WO2009034007A1

WO2009034007A1 - Stellventil mit einem resonanten magnetischen aktorsystem

Info

Publication number: WO2009034007A1
Application number: PCT/EP2008/061687
Authority: WO
Inventors: Matthias Kallenbach; Karsten Neumann; Martin Herrig; Veit Zöppig
Original assignee: Technische Universität Ilmenau; Steinbeis-Transferzentrum Mechatronik Ilmenau
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2009-03-19
Also published as: DE102008030258A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stellventil, umfassend ein Druckrohr (5) mit mindestens einem Durchflusskanal (9), dessen Durchflussöffnung mit einem Anker (4) eines elektromagnetischen Aktorsystem veränderbar ist. Das in das Ventil integrierte Aktorsystem umfasst zwei Aktoren (1.1 und 1.2) mit sich zumindest teilweise gegenüberliegenden Polflächen, welche den zwischen den Polflächen angeordneten gemeinsamen Anker (4) antreiben. Der Anker (4) ist außerdem an eine Feder (6) gekoppelt, welche diesen in eine Ruhelage (x0) zwischen den beiden Polflächen drängt, wenn das Aktorsystem nicht aktiviert ist.

Description

Stellventil mit einem resonanten magnetischen Aktorsystem

Die Erfindung betrifft Stellventil mit einem resonanten magnetischen Aktorsystem, welches sich insbesondere zum direk- ten Betätigen von Stellventilen eignet, die beispielsweise in der Industriepneumatik zum Einsatz kommen.

Zum Antrieb von Stellventilen werden in den meisten Fällen magnetische Aktoren eingesetzt, wobei Einfachhubaktoren oder Doppelhubaktoren angewendet werden, deren Magnetkreise sowohl neutral als auch polarisiert (d.h. mit Permanentmagnet) ausgeführt sein können. Das bewegte und kraftwirksame Teil (Anker) muss bei Reluktanzaktoren aktiv in seine Ausgangslage zurückbewegt werden, da die sich aufbauenden Feldkräfte von der Stromrichtung unabhängig sind und nur in Richtung einer

Arbeitsluftspaltverkleinerung wirken. Die Rückstellung erfolgt insbesondere bei Einfachhubaktoren mittels einer Rückstellfeder. Dafür kann aber auch ein zweiter Magnetkreis genutzt werden, dessen mechanische Komponente entgegengesetzt wirkt (Doppelhubaktor) . In beiden Systemen wird das Schaltverhalten hauptsächlich durch die Zeitkonstante des Magnetkreises definiert, da sich der Strom i zeitlich versetzt zum Spannungssignal u auf- und abbaut. Dadurch entsteht beim Anlegen einer Spannung eine Anzugsverzugzeit, während der sich der Strom und somit die mit dem Strom gekoppelte Magnetkraft aufbaut, bis sich der Anker zu bewegen beginnt und nach einer weiteren Zeit die Endlage x∑ erreicht. Ein analoger Vorgang vollzieht sich, wenn der Magnetaktor abgeschaltet wird: der Strom baut sich während der Abfallverzugszeit soweit ab, dass die Rückstell- kraft (z.B. Federkraft) größer wird als die Magnetkraft. In der Folge bewegt sich dann der Anker in die Ausgangslage Xi . Im Fall eines Doppelhubaktors wird die Rückstellung durch den gegensätzlich zum Aktor M₁ angeordneten Aktor M_∑ erzwungen. Die erwähnten Verzugszeiten sind parasitär und verringern das dynamische Schaltverhalten eines Ventils erheblich.

Unter energetischem Aspekt ist zu bedenken, dass bereits ein Strom fließt, obwohl sich der Anker noch nicht bewegt. Außerdem muss für jeden Bewegungszyklus der Anker durch das Magnetsystem beschleunigt werden. Erreicht der Anker die Endlage, geht die mechanische Energie verloren, da sie in Schall und Wärme umgewandelt wird und somit nicht speicherbar ist. Im Falle des Einfachhubmagneten muss der Magnetaktor zusätzlich gegen die Rückstellfeder arbeiten, was durch eine größere Dimensionierung berücksichtigt werden muss. Die weitergehende Miniaturisierung von Pneumatikventilen mit elektromagnetischem Antrieb scheitert unter Beibehaltung der Leistungskenndaten wie Nennweite, Ankerhub, Schaltzeiten und Schaltfrequenz an den hohen anfallenden Verlustleistungen, die nicht effizient abgeführt werden können.

Aus dem Stand der Technik (DE 30 24 109 C2 und DE 297 02 565 Ul) sind weiterhin resonante Aktoren zum Schalten von Gaswechselventilen bekannt, die außerhalb eines Stellmechanismus (extern) angeordnet sind. Ein derartiger resonanter Magnetaktor wirkt auf einen Stellmechanismus (z.B. eine Stellstange) , welcher durch die Wand eines Druckrohrs (Rohr zum Leiten des Mediums) durchgeführt wird und im Inneren ein

Ventil betätigt. Das Druckrohr ist in diesem Falle ein Ein- oder Auslasskanal. Diese Aufbauten sind sehr aufwändig und können für Industriepneumatikanwendungen nicht eingesetzt werden .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein durch ein resonantes magnetisches Aktorsystem direkt betätigtes Stellventil bereitzustellen. Dabei ist es wesentliches Ziel, eine deutliche Reduktion der zum Schalten des Stellventils benötigten Energie sowie eine deutlich Erhöhung der Schaltdynamik zu erreichen.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stellventils sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein federnd aufgehängter Magnetanker genutzt wird, der ein Feder-Masse-System bildet und von zwei gegensätzlich angeordneten elektromagnetischen Aktoren in die jeweilige Endlage gezogen wird. Die Aktoren können polarisiert als Reihenkreis, Parallelkreis, Brückenkreis oder modifizierter Reihenkreis und als U-, E- oder Topfmagnet ausgeführt sein.

Pneumatikventile mit erfindungsgemäßen magnetischen Resonanzaktoren erlauben aufgrund der bei diesem Funktionsprinzip möglichen drastischen Reduzierung der Verlustleistungen eine weitergehende Miniaturisierung von Schaltventilen für pneumatische Anwendungen und die Entwicklung einer leistungsfähigeren, neuen Art von Pneumatikventilen mit deutlich verbesserten Eigenschaften .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1: prinzipieller Aufbau eines resonanten magnetischen Aktorsystems; - A -

Fig. 2: Bewegungsablauf einer oszillatorischen Bewegung des resonanten magnetischen Aktorsystems mit definierten Rastzeiten;

Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel für die Integration von

Stellventil und resonantem magnetischen Aktorsystem in einem Druckrohr;

Fig. 4: eine Ausführungsform eines polarisierten resonanten magnetischen Aktorsystems;

Fig. 5: je eine Kraft-Weg-Kennlinie eines (a) neutralen

Aktors (Einfachhub) und (b) resonanten Magnetaktors;

Fig. 6: eine Ausführungsbeispiel eines Integrationsankers für das resonante magnetische Aktorsystem;

In Fig. 1 ist ein federnd gelagerter Anker 4 mit einer oder mehreren Gleichgewichts- oder Ruhelagen x₀ dargestellt, der zwischen den beiden Endlagen X₁ und X₂ durch zwei mit den

Polflächen entgegengesetzt angeordneten U-förmigen Magnetaktoren 1.1 und 1.2 angezogen wird. Jeder Magnetaktor 1.1 und 1.2 ist mit einer Spule 3 bestückt. Der Anker 4 pendelt zwischen den beiden Endlagen X₁ und X2 und wird durch die Magnete defi- niert gehalten. Die mechanische Energie für die Bewegung wird aus einem Federspeicher 6 gewonnen, bei dem, ähnlich einem Pendel, Bewegungsenergie durch den Wechsel von potentieller in kinetische Energie und umgekehrt gewandelt wird. Dem Magnetsystem obliegt nur noch die Halteaufgabe und eine Kompensation von Bewegungsverlusten, z.B. durch Reibung und Wirbelströme, unter Zuführung kleiner Energieinkremente . Fig. 2 zeigt den typischen Bewegungsablauf einer oszillatorischen Bewegung des resonanten magnetischen Aktorsystems mit definierten Rastzeiten. Wurde die Dynamik bei den bisherigen Systemen durch die magnetischen Verzugszeiten bestimmt, ist nun die Ankerbewegung nahezu entkoppelt und wird im Wesentlichen durch das Feder-Masse-System bestimmt. Im ungedämpften Zustand bewegt sich der Anker mit der Resonanzfrequenz. Die Flugzeit und die Rücklaufzeit entsprechen in diesem Fall jeweils einer halben Periode, wobei der Anker noch schneller werden kann, indem man die Teilmagnetkreise nicht nur zum Halten, sondern auch aktiv zum Beschleunigen nutzt.

Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel für die Integration eines Stellventils mit einem resonanten magnetischen Aktorsystem 4 in einem Druckrohr 5 dar. Entgegen aller bisher bekannten Lösungen ist der resonante magnetische Aktor 4 in das erfindungsgemäße Stellventil direkt integriert. Die Bestandteile des Magnetkreises sind somit teilweise Bestand- teile des Ventils. Das bedeutet insbesondere, dass der Anker 4 sowohl das krafterzeugende Element (Magnetkreis) als auch die Ventilbetätigung selbst darstellt. Somit ist der magnetische Anker 4 gleichzeitig der Ventilstellkörper, der vom zu stellenden Medium umspült wird und verschließt bzw. öffnet die in den Magnetkreis durch Kanäle 9 eingeleiteten Medien. Der

Magnetkreis wird auf diese Weise entweder direkt zum Druckrohr 5, welches das Medium von der Umgebung abgrenzt oder ist in das Druckrohr 5 zumindest teilweise integriert.

In der Erfindung kommt besonders dem Anker 4 eine große Bedeutung zu. Angetrieben durch die zwei magnetischen Einzelaktoren 1.1 und 1.2 bewegt sich der Anker 4 von einer auf die andere Seite. Der Anker ist federgelagert und wird durch die Feder 6 in die Mittelstellung zurückgezogen.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Aktor- Systems, welche als ein polarisiertes resonantes magnetisches Aktorsystems gestaltet ist. Im Vergleich dazu handelt es sich bei der in Fig. 1 beschriebenen Bauform um ein neutrales System. Durch Verwendung von Permanentmagneten im polarisierten Aktorsystem kann der Energieverbrauch des Systems weiter drastisch reduziert werden, da der Anker 4 in den Endlagen energielos gehalten wird. Mit den Spulen 3 werden die von Dauermagneten 2 bereit gestellten Permanentmagnetkräfte für ein sicheres Fangen verstärkt bzw. für ein schnelles Ablösen kompensiert .

Das resonante System selbst besitzt keine Vorzugslage und nur eine stabile oder labile Stellung in der Mittellage. Durch einen äußeren Energiespeicher (z.B. einen in der für den Betrieb vorgesehenen Schaltung integrierten Kondensator) kann die Funktion einer definierten Stellung im stromlosen Zustand (normal geöffnet NO oder normal geschlossen NC) realisiert werden. Der Anker nimmt daher bei abgeschalteter Stromversorgung eine Stand-By-Lage ein, die von der Ruhelage xo, die ausschließlich durch die ggf. wirkenden Permanentmagnetkräfte und die Federkraft bestimmt wird, verschieden ist.

Fig. 5 zeigt je eine Kraft-Weg-Kennlinie eines neutralen Aktors (Einfachhub) (Abb. a) und eines resonanten Magnetaktors (Abb. b) . Die in den Diagrammen verwendeten Bezugszeichen sind in der beigefügten Bezugszeichenliste erläutert. Bei der

Dimensionierung eines nicht resonanten Magnetaktors (neutral) ist zu beachten, dass die Kraft-Weg-Kennlinie der Feder, die den Anker in die Ausgangsstellung nach Abschalten des Magnet- felds zurückführt, so bemessen ist, dass die Federkraftkennlinie über dem gesamten Hub unter der Magnetkraftkennlinie (bei einem bestimmten Nennstrom) liegt (Fig. 5a) . Anderenfalls zieht der Aktor nicht an. Bei dem resonanten System ist hinge- gen genau dieser Fall zulässig (Fig. 5b) . Zwar kann in diesem Fall das System nicht durch einen einfachen Anzug gestartet werden, es besteht jedoch die Möglichkeit, das System „aufzuschaukeln". Durch abwechselnde Bestromung der beiden Magnetkreise können Anzugskräfte auf den Anker in eine oszillierende Schwingbewegung mit zunehmender Amplitude umgesetzt werden. Die dabei in das Feder-Masse-System eingebrachte mechanische Energie steht für die weiteren Schaltvorgänge zur Verfügung.

Der Anker 4 kann außerdem in einer bevorzugten Ausführungsform ein Integrationsbauelement sein, d.h. dass mehrere Funktionen in einem Bauteil vereint werden. So werden mechanisch nachgiebige Domänen für die Federeigenschaften, magnetische Domänen zur Flussleitung und Krafterzeugung, Kanäle zur Pneumatikführung und Dichtflächen zur Abdichtung des pneumatischen Kreises geschaffen (resonantes magnetisches Aktorsystem mit einem

„integrierten Federanker", wobei der Federanker Federfunktion, Dichtfunktion und krafterzeugende Funktion innehat.

In Fig. 6 ist ein Beispiel für einen Integrationsanker darge- stellt. Im Ventil übernimmt dieses Bauteil nicht nur eine

Aufgabe, sondern mehrere Funktionen. So ist in diesem Beispiel der Anker 4 integral ausgebildet mit dem Federelement 6 (Mäanderfeder oder Spiralfeder als Energiespeicher und Führungselement) , einem Dichtelement 7 (aus duktilem und elastischem Material) und einem Lagerelement 8 (Ankergehäuse) .

Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Bestandteile können vorzugsweise durch Geometrieänderungen oder örtliche Stoffän- derungen erreicht werden. Der integrierte Federanker ermöglicht es, den Bauraum noch weiter zu reduzieren.

Anstelle magnetischer Hochleistungsmaterialien können für die Magnetaktoren auch magnetisch schlecht leitende Materialien verwendet werden, da der Magnetkreis Kräfte i.d.R. nur bei kleinen Luftspalten realisieren muss. Dadurch können beispielsweise kostengünstige Sinterwerkstoffe wie Ferrite eingesetzt werden.

Mit dem resonanten magnetischen Aktorsystem können große Nennweiten realisiert werden, da die Magnetkraft nicht mehr über den ganzen Hub benötigt wird. Vielmehr muss der Fangmagnet (auf den sich der Anker zubewegt und von dem er am Ende der Bewegung gehalten werden muss) den Anker nur „einfangen" und sicher halten.

Das erfindungsgemäße Stellventile mit dem resonanten magnetischen Aktorsystem ist auch für Fluidsysteme geeignet, wobei jedoch das Fluid den Bewegungsvorgang des Aktors stark bremst.

Das erfindungsgemäße Stellventil mit dem resonanten Aktorsystem ist durch eine Reihe von Vorteilen charakterisiert. Mit ihm gelingt es den Energieverbrauch zu reduzieren und schnel- lere Schaltzeiten bei gleichzeitiger Minimierung des Bauraumes zu realisieren, da weniger Einzelbauteile benötigt werden. Weiterhin gelingt mit dem Aktorsystem eine Reduzierung des Verschleißes und damit verbunden eine Erhöhung der Lebensdauer sowie eine Reduzierung von Schallemissionen. Bezugszeichenliste

1.1 - Teilmagnetkreis Mi 1.2 - Teilmagnetkreis M₂

2 - Dauermagnet

3 - Spule

4 - Anker

5 - Druckrohr 6 - Federspeicher, resultierende Feder mit Nulllage in Mittellage

7 - Dichtung

8 - Ankergehäuse

9 - Kanal

U Betriebsspannung i Spulenstrom

X Hub

Xl, X2 Endlagenposition

Xo Mittellage

F_F Federkraft

^E mag Magnetkraft

F_H Haltekraft

F Kraft

Claims

Patentansprüche

1. Stellventil, umfassend ein Druckrohr (5) mit mindestens einem Durchflusskanal (9), dessen Durchflussöffnung mit einem Anker (4) eines elektromagnetischen Aktorsystem verän- derbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorsystem zwei Aktoren (1.1 und 1.2) mit sich zumindest teilweise gegenüberliegenden Polflächen umfasst, welche den zwischen den Polflächen angeordneten gemeinsamen Anker (4) antreiben, wobei der Anker (4) an eine Feder (6) gekoppelt ist, welche diesen in eine Ruhelage (xo) zwischen den beiden Polflächen drängt, wenn das Aktorsystem nicht aktiviert ist.

2. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) als Ventilstößel zur Öffnung und Schließung des Durchflusskanals (9) ausgebildet ist.

3. Stellventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (1.1 und 1.2) jeweils mindestens eine elektrische Spule (3) umfassen.

4. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Aktoren (1.1 und 1.2) einen Dauermagnet (2) umfasst, der den Aktor auch im Ruhezustand polarisiert.

5. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) einen integralen Bestandteil des gemeinsamen Ankers (4) bildet.

6. Stellventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) aus mehreren spiralförmigen Abschnitten besteht, die sich jeweils von einer zentral im Druckrohr (5) angeordneten Ankerplatte (4) zur Innenwand des Druckrohrs (5) erstrecken.

7. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekenn- zeichnet, dass ein zusätzlicher Energiespeicher an das Aktorsystem angeschlossen ist, um den Anker (4) beim Abschalten der externen Stromversorgung in eine Stand-By- Lage zu drängen, die verschieden ist von der Ruhelage (xo) .

8. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wirbelstrom-relevante Bauteile der Aktoren (1.1. und 1.2) und des Ankers (4) aus elektrisch nicht leitendem, magnetisch gut leitendem Sintermaterial sind.

9. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) nur durch die Feder (6) mechanisch geführt ist.

10. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchflusskanal (9) jeweils durch eine zentrale Öffnung der beiden Aktoren (1.1 und 1.2) erstreckt.