WO2025036734A1 - Magnetische lagebestimmung einer kühlmittelventilnadel - Google Patents

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rotor
valve needle
hollow shaft
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Ralf Derda
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    • F16K37/0025—Electrical or magnetic means
    • F16K37/0033—Electrical or magnetic means using a permanent magnet, e.g. in combination with a reed relays

Definitions

  • the invention relates to a needle valve with magnetic position determination of the valve needle, with a valve needle seat, a containment shell, a control board, an electric drive with a stator and a rotor, wherein the rotor is arranged in the containment shell, a hollow shaft with an internal thread, which is formed by the rotor or is connected to the rotor in a rotationally fixed manner, at least one bearing for the rotor, a valve needle with a valve needle tip and a valve needle shaft with an external thread, a magnetic field sensor which is arranged outside the containment shell in an axial direction above the hollow shaft, wherein the external thread of the valve needle shaft meshes with the internal thread of the hollow shaft and a mechanism converts the rotational movement of the hollow shaft into a linear movement of the valve needle in the axial direction, at least the rotor, the hollow shaft and the valve needle are arranged axially symmetrically with a common central longitudinal axis, characterized in that the needle valve further comprises a ring magnet which is
  • the absolute position of the valve needle especially the valve-closed position in which the valve needle completely closes a flow opening, can be detected very precisely and reliably. For example, residual dirt that prevents the needle valve from closing completely can be detected. If the needle valve does not close reliably, fluid can flow through the needle valve to a downstream unit even when the needle valve is closed, thereby damaging or destroying the downstream unit. Especially if the needle valve is a coolant needle valve, an exact and reliable blocking of the coolant flow is essential depending on the situation.
  • EP 0383 353 A2 discloses a motor-driven valve in which a stator is mounted outside a non-magnetic tubular member and a rotor is rotatably supported in bearings within the tubular member opposite the stator.
  • the valve includes a mechanism having anti-rotation means for converting the rotational motion of the rotor into a linear motion that moves a valve member toward or away from a valve needle seat.
  • the stator includes a plurality of magnetic poles with stator coils wound therearound and a plurality of permanent magnets having an arcuate surface attached thereto, the permanent magnets being magnetized to provide a number of pole pairs spaced at a constant pitch.
  • the rotor includes a hub, a rim, an outer annular portion, and a number of induction teeth formed along the circumference of the outer annular portion.
  • the total number of induction teeth is selected to differ from the total number of pole pairs of the permanent magnets by an amount equal to an even number.
  • US 2008/0092960 A1 deals with a valve system with a position sensor.
  • the position sensor is a magnetic field sensor such as a Hall sensor, with which the axial position of a valve body relative to the valve housing can be determined.
  • the sensor is arranged in the valve housing radially next to the valve body, which can move in the axial direction.
  • US 2014/0231684 A1 discloses a valve that is electromechanically driven by a stepper motor.
  • the valve comprises a Hall sensor that is mounted radially on an outer side of the valve and can indirectly determine whether the valve is closed or open.
  • US 2021/0175777 A1 relates to a compact control valve with an electromechanical drive.
  • a sensor arranged above the rotor can determine the axial position of an axially movable valve needle using magnetic field lines.
  • a ring magnet with axial magnetization is arranged above the rotor, the distance of which from the sensor can be adjusted to detect two or three components of the magnetic field.
  • the DE 10 2020 104 781 A1 relates to a valve drive arrangement and a valve device for controlling a fluid flow.
  • the valve device comprises an electromechanical drive with a stator and a rotor.
  • the valve unit comprises a control unit with control electronics, which can include a controller, a driver, transformers, transistors and other passive and active sensors, such as Hall sensors.
  • the invention relates to a needle valve with magnetic position determination of the valve needle, with a valve needle seat, a containment shell, a control board, an electric drive with a stator and a rotor, wherein the rotor is arranged in the containment shell, a hollow shaft with an internal thread, which is formed by the rotor or is connected to the rotor in a rotationally fixed manner, at least one bearing for the rotor, a valve needle with a valve needle tip and a valve needle shaft with an external thread, a magnetic field sensor which is arranged outside the containment shell in an axial direction above the hollow shaft, and wherein the external thread of the valve needle shaft meshes with the internal thread of the hollow shaft and a mechanism converts the rotational movement of the hollow shaft into a linear movement of the valve needle in the axial direction, at least the rotor, the hollow shaft and the valve needle are arranged axially symmetrically with a common central longitudinal axis, wherein the needle valve further comprises a ring magnet which is arranged
  • the needle valve can also comprise a flux-conducting sleeve that is arranged in the axial direction above the ring magnet and directs the magnetic field or field lines of the magnetic field of the ring magnet in the direction of the Hall sensor.
  • the flux-conducting sleeve can extend from an end face of the ring magnet that faces axially towards the Hall sensor to the inside of the can.
  • the flux-conducting sleeve bundles the field lines of the ring magnet and directs them to the magnetic field sensor.
  • the magnetic field lines run through the magnetic field sensor, through the air to the stator and through the ferromagnetic metal body back to the magnet.
  • the ring magnet can consist of neodymium-iron-boron or comprise this material, for example Nd 2 Fe 4 B.
  • the magnetic field sensor can be arranged coaxially or eccentrically to the common central longitudinal axis.
  • the valve housing can be one-piece, preferably it is multi-piece and can comprise at least one inner valve drive housing part or a containment shell that surrounds at least the rotor and other parts of the drive, an outer valve drive housing part that surrounds at least the stator, the inner valve drive housing part and the control board with the sensor for detecting magnetic field lines.
  • a further valve housing part which is connected to the inner valve drive housing part at the front, can accommodate at least the valve needle or part of the valve needle and the mechanism.
  • the further valve housing part can also be referred to as a valve needle seat.
  • the inner valve drive housing part can be made of a non-ferromagnetic metal, for example stainless steel, and sealed against the environment.
  • the inner valve drive housing part can be designed as a dome or a containment shell.
  • the inner valve drive housing part can be one-piece or consist of two or more parts joined together.
  • the outer valve drive housing part can be made of any material and has the task of protecting the control board, the magnetic field sensor and the stator from contamination and damage.
  • the magnetic field sensor can in particular be a Hall sensor.
  • the valve needle seat can accommodate the valve needle in such a way that it cannot rotate around a longitudinal axis in the valve needle seat, but can move linearly in an axial direction.
  • the valve needle seat can form a linear guide for the valve needle.
  • the valve needle seat can also comprise a passage for a fluid, wherein the passage is completely closed in a first end position of the valve needle and completely open in a second end position of the valve needle.
  • the valve needle can be continuously adjusted by the drive. Instead of continuously adjusted, the valve needle can be adjusted in very finely graduated concrete steps, for example a gradation of 1000 or more steps.
  • the material for the valve needle seat can be selected by the expert depending on the fluid flowing through, for example its temperature, chemical composition, viscosity, etc.
  • the valve needle seat is connected to the inner valve drive housing part and is sealed against the environment in the connection.
  • the valve needle seat further comprises a passage opening for the fluid, which can be completely closed by the linear movement of the valve needle and can be opened continuously or step by step to a maximum.
  • a seal can also be arranged in the valve needle seat, which at least reduces leakage of the fluid flowing through the needle valve into the inner valve drive housing part.
  • the ferromagnetic metal body can, for example, be a cannula made of ferromagnetic stainless steel with a pressed-in steel plug.
  • the ferromagnetic metal body is also referred to as a plunger for better identification and differentiation.
  • the cannula can engage in the hollow shaft and/or overlap the free end of the valve needle shaft.
  • the plunger can be moved linearly together with the valve needle.
  • the steel plug can have a minimum axial length that essentially corresponds to the maximum travel of the valve needle from the first end position (valve closed position) to the second end position (valve open position) plus the axial extension of the ring magnet. In this way, the position of the valve needle can always be determined with a single measurement using a characteristic curve.
  • the minimum length of the plug can be, for example, 6mm, 7mm, 8mm or any other length.
  • the Path length >5.5mm and ⁇ 9mm, preferably >6mm and ⁇ 8.5mm.
  • the plunger can be a solid rod made of a ferromagnetic material.
  • a cylindrical magnet can be arranged on the free end of the plunger facing away from the valve needle, which is axially magnetized opposite to the ring magnet.
  • the cylindrical magnet supports the short-circuiting of the ring magnet because it accelerates the magnetic flux through the upper end of the plunger.
  • the valve needle shaft and the ferromagnetic metal body can have an identical diameter, for example the diameter of the valve needle shaft in the area next to the external thread. If an inner diameter of the hollow shaft, an inner diameter of the opening in the ring magnet and an inner diameter of the flux guide sleeve then essentially correspond to the stated diameter, the valve needle with the connected ferromagnetic metal body can be inserted into the hollow shaft from the side of the rotor facing away from the Hall sensor and screwed in. This enables simple manufacture of the inner valve drive housing part or the containment shell, since this only needs to be open on one side.
  • the rotor can be rotatably mounted in at least one bearing, whereby the bearing can be arranged in the valve needle seat or the containment shell.
  • the at least one bearing can be a rotary bearing for the rotor.
  • a further rotary bearing can be formed in the containment shell above the front side of the rotor facing the Hall sensor.
  • a plain bearing for the ferromagnetic metal body at the end of the valve needle shaft can be present in the containment shell below the Hall sensor.
  • the plain bearing can form a receptacle for the ring magnet and/or the flux-conducting sleeve.
  • the Hall sensor can in particular be a lateral Hall sensor or a linear Hall sensor, which offers the possibility of masking out or cutting off measured value ranges in order to "pick out” a range that is as linear as possible.
  • the Hall sensor is arranged outside the inner valve drive housing part in an area above the hollow shaft. At least the hollow shaft, the rotor and the valve needle have a common central longitudinal axis.
  • the Hall sensor is arranged on the circuit board or on a side of the circuit board facing the can in such a way that this common central longitudinal axis intersects the Hall sensor, does not intersect it or at least does not intersect it in the middle.
  • a ferromagnetic half-shell with a hole in the middle can be placed on the outer surface of the inner valve drive housing to form a magnetic return path and thereby better protect the sensor arrangement against interference.
  • Such a half-shell is complex to manufacture and causes additional costs.
  • the upper end of the ferromagnetic metal part can be dimensioned differently and the structure above the rotor can be configured differently, since assembly through the hollow shaft is no longer necessary.
  • the needle valve enables highly accurate magnetic position determination of the valve needle, especially when there is a large distance between the ring magnet and the sensor.
  • the flux of the magnetic field is conducted to the Hall sensor via a flux-conducting sleeve made of a ferromagnetic material.
  • a strong change in flux is generated by short-circuiting the ring magnet.
  • the sensor accuracy is increased with little material usage.
  • the solution offers a needle valve with low individual material costs (ring magnet, flux-conducting sleeve, steel cannula, steel plug, simplest Hall sensor), weight and installation space savings, since the solution is space-neutral due to the simple integration of the ring magnet and the flux-conducting sleeve into the upper plain bearing of the rotor.
  • the subject matter of the invention can be used, except for the needle valve described, in all applications with linear movements where the linearly moving parts are difficult to reach and/or are encapsulated.
  • Such applications are, for example, valves in drive motors, such as the combustion engine, in the exhaust system or in the brake booster.
  • the invention enables the sensing of an end stop before it is actually reached, for example in a steering system, a damper or the brake booster.
  • the invention can be used in all areas of application of a system with expanding coolants (air conditioning systems), gas valves in turbines or boilers, and to detect whether a locking bolt in a difficult-to-access installation location (for example rotor lock in offshore wind turbines) is really open.
  • Figure 1 a needle valve with Hall sensor in a vertical sectional view along the
  • Figure 2 a detailed view of the upper part of the can of the needle valve of Figure 1 in the valve-closed position
  • Figure 3 a detailed view of the upper part of the can of the needle valve of Figure 1 in an intermediate position
  • Figure 5 a detailed view of the upper part of a needle valve containment shell with an additional cylinder magnet on the steel plug;
  • Figure 6 an example of a flow density characteristic when moving the needle valve of the
  • FIG. 1 shows an embodiment of a needle valve 100.
  • the needle valve 100 comprises a drive 50 or electromechanical drive with a rotor 52 and a stator 51.
  • the stator 51 can, for example, have a core made of iron sheet and windings made of copper or copper wire.
  • the rotor 52 can be a permanent magnet or at least partially made of permanent magnet material.
  • the needle valve 100 also comprises a ring magnet 80.
  • the rotor 52 can form a hollow shaft 53 or be rotationally connected to a hollow shaft 53.
  • the rotor 52 surrounds the hollow shaft 53 radially.
  • a rotation axis or central longitudinal axis R of the rotor 52 is identical to a rotation axis or central longitudinal axis R' of the hollow shaft 53.
  • the hollow shaft 53 is open at both axial ends. Inside the hollow shaft 53 between the two axial ends, an internal thread is formed in an axial section of the inner peripheral wall 53b.
  • the internal thread 53a can be formed, for example, at an axial end of the hollow shaft 53.
  • the needle valve 100 further comprises a valve needle 10 which comprises a valve needle shaft 12, a valve needle guide portion 13 and a valve needle tip 11.
  • the valve needle shaft 12 has a free end 12b and an axially opposite end 12c which connects the valve needle shaft 12 to the valve needle guide portion 13.
  • An external thread 12a is formed on the valve needle shaft 12 in a portion between the free end 12b and the end 12c adjacent to the valve needle guide portion 13.
  • the valve needle guide section 13 is an engagement element 13a that is formed between the valve needle shaft 12 and the valve needle tip 11.
  • the engagement element 13a interacts with a counter-engagement element 21 of the valve needle seat 20. If the valve needle guide section 13 or the engagement element 13a is in engagement with the counter-engagement element 21, the valve needle 10 is mounted in the valve needle seat 20 in a rotationally secure manner and can be moved in the axial direction X in a linear guide 21a.
  • a ferromagnetic metal body or plunger 70 is connected to the free end 12b of the valve needle shaft 12, for example a steel cannula 71 with a pressed-in steel plug 72.
  • the steel plug 72 can have an axial length which essentially corresponds to a maximum travel path of the valve needle 10 from the valve closed position VZP to the valve open position VOP ( Figure 2) plus the axial length of the ring magnet 80.
  • a bearing or plain bearing 54 is arranged above the rotor 52, which guides the plunger 70 linearly and/or rotatably supports the rotor 52 and/or can axially support the rotor 52 and the hollow shaft 53.
  • the plain bearing 54 can be cast from plastic, for example.
  • the plain bearing 54 comprises a receptacle for the axially magnetized ring magnet 80 with a south pole S and a north pole N, wherein the ring magnet 80 is arranged in the plain bearing 54 close to the hollow shaft 53, and forms a receptacle for a flux guide sleeve 90, which extends from an axial end face of the ring magnet 80 to an axial end of the bearing 54 facing away from the rotor 52.
  • Another bearing or rolling bearing 55 is arranged, in the embodiment a pivot bearing for the rotor 52.
  • the rolling bearing 55 can form the axial support for the rotor 52 and the hollow shaft 53 instead of the plain bearing 54.
  • the rotor 52, the plain bearing 54, the ring magnet 80 and the flux guide sleeve 90 are surrounded by a containment shell 56 or an inner valve drive housing part.
  • the containment shell 56 is made of a non-ferromagnetic metal, such as stainless steel (e.g. X5CRNI18-10 V2A), and has a closed, bell-like dome shape that is open at the bottom.
  • the containment shell 56 is connected to the valve needle seat 20 at its open end, with the connection area being sealed so that neither the interior of the containment shell 56 nor the interior of the valve needle seat 20 is connected to the environment.
  • the valve needle 10 can be pushed into the hollow shaft 53 with the valve needle shaft 12 and screwed in, whereby the external thread 12a of the valve needle shaft 12 is screwed into the internal thread 53a of the hollow shaft 53.
  • the threaded connection of the hollow shaft 53 with the valve needle shaft 12 and the valve needle guide section 13 with the engagement element 13a and the counter-engagement element 21 together form a mechanism with which a rotary movement of the hollow shaft 53 is converted into an axial linear movement of the valve needle 10.
  • the valve needle 10 has a central longitudinal axis R", which coincides with the rotation axis R' of the hollow shaft 53 and the rotation axis R of the rotor 52 when the valve needle shaft 12 is screwed into the hollow shaft 53.
  • the needle valve 100 further comprises a control board 30 which is connected to the stator 51 via a line L, so that a control included in the control board 30 or connected to the control board 30 electrically controls the stator 51 so that it drives the rotor 52 magnetically set into rotation with an adjustable rotation speed and adjustable rotation direction.
  • a magnetic field sensor 60 for detecting the local flux density based on the magnetic field of the ring magnet 80 is connected to the control board 30.
  • the magnetic field sensor 60 can be a lateral Hall sensor or a linear Hall sensor.
  • the magnetic field sensor 60 is connected to a sensor holder 61 and arranged above the control board 30.
  • the magnetic field sensor 60 is located above the hollow shaft 53 on the outside of the can 56.
  • the stator 51, the control board 30, the magnetic field sensor 60 and the containment shell 56 are arranged in a drive housing 57.
  • the drive housing 57 can be made of a suitable material, for example plastic, and protects the aforementioned components from contamination and damage.
  • the valve needle seat 20 further comprises a flow opening 40 for a fluid such as a coolant.
  • the valve needle 10 or valve needle tip 11 can completely close the flow opening 40 in the valve closed position VZP and open it to the maximum in the valve open position VOP.
  • Figure 2 shows a detailed view of the upper portion of the needle valve 100 of Figure 1.
  • the needle valve 100 is shown with the valve needle 10 in the valve closed position VZP.
  • the plain bearing 54 above the rotor 52 supports both the ring magnet 80 and the flux-conducting sleeve 90.
  • the axial free end of the steel plug 72 is at the level of or just below the axial end of the north pole N of the ring magnet 60, which in the embodiment faces the flux-conducting sleeve 90.
  • the steel plug 72 is connected to the valve needle shaft 12 via a steel cannula 71 and can be moved linearly in the axial direction X together with the valve needle 10.
  • the needle valve 100 can additionally comprise a half-shell (not shown) made of a ferromagnetic material, which lies tightly against a surface of the outside of the can 56 above the stator 51.
  • the optional half-shell is drawn down to the stator sheet on the sides and has an opening at the top that is large enough that the magnetic flux is not guided past the magnetic field sensor 60, but rather is guided through the magnetic field sensor 60.
  • the half-shell can, for example, have a similar wall thickness to the flux guide sleeve 90.
  • the axially poled ring magnet 80 is short-circuited in its interior, so that the magnetic field lines MFL are not or at least only partially conducted to the magnetic field sensor 60.
  • the flux density drops as soon as the steel plug 72 enters the ring magnet.
  • the change in flux density is greatest. This maximum change in flux density can be directly assigned to the valve closed position VZP.
  • FIG. 3 shows essentially the same as Figure 2, except that the valve needle has been moved out of the valve closed position VZP and is now located between the valve closed position VZP and the valve open position VOP.
  • the steel plug 72 still short-circuits the ring magnet 80, but together with the flux-conducting sleeve 90 it also forms an air gap area that becomes larger the further the steel plug 72 moves into the flux-conducting sleeve 90.
  • the magnetic field of the ring magnet 80 is short-circuited even more comprehensively, so that now fewer magnetic field lines MFL are conducted to the magnetic field sensor 60 and the latter therefore measures a smaller flux density.
  • the smaller flux density is a sign that the valve needle 10 has left the valve-closed position VZP.
  • the flux density changes most noticeably at the beginning of the opening movement and can be essentially constant when a certain degree of opening is reached.
  • Figure 4 shows an example characteristic curve KL1 for the linear movement of the valve needle 10 of a needle valve 100 with a magnetic flux density in the valve closed position VZP of 23 mT and a magnetic flux density of 15 mT when the valve needle 10 has been moved by 1.2 mm from the valve closed position VZP in the direction of the valve open position VOP. If the valve needle 10 is moved further in the direction of the valve open position VOP, the magnetic flux density essentially no longer changes.
  • Figure 5 shows a further embodiment in which the needle valve 100 comprises a further magnet 85, which is also axially poled.
  • the further magnet 85 is arranged at the free end of the steel plug 72, the axial poles N, S of this further magnet 85 are aligned opposite to the poles N, S of the ring magnet 80.
  • the further magnet 85 supports the short-circuiting of the ring magnet 80.
  • an additional high magnetic flux density is created at the magnetic field sensor 60 when the valve needle is in the valve open position VOP.
  • the characteristic curve KL2 for the needle valve 100 in Figure 5 is shown in Figure 6.
  • the characteristic curve KL2 has an almost linear function.
  • the flux density goes steeply into the negative range.
  • the flux density hardly changes.
  • the flux density in the valve closed position VZP is over 30 mT, after moving the valve needle by 1.5 mm in the direction of the valve open position VOP it is around 18 mT and remains essentially the same over a displacement length of the valve needle 10 of over 3 mm. If the valve needle was moved by 5 mm in the direction of the valve open position VOP, the flux density measured by the magnetic field sensor 60 is already only 16 mT and drops further as the valve needle 10 moves further into the valve open position VOP.
  • Valve needle shaft a External thread b Free end c Connection end

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Abstract

Nadelventil (100) mit magnetischer Lagebestimmung der Ventilnadel (10), mit a. einem Ventilnadelsitz (20), b. einem Spalttopf (56), c. einer Steuerplatine (30), d. einem elektrischen Antrieb (50) mit einem Stator (51) und einem Rotor (52), wobei der Rotor (52) in dem Spalttopf (56) angeordnet ist e. einer Hohlwelle (53) mit einem Innengewinde (53a), die von dem Rotor (52) gebildet oder rotationsfest mit dem Rotor (52) verbunden ist, f. wenigstens einem Lager (54, 55) für den Rotor (52), g. einer Ventilnadel (10) mit einer Ventilnadelspitze (11) und einem Ventilnadelschaft (12) mit einem Außengewinde (12a), h. einem Magnetfeldsensor (60), der außerhalb des Spalttopfs (56) in einer Axialrichtung (X) über der Hohlwelle (53) angeordnet ist, und i. wobei das Außengewinde (12a) des Ventilnadelschafts (12) mit dem Innengewinde (53a) der Hohlwelle (53) kämmt und eine Mechanik die Rotationsbewegung der Hohlwelle (53) in eine lineare Bewegung der Ventilnadel (10) in Axialrichtung (X) umsetzt, j. zumindest der Rotor (52), die Hohlwelle (53) und die Ventilnadel (10) axialsymmetrisch angeordnet sind mit einer gemeinsamen Mittellängsachse (R, R', R-- ), wobei k. das Nadelventil (100) ferner einen Ringmagneten (80) umfasst, der in Verlängerung der Hohlwelle (53) über dem Rotor (52) angeordnet ist, und I. einen ferromagnetischen Metallkörper (70), der mit einem freien Ende (12b) des Ventilschafts (12) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Magnetische Lagebestimmung einer Kühlmittelventilnadel
Die Erfindung betrifft ein Nadelventil mit magnetischer Lagebestimmung der Ventilnadel, mit einem Ventilnadelsitz, einem Spalttopf, einer Steuerplatine, einem elektrischen Antrieb mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor in dem Spalttopf angeordnet ist, einer Hohlwelle mit einem Innengewinde, die von dem Rotor gebildet oder rotationsfest mit dem Rotor verbunden ist, wenigstens einem Lager für den Rotor, einer Ventilnadel mit einer Ventilnadelspitze und einem Ventilnadelschaft mit einem Außengewinde, einem Magnetfeldsensor, der außerhalb des Spalttopfs in einer Axialrichtung über der Hohlwelle angeordnet ist, wobei das Außengewinde des Ventilnadelschafts mit dem Innengewinde der Hohlwelle kämmt und eine Mechanik die Rotationsbewegung der Hohlwelle in eine lineare Bewegung der Ventilnadel in Axialrichtung umsetzt, zumindest der Rotor, die Hohlwelle und die Ventilnadel axialsymmetrisch angeordnet sind mit einer gemeinsamen Mittellängsachse, dadurch gekennzeichnet, dass das Nadelventil ferner einen Ringmagneten umfasst, der in Verlängerung der Hohlwelle über dem Rotor angeordnet ist, und einen ferromagnetischen Metallkörper, der mit einem freien Ende des Ventilschafts verbunden ist.
Bei der Verwendung eines Nadelventils ist es wichtig, dass die absolute Position der Ventilnadel, insbesondere die Ventil-Zu-Position, in der die Ventilnadel eine Durchflussöffnung komplett verschließt, sehr genau und zuverlässig erkannt werden kann. So kann zum Beispiel Restschmutz erkannt werden, der das komplette Schließen des Nadelventils verhindert. Schließt das Nadelventil nicht zuverlässig, kann auch bei geschlossenem Nadelventil Fluid durch das Nadelventil zu einem nachgeordneten Aggregat fließen und dadurch das nachgeordnete Aggregat beschädigen oder zerstören. Besonders wenn es sich bei dem Nadelventil um ein Kühlmittelnadelventil handelt, ist ein exakte und zuverlässige Unterbindung des Kühlmittelflusses situationsbedingt unabdingbar.
Es sind verschiedene Lösungen bekannt, dieses Problem zu lösen. So ist aus der EP 0383 353 A2 ein von einem Motor angetriebenes Ventil bekannt, bei dem ein Stator außerhalb eines nichtmagnetischen röhrenförmigen Elements vorgesehen und ein Rotor drehbar in Lagern innerhalb des röhrenförmigen Elements gegenüber dem Stator gelagert ist. Das Ventil umfasst einen Mechanismus mit einem Rotationsverhinderungsmittel, um die Rotationsbewegung des Rotors in eine lineare Bewegung umzuwandeln, die ein Ventilelement hin zu oder weg von einem Ventilnadelsitz bewegt. Der Stator umfasst mehrere Magnetpole mit darum gewickelten Statorspulen und mehrere daran befestigte Permanentmagnete mit einer bogenförmigen Oberfläche, wobei die Permanentmagnete magnetisiert sind, um eine Anzahl von Polpaaren bereitzustellen, die in einem konstanten Abstand angeordnet sind. Der Rotor umfasst eine Nabe, einen Rand, einen äußeren ringförmigen Abschnitt und eine Anzahl von Induktionszähnen, die entlang des Umfangs des äußeren ringförmigen Abschnitts ausgebildet sind. Die Gesamtzahl der Induktionszähne ist so ausgewählt, dass sie sich von der Gesamtzahl der Polpaare der Permanentmagnete um einen Betrag unterscheidet, der gleich einer geraden Zahl ist.
Die US 2008/0092960 A1 behandelt ein Ventilsystem mit einem Positionssensor. Bei dem Positionssensor handelt es sich um einen Magnetfeldsensor wie einen Hallsensor, mit dem die axiale Position eines Ventilkörpers relativ zum Ventilgehäuse ermittelt werden kann. Der Sensor ist im Ventilgehäuse radial neben dem in Axialrichtung beweglichen Ventilkörper angeordnet.
Aus der US 2014/0231684 A1 ist ein von einem Schrittmotor elektromechanisch angetriebenes Ventil bekannt. Das Ventil umfasst einen Hallsensor, der radial an einer Außenseite des Ventils angebracht ist und indirekt feststellen kann, ob das Ventil geschlossen oder geöffnet ist.
Die US 2021/0175777 A1 betrifft ein kompaktes Kontrollventil mit einem elektromechanischen Antrieb. Ein Sensor, der über dem Rotor angeordnet ist, kann anhand von Magnetfeldlinien die axiale Position einer axial beweglichen Ventilnadel feststellen. Über dem Rotor ist ein Ringmagnet mit axialer Magnetisierung angeordnet, dessen Abstand zu dem Sensor eingestellt werden kann, um zwei oder drei Komponenten des magnetischen Felds zu erfassen.
Aus der DE 10 2017 110 343 A1 ist ein Linearstellantrieb für ein Ventil bekannt, mit einem Antrieb, der einen Stator und einen Rotor umfasst. Der Stator weist mehrere Statorpole auf, die von Spulenwicklungen umwickelt sind. Zwischen den einzelnen Wicklungen befinden sich mehrere Hallsensoren, mit deren Hilfe eine genaue Lage des Rotors detektiert werden kann.
Die DE 10 2020 104 781 A1 betrifft eine Ventil-Antriebsanordnung und eine Ventileinrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms. Die Ventileinrichtung umfasst einen elektromechanischen Antrieb mit einem Stator und einem Rotor. Ferner umfasst die Ventileinheit eine Steuereinheit mit einer Steuerelektronik, die einen Controller, einen Treiber, Transformatoren, Transistoren und weitere passive und aktive Sensoren, wie beispielsweise Hallsensoren, umfassen kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine magnetische Lagebestimmung für eine Ventilnadel eines Nadelventils, insbesondere eines Kühlmittelnadelventils, bereitzustellen, die aus wenigen Teilen besteht und preiswert hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Die Erfindung betrifft ein Nadelventil mit magnetischer Lagebestimmung der Ventilnadel, mit einem Ventilnadelsitz, einem Spalttopf, einer Steuerplatine, einem elektrischen Antrieb mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor in dem Spalttopf angeordnet ist, einer Hohlwelle mit einem Innengewinde, die von dem Rotor gebildet oder rotationsfest mit dem Rotor verbunden ist, wenigstens einem Lager für den Rotor, einer Ventilnadel mit einer Ventilnadelspitze und einem Ventilnadelschaft mit einem Außengewinde, einem Magnetfeldsensor, der außerhalb des Spalttopfs in einer Axialrichtung über der Hohlwelle angeordnet ist, und wobei das Außengewinde des Ventilnadelschafts mit dem Innengewinde der Hohlwelle kämmt und eine Mechanik die Rotationsbewegung der Hohlwelle in eine lineare Bewegung der Ventilnadel in Axialrichtung umsetzt, zumindest der Rotor, die Hohlwelle und die Ventilnadel axialsymmetrisch angeordnet sind mit einer gemeinsamen Mittellängsachse, wobei das Nadelventil ferner einen Ringmagneten umfasst, der in Verlängerung der Hohlwelle über dem Rotor angeordnet ist, und einen ferromagnetischen Metallkörper, der mit einem freien Ende des Ventilschafts verbunden ist. Das Nadelventil kann ferner eine Flussleithülse umfassen, die in Axialrichtung über dem Ringmagneten angeordnet ist und das Magnetfeld bzw. Feldlinien des Magnetfelds des Ringmagneten in Richtung des Hall-Sensors leitet. Die Flussleithülse kann sich von einer axial dem Hall-Sensor zugewandten Stirnseite des Ringmagneten bis an die Innenseite des Spalttopfes erstrecken. Die Flussleithülse bündelt die Feldlinien des Ringmagneten und leitet sie zu dem Magnetfeldsensor. Die Magnetfeldlinien verlaufen durch den Magnetfeldsensor, über die Luft zum Stator und über den ferromagnetischen Metallkörper wieder zum Magneten.
Der Ringmagnet kann aus Neodym-Eisen-Bor bestehen oder dieses Material, beispielweise Nd2Fei4B, umfassen. Der Magnetfeldsensor kann koaxial oder exzentrisch zu der gemeinsamen Mittellängsachse angeordnet sein.
Das Ventilgehäuse kann einteilig sein, bevorzugt ist es mehrteilig und kann wenigstens ein inneres Ventilantriebsgehäuseteil oder einen Spalttopf umfassen, das/der zumindest den Rotor und weitere Teile des Antriebs umgibt, ein äußeres Ventilantriebsgehäuseteil, das zumindest den Stator, das innere Ventilantriebsgehäuseteil und die Steuerplatine mit dem Sensor zum Erfassen von Magnetfeldlinien umgibt. Ein weiteres Ventilgehäuseteil, welches mit dem inneren Ventilantriebsgehäuseteil stirnseitig verbunden ist, kann zumindest die Ventilnadel bzw. einen Teil der Ventilnadel und die Mechanik aufnehmen. Das weitere Ventilgehäuseteil kann auch als Ventilnadelsitz bezeichnet werden.
Das innere Ventilantriebsgehäuseteil kann aus einem nichtferromagnetischen Metall, beispielsweise einem Edelstahl, gebildet und gegenüber der Umgebung abgedichtet sein. Das innere Ventilantriebsgehäuseteil kann als Dom oder Spalttopf ausgebildet sein. Das innere Ventilantriebsgehäuseteil kann einteilig sein oder aus zwei oder mehr miteinander gefügten Teilen bestehen. Das äußere Ventilantriebsgehäuseteil kann aus einem beliebigen Material sein und hat die Aufgabe, die Steuerplatine, den Magnetfeldsensor und den Stator vor Verschmutzung und Beschädigung zu schützen. Bei dem Magnetfeldsensor kann es sich insbesondere um einen Hallsensor handeln.
Der Ventilnadelsitz kann die Ventilnadel so aufnehmen, dass diese sich in dem Ventilnadelsitz nicht um eine Längsachse verdrehen, aber in eine Axialrichtung linear bewegen kann. In Axialrichtung kann der Ventilnadelsitz eine Linearführung für die Ventilnadel ausbilden. Der Ventilnadelsitz kann ferner einen Durchgang für ein Fluid umfassen, wobei der Durchgang in einer ersten Endposition der Ventilnadel vollständig verschlossen und in einer zweiten Endposition der Ventilnadel vollständig geöffnet ist. Die Ventilnadel kann durch den Antrieb stufenlos verstellt werden. Anstatt stufenlos kann die Ventilnadel in sehr fein abgestuften konkreten Schritten verstellt werden, beispielsweise eine Abstufung von 1000 oder mehr Stufen. Die Materialwahl für den Ventilnadelsitz kann vom Fachmann abhängig von dem durchfließenden Fluid, zum Beispiel dessen Temperatur, chemischer Zusammensetzung, Zähigkeit etc., gewählt werden. Der Ventilnadelsitz ist mit dem inneren Ventilantriebsgehäuseteil verbunden und in der Verbindung gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Der Ventilnadelsitz umfasst ferner eine Durchgangsöffnung für das Fluid, die durch das lineare Verfahren der Ventilnadel vollständig geschlossen und stufenlos oder schrittweise bis zu einem Maximum geöffnet werden kann.
Im Ventilnadelsitz kann ferner eine Dichtung angeordnet sein, die eine Leckage des durch das Nadelventil strömenden Fluids in das innere Ventilantriebsgehäuseteil zumindest reduziert.
Der ferromagnetische Metallkörper kann beispielsweise eine Kanüle aus einem ferromagnetischen Edelstahl mit einem eingepressten Stahlpfropf sein. Im Folgenden wird der ferromagnetische Metallkörper zur besseren Identifizierung und Unterscheidung auch als Tauchanker bezeichnet. Die Kanüle kann in die Hohlachse eingreifen und/oder das freie Ende des Ventilnadelschafts überlappen. Der Tauchanker kann gemeinsam mit der Ventilnadel linear bewegt werden. Der Stahlpfropf kann eine axiale Mindestlänge aufweisen, die im Wesentlichen dem maximalen Verfahrweg der Ventilnadel aus der ersten Endposition (Ventil-Zu-Position) in die zweite Endposition (Ventil-Offen-Position) plus der axialen Erstreckung des Ringmagneten entspricht. So kann mit einer einzigen Messung anhand einer Kennlinie immer die Position der Ventilnadel erfasst werden. Weist der Pfropfen eine davon abweichende kürzere Länge auf, kann die Messung eine sogenannte Badewannen-Kurve ergeben, mit zwei Positionen, die nicht eindeutig zugeordnet werden können. Die Mindestlänge des Pfropfens kann beispielsweise 6mm, 7mm, 8mm oder eine beliebige andere Weglänge sein. In einer Ausführung kann die Weglänge >5, 5mm und <9mm, bevorzugt >6mm und <8, 5mm sein. Der Tauchanker kann in einer Ausführung ein Vollstab aus einem ferromagnetischen Material sein.
In einer Ausführung kann ein zylindrischer Magnet auf dem freien, von der Ventilnadel abgewandten, Ende des Tauchankers angeordnet sein, der entgegengesetzt zum Ringmagneten axial magnetisiert ist. Der zylindrische Magnet unterstützt das Kurzschließen des Ringmagneten, da er den Magnetfluss durch das obere Ende des Tauchankers beschleunigt.
Wenn der Tauchanker innerhalb des Ringmagneten liegt oder in die Öffnung im Ringmagneten einfährt, schließt er den Ringmagneten im Inneren quasi kurz. Dadurch läuft ein Großteil der Feldlinien des Magnetfelds des Ringmagneten nicht mehr zum Sensor. Es kommt daher nur eine geringe Flussdichte beim Magnetfeldsensor an.
Der Ventilnadelschaft und der ferromagnetische Metallkörper können einen identischen Durchmesser, beispielsweise den Durchmesser des Ventilnadelschafts im Bereich neben dem Außengewinde, aufweisen. Entspricht dann ein Innendurchmesser der Hohlwelle, ein Innendurchmesser der Öffnung im Ringmagneten und ein Innendurchmesser der Flussleithülse im Wesentlichen dem genannten Durchmesser, kann die Ventilnadel mit dem verbundenen ferromagnetischen Metallkörper von der dem Hallsensor abgewandten Seite des Rotors in die Hohlwelle eingeführt und eingedreht werden. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung des inneren Ventilantriebgehäuseteils oder des Spalttopfs, da dieses/dieser nur einseitig offen sein muss.
Der Rotor kann in wenigstens einem Lager drehbar gelagert sein, wobei das Lager in dem Ventilnadelsitz oder dem Spalttopf angeordnet sein kann. Das wenigstens eine Lager kann ein Rotationslager für den Rotor sein. Ein weiteres Rotationslager kann in dem Spalttopf über der dem Hallsensor zugewandten Stirnseite des Rotors gebildet sein. Im Spalttopf unterhalb des Hallsensors kann in einer Ausführung ein Gleitlager für den ferromagnetischen Metallkörper am Ende des Ventilnadelschafts vorhanden sein. Das Gleitlager kann eine Aufnahme für den Ringmagneten und/oder die Flussleithülse bilden. Bei dem Hallsensor kann es sich insbesondere um einen lateralen Hallsensor oder einen linearen Hallsensor, der die Möglichkeit bietet, gemessene Wertebereiche auszublenden oder abzuschneiden, um einen möglichst linearen Verlaufsbereich „herauszugreifen“, handeln. Der Hallsensor ist außerhalb des inneren Ventilantriebsgehäuseteils in einem Bereich oberhalb der Hohlwelle angeordnet. Wenigstens die Hohlwelle, der Rotor und die Ventilnadel weisen eine gemeinsame Mittellängsachse auf. Der Hallsensor ist so an der Leiterplatte bzw. einer dem Spalttopf zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet, dass diese gemeinsame Mittellängsachse den Hallsensor schneidet, nicht schneidet oder zumindest nicht mittig schneidet.
In einer Ausführung kann auf der äußeren Oberfläche des inneren Ventilantriebsgehäuses eine ferromagnetische Halbschale mit einer Bohrung mittig platziert werden, um einen magnetischen Rückschluss zu bilden und dadurch die Sensoranordnung besser gegen Störungen zu schützen. Solch eine Halbschale ist aufwendig herzustellen und verursacht zusätzliche Kosten.
Schließlich kann bei einer Ausführung mit mehrteiligem Spalttopf das obere Ende des ferromagnetischen Metallteils anders dimensioniert und der Aufbau oberhalb des Rotors anders konfiguriert werden, da eine Montage durch die Hohlwelle nicht mehr notwendig ist.
Das Nadelventil ermöglicht eine hochgenaue magnetische Positionsbestimmung der Ventilnadel, vor allem bei einem großen Abstand zwischen Ringmagnet und Sensor. Die Flussleitung des Magnetfelds zu dem Hallsensor erfolgt über eine Flussleithülse aus einem ferromagnetischen Material. Am Punkt von Interesse beim Schließvorgang des Nadelventils wird eine starke Flussänderung durch das Kurzschließen des Ringmagneten generiert. Die Sensorgenauigkeit wird bei geringem Materialeinsatz erhöht. Das heißt, die Lösung bietet ein Nadelventil mit geringen Material-Einzelkosten (Ringmagnet, Flussleithülse, Stahlkanüle, Stahlpfropf, einfachster Hallsensor), Gewichts- und Bauraumersparnis, da die Lösung durch einfache Integration des Ringmagneten und der Flussleithülse in das obere Gleitlager des Rotors bauraumneutral ist.
Der Gegenstand der Erfindung kann außer für das beschriebene Nadelventil bei allen Anwendungen mit linearen Bewegungen, bei denen die linear bewegten Teile schwierig zu erreichen und/oder gekapselt sind, vorteilhaft eingesetzt werden. Derartige Anwendungen sind beispielsweise Ventile bei Antriebsmotoren, wie dem Verbrennungsmotor, im Abgasstrang oder im Bremskraftverstärker. Die Erfindung ermöglicht das Sensieren eines Endanschlags, bevor dieser tatsächlich erreicht wird, zum Beispiel bei einer Lenkung, einem Dämpfer oder dem Bremskraftverstärker. Außerdem kann die Erfindung auf allen Anwendungsgebieten einer Anlage mit expandierenden Kältemitteln (Klimaanlagen), Gasventilen bei Turbinen oder Kesseln, und zum Erkennen, ob ein Verriegelungsbolzen an einem schwer zugänglichen Einbauort (beispielsweise Rotorarretierung bei Offshore-Windanlagen) wirklich offen ist, genutzt werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele des Nadelventils anhand von Beispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Figur 1: ein Nadelventil mit Hallsensor in einer vertikalen Schnittansicht entlang der
Rotationsachse des Rotors;
Figur 2: eine Detailansicht des oberen Teils des Spalttopfs des Nadelventils der Figur 1 in der Ventil-Zu-Position;
Figur 3: eine Detailansicht des oberen Teils des Spalttopfs des Nadelventils der Figur 1 in einer Zwischenposition;
Figur 4: eine beispielhafte Flussdichte-Kennlinie beim Bewegen der Ventilnadel des
Nadelventils der Figur 1;
Figur 5: eine Detailansicht des oberen Teils eines Spalttopfs eines Nadelventils mit einem zusätzlichen Zylindermagnet auf dem Stahlpfropf;
Figur 6: eine beispielhafte Flussdichte-Kennlinie beim Bewegen des Nadelventils der
Figur 5.
Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Nadelventils 100. Das Nadelventil 100 umfasst einen Antrieb 50 oder elektromechanischen Antrieb mit einem Rotor 52 und einem Stator 51. Der Stator 51 kann zum Beispiel einen Kern aus Eisenblech aufweisen und Wicklungen aus Kupfer oder Kupferdraht. Der Rotor 52 kann ein Dauermagnet sein oder zumindest teilweise aus Dauermagnetmaterial gebildet sein. Das Nadelventil 100 umfasst ferner einen Ringmagneten 80. Der Rotor 52 kann eine Hohlwelle 53 bilden oder mit einer Hohlwelle 53 drehtest verbunden sein. Der Rotor 52 umgibt die Hohlwelle 53 radial. Eine Rotationsachse oder Mittellängsachse R des Rotors 52 ist identisch mit einer Rotationsachse oder Mittellängsachse R' der Hohlwelle 53. Die Hohlwelle 53 ist an beiden axialen Enden offen. Im Inneren der Hohlwelle 53 zwischen den beiden axialen Enden ist in einem axialen Abschnitt der Innenumfangswand 53b ein Innengewinde ausgebildet. Das Innengewinde 53a kann beispielsweise an einem axialen Ende der Hohlwelle 53 gebildet sein.
Das Nadelventil 100 umfasst ferner eine Ventilnadel 10, die einen Ventilnadelschaft 12, einen Ventilnadelführungsabschnitt 13 und eine Ventilnadelspitze 11 umfasst. Der Ventilnadelschaft 12 hat ein freies Ende 12b und ein axial gegenüberliegendes Ende 12c, das den Ventilnadelschaft 12 mit dem Ventilnadelführungsabschnitt 13 verbindet. Am Ventilnadelschaft 12 ist in einem Abschnitt zwischen dem freien Ende 12b und dem Ende 12c neben dem Ventilnadelführungsabschnitt 13 ein Außengewinde 12a gebildet.
Der Ventilnadelführungsabschnitt 13 ist ein Eingriffselement 13a, das zwischen dem Ventilnadelschaft 12 und der Ventilnadelspitze 11 ausgebildet ist. Das Eingriffselement 13a wirkt mit einem Gegeneingriffselement 21 des Ventilnadelsitzes 20 zusammen. Ist der Ventilnadelführungsabschnitt 13 respektive das Eingriffselement 13a in Eingriff mit dem Gegeneingriffselement 21 , ist die Ventilnadel 10 im Ventilnadelsitz 20 verdrehsicher gelagert und kann in Axialrichtung X in einer Linearführung 21a bewegt werden.
Mit dem freien Ende 12b des Ventilnadelschafts 12 ist ein ferromagnetischer Metallkörper oder Tauchanker 70 verbunden, beispielsweise eine Stahlkanüle 71 mit einem eingepressten Stahlpfropf 72. Der Stahlpfropf 72 kann eine axiale Länge aufweisen, die im Wesentlichen einem maximalen Verfahrweg der Ventilnadel 10 von der Ventil-Zu-Position VZP in die Ventil- Offen-Position VOP (Figur 2) plus der axialen Länge des Ringmagneten 80 entspricht.
Oberhalb des Rotors 52 ist ein Lager oder Gleitlager 54 angeordnet, das den Tauchanker 70 linear führt und/oder den Rotor 52 drehlagert und/oder den Rotor 52 und die Hohlwelle 53 axial abstützen kann. Das Gleitlager 54 kann beispielsweise aus Kunststoff gegossen sein. Das Gleitlager 54 umfasst im Ausführungsbeispiel eine Aufnahme für den axial magnetisierten Ringmagneten 80 mit einem Südpol S und einem Nordpol N, wobei der Ringmagnet 80 in dem Gleitlager 54 nahe an der Hohlwelle 53 angeordnet ist, und für eine Flussleithülse 90, die sich von einer axialen Stirnseite des Ringmagneten 80 bis zu einem dem Rotor 52 abgewandten axialen Ende des Lagers 54 erstreckt, eine Aufnahme bildet.
Unterhalb des Rotors 52 ist ein weiteres Lager oder Wälzlager 55 angeordnet, im Ausführungsbeispiel ein Drehlager für den Rotor 52. Das Wälzlager 55 kann statt des Gleitlagers 54 die axiale Abstützung für den Rotor 52 und die Hohlwelle 53 bilden.
Der Rotor 52, das Gleitlager 54, der Ringmagnet 80 und die Flussleithülse 90 sind von einem Spalttopf 56 oder einem inneren Ventilantriebsgehäuseteil umgeben. Der Spalttopf 56 ist aus einem nichtferromagnetischen Metall, wie Edelstahl (z.B. X5CRNI18-10 V2A), gebildet und hat eine geschlossene, glockenartige Kuppelform, die nach unten offen ist. Der Spalttopf 56 ist an seinem offenen Ende mit dem Ventilnadelsitz 20 verbunden, wobei der Verbindungsbereich abgedichtet ist, so dass weder das Innere des Spalttopfs 56 noch das Innere des Ventilnadelsitzes 20 mit der Umgebung verbunden ist.
Die Ventilnadel 10 kann mit dem Ventilnadelschaft 12 in die Hohlwelle 53 eingeschoben und eingedreht werden, wobei das Außengewinde 12a des Ventilnadelschafts 12 in das Innengewinde 53a der Hohlwelle 53 eingeschraubt wird. Die Gewindeverbindung der Hohlwelle 53 mit dem Ventilnadelschaft 12 und der Ventilnadelführungsabschnitt 13 mit dem Eingriffselement 13a und das Gegeneingriffselement 21 bilden zusammen eine Mechanik, mit der eine Drehbewegung der Hohlwelle 53 in eine axiale Linearbewegung der Ventilnadel 10 umgesetzt wird. Die Ventilnadel 10 hat eine Mittellängsachse R", die mit der Rotationsachse R' der Hohlwelle 53 und der Rotationachse R des Rotors 52 zusammenfällt, wenn der Ventilnadelschaft 12 in die Hohlwelle 53 eingeschraubt ist.
Das Nadelventil 100 umfasst ferner eine Steuerplatine 30, die über eine Leitung L mit dem Stator 51 verbunden ist, so dass eine von der Steuerplatine 30 umfasste oder mit der Steuerplatine 30 verbundene Steuerung den Stator 51 elektrisch regelt, damit dieser den Rotor 52 magnetisch in eine Drehung mit einer einstellbaren Drehgeschwindigkeit und einstellbaren Drehrichtung versetzt.
Mit der Steuerplatine 30 ist ein Magnetfeldsensor 60 zur Erfassung der örtlichen Flussdichte, ausgehend vom Magnetfeld des Ringmagneten 80 verbunden. Bei dem Magnetfeldsensor 60 kann es sich um einen lateralen Hallsensor oder linearen Hallsensor handeln. Der Magnetfeldsensor 60 ist im Ausführungsbeispiel mit einem Sensorhalter 61 verbunden und oberhalb der Steuerplatine 30 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 60 liegt über der Hohlwelle 53 außen an dem Spalttopf 56 an.
Der Stator 51 , die Steuerplatine 30, der Magnetfeldsensor 60 und der Spalttopf 56 sind in einem Antriebsgehäuse 57 angeordnet. Das Antriebsgehäuse 57 kann aus einem geeigneten Material, beispielsweise aus Kunststoff gebildet sein, und schützt die genannten Komponenten vor Verschmutzung und Beschädigung.
Der Ventilnadelsitz 20 umfasst ferner eine Durchflussöffnung 40 für ein Fluid wie ein Kühlmittel. Die Ventilnadel 10 bzw. Ventilnadelspitze 11 können die Durchflussöffnung 40 in der Ventil-Zu- Position VZP vollständig verschließen und in der Ventil-Offen Position VOP maximal öffnen. Eine Ventilnadeldichtung 14, die im Ausführungsbeispiel im Ventilnadelsitz 20 unterhalb der Mechanik angeordnet ist, vermindert zumindest eine Leckage des Fluids durch den Ventilnadelsitz 20 in das Innere des Spalttopfs 56.
Die Figur 2 zeigt eine Detailansicht des oberen Abschnitts des Nadelventils 100 der Figur 1.
Gezeigt ist das Nadelventil 100 mit der Ventilnadel 10 in der Ventil-Zu-Position VZP. Das Gleitlager 54 oberhalb des Rotors 52 lagert sowohl den Ringmagneten 80 als auch die Flussleithülse 90. Das axiale freie Ende des Stahlpfropfs 72 liegt auf der Höhe oder kurz unterhalb des axialen Endes des im Ausführungsbeispiel der Flussleithülse 90 zugewandten Nordpols N des Ringmagneten 60. Der Stahlpfropf 72 ist über eine Stahlkanüle 71 mit dem Ventilnadelschaft 12 verbunden und kann zusammen mit der Ventilnadel 10 in Axialrichtung X linear bewegt werden. Das Nadelventil 100 kann zusätzlich eine nicht gezeigte Halbschale aus einem ferromagnetischen Material umfassen, die dicht an einer Oberfläche der Außenseite des Spalttopfs 56 oberhalb des Stators 51 anliegt. Die optionale Halbschale ist an den Seiten bis hinunter zum Statorblech gezogen und hat oben eine Öffnung, die so groß ist, dass der Magnetfluss am Magnetfeldsensor 60 nicht vorbeigeführt, sondern durch den Magnetfeldsensor 60 geführt wird. Die Halbschale kann zum Beispiel eine ähnliche Wandstärke wie die Flussleithülse 90 aufweisen.
Dadurch, dass der Stahlpfropf 72 in den Ringmagneten 80 hineinreicht, wird der axial gepolte Ringmagnet 80 in seinem Inneren kurzgeschlossen, so dass die Magnetfeldlinien MFL nicht oder zumindest nur zu einem kleinen Teil bis zu dem Magnetfeldsensor 60 geleitet werden. Die Flussdichte fällt ab, sobald der Stahlpfropf 72 in den Ringmagneten einfährt. Wenn der Stahlpfropf 72 die Oberkante des Ringmagneten 80 erreicht, ist eine Änderung der Flussdichte am größten. Diese maximale Änderung der Flussdichte kann direkt der Ventil-Zu-Position VZP zugeordnet werden.
Die Figur 3 zeigt im Wesentlichen das Gleiche wie die Figur 2, nur dass die Ventilnadel aus der Ventil-Zu-Position VZP herausbewegt wurde und jetzt zwischen der Ventil-Zu-Position VZP und der Ventil-Offen-Position VOP liegt.
Der Stahlpfropf 72 schließt immer noch den Ringmagneten 80 kurz, bildet aber zusammen mit der Flussleithülse 90 auch eine Luftspaltfläche, die größer wird, je weiter der Stahlpfropf 72 in die Flussleithülse 90 wandert. Dadurch wird das Magnetfeld des Ringmagneten 80 noch umfassender kurzgeschlossen, sodass jetzt weniger Magnetfeldlinien MFL zu dem Magnetfeldsensor 60 geleitet werden und dieser dadurch eine kleinere Flussdichte misst. Die kleinere Flussdichte ist ein Zeichen dafür, dass die Ventilnadel 10 die Ventil-Zu-Position VZP verlassen hat. Die Flussdichte ändert sich am deutlichsten am Anfang der Öffnungsbewegung und kann bei Erreichen eines gewissen Öffnungsgrads im Wesentlichen konstant sein.
Das heißt im Umkehrschluss, dass beim Schließen des Ventils die Flussdichte wieder zunimmt und ein Maximum erreicht, wenn der Stahlpfropf 72 vollständig aus der Flussleithülse ausgefahren ist. Das nicht gewollte vollständige Ausfahren des Stahlpfropfs 72 kann mittels eines mechanischen Endanschlags verhindert werden. Das heißt, dass die Flussdichte im Bereich der Ventil-Zu-Position VZP einen Wert erreicht, der unterhalb des Maximums liegt.
Die Figur 4 zeigt eine beispielhafte Kennlinie KL1 für die Linearbewegung der Ventilnadel 10 eines Nadelventils 100 mit einer magnetischen Flussdichte in der Ventil-Zu-Position VZP von 23 mT und einer magnetischen Flussdichte von 15 mT, wenn die Ventilnadel 10 um 1 ,2 mm aus der Ventil-Zu-Position VZP in Richtung der Ventil-Offen-Position VOP bewegt wurde. Wird die Ventilnadel 10 weiter in Richtung der Ventil-Offen-Position VOP bewegt, ändert sich die magnetische Flussdichte im Wesentlichen nicht mehr.
Die Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Nadelventil 100 einen weiteren Magneten 85 umfasst, der ebenfalls axial gepolt ist. Der weitere Magnet 85 ist an dem freien Ende des Stahlpfropfs 72 angeordnet, die axialen Pole N, S dieses weiteren Magneten 85 sind entgegengesetzt zu den Polen N, S des Ringmagneten 80 ausgerichtet. Der weitere Magnet 85 unterstützt das Kurzschließen des Ringmagneten 80. Zudem entsteht eine zusätzliche hohe Magnetflussdichte am Magnetfeldsensor 60, wenn die Ventilnadel in der Ventil-Offen-Position VOP ist.
Die Kennlinie KL2 für das Nadelventil 100 der Figur 5 ist in der Figur 6 dargestellt. Um die Ventil-Zu-Position VZP hat die Kennlinie KL2 eine annähernd lineare Funktion. Bei der Ventil- Offen-Position VOP geht die Flussdichte steil in den negativen Bereich. Im mittleren Teil ändert sich die Flussdichte kaum.
In der Figur 5 liegt die Flussdichte in der Ventil-Zu-Position VZP bei über 30 mT, nach einem Bewegen der Ventilnadel um 1 ,5 mm in Richtung der Ventil-Offen Position VOP bei ca. 18 mT und bleibt im Wesentlichen über eine Verschiebeweglänge der Ventilnadel 10 über 3 mm gleich. Wurde die Ventilnadel um 5 mm in Richtung der Ventil-Offen-Position VOP bewegt, beträgt die vom Magnetfeldsensor 60 gemessene Flussdichte bereits nur noch 16 mT und fällt bei einer Weiterbewegung der Ventilnadel 10 in die Ventil-Offen Position VOP weiter ab. Bezugszeichenliste 0 Nadelventil
Ventilnadel
Ventilnadelspitze
Ventilnadelschaft a Außengewinde b freies Ende c Anschlussende
Ventilnadelführungsabschnitt a Eingriffselement
Dichtung
Ventilnadelsitz
Gegeneingriffselemente a Linearführung
Steuerplatine
Durchflussöffnung
Antrieb
Stator
Rotor
Hohlwelle a Innengewinde b Innenumfangswand
Lager, Gleitlager
Lager, Wälzlager
Spalttopf
Antriebsgehäuse
Magnetfeldsensor
Sensorhalter
Tauchanker
Kanüle
Stahlpfropf, Pfropf 80 Ringmagnet
85 Magnet
90 Flussleithülse
KL1 Kennlinie
KL2 Kennlinie
L Leitung
MFL Magnetfeldlinie
N Nordpol
R Mittellängsachse
R' Mittellängsachse
R" Mittellängsachse
S Südpol
VOP Ventil-Offen-Position
VZP Ventil-Zu-Position
X Axialrichtung
Y Radialrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Nadelventil (100) mit magnetischer Lagebestimmung der Ventilnadel (10), mit a. einem Ventilnadelsitz (20), b. einem Spalttopf (56), c. einer Steuerplatine (30), d. einem elektrischen Antrieb (50) mit einem Stator (51) und einem Rotor (52), wobei der Rotor (52) in dem Spalttopf (56) angeordnet ist e. einer Hohlwelle (53) mit einem Innengewinde (53a), die von dem Rotor (52) gebildet oder rotationsfest mit dem Rotor (52) verbunden ist, f. wenigstens einem Lager (54, 55) für den Rotor (52), g. einer Ventilnadel (10) mit einer Ventilnadelspitze (11) und einem Ventilnadelschaft (12) mit einem Außengewinde (12a), h. einem Magnetfeldsensor (60), der außerhalb des Spalttopfs (56) in einer Axialrichtung (X) über der Hohlwelle (53) angeordnet ist, und i. wobei das Außengewinde (12a) des Ventilnadelschafts (12) mit dem Innengewinde (53a) der Hohlwelle (53) kämmt und eine Mechanik die Rotationsbewegung der Hohlwelle (53) in eine lineare Bewegung der Ventilnadel (10) in Axialrichtung (X) umsetzt, j. zumindest der Rotor (52), die Hohlwelle (53) und die Ventilnadel (10) axialsymmetrisch angeordnet sind mit einer gemeinsamen Mittellängsachse (R, R', R"), dadurch gekennzeichnet, dass k. das Nadelventil (100) ferner einen Ringmagneten (80) umfasst, der in Verlängerung der Hohlwelle (53) über dem Rotor (52) angeordnet ist, und l. einen ferromagnetischen Metallkörper (70), der mit einem freien Ende (12b) des Ventilschafts (12) verbunden ist.
2. Nadelventil (100) nach Anspruch 1, wobei das Nadelventil (100) ferner eine
Flussleithülse (90) umfasst, die in Axialrichtung (X) über dem Ringmagneten (80) angeordnet ist.
3. Nadelventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der Rotor (52), die Hohlwelle (53), der ferromagnetische Metallkörper (70) und der Ringmagnet (80) in dem Spalttopf (56) angeordnet sind.
4. Nadelventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (51) außerhalb des Spalttopfs (56) angeordnet ist, den Spalttopf (56) radial umgibt und der Stator (51) den Rotor (52) kontaktlos antreibt.
5. Nadelventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfelssensor (60) exzentrisch oder koaxial mit der gemeinsamen Mittellängsachse (R, R‘, R“) angeordnet ist.
6. Nadelventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ringmagnet (80) eine axiale Magnetisierung hat, mit einem Südpol (S) und einem Nordpol (N), und wobei der ferromagnetische Metallkörper (70) bei einer linearen Bewegung der Ventilnadel (10) in den Ringmagneten (80) einfährt und den Innenbereich des Ringmagneten (80) kurzschließt.
7. Nadelventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ferromagnetische Metallkörper (70) eine Kanüle (71) aus ferromagnetischem Material und ein hochpermeables Flussleitstück (72) umfasst,
8. Nadelventil (100) nach Anspruch 7, wobei eine minimale axiale Länge des hochpermeablen Flussleitstücks (72) dem maximalen Verfahrweg der Ventilnadel (10) aus einer Ventil-Zu-Position (VZP) in der das Nadelventil (100) vollständig geschlossen ist, in eine Ventil-Offen-Position (VOP), in der das Nadelventil (100) maximal geöffnet ist, und der axialen Erstreckung des Ringmagneten (80) entspricht.
9. Nadelventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nadelventil (100) ferner einen weiteren axial magnetisierten Magneten (85) umfasst, mit einer Magnetisierung, die zu der Magnetisierung des Ringmagneten (80) entgegengesetzt ausgerichtet ist, wobei der weitere Magnet (85) an einem freien axialen Ende des ferromagnetischen Metallkörpers (70) angeordnet ist.
10. Nadelventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nadelventil (100) ein Kühlmittelventil ist.
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