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Elektromagnetische Pumpe Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische
Pumpe mit einer Magnetspule, deren zentrischer Hohlraum mit von beiden Enden her
eingreifenden, Axialbohrungen aufweisenden ersten und zweiten Magnetkernstücken
versehen ist, die voneinander getrennt und gegebenenfalls durch unmagnetisches Material
verbunden sind, mit einem in der Achse der Magnetspule zwischen einem Saug- und
einem Druckventil angeordneten Pumpraum, und mit einem eine Axialbohrung aufweisenden
Anker, der sich aus einer Ruhelage unter Veränderung des Volumens des Pumpraums
gegen die Kraft einer Ankerfeder in einen dem Querschnitt des Ankers entsprechenden
Hohlraum des ersten Magnetkernstücks verschiebt.
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Eine bekannte derartige Pumpe mit axialem Durchgang weist eine von
einem magnetisierbaren Gehäuse umgebene Spule auf. Die beiden Magnetkernstücke sind
Rohrabschnitte, mit ihren Durchmesser übersteigender axialer Länge; sie greifen
von beiden Seiten her in den zentrischen Spulenhohlraum ein und sind durch einen
Luftspalt oder einen Verbindungsabschnitt aus nicht magnetisierbarem Material voneinander
getrennt. Der Tauchanker wird durch eine Zug- und Druckfeder, die an je einem Einsatz
des ersten Magnetkernstücks und des Ankers angreift, in einer Ruhelage gehalten,
in der die Stirnfläche des Ankers einen gewissen Abstand von der Stirnkante des
rohrförmigen ersten Magnetkernstücks hat. Bei Erregung des Elektromagneten durch
Gleichstromimpulse wird der
Anker in das erste Magnetkernstück hineingezogen
und bei Entregung durch die Feder zurückgedrückt. Ein Pumpraum befindet sich an
dem dem ersten Magnetkernstück abgewandten Ende. Er wird durch ein im Anker befestigtes
Saugventil und durch ein im zweiten Magnetkernstück befestigtes Druckventil begrenzt,
die beide als konische Lippenventile ausgebildet sind.
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Bei derartigen Pumpen hängt die Magnetkraft und damit die Zusammendrückung
der Ankerfeder, insgesamt also der Ankerhub, in erheblichem Umfang von der angelegten
Spannung ab. Eine Spannungsänderung von 10 96 kann zu einer Hubänderung von 100
/% fUhren. Mehr- oder Minderspannungen von 10 - 20 96 sind aber in der Praxis in
Kauf zu nehmen.
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Es gibt auch Magnetpumpen, bei denen der Anker eine Membran oder dergleichen
betätigt und mit seiner Stirnfläche einer Stirnfläche eines als Stopfen ausgebildeten
ersten Magnetkernstücks gegenübersteht. Hier bildet das Magnetkernstück einen Anschlag,
der einen Uberhub verhindert. Dies führt aber zu Geräuschen und zu Schwierigkeiten
bei der Rückholbewegung des Ankers.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische
Pumpe der eingangs beschriebenen Art, also mit axialem Durchfluß anzugeben, deren
Förderleistung in einem erheblichen Bereich unabhängig von der Versorgungsspannung
ist und die geräuscharm arbeitet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stirnfläche
des Ankers in dessen Ruhelage etwa mit der fluchtet äußeren Stirnkante des ersten
MagnetRernstucKs/ouer Kurz davor liegt und der Hohlraum eine durch eine innere Stirnfläche
begrenzte Vertiefung von geringer axialer Länge ist.
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Bei dieser Konstruktion ergibt sich bei normaler Erregung des Magneten
ein Maximum der Magnetkraft im Bereich derjenigen Lage, in der die Ankerstirnfläche
mit der Stirnkante des ersten Magnetkernstücks fluchtet. Mit dieser großen Kraft
wird der Anker aus seiner Ruhelage in die Vertiefung hineingezogen.
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Bei weiterer Bewegung des Ankers nimmt die Magnetkraft bis zu einem
Minimum ab und steigt dann bei Annäherung des Ankers an die-innere Stirnfläche des
ersten Magnetkernstücks wieder an.
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Es hat sich gezeigt, daß die Kraft-Weg-Kurven für den in die Vertiefung
eingetauchten Anker praktisch unabhängig von den in Kauf zu nehmenden Schwankungen
der Versorgungsspannung ist. Wird das Pumpensystem für eine bestimmte Versorgungsspannung,
vorzugsweise die minimale Spannung, einjustiert, bleiben auch bei Spannungsänderungen
die Verhältnisse bezüglich der Fördermenge, der Öffnungszeiten der Ventile, des
Ventilhubs u. dgl. unverändert. Die Vertiefung hat eine geringe axiale Länge, die
insbesondere weniger als den Durchmesser, vorzugsweise weniger als den Radius der
Vertiefung ausmacht und auch noch kleiner sein kann, wobei sie den gewünschten Hub
nur geringfügig zu überschreiten braucht. Trotzdem kann eine Geräuschbildung wirksam
unterdrückt werden. Denn der Anker bewegt sich wegen der längs des absteigenden
Astes der Kraft-Weg-Kurve abnehmenden Magnetkraft zunehmend langsamer. Durch entsprechende
Bemessung und Einstellung der Ankerfeder, durch Beendigung der Erregung o. dgl.
läßt sich sicherstellen, daß der Anker noch vor Erreichen des Kraftminimums, spätestens
aber im Bereich dieses Minimums, zum Stillstand kommt und dann von der Ankerfeder
wieder zurückgeführt wird.
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Mit besonderem Vorteil ist der äußeren Stirnkante des ersten Magnetkernstücks
eine Abschrägung vorgeschaltet. Hierdurch läßt sich ein bestimmter Kraftverlauf
vor dem Eintritt des Ankers in die Vertiefung vorgeben. Insbesondere sollte die
Stirnfläche des Ankers in dessen Ruhelage im Bereich der Abschrägung angeordnet
sein.
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Des weiteren kann die Ruhelage des Ankers durch eine Einstellvorrichtung
für die Ankerfeder justierbar sein. Diese Justierung erlaubt es, optimale Verhältnisse
bezüglich Hub, Magnetkraft, Geräuschbildung, Federwirkung einzustellen. Die Einstellung
geschieht vorzugsweise bei minimaler Spannung.
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Mit besonderem Vorteil wird der Elektromagnet mit im Einweg gleichgerichteten
Wechselstromhalbwellen gespeist und das System ist so ausgelegt, daß die Halbwelle
endet, wenn der Anker eine dem unteren Teil der Abstiegsflanke der Kraft-Weg-Kurve
entsprechende Lage hat. Der Anker wird daher in jeder zweiten Halbwelle angezogen,
erreicht am Ende dieser Halbwelle seinen Endhub, der von der angelegten Spannung
praktisch unabhängig ist und wird in der zweiten Halbperiode von der Ankerfeder
zurückgeführt.
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Ein weiterer Vorteil der Vertiefung von geringer axialer Länge ist
es, daß die Pumpe axial kurz gebaut werden kann. Dieser Vorteil kann noch weiter
ausgebaut werden, wenn die Vertiefung Teil des Pumpraumes ist. Außerdem ergibt sich
auf diese Weise ein vergleichsweise hoher Förderdruck.
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Des weiteren können dem Verschlußstück des Saugventils und des Druckventils
je eine eigene Feder zugeordnet sein, die gegebenenfalls für sich einstellbar sind.
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Des weiteren kann im ersten Magnetkernstück das Druckventil angeordnet
sein, das als Verschlußstück eine federbelastete Kugel aufweist. Hierbei kann die
Druckventilfeder sich an einer durchbohrten, in das erste Magnetkernstück eingeschraubten
Stützschraube abstützen. Auch hierbei wird für das gesamte Druckventil ein bereits
vorhandener Platz ausgenutzt, der außerdem von außen leicht zugänglich ist, um die
Druckventilfeder mittels der Stützschraube zu verstellen.
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Sodann empfiehlt es sich, im Anker das Saugventil anzuordnen, das
als Verschluß stück eine federbelastete Kugel aufweist.
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Hierbei kann der Anker eine gestufte Axialbohrung aufweisen, deren
Durchmesser sich, vom Pumpraum aus gesehen, vergrößert, wobei der größte Abschnitt
der Axialbohrung eine den Saugentilsitz tragende Stützschraube aufnimmt und die
Saugventilfeder an einer Stufe der Axialbohrung bzw. einem in der Stützschraube
gehaltenen Ring abgestützt ist. Auch hierbei wird für das Saugventil einschließlich
seiner Feder ein bereits vorhandener Platz ausgenutzt.
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Wenn das erste Magnetkernstück einen Flansch zur Abstützung am Spulengehäuse
aufweist, das mit dem ersten Magnetkernstück verbundene zweite Magnetkernstück ein
am anderen Ende aus dem Spulengehäuse herausragendes Gewinde trägt und auf dieses
eine mit Flansch zur Abstützung am Spulengehäuse versehene Gegenmutter aufgeschraubt
ist, empfiehlt es sich, daß in eine Gewindebohrung der Gegenmutter eine die Ankerfeder
haltende Einstellvorrichtung in Form einer Stütz schraube eingeschraubt ist. Diese
Stützschraube ist von außen bequem zugänglich, um die Ankerfeder verstellen zu können.
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Zweckmäßigerweise ist die Ankerfeder eine auf Druck und Zug belastete
Feder, die mit ihrem anderen Ende an der Stützschraube für den Saugventilsitz angreift.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dafür gesorgt,
daß das erste Magnetkernstück an seinem das Spulengehäuse durchsetzenden Teil eine
von der Kreisform abweichende Form und das Spulengehäuse einen entsprechenden Ausschnitt
hat. Dies erlaubt es, das erste Magnetkernstück und gegebenenfalls die damit verbundenen
Teile drehfest im Spulengehäuse zu montieren.
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Des weiteren können zur Vibrationsdämpfung zwei 0-Ringe an beiden
Stirnseiten des Spulengehäuses vorgesehen sein, die das erste Magnetkernstück bzw.
die dem zweiten Magnetkernstück zugeordnete Gegenmutter umgreifen. Man kann dann
die gesamte Pumpe einfach zwischen zwei Platten festklemmen, welche je
eine
Begrenzungswand des Saug- und des Druckraumes der Pumpe bilden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch
eine elektromagnetische Pumpe, Fig. 2 ein Kraft-Weg-Diagramm der Magnetkraft über
dem Ankerhub und Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel.
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Eine Magnetspule 1 ist auf einen Isolierkörper 2 gewickelt und von
einem aus einem U-förmigen Blech 3 und einer Platte 4 bestehenden Gehäuse aus magnetisierbarem
Material umgeben. Die Spule wird mit im Einweg gleichgerichteten Wechselstrom betrieben,
kann aber auch mit Gleichstromimpulsen erregt werden.
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In den zentrischen Hohlraum 5 der Magnetspule ist von der einen Seite
her ein erstes Magnetkernstück 6 mit einem Flansch 7 eingeschoben, das mittels einer
Hülse 8 aus nicht magnetisierbarem Material mit einem zweiten Magnetkernstück 9,
z. B.
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durch Silberlötung, verbunden ist. Dieses zweite Magnetkernstück 9
trägt am unteren Ende ein Gewinde, auf welches eine Gegenmutter 10 mit einem Flansch
11 aufgeschraubt ist. Demzufolge können die Teile 6, 8 und 9 von der einen Seite
her in den zentrischen Hohlraum 5 eingeschoben und in dieser Lage mittels der Gegenmutter
10 gesichert werden.
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Im Inneren des zweiten Magnetkernstücks 9 ist ein Anker 12 angeordnet,
der eine Stirnfläche 13 aufweist, die in der veranschaulichten Ruhestellung etwas
unter der äußeren Stirnkante 14 des ersten Magnetkernstücks 6 liegt. An diese Stirnkante
14 schließt sich eine Vertiefung 15 im ersten Magnetkernstück
6
an, die durch eine innere Stirnfläche 16 abgeschlossen ist. Demzufolge bleibt rings
um diese Vertiefung 15 ein zylindrischer Steg 17 stehen.
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Das erste Nagnetkernstück 6 weist einen Axialkanal 18, einen daran
anschließenden Druckventilsitz 19 und in einer anschliessenden Erweiterung 20 ein
Gewinde 21 auf. Das Druckventil-Verschlußstück ist eine Kugel 22, die durch eine
Druckventilfeder 23 belastet ist. Letztere stützt sich an einer Stützschraube 24
ab, die in das Gewinde 21 eingeschraubt ist, einen Axialkanal 25 und einen Innensechskant
26 aufweist. Zusätzlich kann diese Schraube noch einen Reibungskörper 24a zur Drehsicherung
aufweisen.
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Der Anker 12 hat eine Axialbohrung mit drei Abschnitten 27, 28 und
29, deren Durchmess, von der Vertiefung 15 aus gesehen, größer wird. Der zweite
Abschnitt 28 nimmt eine Saugventilfeder 30 auf. Der dritte Abschnitt 29 ist mit
Gewinde 31 versehen und nimmt eine Stütz schraube 32 sowie eine als Druck- und Zugfeder
wirkende Ankerfeder 33 auf. In der Stützschraube 32 ist ein Ventilsitz 34 für das
als Kugel 35 ausgebildete Verschlußstück des Saugventils vorgesehen. Außerdem ist
eine Axialbohrung 36 und ein Innensechskant 37 zur Verstellung vorhanden.
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Die Ankerfeder 33 ist einerseits an einer Außenfassung 38 der Stützschraube
32 und andererseits an einer Fassung 39 einer weiteren Stützschraube 40 gehalten,
die in ein Innengewinde 41 eines Axialkanals 42 der Gegenmutter 10 geschraubt ist.
Die Stützschraube 40 besitzt ihrerseits einen Axialkanal 43, einen Innensechskant
44 und gegebenenfalls einen Reibungskörper 45 -zur Drehsicherung. Den Umfang des
ersten Magnetkernstücks 6 umgibt ein auf der Oberseite des U-förmigen Bleches 3
aufliegender 0-Ring 46, den Umfang der Gegenmutter 10 umgibt ein auf dem Flansch
11 aufliegender O-Ring 47. Eine obere Platte 48, die einen Teil des Druckraums begrenzt
und eine untere Platte 49, die einen Teil des Saugraums begrenzt, liegen mit Umfangsflanschen
50 bzw. 51 an diesen O-Ringen 46 und 47 an. Durch
Festspannen der
Platten 48 und 49 gegeninander wird nicht nur die Pumpe gehalten, sondern auch ihr
elektrischer Teil gegenüber der zu fördernden Flüssigkeit abgedichtet.
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In Fig. 2 ist die Magnetkraft F über dem Hub s dargestellt.
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Die Linie L14 bedeutet die Lage der äußeren Stirnkante 14, die Linie
L13 die Ruhelage der Stirnfläche 13 des Ankers. Die Abszisse entspricht der Stirnfläche
16 der Vertiefung. Betrachtet man eine Kurve in Hubrichtung, so erkennt man, daß
diese bis zu einem Maximum Max, das im Bereich der Linie L14 liegt, ansteigt, dann
längs eines absteigendes Astes B zu einem Minimum Min abfällt und schließlich zur
Stirnfläche 16 hin wieder ansteigt. In dem Diagramm sind die Kurven für drei verschiedene
Spannungen eingetragen, nämlich für die Nennspannung von 220 V, eine zehnprozentige
Überspannung von 242V und eine fünfzehnprozentige Unterspannung von 187V. Man erkennt,
daß sich die kurven im Bereich des absteigenden Astes B und noch über das Minimum
hinaus praktisch decken. Spannungsvariationen spielen daher für die magnetischen
Kraftverhältnisse in diesem Bereich keine Rolle.
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Der etwas vor der äußeren Stirnkante ruhende Anker wird zu Beginn
der Erregung mit verhältnismäßigen großer Magnetkraft in die Vertiefung hineingezogen,
wobei die Ankerfeder 33 gespannt wird. Bei der weiteren Bewegung des Ankers nimmt
die Magnetkraft ab, die Kraft der Ankerfeder und gegebenenfalls der Gegendruck des
zu pumpenden Mediums zu, so daß sich der Anker verlangsamt. Das System läßt sich
ohne weiteres so einstellen, daß der Anker am unteren Ende des absteigenden Astes
B zur Ruhe kommt, sei es infolge des Gleichgewichts zwischen der Magnetkraft und
den ihr entggenwirkenden Kräfte, sei es infolge des Endes des Erregerimpulses oder
beiden Gründen.
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Da diese Verhältnisse für alle Spannungen gelten, ist auch sichergestellt,
daß der Anker nicht etwa bei Überspannung bis an die Stirnfläche 16 gezogen wird
und dort unter Geräuschbildung anschlägt.
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* - aus Gründen der zeichnerischen Darstellbarkeit etwas auseinander
gezerrten -
Durch Verstellen der Stützschraube 40 läßt sich die
Ruhelage des Ankers ändern und damit eine genaue Anpassung an die gewünschten optimalen
Bedingungen erzielen.
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Durch Verstellen der Druckventilfeder 23 mittels der Stützschraube
24 läßt sich der Mindestdruck ändern, bei dem die Förderung erfolgen soll.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 werden für die funktionell gleichen
Teile wie in Fig. 1 dieselben Bezugszeichen benutzt.
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Als Unterschied ist darauf hinzuweisen, daß die Stützfläche für die
Feder 23 des Druckventils lediglich durch eine eingesprengte Platte 52 gebildet
wird. Dies genügt, wenn der Öffnungsdruck im Rahmen üblicher Toleranzen gehalten
werden soll. Die Stützschraube 32, die das Saugventil aufnimmt, ist bereits mit
einem Stützring 53 zum Abstützen der Saugventilfeder 30 versehen, so daß diese Teile
als Einheit in den Abschnitten 29 der Axialbohrung eingeschraubt werden können.
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Der äußeren Stirnkante 14 der Vertiefung 15 ist eine Abschrägung 54
vorgeschaltet. Die Stirnfläche 13 des Ankers liegt in Höhe dieser Abschrägung 54.
Hierdurch wird zusätzlicher Einfluß auf die im Ruhezustand wirkenden Magnetkräfte
genommen.
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Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 3 hat das erste Magnetkernstück
6 im Anschluß an den Flansch 7 Schlüsselflächen, also eine von der Kreisform abweichende
Form, beispielsweise einen ovalen Querschnitt. Den gleichen Querschnitt hat auch
das Spulengehäuse in seinem oberen Stirnteil, so daß eine Verdrehung des Magnetsystems
gegenüber dem Spulengehäuse unterbunden ist.
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Die veranschaulichte Pumpe eignet sich für verschiedene Anwendungszwecke.
Besonders geeignet ist sie als Förderorgan für einen mit hydraulischer Flüssigkeit
zu beschickenden Motor, der beispielsweise ein Ventil oder ein anderes Organ verstellen
soll.