EP2308064B1 - Hubmagnetanordnung und ventilanordnung - Google Patents

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EP2308064B1
EP2308064B1 EP09777302A EP09777302A EP2308064B1 EP 2308064 B1 EP2308064 B1 EP 2308064B1 EP 09777302 A EP09777302 A EP 09777302A EP 09777302 A EP09777302 A EP 09777302A EP 2308064 B1 EP2308064 B1 EP 2308064B1
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EP
European Patent Office
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armature
section
collar
valve
stroke
Prior art date
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EP09777302A
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English (en)
French (fr)
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EP2308064A1 (de
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Jürgen Grün
Horst Bartel
Roland Schemmp
Klemens Strauss
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
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    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1607—Armatures entering the winding
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    • H01F2007/1661—Electromagnets or actuators with anti-stick disc

Definitions

  • the invention relates to a Hubmagnetan extract with a pole tube.
  • the invention further relates to a valve arrangement.
  • a pressure-tight solenoid has, in addition to the pole tube, a coil for actuating an armature which is axially movably guided in an armature space of the pole tube.
  • the pole tube consists essentially of a pole piece - also Polkern - which can be screwed via a central thread in a valve housing, a non-magnetic intermediate piece and a subsequent to this piece of pipe which is closed on the side facing away from the pole piece frontally by means of a serving as a stroke limiter component ,
  • the pole piece, the intermediate piece, the pipe section and the stroke limiter delimit the armature space for the armature cooperating with the coil.
  • This is connected to a plunger, which passes through the pole piece in the axial direction and is used to actuate a valve spool of a hydraulic valve.
  • the non-magnetic spacer serves to divert the magnetic flux into the armature.
  • This non-magnetic intermediate piece may be formed annular cone-shaped for achieving a favorable force-displacement curve. In the production of such a shape but associated with effort. Especially With simple solenoids, the simplest possible geometry of the intermediate piece should be used.
  • the JP-09306731 A which is considered as the closest prior art, shows an electromagnet in which a pole tube is formed by a Polkern clar and a thin tube piece which is plugged into an outer circumferential groove of the Polkern flirts.
  • the Polkern beau has a double-stepped recess.
  • An associated anchor has a double stepped collar.
  • the second step or recess has a lower height than the first step. It is therefore an object of the present invention to provide an improved solenoid assembly, which in particular can be adapted constructively to the operating force characteristic of a valve in a simple manner.
  • the force-stroke curve can be designed so that on a defined portion of the stroke, namely on the path of the armature between the two edges, a targeted plateau-shaped increase in the force.
  • the Hubmagnetan angel invention is simple and inexpensive to produce. It can be optimally adapted to the flow force characteristics, e.g. to adapt to switching valves. By means of the described design, the force even decreases again in the end region of the armature stroke, ie after immersion of the collar in the depression. This contributes to a lower stress on the anti-stick lens, a lower switching noise and a faster turn-off time. Overall, with the valve arrangement according to the invention with lower electrical power higher valve forces or flow forces can be overcome and in particular switching valves are operated safely and efficiently.
  • valve is combined with a stroke characteristic that is optimally adapted to the flow force conditions of the valve in its characteristic curve.
  • the adjustment is structurally simple on the geometric aspect ratios at the collar and waistband. In a vivid way, for example, the Position of said edges adapted to the course of the opening cross-section of the valve on the Betuschistshub.
  • the transition section is formed of a non-magnetizable material and a separation surface between the transition section and the collar is aligned substantially perpendicular to a central axis of the pole tube.
  • a separation surface between the transition section and the collar is aligned substantially perpendicular to a central axis of the pole tube.
  • the manufacture is e.g. using the resistance welding technique - e.g. capacitor discharge welding or center frequency welding - for joining pole piece and separator ring, which forms the transition section, particularly simple.
  • an anti-sticking disc is arranged between the end face of the armature and the shoulder of the pole piece.
  • the anti-slug also withstands high loads.
  • the anti-stick disc could even be mounted on the collar and thus rest on the end face of the anchor captive.
  • the geometry described anchor and Polkernabites can also be cleaned to damp a stop of the anchor on the pole core.
  • a radial gap between the collar and the depression is sized accordingly.
  • the fluidic damping then takes place via the displacement of fluid from an outer annular space between the armature - more precisely its end face and the collar - and the shoulder of the recess.
  • a first position of the armature wherein the end face of the armature faces a boundary line of the end face of the collar, a low degree of opening of the valve, ie a position of the valve piston at the flow forces are relevant.
  • a second position of the armature in which an end face of the collar of the armature of the shoulder facing the recess, corresponds to a stronger degree of opening of the valve, in which the valve piston has almost completed its opening stroke and in which the flow forces relax again. This can e.g. Be 25% and 75% of the opening stroke of the valve piston.
  • FIG. 1 a solenoid assembly 1 for actuating a valve spool of a hydraulic valve (not shown) is shown.
  • the Hubmagnetan Aunt 1 has a fluid-tight pole tube 3.
  • the pole tube 3 has a Polkernabrisk 5, a separating section 7 - in the claims also referred to as a transition section -, a pipe section 9 and a closure piece 11 - also called stroke limitation.
  • the pole core section 5, the separation section 7, the pipe section 9 and the closure piece 11 form a circular cylindrical receiving space for an armature 13.
  • a plunger 15 is guided in the pole core section 5 and emerges on the outer end side of the pole core section 5 from this.
  • the pole tube 3 is screwed into a valve housing of the hydraulic valve.
  • a coil component is pushed. This includes the actual coil 19 and a housing made of magnetic material (not shown), which represents a yoke for a magnetic circuit including the pole tube 3.
  • the separating section 7 interrupts the magnetic circuit in the region of the working air gap 21 between the armature 13 and the pole core section 5 and forces the magnetic field lines from the pole core section 5 to the armature 13.
  • the armature 13 is provided at its the Polkernabexcellent 5 facing end face with a projecting from the end face 22 collar 24. On the annular end face 22 an anti-stick washer 25 is placed. If necessary, this can be mounted on the collar 24 for attachment.
  • the armature 13 pass through axial fluid compensation channels 27. These open into an end face 29 of the collar 24.
  • the Polkernabites has on the inside a stepped recess 31 for receiving the armature portion facing it.
  • This depression 31 is divided as follows: A collar 33 protrudes annularly beyond an inside end face 34 of the pole core section 5. The end face 34 further forms a shoulder for a central depression 36.
  • the inner diameter of the collar 33 corresponds to the inner diameter of the separating section 7 and the pipe section 9.
  • the inner diameter of the recess 36 is selected so that the collar 24 can dip into the depression 36.
  • a fluidic damping of the armature movement in the end position can be achieved via a gap between collar 24 and recess 36.
  • the damping volume is located in one of the collar 24, the end face 22, the end face 34 and the collar 33 limited annular space.
  • FIG. 2 The area around the working air gap 21 is in FIG. 2 shown enlarged.
  • a pole tube 3 with such a separating section 7 can be added, for example, by electrical resistance welding of tubular or cup-shaped semi-finished products.
  • the anti-stick disc 25 ' is a variant of FIG. 1 shown.
  • the anti-stick disc 25 ' is inserted into the working air gap 21 and rests on the end face 34. There it can be attached if necessary.
  • the collar 24 is bounded at the end by an outer annular edge 41. Likewise, at the transition from the end face 22 of the armature in the lateral surface of an annular edge 40 is present. On the inner wall of the pole tube 3 is located at the transition from the collar 33 to the separation section 7 an imaginary, circular boundary line 42 at which the magnetizability of the pole tube 3 changes abruptly in the axial course. Between the end face 34 and the recess 36, the annular edge 43 is present in the stepped recess 31 of the Polkernabites 5. This can be bevelled or rounded.
  • FIG. 3 shows a force-stroke characteristic 50 of a conventional Hubmagnetanssen, eg an actuating magnet, as in the above-mentioned DE 197 07 587 A1 describes a force-stroke characteristic curve 52 of the solenoid assembly 1 according to the invention and an actuating force-stroke characteristic curve 54 (dashed line) of a typical directly actuated switching valve of the nominal size 6 or 10.
  • the hub is divided into areas B1 to B6. The length of the areas is in the order of, for example, 1 to 2 mm.
  • the characteristic curve 54 of the valve has a baseline B1 rising to baseline, which is due to the usual action on the valve piston with a return spring and by the friction of the valve piston in the valve bore.
  • the armature 13 begins to move in the direction of the Polkernabitess 5.
  • the movement begins in the area B6 or at the transition from the area B5 to the area B4 - here is an investment on the plunger 15 - with initially low power, as the line 52 shows.
  • the area B3 is the portion of the movement sequence at which the annular edge 40 of the armature 13 passes over the boundary line 42 to the collar. Between the annular edge 40 and the boundary line 42 is a high density of magnetic field lines in the working air gap. When immersing the armature 13 with the annular edge 40 in the collar 33, therefore, there is a significant decrease in the present in the working air gap magnetic field energy. Due to this, the characteristic 52 steeply increases from the area B4 to the area B3.
  • the described solenoid assembly 1 is ideal for operating a switching directional control valve.
  • the typical Betschistskraftkennline 54 on the stroke of the valve spool has, as I said, a significant increase due to flow forces in the increase of the opening cross section, until the full valve opening is reached. This can be seen as a plateau of the actuating force in the areas B2 and B3 of the characteristic 54.
  • the solenoid assembly 1 is now inter alia by means of the lengths of collar 24 and collar 33 designed so that the plateau of the actuating force in the characteristic curve 54 is covered by the plateau-like increase in the magnetic force in the characteristic curve 52. So there is enough magnetic force to safely switch the valve on every section of the armature stroke.
  • the use of the Hubmagnetan teaspoon invention was described in a normally closed switching directional control valve for carrying out the opening stroke.
  • the application can also be used in a normally open switching switching valve to perform the closing stroke.
  • the Hubmagnetan teaspoon invention can also be used to operate a proportional valve.
  • several arranged in stages collars can be provided on the anchor and a corresponding multi-stepped depression on the pole piece, which receives the leaflets each in suitable depressions, are used.
  • Another variant is to form the collar 33 conical. Then, by the previously described shape of the armature 13 with collar 24 and through the stepped recess 31, the proportional range can be extended to a larger stroke range.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hubmagnetanordnung mit einem Polrohr. Die Erfindung betrifft ferner eine Ventilanordnung.
  • Eine derartige Hubmagnetanordnung ist aus der DE 197 07 587 A1 bekannt. Ein druckdichter Hubmagnet besitzt neben dem Polrohr eine Spule zur Betätigung eines in einem Ankerraum des Polrohrs axial beweglich geführten Ankers. Das Polrohr besteht im Wesentlichen aus einem Polstück - auch Polkern -, welches über ein Zentralgewinde in ein Ventilgehäuse einschraubbar ist, einem unmagnetischen Zwischenstück und einem sich an dieses anschließenden Rohrstück, welches an der vom Polstück abgewandten Seite stirnseitig mittels eines als Hubbegrenzung dienenden Bauteils verschlossen ist. Das Polstück, das Zwischenstück, das Rohrstück und die Hubbegrenzung begrenzen den Ankerraum für den mit der Spule zusammenwirkenden Anker. Dieser ist mit einem Stößel verbunden, der das Polstück in axialer Richtung durchsetzt und zur Betätigung eines Ventilschiebers eines hydraulischen Ventils dient. Das unmagnetische Zwischenstück dient zur Umleitung des magnetischen Flusses in den Anker. Dieses unmagnetische Zwischenstück kann zum Erzielen einer günstigen Kraft-Weg-Kennlinie ringkonusförmig ausgebildet sein. Bei der Herstellung ist eine solche Formgebung aber mit Aufwand verbunden. Insbesondere bei einfachen Schaltmagneten soll eine in der Herstellung möglichst einfache Geometrie des Zwischenstücks zur Anwendung kommen.
  • Bespiele, wie ein Anker in Zusammenwirken mit einem Polstück konturiert werden kann, sind in der DE 103 27 875 B4 angegeben. Es sind jedoch hinsichtlich der Herstellung recht aufwendig geformte Polstücke angegeben.
  • Bei herkömmlichen in der Herstellung einfachen Hubmagneten verläuft derzeit die Kraft-Weg-Kennlinie meist nicht optimal. Zur Betätigung von hydraulischen Schalt-/ oder Proportionalventlien sind nämlich schon bei geringen bis mittleren Hüben des Steuerkolbens hohe, der Betätigung entgegen gerichtete Strömungskräfte zu überwinden, welche im weiteren Verlauf des Hubes nur noch wenig zunehmen. Zudem sind die Strömungskräfte oft nur auf einem eng begrenzten Abschnitt des Hubs wirksam. Dagegen entfalten herkömmliche Hubmagnete erst im letzten Hubabschnitt eine hohe Kraft. Die Kraftentfaltung Ist davon abgesehen wenig lokalisiert und ist meist über einen großen Hubbereich gleichmäßig ggf. mit leichter Steigung ausgebildet Dies bedingt den Einsatz groß dlmensionierter Hubmagnete mit entsprechend hohem Material- und Energieaufwand.
    Die JP-09306731 A , welche als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, zeigt einen Elektromagnet bei dem ein Polrohr durch ein Polkernstück und ein dünnes Rohrstück gebildet ist, welches in eine außenseitige Umfangsnut des Polkernstücks aufgesteckt ist. Das Polkernstück besitzt eine zweifach gestufte Vertiefung. Ein zugeordneter Anker besitzt einen zweifach gestuften Bund. Die zweite Stufe bzw. die zweite Vertiefung hat eine geringere Höhe als die erste Stufe.
    Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Hubmagnetanordnung anzugeben, welche insbesondere an die Betätigungskraftkennlinie eines Ventils auf einfache Weise konstruktiv angepasst werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Hubmagnetanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die Ausbildung eines Bunds am Anker und einer gestuften Vertiefung im Polkern mit einer Einsenkung zur Aufnahme des Bunds lässt sich in der Fertigung mit einfachen Mitteln realisieren. Die größere Länge des Kragens im Vergleich zum Bund am Anker bewirkt, dass auf dem Hubweg des Ankers beim Betätigungsvorgang nacheinander und mit Abstand voneinander Kanten bzw. Begrenzungslinien oder Begrenzungsflächen des Polstücks mit entsprechenden Abschnitten des Ankers zur Deckung gelangen. Zuerst erfolgt eine Überdeckung zwischen einer stirnseitigen inneren Begrenzungslinie des Kragens mit der Stirnfläche des Ankers. Bei fortgesetztem Hub taucht dann der Bund an einer Schulter der Vertiefung vorbei in die Einsenkung ein. Auf diese Weise lässt sich die Kraft-Hub-Kennlinie so gestalten, dass auf einem definierten Abschnitt des Hubs, nämlich auf dem Weg des Ankers zwischen den beiden Kanten, eine gezielte plateauförmige Erhöhung der Kraft erfolgt. Dabei ist die erfindungsgemäße Hubmagnetanordnung einfach aufgebaut und günstig herstellbar. Sie lässt sich optimal an die Strömungskraftkennlinien z.B. von Schaltventile anpassen. Mittels der beschriebenen Bauform sinkt im Endbereich des Ankerhubs, also nach Eintauchen des Bunds in die Einsenkung die Kraft sogar wieder ab. Dies trägt zu einer geringern Beanspruchung der Antiklebscheibe, zu einem geringerem Schaltgeräusch und einer schnelleren Abschaltzeit bei. Ingesamt können mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung bei geringerer elektrischer Leistung höhere Ventilkräfte bzw. Strömungskräfte überwunden werden und insbesondere Schaltventile sicher und effizient betätigt werden.
  • Die Aufgabe wird demnach ebenfalls durch eine Ventilanordnung gelöst; welche eine solche Hubmagnetanordnung besitzt.
  • Insbesondere ist das Ventil mit einer in Ihrer Kennlinie optimal an die Strömungskraftverhältnisse des Ventils angepassten Hubmagnetanordnung kombiniert. Die Anpassung erfolgt konstruktiv einfach über die geometrischen Längenverhältnisse an Kragen und Bund. In anschaulicher Weise wird z.B. die Lage der besagten Kanten an den Verlauf des Öffnungsquerschnitts des Ventils auf dem Betätigungshub angepasst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Übergangsabschnitt aus einem nicht-magnetisierbaren Material gebildet und eine Trennfläche zwischen dem Übergangsabschnitt und dem Kragen ist im Wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse des Polrohrs ausgerichtet. Gerade bei solch einfachen Geometrien an der Trennfläche lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Ausbildung von Anker und Polkernabschnitt gut auf ein Ventil angepasste Kennlinien erzielen. Die Fertigung gestaltet sich z.B. unter Verwendung der Widerstandsschweißtechnik - z.B. des Kondensatorentladungsschweißens oder des Mittelfrequenzschweißens - zum Fügen von Polstück und Trennring, welcher den Übergangsabschnitt bildet, besonders einfach.
  • Vorzugsweise ist zwischen der Stirnfläche des Ankers und der Schulter des Polstücks eine Antiklebscheibe angeordnet. Dort steht eine vergleichsweise große Fläche zur Verfügung, so dass die Antiklebscheibe auch hohen Belastungen standhält. Die Antiklebscheibe könnte sogar auf den Bund aufgezogen werden und somit unverlierbar auf der Stirnfläche des Ankers aufliegen.
  • Die beschriebene Geometrie an Anker und Polkernabschnitt kann auch zur Dämpfung eines Anschlags des Ankers am Polkern geputzt werden. Dazu wird ein Radialspalt zwischen dem Bund und der Einsenkung entsprechend eng bemessen. Die fluidische Dämpfung erfolgt dann über die Verdrängung von Fluid aus einem äußeren Ringraum zwischen dem Anker - genauer seiner Stirnfläche und dem Bund - und der Schulter der Vertiefung.
  • Vorzugsweise entspricht bei einer Ventilanordnung mit der erfindungsgemäßen Hubmagnetanordnung eine erste Position des Ankers, bei der die Stirnfläche des Ankers einer Begrenzungslinie der Stirnfläche des Kragens gegenübersteht, einem geringen Öffnungsgrad des Ventils, also einer Stellung des Ventilkolbens an der Strömungskräfte maßgeblich werden. Eine zweite Position des Ankers, bei der eine Stirnfläche des Bunds des Ankers der Schulter der Vertiefung gegenübersteht, entspricht einem stärkeren Öffnungsgrad des Ventils, bei dem der Ventilkolben seinen Öffnungshub schon nahezu beendet hat und bei dem die Strömungskräfte wieder nachlassen. Dies können z.B. 25% bzw. 75% des Öffnungshubs des Ventilkolbens sein.
  • Nachfolgend werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert.
    • Figur 1
    zeigt eine Hubmagnetanordnung in schematischer Schnittdarstellung,
    Figur 2
    stellt einen Ausschnitt aus Figur 1 um den Bereich des Arbeitsluftspalts vergrößert dar und
    Figur 3
    zeigt eine Kennlinie der erfindungsgemäßen Hubmagnetanordnung im Vergleich mit einer Strömungskraftkennlinie eines Ventils und einer Kennlinie eines herkömmlichen Hubmagneten.
  • In Figur 1 ist eine Hubmagnetanordnung 1 zur Betätigung eines Ventilschiebers eines Hydraulikventils (nicht dargestellt) gezeigt. Die Hubmagnetanordnung 1 besitzt ein fluiddichtes Polrohr 3. Das Polrohr 3 besitzt einen Polkernabschnitt 5, einen Trennabschnitt 7 - in den Patentansprüchen auch als Übergangsabschnitt bezeichnet -, einen Rohrabschnitt 9 und ein Verschlussstück 11 - auch Hubbegrenzung genannt. Der Polkernabschnitt 5, der Trennabschnitt 7, der Rohrabschnitt 9 und das Verschlussstück 11 bilden einen kreiszylinderförmigen Aufnahmeraum für einen Anker 13. Ein Stößel 15 ist im Polkernabschnitt 5 geführt und tritt an der äußeren Stirnseite des Polkernabschnitts 5 aus diesem hervor.
  • Mittels eines Gewindes 17 am Polkernabschnitt 5 wird das Polrohr 3 in ein Ventilgehäuse des Hydraulikventils eingeschraubt. Auf dem Polrohr 3 ist ein Spulenbauteil aufgeschoben. Diese umfasst die eigentliche Spule 19 sowie ein Gehäuse aus magnetischem Material (nicht dargestellt), welches ein Joch für einen magnetischen Kreis unter Einbeziehung des Polrohrs 3 darstellt. Der Trennabschnitt 7 unterbricht den magnetischen Kreis im Bereich des Arbeitsluftspalts 21 zwischen Anker 13 und Polkernabschnitt 5 und zwingt die Magnetfeldlinien vom Polkernabschnitt 5 auf den Anker 13 überzutreten.
  • Der Anker 13 ist an seiner dem Polkernabschnitt 5 zugewandten Stirnseite mit einem aus der Stirnfläche 22 hervortretenden Bund 24 versehen. Auf die kreisringförmige Stirnfläche 22 ist eine Antiklebscheibe 25 aufgelegt. Diese kann zur Befestigung ggf. auf den Bund 24 aufgezogen werden. Den Anker 13 durchziehen axiale Fluidausgleichskanäle 27. Diese münden in einer Stirnfläche 29 des Bunds 24.
  • Der Polkernabschnitt besitzt innenseitig eine gestufte Vertiefung 31 zur Aufnahme des ihr zugewandten Ankerabschnitts. Diese Vertiefung 31 gliedert sich wie folgt: Ein Kragen 33 steht über eine innenseitige Stirnfläche 34 des Polkernabschnitts 5 kreisringförmig vor. Die Stirnfläche 34 bildet weiter eine Schulter für eine zentrale Einsenkung 36.
  • Der Innendurchmesser des Kragens 33 entspricht dabei dem Innendurchmesser des Trennabschnitts 7 und des Rohrabschnitts 9. Der Innendurchmesser der Einsenkung 36 ist so gewählt, dass der Bund 24 in die Einsenkung 36 eintauchen kann. Über einen Spalt zwischen Bund 24 und Einsenkung 36 kann eine fluidische Dämpfung der Ankerbewegung in der Endlage erzielt werden. Das Dämpfungsvolumen befindet sich dabei in einem vom Bund 24, der Stirnfläche 22, der Stirnfläche 34 und dem Kragen 33 begrenzten Ringraum.
  • Der Bereich um den Arbeitsluftspalt 21 ist in Figur 2 vergrößert dargestellt. Zu erkennen ist die im Wesentlichen kreisrohrförmige Gestalt des Trennabschnitts 7, welcher keinen Konus aufweist. Ein Polrohr 3 mit einem solchen Trennabschnitt 7 lässt sich z.B. durch elektrisches Widerstandsschweißen aus rohrförmigen bzw. topfförmigen Halbzeugen fügen. Hinsichtlich der Antiklebscheibe 25' ist eine Variante zur Figur 1 dargestellt. Die Antiklebscheibe 25' ist in den Arbeitsluftspalt 21 eingelegt und liegt auf der Stirnfläche 34 auf. Dort kann sie ggf. befestigt werden.
  • Der Bund 24 ist stirnseitig durch eine äußere Ringkante 41 begrenzt. Ebenso ist am Übergang von der Stirnfläche 22 des Ankers in dessen Mantelfläche eine Ringkante 40 vorhanden. An der Innenwand des Polrohrs 3 befindet sich am Übergang vom Kragen 33 zum Trennabschnitt 7 eine gedachte, kreislinienförmige Begrenzungslinie 42, an welcher sich die Magnetisierbarkeit des Polrohrs 3 im Axialverlauf sprunghaft ändert. Zwischen der Stirnfläche 34 und der Einsenkung 36 ist in der gestuften Vertiefung 31 des Polkernabschnitts 5 die Ringkante 43 vorhanden. Diese kann gefast oder abgerundet sein.
  • Die Figur 3 zeigt eine Kraft-Hub-Kennlinie 50 einer herkömmlichen Hubmagnetanordnung, z.B. eines Betätigungsmagneten, wie in die eingangs erwähnte DE 197 07 587 A1 beschreibt, eine Kraft-Hub-Kennlinie 52 der erfindungsgemäßen Hubmagnetanordnung 1 sowie eine Betätigungskraft-Hub-Kennlinie 54 (gestrichelt) eines typischen direkt betätigten Schaltventils der Nenngröße 6 oder 10. Der Hub ist in Bereiche B1 bis B6 unterteilt. Die Länge der Bereiche liegt in der Größenordnung von z.B. jeweils 1 bis 2 mm. Die Kennlinie 54 des Ventils besitzt eine zum Bereich B1 hin ansteigende Grundlinie, die durch die übliche Beaufschlagung des Ventilkolbens mit einer Rückstellfeder und durch die Reibung des Ventilkolbens in der Ventilbohrung bedingt ist. Eine große Auswirkung auf die Kennlinie 54 haben allerdings die beim Öffnungsvorgang auf den Ventilkolben einwirkenden Strömungskräfte. Diese bewirken den in den Bereichen B2 und B3 der Kennlinie 54 zu erkennenden starken Anstieg der erforderlichen Betätigungskraft. Nach vollständigem Durchschalten des Ventils sind die Strömungskräfte nicht mehr maßgeblich, wie die Kurve 54 in Bereich B1 zeigt.
  • Bei einer elektrischen Betätigung der Hubmagnetanordnung 1 durch Bestromen der Spule 19 läuft folgender Vorgang ab: Aus einer Endlage an der Hubbegrenzung 11 oder einer Anlage am Stößel 15 - wie in Figur 1 dargestellt - beginnt sich der Anker 13 in Richtung des Polkernabschnitts 5 zu bewegen. Die Bewegung beginnt im Bereich B6 oder am Übergang vom Bereich B5 zum Bereich B4 - hier erfolgt eine Anlage am Stößel 15 - mit zunächst niedriger Kraft, wie die Linie 52 zeigt. Der Bereich B3 ist der Abschnitt des Bewegungsablaufs, an der die Ringkante 40 des Ankers 13 die Begrenzungslinie 42 zum Kragen überfährt. Zwischen der Ringkante 40 und der Begrenzungslinie 42 befindet sich eine hohe Dichte von magnetischen Feldlinien im Arbeitsluftspalt. Bei Eintauchen des Ankers 13 mit der Ringkante 40 in den Kragen 33 erfolgt daher eine deutliche Abnahme der im Arbeitsluftspalt vorhandenen magnetischen Feldenergie. Aufgrund dessen steigt die Kennlinie 52 vom Bereich B4 zum Bereich B3 hin steil an.
  • Nach dem der Anker 13 die Begrenzungslinie 42 passiert hat, ist ein weiterer Bereich hoher Feldliniendichte zwischen der Ringkante 41 am Bund 24 des Ankers 13 und der Ringkante 43 der gestuften Vertiefung 31 vorhanden. Bei weiterem Eintauchen des Ankers 13 in die gestufte Vertiefung 31 kann daher die hohe Kraft aufrechterhalten werden, bis der Anker mit dem Bund 31 in die Einsenkung 36 eintaucht. Dies ist in der Kennlinie 52 im Bereich B2 und am Übergang vom Bereich B2 in den Bereich B1 erkennbar. Auf dem weiteren Weg des Ankers 13 wird nun nur noch das mit wenigen magnetischen Feldlinien gefüllte Volumen in der Einsenkung 36 verringert. Die Kraft sinkt demgemäß im Bereich B1 ab. Die Bewegung endet wenn der Anker 13 mit der Antiklebscheibe 25 oder 25' an der Stirnfläche 34 anliegt. Wischen der Stirnfläche 29 des Bunds 24 und dem Boden der Einsenkung 36 verbleibt ein Spalt.
  • Durch die Auswahl der axialen Anordnung der Begrenzungslinie 42 und der Ringkante 43, d.h. der Länge des Kragens 33, und durch eine geeignete Länge des Bunds 24 kann also eine plateauförmige Anhebung der Magnetkraft über einen vergleichsweise breiten Hubbereich in der Kraft-Hub-Kennlinie 52 der Hubmagnetanordnung 1 erzielt werden. Die Längendifferenz zwischen dem Kragen 33 und dem Bund 24 ergibt dabei etwa die Länge des Plateaus der Kraft-Hub-Kennlinie 52 im Bereich B2 und B3. Die Magnetkraft ist dafür zu Beginn und in der Endphase des Ankerhubs - Bereiche B4 bis B6 und Bereich B1 - entsprechend verringert - jeweils im Vergleich zur Kennlinie 50 eines herkömmlichen Magneten der gleichen elektrischen Leistung.
  • Die beschriebene Hubmagnetanordnung 1 eignet sich hervorragend zur Betätigung eines Schalt-Wegeventils. Die typische Betätigungskraftkennlinie 54 auf dem Hub des Ventilschiebers weist wie gesagt eine signifikante Erhöhung aufgrund von Strömungskräften bei der Vergrößerung des Öffnungsquerschnitts auf, bis die volle Ventilöffnung erreicht ist. Dies ist als Plateau der Betätigungskraft in den Bereichen B2 und B3 der Kennlinie 54 erkennbar. Die Hubmagnetanordnung 1 ist nun unter Anderem mittels der Längen von Bund 24 und Kragen 33 so ausgelegt, dass das Plateau der Betätigungskraft in der Kennlinie 54 von der plateauartigen Anhebung der Magnetkraft in der Kennlinie 52 abgedeckt ist. So ist auf jedem Abschnitt des Ankerhubs genügend Magnetkraft zum sicheren Durchschalten des Ventils vorhanden. Durch den steilen Magnetkraftanstieg im Bereich B4 der Kennlinie 52 ist auch schon zu Beginn des Hubs des Ventilschiebers, an dem die Vorspannung der Rückstellfeder überwunden werden muss, genügend Magnetkraft vorhanden. Der Magnetkraftrückgang im Bereich B1 fällt mit dem Rückgang der Strömungskräfte bei einem voll durchgeschalteten Ventil zusammen. Zudem wird aufgrund des Kraftrückgangs die Antiklebscheibe 25 oder 25' weniger stark durch den Anprall des Ankers 13 belastet. Das Anprallgeräusch ist ebenfalls gering. Der Anker 13 kehrt nach dem Abschalten der Spule 19 schneller in seine Ausgangslage zurück.
  • Anhand des Ausführungsbeispiels wurde die Verwendung der erfindungsgemäßen Hubmagnetanordnung bei einem stromlos geschlossenen Schalt-Wegeventil zur Durchführung des Öffnungshubs beschrieben. Selbstverständlich kann die Anwendung auch bei einem stromlos offenen Schalt-Wegeventil zur Durchführung des Schließhubs verwendet werden. Weiter kann die erfindungsgemäße Hubmagnetanordnung auch zur Betätigung eines Proportionalventils verwendet werden. Dabei können auch mehrere in Stufen angeordnete Bunde am Anker vorgesehen werden und eine entsprechende mehrfach gestufte Vertiefung am Polstück, welche die Bunde jeweils in geeignete Einsenkungen aufnimmt, zum Einsatz kommen.
  • Eine weitere Variante besteht darin, den Kragen 33 konisch auszubilden. Dann kann durch die zuvor beschriebene Form des Ankers 13 mit Bund 24 und durch die gestufte Vertiefung 31 der Proportionalbereich auf einen größeren Hubbereich ausgedehnt werden.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Hubmagnetanordnung
    3
    Polrohr
    5
    Polkernabschnitt
    7
    Trennabschnitt
    9
    Rohrabschnitt
    11
    Verschlussstück
    13
    Anker
    15
    Stößel
    17
    Gewinde
    19
    Spule
    21
    Arbeitsluftspalt
    22
    Stirnfläche
    24
    Bund
    25
    Antiklebscheibe
    25'
    Antiklebscheibe
    27
    Fluidausgleichskanäle
    29
    Stirnfläche des Bunds
    31
    Gestufte Vertiefung
    33
    Kragen
    34
    Stirnfläche
    36
    Einsenkung
    40
    Ringkante
    41
    Ringkante
    42
    Begrenzungslinie
    43
    Ringkante
    50
    Kraft-Hub-Kennlinie
    52
    Kraft-Hub-Kennlinie
    54
    Betätigungskraft-Hub-Kennlinie des Ventils

Claims (10)

  1. Hubmagnetanordnung, umfassend
    ein Polrohr (3), welches sich axial in einen Polkernabschnitt (5), einen Übergangsabschnitt (7) und einen Rohrabschnitt (9) gliedert, wobei durch den Übergangsabschnitt (7) ein magnetischer Fluss zwischen dem Polkernabschnitt (5) und dem Rohrabschnitt (9) unterbrochen ist, und
    einen im Polrohr (3) beweglich geführten Anker (13), welcher an seiner dem Polkernabschnitt (5) zugewandten Stirnseite einen aus einer Stirnfläche (22) axial vorstehenden Bund (24) aufweist,
    wobei der Polkernabschnitt (5) eine gestufte Vertiefung (31) aufweist, in die der Anker (13) eintauchen kann ist und die sich - vom Übergangsabschnitt (7) ausgehend - in einen ringförmigen Kragen (33), eine Schulter (34) und eine axial und radial zurückgesetzte Einsenkung (36) gliedert,
    und wobei eine axiale Abmessung des Kragens (33) eine axiale Abmessung des Bunds (24) übersteigt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Innendurchmesser des Kragens (33) einem Innendurchmesser des Übergangsabschnitts (7) und einem Innendurchmesser des Rohrabschnitts (9) entspricht.
  2. Hubmagnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsabschnitt (7) aus einem nicht-magnetisierbaren Material gebildet ist und dass eine Trennfläche zwischen dem Übergangsabschnitt (7) und dem Kragen (33) im Wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse des Polrohrs (3) ausgerichtet ist.
  3. Hubmagnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Stirnfläche (22) des Ankers eine Antiklebscheibe (25) angeordnet ist.
  4. Hubmagnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Schulter (34) der Vertiefung (31) eine Antiklebscheibe (25') angeordnet ist.
  5. Hubmagnetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis aus der axialen Abmessung des Bunds (24) und der axialen Abmessung des Kragens (33) zwischen 1 zu 2 und 1 zu 4 beträgt, z.B. 1 zu 2, 1 zu 3 oder 1 zu 4.
  6. Hubmagnetanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radialspalt zwischen dem Bund (24) und der Einsenkung (36) so bemessen ist, dass eine Bewegung des Ankers (13) zu einer Endlage am Polkernabschnitt (5) fluidisch bedämpft ist.
  7. Ventilanordnung mit einem Gehäuse, mit einem in einer Ventilbohrung innerhalb des Gehäuses beweglich geführten Ventilschieber, durch welchen ein Steuerquerschnitt einer fluidischen Verbindung verstellbar ist, und mit einer Hubmagnetanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche zur Betätigung des Ventilschiebers vorgesehen ist,
  8. Ventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Position des Ankers(13), bei der die Stirnfläche (22) des Ankers (13) einer übergangsabschnittseitigen inneren Begrenzungslinie (42) des Kragens (33) gegenübersteht und eine zweite Position des Ankers (13), bei der eine Stirnfläche (29) des Bunds (24) des Ankers (13) der Schulter (34) der Vertiefung (31) gegenübersteht, entsprechend einem erwarteten Kräfteprofil (54) von bei einem Öffnungsvorgang auf den Ventilschieber wirkenden Strömungskräften angeordnet sind.
  9. Ventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position des Ankers (13) einem geringen Öffnungsgrad des Steuerquerschnitts entspricht, und dass die zweite Position des Ankers (13) einem vergleichsweise stärker, insbesondere nahezu vollständig geöffneten Steuerquerschnitt entspricht.
  10. Ventilanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position des Ankers (13) einem Hub von 20% bis 40%, insbesondere 25% eines dem Öffnungsvorgang zugeordneten Hubs des Ventilschiebers und die zweite Position des Ankers (13) einem Hub von 60% bis 85%, inbesondere 75% des dem Öffnungsvorgang zugeordneten Hubs des Ventilschiebers entspricht.
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