreises gewährleistet. Die beim Einschalten und beim Ausschalten im Magnettopfkern induzierten und den Anzug bzw. das Abfallen des Ankers verzögernden Wir­ belströme sind durch geschlitzte Bauweise des Topfmag­ netkernes auf ein vernachlässigbares Minimum be­ schränkt. Ebenso verhindert die gratartige Erhebung an der Polfläche oder am Anker sowohl das magnetische als auch das hydraulische Kleben des ersteren, ohne dass hierzu ein besonderer Bestandteil erforderlich wäre.

Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind in den ab­ hängigen Ansprüchen angegeben.

Nachstehend ist anhand der Zeichnung eine Ausführungs­ form des vorgeschlagenen Sitzventils rein beispiels­ weise näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Ventil, und

Fig. 2 in grösserem Massstab das vom Kreis II der Fig. 1 umrandete Detail.

Das dargestellte elektromagnetische Sitzventil 10 be­ sitzt ein becherförmiges Gehäuse 11, das mit einem mit Bolzen 12 festgeschraubten Abschlussflansch 13 unter Zwischenlage einer Dichtung verschlossen ist. Im Inne­ ren des Gehäuses 11 ist ein Elektromagnet 15 in Topf­ bauweise angeordnet. Dieser Elektromagnet 15 besitzt einen einstückigen, ringförmigen Topfmagnetkern 16 aus einem weichmagnetischen Material mit ver­ gleichsweise hohem spezifischen elektrischen Wi­ derstand und hoher magnetischer Sättigung.

Dieser Topfmagnetkern 16 weist einen radialen Quer­ schnitt in Form eines U auf und enthält eine Wicklung 17, deren radialer Querschnitt näherungsweise quadra­ tisch ist. Die Wicklungsanschlüsse 18, 19 sind durch eine Bohrung 20 im Joch des Topfmagnetkernes 16 und durch eine Bohrung 21 im Gehäuse 11 aus diesem heraus­ geführt. Sie enden im vorliegenden Beispiel in einer Steckbuchse 22, die am Gehäuse 11 festgeschraubt ist.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Topfmagnetkern 16 einen radialen Schlitz 23 (unschraffierte Fläche rechts in Fig. 1) aufweist, so dass der Topfmagnetkern - elektrisch gesehen - nicht wie eine Kurzschlusswin­ dung in sich geschlossen ist. Dieser Schlitz 22 ist gegebenenfalls mit einer isolierenden Vergussmasse ausgefüllt. An der äusseren Mantelfläche des Topfmag­ netkernes 16 ist ein abstehender Bund 24 vorhanden, über den der Topfmagnetkern 16 über eine Abstandshal­ ter-Hülse 25 mittels des Abschlussflansches 13 gegen eine im Gehäuse 11 ausgebildete Schulter 26 festge­ spannt ist, wobei zwischen der Schulter 26 und dem Bund 24 ein O-Ring 27 eingelegt ist. Damit ist der Topfmagnetkern 16 mit der vorzugsweise vergossenen Wicklung 17 auf einfache aber einwandfreie Weise im Gehäuse 11 positioniert. Der Elektromagnet 15 grenzt somit an eine vom Gehäuse 11 umschlossene Ventilkammer 28, in die ein im Abschlussflansch 13 ausgebildeter Einlass 29 mündet und von der ein Auslass 30 ausgeht.

Der bewegliche Teil des Elektromagneten 15 ist durch einen scheibenförmigen, ebenen Anker 31 gebildet, der sowohl die äusseren als auch die inneren Polflächen 32 bzw. 33 des Topfmagnetkernes 16 überspannt und - bei stromloser Wicklung 17 - von diesen einen Abstand in der Grössenordnung von etwas weniger als 1 mm aufweist. Der Anker 31 ist an einem diesen zentral durchsetzenden Stössel oder Schaft 34 befestigt, der sich einerends in eine axial durchgehende, zentrale Bohrung 35 (Fig. 2) im Kern 16 erstreckt und dort in einer Unterlagsscheibe 36 längsverschiebbar gelagert ist. Auf dieser, gegen eine Schulter in der Bohrung 35 abgestützte Unterlags­ scheibe 36 ist das eine Ende einer Druckfeder 37 abge­ stützt, deren anderes Ende auf der den Polflächen 32, 33 zugekehrten Seite des Ankers 31 abgestützt ist.

Am anderen Ende des Stössels 34 ist eine ein Schliess­ teil bildende Kugel 38 befestigt. Die Kugel 38 kann eine Kugellagerkugel sein, die mit Hartlot auf dem vorzugsweise aus amagnetischem Material bestehenden Stössel 34 aufgelötet ist. Diese Kugel 38 wird mit einem dem Auslass 30 unmittelbar vorgelagerten, ring­ förmigen Ventilsitz 39 zusammen, der vorzugsweise aus einem Hartstoff, beispielsweise aus Hartmetall oder aus synthetischem Korund, wie farbloser Saphir, ist und koaxial zum Auslass 30 im Abschlussflansch 13 ein­ gepresst oder eingebördelt ist.

Dem Ventilsitz 39 ist eine Führungshülse 40 vorgela­ gert, die auf der Innenseite des Abschlussflansches 13 festgeschraubt ist und zur Geradführung der Kugel 38 und damit des Stössels 34 dient, wenn die Kugel 38 vom Ventilsitz 39 abgehoben ist. Die Ventilkammer 28 steht mit dem Ventilsitz 39 über den Zwischenraum 41 zwi­ schen der Unterseite der Führungshülse 40 und der Oberseite des Abschlussflansches 13 in Verbindung.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass der freie Durchlass­ querschnitt des Ventilsitzes 39 erheblich kleiner ist, als der Durchlassquerschnitt des Einlasses 29. Damit ist die durch den anstehenden, statischen Druck in Schliessrichtung wirkende und zum Oeffnen des Ventils zu überwindende Kraft vergleichsweise gering. Ebenso ist aus Fig. 1 ersichtlich, dass der Auslass 30 im An­ schluss an den Ventilsitz 39 sich diffusorartig erwei­ tert.

Um sowohl das hydraulische als auch das magnetische Kleben des Ankers 31 an den Polflächen 32, 33 zu ver­ hindern, wenn die Wicklung 17 entregt wird, ist - wie der Fig. 2 zu entnehmen ist - an der Polfläche 32 eine ringförmige, gratartige Erhebung 42 vorhanden, die verhindert, dass bei erregter Wicklung der Anker 31 in direkte, flächige Berührung mit den Polflächen 32 und 33 gelangt. Es verbleibt vielmehr ein Spalt von viel­ leicht 1/10 mm oder weniger frei, der genügt, um das Kleben zu verhindern. Grundsätzlich wäre es auch mög­ lich, die Erhebung 42 an der Polfläche 33 vorzusehen oder auf der den Polflächen zugekehrten Seite des An­ kers 31.

Die Vorteile des beschriebenen Ventils sind evident:

• - Optimaler magnetischer Kreis mit geringem magneti­ schen Widerstand dank Bemessung und Formgebung des Topfmagnetkernes 16 und der Wicklung 17;
• - geringes magnetisches Streufeld und ebenso vernach­ lässigbare Wirbelströme beim Erregen bzw. Entregen der Wicklung 17;
• - freie Wahl des Werkstoffes für das Gehäuse 11, das nicht Bestandteil des magnetischen Kreises ist;
• - auch ohne Druckausgleich minimale Anzugskräfte erfor­ derlich, was erlaubt, die Gesamtabmessung des Ventils gering zu halten;
• - optimale Werkstoffpaarung Ventilsitz/Schliessteil;
• - Leckfreiheit und Unempfindlichkeit gegen Ver­ schmutzung.

An einem Prototypen wurden folgende Messwerte ermit­ telt, bei einer Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass (bei geschlossenem Ventil) von 70 bar:

• - Magnetische Anzugsverzögerung (bei 8-facher Ueberer­ regung): 2,0 ms,
• - magnetische Abfallverzögerung: 1,0 ms,
• - mechanische Anzugs-/Abfallverzögerung: 1,0 ms,
• - Wirbelstromzeitkonstante: 0,3 ms,

wobei weit über 200 Mio. Betätigungen durchgeführt wer­ den.

Claims (7)

1. Elektromagnetisches Sitzventil mit einem eine Wicklung (17) enthaltenden Topfmagnetkern (16), der mit einem in einer Ventilkammer (28) angeordneten Nassanker (31) zusammenwirkt, der seinerseits mit einem mit einem Ventilsitz (39) zusammenwirkenden Schliessteil (38) verbunden ist, das bei Erregung der Wicklung (17) gegen die Wirkung einer Druckfeder (37) vom Ventilsitz (39) abhebbar ist, dadurch gekennzeich­ net, dass der Topfmagnetkern (16) einstückig ausge­ bildet und mit zumindest einem radialen Schlitz (23) versehen ist, dass das Schliessteil durch eine am Ende eines Schaftes (34) vorhandene Rotationsfläche (28) gebil­ det ist, welcher Schaft (34) am Nassanker (31) befe­ stigt ist, wobei an mindestens einer der freien Pol­ flächen (32, 33) des Topfmagnetkernes (16) oder an der diesen Flächen zugekehrten Seite des Nassankers (31) eine ringförmige, gratartige Erhebung (42) vorhanden ist, die bei Erregung der Wicklung (17) eine flächige Berührung des Nassankers (31) mit den Polflächen (32, 33) verhindert.

2. Sitzventil nach Patentanspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Schaft (14) den Nassanker (31) durchsetzt und sich in eine axial durchgehende Zen­ tralbohrung (35) im Topfmagnetkern (16) erstreckt und dort, z.B. in einer Führungsscheibe (36), längsver­ schiebbar gelagert ist.

3. Sitzventil nach Patentanspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Druckfeder (37) einerends an der Führung (36) des Schaftes (14) und andernends an der dem Topfmagnetkern (16) zugekehrten Seite des Nassankers (31) abgestützt ist.

4. Sitzventil nach einem der vorangehenden Patent­ ansprüche, bei dem ein Einlass (29) in die Ventilkam­ mer (28) einmündet und von dieser ein Auslass (30) ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (39) unmittelbar dem Auslass (30) vorgelagert ist und einen geringeren Durchflussquerschnitt als der Einlass (29) hat.

5. Sitzventil nach einem der vorangehenden Patent­ ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Querschnitt der Wicklung (17) mindestens näherungswei­ se quadratisch ist.

6. Sitzventil nach einem der vorangehenden Patent­ ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsflä­ che durch eine am Schaft (34) befestigte Kugel (38) aus Stahl gebildet ist, während der Ventilsitz (39) aus einem Hartstoff, beispielsweise aus Saphir oder Hartmetall besteht.

7. Sitzventil nach einem der Patentansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (30) im Anschluss an den Ventilsitz (39) divergiert.