DE19502671A1

DE19502671A1 - Elektromagnetantrieb, insbesondere für Elektromagnetventile als Stellglieder für Fluide

Info

Publication number: DE19502671A1
Application number: DE1995102671
Authority: DE
Inventors: Huu-Tri Dr Ing Nguyen; Reinhard Dipl Ing Mauentoebben; Sven Peterson
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1995-01-20
Publication date: 1996-08-01

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnetantrieb, insbesondere für Elektromagnetventile als Stellglieder für Fluide, mit einer Elektromagnetspule und einem Magnetjoch, einem zur Elektromagnetspule zentrischen, festen und einem zentrischen, koaxialen beweglichen Magnetanker, zwischen denen ein veränderlicher Luftspalt besteht, wobei der Verlauf der Anzugskraft des Elektromagneten in Abhängigkeit der Luftspalteinstellung zwischen dem festen und dem beweglichen Magnetanker bei unterschiedlichen Werten des Erregerstroms zusammen mit der Kraftkennlinie einer Biegefeder als Arbeitspunkt der Hubkraftkennlinie des beweglichen Magnetankers festlegbar ist und der bewegliche Magnetanker, an dem der Elektromagnetspule abgewandten Ende eine Ventildichtung trägt, die mit einem Ventilsitz eines Medienleitungsanschlusses zusammenwirkt.

Der eingangs bezeichnete Elektromagnetantrieb ist als Elektromagnetventil bekannt (DE 42 44 444 A1). Mit einem derartigen Elektromagnetventil, das konstruktiv ein wirtschaftlich herstellbares Schaltmagnetventil darstellt, das jedoch als stetigwirkendes Elektromagnetventil arbeiten kann, ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Arbeitspunkten zu schaffen, d. h. das flüssige oder gasförmige Medium in beliebigen Mengen bzw. unterschiedlichen Drücken pro Zeiteinheit strömen zu lassen.

Derartige Elektromagnetantriebe, insbesondere Elektromagnetventile bedürfen jedoch noch der Verbesserung des Stetigverhaltens und der Verringerung der Hysterese des Elektromagneten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen vorzuschlagen, die insbesondere das Stetigverhalten verbessern und weitere Maßnahmen, die der Verringerung der Hysterese gewidmet sind.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß aufgrund des eingangs bezeichneten Elektromagnetantriebs dadurch gelöst, daß eine Kompensation der Strömungskraft des flüssigen oder gasförmigen Mediums mittels einer konischen Außenform des Ventilsitzes und einer Fassung für die Ventildichtung vorgesehen ist, die zwischen sich einen spitzen bis stumpfen Winkel bilden. Dieser Winkel bedeutet eine optimierte Strömungsgeometrie des beweglichen Ankers, so daß eine Kompensation der Strömungskraft, d. h. eine Beseitigung der Störkraft erfolgen kann.

Nach weiteren Merkmalen ist vorgesehen, daß die außen abgeschrägte Fassung mit einem eingelassenen, zylindrischen Dichtungskörper versehen ist. Die Dichtungskraft ist daher immer in Richtung der Anlage des Dichtungskörpers gerichtet.

Vorteilhaft ist außerdem, daß die Fassung für die Ventildichtung in einem Endabschnitt des beweglichen Magnetankers eingelassen ist. Der günstige Strömungswinkel kann hierbei unmittelbar an der Fassung für die Ventildichtung angebracht sein.

In Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Endabschnitt des beweglichen Magnetankers mit einem gegenüber dem Führungsschaft-Durchmesser verminderten Kreis-Querschnitt versehen ist, der als Abschluß einen Flanschring aufweist, auf dessen Innenseite sich an ihrem einen Schraubenfederende eine kegelige Schraubenfeder abstützt, die mit ihrem anderen Schraubenfederende gegen einen Absatz des Ventilgehäuses gestützt ist. Die Ventilfeder nimmt hierbei einen sehr geringen Raum ein und überträgt dennoch entsprechend dem Kegeldurchmesser eine entsprechend geforderte Schließkraft.

Vorteilhaft ist hierbei noch, daß eine Stützfläche für die kegelige Schraubenfeder an einem Innenabsatz einer rohrförmigen Ankerführung für den festen und den beweglichen Magnetanker angeordnet ist. Die rohrförmige Ankerführung ist daher nicht Bestandteil des Ventilgehäuses, sondern kann als einzelner Teil eingebaut werden. Hierbei übernimmt die rohrförmige Ankerführung außen die Anordnung der Elektromagnetspule und innen die Führung der beiden Ankerteile.

Die rohrförmige Ankerführung ist vorteilhafterweise mit einem kurzen Schaft, in dem ein Dichtring angeordnet ist, in das Ventilgehäuse ragend, ausgeführt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß an dem festen Magnetanker ein magnetischer Blindkörper angeordnet ist, der als eine relativ dünne Scheibe ausgebildet ist. Dadurch wird ein künstlicher Luftspalt am Ende des festen Magnetankers geschaffen, der die Ventillebensdauer verbessert.

Die praktische Ausführung kann darin bestehen, daß die relativ dünne Scheibe aus Messing hergestellt ist.

Neben dem erheblichen Preisvorteil gegenüber Stetigventilen mit Proportionalmagneten besteht auch ein denkbar einfacher Fertigungs- und Montageaufwand. Die Verbesserung der Hysterese und Linearität des Ventils durch die Störkraftkompensation (die Strömungskraft wird kompensiert) werden weitere Vorteile erzielt. Der künstliche Luftspalt (durch die Messingscheibe) begrenzt die Biegebelastung der Biegefeder und erhöht damit die Lebensdauer des Ventils erheblich.

Nach weiteren Merkmalen ist vorgesehen, daß die Biegefeder zwischen dem festen und dem beweglichen Magnetanker derart ausgelegt ist, daß sich zusammen mit dem Magnetkennlinienfeld eine definierte Ventilöffnung in Abhängigkeit des Steuerstroms ergibt.

Die Erfindung kann dahingehend weiterentwickelt bzw. ausgenutzt werden, daß eine Kombination aus zwei oder mehreren Elektromagnetventilen durch eine Verbindungsleitung von der Druckseite eines ersten Elektromagnetventils zu der Entlüftungsleitung eines zweiten Elektromagnetventils und durch einen gemeinsamen Anschluß an die Arbeitsleitung und damit ein 3/3-Wege-Regelventil z. B. für die Druckregelung, gebildet ist.

Eine andere Anwendung der Erfindung bzw. Ausnutzung der erfinderischen Eigenschaft besteht darin, daß eine Kombination aus jeweils zwei Elektromagnetventilen zu einem 5/3-Wegeventil durch eine Verbindungsleitung zwischen den Druckseiten und durch jeweils getrennte Arbeitsleitungen von jeweils einem Elektromagnetventilpaar zu einem Verbraucher mit Positionsregelung gebildet ist. Dadurch wird eine Positionsregelung z. B. einer Kolben-Zylinder-Einheit ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen axialen Querschnitt durch einen Elektromagnetantrieb als Elektromagnetventil,

Fig. 2a zwei zu einem 3/3-Druckregelventil zusammengeschaltete Elektromagnetventile der erfindungsgemäßen Bauart,

Fig. 2b die beiden Elektromagnetventile in ihren Schaltfunktionen und

Fig. 3 vier solcher Elektromagnetventile in einer Schaltung eines 5/3-Ventils für die Positionsregelung der Kolben-Zylinder-Einheit.

Der Elektromagnetantrieb kann für alle Einrichtungen, Maschinen und Vorrichtungen eingesetzt werden, bei denen ein Strömungskanal, ein Kontakt, überhaupt ein Abstand zwischen Bauelementen allmählich geschlossen wird, geöffnet wird oder aber auf einen festen Abstand eingestellt und gehalten wird.

Als Anwendungsbeispiel gilt ein Elektromagnetventil 1 als Stellglied für Fluide. Dieses besitzt eine Elektromagnetspule 2 mit Magnetjoch 3, einen zur Elektromagnetspule 2 zentrischen, festen Magnetanker 4, einen zentrischen, koaxialen, beweglichen Magnetanker 5, wobei zwischen dem festen Magnetanker 4 und dem beweglichen Magnetanker 5 ein veränderlicher Luftspalt 6 besteht. Der Verlauf der Anzugskraft des Elektromagneten ist in Abhängigkeit der Luftspalteinstellung zwischen dem festen Magnetanker 4 und dem beweglichen Magnetanker 5 bei unterschiedlichen Werten des Erregerstroms zusammen mit der Kraftkennlinie einer Biegefeder 7 als Arbeitspunkt der Hubkraftkennlinie des beweglichen Magnetankers 5 festlegbar. An dem beweglichen Magnetanker 5 trägt ein an einem der Elektromagnetspule 2 abgewandten Ende 8 angebautes Teil eine Ventildichtung 9, die mit einem Ventilsitz 10 eines Medienanschlusses 11 zusammenarbeitet.

Eine Kompensation der Strömungskraft des flüssigen oder gasförmigen Mediums wird durch eine konische Außenform 12 des Ventilsitzes 10 erzielt. Hierbei ist die Ventildichtung 9 in einer Fassung 13 eingelassen. Die Fassung 13 und der Ventilsitz 10 bilden zwischen ihren Außenflächen einen Winkel alpha, der vorzugsweise noch spitzwinklig ist und wie gezeichnet 90° beträgt. Der Winkel alpha könnte auch noch größer und daher auch stumpfwinklig sein in einem Bereich <90°.

In die außen abgeschrägte Fassung 13 ist ein zylindrischer Dichtungskörper 9a weitestgehend eingelassen, wodurch seine Befestigung gesichert ist. Die Fassung 13 für die Ventildichtung 9 befindet sich in einem Endabschnitt 5a des beweglichen Magnetankers 5. Dieser Endabschnitt 5a des beweglichen Magnetankers 5 besitzt einen gegenüber dem Führungsschaftdurchmesser 5b verminderten Kreisquerschnitt 5c. Ein Abschluß 5d weist einen Flanschring 5e auf, auf dessen Innenseite 5f sich eine Schraubenfeder 14 mit ihrem einen Schraubenfederende 14a abstützt. Mit ihrem anderen Schraubenfederende 14b liegt die Schraubenfeder 14 gegen einen Absatz 15a eines Ventilgehäuses 15 an.

Eine Stützfläche 16 für die kegelige Schraubenfeder 14 kann auch an einem Innenabsatz 17a einer rohrförmigen Ankerführung 17 angeordnet sein (vgl. Fig. 1).

Diese rohrförmige Ankerführung 17 ragt mit einem kurzen Schaft 17b, in dem ein Dichtring 18 angeordnet ist, in das Ventilgehäuse 15.

An dem festen Magnetanker 4 ist ein magnetischer Blindkörper 19 befestigt, der als eine relativ dünne Scheibe 19a ausgebildet ist. Die dünne Scheibe 19a besteht vorzugsweise aus Messing. Über die Dicke dieser Scheibe 19a läßt sich die magnetische Wirkung regulieren.

Die Biegefeder 7 zwischen dem festen Magnetanker 4 und dem beweglichen Magnetanker 5 ist derart ausgelegt, daß sich zusammen mit dem Magnetkennlinienfeld eine definierte Ventilöffnung in Abhängigkeit des eingestellten Steuerstroms ergibt.

Gemäß den Fig. 2a und 2b wird ein 3/3-Wege-Regelventil geschaffen, durch eine Verbindungsleitung 20 von der Druckseite P eines ersten Elektromagnetventils 1 zu der Entlüftungsleitung R eines zweiten Elektromagnetventils 1 und durch einen gemeinsamen Anschluß an die Arbeitsleitung A.

Eine andere Kombination (Fig. 3) aus zumindest zwei Elektromagnetventilen 1 aufgrund einer Verbindungsleitung 21 zwischen den Druckseiten P, bei jeweils von einem Elektromagnetventilpaar 1a ausgehenden, getrennen Arbeitsleitungen A über Anschlußleitungen 22a und 22b zu einem Verbraucher 23, der aus einer Kolben- Zylinder-Einheit 23a besteht, führt zu einer Positionsregelung 24 und zu einem 5/3- Ventil. Von den einzelnen Elektromagnetspulen 2 sind die Kontakte 25 erkennbar.

Bezugszeichenliste

1 Elektromagnetventil
1a Elektromagnetventilpaar
2 Elektromagnetspule
3 Magnetjoch
4 fester Magnetanker
5 beweglicher Magnetanker
5a Endabschnitt
5b Führungsschaftdurchmesser
5c Kreisquerschnitt
5d Abschluß
5e Flanschring
5f Innenseite
6 Luftspalt
7 Biegefeder
8 abgewandtes Ende
9 Ventildichtung
9a Dichtungskörper
10 Ventilsitz
11 Medienanschluß
12 konische Außenform
13 Fassung
14 Schraubenfeder
14a Schraubenfederende
14b Schraubenfederende
15 Ventilgehäuse
15a Absatz
16 Stützfläche
17 rohrförmige Ankerführung
17a Innenabsatz
17b kurzer Schaft
18 Dichtring
19 magnetischer Blindkörper
19a dünne Scheibe
20 Verbindungsleitung
21 Verbindungsleitung
22a Anschlußleitung
22b Anschlußleitung
23 Verbraucher
23a Kolben-Zylinder-Einheit
24 Positionsregelung
25 Kontakte

Claims

1. Elektromagnetantrieb, insbesondere für Elektromagnetventile als Stellglieder für Fluide, mit einer Elektromagnetspule und einem Magnetjoch, einem zur Elektromagnetspule zentrischen, festen und einem zentrischen, koaxialen beweglichen Magnetanker, zwischen denen ein veränderlicher Luftspalt besteht, wobei der Verlauf der Anzugskraft des Elektromagneten in Abhängigkeit der Luftspalteinstellung zwischen dem festen und dem beweglichen Magnetanker bei unterschiedlichen Werten des Erregerstroms zusammen mit der Kraftkennlinie einer Biegefeder als Arbeitspunkt der Hubkraftkennlinie des beweglichen Magnetankers festlegbar ist und der bewegliche Magnetanker, an dem der Elektromagnetspule abgewandten Ende eine Ventildichtung trägt, die mit einem Ventilsitz eines Medienleitungsanschlusses zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensation der Strömungskraft des flüssigen oder gasförmigen Mediums mittels einer konischen Außenform (11) des Ventilsitzes (10) und einer Fassung (13) für die Ventildichtung (9) vorgesehen ist, die zwischen sich einen spitzen bis stumpfen Winkel (alpha) bilden.

2. Elektromagnetantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die außen abgeschrägte Fassung (13) mit einem eingelassenen, zylindrischen Dichtungskörper (9a) versehen ist.

3. Elektromagnetantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (13) für die Ventildichtung (9) in einem Endabschnitt (5a) des beweglichen Magnetankers (5) eingelassen ist.

4. Elektromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (5a) des beweglichen Magnetankers (5) mit einem gegenüber dem Führungsschaftdurchmesser (5b) verminderten Kreis-Querschnitt (5c) versehen ist, der als Abschluß (5d) einen Flanschring (5e) aufweist, auf dessen Innenseite (5f) sich an ihrem einen Schraubenfederende (14a) eine kegelige Schraubenfeder (14) abstützt, die mit ihrem anderen Schraubenfederende (14b) gegen einen Absatz (15a) des Ventilgehäuses (15) gestützt ist.

5. Elektromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stützfläche (16) für die kegelige Schraubenfeder (14) an einem Innenabsatz (17a) einer rohrförmigen Ankerführung (17) für den festen Magnetanker (4) und den beweglichen Magnetanker (5) angeordnet ist.

6. Elektromagnetantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Ankerführung (17) mit einem kurzen Schaft (17b), in dem ein Dichtring (18) angeordnet ist, in das Ventilgehäuse (15) ragt.

7. Elektromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem festen Magnetanker (4) ein magnetischer Blindkörper (19) angeordnet ist, der als eine relativ dünne Scheibe (19a) ausgebildet ist.

8. Elektromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ dünne Scheibe (19a) aus Messing hergestellt ist.

9. Elektromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (7) zwischen dem festen Magnetanler (4) und dem beweglichen Magnetanker (5) derart ausgelegt ist, daß sich zusammen mit dem Magnetkennlinienfeld eine definierte Ventilöffnung in Abhängigkeit des Steuerstroms ergibt.

10. Elektromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus zwei oder mehreren Elektromagnetventilen (1; 1a) durch eine Verbindungsleitung (20) von der Druckseite (P) eines ersten Elektromagnetventils (1) zu der Entlüftungsleitung (R) eines zweiten Elektromagnetventils (1) und durch einen gemeinsamen Anschluß an die Arbeitsleitung (A) und damit ein 3/3-Wege-Regelventil gebildet ist.

11. Elektromagnetantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus jeweils zwei Elektromagnetventilen (1) zu einem 5/3- Wegeventil durch eine Verbindungsleitung (21) zwischen den Druckseiten (P) und durch jeweils getrennte Arbeitsleitungen (A) von jeweils einem Elektromagnetventilpaar (1a) zu einem Verbraucher (23) mit Positionsregelung (24) gebildet ist.