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Die Erfindung betrifft ein Magnetventil, das mit Hilfe eines
elektrischen, zyklischen Signals gesteuert wird.
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Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein
Magnetventil mit einem Gehäuse mit wenigstens einem Eingang
und wenigstens einem Ausgang für ein Medium, ferner mit einem
mit dem Gehäuse fest verbundenen Sitz, mit einer Spule, die
von dem elektrischen Signal versorgt wird und die um einen
Unterbau angeordnet ist, der seinerzeit von einem äußeren
magnetischen Kreis umgeben ist, wobei ein fester Kern in den
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Unterbau eingesetzt ist, wobei ferner ein beweglicher Kern
vorgesehen ist, der zwischen einer Lage beweglich ist, in der
er am Sitz anliegt, und einer anderen Lage entfernt von dem
Sitz, wobei der bewegliche Kern der Einwirkung einer
Rückholfeder unterworfen ist, wobei fernerhin der bewegliche
Kern einen ersten Teil aufweist, der einen Leerraum mit
größerem Querschnitt hat als ein zweiter Teil, wobei der erste
Teil mit dem Sitz zusammenarbeitet, um die Funktion eines
Verschlußelements auszuüben und den magnetischen äußeren Kern
durchquert, wobei ein konstanter Spalt definiert wird, während
der zweite Teil mit kleinerem Querschnitt als derjenige des
ersten Teils zum festen Kern gewendet ist und einen variablen
Spalt mit dem festen Kern ausbildet, wobei der konstante Spalt
eine große Fläche hat verglichen mit dem Querschnitt des
variablen Spalts.
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Bei einem derartigen Magnetventil wird der bewegliche Kern in
der Ruhelage von der Rückholfeder an den Sitz angedrückt und
verschließt somit den Sitz. Wenn die Spule an Spannung gelegt
wird, so wird der bewegliche Kern magnetisch in Richtung zum
festen Kern angezogen, wobei er sich vom Sitz entfernt.
Dadurch wird ein Spalt für den Durchtritt eines Mediums
ausgebildet derart, daß wenigstens ein Medienzutritt mit wenigstens
einem Medienaustritt in Verbindung tritt. Dieses Magnetventil
ist konzipiert, um elektrisch durch ein zyklisches oder
periodisches Signal gesteuert zu werden, welches Signal in Form
von Rechteckimpulsen vorliegt. Die Frequenz der Impulse ist
fest, aber das zyklische Verhältnis ist kontinuierlich
variabel, um ein Ergebnis (beispielsweise die Abgabe eines Mediums)
zu erhalten, proportional zu einer Eingangsgröße. Diese
Betriebsart in an sich bekannt. Vergleiche hierzu die EP-A-
0055518.
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Ein Magnetventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Patentanspruch 1 ist in der US-A-4 326 696 beschrieben. Bei der
dort beschriebenen Ausführungsform weist derjenige Teil mit
dem kleinen Querschnitt des beweglichen Kerns eine geringe
Länge auf, verglichen mit dem Teil mit größerem Querschnitt.
Der Teil mit dem kleineren Querschnitt dient lediglich dazu,
ein Ende der Rückholfeder auf zunehmen. Der Teil mit dem
kleineren Querschnitt übt also in Bezug auf die Führung des
beweglichen Kerns keinerlei Funktion aus.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, derartige
Magnetventile zu verbessern, insbesondere in Bezug auf die Führung
des beweglichen Kerns, was bei hochf requenten Bewegungen des
Kerns wichtig ist, die auf dem periodischen oder zyklischen
Funktionieren beruhen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße
Magnetventil dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil von einem
zyklischen elektrischen Signal gesteuert ist, daß der zweite
Teil des beweglichen Kerns bezogen auf die Länge des ersten
Teils eine bedeutende Länge aufweist, und daß der zweite Teil
gleitend in einem festen Führungsorgan montiert ist, das vom
Unterbau getrennt ausgebildet ist.
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Falls das Magnetventil rotationssymetrisch ausgebildet ist,
ist der erste Teil des beweglichen Kerns ein zylindrisches
Teil mit großem Durchmesser, das mit dem Sitz
zusammenarbeitet, der eine Ringform hat und daß der zweite Teil des
beweglichen Kerns ein zylindrisches Teil mit kleinerem Durchmesser
als der erste Teil ist, bezogen auf seinen eigenen Durchmesser
eine bedeutende Länge hat und gleitend im festen Führungsorgan
montiert ist, das die Form einer Buchse hat.
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Das Magnetventil ist somit durch einen beweglichen Kern mit
besonderen Eigenschaften gekennzeichnet, bei dem man zwei
Teile unterscheidet, nämlich einen aktiven magnetischen Teil,
der lang ist und einen kleinen Querschnitt hat, der also einen
variablen Spalt mit kleinem Querschnitt definiert, und einen
magnetisch inaktiven Teil, der hohl ist, einen großen
Querschnitt hat und der dazu dient, den magnetischen Kreis zu
schließen, wobei ein konstanter Spalt mit dem Rest des
magnetischen Kreises definiert wird. Diese Anordnung ermöglicht:
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a) die magnetischen Verluste zu minimieren, und zwar
beruhend auf dem erhöhten Verhältnis zwischen der Oberfläche
des konstanten Spaltes und dem Querschnitt des variablen
Spaltes,
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b) die Masse des beweglichen Kerns zu minimieren, und zwar
wegen des kleinen Durchmessers des aktiven Teils und
wegen der Höhlung im Teil mit dem großen Durchmesser,
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c) eine optimale Führung des beweglichen Kerns, wobei dieser
Teil einen wirklichen Führungsschaft für den beweglichen
Kern ausbildet, und zwar wegen des erhöhten Verhältnisses
zwischen der Länge des Teils mit dem kleinen Durchmesser
und dem Durchmesser selber.
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Diese drei miteinander kombinierten Merkmale ermöglichen es,
die Zeit zum Öffnen und zum Schließen des Magnetventils zu
verringern, so daß das Magnetventil insgesamt bei höherer
Frequenz arbeiten kann. Auch werden Wellenausbildungen des
Druckverlaufs am Ausgang des Mediums bei dem erfindungsgemäßen
Magnetventil verringert.
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Entsprechend einem ergänzenden Merkmal der Erfindung hat der
feste Kern einen einstellbaren Kern, der vom Sitz entfernt
oder ihm angenähert werden kann. Bei einer besonderen
Ausführungsform ist der feste Kern rohrförmig ausgebildet und hat
ein Innengewinde, das einen einstellbaren mittleren Teil
aufnimmt, der mit einem Außengewinde versehen ist. Der
einstellbare mittlere Teil weist in vorteilhafter Weise einen
Betätigungskopf auf, der von außen her zugänglich ist, und der zum
Festschrauben oder Losschrauben des einstellbaren mittleren
Teils relativ zum festen Kern ausgebildet ist, und zwar mit
Hilfe eines Werkzeugs, beispielsweise eines Schraubendrehers.
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Zwei Anwendungen sind für den einstellbaren Kern möglich:
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a) Bei einer ersten Anwendungsform wird der variable Spalt
genau eingestellt oder geregelt. Dies ist für das
Funktionieren bei hohen Frequenzen notwendig und man kann
dies bei der Montage direkt nicht erhalten,
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b) bei einer zweiten Anwendungsform wird der Weg des
beweglichen Kerns eingestellt oder geregelt, also der
Öffnungsgrad des Elektroventils, der seinerseits wiederum
das Passieren des Mediums zwischen dem Sitz und dem
beweglichen Kern bestimmt. Dadurch kann man präzise den
Druck am Ausgang des Magnetventils steuern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der einstellbare
mittlere Teil am festen Führungsorgan an, und zwar zwecks
anfänglicher Einstellung der Position des Führungsorgans, das
als Endanschlag für den beweglichen Kern dient. Die
Verschiebung des beweglichen Kerns, die von der Position der
Führungsbuchse bestimmt ist, ist kleiner als der variable Spalt
derart, daß dieser während des Betriebs niemals gleich Null wird.
Auch dieses Merkmal ist bei Arbeiten mit hohen Frequenzen
vorteilhaft.
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Die Erfindung ist anhand der nachfolgenden Beschreibung mit
der beigefügten Zeichnung besser verständlich, wobei
beispielhaft und nicht beschränkend eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Magnetventils dargestellt ist.
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Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Magentventil in einem
Längsschnitt, und zwar in seiner Ruhelage.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um
ein Magnetventil mit drei Eingängen bzw. Ausgängen, wobei ein
Gehäuse 1 mit drei Zugängen 2, 3 und 4 vorgesehen ist. Ein
erster Zugang 2 ist entsprechend einer Hauptachse 5 des
Magnetventils ausgerichtet und die beiden anderen Zugänge 3, 4
sind entsprechend ein und derselben Achse 6 ausgerichtet, die
senkrecht auf der Hauptachse 5 steht. Die Zugänge 2, 3 stehen
miteinander dauernd in Verbindung. Das Gehäuse des
Magnetventils begrenzt eine innere Kammer 7 und ein Teil des Gehäuses
1 bildet im Inneren der Kammer 7 einen ringförmigen Sitz 8
aus, der vorgesehen ist, um mit einem Teil eines beweglichen
Kerns 9 zusammenzuarbeiten, der längs der Achse 5 verschiebbar
ist.
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Die Betätigungseinheit für das Magnetventil weist eine Spule
10 auf, die um eine Karkasse oder einen Unterbau 11 gewickelt
ist. Sie ist von einem äußeren Magnetkreis 12 umgeben. Ein
fester Kern 13 ist rohrförmig ausgebildet und ist in den
Unterbau 11 eingesetzt. Der feste Kern 13 hat ein Innengewinde,
das zur Montage eines zentralen, einstellbaren Kerns 14 dient,
der außen mit einem Gewinde 15 versehen ist. Der einstellbare
Kern 14 hat außerdem einen Betätigungskopf 16, der von außen
her zugänglich ist und der beispielsweise einen Schlitz 17 hat
zum Eingriff durch einen Schraubendreher, der dann in Richtung
des Pfeiles F gedreht wird. Der einstellbare Kern 14 kann also
in Richtung der Achse 5 verschoben werden, und zwar durch
Festschrauben oder Losschrauben relativ zum festen Kern 13.
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Der bewegliche Kern 9 hat an derjenigen Seite, die zum Sitz 8
weist, einen ersten zylindrischen Teil 18, der hohl ist und
der einen großen Durchmesser hat, gemessen an dem weiter unten
näher erläuterten zweiten Teil. An derjenigen Seite, die zum
festen Kern 13 und zum einstellbaren Kern 14 weist, ist ein
zweiter zylindrischer Teil 19 vorgesehen, der länger ist und
der einen kleineren Durchmesser hat als der erste Teil 18. Der
Teil 19 mit kleinem Durchmesser ist gleitend längs der Achse
5 montiert, und zwar in einer Führungsbuchse 20, die mit dem
Unterbau 11 fest verbunden ist. Eine Schrauben-Rückholfeder 21
ist zwischen einer Schulter der Führungsbuchse 20 einerseits
und dem hohlen Teil 18 mit dem großen Durchmesser des
beweglichen Kerns 9 andererseits komprimiert.
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Die besondere Ausgestaltung des beweglichen Kerns 9 definiert
in der zeichnersich dargestellten Ruhelage einen Spalt E mit
kleinem Querschnitt zwischen dem zweiten Teil 19 des
beweglichen Kerns 9 und der Stirnfläche des einstellbaren Kerns 14.
Der Spalt E ist variabel. Ein weiterer, konstanter Spalt e mit
größerem Querschnitt ist zwischen der Seitenfläche des ersten
Teils 18 desselben beweglichen Kerns 9 und demjenigen Teil des
äußeren Magnetkreises 12 ausgebildet, der sich dem ersten Teil
18 gegenüber befindet.
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Im Ruhezustand drückt die Feder 21 den ersten Teil 18 des
beweglichen Kerns 9 an den Sitz 8 des Gehäuses 1 an. Der Teil
18 dient also als Verschluß, wobei der Zugang 4 von den beiden
anderen Zugängen 2, 3 isoliert wird.
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Wird die Spule 10 an Spannung gelegt, so wird der bewegliche
Kern 9 durch den einstellbaren Kern 14 angezogen. Der
bewegliche Kern 9 wird also längs der Achse 5 verschoben, und zwar
entgegen der Kraft der Feder 21 derart, daß sein Teil 18 mit
großem Durchmesser sich vom Sitz 8 entfernt. Der Zugang 4
steht also jetzt mit den beiden anderen Zugängen 2, 3 in
Verbindung.
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Das vorstehend beschriebene Magnetventil ist so konstruiert,
daß die Spule 10 von einem elektrischen Signal fester Frequenz
versorgt wird, wobei das Signal in Form von Rechteckimpulsen
vorliegt. Wenn man kontinuierlich das zyklische Verhältnis
dieses Signal variert, so ändert man kontinuierlich den Druck,
der beispielsweise im Zugang 3 herrscht. Man erhält somit eine
Antwort proportional zu einem gewissen Steuerbefehl.
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Das Verschrauben des einstellbaren Kerns 14 ermöglicht eine
Einstellung des variablen Spalts E. Bei der Montage wird die
Führungsbuchse 20 in den Unterbau 11 eingedrückt, bis sie
Kontakt mit dem festen Kern 13 hat. Nach der Montage des
einstellbaren Kerns 14 stellt man den Spalt E ein, wozu der
einstellbare Kern 14 verschraubt wird, der die Führungsbuchse 20
verschiebt. Man kann aber nicht wieder zurückkommen.
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Der einstellbare Kern 14 ermöglicht es daher, den variablen
Spalt E auf einen genauen Wert einzustellen. Eine derartige
Einstellung ist für das Funktionieren des Magnetventils bei
hohen Frequenzen notwendig. Dies kann direkt bei der Montage
nicht erreicht werden. Die eingestellte Position des Kerns 14
und der Buchse 20 bestimmen darüber hinaus den Weg des
beweglichen Kerns 9, somit also den Grad der Öffnung des
Magnetventils entsprechend dem Durchtritt des Mediums zwischen dem Sitz
8 und dem Teil 18 des beweglichen Kerns 9. Man kann somit
präzise den Druck am Zugang 3 kontrollieren, wenn das
Magnetventil offen ist. Der Weg des beweglichen Kerns 9 wird
bestimmt durch den Anschlag seines Teils 19 an der Buchse 20,
also durch die Seite d in der Figur, die kleiner ist als der
variable Spalt E. Daraus ergibt sich, daß der variable Spalt
E während des Betriebs niemals gleich Null wird, was ebenfalls
beim Betrieb bei hohen Frequenzen vorteilhaft ist.
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Das erfindungsgemäße Magentventil ist insbesondere bestimmt
für die Steuerung oder Regelung bei pneumatischen Kreisen. Es
sind aber auch Anwendungen beim Komprimieren und
Dekomprimieren von Luft möglich. Das Magnetventil kann beispielsweise zur
Proportionalsteuerung von pneumatischen
Kolben-Zylinder-Einheiten eingesetzt werden, bei der Kraft oder beim
Verschiebeweg von Kolben-Zylinder-Einheiten und allgemein bei der
Proportionalsteuerung oder Proportionalregelung strömender Luft.