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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein selbsthaltendes Elektromagnetventil
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein
Elektromagnetventil (solenoidbetätigtes Ventil)
wird dazu verwendet, die Fließrichtung
der unter Druck stehenden Luft durch Zufuhr der Druckluft zu einem
Stellglied oder Abfuhr der Druckluft nach außen zu steuern.
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Ein
herkömmliches
Elektromagnetrastventil dieser Art ist in 7 dargestellt (vgl. bspw. die japanische
Patentoffenlegungsschrift Nr. 63-297883).
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Das
Elektromagnetventil umfasst eine elektromagnetische Spule 3 mit
einer elektromagnetischen Ventilschaltspule 2a und einer
elektromagnetischen Ventilrückstellspule 2b,
die koaxial mit einem Spulenkörper 1 angeordnet
sind. Ein Permanentmagnet 4 ist axial an einem Ende der
elektromagnetischen Spule 3 angeordnet. Ein fester Eisenkern 5 ist koaxial
zu dem Permanentmagneten 4 in dem Spulenkörper 1 angeordnet.
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Ein
Hauptventil 7 mit einer Ventilstange 6 ist an
einem anderen Ende der elektromagnetischen Spule 3 in der
dem Permanentmagneten 4 entgegengesetzten Richtung angeordnet.
Ein Ende eines Tauchkolbens 8 eines beweglichen Eisenkernes
ist an der Ventilstange 6 befestigt. Ein anderes Ende des
Tauchkolbens 8 ist verschiebbar in die Mitte der elektromagnetischen
Spule 3 eingesetzt.
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Die
Ventilstange 6 ist über
eine Feder 9, die als ein Vorspannmechanismus dient, in
der dem Tauchkolben 8 entgegengesetzten Richtung vorgespannt.
Die Ventilstange 6 drückt
indirekt den Tauchkolben 8 in der dem festen Eisenkern 5 entgegengesetzten
Richtung.
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Die
Betriebsweise des so aufgebauten herkömmlichen Elektromagnetrastventils
wird nachfolgend kurz erläutert.
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7 zeigt einen nicht erregten
Zustand, in dem kein Strom durch die elektromagnetische Ventilschaltspule 2a bzw.
die elektromagnetische Ventilrückstellspule 2b fließt. 7 zeigt auch eine Ursprungsposition,
in welcher das Hauptventil 7 geschlossen ist. Der Tauchkolben 8 ist
in der Ursprungsposition, weil die Federkraft (fs) der Feder 9 größer ist
als die Kraft (F) des Permanentmagneten.
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Wenn
anschließend,
wie in 8 dargestellt ist,
elektrische Energie auf die elektromagnetische Ventilschaltspule 2a aufgebracht
wird, wird die Anziehungskraft (fa) des Elektromagneten (Solenoiden) durch
die magnetische Erregung der elektromagnetischen Ventilschaltspule 2a erzeugt.
Wenn die Kraft (fa + F), die durch Addition der Anziehungskraft
(fa) zu der Kraft (F) des Permanentmagneten 4 erhalten wird,
größer wird
als die Federkraft (fs) der Feder 9, wird der Tauchkolben 8 zu
dem festen Eisenkern 5 gezogen. Dementsprechend wird das
Hauptventil 7 geöffnet.
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Die
elektrische Energie wird nicht mehr auf die elektromagnetische Ventilschaltspule 2a aufgebracht,
wenn das Hauptventil 7 geöffnet ist. Dann ist die Haltekraft
des Permanentmagneten 4 größer als die Federkraft (fs)
der Feder 9. Daher wird der Tauchkolben 8 zu dem
festen Eisenkern 5 gezogen, auch wenn auf ihn keine elektrische
Energie mehr aufgebracht wird.
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Wird
die elektrische Energie auf die elektromagnetische Ventilrückstellspule 2b aufgebracht,
so wird die Anziehungskraft (fb) des Elektromagneten durch die magnetische
Erregung der elektromagnetischen Ventilrückstellspule 2b erzeugt.
Die Anziehungskraft (fb) des Elektromagneten wirkt der Haltekraft
des Permanentmagneten 4 entgegen (vgl. 9). Daher wird der Tauchkolben 8 durch
die Federkraft (fs) der Feder 9 in die in 7 gezeigte Ursprungsposition zurückgeführt. Dementsprechend wird
das Hauptventil 7 geschlossen.
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Das
herkömmliche
Elektromagnetrastventil erfordert jedoch sowohl die elektromagnetische
Ventilschaltspule 2a zum Antreiben des Tauchkolbens 8 als
auch die elektromagnetische Ventilrückstellspule 2b zur
Freigabe der Selbsthaltekraft des Permanentmagneten 4,
um den Tauchkolben 8 zu der Ursprungsposition zurückzuführen. Dadurch
wird der von der Spule eingenommene Raum vergrößert. Die Gesamtvorrichtung
des Elektromagnetventils wird notwendigerweise groß und die
Produktionskosten erhöhen
sich.
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Der
Permanentmagnet 4 ist an dem axialen Ende der elektromagnetischen
Spule 3 gegenüber dem
Tauchkolben 8 angeordnet. Wenn die große Haltekraft erforderlich
ist, um den Tauchkolben 8 zu halten, ist an dem großen Permanentmagneten 4 die hohe
Magnetkraft erforderlich. Es ist außerdem notwendig, die elektromagnetische
Ventilrückstellspule 2b zur
Erzeugung der großen
invertierten Magnetkraft einzusetzen, um die Haltekraft freizugeben. Dementsprechend
wird der elektrische Stromverbrauch erhöht.
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Das
Dokument
EP 0 349 159
A1 , auf welches sich der Oberbegriff des Anspruchs 1 stützt, beschreibt
ein pilotgesteuertes elektromagnetisches Ventilsystem zur Verschiebung
eines Ventilstopfens durch Anziehen eines beweglichen Eisenkernes durch
die magnetische Erregung einer Erregerspule. Die Erregerspule ist
um einen Spulenkörper
gewickelt, wobei ein fester Eisenkern an einer Durchgangsöffnung des
Spulenkörpers
befestigt ist. Koaxial zu dem festen Eisenkern ist ein Tauchkolben
(beweglicher Eisenkern) angeordnet und durch eine Feder von dem
festen Eisenkern weg vorgespannt. Ein ringförmiger Permanentmagnet umgibt
den Spulenkörper
und den Tauchkolben teilweise, wenn der Tauchkolben in der zurückgezogenen
Position ist, in der er gegen den festen Eisenkern gehalten wird.
Der Permanentmagnet ist außerdem
an einem Bereich angebracht, an dem ein Ende des festen Eisenkernes
und ein Ende des Tauchkolbens einander gegenüberliegen. Der Permanentmagnet
umgibt den festen Eisenkern nicht, sondern ist neben dem festen
Eisenkern angeordnet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine grundsätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein selbsthaltendes Elektromagnetventil
vorzuschlagen, welches die Größe der Gesamtvorrichtung
minimieren kann und einen niedrigen elektrischen Energieverbrauch
ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein selbsthaltendes Elektromagnetventil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung in
Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
beispielhaft dargestellt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Längsschnitt
entlang einer Axialrichtung eines selbsthaltenden Elektromagnetventils
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein vergrößerter Teilschnitt
von 1;
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3 illustriert einen Ursprungszustand
des selbsthaltenden Elektromagnetventils gemäß 1;
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4 illustriert einen Zustand,
in dem die elektrische Energie auf eine Spule in der Ursprungsposition
aufgebracht wird;
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5 illustriert einen Zustand,
in dem die elektrische Energie nicht mehr auf die Spule aufgebracht
wird und ein fester Eisenkern einen bewegten Eisenkern hält;
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6 illustriert einen Zustand,
in dem ein Strom mit einer Polarität, die der in 4 verwendeten entgegengesetzt ist, durch
die Spule in dem selbsthaltenden Zustand fließt;
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7 ist eine schematische
Anordnung eines herkömmlichen
Elektromagnetrastventils;
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8 illustriert die Betriebsweise
des Elektromagnetventils gemäß 7; und
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9 illustriert die Betriebsweise
des Elektromagnetventils gemäß 7.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein
selbsthaltendes Elektromagnetventil (solenoidbetätigtes Ventil) gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Das
selbsthaltende Elektromagnetventil 10 umfasst einen Ventilkörper 18,
eine mit einem Boden ausgestattete Kappe 20 mit zylindrischer
Gestalt, die integral mit einer Seite des Ventilkörpers 18 verbunden
ist, einen Elektromagneten (Solenoid) 22, der in der Kappe 20 angeordnet
ist, und einen Ventilmechanismusabschnitt 24, der die Verbindung
zwischen den jeweiligen Anschlüssen
durch den Elektromagneten 22 schaltet. Der Ventilkörper 18 umfasst
einen Druckfluidzufuhranschluss 12, einen Druckfluidablassanschluss 14 und
einen Ablassanschluss 16, die an einer Seite des Ventilkörpers 18 ausgebildet und
voneinander festgelegte Abstände
aufweisen.
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Das
Bezugszeichen 26 bezeichnet einen Atmungsanschluss, der
mit der Atmosphärenluft
in Verbindung steht, um die Luft des Ventilkörpers 18 nach außen abzuführen.
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Der
Elektromagnet 22 umfasst einen Rahmen 32, einen
Spulenkörper 36,
einen festen Eisenkern 38 und einen beweglichen Eisenkern 42.
Der Rahmen 32 ist innen in den Spulenkörper 20 eingesetzt
und wird durch ein zylindrisches, mit einem Boden ausgestattetes
magnetisches Element gebildet. Der Spulenkörper 36 ist in dem
Rahmen 32 angeordnet, und eine einzelne Spule 34 ist
mit einer Vielzahl von Windungen in einer Richtung um dem Spulenkörper 36 gewickelt.
Der feste Eisenkern 38 ist in einer Durchgangsöffnung,
die durch den Spulenkörper 36 ausgebildet
ist, befestigt. Der bewegliche Eisen kern 42 ist koaxial
zu dem festen Eisenkern 38 angeordnet und wird durch die
Rückstellkraft
einer ersten Feder 40 von dem festen Eisenkern 38 weg
gedrückt.
Ein Ende der ersten Feder 40 ist an einem ringförmigen Vorsprung 42a des
beweglichen Eisenkerns 42 befestigt. Ein anderes Ende der
ersten Feder 40 ist an einer Ringnut eines Führungsrings 44 in
später
beschriebener Weise befestigt.
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Der
Elektromagnet 22 umfasst außerdem den Führungsring 44 und
einen ringförmigen
Permanentmagneten 46. Der Führungsring 44 besteht
aus einem nicht-magnetischen Element, welches innen in den Rahmen 32 eingesetzt
ist. Der Führungsring 44 umgibt
die äußere Umfangsfläche des
beweglichen Eisenkerns 42. Der ringförmige Permanentmagnet 46 ist
an einem Bereich angebracht, an dem das Ende des festen Eisenkerns 38 und
das Ende des beweglichen Eisenkerns 42 einander koaxial
gegenüberliegen.
Der ringförmige
Permanentmagnet 46 ist ebenfalls zwischen dem Spulenkörper 36 und
dem Führungsring 44 so
angebracht, dass er äußere Umfangsflächen des
festen Eisenkerns 38 und des beweglichen Eisenkerns 42 teilweise
umgibt.
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Eine
ringförmige
Aussparung 48, die als ein Luftspalt dient, erstreckt sich
in Axialrichtung über eine
festgelegte Strecke an der äußeren Umfangsfläche des
Endes des beweglichen Eisenkerns 42. Der bewegliche Eisenkern 42 liegt
dem Ende des festen Eisenkerns 38 gegenüber (vgl. 2).
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Wie
in 1 dargestellt ist,
umfasst der Ventilmechanismusabschnitt 24 ein Verschiebungselement 52,
ein Sitzventil 54 und eine zweite Feder 56. Das
Verschiebungselement 52 umfasst einen sich verjüngenden
Abschnitt 50, dessen Durchmesser sich zu seinem Ende allmählich reduziert.
Das Verschiebungselement 52 ist axial an einem Ende des beweglichen
Eisenkerns 42 befestigt, so dass es integral mit dem beweglichen
Eisenkern 42 verschiebbar ist. Der sich verjüngende Abschnitt 50,
der an einem Ende des Verschiebungselementes 52 angeordnet
ist, liegt an dem Sitzventil 54 an. Das elementes 52 angeordnet
ist, liegt an dem Sitzventil 54 an. Das Sitzventil 54 öffnet und
schließt
den Verbindungsdurchgang zwischen dem Druckfluidzufuhranschluss 12 und
dem Druckfluidablassanschluss 14. Die zweite Feder 56 drückt das
Sitzventil 54 zu dem beweglichen Eisenkern 42.
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Das
Sitzventil 54 ist von einem ersten Sitz 58 abgehoben,
um den Druckfluidzufuhranschluss 12 mit dem Druckfluidablassanschluss 14 zu
verbinden. Im Gegensatz dazu setzt das Sitzventil 54 auf
dem ersten Sitz 58 auf, um die Verbindung zwischen dem Druckfluidzufuhranschluss 12 und
dem Druckfluidablassanschluss 14 zu unterbrechen. Außerdem ist das
Sitzventil 54 von einem dem ersten Sitz 58 gegenüberliegenden
zweiten Sitz 60 abgehoben, um das Druckfluid einer Ventilkammer 62 über den
Ablassanschluss 16 nach außen abzuführen. Im Gegensatz dazu setzt
das Sitzventil 54 auf dem zweiten Sitz 60 auf,
um die oben beschriebene Abfuhr nach außen zu unterbrechen.
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Das
selbsthaltende Elektromagnetventil 10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben
aufgebaut. Nun werden seine Betriebs-, Funktions- und Wirkungsweise
erläutert.
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3 zeigt den nicht erregten
Zustand, in dem der Spule 34 kein Strom zugeführt wird. 3 zeigt außerdem den
AUS-Zustand, in dem das Sitzventil 54 auf dem ersten Sitz 58 aufsitzt,
um die Verbindung zwischen dem Druckfluidzufuhranschluss 12 und
dem Druckfluidablassanschluss 14 zu blockieren.
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Federkonstanten
der ersten Feder 40 und der zweiten Feder 56 sind
so gewählt,
dass das Sitzventil 54 in dem AUS-Zustand auf dem ersten
Sitz 58 aufsetzt. Die Federkraft (fs) der ersten Feder 40 übersteigt
die Anziehungskraft (F) des Permanentmagneten 46. Dies
heißt,
dass die Beziehung F < fs
in dem Ursprungszustand, in dem der bewegliche Eisenkern 42 und
der feste Eisenkern 38 voneinander einen festgelegten Abstand
aufweisen und keine elektrische Energie auf die Spule 34 aufgebracht
wird, erfüllt
ist.
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Wenn
anschließend
eine nicht dargestellte Stromquelle betrieben wird, um elektrische
Energie auf die einzelne Spule 34 aufzubringen, wird die
Spule 34 erregt (vgl. 4).
Der bewegliche Eisenkern 42 wird durch die Erregung der
Spule 34 zu dem festen Eisenkern 38 gezogen, und
das Elektromagnetventil 10 wird von dem AUS-Zustand in
den EIN-Zustand geschaltet.
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Dies
bedeutet, dass der bewegliche Eisenkern 42 etwas zu dem
festen Eisenkern 38 verschoben wird. Das Verschiebungselement 52 wird
integral mit dem beweglichen Eisenkern bewegt. Daher werden der
bewegliche Eisenkern 42 und das Verschiebungselement 52 entgegen
der Federkraft (fs) der ersten Feder 40 verschoben. Außerdem wird
das Sitzventil 54 durch die Federkraft der zweiten Feder 56 von
dem ersten Sitz 58 abgehoben. Dementsprechend steht der
Druckfluidzufuhranschluss 12 in dem EIN-Zustand mit dem
Druckfluidablassanschluss 14 in Verbindung. Das Druckfluid
wird von dem Druckfluidzufuhranschluss 12 über den
Spalt zwischen dem Sitzventil 54 und dem ersten Sitz 58 in
die Ventilkammer 62 eingeführt. Das Druckfluid wird außerdem über den
Druckfluidablassanschluss 14 einer nicht dargestellten
fluidbetätigten
Vorrichtung zugeführt.
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Wird
auf die Spule 34 elektrische Energie aufgebracht, so wird
mit anderen Worten, wie es in 4 dargestellt
ist, die Anziehungskraft (fa) des Elektromagneten durch die Erregung
der Spule 34 erzeugt. Wenn die Kraft (fa+F), die durch
Addition der Anziehungskraft (fa) des Elektromagneten zu der Anziehungskraft
(F) des Permanentmagneten 46 erhalten wird, größer wird
als die Federkraft (fs) der ersten Feder 40, so wird der
bewegliche Eisenkern 52 zu dem festen Eisenkern 38 gezogen,
um das Sitzventil 54 zu öffnen.
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Wenn
das Elektromagnetventil 10 in dem EIN-Zustand ist, sitzt
die obere Fläche
des Sitzventils 54 durch die Rückstellkraft der zweiten Feder 56 auf dem
zweiten Sitz 60 auf. Die Verbindung zwischen der Ventilkammer 62 und
dem Ablassanschluss 16 wird blockiert, um eine Abfuhr des
Druckfluides nach außen
zu verhindern.
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Wird
nun die elektrische Energie nicht mehr auf die Spule 34 aufgebracht,
so wird der bewegliche Eisenkern 42 weiterhin durch den
festen Eisenkern 38 angezogen (vgl. 5). Dies bedeutet, dass bei Beendigung
der elektrischen Energieaufbringung die Anziehungskraft (fa) des
Elektromagneten verschwindet. Die Anziehungskraft (F) des Permanentmagneten 46 zur
Anziehung des beweglichen Eisenkerns 42 zu dem festen Eisenkern 38 ist
jedoch größer als
die Federkraft (fs) der ersten Feder 40 (F>fs). Daher wird der
bewegliche Eisenkern 42 weiterhin zu dem festen Eisenkern 38 gezogen,
um das Sitzventil 54 zu öffnen.
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Somit
ist der Permanentmagnet 46 an dem Bereich angebracht, an
dem das Ende des festen Eisenkerns 38 und das Ende des
beweglichen Eisenkerns 42 einander koaxial gegenüberliegen.
Der Permanentmagnet 46 umgibt die äußeren Umfangsflächen des
festen Eisenkerns 38 und des beweglichen Eisenkerns 42 teilweise.
Dementsprechend wird die Kraft des Permanentmagneten 46 zum Halten
des beweglichen Eisenkerns 42 verbessert.
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Wenn
nun die Polarität
des Stromes umgekehrt und die elektrische Energie auf die Spule 34 aufgebracht
wird, wirkt die Anziehungskraft (fb) des Elektromagneten entgegen
der Anziehungskraft (F) des Permanentmagneten 46 (vgl. 6).
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Daher
wird die Federkraft (fs) der ersten Feder 40, die als Rückstellfeder
dient, größer als
die Kraft (F – fb),
die durch Subtraktion der Anziehungskraft (fb) des Elektromagneten
von der Anziehungskraft (F) des Permanentmagneten 46 erhalten
wird. Der bewegliche Eisenkern 42 wird durch die Rückstellkraft
der ersten Feder 40 von dem festen Eisenkern 38 weg
verschoben. Das Verschiebungselement 52 wird integral mit
dem beweglichen Eisenkern 42 verschoben und das Ende des
Verschiebungselementes 52 drückt auf das Sitzventil 54.
Dementsprechend setzt das Sitzventil 54 in dem AUS-Zustand auf
dem ersten Sitz 58 auf.
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Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Permanentmagnet 46 zwischen dem
Spulenkörper 36 und
dem Führungsring 44 angebracht.
Der Permanentmagnet 46 ist außerdem an dem Bereich angebracht,
an dem das Ende des festen Eisenkerns 38 und das Ende des
beweglichen Eisenkerns 42 einander koaxial gegenüberliegen.
Daher umgibt der Permanentmagnet 46 die äußeren Umfangsflächen des
festen Eisenkerns 38 und des beweglichen Eisenkerns 42 teilweise.
Dementsprechend ist die Haltekraft größer als bei dem herkömmlichen
Permanentmagneten 4, der an dem axialen Ende der elektromagnetischen
Spule 3 gegenüber dem
Tauchkolben 8 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird außerdem, selbst wenn eine große Haltekraft
gefordert wird, der Verbrauch an elektrischer Energie nicht erhöht. Dementsprechend
kann Energie gespart werden.
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Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die in einer Richtung gewickelte
Einzelspule 34 verwendet. Der durch die Spule 34 eingenommene
Raum wird im Vergleich zu den herkömmlichen zwei Spulen der elektromagnetischen
Ventilschaltspule 2a und der elektromagnetischen Ventilrückstellspule 2b verringert.
Die Größe der Gesamtvorrichtung
des selbsthaltenden Elektromagnetventils 10 kann minimiert
und ihre Herstellkosten können reduziert
werden.
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Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die als Luftspalt dienende ringförmige Aussparung 48 an
der äußeren Umfangsfläche des Endes
des beweglichen Eisenkerns 42, das dem festen Eisenkern 38 gegenüberliegt,
ausgebildet. Die magnetische Kraft des Permanentmagneten 46 kann daran
gehindert werden, im wesentlichen senkrecht zu der Achse des beweglichen
Eisenkerns 42 zu wirken, wenn der bewegliche Eisenkern 42 in
dem Ursprungszustand den festgelegten Abstand von dem festen Eisenkern 38 aufweist
(vgl. 3). Außerdem kann
die Selbsthaltekraft hoch gehalten werden, wenn der bewegliche Eisenkern 42 zu
dem festen Eisenkern 38 gezogen wird (vgl. 5).
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Obwohl
die Erfindung insbesondere mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass für den Fachmann
Veränderungen
und Abweichungen möglich
sind, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die Ansprüche festgelegt
wird, zu verlassen.