EP4060694A1

EP4060694A1 - Betätigungsmagnet

Info

Publication number: EP4060694A1
Application number: EP22158762.9A
Authority: EP
Inventors: Christian Groh; Hans-Jürgen PAULY
Original assignee: Hydac Fluidtechnik GmbH
Current assignee: Hydac Fluidtechnik GmbH
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2022-09-21
Also published as: DE102021001385A1

Abstract

2. Es ist ein Betätigungsmagnet mit einer bestrombaren Spuleneinrichtung (28) zum Bewegen eines Magnetankers (14) innerhalb eines Polrohres (12) in mindestens eine Richtung offenbart, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnetanker (14) zum Beeinflussen einer Kraft-Weg-Kennlinie (44, 46, 48), zumindest im Sinne einer Kraftverminderung am Ende seines Arbeitshubes, mindestens ein Steuermittel (50, 64) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Betätigungsmagneten mit einer bestrombaren Spuleneinrichtung zum Bewegen eines Magnetankers innerhalb eines Polrohres in mindestens eine Richtung.
Derartige Betätigungsmagnete bezeichnet man fachsprachlich auch als Proportional- oder Schaltmagnete, die in einer Vielzahl von Ausführungsformen auf dem Markt frei erhältlich sind.
Insbesondere dienen solche Betätigungsmagnete dazu, den jeweiligen Ventilkolben eines hydraulischen oder pneumatischen Ventils anzusteuern zwecks Regulieren eines diesbezüglichen Medienflusses zwischen Anschlüssen eines Ventilgehäuses, in dem der Ventilkolben längsverfahrbar geführt ist. Beispielhaft sei hier auf ein Proportionaldruck-Regelventil nach der DE 10 2011 018 873 A1 verwiesen mit einem Ventilgehäuse, in dem der Ventilkolben axial verfahrbar in einer Führung geführt ist und unter der Wirkung eines bestrombaren Betätigungsmagneten für den Ventilkolben und einer eine Federkraft ausübenden Rückstelleinrichtung, die auf den Ventilkolben entgegen der aufgebrachten Magnetkraft des Betätigungsmagneten wirkt, einen Medienfluss zumindest zwischen zwei im Ventilgehäuse eingebrachten Medienanschlüssen regelt.
Mit dem Ansteuern des Betätigungsmagneten, sprich dem Bestromen seiner Spulenanordnung, stellt der Ventilkolben die medienführende Verbindung zwischen den genannten Anschlüssen her, unter Berücksichtigung der vorherrschenden Kräfte, auf der Basis der anstehenden Drücke multipliziert mit den jeweils druckwirksamen Flächen, der Federkraft, den Strömungskräften und der Magnetkraft. Ein jeweils an zumindest einem der Medienanschlüsse im Ventilgehäuse anstehender Mediendruck multipliziert mit einer druckwirksamen Fläche am Ventilkolben, ist dabei im Gleichgewicht mit der herrschenden Betätigungskraft des Betätigungsmagneten, so dass sich dergestalt über das angestrebte Gleichgewicht eine mehr oder minder ausgeglichene Kraft-Weg-Kennlinie für den Betätigungsmagneten vorgeben lässt.
Aus DE 10 2013 010 833 A1 ist ein Betätigungsmagnet, insbesondere in Form eines Proportionalmagneten oder Schaltmagneten bekannt, mit einem Magnetanker, der in einem von einer Spulenwicklung zumindest teilweise umgebenen Polhülse als Teil eines Polrohres axial bewegbar geführt ist, an die sich über einen eine magnetische Entkopplung bildenden Trennbereich, der auch mit einem nicht-magnetischen Material verfüllt werden kann, ein Polkern oder Polstück als weiterer Teil des Polrohres anschließt, wobei bei einer Bestromung der Spulenwicklung am Anker eine Magnetkraft wirkt, die diesen innerhalb eines Hubraums als Teil eines Ankerraums im Sinne eines "drückenden Magnetes" in Richtung auf das Polstück zu bewegt. Die bekannte Lösung ist dadurch charakterisiert, dass für eine gewünschte Verkürzung der axialen Länge dieses Hubraumes mindestens eine, vorzugsweise ringförmige, Einlage aus ferromagnetischem Material vorgegebener axialer Dicke zwischen den Anker und dem Polstück einbringbar ist. Im Bedarfsfall lassen sich auch mehrere derartige Einlagen, auch in unterschiedlicher Dicke, in den Ankerraum einsetzen.
Die angesprochene jeweilige Einlage ist als Steuermittel zum Beeinflussen der Kraft-Weg-Kennlinie für den Betätigungsmagneten respektive seinen Magnetanker in den diesbezüglichen Ankerraum eingesetzt mit der Folge, dass gegenüber einer Lösung ohne eine solche Einlage der Kraftanstieg mit einer progressiv ansteigenden Kennlinie erfolgt, d.h. es kommt in Richtung der vollen Auslenkung des Magnetankers zu einem erhöhten Kraftaufkommen auf einen Betätigungsstößel des Ventilkolbens, wie er in der DE 10 2011 018 873 A1 für ein Proportional-Druck-Regelventil aufgezeigt ist, so dass dergestalt erhöhte Betätigungskräfte auf das Ventil einwirken.
Die bekannte Lösung bei der das Steuermittel für die Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie in Form der jeweiligen Einlage in den Ankerraum eingebracht ist, in dem der Magnetanker längsverfahrbar geführt ist, verkürzt den freien Betätigungsweg für den Magnetanker und reduziert damit den gleichzeitig maximal möglichen Verschiebeweg für den Ventilkolben eines an den Betätigungsmagneten angeschlossenen Ventils mit seinen Medien- oder Fluidanschlüssen.
Insbesondere wenn mehrere Einlegeteile in Hintereinanderanordnung im Ankerraum vorgesehen sein sollten, kommt es zu einem deutlich maximierten Kraftanstieg am Ende des Betätigungsweges des Magnetankers mit der Folge, dass als entsprechende Gegenhaltekraft im Ventil hohe Federkräfte notwendig sind, die zu groß aufbauenden Druckfedern und mithin zu großen Ventilkonstruktionen führen. Ferner kommt es zu einem trägen Ansprechverhalten des Betätigungsmagneten nebst angeschlossenem Ventil, was die Ansteuerdynamik für das Ventil beeinträchtigt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ventilkonstruktionen dahingehend weiter zu verbessern, dass eine sinnfällige Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie für den Magnetanker ermöglicht ist, mit schnell ansprechendem Betätigungsverhalten des jeweiligen Magnetankers bei geringer Baugröße. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Betätigungsmagnet mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichneten Teil des Patentanspruches 1 vorgesehen ist, dass der Magnetanker zum Beeinflussen der angesprochenen Kraft-Weg-Kennlinie, zumindest im Sinne einer Kraftverminderung am Ende eines Arbeitshubes, mindestens ein Steuermittel aufweist, sind auf platzsparende Weise die Steuermittel aus dem Ankerraum, wie im Stand der Technik aufgezeigt, in den Magnetanker hinein verlegt.
Dabei ist es für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet solcher Magnetsysteme überraschend, dass er durch die Verlegung der Steuermittel in den Magnetanker hinein über dessen Betätigungsweg hinweg zu einem vergleichmäßigten Kraft-Weg-Verlauf kommt, und dass insbesondere am Ende des Arbeits- oder Betätigungshubes des Magnetankers es zu einer Kraftverminderung der Betätigungskraft kommt, die aber genügt, um den Ventilkolben eines an den Betätigungsmagneten angeschlossenen Ventiles sicher in seine, die jeweiligen Fluidanschlüsse sperrenden oder freigebenden Stellungen bewegen zu können. Da die aufgebrachte Betätigungskraft am Ende des Ankerhubes insgesamt reduziert ist, kann der Betätigungsmagnet mit seinem Spulenkörper auch entsprechend verkleinert und mithin platzsparend aufgebaut sein und da nur geringe Ansteuerkräfte, insbesondere über die Rückstellfeder des angeschlossenen Ventiles zu beherrschen sind, ist ein ausgesprochen schnelles, dynamisches Schaltverhalten für den erfindungsgemäßen Betätigungsmagneten erreicht. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
Die Steuermittel des Magnetankers lassen sich derart optimieren, dass der Magnetanker schon dann in seine Rückstellung gelangt, wenn er noch nicht mit seiner vorderen Stirnseite am Polkern oder an einer dem Polkern angeordneten Antiklebscheibe angeschlagen hat, was diese schont oder sogar entbehrlich macht. Dergestalt lassen sich sehr kraftausgeglichene Bewegungen für den Magnetanker erreichen, was der Schaltdynamik zugutekommt. Anstelle einer Druckfeder als Rückstellkraftmittel für den Magnetanker kann auch eine zweite, entsprechend gepolte Spuleneinrichtung eine Rückfahrbewegung des Magnetankers in seine unbetätigte Neutralstellung veranlassen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das jeweilige Steuermittel in die Außenkontur des Magnetankers eingebracht sein. Dadurch ist das Steuermittel erfindungsgemäß bauraumsparend in einer zur Funktion des Betätigungsmagneten zwingend erforderlichen Komponente in Form des Magnetankers angeordnet.
Das jeweilige Steuermittel kann aus einer mindestens abschnittsweise im Magnetanker verlaufenden Steuernut gebildet sein. Derartige Steuernuten sind einfach und kostengünstig durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren in den Magnetanker einbringbar, beispielsweise durch Fräsen oder Laserschneiden.
Die jeweilige Steuernut kann durch eine umlaufende Ringnut im Magnetanker gebildet sein, die am Außenumfang und/oder an einer Stirnseite des Magnetankers in diesen eingebracht ist. Im Vergleich zu einem steuermittelfreien Magnetanker bewirkt eine auf der Stirnseite des Magnetankers eingebrachte Nut im Wesentlichen eine Kraftverminderung, insbesondere der Maximalkraft, im Bereich des Endhubes des Magnetankers, wohingegen eine am Außenumfang eingebrachte Nut neben einer weiteren Kraftverminderung im Bereich des Endhubes, im Bereich des Arbeitshubes eine längere Arbeitshubstrecke mit im Wesentlichen waagrecht verlaufender Kraft-Weg-Kennlinie bewirkt. Besonders vorteilhaft sind am Außenumfang und an der Stirnseite des Magnetankers jeweils zumindest eine umlaufende Ringnut in diesen eingebracht. Diese bewirken im Vergleich zum ausschließlichen Vorsehen der Axialnut eine weitere Kraftverminderung im Bereich des Endhubes und des Arbeitshubes des Magnetankers, wodurch der Unterschied der Maximal- und der Minimalkraft der Kraft-Weg-Kennlinie im Bereich des Arbeitshubes besonders gering ist, so dass im Bereich des Arbeitshubes eine besonders lange Arbeitshubstrecke mit im Wesentlichen waagrecht verlaufender Kraft-Weg-Kennlinie erzeugbar ist. Das Kraft-Hub-Verhalten des Betätigungsmagneten ist in Betätigungsrichtung und in Rückstellrichtung des Magnetankers im Wesentlichen gleich, unterscheidet sich insbesondere in einer bestimmten Hubstellung des Magnetankers lediglich um eine Kraft von bis zu ca. 12 Newton.
Die am Außenumfang und/oder an der Stirnseite des Magnetankers eingebrachte Nut kann segmentiert ausgebildet sein, so dass diese mindestens eine Unterbrechung aufweist. Der Nutverlauf kann zumindest teilringförmig und/oder teilgewindeförmig ausgestaltet sein. Zudem kann die Nut mit einem nicht magnetisierbaren Material jedweder Art verfüllt sein, wodurch die Steifigkeit und die Festigkeit des Magnetankers erhöht sind.
Am Außenumfang und/oder an der Stirnseite des Magnetankers können jeweils mehrere Nuten vorgesehen sein, die konzentrisch zur Längsachse des Magnetankers angeordnet sind. Zumindest eine der am Außenumfang und/oder an der Stirnseite in den Magnetanker eingebrachten Nuten kann sich hinsichtlich ihrer Tiefe von der zumindest einen weiteren am Außenumfang bzw. an der Stirnseite in den Magnetanker eingebrachten Nut unterscheiden, je nachdem welche Art von Kraft-Weg-Kennlinie man erreichen möchte.
Das Polrohr kann aus einer Polhülse, insbesondere aus magnetisierbarem Stahl, gebildet sein, die über einen Trennring mit einem Polstück, insbesondere aus magnetisierbarem Stahl, verbunden, insbesondere verschweißt, ist, der eine magnetische Trennung zwischen Polhülse und dem Polstück mitbegrenzt. In der vollausgelenkten Stellung des Magnetankers kann unter Aufbringen der benötigten Betätigungskraft die umlaufende Ringnut des Magnetankers einen axialen Abstand zu dem Trennring einhalten, der vorzugsweise in etwa der einfachen bis dreifachen, besonders bevorzugt der zweifachen bodenseitigen Breite der Ringnut entspricht. Die am Außenumfang des Magnetankers umlaufende Ringnut kann im Querschnitt gesehen mit geradlinig verlaufenden Wänden im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein. Die Tiefe der am Außenumfang des Magnetankers umlaufenden Ringnut kann im Wesentlichen der Breite der Ringnut entsprechen. Der Trennring kann ausgehend von einem zylindrischen Bodenteil in zwei schrägverlaufende Begrenzungswände nach außen hin übergehen, von denen eine mit größerer Neigung der Polhülse und die andere, mit demgegenüber geringerer Neigung dem freien Ende des Bestätigungsstößel zugewandt ist. Die am Außenumfang des Magnetankers umlaufende Ringnut kann in jeder Verfahrstellung des Magnetankers in dessen kraftausübender Betätigungsstellung hinter dem Trennring zurückbleiben. Die stirnseitig am Magnetanker eingebrachte als Steuernut dienende Ringnut kann den Betätigungsstößel umfassen und im Bereich des äußeren Drittels der freien Stirnfläche des Magnetankers eingebracht sein, die dem Betätigungsstößel zugewandt ist. Der Querschnitt der stirnseitigen Ringnut kann ausgehend von einer parallel zur Stirnseite des Magnetankers verlaufenden Bodenfläche einen geradlinig verlaufenden Wandabschnitt, der senkrecht auf der Bodenfläche steht, und einen schrägverlaufenden Wandabschnitt aufweisen, der in Richtung zur Betätigungsachse des Magnetankers schräg verlaufend ist, vorzugsweise mit diesem einen Winkel von etwa 30° bis 60° Grad, besonders bevorzugt von 45° Grad, einschließen. Durch bereits eine Änderung eines der voranstehend genannten Parameter des Betätigungsmagneten ist der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie an bestimmte Einsatzzwecke des Betätigungsmagneten anpassbar.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßer Betätigungsmagnet anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in nicht maßstäblicher Darstellung

Fig. 1: einen schematisch vereinfachten Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Betätigungsmagneten;
Fig. 1A, 1B: jeweils eine vergrößerte Darstellung eines in Fig. 1 mit A bzw. B bezeichneten Kreisausschnittes;
Fig. 2: teilweise in einem schematisch vereinfachten Längsschnitt den Betätigungsmagneten aus Fig. 1; und
Fig. 3: einen Kraft-Weg-Kennlinienverlauf des Betätigungsmagneten aus Fig. 1 und 2 in einem kartesischen Koordinatensystem, in dem der Hubweg des Magnetankers entlang der Abszisse und die Kraft entlang der Ordinate aufgetragen sind.

Aus dem Stand der Technik bekannte Betätigungsmagnete dienen beispielsweise zum Ansteuern eines Ventils zwecks Regulieren eines Medienflusses zwischen in dem Gehäuse des Ventils vorgesehenen Anschlüssen. Hinsichtlich dem Aufbau und der Funktion einer aus dem Stand Technik bekannten, derartigen Kombination aus einem Betätigungsmagneten und einem Ventil sei beispielhaft auf ein Proportionaldruck-Regelventil nach der DE 10 2011 018 873 A1 verwiesen.
In Fig. 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Betätigungsmagnet 10 dargestellt, der ein Polrohr 12 aufweist, in dem ein Magnetanker 14 in einem Ankerraum 16 axial bewegbar geführt ist. Das Polrohr 12 weist eine Polhülse 18 und ein Polstück 20 auf, die jeweils aus magnetisierbarem Material, insbesondere Stahl, gebildet sind, und die über einen Trennring 22 miteinander verbunden sind, der eine als Ausnehmung des Polrohrs 12 ausgebildete magnetische Trennung zwischen der Polhülse 18 und dem Polstück 20 mitbegrenzt. Die Ausnehmung kann zur Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit des Polrohres mit einem in den Figuren nicht dargestellten nicht magnetisierbaren Material verfüllt sein. Der Ankerraum 16 ist durch Teile der Polhülse 18, durch den Trennring 22, durch Teile des Polstücks 20 und ein zylindrisches Anschlussstück 24 begrenzt, das von dem freien Ende 26 der Polhülse 18 aufgenommen, den Ankerraum 16 nach außen hin abschließt.
Zum Bewegen des Magnetankers 14 (Fig. 1 und 2) innerhalb des Polrohres 12 zumindest in Richtung des Polstücks 20 weist der Betätigungsmagnet 10 eine Spuleneinrichtung 28 mit einer Spulenwicklung 30 auf, die auf dem Polrohr 12 angeordnet ist und für einen Betätigungsvorgang bestrombar ist. Die Spuleneinrichtung 28 ist zumindest teilweise von einem Gehäuse 32 umfasst, das eine das Polstück 20 umfassende, ringförmige Polplatte 34 aufweist.
An dem einen Ende des Magnetankers 14 ist ein koaxial zum Magnetanker 14 ausgerichtetes, stangenartiges Betätigungsteil in Form eines Betätigungsstößels 38 befestigt, insbesondere in den Magnetanker 14 eingeschraubt, das sich durch eine Durchgangsbohrung 40 im Polstück 20 hindurch erstreckt, so dass das dem Magnetanker 14 abgewandte freie Ende 42 des Betätigungsstößels 38 für eine Betätigung einer in den Figuren nicht dargestellten Einrichtung, beispielsweise eines Ventils, zugänglich ist (siehe DE 10 2011 018 873 A1 ).
Wie in den Fig. 1, 1A und 2 gezeigt, wobei die Fig. 1A eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 mit A bezeichneten Kreisausschnittes zeigt, weist der Magnetanker 14 zum Beeinflussen einer Kraft-Weg-Kennlinie 44, 46, 48 (Fig. 3) ein Steuermittel 50 (Fig. 1A) in Form einer in seinen Außenumfang 52 eingebrachten, ringförmig umlaufenden Steuernut 54 auf, die nachfolgend als Ringnut 54 bezeichnet wird.
Wie in Fig. 1A am besten zu erkennen ist, ist die in den Außenumfang 52 des Magnetankers 14 eingebrachte Ringnut 54 im Querschnitt gesehen im Wesentlichen U-förmig ausgebildet, nämlich mit senkrecht zur Längsachse 56 des Betätigungsmagneten 10 verlaufenden, parallel zueinander angeordneten Wänden 58, die von einer koaxial zur Längsachse 56 des Betätigungsmagenten 10 angeordneten, ringförmigen Bodenfläche 60 ausgehen, wobei die Tiefe der Ringnut 54 im Wesentlichen der Breite der Ringnut 54 entspricht. Die Ringnut 54 ist in einem Bereich des Magnetankers 14 in diesen eingebracht, der sich, ausgehend von einer Stirnseite 62 des Magnetankers 14 mit dem Betätigungstößel 38 gemessen, zwischen einem Fünftel und einem Drittel der axialen Gesamtlänge des Magnetankers 14 erstreckt.
Zusätzlich oder alternativ weist der Magnetanker 14, wie den Fig. 1 und 1B zu entnehmen ist, wobei die Fig. 1B eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 mit B bezeichneten Kreisausschnittes zeigt, gleichfalls zum Beeinflussen der Kraft-Weg-Kennlinie (Fig. 3) ein Steuermittel 64 (Fig. 1B) in Form einer in die Stirnseite 62 des Magnetankers 14 mit dem Betätigungsstößel 38 eingebrachten, ringförmig umlaufenden Steuernut 66 auf, die nachfolgend als weitere Ringnut 66 bezeichnet wird.
Wie in Fig. 1B am besten zu erkennen ist, weist der Querschnitt der in die Stirnseite 62 des Magnetankers 14 eingebrachten weiteren Ringnut 66, ausgehend von einer parallel zur Stirnseite 62 des Magnetankers 14 verlaufenden Bodenfläche 68, einen geradlinig verlaufenden Wandabschnitt 70, der senkrecht auf der Bodenfläche 68 steht, und einen schräg verlaufenden Wandabschnitt 72 auf, der in Richtung zur Betätigungsachse 56 des Magnetankers 14 schrägverlaufend ausgebildet ist. Der Winkelwert zwischen dem schräg verlaufenden Wandabschnitt 72 und der Betätigungsachse 56 beträgt ca. 45 Grad. Die weitere Ringnut 66 ist im Bereich des äußeren Drittels der freien Stirnfläche 62 des Magnetankers 14 vorgesehen.
Die in den Außenumfang 52 des Magnetankers 14 eingebrachte Ringnut 54 und/oder die stirnseitig in den Magnetanker 14 eingebrachte weitere Ringnut 66 umfassen den Betätigungsstößel 38 jeweils koaxial.
Im Querschnitt gesehen geht der Trennring 22 (Fig. 1 und 2), ausgehend von einem zylindrischen Bodenteil 74, in zwei schräg verlaufende, ringförmige Begrenzungswände 76, 78 nach außen hin über, von denen eine 76 mit größerer Neigung der Polhülse 18 und die andere 78, mit demgegenüber geringerer Neigung, dem freien Ende 42 des Betätigungsstößels 38 zugewandt ist. In jeder Hubstellung des Magnetankers 14, insbesondere in der Endhubstellung, d. h. in der vollausgelenkten Hubstellung, hält die am Außenumfang 52 in dem Magnetanker 14 eingebrachte Ringnut 54 in Richtung des von dem Betätigungsstößel 38 abgewandten Endes 80 des Magnetankers 14 und die stirnseitig in den Magnetanker 14 eingebrachte weitere Ringnut 66 in Richtung des den Betätigungsstößel 38 aufweisenden Endes 62 des Magnetankers 14 jeweils einen zumindest geringfügigen, axialen Abstand zum Bodenteil 74 des Trennrings 22 ein, dessen Breite ca. der 2,5-fachen bodenseitigen Breite der Ringnut 54 im Außenumfang 52 des Magnetankers 14 entspricht.
In Fig. 3 ist in einem Koordinatensystem ein Kraft-Weg-Kennlinienverlauf 82 eines aus dem Stand der Technik bekannten, steuermittelfreien Magnetankers und Kraft-Weg-Kennlinienverläufe 44, 46, 48 des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Magnetankers 14 dargestellt, der die in seinen Außenumfang 52 und/oder in seine Stirnseite 62 eingebrachte Ringnuten 54, 66 aufweist.
In dem Koordinatensystem (Fig. 3), in dem der Hubweg s des Magnetankers 14 auf der x-Achse in Millimetern und die Kraft F auf der y-Achse in Newton aufgetragen sind, ist der Kraft-Weg-Kennlinienverlauf des steuermittelfreien Magnetankers mittels einer durchgezogenen, dunklen Kennlinie 82, der Kraft-Weg-Kennlinienverlauf eines Magnetankers 14 mit ausschließlich einer an seinem Außenumfang 52 eingebrachten Nut 54 mittels einer gestrichelten Kennlinie 44, der Kraft-Weg-Kennlinienverlauf eines Magnetankers 14 mit ausschließlich einer stirnseitigen Nut 66 mittels einer gepunkteten Kennlinie 46 und der Kraft-Weg-Kennlinienverlauf eines Magnetankers 14, der eine an seinem Außenumfang 52 eingebrachte Nut 54 und eine stirnseitige Nut 66 aufweist, mittels einer durchgezogenen, hellen Kennlinie 48 dargestellt.
Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, bewirkt eine auf der Stirnseite 62 des Magnetankers 14 eingebrachte Nut 66 (Kennlinie 46) im Vergleich zu einem steuermittelfreien Magnetanker im Wesentlichen eine Kraftverminderung, insbesondere der Maximalkraft, im Bereich des Endhubes des Magnetankers 14, wohingegen eine am Außenumfang 52 eingebrachte Nut 54 (Kennlinie 44) neben einer weiteren Kraftverminderung im Bereich des Endhubes, im Bereich des Arbeitshubes eine längere Arbeitshubstrecke mit im Wesentlichen waagrecht verlaufender Kraft-Weg-Kennlinie 44 bewirkt.
Besonders vorteilhaft sind am Außenumfang 52 und an der Stirnseite 62 des Magnetankers 14 jeweils zumindest eine umlaufende Ringnut 54, 66 (Kennlinie 48) in diesen eingebracht. Diese bewirken im Vergleich zum ausschließlichen Vorsehen der am Außenumfang 52 vorgesehenen Nut 54 eine weitere Kraftverminderung im Bereich des Endhubes und des Arbeitshubes des Magnetankers 14, wodurch der Unterschied der Maximal- und der Minimalkraft der Kraft-Weg-Kennlinie 48 im Bereich des Arbeitshubes besonders gering ist, so dass im Bereich des Arbeitshubes eine besonders lange Arbeitshubstrecke mit im Wesentlichen waagrecht verlaufender Kraft-Weg-Kennlinie 48 erzeugbar ist.
Aufgrund der Kraftverminderung im Bereich des Endhubes kann der Magnetanker 14 unter der Einwirkung der Ringnuten 54, 66 entweder mit einer verringerten Betätigungskraft an dem Polstück 20 bzw. an einer gegebenenfalls vorgesehenen Antiklebscheibe 84 anstoßen oder sogar unter Einhalten eines spaltförmigen axialen Abstandes zu diesen seine Endposition vor Rückstellung in die unbetätigte Stellung einnehmen.
Aus Fig. 3 geht weiterhin hervor, dass das Kraft-Hub-Verhalten jedes zumindest eine Ringnut 54, 66 aufweisenden Magnetankers 14 in Betätigungsrichtung 86 und in Rückstellrichtung 88 im Wesentlichen gleich ausgebildet ist, sich nämlich in einer bestimmten Hubstellung des Magnetankers 14 lediglich um eine Kraft von bis zu ca. 12 Newton unterscheidet, wobei die Kraft in Rückstellrichtung 88 in jeder Hubstellung größer ist als die Kraft in Betätigungsrichtung 86.
Wie Fig. 1 und 2 zeigen, ist der Magnetanker 14 mittels einer Führungshülse 90 in dem Polrohr 12 geführt, die in einer ringförmig umlaufenden Vertiefung 92 am Außenumfang 52 des Magnetankers 14 angeordnet ist und die den Magnetanker 14 an seinem dem Betätigungsstößel 38 abgewandten Endbereich umfasst. Zur längsverfahrbaren Führung des Betätigungsstößels 38 im Polstück 20 ist eine weitere Führungshülse 94 vorgesehen, die in einer ringförmig umlaufenden Vertiefung 96 in Form einer Innendurchmessererweiterung in dem dem Magnetanker 14 zugewandten Endbereich der Durchgangsbohrung 40 des Polstücks 20 aufgenommen ist.
In Richtung der Stirnseite 62 des Magnetankers 14, an der der Betätigungsstößel 38 befestigt ist, schließt sich an die ringförmig umlaufende Vertiefung 96 für die weitere Führungshülse 94 eine ringförmig umlaufende Vertiefung 98 mit einem größeren Außendurchmesser an, in der eine den Betätigungsstößel 38 umfassende Antiklebscheibe 84 angeordnet ist.
Wie den Fig. 1 und 2 des Weiteren zu entnehmen ist, weist das Polstück 20, insbesondere in der jeweiligen Bildebene der Fig. 1 und 2 zwei, parallel zur Betätigungsachse 56 verlaufende, durchgehende Ausgleichsbohrungen 100 zum Druckausgleich auf, die das Äußere des Betätigungsmagneten 10 mit dem Ankerraum 16 verbinden, in dem der Magnetanker 14 verfahrbar angeordnet ist. Die beiden Ausgleichsbohrungen 100 münden jeweils in Höhe der stirnseitig in den Magnetanker 14 eingebrachten weiteren Ringnut 66 in Richtung des Magnetankers 14 aus dem Polstück 20 aus.
An das Anschlussstück 24 schließt sich ein in den Figuren nicht dargestelltes Steckerteil zum Bestromen der Spuleneinrichtung 28 an, das zumindest teilweise von der Polhülse 18 umfasst ist. Das Polstück 20 weist am Außenumfang 52 seines freien Endes 102 ein Einschraubgewinde 104 zum Einschrauben des Betätigungsmagneten 10 beispielsweise in einen in den Figuren nicht gezeigten Ventilblock auf.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Betätigungsmagnet 10 ist als sogenannter "drückender Magnet" ausgelegt, der bei Bestromen der Spulenwicklung 30, ausgehend von seiner Ausgangs-Hubstellung, in der dieser am Anschlussstück 24 anliegt, in Richtung des Polstücks 20 verfährt, bis dieser in seine Endhubstellung nahe der Antiklebscheibe 84 oder in Anlage an die Antiklebscheibe 84 gelangt.
Zur Rückstellung des Magnetankers 14 in seine Ausgangs-Hubstellung bei teil- oder unbestromter Spuleneinrichtung 28 kann eine in den Figuren nicht dargestellte Rückstelleinrichtung vorgesehen sein, die einen Energiespeicher in Form einer Druckfeder aufweist. Die Druckfeder kann entweder Teil der betätigten Einrichtung, beispielsweise in Form des Ventils (siehe DE 10 2011 018 873 A1 ), oder Teil des Betätigungsmagneten 10 sein, sich nämlich mit ihrem einen Ende am Magnetanker 14 und mit ihrem anderen Ende am Polstück 20 abstützen, wobei sich der Betätigungsstößel 38 durch die Druckfeder hindurch erstreckt.

Claims

Betätigungsmagnet mit einer bestrombaren Spuleneinrichtung (28) zum Bewegen eines Magnetankers (14) innerhalb eines Polrohres (12) in mindestens eine Richtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (14) zum Beeinflussen einer Kraft-Weg-Kennlinie (44, 46, 48), zumindest im Sinne einer Kraftverminderung am Ende seines Arbeitshubes, mindestens ein Steuermittel (50, 64) aufweist.
Betätigungsmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Steuermittel (50, 64) in die Außenkontur (52, 62) des Magnetankers (14) eingebracht ist.
Betätigungsmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Steuermittel (50, 64) aus einer mindestens abschnittsweise im Magnetanker (14) verlaufenden Steuernut (54, 66) gebildet ist.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Steuernut (54, 66) durch eine umlaufende Ringnut (54, 66) im Magnetanker (14) gebildet ist, die am Außenumfang (52) und/oder an einer Stirnseite (62) des Magnetankers (14) in diesen eingebracht ist.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polrohr (12) aus einer Polhülse (18) gebildet ist, die über einen Trennring (22) mit einem Polstück (20) verbunden ist, der eine magnetische Trennung zwischen Polhülse (18) und dem Polstück (20) mitbegrenzt.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der vollausgelenkten Stellung des Magnetankers (14) unter Aufbringen der benötigten Betätigungskraft die umlaufende Ringnut (54, 66) des Magnetankers (14) einen axialen Abstand zu dem Trennring (22) einhält, der vorzugsweise in etwa der einfachen bis dreifachen, besonders bevorzugt der zweifachen bodenseitigen Breite der Ringnut (54, 66) entspricht.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Außenumfang (52) des Magnetankers (14) umlaufende Ringnut (54) im Querschnitt gesehen mit geradlinig verlaufenden Wänden (58) im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der am Außenumfang (52) des Magnetankers (14) umlaufenden Ringnut (54) im Wesentlichen der Breite der Ringnut (54) entspricht.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magentanker (14) auf einen Betätigungsstößel (38) einwirkt, der das Polstück (20) durchgreift und der vorzugsweise mittels eines Energiespeichers bei teil- oder unbestromter Spuleneinrichtung (28) den Magnetanker (14) in seiner unbetätigte Stellung rückverfährt.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennring (22) ausgehend von einem zylindrischen Bodenteil (74) in zwei schrägverlaufende Begrenzungswände (76, 78) nach außen hin übergeht, von denen eine (76) mit größerer Neigung der Polhülse (18) und die andere (78), mit demgegenüber geringerer Neigung dem freien Ende (42) des Bestätigungsstößels (38) zugewandt ist.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Außenumfang (52) des Magnetankers (14) umlaufende Ringnut (54) in jeder Verfahrstellung des Magnetankers (14) in dessen kraftausübender Betätigungsstellung hinter dem Trennring (22) zurückbleibt.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitig am Magnetanker (14) eingebrachte als Steuernut (66) dienende Ringnut (66) den Betätigungsstößel (38) umfasst und im Bereich des äußeren Drittels der freien Stirnfläche (62) des Magnetankers (14) eingebracht ist, die dem Betätigungsstößel (38) zugewandt ist.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der stirnseitigen Ringnut (66) ausgehend von einer parallel zur Stirnseite (62) des Magnetankers (14) verlaufenden Bodenfläche (68) einen geradlinig verlaufenden Wandabschnitt (70), der senkrecht auf der Bodenfläche (68) steht und einen schrägverlaufenden Wandabschnitt (72) aufweist, der in Richtung zur Betätigungsachse (56) des Magnetankers (14) schräg verlaufend ist, vorzugsweise mit diesem einen Winkel von etwa 30° bis 60° Grad, besonders bevorzugt von 45°, einschließt.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ringförmigen Vertiefung (98) des Polstückes (20), die dem Magnetanker (14) zugewandt ist, eine den Betätigungsstößel (38) umfassende Antiklebscheibe (84) angeordnet ist.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Einwirkung des jeweiligen Steuermittels (50, 64) der Magnetanker (14) mit einer verringerten Betätigungskraft an dem Polstück (20) respektive der Antiklebscheibe (84) anstößt oder vorzugsweise unter Einhalten eines spaltförmigen axialen Abstandes seine Endposition vor Rückstellung in die unbetätigte Stellung einnimmt.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (14) an seinem dem Bestätigungsstößel (38) abgekehrten Endbereich von einer Führungshülse (90) umfasst ist, die der Führung des Magnetankers (14) in der Polhülse (18) dient.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsstößel (38) im Polstück (20) mittels einer weiteren Führungshülse (94) längsverfahrbar geführt ist.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polstück (20) mindestens eine parallel zur Betätigungsachse (56) verlaufende, durchgehende Ausgleichsbohrung (100) aufweist, die in Höhe einer stirnseitig in den Magnetanker (14) eingebrachten Ringnut (66) in Richtung des Magnetankers (14) aus dem Polstück (20) ausmündet.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinrichtung (28) zumindest teilweise von einem Gehäuse (32) nach außen hin umfasst ist, das eine Polplatte (34) aufweist, die das Polstück (20) umfasst.
Betätigungsmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Polrohres (26) ein Anschlussstück (24) aufnimmt, das den Ankerraum (16) für den Magnetanker (14) nach außen hin abschließt und an das sich ein Steckerteil zum Bestromen der Spuleneinrichtung (28) anschließt, das zumindest teilweise von der Polhülse (18) umfasst ist.