DE3039071A1 - Arbeitssolenoid - Google Patents

Description

Beschreibungseinleitung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Arbeitssolenoid, dar mit Gleichstrom zu betreiben ist, und wie er zum öffnen und Schließen von Ventilen bestimmt ist, die die Strömung eines Fluids steuern. Obwohl sich demnach die Erfindung primär auf einen Solenoid bezieht, der der Betätigung von Ventilen dient, soll die Erfindung nicht hierauf beschränkt sein, sondern sich auf einen Arbeitssolenoid beziehen, der zur Betätigung jeder entsprechend zu betätigenden Vorrichtung dient.

Bei üblichen mit Gleichstrom zu betreibenden Arbeitssolenoiden ist eine ringförmige Solenoidwicklung vorgesehen, die ein Rohr umgibt, das meistens als "Kernrohr" bezeichnet wird und aus nichtmagnetischem Material besteht. In dem Kernrohr ist in seiner Längsrichtung verstellbar ein Anker aus magnetischem Material angeordnet, der vom einen offenen Ende des Kernrohres aus zugänglich ist. Das zugängliche Ende des Ankers steht mit einem Ventilglied oder einem anderen Bauteil in Verbindung, das durch die Verstellbewegung des Ankers gesteuert werden soll. Im Bereich des anderen Endes des Kernrohres ist ein magnetischer Block befestigt, der im allgemeinen als "Füllstück" bezeichnet wird. Ist das Kernrohr anfangs an beiden Enden offen, so verschließt das

A 12 P 160

14.10.80 - 5 -

130018/0808

Füllstück das Ende des Kernrohres, in dessen Bereich das Füllstück angeordnet ist. Das Kernrohr kann auch ein nahtlos gezogenes Rohr oder tiefgezogen sein, wobei dann das Rohr an seinem einen Ende geschlossen ist, und wobei dann weiter das Füllstück vom geschlossenen Rohrende vollständig umschlossen ist und das geschlossene Rohrende ausfüllt. Die Solenoidwicklung ist von einem Joch aus magnetischem Material umgeben, wobei der Magnetanker, das Füllstück und das Joch Teile eines magnetischen Kreises sind.

Wird der Solenoid mit Gleichstrom erregt, so veranlaßt der magnetische Fluß in dem magnetischen Kreis eine Anziehung des beweglichen Ankers in Richtung auf das Füllstück, wobei der Anker weiter in das Kernrohr hineinbewegt wird. Nach der Entregung des Solenoids bringt eine Feder den Anker in seine Ausgangsstellung zurück, indem die Fed^r den Anker von dem Füllstück entfernt. Da in dem Füllstück nach dem Entregen des Solenoids ein Restmagnetismus verbleibt, verbleibt in dem Füllstück eine Restkraft, die den Anker dem Füllstück zu nähern sucht. Um dies jedoch zu vermeiden, ist es üblich, der Fläche des Füllstückes, die mit dem Anker zusammenwirkt, ein dünnes nichtmagnetisches Materialstück zuzuordnen, das allgemein als "Unterbrecherstück" bezeichnet wird. Indem eine unmittelbare Berührung zwischen dem Ankar-jund dem Füllstück vermieden wird, verringert das

A 12 P 160

14.10.80 - 6 -

130018/0808

Unterbrecherstück im wesentlichen die Anziehungskraft zwischen dem Anker und dem Füllstück durch den Restmagnetismus in dem Füllstück. Der Vorteil hiervon besteht darin, daß eine geringere Federkraft zur Rückführung des Ankers benötigt wird, als es bei nicht vorhandenem Unterbracherstück der Fall wäre. Je geringer die Federkraft ist, desto größer ist das Verhältnis zwischen der den Solenoid gegen das Füllstück ziehenden Kraft zu der Federkraft, die für Nutzarbeit verwendet werden kann.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mit Gleichstrom zu betreibenden Arbeitssolenoid so auszugestalten, daß er ohne Unterbrecherstück auskommt, dadurch aber keine Funktionseinbuße erleidet. Dabei soll im Fall der Anwendung eines nahtlos gezogenen Kernrohres als Betätigungselement das Betätigungselement eine größere magnetische Effizienz dadurch erhalten, daß die Luftspaltverluste im magnetischen Kreis verringert werden. Außerdem soll im Fall, daß das Betätigungselement der Betätigung eines ohne Dichtungspackungen arbeitenden, dar Steuerung eines Flüssigkeitsstromes dienenden Ventiles dient, der mit Gleichstrom zu betreibende Solenoid eine größere magnetische Effizienz haben und kostengünstiger als bisher übliche Solenoide bzw. Betätigungselemente herstellbar sein.

A 12 P 160

14.10.80 - 7 -

130018/0808

Die Aufgabe wird dadurch gelöst und die angestrebten Wirkungen werden dadurch erhalten, daß das Füllstück im Vergleich zu bekannten Lösungen eher außerhalb als innerhalb des Kernrohres angeordnet ist. Ist das Füllstück erfindungsgemäß außerhalb des Kernrohres angeordnet, so trennt die Wand des Kernrohres ständig das Füllstück und den Anker voneinander. Das Kernrohr nimmt damit die Aufgabe des Unterbrecherstückes bei den üblichen Lösungen wahr, und es kann auf das Unterbrecherstück verzichtet werden. Der Verzicht auf das Unterbrecherstück verringert nicht nur die Kosten des Arbeitssolenoids, sondern erhöht die magnetische Effizienz, indem eine Quelle für Luftspaltverluste im magnetischen Kreis ausgeschaltet ist. üblicherweise bewirken in solchen Fällen sowohl die Kernrohrwand als auch das Unterbrecherstück den magnetischen Fluß beeinträchtigende nichtmagnetische Unterbrechungen. Bei fehlendem Unterbrecherstück ist eine der üblichen Unterbrechungen des magnetischen Flusses ausgeschaltet.

Bei einem packungslosen Ventil steht der Innenraum des Kernrohres mit den Strömungskanälen des Ventilkörpers in Verbindung, was zur Folge hat, daß der Innenraum des Kernrohres mit der Flüssigkeit gefüllt ist, deren Strömung mit dem Ventil gesteuert wird. Deshalb steht üblicherweise die Flüssigkeit sowohl mit dem Anker als auch mit dem Füllstück

A 12 P 160

14.10.80 - 8 -

130018/0808

in Berührung, da beide innerhalb des Kernrohres angeordnet sind. Wird dagegen ein erfindungsgemäßer Arbeitssolenoid angewendet, so steht das Füllstück nicht mit der durch das Ventil fließenden Flüssigkeit in Verbindung, weil es außerhalb des Kernrohres angeordnet ist. Deshalb kann das Füllstück im Vergleich zu üblichen Lösungen aus einem Material höherer magnetischer Permeabilität hergestellt werden, so daß es billiger wird, weil die Rostanfälligkeit des Materiales des Füllstückes gegenüber der mit dem Ventil gesteuerten Flüssigkeit nicht in Betracht gezogen werden muß. Es wird so die magnetische Effizienz erhöht, und die Herstellungskosten werden verringert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ventil mit einem mit Gleichstrom zu betreibenden Arbeitssolenoid gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt der Anordnung nach der Linie 2-2 in Fig. 1, wobei das Ventil sich in seiner Schließstellung befindet,

A 12 P 160

14.10.80 - 9 -

130018/0808

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2, wobei sich das Ventil in seiner offenen Stellung befindet und

Fig. 4 in einer Fig. 2 entsprechenden Darstellung ein anderes Ausführungsbeispial der Erfindung.

A 12 P 160

14.10.80 - 10 -

130018/0808

Figurenbeschreibung

Der Arbeitssolenoid 15 weist ein einstückig aus magneti- " sierbarem Material, z.B. Eisen, bestehendes Joch 18 auf, das in die notwendige Form gebogen ist. Das Joch hat eine Basis 19 mit zwei flanschartigen Ohren 20, von denen jedes ein mit einem Innengewinde versehenes Loch aufweist. Unter Einschaltung eines Abstandsrandes 21 und zweier Maschinenschrauben 22, die in die Gewindelöcher der Ohren 20 eingeschraubt sind, ist das Joch 18 und damit der Arbeitssolenoid auf dem Ventilkörper 10 befestigt. Außerdem ist das Joch mit aufwärts stehenden Armen 23 versehen, die von der Basis 19 aus nach oben gebogen sind, sowie mit horizontal verlaufenden Abschnitten 24, die von den oberen Enden der Arme 23 aus nach innen gebogen sind. Die horizontalen Abschnitte sind so gestuft angeordnet, daß sie nebeneinander in einer Ebene liegen und die Oberseite des Joches bilden (Fig. 1). Jeder Abschnitt 24 weist einen im wesentlichen halbkreisförmigen Ausschnitt auf, und die beiden Ausschnitte bilden eine Öffnung 25 in der Oberseite des Joches.

Innerhalb des Joches 18 ist die ringförmige elektrische Solenoidwicklung 28 in an sich üblicher Ausgestaltung angeordnet, die zur Erregung an ihren nicht dargestellten

A 12 P 160

14.10.80 - 11 -

130018/0808

Anschlüssen mit Gleichstrom versorgt werden kann. Innerhalb der Wicklung ist ein nahtlos gezogenes Kernrohr 29 aus nichtmagnetischem Material, üblicherweise einem nichtmagnetischen Metall angeordnet. Das Kernrohr 29 ragt über ungefähr die halbe Höhe der Solenoidwicklung in diese hinein und ist am oberen Ende mit einer Wand 30 geschlossen, die vorzugsweise kegelstumpfförmig sein kann, aber auch eine andere Form haben kann, wenn diese geeignet ist, die magnetischen Eigenschaften der Anordnung zu optimieren. Das untere Ende des Kernrohres 29 ist offen und mit einem nach außen gerichteten Ringflansch versehen, zwischen dem und der Jochbasis 19 ein O-Ring 31 als Dichtung eingepreßt ist.

Das Kernrohr 29 nimmt einen in seiner Längsrichtung verstellbaren Magnetanker 32 aus magnetischem Material auf. Der Anker 32 trägt am unteren Ende ein Ventilglied 33 aus elastischem Material, das innerhalb einer Kammer 34 im Ventilgehäuse angeordnet ist und mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Eine Druckfeder 35 innerhalb der Kammer drückt das Ventilglied 33 und damit den Anker 32 gegen den Ventilsitz 14.

Auf der Außenseite der oberen Abschlußwand 30 des Kernrohres 29 ist das Füllstück 38 befestigt. Das Füllstück

A 12 P 160

14.10.80 - 12 -

130018/0808

füllt den Freiraum der Solenoidwicklung 28 aus, soweit dieser nicht durch das Kernrohr 29 eingenommen wird. Es erstreckt sich bis über den Solenoid hinaus. Am oberen Ende ist das Füllstück 38 mit einem Zapfen 39 geringeren Durchmessers versehen, der in der öffnung 25 des Joches 18 liegt. Das Füllstück 38 ist fest zwischen der Abschlußwand 30 und dem Jochteil· 24 eingespannt, um einen guten Kontakt zwischen dem Jochteil· 24 und der den Zapfen 3 9 umgebenden Ringfiäche der Oberseite des FuMstuckes zu gewährieisten. Der Zeichnung ist zu entnehmen, daß sich das FüMstück 38 vo^ständig außerhaib des Kernrohres 29 befindet und daß die Abschlußwand 30 des Kernrohres zwischen dem FüMstück und dem Anker 32 diese beiden Teiie vol·!- ständig voneinander trennt.

Wird die Solenoidwicklung 28 durch einen Gleichstrom erregt, so ergibt sich ein magnetischer Fluß durch den magnetischen Kreis mit der Jochbasis 19, den Armen 23, den Abschnitten 24, dem FüMstück 38 und dem Anker 32 in dieser Reihenfoige und zurück zur Jochbasis 19. Hierdurch wird der-Anker 32 gegen die Wirkung der Feder 35 zum Fü^stück 38 hin gezogen, um das Ventil· zu öffnen (Fig. 3) . Dadurch geiangt F^id von der Einiaßöffnung 11 durch den Strömungskanal· 40 in den Ventilkörper und die Kammer 34 sowie durch die Öffnung zur Auslaßöffnung 12. Nach dem Entregen der Wickiung 28

A 12 P 160

14.10.80 - 13 -

13 0018/0 808

bringt die Feder 35 den Anker 32 nach unten in seine Ausgangsstellung zurück und den Ventilkörper 33 zum Aufsitzen auf dem Sitz 14 zum Schließen des Ventiles (Fig. 2). Während der Betätigung des Ventiles sind die Kammer 34 und der Innenraum des Kernrohres 29 mit dem von dem Ventil gesteuerten Fluid gefüllt, weil sie über den Strömungskanal ständig mit der Einlaßöffnung 11 in Verbindung stehen. Da jedoch das Füllstück 38 außerhalb des Kernrohres angeordnet ist, kommt das Fluid nicht mit dem Füllstück in Berührung. Dadurch hat das Fluid keine Möglichkeit, auf das Füllstück korrosiv zu wirken.

Ersichtlich ist kein besonderes ünterbrecherglied notwendig, weil die Abschlußwand 30 des Kernrohres die Funktion eines Unterbrechergliedes übernimmt, d.h. den Kontakt zwischen dem Anker 32 und dem Füllstück 38 verhindert, wenn der Solenoid 28 erregt wird (Fig. 3). Deshalb verringert bei entregtem Solenoid der nichtmagnetische Spalt, der durch die Abschlußwand 30 erzeugt wird, den Einfluß des Restmagnetismus des Füllstückes 38 auf den Anker 32. Darüber hinaus wird trotz der Verwendung eines nahtlosen Kernrohres 29 der magnetische Kreis durch nur zwei magnetische Spalte unterbrochen, von denen der eine zwischen dem Füllstück und dem Anker durch die Abschlußwand 30 bewirkt wird und der andere zwischen dem Anker und der Jochbasis 19 durch die seitliche

A 12 P 160

14.10.80 - 14 -

130018/0808

Wand des Kernrohres 29. Würde sich das Füllstück 38 innerhalb des Kernrohres 29 befinden, so würde ein dritter magnetischer Spalt durch das notwendige Unterbrecherstück ■ zwischen dem Füllstück und dem Anker erzeugt.

Eine andere Ausfuhrungsform der Erfindung in der Anwendung bei einem Ventil ist in Fig. 4 dargestellt. Die Teile, die bei der Lösung gemäß 4 den entsprechenden Teilen der Lösung gemäß Fig. 1-3 gleichen, sind bei beiden Lösungen mit denselben Bezugszeichen versehen, während Teile, die einander nur generell entsprechende, dieselben Bezugszeichen haben, die jedoch in Fig. 4 mit einem Index versehen sind.

Bei der Lösung gemäß Fig. 4 hat das Kernrohr 29' einen im Durchmesser verringerten Abschnitt 43, der an dem Teil des Kernrohres seinen Anfang nimmt, der dem Anker 32' angepaßt ist. Das obere Ende des Abschnittes 43 könnte geschlossen, oder es kann gemäß Fig. 4 offen sein, um eine Öffnung 11' des Ventiles zu bilden. Ein Schlitz 44 in dem Anker 32' ermöglicht eine Fluidverbindung zwischen der Öffnung 11' und der Kammer 34, die andererseits bei geöffnetem Ventil über den Strömungskanal· 13' mit der Auslaßöffnung 12' in Verbindung steht. Bei dieser Lösung hat das Füllstück 38· die Form einer hohlen Hülse, die den Abschnitt 43 des Kernrohres 29' umgibt und auf dem kegelstumpfförmigen

A 12 P 160 ·

14.10.80 - 15 -

130018/0808

Wandteil 45 des Kernrohres aufsitzt. Das Füllstück 38' ist spiellos zwischen dem Wandteil 45 und den Jochabschnitten 24 eingespannt, um einen guten Kontakt zwischen dem oberen Ende des Füllstückes und den Jochabschnitten zu gewährleisten.

Wie bei der Lösung gemäß Fig. 1 - 3 ist auch bei der Lösung gemäß Fig. 4 das Füllstück 38' von dem Anker 32' durch die Kernrohrwand 45 getrennt, um dadurch ein separates Unterbrecher stück einsparen zu können, trotzdem aber einen Kontakt zwischen dem Füllstück 38' und dem mit dem Ventil gesteuerten Fluid zu verhindern. Das Ventil bei der Lösung gemäß Fig. 4 arbeitet ähnlich wie das Ventil der Lösung gemäß Fig. 1-3, indem der Anker 32' bei der Bewegung nach oben das Ventil Öffnet und hierzu die Solenoidwicklung 28 erregt wird und in seine Ausgangsstellung zum Schließen des Ventiles von der Feder 35 zurückgestellt wird, wenn die Solenoidwicklung entregt wird (Fig. 4).

Die Erfindung ist damit an zwei Ausführungsbeispielan erläutert, die zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, trotzdem aber keine Einschränkung der Erfindung auf die Ausführungsformen darstellen sollen. Im Rahmen der Erfindung sind deshalb vielfache Abwandlungen· der beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich.

Λ 12 P 160

14.10.80 - 16 -

130018/0808

Zusammenfassend kann die Erfindung nochmals definiert werden als ein mit Gleichstrom zu betreibender Arbeitssolenoid mit einer ringförmigen elektrischen Solenoidwicklung, einem nichtmagnetischen Kernrohr innerhalb der wicklung sowie einem in Längsrichtung innerhalb des Kernrohres gleitenden magnetischen Anker. Innerhalb der Solenoidwicklung ist ein magnetisches Füllstück angeordnet, das sich jedoch außerhalb des Kernrohres befindet, so daß sich die Wand des Kernrohres zwischen dem Füllstück und dem Anker befindet und diese vollständig voneinander trennt. Dadurch ist kein besonderes Unterbrecherstück zwischen dem Anker und dem Füllstück notwendig, weil das Kernrohr den Kontakt zwischen Anker und Füllstück verhindert.

A 12 P 160
14.10.80

130018/0808

Claims (1)

1. A 12 P 160

   Anmelder: Automatic Switch Company, Florham Park, New Jersey, U.S.A.

   Titel: Arbeitssolenoid

   Patentansprüche

   Mit Gleichstrom'betriebener Arbeitssolenoid, gekennzeichnet durch

   a) eine ringförmige elektrische Solenoidwicklung (28),

   b) ein nichtmagnetisches Kernrohr (29,29') innerhalb der Solenoidwicklung,

   c) einen innerhalb des Kernrohres in dessen Längsrichtung angeordneten Magnetanker (32,32') und

   d) ein magnetisches Füllstück (38,38') innerhalb der Solenoidwicklung und außerhalb des Kernrohres, wobei die Kernrohrwand (30,45) zwischen dem Füllstück und dem Magnetanker liegt und Füllstück und Magnetanker voneinander vollständig getrennt hält.

   2. Arbeitssolenoid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei nicht vorhandenem separatem nichtmagnetischem Unterbrecherstück zwischen dem Magnetanker (32,32') und dem Füllstück (38,38') die Wand (30,45) des Kernrohres (29,29') einen Kontakt zwischen dem Magnetanker und dem Kernrohr verhinderte

   14.10.80 - 2 -

   130018/0808

   3. Arbeitssolenoid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Abschlußwand (30) des Kernrohres (29) geschlossen ist und das Füllstück (38) oberhalb der Abschlußwand des Kernrohres angeordnet ist.

   4. Arbeitssolenoid gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (29') einen Abschnitt (43) mit verringertem Durchmesser aufweist, der sich über den Teil des Kernrohres hinaus erstreckt, der den Magnetanker (32') umschließt, wobei das Füllstück (38¹) eine hohle Hülse ist, die den Abschnitt das Kernrohres mit verringertem Durchmesser umgibt.

   5. Arbeitssolenoid nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Zuordnung zu einem Ventilkörper (33), wobei das freie Ende des Abschnittes (43) des Kernrohres (29') mit geringerem Durchmesser die Einlaßöffnung (II¹) des Ventiles darstellt.

   6. Arbeitssolenoid nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zuordnung zu

   e) einem Ventilkörper mit einem von einem Ventilsitz umgebenen Strömungskanal (13,13"), wobei sich der - Ventilsitz jzwischen^^nejr_EJLnJLaßöffnung_ und_einer Auslaßöffnung befindet und

   A 12 P 160

   14.10.80 - 3 -

   130018/0808

   f) einem Ventilglied (33), das mit dem Magnetanker (32,32') verbunden und mit dem Magnetanker verstellbar ist, um zum Schließen des Ventiles zum Aufsitzen auf dem Ventilsitz und zum öffnen des Ventiles zum Abheben vom Ventilsitz zu bringen zu sein.

   Arbeitssolenoid nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Kernrohres (29,29*) mit einem Stroinungskanal (13,13') durch den Ventilkörper in Verbindung steht, wobei sich das Kernrohr zwischen dem Strömungskanal und dem Füllstück befindet und dabei die Fluidströmung durch das Ventil vom
   Füllstück getrennt hält.

   A 12 P 160 .

   14.10.80 - 4 -

   130018/080 8