DE69317545T2

DE69317545T2 - Ein elektromagnetisch betaetigtes ventil

Info

Publication number: DE69317545T2
Application number: DE69317545T
Authority: DE
Inventors: Fernando Morinigo; Keith Stuart
Original assignee: Aura Systems Inc
Current assignee: Aura Systems Inc
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-10-06
Also published as: AU658336B2; DK0616670T3; WO1994008165A1; US5222714A; ES2117151T3; CA2123319A1; EP0616670A4; JPH07502098A; ATE164213T1; EP0616670A1; DE69317545D1; KR100190893B1; EP0616670B1; AU5298893A; CA2123319C; JP2755485B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, und insbesondere ein elektromagnetisch betätigtes Ventil mit einer einzigartigen elektromagnetischen Gestaltung, die das Öffnen und Schließen des Ventils mit hoher Frequenz erlaubt, wobei das Ventil zudem weniger Energie verbraucht.

STAND DER TECHNIK

Früher wurden bereits Ventile zum Öffnen und Schließen von Mechanismen entworfen, die die Wirkung von Federn und Elektromagneten verbinden. Die bisherigen Entwürfe haben jedoch nicht schnell genug gearbeitet, um die Ventile mit ausreichender Geschwindigkeit zu öffnen und zu schließen. Beispielsweise konnten Ventile mit Federwirkung nicht mit der Geschwindigkeit entworfen werden, die normalerweise zum Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile eines Verbrennungsmotors erforderlich ist, oder mit der Geschwindigkeit, die für Luftkompressoren nötig ist.
Der Grund dafür, dass die bisherigen Ventilentwürfe bei den gewünschten hohen Geschwindigkeiten nicht arbeiten konnten, liegt in einigen klaren physikalischen Faktoren. Erstens sind die Kräfte, die ein Elektromagnet ausüben kann, proportional zur Fläche der Polschuhe des Elektromagneten. Zweitens muss das bewegliche Teil einen Rückflussweg für den magnetischen Fluss bereitstellen, der die gleiche Querschnittsfläche senkrecht zum Fluss hat wie die Polschuhe. Drittens besteht eine praktische Beg enzung für die Größe des Magnetfelds, das man in ferromagnetischen Materialien erzeugen kann. Den begrenzenden Faktor bezeichnet man als Sättigung. Diese drei physikalischen Faktoren wirken zusammen, so dass man in bisherigen Entwürfen die Masse des Teils, das den Rückflussweg für den magnetischen Fluss bereitstellt, nicht klein genug halten konnte, und es für die beabsichtigten Anwendungen, beispie!sweise moderne Verbrennungsmotoren, nicht schnell genug beschleunigt werden konnte.
Eine elektromagnetisch arbeitende Einstellvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch list aus US 5,131,624 bekannt. Die Vorrichtung umfasst zwei gegenüberliegende Elektromagnete, mit deren Hilfe ein Anker bewegt werden kann, der das Steuerbauteil betätigt. Das Steuerbauteil kann in zwei entgegengesetzte Schaltstellungen bewegt werden, wobei die Gleichgewichtslage eines Federsystems zwischen den Schaltstellungen liegt. Den Arbeitshub des Steuerbauteils kann man durch das Ändern der Stellung der Polfläche eines Elektromagneten und der Basis einer oder mehrerer Federn des Federsystems verändern.
Ein Stellglied ist auch in US 4,719,882 offenbart. Dieses Schriftstück offenbart ein Stellglied, das zwei gegenüberliegende Elektromagnete aufweist, wobei eine Betätigungsbaugruppe zwischen den gegenüberliegenden Elektromagneten angeordnet ist. Durch abwechselndes Erregen der Elektromagnete kann die Betätigungsbaugruppe zwischen zwei einander gegenüberliegenden Arbeitsstellungen bewegt und dort gehalten werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es die Hauptaufgabe der Erfindung, einen oder mehrere der Nachteile und Beschränkungen des Stands der Technik zu überwinden.
Eine herausragende Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektromagnetisches Ventil bereitzustellen, das eine ausreichende Polschuhfläche zum Erzeugen der gewünschten elektromagnetischen Kräfte aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektromagnetisches Stellglied bereitzustellen, das einen Flussrückweg mit ausreichender Fläche zum Erzeugen der gewünschten elektromagnetischen Kräfte liefert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektromagnetisches Stellglied bereitzustellen, dessen bewegte Masse so klein ist, dass sie eine Ventilbetätigung mit größeren Geschwindigkeiten und höheren Frequenzen als der Stand der Technik erlaubt.
Gemäß einem allgemeinen Merkmal der Erfindung umfasst ein elektromagnetisch betätigtes Ventil zumindest ein Paar elektromagnetischer Elemente, und jedes Paar elektromagnetischer Elemente enthält zudem ein oberes elektromagnetisches Element und ein unteres elektromagnetisches Element, wobei jedes elektromagnetische Element einen ringförmigen waagrechten Querschnitt hat, der eine mittige Kammer bestimmt, und einen im wesentlichen bogenförmigen senkrechten Querschnitt, wobei der bogenförmige Querschnitt einen mittigen Kanal bestimmt, und wobei zudem die oberen und unteren elektromagnetischen Elemente des Paars einander spiegelbildlich gegenüberliegen. Jedes elektromagnetische Paar enthält ein Kernelement, das einen ringförmigen waagrechten Querschnitt hat und zwischen den oberen und unteren elektromagnetischen Elementen angeordnet ist. Im mittigen Kanal eines jeden elektromagnetischen Elements ist eine Spule angeordnet. In der mittigen Kammer des elektromagnetischen Elements sind eine Ventilstange und eine Feder angeordnet, wobei die Feder das Kernelement in eine neutrale Stellung vorspannt. Eine Verbindungsplatte verbindet die Kernelemente und die Ventilstange. Speist man Strom in die Spule im oberen elektromagnetischen Element ein, so schließt das Ventil. Wird der Strom in der Spule im oberen elektromagnetischen Element unterbrochen und Strom in die Spule im unteren elektromagnetischen Element eingespeist, so öffnet das Ventil.
Eine Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass die Polflächen der Elektromagnete eine größere Polschuhfläche bereitstellen als der Stand der Technik.
Eine weitere Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass der Entwurf der Elektromagnete und des Kernelements ein starkes magnetisches Feld liefert und dazu relativ wenig Energie verbraucht wird.
Eine weitere Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass die Form der Kernelemente eine größere Polschuhfläche liefert als bei herkömmlichen Ventilen.
Noch eine weitere Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass der Kernbaugruppenentwurf eine bewegte Kernbaugruppe liefert, die eine kleinere Masse hat als herkömmliche Kernbaugruppen.
Noch eine weitere Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass die Flusspfade des elektromagnetischen Kreises einen wirksamen magnetischen Kreis mit sehr geringen Streuverlusten bilden.
Diese und weitere Aufgaben, Vorzüge und Merkmale der Erfindung werden für Fachleute leicht erkennbar, wenn sie die folgende Beschreibung einer beispielhaft bevorzugten Ausführungsform zusammen mit den beigefügten Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen betrachten.
Erfindungsgemäß wird ein elektromagnetisch betätigtes Ventil bereitgestellt, umfassend: zumindest ein Paar ringförmiger elektromagnetischer Elemente, wobei jedes Paar der elektromagnetischen Elemente ein erstes elektromagnetisches Element und ein zweites elektromagnetisches Element enthält und jedes der ersten und zweiten ringförmigen elektromagnetischen Elemente eine mittige Kammer bestimmt und einen im wesentlichen bogenförmigen oder im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist, der Polflächen der elektromagnetischen Elemente bestimmt, wobei das Paar ringförmiger elektromagnetischer Elemente so angeordnet ist, dass sich die entsprechenden Polflächen der elektromagnetischen Elemente gegenüberstehen; zumindest ein ringförmiges Kernelement, das entsprechende Kernpolflächen aufweist, wobei das Kernelement zwischen den ersten und zweiten elektromagnetischen Elementen angeordnet ist; eine Spule, die innerhalb eines jeden elektromagnetischen Elements angeordnet ist; eine Ventilstange, die in der mittigen Kammer der elektromagnetischen Elemente angeordnet ist; eine Feder, die in der mittigen Kammer der elektromagnetischen Elemente angeordnet ist, wobei die Feder das Kernelement in eine neutrale Stellung vorspannt; und eine Verbindungsplatte, die das Kernelement mit der Ventilstange verbindet, wobei das Einleiten von Strom in die Spule im ersten elektromagnetischen Element bewirkt, dass das Ventil schließt, und das Unterbrechen des Stroms in der Spule im ersten elektromagnetischen Element und das Einleiten von Strom in die Spule des zweiten elektromagnetischen Elements bewirkt, dass das Ventil öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen der ringförmigen elektromagnetischen Elemente so angeordnet sind, dass sie ein konkaves Profil aufweisen; und dadurch dass die Kernpolflächen so angeordnet sind, dass sie ein konvexes Profil aufweisen, das mit den entsprechenden Polflächen der elektromagnetischen Elemente zusammenpasst.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt: Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigten Ventils;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Ventils, die das Ventil in seiner neutralen Stellung ohne Energiezufuhr darstellt;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform des Ventils nach Fig. 2, die das Ventil in seiner geschlossenen Stellung darstellt;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform des Ventils nach Fig. 2, die das Ventil in seiner geöffneten Stellung darstellt; und
Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigten Ventils.

BESCHREIBUNG EINER AUSGEWÄHLTEN BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Es wird nun Bezug auf Fig. 1 genommen. Sie zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils 10 im Querschnitt. In der dargestellten Ausführungsform enthält das Ventil 10 zwei Paar elektromagnetischer Elemente 12, eine Anzahl Spulen 14, zwei Kernelemente 16, eine Verbindungsstange 18, eine Feder 20, eine Ventilstange 22 und ein Ventilgehäuse 24. Jedes der elektromagnetischen Elemente 12 ist bevorzugt torusförmig und erstreckt sich ringförmig um die Ventilstange 22. Die Ringform der elektromagnetischen Elemente 1 2 bestimmt eine mittige Kammer 26. Die mittige Kammer 26 bestimmt ferner eine mittige senkrechte Achse 28. Die Elemente 1 2 bilden keinen geschlossenen Torus, siehe Fig. 1, sondern haben statt dessen eine Querschnittsanordnung in Form eines Bogens oder sind im wesentlichen U-förmig (siehe Fig. 5). Die elektromagnetischen Elemente 12 bestimmen somit jeweils zwei offene Flächen 44, die zu einem mittigen Kanal 30 in den elektromagnetischen Elementen 12 führen. Die offenen Flächen 44 liefern eine große elektromagnetische Polschuhfläche.
Die Spulenelemente 14 verlaufen im Kanal 30 der elektromagnetischen Elemente. Die mittige Anordnung der Spulenelemente und die Querschnittsform der elektromagnetischen Elemente liefern eine größtmögliche magnetomotorische Kraft mit kleinstmöglichem Widerstand und daher mit der größtmöglichen Kraft.
Jedes Paar elektromagnetischer Elemente 1 2 umfasst zudem ein oberes elektromagnetisches Element 32 und ein unteres elektromagnetisches Element 34. Die oberen und unteren elektromagnetischen Elemente liegen einander spiegelbildlich gegenüber, wobei die mittigen Kanäle 30 der oberen und unteren elektromagnetischen Elemente einander gegenüber stehen.
1 5 Zwischen den oberen und unteren elektromagnetischen Elementen 32, 34 ist das Kernetement 1 6 angeordnet. Das Kernelement 1 6 hat in waagrechter Richtung bevorzugt einen ringförmigen Querschnitt und in senkrechter Richtung einen rhombusförmigen Querschnitt. Die Rhombusform dient zum Verringern der Masse des Kernelements. Die Rhombusform des Kernelements 1 6 enthält auch bevorzugt eine Öffnung 36 in der Mitte, um die Masse des Kernelements 1 6 zu verringern. Durch die Rhombusform besitzt das Kernelement auch vier Flächen 42, die eine relativ große Polschuhfläche bilden. Die vier Flächen 42 sind auch so geneigt, dass sie den bestmöglichen Kontakt mit den elektromagnetischen Elementen 32, 34 aufweisen. Der Winkel der Polflächen relativ zur Hubbewegung des Ventils dient dazu, die erforderliche Stromstärke zum Ziehen des Ventils aus der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung und umgekehrt zu verringern.
Gegenüberliegende Enden des Kernelements 16 sind über die Verbindungsstange oder -platte 18 aneinander befestigt. Die Verbindungsstange 18 ist zudem an der Ventilstange 22 befestigt, und zwar bevorzugt in der Mitte der Verbindungsstange 18. Die Ventilstange 22 verläuft bevorzugt axial ausgerichtet mit der mittigen senkrechten Achse 28 der Mittenkammer 26 der elektromagnetischen Elemente 12.
Die Feder 20 ist ebenfalls in der mittigen Kammer 26 angeordnet und umgibt bevorzugt die Ventilstange 22. Das Ventilgehäuse 24 enthält auch einen oberen Abschnitt 38 und einen unteren Abschnitt 40, die die Feder 20 berührt.
Es wird nun Bezug auf Fig. 2, 3 und 4 genommen und die Arbeitsweise des Ventils 10 beschrieben. Man beachte, dass in diesem Zusammenhang die Kernbaugruppe 1 6 den Kern und die mit dem Kern verbundene Baugruppe für jede besondere Anwendung enthält. Fig. 1 zeigt das Ventil in seiner neutralen Stellung ohne Energiezutuhr. Die Feder 20 hält den Kern 16 in der Mitte zwischen den oberen und unteren Elektromagneten 32, 34 in der Gleichgewichtslage. Fig. 2 zeigt das Ventil in der geschlossen Stellung.
Damit das Ventil 1 0 aus der neutralen Stellung in die geschlossene Stellung übergeht, speist man einen kurzen Hochstromimpuls in die Spule 14a ein, der eine elektromagnetische Kraft erzeugt, die den Kern 16 zum oberen Elektromagneten 32 zieht. Die elektromagnetische Kraft überwindet die Kräfte der Feder 20 und bewegt damit das Ventil 10 in seine geschlossene Stellung. Befindet sich das Ventil 10 in seiner geschlossenen Stellung, ist nur ein kleiner stationärer Strom in der Spule 14a erforderlich, um das Ventil 10 in seiner geschlossenen Stellung zu halten.
Der Kern 16 bleibt solange in der geschlossenen Stellung, solange die anziehende Kraft zwischen dem Kern 16 und dem Elektromagneten 32 größer ist als die Kraft, mit der die Feder 20 versucht, den Kern 16 in die neutrale Stellung zurückzuführen. Zum Öffnen des Ventils 10 wird der Strom unterbrochen, der in der Spule 14a fliesst. Nach dem Unterbrechen des Stroms treibt die Feder 20 die Kernbaugruppe 16 in die neutrale Stellung zurück, wobei die Kernbaugruppe 16 an Geschwindigkeit gewinnt, wenn sie sich der neutralen Stellung nähert. Die verbleibende Kraft der Feder 20 auf die Kernbaugruppe 16 ist in der neutralen Stellung null, gemäß dem Newtonschen Bewegungsgesetz bei größter Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit bewegt daher die Kernbaugruppe 16 über die neutrale Stellung hinaus. Hat die 15 Kernbaugruppe 16 die neutrale Stellung durchlaufen, so übt die Feder 20 eine Kraft entgegen der Geschwindigkeit auf die Kernbaugruppe 16 aus, die die Kernbaugruppe 16 abbremst, wenn sie sich dem unteren Elektromagneten 34 nähert.
Bei sehr geringer Reibung bewegt sich die sich bewegende Kernbaugruppe 16 um einen Abstand zur neutralen Stellung hinter die neutrale Stellung, der ungefähr dem Abstand von der neutralen Stellung zu Beginn der Bewegung auf der gegenüberliegenden Seite entspricht. Nähert sich die Kernbaugruppe 16 dem unteren Elektrg magneten 34, so reicht ein relativ kleiner Strom in der Spule 14b zum Bereitstellen einer Kraft, die den Energieverlust durch die mechanische Reibung und die Federdämpfung ausgeicht. Der Strom in der Spule 14b reicht auch dazu aus, das Ventil in der geöffneten Stellung zu halten, siehe Fig. 4.
Befindet sich das Ventil 10 im mit Energie versorgten Betriebszustand, so liefert die in der zusammengedrückten Feder 20 gespeicherte Energie nahezu die gesamte Energie, die zum Bewegen des Ventis 10 aus der offenen Stellung in die geschlossene Stellung oder umgekehrt erforderlich ist. Ein geringer Energieverlust durch die Reibung wird durch die Anziehung des unteren Elektromagneten 34 auf die Kernbaugruppe 16 ausgeglichen. Die Anziehung beginnt, sobald der Strom in der Spue 14b eingeschaltet wird. Daher schaltet man die Spule 14b bevorzugt zu einem frühen Zeitpunkt in der Ventilöffnungsabfolge ein, der kurz auf das Unterbrechen des Stroms in der Spule 14a folgt.
Damit löst der Entwurf der Erfindung wie beschrieben die Schwierigkeiten, eine ausreichende Polschuhfläche, einen ausreichenden Flussrückweg und ein ausreichend großes Magnetfeld, des die gewünschte Kraft liefert, bereitzustellen. Es bleibt eine hinreichend kleine bewegte Masse erhalte 9, die einen Ventilbetrieb mit den gewünschten Drehzahlen erlaubt.
Es wird nun Bezug auf Fig. 5 genommen. Sie zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils 10. In dieser Ausführungsform werden ein erstes Paar 46 und ein zweites
Paar 48 elektromagnetischer Elemente verwendet. Das erste Paar Elektromagnete 46 ist oben auf das zweite Paar Elektromagnete 48 aufgesetzt. Im Vergleich dazu ist in der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 das erste Paar Elektromagnete 46 zwischen dem zweiten Paar Elektromagnete 48 und der Ventilstange 22 angeordnet. Der Einsatz mehrerer elektromagnetischer Elementpaare und Kerne wirkt sich dadurch aus, dass die nötigen Massen zum Vervollständigen des magnetischen Kreises geringer werden, ohne dass die dem Fluss zugewiesene Fläche kleiner wird. Obgleich der Strom und die Leistungsanforderungen bei mehrfachen Elektromagnetpaaren und Kernen zunehmen, bleiben der Gesamtstrom und die Leistungsanforderungen gut beherrschbar.
Es wird nun nochmals Bezug auf Fig. 1 genommen. Der Berechnungsvorgang für die erforderlichen Werte der in Fig. 1 bezeichneten Abmessungen wird erklärt. Zuerst werden die grundlegenden Abmessungen in Fig. 1 erklärt. Es bedeuten: b = äußerer Radius eines jeden torusförmigen elektromagnetischen Elements; a = innerer Radius eines jeden torusförmigen elektromagnetischen Elements; r&sub1; = Radius des mittleren Kreises des inneren torusförmigen Elements; r&sub2; = Radius des mittleren Kreises des äußeren torusförmigen Elements, wobei gilt r&sub2; = r&sub1; + 2b; θ = Winkel zwischen dem bewegten Kernelement und einer Ebene senkrecht zur vertikalen Achse; S = Ventilhub; p = Dichte des bewegten Kernelements; m = Masse der bewegten Kernbaugruppe vermindert um die Kemmasse; w = Kreisfrequenz der Ventilbewegung durch die Federrückstellkräfte.
Die Werte b und θ werden durch Optimiergleichungen bestimmt. Den Parameter a bestimmt man indirekt mit Hilfe der dimensionslosen Größe
(1) δ = 1/2(1 - a/b),
der ein fester Wert zugewiesen ist. Der mittlere Radius der beiden Toroide, R, bleibt als freier Parameter, wobei gilt
(2) R = 1/2(r&sub1; + r&sub2;)
so dass die Ergebnisse als Funktion von R dargestellt werden.
Die Querschnittsfläche des bewegten Magnetkernteils wird ausgedrückt als die Fläche von vier Rechtecken minus der Fläche von vier Trapezen. Sei die Länge des Rechtecks b und seine Breite gleich 1/2(b - a) oder b, so erhält man die Querschnittsfläche des bewegten Kerns zu:
(3) Fläche = 4 b²δ(1 - δtanθ)
Für das Kernvolumen erhält man:
(4) Volumen = 2π(r&sub1; + r&sub2;)4b²δ(1 - δtanθ)
Die Masse des bewegten Magnetkernteils ergibt sich wie folgt:
(5) m + p 16πRb²δ(1 - δtanθ)
Berührt der bewegte Kern die Elektromagneten, so lässt sich die Gesamtfläche ausdrücken als:
(6) A = 2π(r&sub1; + r&sub2;)4bδ = 16πRbδ. 35 Die Magnetkraft kann man mit Hilfe der mittleren magnetischen Induktion B, der Berührfläche A, dem Neigungswinkel und der Permeabilität u des freien Raums wie folgt ausdrücken:
(7) Kraft = AP²cos θ/2u&sub0;.
Um sicherzustellen, dass die Federkraft auf die bewegte Baugruppe gleich der magnetischen Kraft ist, wenn die Verschiebung den halben Hub erreicht hat, muss die folgende Gleichung gelten:
(8) [m + p16πRb²δ(1 - δtanθ)]u&sub0;ω²S = B²16πRbδcosθ
Gleichung (8) ist der Ausgangspunkt für die Optimierung der Größe b und des Winkels θ. Um b bestmöglich zu machen, bestimmt man den Wert von b, der die folgende Gleichung kleinstmöglich macht:
(9) m/b +p16πRδ(1 - δtanθ)
Setzt man die Ableitung der Gleichung (9) nach b zu null, so erhält man:
(10) b = 1/ (p/m)16πRδ(1 - δtanθ)
Mit dieser Wahl von b sind beide Seiten der Gleichung (9) gleich. Übernimmt man diesen bestmöglichen Wert für b, so erhält man als Bedingung dafür, dass die magnetische Kraft die Federrückstellkraft ausgleicht:
(11) u&sub0;ω²S pm16πRδ(1 - δtanθ) = B²8πRδcosθ
Für die Optimierung dividiert man beide Seiten der Gleichung (11) durch cosθ und setzt die Beziehung sec²θ = 1 + tan²θ in die Gleichung ein. Man erhält die folgende Funktion:
(12) (1 + tan²θ) (1 - δtanθ)
Werte von θ, die π/4 überschreiten, sind nicht verwendbar, da solche Werte bedeuten, dass die Polschuh-Oberflächen des bewegten Kerns dort nicht mehr eben sind, wo sie flach sein müssen, um die Oberflächen der elektromagnetischen Elemente zu berühren. Leitet man die Gleichung (12) nach tano ab und setzt das Ergebnis gleich null, so erhält man eine quadratische Gleichung mit einer brauchbaren kleineren Wurzel:
(13) tanθ = 2/3δ (1- 1-3δ²) = δ
Da der Wert von δ zwischen 0 und 1/2 liegt, liefert die lineare Näherung der Quadratwurzel eine qualitativ korrekte Vorstellung über den bestmöglichen Wert von tanθ. Das Quadrat der magnetischen Induktion erhält man zu:
(14) B² = u&sub0;ω²S mp(1+tan²θ) (1-δtanθ/4πRδ
Diese Gleichung gilt für jeden beliebigen Wert von θ. Stellt man den Winkel θ so ein, dass das Verhältnis w²/B größtmöglich wird, so hängt tano gemäß Gleichung (13) von θ ab.
Zum Bestimmen des erforderlichen Stroms nehme man zuerst an, dass die Werte für R und B bereits gewählt worden sind. Die magnetomotorische Kraft bzw. die Anzahl der Amperewindungen, die zum Erhalten des magnetischen Induktionsfelds B erforderlich ist, wird aus der Permeabilität des Materials geschätzt, aus dem der Elektromagnet und die Kernelemente aufgebaut sind.
Für eine erste Schätzung setzt man die Weglänge im ferromagnetischen Material gleich dem Umfang eines Kreises, dessen Radius gleich dem Durchschnitt aus a und b ist; man erhält 2π(1 - δ). Aus der Anwendung des Ampereschen Gesetzes auf den magnetischen Kreis in einem der Toroide erhält man:
(15) NI = (B/u)2πb(1 - δ).
Eine wichtige Anforderung an die Erfindung besteht darin, dass die Magnetfelder, die die Spulenströme erzeugen, groß genug sein müssen, um das Ventil in die geschlossene oder geöffnete Stellung zu ziehen, wenn der Spalt die Größe des halben Hubs hat. Bezeichnet man die Verschiebung des bewegten Kerns aus seiner neutralen Stellung mit ×, so berührt der Kern das elektromagnetische Element bei × = 1/2 S. Drückt man die magnetische Kraft zuerst mit Hilfe der Amperewindungen NI, der Berührfläche A und einer Länge aus, die gleich dem Weg L = 2πb(1 - δ)/(u/u&sub0;) im ferromagnetischen Material ist, so kann man die Anforderung zum Überwinden der Federkraft wie folgt ausdrücken:
Behandelt man L als Konstante, so ist der Höchstwert von N/für × = S/6 + L/(6cosθ) erforderlich. Drückt man die Steifheit k der Feder mit Hilfe des magnetischen Felds B&sub0; aus, das zum Offenhalten oder Geschlossenhalten des Ventils nötig ist, so erhält man:
In Gleichung 17 bedeutet B&sub0; die magnetische Induktion, die erforderlich ist, das Ventil entweder in der geöffneten oder der geschlossenen Stellung zu halten. NI ist der Höchststrom, der zum Ziehen des Ventils aus seiner neutralen Stellung entweder in die geöffnete oder die geschlossene Stellung notwendig ist. Man beachte, dass man das erfindungsgemäße Ventil auch zum Betätigen einer äußeren Last verwenden kann. In dieser Ausführungsform der Erfindung besteht die Ventilstange aus einem Betätigung sstab, der mit der äußeren Vorrichtung verbunden ist. Die oberen und unteren elektromagnetischen Elemente werden dann nacheinander bei einer Resonanzfrequenz erregt, um das Feder-Massen-System in Resonanz zu bringen. Damit betätigt das Stellglied die äußere Last, wobei die geringen Stromanforderungen bestehen bleiben.
Es ist eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellglieds beschrieben worden. Fachleute können nun zahlreiche Anwendungen und Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsform einsetzen, ohne den offenbarten Bereich der Erfindung zu verlassen. Dementsprechend ist die Erfindung lediglich durch den Bereich der folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

1. Elektromagnetisch betätigtes Ventil (10), umfassend:

zumindest ein Paar ringförmiger elektromagnetischer Elemente (12), wobei jedes Paar der elektromagnetischen Elemente (12) ein erstes elektromagnetisches Element (32) und ein zweites elektromagnetisches Element (34) enthält und jedes der ersten und zweiten ringförmigen elektromagnetischen Elemente (32, 34) eine mittige Kammer (26) bestimmt und einen im wesentlichen bogenförmigen oder im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist, der Polflächen (44) der elektromagnetischen Elemente bestimmt, wobei das Paar ringförmiger elektromagnetischer Elemente (32, 34) so angeordnet ist, dass sich die entsprechenden Polflächen (44) der elektromagnetischen Elemente gegenüberstehen;

zumindest ein ringförmiges Kernelement (16), das entsprechende Kernpolflächen (42) aufweist, wobei das Kernelement (16) zwischen den ersten und zweiten elektromagnetischen Elementen (32, 34) angeordnet ist;

eine Spule (14), die innerhalb eines jeden elektromagnetischen Elements (32, 34) angeordnet ist;

eine Ventilstange (22), die in der mittigen Kammer (26) der elektromagnetischen Elemente (32, 34) angeordnet ist;

eine Feder (20), die in der mittigen Kammer (26) der elektromagnetischen Elemente (32, 34) angeordnet ist, wobei die Feder (20) das Kernelement (16) in eine neutrale Stellung vorspannt; und

eine Verbindungsplatte (18), die das Kernelement (16) mit der Ventilstange (22) verbindet,

wobei das Einleiten von Strom in die Spule (14) im ersten elektromagnetischen Element (32) bewirkt, dass das Ventil (10) schließt, und das Unterbrechen des Stroms in der Spule (14) im ersten elektromagnetischen Element (32) und das Einleiten von Strom in die Spule (14) des zweiten elektromagnetischen Elements (34) bewirkt, dass das Ventil (10) öffnet,

dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen (44) der ringförmigen elektromagnetischen Elemente so angeordnet sind, dass sie ein konkaves Profil aufweisen; und

dadurch dass die Kernpolflächen (42) so angeordnet sind, dass sie ein konvexes Profil aufweisen, das mit den entsprechenden Polflächen (44) der elektromagnetischen Elemente zusammenpasst.

2. Elektromagnetisch betätigtes Ventil (10) nach Anspruch 1, wobei das Kernelement (16) einen im wesentlichen rhombischen Querschnitt hat.

3. Elektromagnetisch betätigtes Ventil (10) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das Kernelement (16) zudem eine mittige Öffnung (36) bestimmt.

4. Elektromagnetisch betätigtes Ventil (10) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin das Ventil (10) ein erstes und ein zweites Paar elektromagnetischer Elemente (46, 48) umfasst.

5. Elektromagnetisch betätigtes Ventil (10) nach Anspruch 4, worin das erste Paar elektromagnetischer Elemente (46) über dem zweiten Paar elektromagnetischer Elemente (48) angeordnet ist.

6. Elektromagnetisch betätigtes Ventil (10) nach Anspruch 5, worin das erste Paar elektromagnetischer Elemente (46) zwischen der Ventilstange (22) und dem zweiten Paar elektromagnetischer Elemente (48) angeordnet ist.

7. Elektromagnetisch betätigtes Ventil (10) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend ein Ventilgehäuse (24), das die elektromagnetischen Elemente (32, 34) und die Kernelemente (16) umgibt, und worin eine erste und eine zweite Oberfläche (38, 40) des Ventilgehäuses (24) ferner dazu dient, die Feder (20) vorzuspannen.

8. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der Querschnitt der elektromagnetischen Elemente zwei gewinkelte Polflächen des elektromagnetischen Elements bestimmt, und worin das Kernelement zudem vier Kernpolflächen bestimmt, die so gewinkelt sind, dass sie den gewinkelten Polflächen der elektromagnetischen Elemente entsprechen.

9. Elektromagnetisches Stellglied, umfassend ein elektromagnetisch betätigtes Ventil (10) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in dem die Ventilstange eine Betätigungsstange umfasst, die mit einer. äußeren Last verbunden ist, und die Verbindungsplatte die Kernelemente (16) mit der Betätigungsstange verbindet, wobei das aufeinanderfolgende Einspeisen von Strom in den ersten und den zweiten Elektromagneten mit einer Resonanzfrequenz bewirkt, dass das Stellglied in Resonanz gerät und die äußere Last betätigt.