DE102021111032A1 - Electromagnetic drive for example for a 3/2-way valve and 3/2-way valve - Google Patents

Electromagnetic drive for example for a 3/2-way valve and 3/2-way valve Download PDF

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein elektromagnetischer Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil (100), mit einem Gehäuse (103), einem beweglichen Anker (115) aus einem weichmagnetischen Material, radial außerhalb des Ankers (115) angeordneten, fest mit dem Gehäuse (103) verbundenen Spulen (133, 136) und einem fest außerhalb der Spulen (133, 136) angeordneten ringförmigen Permanentmagneten (139), der axial magnetisiert ist. Der Anker (115) nimmt abhängig von einem durch die Spulen (133, 136) fließenden Strom eine gewünschte Position im Magnetfeld des Permanentmagneten (139) ein. Dieser Antrieb ermöglicht eine feinfühlige proportionale Ansteuerung eines Ventils. Er ist zudem besonders einfach, und der Anker (115) ist leicht und kostengünstig herzustellen. Zudem können Form und Masse des Ankers (115) optimiert werden.An electromagnetic drive is proposed, for example for a 3/2-way valve (100), with a housing (103), a movable armature (115) made of a soft magnetic material, arranged radially outside of the armature (115), fixed to the housing (103 ) connected coils (133, 136) and an annular permanent magnet (139) which is fixedly arranged outside the coils (133, 136) and is magnetized axially. The armature (115) assumes a desired position in the magnetic field of the permanent magnet (139) depending on a current flowing through the coils (133, 136). This drive enables a sensitive proportional control of a valve. It is also particularly simple, and the armature (115) is easy and inexpensive to manufacture. In addition, the shape and mass of the armature (115) can be optimized.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil, sowie ein 3/2-Wegeventil. Wegeventile dienen in der Fluidtechnik dazu, den Weg für das Arbeitsmedium (z.B. Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit) freizugeben, zu sperren oder die Durchflussrichtung zu ändern. Wegeventile werden nach der Anzahl der Anschlüsse und der Anzahl der Schaltstellungen beschrieben. Ein 3/2 Wegeventil besitzt beispielsweise drei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen. Wegeventile werden vielfach elektromagnetisch angetrieben.The invention relates to an electromagnetic drive for, for example, a 3/2-way valve and a 3/2-way valve. Directional valves are used in fluid technology to release or block the path for the working medium (e.g. compressed air or hydraulic fluid) or to change the flow direction. Directional valves are described according to the number of connections and the number of switching positions. A 3/2-way valve, for example, has three connections and two switching positions. Directional valves are often driven electromagnetically.

Die Positionsregelung von pneumatisch angetriebenen Stellventilen, insbesondere solchen mit „smarten“ Stellungsreglern, wird normalerweise durch IP-Wandler (Strom-Druck-Wandler) mit sehr niedriger Leistungsaufnahme (maximal einige mW) mit nachgeschalteten Pneumatikverstärkern bewerkstelligt. Gründe hierfür sind vor allem das in der Prozessleittechnik genormte Eingangssignal (4-20 mA), welches auch die Energie für die IP-Wandler zur Verfügung stellt (sog. Zweileitertechnik), aber auch Explosionsschutz-Anforderungen.The position control of pneumatically driven control valves, especially those with "smart" positioners, is usually accomplished by IP converters (current-to-pressure converters) with very low power consumption (maximum a few mW) with downstream pneumatic amplifiers. The main reasons for this are the input signal (4-20 mA) standardized in process control technology, which also provides the energy for the IP converter (so-called two-wire technology), but also explosion protection requirements.

Moderne Entwicklungen in der Prozessleittechnik gehen jedoch dahin, dass in Zukunft derart geringe Leistungsaufnahmen nicht mehr zwingend vorausgesetzt werden. Die sog. 4-Leitertechnik und Bussysteme erlauben höhere elektrische Leistungsaufnahmen der Steuerungs- bzw. Regelkomponenten. Wegen des verstärkten Einsatzes moderner Kommunikationsschnittstellen (z.B. APL, bluetooth) werden solche Systeme, die höhere elektrische Leistungen bereitstellen, immer stärkere Verbreitung finden.However, modern developments in process control technology mean that such low power consumption will no longer be a mandatory requirement in the future. The so-called 4-wire technology and bus systems allow higher electrical power consumption of the control and regulation components. Due to the increased use of modern communication interfaces (e.g. APL, bluetooth), such systems that provide higher electrical power will become more and more widespread.

Die erhöhte, zur Verfügung stehende elektrische Leistung erlaubt es, neue Wege bei der Positionsregelung von pneumatisch angetriebenen Stellventilen zu beschreiten. Dazu können vorzugsweise Wegeventile, insbesondere 3/2-Wegeventile, verwendet werden.The increased electrical power available makes it possible to break new ground in the position control of pneumatically driven control valves. Directional valves, in particular 3/2-way valves, can preferably be used for this purpose.

Stand der TechnikState of the art

Elektromagnetisch angetriebene 3/2-Wegeventile sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2015 005 369 A1 oder DE 10 2018 124 310 A1 bekannt. Bei diesen 3/2-Wegeventilen kommt ein Antrieb zum Einsatz, der allerdings nicht für eine stufenlose, proportionale Steuerung des Ventils geeignet ist. Dabei handelt es sich um einen ortsfesten Dauermagneten, der zwischen zwei Spulen ringförmig um das Ventilgehäuse herum angeordnet ist. Der Dauermagnet ist radial magnetisiert und erzeugt ein Magnetfeld, das dazu dient, einen magnetischen Steueranker auch im stromlosen Zustand in der jeweiligen Endposition zu halten. Durch bestromen der jeweils passenden Spule wird der Anker gegen das Magnetfeld aus der jeweiligen Endposition gezogen, um dann ruckartig in die andere Endposition zu schalten, wodurch wechselseitig jeweils einer der beiden Ventilsitze verschlossen bzw. geöffnet wird. Die beiden Ventilsitze sind stets entweder vollständig geöffnet oder vollständig verschlossen, eine proportionale Ansteuerung ist nicht möglich.Electromagnetically driven 3/2-way valves are, for example, from the publications DE 10 2015 005 369 A1 or DE 10 2018 124 310 A1 known. A drive is used with these 3/2-way valves, but this is not suitable for stepless, proportional control of the valve. This is a stationary permanent magnet that is arranged in a ring between two coils around the valve housing. The permanent magnet is magnetized radially and generates a magnetic field that serves to hold a magnetic control armature in the respective end position even when there is no current. By energizing the appropriate coil, the armature is pulled out of the respective end position against the magnetic field and then suddenly switched to the other end position, whereby one of the two valve seats is closed or opened alternately. The two valve seats are always either fully open or fully closed, proportional control is not possible.

Die Druckschrift DE 39 05 992 A1 offenbart einen ähnlich funktionierenden elektromagnetischen Antrieb für ein Ventil, in diesem Fall ein Einspritzventil. Auch hierbei ist ein außenliegender, radial magnetisierter Ringmagnet vorhanden, der dazu dient, die magnetische Ventilnadel in der jeweiligen Endposition zu halten. Mittels bestrombarer Spulen wird ein möglichst schneller Wechsel zwischen diesen Endpositionen erreicht. Eine proportionale Ansteuerung ist hierbei nicht möglich und nicht erwünscht.The pamphlet DE 39 05 992 A1 discloses a similarly functioning electromagnetic actuator for a valve, in this case an injector. Here, too, there is an external, radially magnetized ring magnet, which is used to hold the magnetic valve needle in the respective end position. The fastest possible change between these end positions is achieved by means of energizable coils. A proportional control is not possible and not desirable.

Aus der Druckschrift DE 10 2015 122 229 A1 ist ein elektromagnetisch angetriebenes Ventil bekannt, welches proportional ansteuerbar ist. Hierbei werden zwei Spulen verwendet, die von einer zylindrischen Rückschlusshülse umgeben sind. Abhängig von dem durch die Spulen fließenden Strom lässt sich die Position eines Ankers feinfühlig proportional einstellen. Dieser Anker ist als zylindrischer Permanentmagnet mit axialer Magnetisierung ausgebildet. Dadurch ist die mögliche Ausgestaltung des Ankers und der Ventilbetätigung eingeschränkt. Auch ist der Anker, bedingt durch die Ausgestaltung als Permanentmagnet, ziemlich schwer, was im Hinblick auf die Schockresistenz nachteilig ist.From the pamphlet DE 10 2015 122 229 A1 an electromagnetically driven valve is known which can be controlled proportionally. Here, two coils are used, which are surrounded by a cylindrical return sleeve. Depending on the current flowing through the coils, the position of an armature can be sensitively adjusted proportionally. This armature is designed as a cylindrical permanent magnet with axial magnetization. This restricts the possible design of the armature and the valve actuation. The armature is also quite heavy due to its design as a permanent magnet, which is disadvantageous in terms of shock resistance.

Aufgabetask

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten elektromagnetischen Antrieb für ein Ventil, insbesondere ein 3/2-Wegeventil, anzugeben, der ein proportionales Verhalten und einen möglichst einfachen Aufbau hat.The object of the invention is to specify an improved electromagnetic drive for a valve, in particular a 3/2-way valve, which has proportional behavior and the simplest possible structure.

Lösungsolution

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.This object is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous developments of the subject matter of the independent claim are characterized in the dependent claims. The wording of all claims is hereby made part of the content of this description by reference. The use of the singular is not intended to exclude the plural, which also applies in reverse, unless otherwise disclosed.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein elektromagnetischer Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil vorgeschlagen. Dieser hat ein Gehäuse und eine Zylinderachse sowie einen Anker. Der Anker ist entlang der Zylinderachse beweglich und besteht aus einem weichmagnetischen Material. Der elektromagnetische Antrieb hat ferner mindestens eine Spule, die von der Zylinderachse aus gesehen radial außerhalb des Ankers angeordnet ist, wobei die Spule fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Der elektromagnetische Antrieb hat außerdem einen Permanentmagneten, der von der Zylinderachse aus gesehen radial außerhalb der mindestens einen Spule angeordnet ist. Der Permanentmagnet ist fest mit dem Gehäuse verbunden. Er ist ringförmig gestaltet und axial magnetisiert. Der Permanentmagnet und die mindestens eine Spule sind entlang der Zylinderachse gegeneinander versetzt angeordnet. Der Anker nimmt abhängig von einem durch die mindestens eine Spule fließenden Strom eine gewünschte Position im Magnetfeld des Permanentmagneten ein.To solve the problem, an electromagnetic drive is proposed, for example for a 3/2-way valve. This has a housing and a cylinder axis and an armature. The armature is movable along the cylinder axis and is made of a soft magnetic material. The electromagnetic drive also has at least one coil, which is arranged radially outside of the armature as viewed from the cylinder axis, the coil being fixedly connected to the housing. The electromagnetic drive also has a permanent magnet, which is arranged radially outside the at least one coil, as viewed from the cylinder axis. The permanent magnet is firmly connected to the housing. It is ring-shaped and axially magnetized. The permanent magnet and the at least one coil are offset from one another along the cylinder axis. Depending on a current flowing through the at least one coil, the armature assumes a desired position in the magnetic field of the permanent magnet.

Ein solcher Antrieb ist sehr einfach aufgebaut und ermöglicht trotzdem eine feinfühlige proportionale Ansteuerung eines Ventils. Dadurch, dass der Anker aus einem weichmagnetischen Material besteht, entfallen viele der Einschränkungen und Nachteile, die permanentmagnetische Anker haben. Insbesondere die Herstellung des Ankers gestaltet sich einfacher und somit kostengünstiger. Ggf. kann der Anker durch Drehen hergestellt werden. Spezielle Formen, die die Ausgestaltung eines Ventilantriebes verbessern, sind leicht zu verwirklichen, beispielsweise Bohrungen und/oder Durchlässe, Befestigungspunkte für Verbindungselemente, Mitnehmer, Federn oder Ähnliches. Auch kann der Anker sehr viel leichter ausgeführt werden als ein permanentmagnetischer Anker. Der Kraft- und somit Strombedarf bei der Ventilbetätigung verringert sich dadurch. Insbesondere wird der Ventilantrieb dadurch aber auch unempfindlicher gegen Schocks und/oder Vibrationen.Such a drive has a very simple structure and nevertheless enables a sensitive, proportional control of a valve. Because the armature is made of a soft magnetic material, many of the limitations and disadvantages associated with permanent magnet armatures are eliminated. In particular, the manufacture of the armature is simpler and therefore more cost-effective. If necessary, the anchor can be made by turning. Special shapes that improve the design of a valve drive are easy to implement, for example bores and/or passages, attachment points for connecting elements, drivers, springs or the like. The armature can also be made much lighter than a permanent magnetic armature. This reduces the power and thus electricity required for valve actuation. In particular, this also makes the valve drive less sensitive to shocks and/or vibrations.

Die Form des Magnetfeldes des Permanentmagneten kann besonders günstig gestaltet werden, wenn der Permanentmagnet in axialer Richtung in mindestens einer Richtung durch einen ringförmigen Polschuh verlängert ist. Die Magnetfeldlinien können dadurch an der gewünschten Stelle konzentriert werden, vorzugsweise dort, wo sich die mindestens eine Spule befindet. Sollte nur eine Spule vorhanden sein, die in axialer Richtung gegenüber dem Permanentmagneten versetzt angeordnet ist, genügt ein Polschuh.The shape of the magnetic field of the permanent magnet can be designed particularly favorably if the permanent magnet is lengthened in the axial direction in at least one direction by an annular pole shoe. As a result, the magnetic field lines can be concentrated at the desired location, preferably where the at least one coil is located. If there is only one coil, which is offset in the axial direction relative to the permanent magnet, one pole shoe is sufficient.

Besonders günstig gestaltet sich die Führung des Magnetfeldes durch den mindestens einen Polschuh, wenn die vom Permanentmagneten entfernte, in radialer Richtung äußere Kante des mindestens einen Polschuhs abgeschrägt ist. Dies trägt dazu bei, die Feldlinien umzulenken, und wirkt sich vorteilhaft auf das proportionale Bewegungsverhalten des Ankers aus.The guidance of the magnetic field through the at least one pole shoe is particularly favorable if the edge of the at least one pole shoe, which is remote from the permanent magnet and is on the outside in the radial direction, is bevelled. This helps to deflect the field lines and has a beneficial effect on the proportional movement behavior of the armature.

Diese Vorteile werden verstärkt, wenn weniger als die Hälfte der vom Permanentmagneten abgewandten Seite des mindestens einen Polschuhs nicht abgeschrägt ist. Der Winkel der Schräge beträgt dabei vorzugsweise zwischen 30° und 60°, bevorzugt 45°.These advantages are increased if less than half of the side of the at least one pole shoe facing away from the permanent magnet is not beveled. The angle of the slope is preferably between 30° and 60°, preferably 45°.

Besonders günstig gestaltet sich der Antrieb, wenn er zwei Spulen und zwei Polschuhe aufweist. In axialer Richtung sind auf jeder Seite des Permanentmagneten jeweils ein Polschuh und eine Spule angeordnet. Die Spulen sind entweder gegenläufig gewickelt oder gegensinnig geschaltet. Die Spulen sind hierbei idealerweise innerhalb von und entlang der Achse jeweils in Höhe der Polschuhe angeordnet, so dass das Magnetfeld des Permanentmagneten besonders stark von den Spulen beeinflusst wird, wenn diese bestromt werden.The drive is particularly favorable if it has two coils and two pole shoes. A pole shoe and a coil are arranged on each side of the permanent magnet in the axial direction. The coils are either wound in opposite directions or connected in opposite directions. The coils are ideally arranged within and along the axis at the level of the pole shoes, so that the magnetic field of the permanent magnet is particularly strongly influenced by the coils when they are energized.

Diese Ausführung des Antriebs ist weitgehend symmetrisch gestaltet und ermöglicht eine besonders genaue und feinfühlige Steuerung der Bewegung des Ankers.This design of the drive is designed largely symmetrically and enables a particularly precise and sensitive control of the movement of the armature.

Für Anwendungen mit erhöhten Sicherheitsanforderungen eignet sich der Antrieb besonders, wenn er eine mit dem Anker verbundene Feder aufweist, die derart vorgespannt ist, dass der Anker eine Sicherheitsstellung einnimmt, wenn kein Strom durch die mindestens eine Spule fließt. Welcher Art diese Sicherheitsstellung ist, hängt von der genauen Bauart und vom Einsatzzweck des Ventils ab, für das der Antrieb im Einzelfall verwendet wird. Wird der Antrieb beispielsweise in einem 3/2-Wegeventil in einer Steuerung eines Druckluftsystems zum Positionieren eines Stellventils eingesetzt, könnte die Sicherheitsstellung durch die Stellung des Ankers gegeben sein, die den Druck im System auf den Umgebungsdruck absinken lässt, in dem z.B. ein Entspannungsventilglied maximal geöffnet wird. Die mit dem Anker verbundene Feder muss deutlich stärker sein als andere ggf. vorhandene Federn am angetriebenen Ventil.The drive is particularly suitable for applications with increased safety requirements if it has a spring which is connected to the armature and is preloaded in such a way that the armature assumes a safety position when no current is flowing through the at least one coil. The type of safety position depends on the exact design and purpose of the valve for which the drive is used in the individual case. If the drive is used, for example, in a 3/2-way valve in a compressed air system controller for positioning a control valve, the safety position could be given by the position of the armature, which allows the pressure in the system to drop to the ambient pressure, in which, for example, a relief valve member can operate at maximum is opened. The spring connected to the armature must be significantly stronger than other springs that may be present on the driven valve.

Das proportionale Bewegungsverhalten des Antriebs wird weiter verbessert, wenn der Anker an seinen Enden kegelförmige Aussparungen aufweist. Diese können im Wesentlichen als Entsprechung bzw. Spiegelung der Schräge der Polschuhe zur Achse hin ausgeführt sein, also z.B. bevorzugt mit einem Öffnungswinkel von 90°. Das Magnetfeld wird durch eine derartige Ausgestaltung des Ankers in diesem gebündelt.The proportional movement behavior of the drive is further improved if the armature has conical recesses at its ends. These can essentially be designed as a correspondence or mirroring of the slope of the pole shoes towards the axis, e.g. preferably with an opening angle of 90°. Such a configuration of the armature concentrates the magnetic field in the armature.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein 3/2-Wegeventil zum Steuern und/oder Regeln eines Steuerdrucks eines unter einem Eingangsdruck stehenden Fluids mittels eines elektrischen Signals. Das 3/2-Wegeventil hat drei Fluid-Anschlüsse: einen Eingang für das unter einem Eingangsdruck stehende Fluid, einen Steuerausgang für das unter dem Steuerdruck stehende Fluid, und einen Entspannungsausgang für das Fluid gegen einen Basisdruck, der niedriger ist als der Eingangsdruck. Mittels des 3/2-Wegeventils ist eine Fluidverbindung zwischen dem Eingang und dem Steuerausgang, sowie dem Steuerausgang und dem Entspannungsausgang herstellbar. Dem Eingang ist ein Eingangsventilsitz mit einem Eingangsventilglied nachgeschaltet, während dem Entspannungsausgang ein Entspannungsventilsitz mit einem Entspannungsventilglied vorgeschaltet ist. Sowohl das Eingangsventilglied als auch das Entspannungsventilglied haben jeweils eine Schließstellung. Das 3/2-Wegeventil hat einen Antrieb, wie er weiter oben beschrieben wurde, wobei der Anker sowohl das Eingangsventilglied als auch das Entspannungsventilglied betätigt.The object is also achieved by a 3/2-way valve for controlling and/or regulating a control pressure of a fluid that is under an inlet pressure by means of an electrical signal. The 3/2-way valve has three fluid connections: an inlet for the fluid under an inlet pressure, a control outlet for the fluid under the control pressure, and a relief outlet for the fluid against a base pressure that is lower than the inlet pressure. The 3/2-way valve can be used to establish a fluid connection between the input and the control output, and between the control output and the relief output. The inlet is followed by an inlet valve seat with an inlet valve member, while the relief outlet is preceded by a relief valve seat with a relief valve member. Both the inlet valve member and the relief valve member each have a closed position. The 3/2-way valve has a drive as described above, with the armature actuating both the inlet valve member and the relief valve member.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des 3/2-Wegeventils ist der Anker vom Eingangsventilglied und vom Entspannungsventilglied derart entkoppelt, dass das Eingangsventilglied und das Entspannungsventilglied einer Bewegung des Ankers nur bis zur jeweiligen Schließstellung folgen. Dies erleichtert die proportionale Betätigung der Ventilglieder durch den Anker.In an advantageous development of the 3/2-way valve, the armature is decoupled from the inlet valve member and from the relief valve member in such a way that the inlet valve member and the relief valve member only follow a movement of the armature up to the respective closed position. This facilitates proportional actuation of the valve members by the armature.

Für diese Entkoppelung ist es besonders günstig, wenn der Eingangsventilsitz entlang der Zylinderachse angeordnet ist, wobei Eingangsventilsitz und Eingangsventilglied derart orientiert sind, dass das Eingangsventilglied zum Öffnen in Richtung vom Anker weg aus dem Eingangsventilsitz gehoben wird. Das 3/2-Wegeventil weist hierzu ein Eingangsventil-Betätigungselement auf, welches vom Anker aus um den Eingangsventilsitz herumgreift und rückwärtig das Eingangsventilglied betätigt. Hierdurch kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass der Eingangsdruck deutlich höher sein kann als der Steuerdruck.For this decoupling, it is particularly favorable if the inlet valve seat is arranged along the cylinder axis, with the inlet valve seat and inlet valve member being oriented such that the inlet valve member is lifted away from the inlet valve seat to open in the direction away from the armature. For this purpose, the 3/2-way valve has an inlet valve actuating element which, starting from the armature, reaches around the inlet valve seat and rearwardly actuates the inlet valve member. This allows for the fact that the inlet pressure can be significantly higher than the control pressure.

Für die Fluidströmung im Ventil ist es besonders günstig, wenn der Anker mindestens eine parallel zur Zylinderachse verlaufende Bohrung aufweist. Das Fluid kann dann durch diese Bohrung hindurchströmen.For the fluid flow in the valve, it is particularly favorable if the armature has at least one bore running parallel to the cylinder axis. The fluid can then flow through this bore.

Vorzugsweise ist der Anker so ausgebildet, dass er das Entspannungsventilglied und/oder das Eingangsventilglied und/oder das Eingangsventil-Betätigungselement direkt betätigen kann. Spezielle Betätigungskappen oder andere Anbauelemente sind dann nicht erforderlich. The armature is preferably designed in such a way that it can actuate the expansion valve member and/or the inlet valve member and/or the inlet valve actuating element directly. Special actuation caps or other add-on elements are then not required.

Besonders bevorzugt wird eine Ausgestaltung des 3/2-Wegeventils, bei der das Entspannungsventilglied und/oder das Eingangsventilglied druckentlastet sind. Dazu ist typischerweise mindestens ein Eingangs-Druckentlastungskanal vorhanden, der eine Fluidverbindung vom Eingang zu einem Kolben oder kolbenähnlichen Element am Eingangsventil-Betätigungselement bereitstellt, und/oder mindestens ein Ausgangs-Druckentlastungskanal, der eine Fluidverbindung von dem Bereich, in dem sich der Anker befindet, zur vom Anker abgewandten Seite des Entspannungsventilglieds bereitstellt.An embodiment of the 3/2-way valve in which the pressure-relief valve member and/or the inlet valve member are pressure-relieved is particularly preferred. For this purpose, there is typically at least one inlet pressure relief channel providing fluid communication from the inlet to a piston or piston-like element on the inlet valve actuator, and/or at least one outlet pressure relief channel providing fluid communication from the area in which the armature is located. to the side of the relief valve member remote from the armature.

Die beidseitige Druckentlastung bewirkt, dass die nötige Magnetkraft und somit der Ansteuerstrom nahezu unabhängig vom Versorgungsdruck des Fluids und vom Druck in dem Bereich, in dem sich der Anker befindet, werden. Insbesondere müssen die Druckunterschiede zum Einstellen nicht überwunden werden, wodurch die Kraftanforderungen an den Antrieb und somit der Stromverbrauch deutlich verringert werden.The pressure relief on both sides means that the necessary magnetic force and thus the control current are almost independent of the supply pressure of the fluid and the pressure in the area where the armature is located. In particular, the pressure differences do not have to be overcome for adjustment, as a result of which the power requirements for the drive and thus the power consumption are significantly reduced.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.Further details and features result from the following description of a preferred exemplary embodiment in connection with the figure. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The options for solving the task are not limited to the exemplary embodiment. For example, range information always includes all - not mentioned - intermediate values and all conceivable sub-intervals.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigt:

  • 1 eine schematische Schnittansicht eines 3/2-Wegeventils.
An embodiment is shown schematically in the figure. In detail shows:
  • 1 a schematic sectional view of a 3/2-way valve.

1 zeigt ein 3/2-Wegeventil 100 mit einem Gehäuse 103, einem Eingang 106 für ein unter Druck stehendes Fluid und einem Entspannungsausgang 109. Der Steuerausgang befindet sich in dieser Darstellung hinten und ist somit nicht zu sehen. Als Fluid kommt typischerweise Druckluft mit einem Druck von bis zu 8 bar zum Einsatz. Im Inneren des Gehäuses 103 befindet sich ein Innenraum bzw. eine Steuerkammer 112, die im Wesentlichen zylindrisch sein kann und in der das Fluid bereits den eingestellten Steuerdruck aufweist. Der Steuerausgang ist mit der Steuerkammer 112 offen verbunden. An dieser Stelle kann z.B. direkt ein pneumatischer Antrieb für ein Prozess-Stellventil o.ä. angeschlossen werden. 1 shows a 3/2-way valve 100 with a housing 103, an inlet 106 for a pressurized fluid and a relaxation outlet 109. The control outlet is in this representation at the back and can therefore not be seen. Compressed air with a pressure of up to 8 bar is typically used as the fluid. Inside the housing 103 there is an interior or a control chamber 112, which can be essentially cylindrical and in which the fluid already has the set control pressure. The control outlet is openly connected to the control chamber 112 . A pneumatic drive for a process control valve or similar can be connected directly at this point.

In der Steuerkammer befindet sich ein im Wesentlichen zylindrischer Anker 115 aus einem weichmagnetischen Material. Typischerweise ist dieser Anker als Drehteil aus z.B. magnetisierbarem Edelstahl 1.4104 oder 1.4105 gefertigt. Er hat eine zentrale Bohrung 118, durch die die Druckluft strömen kann, und kegelförmige Aussparungen 121, 124 sowie an seinen Enden Vorsprünge bzw. Betätigungsnasen 127, 130. Der Anker 115 kann sich in der Steuerkammer 112 leichtgängig auf und ab bewegen.A substantially cylindrical armature 115 made of a soft magnetic material is located in the control chamber. Typically, this armature is made as a turned part made of magnetizable stainless steel 1.4104 or 1.4105, for example. He has one central bore 118 through which the compressed air can flow, and conical recesses 121, 124 and at its ends projections or actuating lugs 127, 130. The armature 115 can easily move up and down in the control chamber 112.

Zwei Spulen 133, 136 sind ringförmig und voneinander beabstandet um die Steuerkammer 112 herum angeordnet und fest mit dem Gehäuse 103 verbunden. Außerhalb davon ist ein ringförmiger Permanentmagnet 139 ebenfalls fest mit dem Gehäuse 103 verbunden. Dieser ist axial magnetisiert, in diesem Fall mit dem Nordpol oben und dem Südpol unten.A pair of coils 133, 136 are annularly spaced around the control chamber 112 and fixedly connected to the housing 103. As shown in FIG. Outside of this, an annular permanent magnet 139 is also firmly connected to the housing 103 . This is axially magnetized, in this case with the north pole at the top and the south pole at the bottom.

Oberhalb und unterhalb des Permanentmagneten 139 schließen an diesen zwei ringförmige Polschuhe 142, 145 an. Diese sind an ihrer äußeren Kante jeweils großflächig abgeschrägt. Durch ihre Form konzentrieren sie das Magnetfeld des Permanentmagneten 139 und lenken es in günstiger Weise nach innen um, so dass es derart durch die Spulen 133, 136 und den Anker 115 verläuft, dass diese Elemente maximal wirksam sein können.Two ring-shaped pole shoes 142, 145 adjoin the permanent magnet 139 above and below it. These are each bevelled over a large area on their outer edge. Due to their shape, they concentrate the magnetic field of the permanent magnet 139 and deflect it inwards in a favorable manner, so that it runs through the coils 133, 136 and the armature 115 in such a way that these elements can be maximally effective.

Die beiden Spulen 133, 136 des elektromagnetischen Antriebs sind entweder elektrisch in Serie geschaltet und gegenläufig / gegensinnig gewickelt, oder gleichsinnig gewickelt, aber gegensinnig verschaltet, was bedeutet, dass der Strom in jeweils entgegengesetzter Richtung durch die beiden Spulen fließt. Werden sie bestromt, so ergibt sich je nach Stromrichtung ein Magnetfeld, welches an der einen Spule das Magnetfeld des Permanentmagneten 139 verstärkt und an der jeweils anderen Spule abschwächt. Da der Anker 115 aus weichmagnetischem Material besteht, führt dies zu einer Kraft auf den Anker 115, die diesen an die stärkste Stelle des resultierenden Magnetfeldes zieht. Folglich kann die Position des Ankers 115 durch die Stromstärke in den Spulen 133, 136 beliebig eingestellt werden.The two coils 133, 136 of the electromagnetic drive are either electrically connected in series and wound in the opposite direction/in opposite directions, or wound in the same direction but connected in opposite directions, which means that the current flows through the two coils in opposite directions. If they are energized, depending on the direction of the current, a magnetic field is produced which strengthens the magnetic field of the permanent magnet 139 on one coil and weakens it on the other coil. Since the armature 115 consists of soft magnetic material, this leads to a force on the armature 115, which pulls it to the strongest point of the resulting magnetic field. Consequently, the position of the armature 115 can be arbitrarily adjusted by the current intensity in the coils 133, 136.

Der Anker 115 ist mit einer Feder 148 verbunden, die ihn in die obere Position drückt, wenn der Antrieb unbestromt ist. Dies stellt eine Sicherheitsfunktion dar.The armature 115 is connected to a spring 148 which urges it to the up position when the actuator is de-energized. This is a safety feature.

Die Vorsprünge bzw. Betätigungsnasen 127, 130 können die Bewegung des Ankers 115 auf das Entspannungsventilglied 151 sowie das Eingangsventil-Betätigungselement 154 übertragen. Durch das Eingangsventil-Betätigungselement 154 wird das Eingangsventilglied 157 betätigt, das in diesem Fall als Kugel ausgebildet ist.The projections or actuating lugs 127, 130 can transmit the movement of the armature 115 to the expansion valve member 151 and the input valve actuating element 154. The inlet valve actuating element 154 actuates the inlet valve member 157, which in this case is designed as a ball.

Das Eingangsventil-Betätigungselement 154 hat eine Mehrzahl von Armen bzw. Verbindungsstangen 160. Vorzugsweise sind drei solche Verbindungsstangen vorhanden, von denen in der Schnittansicht der 1 aber nicht alle sichtbar sind. Diese greifen um den Eingangsventilsitz 163 herum, so dass das Eingangsventilglied 157 von der vom Anker 115 abgewandten Seite aus betätigt werden kann. Am Eingangsventil-Betätigungselement 154 greift außerdem eine Feder 166 an, die derart vorgespannt ist, dass sie das Eingangsventil-Betätigungselement 154 nach oben und somit das Eingangsventilglied 157 in den Eingangsventilsitz 163 drückt, wenn das Eingangsventil-Betätigungselement nicht betätigt wird.The input valve actuator 154 has a plurality of arms or connecting rods 160. Preferably there are three such connecting rods, shown in the sectional view of FIG 1 but not all are visible. These reach around the inlet valve seat 163 so that the inlet valve member 157 can be actuated from the side facing away from the armature 115 . A spring 166 also acts on the inlet valve actuation element 154 and is prestressed in such a way that it presses the inlet valve actuation element 154 upwards and thus the inlet valve member 157 into the inlet valve seat 163 when the inlet valve actuation element is not actuated.

Ein Eingangs-Druckentlastungskanal 169 stellt eine Fluidverbindung vom Eingang 106 zur vom Anker 115 abgewandten Seite des Eingangsventil-Betätigungselements 154 her. Der Eingangsdruck wirkt somit nicht nur auf das Eingangsventilglied 157, sondern auch auf das Eingangsventil-Betätigungselement 154, wodurch die Betätigung des Eingangsventilglieds 157 nur eine geringe Kraft des elektromagnetischen Antriebs erfordert, da keine Druckdifferenz überwunden werden muss.An inlet pressure relief passage 169 provides fluid communication from inlet 106 to the side of inlet valve actuator 154 remote from armature 115 . The inlet pressure thus acts not only on the inlet valve member 157, but also on the inlet valve actuating element 154, as a result of which the actuation of the inlet valve member 157 requires only a small force of the electromagnetic drive, since no pressure difference has to be overcome.

Das Entspannungsventilglied 151 wird ebenfalls durch eine entsprechend vorgespannte Feder 172 in den Entspannungsventilsitz 175 gedrückt, wenn es nicht betätigt wird. Ein Ausgangs-Druckentlastungskanal 178 stellt eine Fluidverbindung zwischen der Rückseite des Entspannungsventilglieds 151 und der Steuerkammer 112 her, wodurch das Entspannungsventilglied 151 druckentlastet und somit weitgehend kräftefrei wird. Die Betätigung des Entspannungsventilglieds 151 erfordert somit nur wenig Kraft.The relief valve member 151 is also urged into the relief valve seat 175 by a suitably biased spring 172 when not actuated. An exit pressure relief passage 178 provides fluid communication between the rear of the relief valve member 151 and the control chamber 112, thereby depressurizing the relief valve member 151 and thus rendering it substantially unenergized. The actuation of the relief valve member 151 thus requires little force.

Durch entsprechende Positionsregelung des Ankers 115 lässt sich der Druck in der Steuerkammer 112 somit beliebig zwischen dem maximalen Eingangsdruck (z.B. 8 bar) und dem Basisdruck (z.B. 1 bar, Umgebungsdruck) einstellen. Eine entsprechend feinfühlige Positionseinstellung erlaubt sogar, die Geschwindigkeit der Druckänderung einzustellen, in dem erreicht wird, dass das Eingangsventilglied 157 und/oder das Entspannungsventilglied 151 weiter oder weniger weit geöffnet wird, wodurch unterschiedlich große Querschnitte freigegeben werden können.By controlling the position of the armature 115 accordingly, the pressure in the control chamber 112 can thus be set anywhere between the maximum inlet pressure (e.g. 8 bar) and the base pressure (e.g. 1 bar, ambient pressure). A correspondingly sensitive position setting even makes it possible to set the speed of the pressure change by opening the inlet valve member 157 and/or the expansion valve member 151 more or less, whereby cross sections of different sizes can be released.

Die Gestaltung des Ankers 115 aus weichmagnetischem Material, das z.B. durch Drehen bearbeitet werden kann, erlaubt eine hohe Flexibilität bei der spezifischen Ausgestaltung der Form des Ankers für die jeweils vorgesehene Anwendung. Insbesondere lässt sich die Masse des Ankers optimieren, was den Ventilantrieb unempfindlicher gegen Vibrationen und/ oder Schocks macht. Zudem wird dadurch die elektrische Leistungsaufnahme des Antriebs bei der Ventilbetätigung verringert.The design of the armature 115 from soft magnetic material, which can be machined, for example by turning, allows a high degree of flexibility in the specific design of the shape of the armature for the particular application envisaged. In particular, the mass of the armature can be optimized, which makes the valve drive less sensitive to vibrations and/or shocks. In addition, this reduces the electrical power consumption of the drive when the valve is actuated.

Glossarglossary

Ankeranchor

Als Anker wird in der Elektrotechnik im engeren Sinn der Rotor (Läufer) von Gleichstrommaschinen und Einphasen-Reihenschlussmotoren oder der elektrisch wirksame Teil des Rotors bezeichnet - wobei Rotor nicht zwingend bedeutet, dass das Teil rotiert. Als Anker wird weiterhin der bewegliche Eisenkern von elektrischen Relais, Schützen und Elektromagneten bezeichnet (nach https://de.wikipedia.org/wiki/Anker_(Elektrotechnik)).In electrical engineering, the rotor (rotor) of DC machines and single-phase series motors or the electrically effective part of the rotor is referred to as the armature in the narrower sense - whereby rotor does not necessarily mean that the part rotates. The movable iron core of electrical relays, contactors and electromagnets is also referred to as the armature (according to https://de.wikipedia.org/wiki/Anker_(Elektrotechnik)).

Basisdruckbase pressure

Mit Basisdruck wird der minimale Druck bezeichnet, den ein in einer Anlage, Einrichtung oder Komponente enthaltenes Fluid annehmen kann. In vielen Fällen handelt es sich dabei um den Umgebungs- oder Atmosphärendruck, typischerweise also um ungefähr 1 bar.Base pressure is the minimum pressure that a fluid contained in a system, facility or component can assume. In many cases, this is the ambient or atmospheric pressure, i.e. typically around 1 bar.

Eingangsventilglied, EntspannungsventilgliedInlet valve member, relief valve member

Ein Ventilglied ist dasjenige Element, das eine Durchflussöffnung eines Ventils schließt, wenn es auf den Ventilsitz gepresst wird. Das Eingangsventilglied verschließt den Eingangsventilsitz hinter dem Eingang des 3/2-Wegeventils oder gibt ihn frei, während das Entspannungsventilglied den Entspannungsventilsitz vor dem Entspannungsausgang des 3/2-Wegeventils verschließt oder freigibt.A valve member is the element that closes a flow opening of a valve when pressed onto the valve seat. The inlet valve member closes the inlet valve seat behind the inlet of the 3/2-way valve or releases it, while the relief valve member closes or releases the relief valve seat before the relief outlet of the 3/2-way valve.

Eingangsventilsitz, EntspannungsventilsitzInlet valve seat, relief valve seat

Ein Ventilsitz umrandet in der Regel eine Durchflussöffnung eines Ventils. Meist bildet der Ventilsitz das Gegenstück zum Ventilglied und ist von seiner Form her auf dieses abgestimmt. Dadurch wird einerseits erreicht, dass das Ventil dicht schließt, andererseits dass es eine ggf. gewünschte Abhängigkeit des Durchflussquerschnitts von der Positionierung des Ventilglieds aufweist. Der Eingangsventilsitz umrandet die Durchflussöffnung hinter dem Eingang des 3/2-Wegeventils, während der Entspannungsventilsitz die Durchflussöffnung vor dem Entspannungsausgang des 3/2-Wegeventils umrandet.A valve seat usually surrounds a flow opening of a valve. The valve seat usually forms the counterpart to the valve member and its shape is matched to this. As a result, on the one hand, the valve closes tightly and, on the other hand, the flow cross section has a possibly desired dependency on the positioning of the valve member. The inlet valve seat borders the flow opening after the inlet of the 3/2-way valve, while the relief valve seat borders the flow opening before the relief outlet of the 3/2-way valve.

elektrisches (Eingangs-)Signalelectrical (input) signal

Ein elektrisches Eingangssignal kann eine elektrische Spannung einer Spannungsquelle oder ein elektrischer Strom einer Stromquelle sein. Eingangssignale können auch von Widerständen, Schaltern oder Binärkontakten erzeugt werden. Sie können sowohl analoger als auch digitaler Natur sein.An electrical input signal can be an electrical voltage from a voltage source or an electrical current from a current source. Input signals can also be generated by resistors, switches or binary contacts. They can be both analogue and digital in nature.

FluidFluid

Fluid ist eine gemeinsame Bezeichnung für Gase und Flüssigkeiten.Fluid is a common term for gases and liquids.

magnetische Permeabilitätmagnetic permeability

Die magnetische Permeabilität µ bestimmt die Fähigkeit von Materialien, sich einem Magnetfeld anzupassen, oder präziser die Magnetisierung eines Materials in einem äußeren Magnetfeld. Es bestimmt daher die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder. Die Permeabilität µ ist das Verhältnis der magnetischen Flussdichte B zur magnetischen Feldstärke H: μ = B / H .

Figure DE102021111032A1_0001
The magnetic permeability µ determines the ability of materials to adapt to a magnetic field, or more precisely the magnetization of a material in an external magnetic field. It therefore determines the permeability of matter for magnetic fields. The permeability µ is the ratio of the magnetic flux density B to the magnetic field strength H: µ = B / H .
Figure DE102021111032A1_0001

Die magnetische Feldkonstante µ0 ist eine physikalische Konstante und gibt die magnetische Permeabilität des Vakuums an. Auch dem Vakuum ist eine Permeabilität zugewiesen, da sich auch dort Magnetfelder einstellen oder elektromagnetische Felder ausbreiten können. Im Internationalen Einheitensystem (SI) hat die magnetische Feldkonstante den Wert: μ 0 = 1,2566 … * 10 − 6 N / A 2 = 4 π *10 − 7 N / A .

Figure DE102021111032A1_0002
The magnetic field constant µ 0 is a physical constant and indicates the magnetic permeability of the vacuum. A permeability is also assigned to the vacuum, since magnetic fields can also appear there or electromagnetic fields can propagate. In the International System of Units (SI), the magnetic field constant has the value: µ 0 = 1.2566 ... * 10 − 6 N / A 2 = 4 π *10 − 7 N / A .
Figure DE102021111032A1_0002

Die Permeabilitätszahl µr, früher auch als relative Permeabilität bezeichnet, ist das Verhältnis μ r = μ / μ 0 .

Figure DE102021111032A1_0003
The permeability number µ r , formerly also referred to as relative permeability, is the ratio µ right = µ / µ 0 .
Figure DE102021111032A1_0003

Für das Vakuum ergibt sich somit eine Permeabilitätszahl von Eins. Magnetische Materialien lassen sich anhand ihrer Permeabilitätszahl klassifizieren:

  1. a) Diamagnetische Stoffe: 0 ≤ µr < 1
    • Diamagnetische Stoffe besitzen eine geringfügig kleinere Permeabilität als das Vakuum, zum Beispiel Stickstoff, Kupfer oder Wasser. Diamagnetische Stoffe haben das Bestreben, das Magnetfeld aus ihrem Innern zu verdrängen. Sie magnetisieren sich gegen die Richtung eines externen Magnetfeldes.
  2. b) Paramagnetische Stoffe: µr > 1
    • Für die meisten Materialien ist die Permeabilitätszahl etwas größer als Eins (zum Beispiel Sauerstoff, Luft) - die so genannten paramagnetischen Stoffe. In paramagnetischen Stoffen richten sich die atomaren magnetischen Momente in externen Magnetfeldern aus und verstärken damit das Magnetfeld im Innern des Stoffes. Die Magnetisierung ist also positiv.
  3. c) Ferromagnetische Stoffe: µr >> 1
    • Besondere Bedeutung kommt den ferromagnetischen Stoffen bzw. den weichmagnetischen Werkstoffen (Eisen und Ferrite, Cobalt, Nickel) zu, da diese Permeabilitätszahlen von 300 000 > µr > 300 aufweisen. Diese Stoffe kommen in der Elektrotechnik häufig zum Einsatz (z.B. in Spule, Elektromotor, Transformator). Ferromagnete richten ihre magnetischen Momente parallel zum äußeren Magnetfeld aus, tun dies aber in einer stark verstärkenden Weise. (Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetische_Permeabilit%C3%A4t).
This results in a permeability number of one for the vacuum. Magnetic materials can be classified based on their relative permeability:
  1. a) Diamagnetic materials: 0 ≤ µ r < 1
    • Diamagnetic substances have a slightly lower permeability than vacuum, for example nitrogen, copper or water. Diamagnetic substances strive to expel the magnetic field from their interior. They magnetize against the direction of an external magnetic field.
  2. b) Paramagnetic substances: µ r > 1
    • For most materials, the permeability number is slightly greater than one (e.g. oxygen, air) - the so-called paramagnetic materials. In paramagnetic materials, the atomic magnetic moments align in external magnetic fields and thus strengthen the magnetic field inside the material. So the magnetization is positive.
  3. c) Ferromagnetic materials: µ r >> 1
    • Ferromagnetic materials and soft-magnetic materials (iron and ferrites, cobalt, nickel) are of particular importance, as they have permeability numbers of 300,000 > µ r > 300. These substances are often used in electrical engineering (e.g. in coils, electric motors, transformers). Ferromagnets align their magnetic moments parallel to the external magnetic field, but do so in a strongly amplifying manner. (After https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetische_Permeabilit%C3%A4t).

Polschuhpole shoe

Ein Polschuh ist ein Bauteil aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, zum Beispiel aus Eisen. Hohe magnetische Permeabilität bedeutet hierbei 300 000 > µr > 300. Der Polschuh dient dazu, die magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten oder einer Wicklung in einer definierten Form heraustreten zu lassen und zu verteilen (Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Polschuh).A pole piece is a component made of a material with high magnetic permeability, such as iron. High magnetic permeability here means 300,000 > µ r > 300. The pole shoe is used to allow the magnetic field lines of a permanent magnet or a winding to emerge and distribute them in a defined form (according to https://de.wikipedia.org/wiki/ pole shoe).

SpuleKitchen sink

Spulen sind Wicklungen und Wickelgüter, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Sie sind elektrische Bauelemente oder sind Teile eines Gerätes, wie beispielsweise eines Transformators, Relais, Elektromotors oder Lautsprechers.Coils are windings and wound goods that are suitable for generating or detecting a magnetic field. They are electrical components or are part of a device such as a transformer, relay, electric motor or loudspeaker.

Die meisten Spulen bestehen aus mindestens einer Wicklung eines Stromleiters aus Draht, Kupferlackdraht, versilbertem Kupferdraht oder Hochfrequenzlitze, der meist auf einem Spulenkörper (Spulenträger) gewickelt ist sowie überwiegend mit einem weichmagnetischen Kern versehen ist (nach https://de.wikipedia.org/wiki/Spule_(Elektrotechnik)).Most coils consist of at least one winding of a conductor made of wire, enameled copper wire, silver-plated copper wire or high-frequency stranded wire, which is usually wound on a bobbin (bobbin) and has a soft magnetic core (according to https://de.wikipedia.org/ wiki/Spool_(Electronics)).

weichmagnetisches Materialsoft magnetic material

Weichmagnetische Werkstoffe sind Materialien, die sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lassen. Viele weichmagnetische Materialien sind ferromagnetisch. Weichmagnetische Werkstoffe besitzen eine relativ niedrige Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 A/m. Erst wenn ein äußeres Magnetfeld die Koerzitivfeldstärke übersteigt, kann es die Richtung des magnetischen Flusses im Werkstoff ändern.Soft magnetic materials are materials that can easily be magnetized in a magnetic field. Many soft magnetic materials are ferromagnetic. Soft magnetic materials have a relatively low coercivity of less than 1000 A/m. Only when an external magnetic field exceeds the coercive field strength can it change the direction of the magnetic flux in the material.

Im Gegensatz zu hartmagnetischen Werkstoffen, dies sind beispielsweise Dauermagneten, wird bei weichmagnetischen Stoffen der Hystereseverlust beim Ummagnetisieren, z. B. in einem Transformator oder im Wechselfeld in Generatoren und Elektromotoren, klein gehalten. In contrast to hard-magnetic materials, such as permanent magnets, the hysteresis loss in soft-magnetic materials during remagnetization, e.g. B. in a transformer or in the alternating field in generators and electric motors, kept small.

Da neben dem Hystereseverlust auch der Wirbelstromverlust verringert werden soll, werden bei netztypischen Frequenzen in weichmagnetischen Materialien widerstandserhöhende Legierungszusätze wie Silizium und Aluminium (bei Eisenlegierungen) verwendet. Bei hohen Frequenzen werden wenig oder nichtleitende Ferrite (keramische Werkstoffe) eingesetzt. Die Hauptanwendungen für weichmagnetische Werkstoffe liegen überwiegend im Bereich der Elektrotechnik. (Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Weichmagnetische_Werkstoffe)Since the eddy current loss is also to be reduced in addition to the hysteresis loss, resistance-increasing alloying additives such as silicon and aluminum (in the case of iron alloys) are used in soft magnetic materials at frequencies typical of the network. At high frequencies, little or non-conductive ferrites (ceramic materials) are used. The main applications for soft magnetic materials are mainly in the field of electrical engineering. (According to https://de.wikipedia.org/wiki/Weichmagnetic_Werkstoffe)

Bezugszeichenlistereference list

100100
3/2-Wegeventil3/2 way valve
103103
GehäuseHousing
106106
EingangEntry
109109
Entspannungsausgangrelaxation exit
112112
Steuerkammercontrol chamber
115115
Ankeranchor
118118
zentrale Bohrungcentral hole
121, 124121, 124
kegelförmige Aussparungconical recess
127, 130127, 130
Vorsprung bzw. BetätigungsnaseProjection or actuating nose
133, 136133, 136
SpuleKitchen sink
139139
Permanentmagnetpermanent magnet
142, 145142, 145
Polschuhpole shoe
148148
Feder für AnkerSpring for anchor
151151
Entspannungsventilgliedrelief valve member
154154
Eingangsventil-BetätigungselementInlet Valve Actuator
157157
Eingangsventilgliedinlet valve member
160160
Verbindungsstangeconnecting rod
163163
Eingangsventilsitzinlet valve seat
166166
Feder am Eingangsventil-BetätigungselementSpring on inlet valve actuator
169169
Eingangs-DruckentlastungskanalInlet pressure relief duct
172172
Feder am EntspannungsventilgliedSpring on relief valve member
175175
Entspannungsventilsitzrelief valve seat
178178
Ausgangs-DruckentlastungskanalOutlet pressure relief duct

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zitierte Patentliteraturcited patent literature

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  • DE 10 2015 005 369 A1DE 10 2015 005 369 A1
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Claims (14)

Elektromagnetischer Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil (100) mit: 1.1 einem Gehäuse (103) und einer Zylinderachse; 1.2 einem Anker (115); 1.2.1 wobei der Anker (115) entlang der Zylinderachse beweglich ist; 1.2.2 wobei der Anker (115) aus einem weichmagnetischen Material besteht; 1.3 mindestens einer Spule (133, 136); 1.3.1 wobei die Spule (133, 136) von der Zylinderachse aus gesehen radial außerhalb des Ankers (115) angeordnet ist; 1.3.2 wobei die Spule (133, 136) fest mit dem Gehäuse (103) verbunden ist; und mit 1.4 einem Permanentmagneten (139); 1.4.1 wobei der Permanentmagnet (139) von der Zylinderachse aus gesehen radial außerhalb der mindestens einen Spule (133, 136) angeordnet ist; 1.4.2 wobei der Permanentmagnet (139) fest mit dem Gehäuse (103) verbunden ist; 1.4.3 wobei der Permanentmagnet (139) ringförmig ist; 1.4.4 wobei der Permanentmagnet (139) axial magnetisiert ist; 1.5 wobei der Permanentmagnet (139) und die mindestens eine Spule (133, 136) entlang der Zylinderachse gegeneinander versetzt angeordnet sind; 1.6 wobei der Anker (115) abhängig von einem durch die mindestens eine Spule (133, 136) fließenden Strom eine gewünschte Position im Magnetfeld des Permanentmagneten (139) einnimmt.Electromagnetic drive for example for a 3/2-way valve (100) with: 1.1 a housing (103) and a cylinder axis; 1.2 an anchor (115); 1.2.1 the armature (115) being movable along the cylinder axis; 1.2.2 wherein the armature (115) consists of a soft magnetic material; 1.3 at least one coil (133, 136); 1.3.1 wherein the coil (133, 136) is arranged radially outside of the armature (115) as seen from the cylinder axis; 1.3.2 the coil (133, 136) being fixedly connected to the housing (103); and with 1.4 a permanent magnet (139); 1.4.1 wherein the permanent magnet (139) is arranged radially outside of the at least one coil (133, 136), as seen from the cylinder axis; 1.4.2 wherein the permanent magnet (139) is firmly connected to the housing (103); 1.4.3 the permanent magnet (139) being annular; 1.4.4 wherein the permanent magnet (139) is axially magnetized; 1.5 the permanent magnet (139) and the at least one coil (133, 136) being offset relative to one another along the cylinder axis; 1.6 wherein the armature (115) assumes a desired position in the magnetic field of the permanent magnet (139) depending on a current flowing through the at least one coil (133, 136). Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (139) in axialer Richtung in mindestens einer Richtung durch einen ringförmigen Polschuh (142, 145) verlängert ist.Drive according to the preceding claim, characterized in that the permanent magnet (139) is extended in the axial direction in at least one direction by an annular pole piece (142, 145). Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Permanentmagneten (139) entfernte, in radialer Richtung äußere Kante des mindestens einen Polschuhs (142, 145) abgeschrägt ist.Drive according to the preceding claim, characterized in that the radially outer edge of the at least one pole shoe (142, 145) remote from the permanent magnet (139) is beveled. Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als die Hälfte der vom Permanentmagneten (139) abgewandten Seite des mindestens einen Polschuhs (142, 145) nicht abgeschrägt ist.Drive according to the preceding claim, characterized in that less than half of the side of the at least one pole shoe (142, 145) facing away from the permanent magnet (139) is not beveled. Antrieb nach einem der beiden unmittelbar vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Schräge zwischen 30° und 60°, bevorzugt 45° beträgt.Drive according to one of the two immediately preceding claims, characterized in that the angle of the slope is between 30° and 60°, preferably 45°. Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 6.1 dass der Antrieb zwei Spulen (133, 136) und zwei Polschuhe (142, 145) aufweist; 6.2 wobei in axialer Richtung auf jeder Seite des Permanentmagneten (139) jeweils ein Polschuh (142, 145) und eine Spule (133, 136) angeordnet sind; und 6.3 wobei die Spulen (133, 136) entweder gegenläufig gewickelt oder gegensinnig geschaltet sind.Drive after one of claims 2 until 5 , characterized in that 6.1 the drive has two coils (133, 136) and two pole shoes (142, 145); 6.2 a pole shoe (142, 145) and a coil (133, 136) being arranged in the axial direction on each side of the permanent magnet (139); and 6.3 wherein the coils (133, 136) are either wound in opposite directions or connected in opposite directions. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb eine mit dem Anker (115) verbundene Feder (148) aufweist, die derart vorgespannt ist, dass der Anker (115) eine Sicherheitsstellung einnimmt, wenn kein Strom durch die mindestens eine Spule (133, 136) fließt.Drive according to one of the preceding claims, characterized in that the drive has a spring (148) connected to the armature (115), which is prestressed in such a way that the armature (115) assumes a safety position when no current is flowing through the at least one coil (133, 136) flows. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (115) an seinen Enden kegelförmige Aussparungen (121, 124) aufweist.Drive according to one of the preceding claims, characterized in that the armature (115) has conical recesses (121, 124) at its ends. 3/2-Wegeventil (100) zum Steuern und/oder Regeln eines Steuerdrucks eines unter einem Eingangsdruck stehenden Fluids mittels eines elektrischen Signals: 9.1 mit drei Fluid-Anschlüssen: 9.1.1 einem Eingang (106) für das unter einem Eingangsdruck stehende Fluid; 9.1.2 einem Steuerausgang für das unter dem Steuerdruck stehende Fluid; 9.1.3 einem Entspannungsausgang (109) für das Fluid gegen einen Basisdruck, der niedriger ist als der Eingangsdruck; 9.2 wobei mittels des 3/2-Wegeventils (100) eine Fluidverbindung zwischen 9.2.1 dem Eingang (106) und dem Steuerausgang, sowie 9.2.2 dem Steuerausgang und dem Entspannungsausgang (109) herstellbar ist; 9.3 wobei dem Eingang (106) ein Eingangsventilsitz (163) mit einem Eingangsventilglied (157) nachgeschaltet ist; 9.4 wobei dem Entspannungsausgang (109) ein Entspannungsventilsitz (175) mit einem Entspannungsventilglied (151) vorgeschaltet ist; 9.5 wobei sowohl das Eingangsventilglied (157) als auch das Entspannungsventilglied (151) jeweils eine Schließstellung haben; 9.6 mit einem Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche; 9.7 wobei der Anker (115) sowohl das Eingangsventilglied (157) als auch das Entspannungsventilglied (151) betätigt.3/2-way valve (100) for controlling and/or regulating a control pressure of a fluid that is under an inlet pressure by means of an electrical signal: 9.1 with three fluid connections: 9.1.1 an inlet (106) for the fluid which is under an inlet pressure; 9.1.2 a control outlet for the fluid under the control pressure; 9.1.3 an expansion outlet (109) for the fluid against a base pressure that is lower than the inlet pressure; 9.2 by means of the 3/2-way valve (100) a fluid connection between 9.2.1 the input (106) and the control output, as well as 9.2.2 the control output and the relaxation output (109) can be produced; 9.3 wherein the inlet (106) is followed by an inlet valve seat (163) with an inlet valve member (157); 9.4 wherein the relief outlet (109) is preceded by a relief valve seat (175) with a relief valve member (151); 9.5 both the inlet valve member (157) and the expansion valve member (151) each having a closed position; 9.6 with a drive according to one of the preceding claims; 9.7 wherein the armature (115) actuates both the input valve member (157) and the relief valve member (151). 3/2-Wegeventil (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Anker (115) vom Eingangsventilglied (157) und vom Entspannungsventilglied (151) derart entkoppelt ist, dass das Eingangsventilglied (157) und das Entspannungsventilglied (151) einer Bewegung des Ankers (115) nur bis zur jeweiligen Schließstellung folgen.3/2-way valve (100) according to the preceding claim, wherein the armature (115) from the input valve member (157) and the expansion valve member (151) is decoupled such that the input valve member (157) and the relaxation valve member (151) follow a movement of the armature (115) only up to the respective closed position. 3/2-Wegeventil (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, 11.1 wobei der Eingangsventilsitz (163) entlang der Zylinderachse angeordnet ist; 11.2 wobei Eingangsventilsitz (163) und Eingangsventilglied (157) derart orientiert sind, dass das Eingangsventilglied (157) zum Öffnen in Richtung vom Anker (115) weg aus dem Eingangsventilsitz (163) gehoben wird; und 11.3 wobei das 3/2-Wegeventil (100) ein Eingangsventil-Betätigungselement (154) aufweist; 11.4 wobei das Eingangsventil-Betätigungselement (154) vom Anker (115) aus um den Eingangsventilsitz (163) herumgreift und rückwärtig das Eingangsventilglied (157) betätigt.3/2-way valve (100) according to the preceding claim, 11.1 the inlet valve seat (163) being arranged along the cylinder axis; 11.2 wherein the inlet valve seat (163) and inlet valve member (157) are oriented in such a way that the inlet valve member (157) is lifted away from the inlet valve seat (163) for opening in the direction away from the armature (115); and 11.3 wherein the 3/2-way valve (100) has an inlet valve actuating element (154); 11.4, wherein the input valve actuating element (154) reaches around the input valve seat (163) from the armature (115) and rearwardly actuates the input valve member (157). 3/2-Wegeventil (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (115) mindestens eine parallel zur Zylinderachse verlaufende Bohrung (118) aufweist.3/2-way valve (100) according to one of claims 9 until 11 , characterized in that the armature (115) has at least one bore (118) running parallel to the cylinder axis. 3/2-Wegeventil (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (115) so ausgebildet ist, dass er das Entspannungsventilglied (151) und/oder das Eingangsventilglied (157) und/oder das Eingangsventil-Betätigungselement (154) direkt betätigen kann.3/2-way valve (100) according to one of claims 9 until 12 , characterized in that the armature (115) is designed in such a way that it can actuate the expansion valve member (151) and/or the input valve member (157) and/or the input valve actuating element (154) directly. 3/2-Wegeventil (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsventilglied (151) und/oder das Eingangsventilglied (157) druckentlastet sind.3/2-way valve (100) according to one of claims 9 until 13 , characterized in that the expansion valve member (151) and / or the inlet valve member (157) are pressure relieved.
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