DE3912042C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromagneten mit einem topfförmigen Magnetgehäuse, einem im Magnetgehäuse zentral an­ geordneten Eisenkern, einer auf dem Eisenkern vorgesehenen Drahtspule zur Erzeugung des magnetischen Flusses im Magnetge­ häuse, einer scheibenförmigen Ankerplatte, die beim Erregen des Elektromagneten vom Magnetgehäuse angezogen wird und über einen zentralen Betätigungsstift auf eine am Elektromagneten befestigte Einrichtung eine Kraft ausübt.

Ein Elektromagnet dieser Art mit einer in einem Eisentopf ein­ gebetteten Spule und einer Ankerplatte ist beispielsweise aus "o+p - ölhydraulik und pneumatik - " 21 (1977) Nr.7, Seite 503 bekannt. Hier ist die Ankerplatte auf einem Stift festge­ schraubt, der sich längs der Symmetrieachse des Magneten be­ wegt.

Ein Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß die Magnet­ linien im Magnetgehäuse nie gleichförmig verteilt sind. Dabei wird die Ankerplatte mit verschieden großen, über die ganze Fläche verteilten Kräften angezogen, was zur Folge hat, daß die Ankerplatte mit dem Stift in der Gehäusebohrung verspannnt und zwischen Gehäuse und Stift eine erhebliche Reibung verur­ sacht, die das Regelverhalten zumindest ungünstig beeinflußt, wenn nicht sogar erheblich verschlechtert.

Abhilfe läßt sich dadurch schaffen, daß der Stift der Anker­ platte im Gehäuse in Kugellagern geführt wird, was teuer und aufwendig ist.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß die Ankerplatte nach Überwindung des Luftspaltes zwischen Gehäuse und Anker­ platte am Gehäuse anliegt und dort mit einer sehr großen Kraft festgehalten wird. Zur Loslösung der Ankerplatte muß der Ma­ gnet stromlos werden, oder es muß zumindest der Strom sehr stark verringert werden.

Als Magnet zur Betätigung von Schaltern, pneumatischen oder hydraulischen Druckventilen od. dgl. mit fein regelbarer Kraftabgabe ist diese Ausführungsform nicht brauchbar. Ein solcher Magnet kann außerdem überhaupt nur zwei Schalt- bzw. Ventilstellungen, nämlich nur eine Auf- oder Zu-Stellung, her­ beiführen. Er kann keine analogen bzw. feinstufigen Steuerbe­ wegungen ausführen, um beispielsweise bei einem Ventil stufen­ los Zwischenstellungen zwischen kleinster und größter Kraftab­ gabe zu bewirken.

In der EP-A-00 51 702 ist ein durch einen Elektromagneten be­ tätigbares Ventil beschrieben. Der Elektromagnet weist ein Ma­ gnetgehäuse in Form eines Topfes, einem darin zentral ange­ ordneten Eisenkern, einer auf dem Eisenkern vorgesehenen Drahtspule zur Erzeugung des magnetischen Flusses im Magnet­ gehäuse, einer scheibenförmigen Ankerplatte, die beim Erregen des Elektromagneten vom Magnetgehäuse angezogen wird und über einen zentralen Betätigungsstift eine Kraft auf eine am Elek­ tromagneten befestigte Einrichtung ausübt. Bei diesem bekann­ ten Magneten sind die erzielbaren Steuerkräfte relativ gering, da der magnetische Fluß, wie nachfolgend ausgeführt, nicht op­ timal ausgerichtet ist. Dieser Magnet kann daher für viele An­ wendungsgebiete nicht zur Anwendung kommen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Elektromagneten der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei kleiner Bauweise und guter Regelbarkeit eine dem zugeführten Strom proportiona­ le, möglichst hohe Kraft abgibt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch den Gegen­ stand des Anspruchs 1. Erfinderische Weiterbildungen und vor­ teilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Der erfindungsgemäße Elektromagnet ermöglicht es mittels einer einfachen Konstruktion in vorteilhafter Weise, daß die in der Ankerplatte erzeugte Kraft reibungsarm durch das Magnetgehäuse hindurch auf eine am entgegengesetzten Ende des Elektromagnets bzw. unter diesem befestigte Einrichtung, beispielsweise ein Druckregelventil, übertragen wird und so eine fein abstufbare Kraftregelung (von sehr kleinen bis sehr großen Kräften) er­ reicht wird, um das Druckregelventil ganz oder in unzähligen Zwischenstufen zu schließen oder zu öffnen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Elektromagneten gemäß der Erfindung, mit einem Magnetgehäuse, einem Magnetkern, einer Drahtspule, einer Ankerplatte und einem Betäti­ gungsstift;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Elektromagneten nach Fig. 1 in Pfeilrichtung P;

Fig. 3 einen Teil-Längsschnitt durch den Elektromagneten längs der Schnittlinie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Blattfeder, die in Gebrauchs­ lage zwischen dem Magnetgehäuse und der Ankerplatte an­ geordnet ist;

Fig. 5 eine Seitenansicht der an einem Ende des Betätigungs­ stiftes angebrachten Blattfeder nach Fig. 4, und

Fig. 6 die mit dem erfindungsgemäßen Elektromagneten erzielbare Kraft in Abhängigkeit von der Spannung U in Volt.

Fig. 1 zeigt einen Elektromagneten gemäß der Erfindung mit ei­ nem Magnetgehäuse 1, einer Drahtspule 2, einer Ankerplatte 3 und einem Betätigungsstift 4. Das Magnetgehäuse 1 weist einen Topf 5 mit einem Topfrand 5a und einer Topfachse 5b, einen Bo­ den 6, einen Kern 7 und einen Fuß 8 auf. Der Kern 7 ist zur Aufnahme des Betätigungsstiftes 4 mit einer axialen Bohrung 9 versehen.

Im Magnetgehäuse 1 ist die Drahtspule 2 untergebracht. Diese weist einen Spulenkörper 11 und Wicklungen 12 auf.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind am oberen Ende des Spulen­ körpers 11 zwei hülsenförmige hohle Zapfen 13 angebracht, die einerseits zur Durchführung der Wicklungsenden dienen und die andererseits die Ankerplatte 3 führen. Die Zapfen 13 sind mit Nuten 14 versehen, in die Sicherungselemente 15 eingerastet sind. Letztere halten die Ankerplatte 3 am bzw. auf dem Ma­ gnetgehäuse 1.

Die Ankerplatte 3 ist eine kreisförmige Platte, die in der Mitte verstärkt ist und zur Aufnahme einer Einstellschraube 10 ein Innengewinde 26 aufweist. Die Ankerplatte 3 weist außerdem Bohrungen 16 auf, die in Gebrauchslage von den Zapfen 13 durchsetzt sind und längs deren die Ankerplatte 3 von den Zap­ fen 13 geführt ist. Auf der zur Verbindungsachse Y zwischen den Bohrungen 16 rechtwinkelig durch die Mitte der Ankerplatte 3 verlaufenden Achse X ist am Rande der Ankerplatte 3 ein Ab­ standsstück 17 aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff an­ geordnet. Das Abstandsstück 17 verhindert das Anliegen der An­ kerplatte 3 am Magnetgehäuse 1 und bewirkt eine leichte Schrägstellung der Ankerplatte 3 in Bezug auf das Magnetgehäu­ se 1. Die Höhe des Abstandsstücks 17 kann veränderbar, gegebe­ nenfalls stufenlos veränderbar sein. Das Abstandsstück 17 kann durch eine in eine am Rand der Ankerplatte 3 ausgebildete Ge­ windebohrung einschraubbare Einstellschraube 17a aus nicht ma­ gnetisierbarem Werkstoff, insbesondere aus Messing, ersetzt werden. Durch die Einstellschraube kann die Höhe eines zwi­ schen der Ankerplatte 3 und dem diesem zugewandten Rand des Magnetgehäuses 1 gebildeten Luftspaltes 25 stufenlos verändert werden.

Wie Fig. 3 zeigt, ist zwischen der Ankerplatte 3 und dem Ma­ gnetgehäuse 1 eine gebogene Blattfeder 18 aus Federstahl (mit gebogener Längsachse L) angeordnet, die die Ankerplatte 3 ge­ gen die Sicherungselemente 15 drückt und in Ruhelage hält.

Nach Fig. 4 weist die Blattfeder 18 drei Bohrungen 19, 20 und 21 auf. In Gebrauchslage sind die Bohrungen 19 und 20 von den Zapfen 13 und die Bohrung 21 vom Betätigungsstift 4 durch­ setzt, wie Fig. 5 zeigt.

Der Betätigungsstift 4 ist an seinem oberen Ende mit einer Ringnut 22 versehen, an dem in Gebrauchslage ein Sicherungs­ ring 23 angeordnet ist, der ein Herausfallen des Betätigungs­ stiftes 4 aus dem Magnetgehäuse 1 verhindert.

Die Wirkungsweise des Elektromagneten wird nachfolgend be­ schrieben:

Beim Erregen des Elektromagneten wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das die Ankerplatte 3 mit seiner dem Abstands­ stück 17 gegenüberliegenden Seite am Topf 5 zum Anliegen bringt. Der magnetische Fluß geht jetzt durch den metallischen Kontakt an dieser Stelle durch die Ankerplatte 3, die Blattfe­ der 18, den Kern 7, den Boden 6 und den Topf 5. Auf der gegen­ überliegenden Seite bleibt zwischen dem Abstandsstück 17 und dem Magnetgehäuse 1 vorerst noch ein Luftspalt 25 bestehen.

Bei Erhöhung des Stromes wird die Ankerplatte 3 so weit ange­ zogen, bis das Abstandsstück 17 am Magnetgehäuse 1 zur Anlage gelangt. Die Ankerplatte 3 übt über die Einstellschraube 10 und den Betätigungsstift 4 auf die an der entgegengesetzten Seite des Elektromagneten bzw. unterhalb desselben angebrachte zu steuernde Einrichtung, beispielsweise ein Druckregelventil 24, eine Kraft aus. Diese erzeugt in bekannter Weise eine Reaktionskraft F, die das Kräftegleichgewicht herstellt. Da die Kraftübertragung von der Ankerplatte 3 zum Betätigungs­ stift 4 reibungsarm erfolgt (weil die Ankerplatte 3 verspan­ nungsfrei am Magnetgehäuse 1 anliegt), wird eine sehr fein­ stufige Regelung der Einrichtung, beispielsweise des Druck­ regelventils 24, erreicht.

Der erfindungsgemäße Elektromagnet ist für ein fein abstufba­ res Druckregelventil ausgelegt, wie es beispielsweise in der EP-A-01 47 589 beschrieben ist. Alle bisher bekannten Elektro­ magneten können jedoch nur ein "Auf-Zu-Ventil" betätigen. Sie zeigen daher auch nur derartige Wegeventile.

Der erfindungsgemäße Elektromagnet weist gegenüber dem in der EP-A-00 51 702 beschriebenen Elektromagneten folgende bauliche Besonderheiten auf:

Der erfindungsgemäße Elektromagnet weist

(a) einen Topf 5 aus Eisen,
(b) einen zentralen Kern 7 und
(c) eine Ankerplatte 3 auf, deren Außendurchmesser dem Außen­ durchmesser des Topfrandes 5a des Topfes 5 entspricht.

Dadurch wird erreicht, daß der in Fig. 1 gestrichelt darge­ stellte Magnetfluß M den Luftspalt 25 axial durchdringt, wodurch die größtmögliche Magnetkraft erzeugt wird.

Beim Gegenstand der EP-A-00 51 702 verläuft der Magnetfluß vom Außenrohr zur Ankerplatte radial, wodurch an dieser Stelle keine Magnetkraft erzeugt wird. Wenn die Ringfläche des Außenrohrs gleichgroß ist wie die des Kerns, kann dieser Elek­ tromagnet nur die halbe Kraft wie der erfindungsgemäße Elek­ tromagnet hergeben. Aus nachfolgendem Vergleich der Daten des Elektromagnets gemäß der EP-A-00 51 702 (Tabelle 1 und Fig. 4) mit den Daten und Meßergebnissen des erfindungemäßen Elektro­ magnets ergeben sich die Vorteile des letzteren:

Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Elektromagneten ist also die Ankerplatte 3, deren Außendurchmesser den glei­ chen Außendurchmesser aufweist wie der Topfrand 5a.

Beide Magnetsysteme haben die Eigenart, daß geringe Luftspalt­ änderungen große Kraftänderungen bewirken. Die unvermeidlichen Bautoleranzen zwischen der Ankerplatte und dem Betätigungsven­ til führen bei einer nicht einstellbaren Verbindungsstange da­ zu, daß die Ankerplatte eine jeweils unterschiedliche Lage und damit einen unterschiedlichen Luftspalt aufweist. Die Magnet­ kraft ist bei einer vorgegebenen Spannung also unterschied­ lich. Dieser Nachteil kann bei einem "Auf-Zu-Ventil" bzw. bei einem Wegeventil noch hingenommen werden. Bei einem Druckre­ gelventil kann dies aber nicht akzeptiert werden. Dort muß bei einer bestimmten Spannung eine bestimmte Kraft bzw. ein be­ stimmter Druck abgegeben werden. Innerhalb einer Bauserie müs­ sen diese Werte innerhalb einer engen Toleranz liegen. Deshalb ist auch eine Einstellmöglichkeit zur Überbrückung der Tole­ ranzen zwingend erforderlich.

In der Praxis geht der Einstellvorgang wie folgt vor sich: Die Ankerplatte 3 wird mit einem festgelegten Luftspalt 25 auf den Topfrand 5a des Magnetgehäuses 1 aufgelegt. Dann wird eine be­ stimmte Spannung (von beispielsweise 15 Volt) an den Elektro­ magneten angelegt. Aus Versuchen ist bekannt, daß bei dieser Spannung eine Kraft von beispielsweise 77 Newton erzeugt wer­ den kann. Dann wird zur Ausschaltung von unvermeidlichen Bau­ toleranzen und zur spielfreien Kraftübertragung von der An­ kerplatte 3 zum Druckregelventil die Einstellschraube 10 so weit hineingedreht, bis der Wert von 77 Newton erreicht wird.

Ein wichtiges Merkmal ist also eine Einstell- bzw. Justier­ schraube 10, die in der Mitte der Ankerplatte 3 angeordnet ist.

Hervorzuheben ist noch die Doppelfunktion der hülsenförmigen Kontaktzapfen 13, die ein Teil des Spulenkörpers 11 sind und aus einem elektrisch nicht-leitenden Material bestehen. Sie führen die Ankerplatte 3 und ermöglichen wegen ihrer symmetri­ schen Anordnung eine Kippbewegung der Ankerplatte 3 um ihre Achse Y. Sie begrenzen mit ihren eingeknöpften Sicherungsele­ menten 15 den Lösehub der Ankerplatte 3 und nehmen die Kon­ taktzapfen 13 für die Stromzuführung auf.

Schließlich ergibt sich aus der Fig. 6 die mit dem erfindungsgemäßen Elektromagneten erzielbare Kraft.

Die linke Ordinate zeigt den Druck (in bar) eines mit dem er­ findungsgemäßen Elektromagneten angesteuerten (nicht gezeig­ ten) pneumatischen Ventils.

Die rechte Ordinate zeigt die erzielbare Magnetkraft (in New­ ton).

Auf der Abszisse ist die angelegte Spannung (in Volt) angege­ ben.

Claims (13)

1. Elektromagnet mit einem topfförmigen Magnetgehäuse, einem im Magnetgehäuse zentral angeordneten Eisenkern, einer auf dem Eisenkern vorgesehenen Drahtspule zur Erzeugung des magnetischen Flusses im Magnetgehäuse, einer scheibenför­ migen Ankerplatte, die beim Erregen des Elektromagneten vom Magnetgehäuse angezogen wird und über einen zentralen Betätigungsstift auf eine am Elektromagneten befestigte Einrichtung eine Kraft ausübt, dadurch gekennzeichnet,

• (a) daß der Topf (5) des Magnetgehäuses (1) einen Topfrand (5a) aufweist,
• (b) daß die Ankerplatte (3) den Topfrand (5a) überdeckt und kardanisch beweglich am bzw. auf dem Magnetgehäuse (1) angeordnet ist und lose am Betätigungsstift (4) anliegt,
• (c) daß die Ankerplatte (3) mit einem in ihrer Randnähe befestigten, nicht-magnetisierbaren Abstandsstück (17) versehen ist,
• (d) daß die Ankerplatte (3) mit einer zentralen Gewinde­ bohrung (26) versehen ist, in der eine Einstell­ schraube (10) angeordnet ist,
• (e) daß die Ankerplatte (3) mit zwei Bohrungen (16) ver­ sehen ist, durch die zwei hohle Zapfen (13) ragen, die über Sicherungselemente (15) die Ankerplatte (3) auf dem Magnetgehäuse (1) festhalten, und
• (f) daß zwischen der Ankerplatte (3) und dem Topfrand (5a) des Topfes (5) des Magnetgehäuses (1) eine Blattfeder (18) aus einem magnetisierbaren Werkstoff liegt, die eine geringe Rückstellkraft auf die Ankerplatte (3) ausübt und eine elektromagnetisch leitende Brücke zwischen der Ankerplatte (3) und dem Topfrand (5a) bildet, wobei die Magnetlinien (M) den Luftspalt (25) zwischen der Ankerplatte (3) und dem Topfrand (5a) in axialer Richtung bzw. achsparallel zur Topfachse (5b) durchdringen.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zwei hohlen Zapfen (13) an der oberen Stirnseite der Drahtspule (12) befinden, durch diese die Wicklungsenden des Spulendrahtes hindurchgeführt sind und daran die Ankerplatte (3) geführt und gehaltert ist.

3. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Blattfeder (18) in ihrer Längsrichtung gebo­ gen ist, das heißt eine gebogene Längsachse (L) aufweist.

4. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsstift (4) zur Sicherung gegen Herausfallen zum Druckregelventil (24) hin an der Blattfeder (18) lösbar festgelegt ist.

5. Elektromagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsstift (4) an seinem federseitigen Ende mit einer Ringnut (22) zur Aufnahme eines Sicherungsrings (23) versehen ist.

6. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (3) eine in ihrer Mit­ te verstärkte, in ihrer Mitte das Innengewinde zur Aufnah­ me der Einstellschraube (10) aufweisende kreisrunde Platte ist.

7. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Einstellung des Betäti­ gungsstiftes (4) in Bezug auf die Ankerplatte (3) bzw. in Bezug auf das zu betätigende Druckregelventil (24) durch die Einstellschraube (10) stufenlos erfolgt, wobei sich bei geeigneter Einstellung in Ruhelage des Elektroventils ein Gleichgewichtszustand zwischen der Reaktionskraft des Druckregelventils (24) und der Kraft des Elektromagneten einstellt.

8. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungselemente (15) in an den Zapfen (13) der Ankerplatte (3) vorgesehenen Nuten (14) eingerastete Sicherungsringe sind.

9. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsstück (17) in Randnähe der Ankerplatte (3) auf einer Ankerachse (X) angeordnet ist, die die Verbindungsachse (Y) der beiden Bohrungen (16) für die Zapfen (13) im Ankerzentrum rechtwinkelig kreuzt.

10. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Abstandsstücks (17) durch dieses zwischen der Ankerplatte (3) und dem Magnet­ gehäuse (1) stets ein Luftspalt (25) von zumindest einer der Höhe des Abstandsstücks (17) entsprechender Breite ge­ bildet ist.

11. Elektromagnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Abstandsstücks (17) und damit des Luft­ spaltes (25) zwischen der Ankerplatte (3) und dem Topfrand (5a) des Magnetgehäuses (1) veränderbar ist.

12. Elektromagnet nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Abstandsstücks (17) und damit des Luft­ spaltes (25) zwischen der Ankerplatte (3) und dem Magnet­ gehäuse (1) stufenlos veränderbar ist.

13. Elektromagnet nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Luftspaltes (25) zwischen der Ankerplatte (3) und dem Magnetgehäuse (1) durch eine Einstellschraube (17a) veränderbar ist.