EP2936510B1

EP2936510B1 - Elektromechanische antriebseinrichtung und magnetventil

Info

Publication number: EP2936510B1
Application number: EP12812869.1A
Authority: EP
Inventors: Alexander Steck; Andreas BÜHLER
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: WO2014094809A1; CN105190797A; EP2936510A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Antriebseinrichtung, insbesondere zur Bewegung eines Ventilglieds, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche elektromechanische Antriebseinrichtung ist aus EP 1 033 736 A1 bekannt. Ferner betrifft die Erfindung ein Magnetventil mit einer derartigen elektromechanischen Antriebseinrichtung.
Aus der deutschen Patentschrift DE 536 909 A ist ein Schaltmagnet für Gleich- und Wechselstrom bekannt, bei dem ein fester Magnetkern mit einer Magnetspule versehen ist und an einem Ausleger des Magnetkerns ein beweglicher Anker angebracht ist. Dabei wird eine bewegliche Verbindung zwischen dem Anker und dem Ausleger des Magnetkerns mittels eines Stiftscharniers hergestellt.
Die DE 1 972 126 U offenbart einen Klappankermagneten, bei dem an einem mittleren Schenkel eines E-förmigen Jochs eine Magnetspule angebracht ist und ein schwenkbarer Anker vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von einer Bestromung der Magnetspule eine Schwenkbewegung durchführen kann. Der schwenkbare Anker ist an seitlich am Joch angeordneten, rechteckrahmenförmigen Deckblechen mittels einer Nietverbindung schwenkbar gelagert, wobei die Anlage des Ankers an den Deckblechen gewährleistet, dass unabhängig von der Schwenkstellung des Ankers stets der gleiche magnetische Widerstand zwischen Anker und Joch im Bereich der Nietverbindung vorliegt.
Die EP 1 033 736 A1 offenbart ein magnetisches Betätigungsglied, das einen Magnetkreis umfasst, der aus einem ferromagnetischen Rückschlusseisen, das einen ersten und einen zweiten, annähernd parallel zueinander verlaufenden und über einen quer angeordneten Fußsteg verbundenen Schenkel aufweist, aus einem beweglichen Anker, der mit einem seiner Enden am freien Ende des ersten Schenkels angelenkt ist und über sein zweites Ende mit dem freien Ende des zweiten Schenkels zusammenwirkt, sowie einem Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes besteht und das in der Lage ist, den Anker drehwirksam zwischen einer offenen Ruhestellung des Ankers, die dem Normalbetriebszustand des Schaltgeräts entspricht, und einer aktiven Stellung zu verschieben, die dem Auftreten eines elektrischen Fehlers im Schaltgerät entspricht und in der das freie Ende des Ankers relativ zum freien Ende des zweiten Schenkels in einer Stellung mit minimalem magnetischen Widerstand gehalten wird.
Die US 2004025949 A1 offenbart einen magnetischen Antrieb für einen Fluidströmungssteuerventil, der Permanentmagnetmittel zur Erzeugung eines Magnetflusses, einen Anker, der zwei Positionen zwischen vier Polen einnehmen kann und eine Elektromagnetwicklung, die zur Bewegung des Ankers zwischen den beiden Positionen ausgebildet ist.
Die US 3,323,090 A offenbart einen Drehmotor mit einem Rahmen, an dem ein Anker drehbeweglich gelagert ist, dem eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist, wobei der Anker in dem Rahmen zur begrenzten Schwenkbewegung um eine vorbestimmte Achse vorgesehen ist und wobei die Antriebseinrichtung zwei Magnetspulen umfasst, die für eine magnetische Wechselwirkung mit Auslegern des Ankers ausgebildet sind, die quer zu einer Schwenkachse des Ankers ausgerichtet sind.
Die FR 2074891 offenbart einen magnetisch betriebenen Drehkraft- oder Schubkraftmotor, bei dem der Anker durch polarisierende Magnete in einer Nullstellung gehalten wird und bei dem Abweichungen des Ankers von seiner Nullstellung durch Veränderung eines Steuerflusses bewirkt werden können, wobei ein Nullstromeinsteller aus magnetischem Material so in Bezug auf den Anker bewegbar angeordnet ist, daß die Wechselwirkung zwischen seinem Feld und dem Feld der polarisierenden Magnete veränderbar ist und wobei zur Nullstromeinstellung ein Permanentmagnet innerhalb eines topfförmigen Gehäuses befestigt ist, welches über ein aus magnetisch nicht leitfähigem Material bestehendes Kapselgehäuse des Motors gestülpt und relativ zu diesem sowohl gleit- und/oder drehbar beweglich als auch arretierbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektromechanische Antriebseinrichtung und ein Magnetventil bereitzustellen, die ein verbessertes Schaltverhalten aufweisen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für eine elektromechanische Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass dem ersten Ringabschnitt zwei Magnetspulen zugeordnet sind.
Hierdurch wird ohne eine erhebliche Vergrößerung des Bauvolumens der elektromechanischen Antriebseinrichtung eine signifikante Leistungssteigerung erzielt, was beispielsweise für die Durchführung von schnellen Schaltvorgängen von Vorteil ist.
Vorzugsweise ist der erste Luftspalt in einem zentralen Bereich des von der Magnetspule umgebenen Raumvolumens, insbesondere in einem mittleren Drittel dieses Raumvolumens angeordnet, um eine verlustarme Einkopplung des von der Magnetspule erzeugten Magnetfelds in beide Ringabschnitte zu gewährleisten. Vorteilhaft ist es, wenn der Luftspalt unabhängig von der Funktionsstellung der elektromechanischen Antriebseinrichtung stets vollständig in dem von der Magnetspule umgebenen Raumvolumen aufgenommen ist, da hiermit von der Größe des Luftspalts abhängige Schwankungen für die Einkopplung des Magnetfelds von der Magnetspule in das Ringjoch niedrig gehalten werden können. Insbesondere können durch diese Anordnung des Luftspalts Streuverluste für das einzukoppelnde Magnetfeld gering gehalten werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßig ist es, wenn zwischen dem ersten Ringabschnitt und dem zweiten Ringabschnitt wenigstens ein erster und ein zweiter jeweils größenveränderlicher Luftspalt ausgebildet sind.
Dabei sind Ringabschnitte vorzugsweise derart angeordnet, dass die beiden Luftspalte bei einer Schwenkbewegung des zweiten Ringabschnitts gegenüber dem ersten Ringabschnitt jeweils eine, vorzugsweise gleichsinnige, Größenveränderung erfahren. Hierbei kann je nach Ausgestaltung der beiden Ringabschnitte eine proportionale oder nichtproportionale Größenveränderung der beiden Luftspalte vorgesehen sein. Vorzugsweise ist eine Schwenkachse für den zweiten Ringabschnitt an einem Endbereich des zweiten Ringabschnitts angeordnet. Somit kann erreicht werden, dass der zweite Luftspalt stets kleiner als der erste Luftspalt ist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein magnetischer Widerstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ringabschnitt im Bereich des zweiten Luftspalts zumindest nahezu ausschließlich, insbesondere ausschließlich, von der Größe des zweiten Luftspalts abhängig ist und/oder dass der zweite Ringabschnitt im Bereich des zweiten Luftspalts stets zumindest mit einer Linienberührung am ersten Ringabschnitt anliegt. Bei dieser Ausführungsform der elektromechanischen Antriebseinrichtung kann eine besonders einfache Aufbauweise für das Ringjoch verwirklicht werden, da keine Maßnahmen für eine Gewährleistung eines Luftspalts mit konstanter Größe getroffen werden müssen.
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Ringabschnitts unabhängig von der Schwenkstellung des zweiten Ringabschnitts gegenüber dem ersten Ringabschnitt eine Linienberührung zwischen dem ersten und dem zweiten Ringabschnitt vorliegt. Somit ist stets gewährleistet, dass der magnetische Widerstand zwischen den beiden Ringabschnitten im Bereich des zweiten Luftspalts ein vorgebbares Maß nicht überschreitet, wobei der maximale magnetische Widerstand durch die Linienberührung zwischen erstem und zweitem Ringabschnitt bei maximaler Größe des Luftspalts bestimmt wird und sich mit verringernder Größe des Luftspalts reduziert.
Vorzugsweise ist ein zwischen dem zweiten Ringabschnitt und dem ersten Ringabschnitt ausgebildeter zweiter Luftspalt vollständig in einem von einer zweiten Magnetspule umgebenen Raumvolumen, insbesondere in einem mittleren Drittel dieses Raumvolumens, angeordnet. Hierdurch wird auch für den zweiten Luftspalt eine verlustarme Einkopplung des Magnetfelds in das Ringjoch zumindest weitgehend unabhängig von der relativen Stellung der beiden Ringabschnitte zueinander gewährleistet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt gelenkig miteinander verbunden und eine Gelenkverbindung zwischen dem ersten Ringabschnitt und dem zweiten Ringabschnitt ist für einen bewegungsunabhängigen, konstanten magnetischen Widerstand zwischen dem ersten Ringabschnitt und dem zweiten Ringabschnitt ausgebildet. Hierdurch wird der magnetische Widerstand im Ringjoch zumindest weitestgehend von der Größe des ersten Luftspalts bestimmt, während der magnetische Widerstand im Bereich der Gelenkverbindung zumindest weitgehend unabhängig von der Stellung der beiden Ringabschnitte zueinander ist.
Hierzu kann beispielsweise vorgesehen werden, den zweiten Ringabschnitt zwischen seitlich am ersten Ringabschnitt angebrachten Deckblechen zu führen, wobei diese Deckbleche in magnetischer Kopplung mit dem ersten Ringabschnitt stehen, wodurch somit im Bereich der Gelenkverbindung ein von der Schwenkstellung der Ringabschnitte unabhängiger magnetischer Widerstand zwischen dem Joch und dem Anker gewährleist ist.
Vorzugweise ist der erste Ringabschnitt U-förmig ausgebildet, insbesondere mit einem ersten U-Schenkel, der länger als ein zweiter U-Schenkel ausgebildet ist. Hierdurch wird bei Einhaltung einer kompakten Bauweise des Ringjochs eine zentrale Anordnung der Magnetspule und des ersten Luftspaltes sichergestellt. Bei einer weiteren Ausführungsform des Ringjochs können sowohl der erste als auch der zweite Ringabschnitt U-förmig ausgebildet sein. Hierbei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die U-Schenkel der jeweiligen Ringabschnitte jeweils gleich lang sind.
Vorteilhaft ist es, wenn die beiden dem ersten Ringabschnitt zugeordneten zwei Magnetspulen parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Ringabschnitt zwischen dem ersten Ringabschnitt und einem, insbesondere schneidenartig ausgebildeten, Lagermittel und/oder einem, insbesondere elastisch ausgebildeten, Andruckmittel angeordnet ist, das für eine Ausrichtung des zweiten Ringabschnitt und/oder für eine Krafteinleitung auf den zweiten und ersten Ringabschnitt ausgebildet ist. Dabei dient das Lagermittel zur Sicherstellung einer jeweils eindeutig vorgebbaren Lage des zweiten Ringabschnitts gegenüber dem ersten Ringabschnitt in allen Schwenkstellungen, die der zweite Ringabschnitt einnehmen kann. Bei dem Lagermittel kann es sich insbesondere um eine schneidenartige Geometrie handeln, deren Schneidenkante parallel zur Schwenkachse des zweiten Ringabschnitts ausgerichtet ist.
Ergänzend oder alternativ kann ein Andruckmittel vorgesehen sein, das eine Andruckkraft auf den zweiten Ringabschnitt in Richtung des ersten Ringabschnitts ausübt, um dadurch eine zuverlässige Positionierung des zweiten Ringabschnitts gegenüber dem ersten Ringabschnitt zu gewährleisten. Vorzugsweise ist das Andruckmittel zumindest teilweise aus einem elastischen Material hergestellt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einen vom ersten und vom zweiten Ringabschnitt gebildeten ersten Magnetkreis ein Permanentmagnet angeordnet ist, der dem ersten oder zweiten Ringabschnitt zugeordnet ist und/oder dass dem Ringjoch ein dritter Ringabschnitt zugeordnet ist, der wenigstens einen, insbesondere größenveränderlichen, Luftspalt mit dem ersten oder dem zweiten Ringabschnitt ausbildet und mit dem ersten und/oder dem zweiten Ringabschnitt einen zweiten Magnetkreis ausbildet. Mit Hilfe des Permanentmagneten kann eine magnetische Vorspannung im Ringjoch hervorgerufen werden, die beispielsweise dazu genutzt werden kann, dass der zweite Ringabschnitt gegenüber dem ersten Ringabschnitt ohne eine Energiezufuhr in die Magnetspule eine vorgebbare Vorzugsstellung einnimmt. Sofern zusätzlich ein dritter Ringabschnitt vorgesehen ist, wird hierdurch ein zusätzlicher Magnetkreis ausgebildet, der vorzugsweise derart eingerichtet ist, dass der zweite Ringabschnitt in wenigstens einer Schaltstellung, vorzugsweise in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen verbleibt, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Energieeintrag in die Magnetspule erforderlich ist. Üblicherweise ist dem zweiten Ringabschnitt eine Federeinrichtung zugeordnet, die mit dem ersten Ringabschnitt wirkverbunden ist und die eine Vorzugsstellung für den zweiten Ringabschnitt gegenüber dem ersten Ringabschnitt bestimmt, wenn keine Energiebeaufschlagung der Magnetspule vorgesehen ist. Je nach Auslegung der Kräfte der Federeinrichtung und des Magnetfelds des Permanentmagneten kann hiermit eine bistabile Antriebseinrichtung zur Verfügung gestellt werden, bei der der zweite Ringabschnitt in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen ohne Energieeintrag auf die Magnetspule verbleibt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Ringabschnitt im Bereich des ersten Luftspalts wenigstens eine gekrümmte Oberfläche aufweist und/oder dass die Ringabschnitte aus mehreren Metallblechschichten aufgebaut sind und/oder dass wenigstens einer der Ringabschnitte einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt aufweist. Die wenigstens eine gekrümmte Oberfläche kann insbesondere konzentrisch zur Schwenkachse des zweiten Ringabschnitts ausgerichtet sein und/oder einen Radius aufweisen, der einem Abstand zwischen der Schwenkachse des zweiten Ringabschnitts und der Oberfläche entspricht. Hierdurch kann eine vorteilhafte Ausnutzung des von der Magnetspule umgebenen Raumvolumens durch den zweiten Ringabschnitt gewährleistet werden, wodurch ein magnetischer Wirkungsgrad für die elektromechanische Antriebseinrichtung optimiert werden kann. Durch einen Aufbau der Ringabschnitte aus mehreren, insbesondere gegeneinander isolierten, Metallblechschichten werden Wirbelströme, wie sie bei einem hochfrequenten Schaltbetrieb für die elektromechanische Antriebseirichtung aufgrund des schnell wechselnden Magnetfelds auftreten können, unterdrückt oder vollständig vermieden.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Magnetventil gemäß Anspruch 11 gelöst. Das Magnetventil umfasst ein Ventilgehäuse, das mindestens einen Eingangsanschluss für eine Fluidzufuhr und mindestens einen Ausgangsanschluss für eine Fluidabfuhr aufweist und in dem ein Ventilglied beweglich aufgenommen ist, das für eine abdichtende Anlage an einem dem Eingangsanschluss oder dem Ausgangsanschluss zugeordneten Ventilsitz zur Beeinflussung eines Fluidstroms zwischen dem mindestens einen Eingangsanschluss und dem mindestens einen Ausgangsanschluss durch das Ventilgehäuse hindurch ausgebildet ist, mit einer elektromechanischen Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Mit der Integration der erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebseinrichtung in das Magnetventil kann ein schnell schaltendes Ventil mit geringem Bauvolumen und hoher Energieeffizienz geschaffen werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Magnetventils ist vorgesehen, dass das Ventilglied als Dichtmittel an einer dem ersten Ringabschnitt abgewandten Oberfläche des zweiten Ringabschnitts ausgebildet ist oder von einem mit dem zweiten Ringabschnitt bewegungsgekoppelten Betätigungsglied ansteuerbar ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:

Figur 1: eine schematische Schnittdarstellung einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform einer elektromechanischen Antriebseinrichtung,
Figur 2: eine schematische Schnittdarstellung einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform einer elektromechanischen Antriebseinrichtung,
Figur 3: ein Magnetventil mit einer elektromechanischen Antriebseinrichtung und einer ersten Ventilausführung,
Figur 4: eine zweite Ventilausführung für das Magnetventil gemäß Figur 3
Figur 5: eine dritte Ventilausführung für das Magnetventil gemäß Figur 3 und
Figur 6: eine vierte Ventilausführung für das Magnetventil gemäß Figur 3.

Eine in der Figur 1 dargestellte elektromechanische Antriebseinrichtung 1 umfasst eine hohl gewickelte Magnetspule 2, die einem Ringjoch 3 aus einem für Magnetfelder leitfähigen Material, insbesondere aus einem ferromagnetischen Material, zugeordnet ist. Dabei ist das Ringjoch 3 exemplarisch aus einem ersten Ringabschnitt 4 und einem zweiten Ringabschnitt 5 aufgebaut, die schwenkbeweglich zueinander gelagert sind, wobei eine Schwenkachse 6 senkrecht zur Darstellungsebene der Figur 1 ausgerichtet ist und durch ein Achssymbol angedeutet ist. Exemplarisch ist die Magnetspule 2 dem ersten Ringabschnitt 4 zugeordnet, insbesondere am ersten Ringabschnitt 4 befestigt, so dass der zweite Ringabschnitt 5 relativbeweglich gegenüber der Magnetspule 2 ausgebildet ist.
Um eine Vorzugsstellung für den zweiten Ringabschnitt 5 gegenüber dem ersten Ringabschnitt 4 ohne eine Strombeaufschlagung der Magnetspule 2 zu gewährleisten, ist exemplarisch eine Federeinrichtung 7 vorgesehen, die an Vorsprüngen an den Ringabschnitten 4 und 5 angreift und diese auseinanderdrückt. Um eine definierte Lage des zweiten Ringabschnitts 5 gegenüber dem ersten Ringabschnitt 4 zu gewährleisten, ist ein exemplarisch als elastischer Schlauch 8 aus einem elastischen Material ausgebildetes Andruckmittel vorgesehen, das sich an einem nicht dargestellten Gehäuse für die elektromechanische Antriebseinrichtung 1 abstützt. Der Schlauch 8 ist derart zwischen dem nicht dargestellten Gehäuse und dem zweiten Ringabschnitt 5 aufgenommen, dass der Schlauch 8 den zweiten Ringabschnitt 5 gegen den ersten Ringabschnitt 4 pressen kann. Durch die vom Schlauch 8 ausgeübte Anpresskraft ist gewährleistet, dass der zweite Ringabschnitt 5 stets zumindest in einer Linienberührung am ersten Ringabschnitt 4 anliegt.
In der dargestellten Öffnungsstellung, bei der ein von den beiden Ringabschnitten 4, 5 gebildeter Magnetkreis geöffnet ist, sind ein erster Luftspalt 9 und ein zweiter Luftspalt 10 zwischen den Ringabschnitten 4 und 5 ausgebildet. Da die Schwenkachse 6 exemplarisch längs einer Berührlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Ringabschnitt 4, 5 verläuft, ist ein Verhältnis zwischen der Größe des ersten Luftspalts 9 und der Größe des zweiten Luftspalts 10 während einer Schwenkbewegung aus der dargestellten Öffnungsstellung in eine Schließstellung, in der die beiden Luftspalte 9, 10 zumindest nahezu vollständig verschwinden, zumindest nahezu konstant. Die Schwenkbewegung des zweiten Ringabschnitts 5 gegenüber dem ersten Ringabschnitt 4 um die Schwenkachse 6 und entgegen der von der Federeinrichtung 7 aufgebrachten Federkraft wird durch Bestromen der Magnetspule 2 bewirkt. Durch diese Bestromung bildet sich ein magnetischer Fluss aus, der in das Ringjoch 3 eingekoppelt wird und der in den Bereichen der Luftspalte 9 und 10 magnetische Anziehungskräfte zwischen den Ringabschnitten 4, 5 hervorruft. Aufgrund dieser Anziehungskräfte wird die Rückstellkraft der Federeinrichtung 7 überwunden, so dass sich die beiden Ringabschnitte 4, 5 aneinander annähern können. Diese Annäherungsbewegung wird exemplarisch erst durch eine flächige Anlage des zweiten Ringabschnitts 5 am ersten Ringabschnitt 4 beendet. In dieser Situation sind die Luftspalte 9 und 10 verschwindend.
Aufgrund der Ausgestaltung der beiden Ringabschnitte 4, 5 und der Anordnung der Magnetspule 2 liegt der erste Luftspalt in einem von der exemplarisch hohl ausgebildeten Magnetspule 2 umgebenen Raumvolumen, wodurch eine vorteilhafte Einkopplung des magnetischen Flusses in das Ringjoch 3 gewährleistet ist. Bei Beendigung des Energieeintrags in die Magnetspule 2 wird der zweite Ringabschnitt 5 aufgrund der Rückstellkraft der Federeinrichtung 7 wieder in die Ruhestellung gemäß der Figur 1 bewegt.
Die in der Figur 2 dargestellte, nicht zur Erfindung gehörende Ausführungsform einer elektromechanischen Antriebseinrichtung 21 umfasst funktionsgleiche Komponenten wie die elektromechanische Antriebseinrichtung 1, so dass diese Komponenten mit jeweils um 20 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind und nachstehend nicht nochmals erläutert werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in der Figur 2 auf eine Darstellung der Federeinrichtung und der Andruckeinrichtung verzichtet.
Im Unterschied zur elektromechanischen Antriebseinrichtung 1 ist bei der elektromechanischen Antriebseinrichtung 21 im Bereich des zweiten Luftspalts 30 am ersten Ringabschnitt 24 ein Permanentmagnet 31 angebracht. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet derart magnetisiert, dass die ausgehenden Feldlinien längs des längeren Schenkels 32 des U-förmig ausgebildeten Ringabschnitts 24 verlaufen, wie dies durch den Pfeil in der Figur 2 angedeutet wird. Ferner ist ein dritter, exemplarisch U-förmig ausgebildeter Ringabschnitt 33 vorgesehen, der beabstandet und unbeweglich gegenüber dem Ringjoch 23 angeordnet ist und mit dem Ringjoch 23 einen dritten und gegebenenfalls einen vierten Luftspalt 34, 35 ausbildet. Dabei ist der vierte Luftspalt 35 aufgrund der Beweglichkeit des zweiten Ringabschnitts 25 insbesondere größenveränderlich ausgebildet.
Exemplarisch kann vorgesehen sein, dass die vom Permanentmagneten 31 zwischen dem ersten und zweiten Ringabschnitt 24, 25 hervorgerufenen Anziehungskräfte nicht ausreichen, um die Rückstellkraft der nicht dargestellten Federeinrichtung zu überwinden, so dass der zweite Ringabschnitt ohne eine Bestromung der Magnetspule 22 die dargestellte Ruhestellung einnimmt. Dabei fließt der vom Permanentmagneten 31 ausgehende magnetische Fluss über die dritten und vierten Luftspalte 34, 35 durch den dritten Ringabschnitt 33, da der magnetische Widerstand dieses zweiten Magnetkreises geringer ist als der magnetische Widerstand des vom Ringjoch 22 bestimmten ersten Magnetkreises.
Bei einer Bestromung der Magnetspule 22 wird ein magnetischer Fluss im ersten Magnetkreis, also durch das Ringjoch 22 erzeugt, der zu Anziehungskräften zwischen den Ringabschnitten 24 und 25 führt, die größer als die Rückstellkraft der nicht dargestellten Federeinrichtung sind, so dass eine Schwenkbewegung des zweiten Ringabschnitts um die Schwenkachse 26 stattfindet und die beiden Luftspalte 29, 30 zumindest nahezu verschwinden.
Sofern die Bestromung der Magnetspule 22 zu einem Zeitpunkt aufgehoben wird, zu dem der zweite Ringabschnitt 25 im Wesentlichen flächig am ersten Ringabschnitt 24 anliegt, besteht aufgrund der verschwindenden Luftspalte 29, 30 im ersten Magnetkreis ein geringerer magnetischer Widerstand als im zweiten Magnetkreis. Somit werden durch den magnetischen Fluss des Permanentmagneten hervorgerufene Anziehungskräfte zwischen den Ringabschnitten 24 und 25 hervorgerufen, die größer als die Rückstellkraft der nicht dargestellten Federeinrichtung sind und die somit die eingenommene Stellung des zweiten Ringabschnitts 25 gegenüber dem ersten Ringabschnitt 24 sicherstellen.
Bei einer nachfolgenden Bestromung der Magnetspule mit einer Polung, die zu einem magnetischen Fluss im Ringjoch 23 führt, dessen Flußrichtung der Flußrichtung des Permanentmagneten 31 entgegengesetzt ist, wird bei ausreichender Flußdichte der magnetische Fluss des Permanentmagneten 31 verdrängt, so dass die Anziehungskräfte zwischen den Ringabschnitten 24, 25 verringert werden und die Rückstellkraft der nicht dargestellten Federeinrichtung zu einer Schwenkbewegung des zweiten Ringabschnitts 25 führt, bei der die Luftspalte 29, 30 vergrößert werden. Hierdurch erreicht der zweite Ringabschnitt 25 wieder die Ruhestellung.
Bei den in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Magnetventilen ist die jeweilige Antriebseinrichtung übereinstimmend mit der Antriebseinrichtung 1 gemäß der Figur 1 mit einer nicht näher dargestellten Federeinrichtung versehen, die dazu eingerichtet ist, ohne eine Stromzufuhr an die jeweilige Magnetspule eine Beabstandung des jeweiligen zweiten Ringabschnitts gegenüber dem jeweiligen ersten Ringabschnitt hervorzurufen. Dementsprechend sind die Darstellungen der Figuren 3 bis 6 so zu verstehen, dass die jeweilige Magnetspule bzw. die jeweiligen Magnetspulen bestromt sind, so dass der Luftspalt bzw. die Luftspalte zwischen dem jeweiligen ersten Ringabschnitt und dem jeweiligen zweiten Ringabschnitt minimal ist bzw. sind.
Bei dem in der Figur 3 dargestellten Magnetventil 40 ist eine elektromechanische Antriebseinrichtung 41 vorgesehen, die mit Ausnahme einer zweiten Magnetspule 42 der elektromechanischen Antriebseinrichtung 1 entspricht, so dass hier für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie bei der elektromechanischen Antriebseinrichtung 1 verwendet werden. Ferner sind die Magnetspulen 2, 42 und der erste Ringabschnitt 4 von einem Antriebsgehäuse 43 umgeben, das für eine elektrische Isolation und einen mechanischen Schutz dieser Komponenten vorgesehen ist.
An das Antriebsgehäuse 43 schließt sich ein Ventilgehäuse 44 an, an dem ein Eingangsanschluss 45 und ein Ausgangsanschluss 46 für eine Zufuhr bzw. Abfuhr eines Fluids, insbesondere eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, ausgebildet sind. In dem Ventilgehäuse 44 ist zwischen dem Eingangsanschluss 45 und dem Ausgangsanschluss 46 ein Ventilraum 47 ausgebildet, der vom Fluid durchströmbar ist. Exemplarisch ist im Ventilraum 47 am Ausgangsanschluss 46 ein Ventilsitz 48 ausgebildet, der als Anlagefläche für eine abdichtende Anlage eines als Ventilglied 49 dienenden Dichtelements aus einem gummielastischen Werkstoff dient. Dabei ist das Ventilglied 49 an einer Außenoberfläche des zweiten Ringabschnitts 5 angebracht. Somit kann das Ventilglied 49 vom zweiten Ringabschnitt 5 zwischen einer Ruhestellung, in der das Ventilglied 49 aufgrund der Wirkung einer nicht dargestellten Federeinrichtung ohne Bestromung der Magnetspulen 2, 42 abdichtend am Ventilsitz 48 anliegt, und einer Funktionsstellung, in der ein freier Fluidstrom zwischen dem Eingangsanschluss 45 und dem Ausgangsanschluss 46 ermöglicht wird, durch entsprechende Bestromung der Magnetspulen 2, 42 bewegt werden.
Für eine zuverlässige Positionierung und Schwenklagerung des zweiten Ringabschnitts 5 ist am Ventilgehäuse 44 exemplarisch ein Lagermittel 50 mit im Wesentlichen dreiecksförmigem Querschnitt ausgebildet. Das Lagermittel 50 erstreckt sich mit gleichförmigem Querschnitt quer zur Darstellungsebene der Figur 3 und bildet dabei eine Lagerschneide 51 aus. Die Lagerschneide 51 steht mit dem zweiten Ringabschnitt 5 in einem linienförmigen Kontakt und presst den zweiten Ringabschnitt 5 an den ersten Ringabschnitt 4 an. Durch die Wechselwirkung der Lagerschneide 51 mit dem zweiten Ringabschnitt 5 wird dieser in einer vorgebbaren Stellung gegenüber dem ersten Ringabschnitt 4 gehalten. Angesichts des geringen Schwenkwinkelbereichs, der für die Bewegung des zweiten Ringabschnitts 5 zwischen der in Figur 3 dargestellten Funktionsstellung und einer nicht dargestellten Ruhestellung erforderlich ist, reicht diese Art der Lagerung aus.
Bei dem in der Figur 4 dargestellten Ventilgehäuse 64, das in gleicher Weise wie das Ventilgehäuse 44 an das Antriebsgehäuse 43 angebaut werden kann, ist das Ventilglied 69 als Membrane ausgebildet, die den Ventilraum 67 zwischen dem Eingangsanschluss 65 und dem Ausgangsanschluss 66 begrenzt. Hierzu ist die Membrane umlaufend abgedichtet am Ventilgehäuse 64 festgelegt. An einem dem zweiten Ringabschnitt 5 zugewandten Oberflächenbereich des Ventilglieds 69 ist ein Stößel 60, insbesondere einstückig, angeformt. Dieser Stößel 60 ermöglicht eine zentrale Krafteinleitung vom zweiten Ringabschnitt 5 auf die Membrane, die somit in der Funktionsposition flächig abdichtend auf den Ventilsitz 68 aufgepresst werden kann.
Bei dem in der Figur 5 dargestellten Ventilgehäuse 74 handelt es sich um eine alternative Weiterbildung des Ventilgehäuses 64, wobei das Ventilglied 79 ebenfalls als Membrane ausgebildet ist und randseitig umlaufend abgedichtet im Ventilgehäuse 74 aufgenommen ist. Eine Bewegungseinleitung vom zweiten Ringabschnitt 5 auf das Ventilglied 79 erfolgt mit einer schwenkbeweglich im Ventilgehäuse 74 gelagerten Wippe 70. Diese Wippe 70 ist mit einem als Druckfeder ausgebildeten Federmittel 71 sowie mit einem Nocken 72 am zweiten Ringabschnitt 5 abgestützt. Da das Federmittel 71 und der Nocken 72 auf unterschiedlichen Seiten einer Schwenkachse 73 angeordnet sind, werden bei geeigneter Auswahl des Federmittels 71 die Wippe 70 und das Ventilglied 79 bei Bestromung der wenigstens einen, nicht dargestellten Magnetspule in die dargestellte Funktionsstellung bewegt, in der ein Fluidstrom vom Eingangsanschluss 75 zum Ausgangsanschluss 76 möglich ist. Sobald eine Bestromung der Magnetspulen 2 und 42 aufgehoben wird, erfolgt aufgrund der gespeicherten Federkraft der nicht dargestellten Federeinrichtung eine, in der Figur 5 nach unten gerichtete, Krafteinleitung auf den Nocken 72, so dass dieser und der darunterliegende Bereich der Membran in Richtung des am Ausgangsanschluss 76 ausgebildeten Ventilsitzes 78 gedrückt werden und in der Ruhestellung des Ventilglieds 79 eine flächig abdichtende Anlage der Membrane des Ventilglieds 79 am Ventilsitz 78 gewährleistet ist. Dabei wird das Federmittel 71 komprimiert und gewährleistet somit stets eine Anlage des Nockens 72 am zweiten Ringabschnitt 5.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ermöglichen das Ventilglied und die Wippe eine wechselweise Abdichtung zweier spielgelbildlich zur Schwenkachse der Wippe angeordneter Ausgangsanschlüsse, so dass sich in der Ruhestellung in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform gemäß der Figur 5 eine Abdichtung des ersten Ausgangsanschlusses ergibt und bei Bestromung der beiden Magnetspulen aufgrund der Rückstellwirkung des Federmittels eine Schwenkbewegung der Wippe erfolgt. Dadurch wird der zweite Ausgangsanschluss abgedichtet. Bei Aufhebung der Bestromung der beiden Magnetspulen erfolgen die Freigabe des zweiten Ausgangsanschlusses und der erneute Verschluss des ersten Ausgangsanschlusses.
Bei einer in der Figur 6 dargestellten Ausführungsform des Ventilgehäuses 84 ist das Lagermittel 90 exemplarisch als Festkörperlager zwischen einer am Ventilgehäuse 84 ausgebildeten Lagerzunge 92 und dem zweiten Ringabschnitt 5 ausgebildet. Dabei ist das Lagermittel 90 als biegeelastische Platte, beispielsweise aus einem Kunststoff- oder Metallmaterial hergestellt und jeweils mit dem Ventilgehäuse 84 und dem zweiten Ringabschnitt 5, insbesondere stoffschlüssig, verbunden.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform des Lagermittels ist dieses als Festkörpergelenk zwischen dem ersten und dem zweiten Ringabschnitt ausgebildet.
Ferner ist bei der Ausführungsform gemäß der Figur 6 das Ventilglied 89 als randseitig umlaufend abgedichtete Membran ausgebildet und wird von einem schiebebeweglich im Ventilgehäuse 84 gelagerten Stößel 91 mit dem zweiten Ringabschnitt 5 bewegungsgekoppelt.
Die Lagermittel und Ventilglieder gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, die beschriebenen und zeichnerisch dargestellten Kombinationen sind jeweils exemplarisch.

Claims

Elektromechanische Antriebseinrichtung, insbesondere zur Bewegung eines Ventilglieds (49; 69; 79; 89), mit wenigstens einer hohl gewickelten Magnetspule (2, 42) und einem Ringjoch (3), das einen ersten Ringabschnitt (4) und einen zweiten Ringabschnitt (5) umfasst, wobei die Magnetspule (2; 42) den ersten Ringabschnitt (4) bereichsweise umgibt und wobei der zweite Ringabschnitt (5) schwenkbeweglich zum ersten Ringabschnitt (4) gelagert ist, wobei der erste Ringabschnitt (4) und der zweite Ringabschnitt (5) derart ausgebildet sind, dass ein zwischen dem ersten Ringabschnitt (4) und dem zweiten Ringabschnitt (5) ausgebildeter erster Luftspalt (9) vollständig in einem von der Magnetspule (2, 42) umgebenen Raumvolumen, insbesondere in einem mittleren Drittel dieses Raumvolumens, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Ringabschnitt (4) zwei Magnetspulen (2, 42) zugeordnet sind.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Ringabschnitt (4) und dem zweiten Ringabschnitt (5) wenigstens ein erster und ein zweiter jeweils größenveränderlicher Luftspalt (9, 10) ausgebildet sind.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetischer Widerstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ringabschnitt (4, 5) im Bereich des zweiten Luftspalts (10) zumindest nahezu ausschließlich, insbesondere ausschließlich, von der Größe des zweiten Luftspalts (10) abhängig ist und/oder dass der zweite Ringabschnitt (5) im Bereich des zweiten Luftspalts (10) stets zumindest mit einer Linienberührung am ersten Ringabschnitt (4) anliegt.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem zweiten Ringabschnitt (5) und dem ersten Ringabschnitt (4) ausgebildeter zweiter Luftspalt (10) vollständig in einem von der zweiten Magnetspule (42) umgebenen Raumvolumen, insbesondere in einem mittleren Drittel dieses Raumvolumens, angeordnet ist.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringabschnitt (4) und der zweite Ringabschnitt (5) gelenkig miteinander verbunden sind und eine Gelenkverbindung zwischen dem ersten Ringabschnitt (4) und dem zweiten Ringabschnitt (5) für einen bewegungsunabhängigen, konstanten magnetischen Widerstand zwischen dem ersten Ringabschnitt (4) und dem zweiten Ringabschnitt (5) ausgebildet ist.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringabschnitt (4) U-förmig ausgebildet ist, insbesondere mit einem ersten U-Schenkel, der länger als ein zweiter U-Schenkel ausgebildet ist.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Magnetspulen (2, 42) parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet sind.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ringabschnitt (5) zwischen dem ersten Ringabschnitt (4) und einem, insbesondere schneidenartig ausgebildeten, Lagermittel (50; 70; 80; 90) und/oder einem, insbesondere elastisch ausgebildeten, Andruckmittel (8) angeordnet ist, das für eine Ausrichtung des zweiten Ringabschnitts (5; 25) und/oder für eine Krafteinleitung auf den zweiten und ersten Ringabschnitt (4, 5) ausgebildet ist.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vom ersten und vom zweiten Ringabschnitt gebildeten ersten Magnetkreis ein Permanentmagnet angeordnet ist, der dem ersten oder zweiten Ringabschnitt zugeordnet ist und/oder dass dem Ringjoch ein dritter Ringabschnitt zugeordnet ist, der wenigstens einen, insbesondere größenveränderlichen, Luftspalt mit dem ersten oder dem zweiten Ringabschnitt ausbildet und mit dem ersten und/oder dem zweiten Ringabschnitt einen zweiten Magnetkreis ausbildet.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ringabschnitt (5) im Bereich des ersten Luftspalts (9) wenigstens eine gekrümmte Oberfläche aufweist und/oder dass die Ringabschnitte (4, 5) aus mehreren Metallblechschichten aufgebaut sind und/oder dass wenigstens einer der Ringabschnitte (4, 5) einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt aufweist.
Magnetventil mit einem Ventilgehäuse (44; 64; 74; 84), das mindestens einen Eingangsanschluss (45; 65; 75; 85) für eine Fluidzufuhr und mindestens einen Ausgangsanschluss (46; 66; 76; 86) für eine Fluidabfuhr umfasst und in dem ein Ventilglied (49; 69; 79; 89) beweglich aufgenommen ist, das für eine abdichtende Anlage an einem dem mindestens einen Eingangsanschluss (45; 65; 75; 85) oder dem mindestens einen Ausgangsanschluss (46; 66; 76; 86) zugeordneten Ventilsitz (48; 68; 78; 88) zur Beeinflussung eines Fluidstroms zwischen dem Eingangsanschluss (45; 65; 75; 85) und dem Ausgangsanschluss (46; 66; 76; 86) durch das Ventilgehäuse (44; 64; 74; 84) hindurch ausgebildet ist, mit einer elektromechanischen Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Magnetventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (49; 69; 79; 89) als Dichtmittel an einer dem ersten Ringabschnitt (4) abgewandten Oberfläche des zweiten Ringabschnitts (5) ausgebildet ist oder von einem mit dem zweiten Ringabschnitt (5) bewegungsgekoppelten Betätigungsglied (70; 72; 91) ansteuerbar ist.