DE19705598A1 - Elektromechanischer Doppelhubmagnet - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektromechanischen Doppelhubmagnet nach der Gattung des Anspruchs 1.

Es ist schon ein solcher elektromechanischer Doppelhubmagnet aus der DE 42 08 367 A1 bekannt, bei dem ein in einem Druckrohr angeordneter Anker aus einer zentrierten Mittelstellung in beide Richtungen auslenkbar ist. Obwohl sich dieser Doppelhubmagnet für viele Einsatzfälle eignet, ist es doch in manchen Anwendungsfällen ungünstig, daß er nur eine einzige Funktion ausübt, nämlich eine translatorische Bewegung. Um hier eine zusätzliche Funktionalität zu erreichen, wie dies insbesondere in Zusammenhang mit dem Failsafe-Verhalten gewünscht wird, muß ein zusätzlicher elektromagnetischer Antrieb oder ein geeigneter Steller verwendet werden. Dies führt zu erheblichen Mehrkosten und zu einer aufwendigeren Bauweise, da eine zweite elektrische Achse angesteuert werden muß.

Aus der DE 35 07 278 A1 ist eine elektromagnetische Stelleinrichtung bekannt, die zum Erreichen zweier Funktionen zwei elektrische Achsen aufweist. Während ein Proportionalmagnet die Längsbewegung eines Ventilschiebers steuert, ist zur Erzeugung einer Drehwegung am Ventilschieber ein zusätzlicher Schaltmagnet vorgesehen, dessen Hubbewegung über ein mechanisches Getriebe in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Für diese erhöhte Funktionalität ist durch die zweite elektrische Achse und den gesonderten Bewegungswandler ein relativ hoher Aufwand hinsichtlich Bauraum und Kosten erforderlich. In vielen Fällen steht der in Längsrichtung erforderliche Bauraum nicht zur Verfügung; der vom Hubmagneten getrennte Bewegungswandler erhöht auch den Montageaufwand und führt zu einer ungünstigen Hysterese.

Ferner ist aus der CH-PS 34 538 eine elektromagnetische Stelleinrichtung bekannt, bei der ein Drehmagnet und ein längsbeweglicher Hubmagnet so miteinander kombiniert sind, daß der gemeinsame Anker eine Dreh-Längsbewegung ausführen kann. Nachteilig bei dieser Stelleinrichtung ist, daß hier ein durch eine Spule geführter, beweglicher Stößel einen scheibenförmigen Hubanker sowie einen stabförmigen Drehanker trägt, die beide auf entgegengesetzten Seiten der Spule angeordnet sind. Auch diese Stelleinrichtung baut in axialer Richtung lang. Vor allem aber eignet sich diese Bauweise nicht für die Funktion eines Doppelhubmagneten. Weiterhin ist bei dieser Bauart ungünstig, daß sie keine druckdichte Ausführung ermöglicht und sich somit schlecht für die Ventiltechnik mit druckmittelgefüllten Räumen eignet.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektromechanische Doppelhubmagnet mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er bei einfacher und kompakter Bauweise eine erhöhte Funktionalität erreicht, indem neben einer doppeltwirkenden Hubbewegung eine zusätzliche Drehbewegung erzeugt wird. Diese zusätzliche Funktion läßt sich mit einer einzigen elektrischen Achse bedienen. Der Doppelhubmagnet läßt sich in äußerst kostengünstiger Bauweise realisieren, wobei bereits vorhandene Bauelemente weitgehend verwendbar sind. Besonders vorteilhaft ist ferner, daß für die zusätzliche Funktion der Drehbewegung stets der volle Magnetfluß herangezogen wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Doppelhubmagneten möglich. So ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2, wodurch das bisherige Druckrohr unverändert beibehalten werden kann. Die Statorpole und die Ankerpole können in besonders einfacher und kostengünstiger Weise an der flußleitenden Mittelscheibe bzw. in der Mantelfläche des Ankers eingearbeitet werden, wodurch auch die Größe der Drehbewegung an die geforderten Bedürfnisse anpaßbar ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen elektromechanischen Doppelhubmagneten in vereinfachter Darstellung und Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt nach II-II in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen elektromechanischen Doppelhubmagnet 10, der im wesentlichen aus einem doppeltwirkenden Proportionalmagneten 11 und einem Wegmeßsystem 12 besteht, die in einem gemeinsamen Gehäuse 13 aus magnetisch leitendem Material angeordnet sind. Das Gehäuse weist eine ventilseitige, erste Stirnfläche 14 auf, an der in an sich bekannter Weise z. B. ein nicht näher gezeichnetes Proportionalventil angebaut werden kann.

Im Gehäuse 13 verläuft ausgehend von der ventilseitigen Stirnfläche 14 in Längsrichtung eine durchgehende Hohlbohrung 15 zu einer entgegengesetzt liegenden, ventilabgewandten, zweiten Stirnfläche 16. Diese Hohlbohrung 15 ist mehrfach abgesetzt und bildet einen zur ventilseitigen Stirnfläche 14 hin offenen, ersten Abschnitt 17 mit größerem Durchmesser, welcher u. a. zwei elektromagnetische Spulen 18 bzw. 19 des Proportionalmagneten 11 aufnimmt. An den ersten Abschnitt 17 schließt sich in der Hohlbohrung 15 ein zweiter Abschnitt 20 mit kleinerem Durchmesser an, in dem ein Druckrohr 21 des Doppelhubmagneten 10 geführt und gelagert ist. Der zweite Abschnitt 20 der Hohlbohrung 15 geht in einen dritten Abschnitt 22 mit größerem Durchmesser über, der zur zweiten Stirnfläche 16 hin offen ist.

Das in die abgesetzte Hohlbohrung 15 eingesetzte Druckrohr 21 besteht aus mehreren Einzelteilen, die so zusammengesteckt, miteinander verlötet und anschließend bearbeitet sind, daß das Druckrohr 21 nach seiner Bearbeitung ein einstückiges Bauelement ergibt. Das einstückige Druckrohr 21 besteht deshalb im wesentlichen aus einem mehrgliedrigen Ankerrohr 23 und einem damit fest verbundenen, eingliedrigen Aufnehmerrohr 24 mit kleinerem Durchmesser.

Bei dem Ankerrohr 23 mit gegenüber dem Aufnehmerrohr 24 größerem Durchmesser sind zwischen einem außenliegenden Druckrohrstück 25 und einem innenliegenden Druckrohrteil 26 zwei hülsenförmige Druckrohrstücke 27, 28 angeordnet, zwischen denen ein hohlzylindrisches Mittelstück 29 liegt. Während die beiden Zwischenstücke 27, 28 aus magnetisch nicht leitendem Material bestehen, sind das Druckrohrstück 25, das Druckrohrteil 26 sowie das Mittelstück 29 aus magnetisch leitendem Material hergestellt. Das Druckrohrstück 25 kann daher in seinem hohlzylindrischen Bereich als Polschuh 31 arbeiten, während das Druckrohrteil 26 einen entsprechenden Polschuh 32 bildet, die jeweils mit einem im Ankerrohr 23 angeordneten Anker 33 zusammenarbeiten. Das Druckrohrstück 25 weist dabei einen nach außen kragenden Ringflansch 34 auf, mit dem das Druckrohr 21 im ersten Abschnitt 17 der Hohlbohrung 15 geführt ist, während andererseits das Druckrohrteil 26 an seinem Außenumfang im Bereich des zweiten Abschnitts 19 der Hohlbohrung 15 geführt ist.

Am Außenumfang des Druckrohrs 21 sind in dem ringförmigen Raum, der zwischen dem ersten Abschnitt 17 der Hohlbohrung 15 und dem Ankerrohr 23 liegt, die beiden elektromagnetischen Spulen 18, 19 angeordnet. Beide Spulen sind untereinander gleich ausgebildet, liegen konzentrisch zueinander und sind hintereinander auf dem Ankerrohr 23 angeordnet, wobei sie voneinander durch eine Mittelscheibe 35 aus magnetflußleitendem Material getrennt sind, die sich radial zwischen der Innenwand des Gehäuses 13 und dem Außendurchmesser des Mittelstücks 29 erstreckt.

Der Anker 33 ist mit Hilfe eines Stößels 36 zweifach gelagert. Der durch das Druckrohrstück 25 nach außen ragende Teil des Stößels 36 bildet eine erste Lagerstelle 37 in einem Magnetkern 38, der in das Druckrohrstück 25 von der ersten Stirnfläche 14 her eingesetzt ist. Ein entgegengesetzt liegendes Ende 39 des Stößels 36 ist in einer zweiten Lagerstelle 41 geführt, die im Druckrohrteil 26 ausgebildet ist. Angrenzend an die zweite Lagerstelle ist im Druckrohrteil 26 das Aufnehmerrohr 24 dicht befestigt, das in seinem Innern einen mit dem Stößel 26 wirkverbundenen Ferritkern 42 aufnimmt. Außen auf dem Aufnehmerrohr 24 sind die Aufnehmerspulen 43 angeordnet, die von einer schützenden Ummantelung 44 umgeben sind. Der Ferritkern 42 und die Aufnehmerspulen 43 sind in an sich bekannter Weise Teile des Wegmeßsystems 12. Ein in dem dritten Abschnitt 22 eingesetzter Deckel 45 schützt das Wegmeßsystem 12 im Gehäuse 13 nach außen.

An dem auf der Stirnseite 14 herausragen Stößel 36 ist eine Federeinrichtung 46 angeordnet, deren Feder 47 im Zusammenhang mit einem angebauten Aggregat den Anker 33 in der gezeichneten Mittellage hält. Dabei kann die Feder 47 zusätzlich noch so ausgebildet werden, daß sie den Anker 33 in Bezug auf seine Drehwinkellage in einer Ausgangsstellung hält.

Wie die Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 2 näher zeigt, sind an dem kreisringförmigen Innenrand 48, mit dem die Mittelscheibe 35 auf dem Ankerrohr 23 geführt ist, gleichmäßig längs des Umfangs verteilte Aussparungen 49 angeordnet, wodurch in der Mittelscheibe 35 gehäusefeste Statorpole 51 ausgebildet sind. Die vier Statorpole 51 sind gleichmäßig über den Umfang verteilt und erstrecken sich jeweils über den gleichen Drehwinkel. In entsprechender Weise sind im Anker 33 in seiner Mantelfläche 52 gleichmäßig über den Umfang verteilte Ausnehmungen 53 angeordnet, so daß zwischen ihnen entsprechende vier Ankerpole 54 gebildet sind. Die Ausnehmungen 53 und damit auch die Ankerpole 54 erstrecken sich in axialer Längsrichtung über einen Bereich im Anker 33, der während des Betriebs des Doppelhubmagneten 10 unter die Mittelscheibe 35 zu liegen kommt. Die Anzahl der Ankerpole 54 gleicht derjenigen der Statorpole 51, wobei sie sich in Drehrichtung gesehen im wesentlichen über den gleichen Drehwinkel erstrecken.

Die Federeinrichtung 46 kann vorzugsweise so ausgeführt werden, daß deren Feder 47 den Anker 33 in Bezug auf seine Drehlage in der in Fig. 2 dargestellten Ausgangslage zentriert, in welcher die Statorpole 51 und die Ankerpole 54 in Drehrichtung gesehen versetzt zueinander liegen.

Die Wirkungsweise des Doppelhubmagneten 10 entspricht hinsichtlich seiner axialen Hubbewegung grundsätzlich der Funktion vorbekannter Doppelhubmagneten, so daß nur kurz darauf eingegangen wird. Beim Doppelhubmagnet 10 wird der Anker 33 mit Hilfe der beiden Spulen 18, 19 mit zwei voneinander getrennten magnetischen Kreisen beaufschlagt, die jeweils eine Kraft in den Arbeitsluftspalten erzeugen.

Dabei werden die beiden Spulen 18, 19 von ihren Steuerströmen gegensinnig durchflossen, so daß auch diese beiden Kräfte gegeneinander gerichtet sind. In der gezeichneten Mittelstellung bei erregten Spulen 18, 19 fließt jeweils der halbe Nennstrom, um eine entsprechende Vormagnetisierung der Spulen 18, 19 zu erreichen. Die hierbei entgegengesetzt auf den Anker 33 wirkenden Kräfte halten ihn in der gezeichneten Mittelstellung.

Zur Erzeugung einer axialen Stellkraft wird im Gegentakt der Steuerstrom in der einen Spule 18, 19 gesenkt, während er in der anderen Spule 19 bzw. 18 erhöht wird. Dies bedeutet für den magnetischen Fluß in der Mittelscheibe 35, daß er unabhängig von der Ansteuerung während der Betriebszeit nahezu konstant bleibt. Der Magnetfluß verschwindet erst, wenn die Steuerströme über die Spulen 18, 19 abgeschaltet werden. Dieser Sachverhalt wird nun zur Unterscheidung eines Failsafe-Falls, bei dem kein Steuerstrom über die Spulen vorliegt, gegenüber einem Betriebsfall, bei dem Spulenströme in gleichen oder unterschiedlichem Verhältnis vorliegen, ausgenutzt, wobei das Vorliegen von Spulenströmen in ein Drehmoment umgesetzt wird. In Abhängigkeit von der Bestromung der beiden Spulen 18, 19 wird somit ein Drehmoment in einer Richtung 55 erzeugt, das eine rotatorische Verstellung des Ankers 33 bewirkt. Die Fig. 2 zeigt dabei den Anker 33 in seiner rotatorischen Ausgangslage, die er bei stromlosem Zustand beispielsweise durch die Einwirkung einer Drehfeder einnimmt, deren Funktion von der Feder 47 mit übernommen wird. Dies ergibt eine sogenannte Failsafe-Stellung.

Werden die Spulen 18, 19 bestromt, wie dies im Betriebsfall vorgesehen ist, so fließt zwischen Anker 33 und Mittelscheibe 35 durch das Druckrohr 21 hindurch ein magnetischer Fluß. Durch die relative Drehlage der Ankerpole 54 zu den gehäusefesten Statorpolen 51 zueinander ergibt sich ein Drehmoment in der gezeigten Pfeilrichtung 55, wodurch der Anker 33 eine Drehbewegung ausführt, bis sich die Ankerpole 54 und die Statorpole 51 genau gegenüberstehen. Die damit erzeugte Drehbewegung kann, wie dies im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben ist,, dazu genutzt werden, mit Hilfe eines Ventilschiebers und einer angepaßten Steuergeometrie am Ventilschieber und an der Ventilhülse eine zusätzliche Funktionalität zu erzielen. Beim Abschalten der Steuerströme durch die Spulen 18, 19, also auch im Failsafe-Fall, wird der Anker 33 durch die Rückstellkraft der Feder 47 in seine in Fig. 2 gezeichnete Ausgangslage zurückgestellt.

Die zusätzliche Funktionalität des Doppelhubmagneten 10, der in Abhängigkeit von der Bestromung der beiden Spulen 18, 19 ein Drehmoment erzeugt, das zur rotatorischen Verstellung benutzt wird, kann auch in anderer Weise eingesetzt werden. So läßt sich zwischen dem Doppelhubmagnet 10 und einem zugeordneten Regelventil ein zusätzliches Ventil anordnen, das die Drehbewegung des Doppelhubmagneten 10 so auswertet, daß ein hydraulisches Zusatzsignal - das auch als sogenanntes "Enable-Signal" bezeichnet wird - entsteht, zum Beispiel Systemdruck bei bestromten Spulen, Rücklaufdruck bei nicht bestromten Spulen, welches an die Flanschfläche des Regelventils geführt wird und von dort zum Beispiel an ein hydraulisches Sperrventil weitergeleitet wird.

Selbstverständlich sind Änderungen an der gezeigten Ausführungsform möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So läßt sich die Form und die Anzahl der Aussparungen bzw. der Pole nach Bedarf ändern. Auch die rotatorische Rückstellkraft durch die Drehfeder kann in anderer Weise ausgebildet und angeordnet werden. Ebenso sind Änderungen an der Bauweise des Druckrohrs 21 möglich. Auch kann anstelle eines Druckrohrs ein im wesentlichen rohrförmiger Körper für den Aufbau des Doppelhubmagneten verwendet werden, der keine druckdichte Funktion übernimmt. Der Doppelhubmagnet mit seiner erhöhten Funktionalität ist vielseitig anwendbar, z. B. auch zur Verstellung von elektrohydraulisch verstellbaren Radialkolbenpumpen.

Claims (9)

1. Elektromechanischer Doppelhubmagnet, insbesondere zur Betätigung eines Ventilschiebers, mit zwei zueinander konzentrisch liegenden, elektrischen Spulen, die in einem Gehäuse nebeneinander auf einem im wesentlichen rohrförmigen Körper angeordnet und durch eine magnetflußleitende Mittelscheibe voneinander getrennt sind, wobei der Körper in seinem Inneren einen axial beweglich und gleitend geführten Anker aufnimmt, der durch stirnseitig bzw. endseitig gelegene Arbeitsluftspalte von gehäusefesten Polschuhen getrennt ist und dem mindestens ein einen Polschuh durchdringender Stößel zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer durch die Mittelscheibe (35) gebildeten, radialen Ebene durch sich in Drehrichtung erstreckende Aussparungen (49) gehäusefeste Statorpole (51) ausgebildet sind und daß am Anker (33) in dieser Ebene durch sich in Umfangsrichtung erstreckende Ausnehmungen (53) Ankerpole (54) ausgebildet sind, die den Statorpolen (51) zugeordnet sind.

2. Elektromechanischer Doppelhubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper ein die fluidische Seite von der elektrischen Seite trennendes Druckrohr (21) ist und die Aussparungen (49) zur Bildung der Statorpole (51) in der vom Druckrohr (21) getrennten Mittelscheibe (35) liegen, insbesondere an deren innerem Durchmesser (48).

3. Elektromechanischer Doppelhubmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmungen (53) im Anker (33) in axialer Richtung über denjenigen Hubbereich erstrecken, der im Betrieb unter die Mittelscheibe (35) zu liegen kommt.

4. Elektromechanischer Doppelhubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Statorpole (51) und die Ankerpole (54) jeweils im wesentlichen über gleiche Drehwinkel erstrecken.

5. Elektromechanischer Doppelhubmagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Statorpole (51) und der Ankerpole (54) gleich groß ist und mindestens zwei beträgt.

6. Elektromechanischer Doppelhubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (33) mit seinem Stößel (36) beidseitig gehäusefest gelagert ist, insbesondere in den beiden Polschuhen (38, 26).

7. Elektromechanischer Doppelhubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Anker (33) ein Wegmeßsystem (12) zugeordnet ist.

8. Elektromechanischer Doppelhubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Anker (33) in seiner Mittelstellung zentrierende Federeinrichtung (46) vorgesehen ist.

9. Elektromechanischer Doppelhubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Anker (33) in seine Ausgangs-Drehlage rückstellende Feder (47) vorgesehen ist.