TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
elektromagnetische Steliglieder jener Art, bei denen eine
Magnetspule und ein in der Spule und entlang ihrer Achse
beweglicher Kolben verwendet wird, der eine beliebige
Position eines wesentlichen Bereichs feststehender
Positionen einnehmen kann, wie durch den Wert des durch
den Elektromagnet fließenden Stroms bestimmt.
Insbesondere betrifft sie Linearstellglieder anstatt
Drehstellglieder, die als "Proportional"-Stellglieder
bezeichnet werden, und zwar nicht, weil die Position des
Kolbens unbedingt genau proportional zum Spulenstrom ist,
sondern weil sie proportional genug ist, um von Vorteil
zu sein. Des weiteren betrifft sie ein Pumpsystem mit
einem Linearstellglied in der Pumpe selbst.
STAND DER TECHNIK
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Es sind seit langem elektromagnetische
Stellglieder bekannt, bei denen ein Kolben so angebracht
ist, daß er als Reaktion auf einen Strom in einem
Elektromagnet axial entlang der Mitte des Elektromagnets
gleiten kann. Derartige Vorrichtungen können Bestandteil
elektrischer Relais oder von Ventilsteuerungen sein,
wobei eine Feder verwendet wird, die den Kolben in einer
Endposition hält, jedoch gestattet, daß er durch Strom in
dem Elektromagnet sofort in seine andere stabile Position
geschaltet oder bewegt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine andere
Gruppe von elektromagnetischen Stellgliedern, die
gewöhnlich als "proportionale" elektromagnetische
Stellglieder bezeichnet werden, bei denen der Kolben so
gesteuert werden kann, daß er je nach Größe des der
Stellgliedspule zugeführten Stroms eine beliebige
Position eines Bereichs feststehender Positionen
einnehmen kann. Derartige Stellglieder finden
insbesondere bei der Steuerung der Position der
Kraftstoffversorgungssteuerung eines Motors Anwendung,
die als Reaktion auf einen elektrischen Strom genau zu
steuern ist.
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Eine besondere Anwendung derartiger Stellglieder
besteht in Verbindung mit zum Antrieb elektrischer
Generatorensätze ausgeleger Motoren, bei denen die
Betriebsdrehzahl so gesteuert werden soll, daß sie trotz
Laständerungen und Änderungen anderer Parameter konstant
bleibt. Bei derartigen Anordnungen ist das proportionale
elektromagnetische Stellglied in der Regel Bestandteil
eines Rückkoppelsystems, bei dem die Drehzahl des Motors
oder Generators erfaßt wird, mit dem Sollwert verglichen
wird und, falls die Drehzahl von diesem Wert abweicht,
der Strom in der Magnetspule so geandert wird, daß der
Kolben in dem Elektromagnet in der zur Korrektur der
Diskrepanz bei der Motordrehzahl geeigneten Richtung und
Größe neu positioniert wird.
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In der allgemeinen Anordnung eines derartigen
Systems wird eine Feder verwendet, die den Kolben in
einer der Richtung, in die der Magnetstrom ihn bewegen
will, entgegengesetzten Richtung bewegt. Wird das
Stellglied beispielsweise zur Steuerung der
Kraftstoffversorgung verwendet, spannt die Feder den
Kolben in der Regel in Richtung verminderter
Kraftstoffversorgung vor, und der durch die Magnetspule
fließende Strom bewegt den Kolben in Richtung erhöhter
Kraftstoffversorgung. Bei geeigneter Auswahl der
Feder- und Stellgliedkonfiguration ist die vom Spulenstrom
erzeugte Kraft und die von der Vorspannfeder erzeugte
Kraft in einer bestimmten Position des Kolbens gleich,
und der Kolben nimmt dann diese Position ein; Erhöhungen
oder Verminderungen des Spulenstroms bewegen den Kolben
zu einer der beiden Seiten der letzteren Position, wie
zur Erzielung der beabsichtigten Kraftstoffsteuerung
erforderlich.
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In einem in "Hydraulics and Pneumatics", August
1984, erschienenen Artikel von D. R. Hardwick werden
derartige elektromagnetische Proprotionalstellglieder auf
allgemeine Weise besprochen. Wie in diesem Artikel
erwähnt, verwendet das normale nicht proportionale
elektromagnetische Stellglied gewöhnlich einen variablen
Luftspalt in Reihe mit dem Magnetpfad; d.h. wenn sich der
Kolben in einer Position befindet, ist er weit von einem
Polstück beabstandet, und es besteht ein breiter Spalt in
dem Flußpfad, was zu einer geringen Anziehungskraft auf
den Kolben führt, während sich jedoch der Kolben zum
zugehörigen Polstück vorwärtsbewegt, vermindert sich der
Luftspalt, und die von der Magnetspule auf den Kolben
ausgeübte Kraft erhöht sich schnell. Das Ergebnis ist im
Grunde, was man fühlt, wenn man den Nordpol eines Magnets
in die Nähe des Südpols eines anderen hält; befinden sie
sich in einem großen Abstand voneinander, besteht wenig
Wechselwirkung, werden sie aber dicht zueinander bewegt,
erfolgt ein plötzlicher drastischer Anstieg der
Anziehungskraft, die sie zusammenschnappen läßt.
Derartige Vorrichtungen wurden manchmal als
Sprungstellglieder oder Ein-Aus-Stellglieder bezeichnet
und sind in Relais und dergleichen von Nutzen.
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Bei einem Proportionalstellglied wird hingegen
eine Kennlinie gewünscht, gemäß derer bei einem
bestimmten Strom in der Stellgliedspule die von dem
magnetischen Fluß des Elektromagnets auf den
Stellgliedkolben ausgeübte Kraft über einen großen
geeigneten Arbeitsbereich fast konstant bleibt. Diese
Betrachtungen werden in einer sehr allgemeinen
Besprechung in Zusammenhang mit Figur 2 des oben
angeführten Artikels von Harwick umrissen. Jedoch
offenbartdieser Artikel nicht deutlich eine bestimmte
Konfiguration eines Stellglieds zur Erzielung dieses
Ergebnisses, und der Gegenstand der vorliegenden
Erfindung wird in keiner Weise gezeigt oder
vorgeschlagen.
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Des weiteren ist bei bestimmten nicht verwandten
Arten von elektromagnetischen Stellgliedern bekannt, zur
Bereitstellung eines geeigneten Stützens das vordere Ende
des Magnetkolbens durch eine Magnetverlängerung davon mit
kleinem Durchmesser, die in einer geeigneten Buchse oder
einem geeigneten Lager am gegenüberliegenden Ende des
Elektromagnets gleiten kann, zu stützen. Weiterhin ist
bekannt, das vordere Ende des ferromagnetischen Teils des
Kolbens konisch zulaufend auszuführen; dies erfolgt
manchmal wohl zur Vergrößerung des Linearitätsbereichs
des Stellglieds, d.h. zur Vergrößerung des Bereichs, über
den die von dem Elektromagnet auf den Kolben ausgeübte
Kraft bei verschiedenen Kolbenpositionen fast konstant
ist. Die Kennlinien derartiger Stellglieder und
insbesondere der Bereich, für den von der Magnetspule
eine fast konstante Kraft auf den Kolben ausgeübt wird,
sind noch immer nicht so effektiv, wie es wünschenswert
wäre.
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In der US-A-4,278,959 wird ein Magnetventil
offenbart, das einen Magnetkolben aufweist, der axial
gleitbar in einer Spule angeordnet ist, wobei ein Ende
des Kolbens in einem Führungsrohr gestützt wird, das
durch ein erstes magnetisches Endstück verläuft, und ein
gegenüberliegendes konisch zulaufendes Ende mit einem
Ausgangsstab verbunden ist, der in einem ein zweites
magnetisches Endstück entsprechender Form bis zu dem
konisch zulaufenden Ende durchdringenden
selbstschmierenden Lager gleitbar, gestützt wird. Ein
Erregen der Spule erzeugt einen magnetischen Fluß, der
durch einen durch das konisch zulauf ende Ende des Kolbens
und dem entsprechend geformten magnetischen Endstück
verlaufenden Magnetkreis fließt, und die erzeugte Kraft
drückt den Kolben gegen die Wirkung einer Druckfeder.
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Des weiteren ist bekannt, ein Stellglied in einem
Kraftstoffpumpengehäuse einzubauen, da das Gehäuse jedoch
in der Regel mit Kraftstoff gefüllt ist, steht das
Stellglied auch mit dem Kraftstoff in Kontakt, der
Fremdkörper, zum Beispiel kleine Teilchen aus
ferromagnetischem Material, enthalten kann, die dazu
neigen, die Leistung des Stellglieds zu beeinträchtigen.
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Demgemäß besteht ein Ziel der vorliegenden
Erfindung darin, ein neues und geeignetes
elektromagnetisches Stellglied bereitzustellen.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, ein
Linearstellglied mit einem elektromagnetisch betätigten
Kolben bereitzustellen, bei dem die Position des Kolbens
über einen wesentlichen Bereich von Kolbenpositionen im
wesentlichen proportional zur Größe des Stroms in dem
Elektromagnet ist.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, ein
Linearstellglied bereitzustellen, bei dem die Position
des Kolbens bei einem beliebigen gegebenen Strom in einem
wesentlichen Betriebsbereich hochreproduzierbar und
zuverlassig ist.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, ein verbessertes
Linearstellglied bereitzustellen, dessen Herstellung
einfach und kostengunstig ist.
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Noch ein weiteres Ziel besteht darin, eine
neuartige Kombination aus einem Linearstellglied in einer
Dieselölpumpe bereitzustellen, wobei verhindert wird, daß
der Kraftstoff mit dem Stellglied in Kontakt kommt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Diese und andere Ziele der Erfindung werden durch
Vorsehen eines elektromagnetischen Stellglieds gemäß
Anspruch 1 erreicht.
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Insbesondere stellt die Erfindung ein
elektromagnetisches Stellglied bereit, das folgendes
umfaßt: eine Magnetspule, ein erstes magnetisches
Endstück an einem Ende der Spule und ein zweites
magnetisches Endstück am anderen Ende der Spule, eine
Kolbenanordnung, die zur Ausführung einer Gleitbewegung
entlang der Achse der Magnetspule in einer ersten
Richtung, als Reaktion auf durch die Magnetspule
fließenden Strom angebracht ist, und ein Federmittel, das
die Kolbenanordnung in einer der ersten Richtung
entgegengesetzten zweiten Richtung vorspannt, wobei die
Kolbenanordnung folgendes umfaßt: einen ersten
magnetischen Teil, der in dem ersten magnetischen
Endstück axial gleitbar ist, einen konisch zulaufenden
zweiten magnetischen Teil, der sich von dem ersten Teil
zum zweiten Endstück erstreckt, einen dritten
magnetischen Teil, der sich von dem konisch zulaufenden
zweiten Teil zum zweiten Endstück erstreckt, und einen
vierten nichtmagnetischen Teil, der die Kolbenanordnung
gleitbar in dem zweiten Endstück stützt; dadurch
gekennzeichnet, daß der dritte magnetische Teil eine im
wesentlichen zylindrische Außenfläche aufweist, daß die
Kolbenanordnung in einem sich zwischen einer ersten
Position, in der das vordere Ende des magnetischen
dritten Teils in der Nähe des inneren Endes des zweiten
Endstücks positioniert ist, und einer zweiten Position,
in der das vordere Ende weiter innerhalb der axialen
Breite des zweiten Endstücks liegt, erstreckenden Bereich
axial verschiebbar ist, und daß der vierte
nichtmagnetische Teil (64) koaxial zu dem dritten
magnetischen Teil (58) ist, wobei der dritte magnetische
Teil (58) einen kleineren Durchmesser aufweist als der
vierte nichtmagnetische Teil (64) und sich derart in dem
vierten nichtmagnetischen Teil erstreckt, daß er von ihm
gestützt wird.
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Das magnetische Endstück neben dem vorderen Ende
des Kolbens erstreckt sich vorzugsweise wesentlich in
Axialrichtung, und die Kolbenanordnung wird vorzugsweise
über einen derartigen Bereich betrieben, daß sich das
vordere Ende des magnetischen dritten Teils der
Kolbenanordnung aus einer Position, die mit dem inneren
Ende des benachbarten magnetischen Endstücks gerade
bündig ist oder sich gerade darin befindet, durch
Positionen in dem magnetischen Endstück und sogar darüber
hinaus bewegt. Auf diese Weise werden beide Enden des
Kolbens mechanisch gleitend gestutzt, während, wie im
folgenden ausführlich erklärt, gleichzeitig ein Teil der
Elektromagnetkennlinie mit konstanter Kraft, der sich
über einen wesentlichen Bereich der Kolbenpositionen
erstreckt, bereitgestellt wird, wodurch die Stabilität
und Reproduzierbarkeit der Positionierung des Kolbens als
Reaktion auf einen gegebenen Strom verbessert wird, wenn
der Kolben durch eine Feder oder ahnliche Vorrichtung
zurückgehalten wird, wobei dennoch eine kostengünstig
herzustellende Ausführung eingesetzt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform paßt der
dritte magnetische Teil der Kolbenanordnung in den
nichtmagnetischen vierten Teil der Kolbenanordnung, der
in dem vorderen Stützlager gleitet, und ist darin
befestigt. Des weiteren ist das Stellglied mit einer
Schraubenfeder versehen, die den den größeren Durchmesser
aufweisenden Teil der Kolbenanordnung umgibt und den
Kolben in seiner zurückgezogenen Position vorspannt. Die
sich ergebende Vorrichtung besitzt einen wesentlichen
Bereich von Kolbenpositionen, über den die von dem
Elektromagnet ausgeübte Kraft nahezu konstant ist, und
die Vorspannfeder weist eine Kennlinie von Kraft über
Kolbenposition auf, die die Kraftkennlinie des
Elektromagnets an in dem letzteren Bereich liegenden
Punkten schneidet. Des weiteren können vorzugsweise an
jedem Ende des Hubbereichs der Kolbenanordnung Anschläge
vorgesehen sein.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein
Linearstellglied der beschriebenen Art, das in einem
röhrenförmigen Hohlraum im oberen Teil des Gehäuses einer
Kraftstoffpumpe vorgesehen ist, wobei das innere Ende des
Betätigungskolbens das Kraftstoffsteuergestänge betätigt.
Das Stellglied ist an seinem äußeren Ende abgedichtet, so
daß zwischen dem inneren Ende des Stellglieds und dem
oberen Teil des Kraftstoffs in der Pumpe eingeschlossene
Luft verhindert, daß Kraftstoff in das Stellglied
ansteigt, es verschmutzt und seine Leistung
beeinträchtigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Ziele und Merkmale der Erfindung
werden aus Betrachtung der folgenden ausführlichen
Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beispielhaft aufgeführt ist, leichter
verständlich; es zeigen:
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Figur 1 ein größtenteils in Blockform
dargestelltes schematisches Diagramm eines Steuersystems,
bei dem ein Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung
zweckmäßig und vorteilhaft eingesetzt wird.;
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Figur 2 eine als Schnitt ausgeführte
Seitenansicht einer Ausführungsform des Stellglieds gemäß
der Erfindung;
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Figuren 3 und 4 Endansichten des Stellglieds nach
Figur 2 von links und rechts;
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Figur 5 eine vertikale Schnittansicht entlang den
Linien 5-5 von Figur 2;
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Figur 6 eine vertikale Schnittansicht entlang den
Linien 6-6 von Figur 2;
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Figur 7 eine bruchstückartige Seitenansicht eines
Teils des Kolbens und vorderen Lagers des in Figur 2
gezeigten Stellglieds, wobei die nichtmagnetische vordere
Verlängerung der Übersicht halber entfernt ist und eine
vorgerückte Position der Kolbenanordnung gestrichelt
gezeigt wird;
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Figur 7A eine auseinandergezogene perspektivische
Ansicht der Kolbenanordnung mit entfernter
nichtmagnetischer Verlängerung;
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Figur 8 eine graphische Darstellung, in der die
Auswirkungen verschiedener Magnetstrome auf die Position
der Kolbenanordnung gezeigt werden;
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Figur 9 eine graphische Darstellung, in der die
Auswirkungen von Änderungen der Länge der magnetischen
vorderen Verlängerung der Kolbenanordnung veranschaulicht
werden;
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Figur 10 eine graphische Darstellung, in der die
Auswirkung der Verwendung verschiedener
Vorderendendurchmesser für den konischen Teil der
Kolbenanordnung gezeigt wird;
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Figur 11 ist eine Teilseitenansicht einer
handelsüblichen Dieselölpumpe des Stands der Technik, auf
den der weitere Aspekt der Erfindung angewendet wurde;
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Figur 12 ist eine Teilseitenansicht der Pumpe
nach Figur 11, jedoch mit daran montiertem Stellglied und
oberen Gehäuseteil gemäß dem weiteren Aspekt der
Erfindung;
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Figur 13 eine Seitenansicht, die teilweise
vollständig, mit weggebrochenen Teilen, und teilweise als
Schnitt dargestellt ist;
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Figur 14 eine Ansicht entlang den Linien 14-14
von Figur 13; und
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Figur 15 eine Ansicht entlang den Linien 15-15
von Figur 13.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun insbesondere auf Figur 1 Bezug nehmend wird
ein elektromagnetisches Stellglied 10 gemäß der
vorliegenden Erfindung in einem System zum Betrieb einer
Kraftstoffsteuerung 12 eines Motors 14, wie zum Beispiel
eines Dieselmotors, der wiederum zum Antrieb eines
elektrischen Generators 16 verwendet werden kann,
gezeigt. Ein bekannter Drehzahlfühler 18 herkömmlicher
Art wird zur Messung der Motordrehzahl verwendet, und die
somit abgeleiteten die Drehzahl darstellenden Signale
werden einem Regler 20 zugeführt, bei dem es sich
beispielsweise um einen Mikroprozessor oder eine analoge
Vorrichtung handeln kann. Der Regler 20 erfaßt
Abweichungen der Motordrehzahl von einem voreingestellten
Sollwert und ändert den der Spule des elektromagnetischen
Stellglieds 10 durch ein herkömmliches Elektromagnet-
Ansteuerglied 22 zugeführten elektrischen Steuerstrom
hinsichtlich Größe und Richtung derart, daß Abweichungen
der Motordrehzahl von dem Sollwert vermindert werden.
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Nun insbesondere auf die Figuren 2 - 7 Bezug
nehmend, wird das erfindungsgemäße Stellglied in der
bevorzugten Ausführungsform ausführlicher gezeigt. In
einem äußeren zylindrischen Gehäuse, 30 aus magnetischem
Weichstahl ist eine auf einem nichtmagnetischen,
zylindrischen Stützstück 34, das aus Messing oder einem
Kunststoffmaterial bestehen kann, gewickelte Magnetspule
32 enthalten. Ein Paar Endplatten 36 und 38 ist
vorgesehen, die an jedem Ende der Magnetspule im äußeren
Gehäuse 30 dicht anliegend angeordnet sind und als
Polstücke. dienen. Dazu bestehen sie selbst aus einem
magnetischen Material wie zum Beispiel Weichstahl; des
weiteren dienen die Endstücke zum Halten der Magnetspule
in ihrer Position. Jedes der Erdstücke weist einen
äußeren ringförmigen Flansch, wie zum Beispiel 40, auf,
der dicht anliegend in und an der Innenfläche des äußeren
Gehäuses 30 angeordnet ist, und sie weisen jeweils auch
einen inneren ringförmigen Flansch; wie zum Beispiel 42,
auf. Diese inneren Flansche dienen zum derartigen Stützen
der magnetischen Kolbenanordnung 44, das diese in dem
Elektromagnet eine axiale Gleitbewegung ausführen kann.
In den Endstücken werden vorzugsweise zylindrische
Kunststofflager 46 und 48 verwendet, die für ein
geeignetes, reibungsarmes gleitendes Stützen für die
vordere und hintere Position der Kolbenanordnung sorgen.
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Im folgenden wird zum Zwecke einer
übersichtlicheren Beschreibung der Teil der
Kolbenanordnung, der in der Nähe des rechten Endes des
Stellglieds positioniert ist, wie in Figur 2 gezeigt, als
das hintere Ende bezeichnet, und das gegenüberliegende
Ende in der Nähe des linken Endes des Stellglieds wird
als das vordere Ende der Kolbenanordnung bezeichnet. Die
Kolbenanordnung weist in diesem Fall einen einen größeren
Durchmesser aufweisenden Teil 50 auf, der einen ungefähr
sechseckigen Querschnitt hat, wobei die Ränder der
sechseckigen Flächen etwas abgerundet sind, damit sie
leicht in dem Lager 48 aus PTFE gleiten können, ohne
daran zu scheuern. Rechts von dem sechseckigen, einen
größeren Durchmesser aufweisenden Teil des Kolbens
befindet sich eine als Einheit ausge, bildete zylindrische
Welle 54, die manchmal, falls gewünscht, als
Ausgangswelle verwendet werden kann.
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Von dem den größeren Durchmesser aufweisenden
Teil der Kolbenanordnung 44 erstreckt sich ein
magnetischer, kegelstumpfformiger Teil 56 nach vorne, von
dem sich wiederum eine magnetische zylindrische
Verlängerung 58 nach vorne erstreckt. Diese letztere
zylindrische Verlängerung ist magnetisch und paßt in eine
koaxiale Öffnung 60 im benachbarten Ende des
nichtmagnetischen, am weitesten vorne liegenden Teils 64
der Kolbenanordnung und ist darin angeklebt; dieser am
weitesten vorne liegende Teil 64 kann beispielsweise aus
einem rostfreien Stahl mit einem vieleckigen, z.B.
sechseckigen, Querschnitt bestehen, so daß er axial in
dem zylindrischen Lager 46 aus PFTE gleitet, wobei seine
Ränder wieder abgerundet sind, um Scheuern zu vermeiden.
Dieser nichtmagnetische Endteil der Kolbenanordnung kann
beispielsweise zur Betätigung eines
Kraftstoffsteuerhebels 66 verwendet werden; er enthält
eine mittlere Gewindebohrung 68, die ein zweckmäßiges
Mittel zur Befestigung eines Gewindesteuerstabs, wie zum
Beispiel einer "Fahrradspeiche" 69, zur Verbindung mit
dem Kraftstoffsteuerhebel bereitstellt. Eine ähnliche
Bohrung kann am anderen Ende des Kolbens vorgesehen sein
und kann manchmal auf ähnliche Weise verwendet werden.
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Hinter dem einen großen Durchmesser aufweisenden
Teil 50 der Kolbenanordnung befindet sich eine
Federhalteplatte 70, die in der Mitte mit einer Öffnung
versehen ist, so daß sie über die Welle 54 geschoben
werden kann, bis sie an die durch den den größeren
Durchmesser aufweisenden Teil 50, der Kolbenanordnung
gebildete Schulter stößt. Sie wird, wie gezeigt, durch
einen ersten Haltering 74 in dieser Position gehalten.
Eine Bewegung der Federhalteplatte nach hinten (in Figur
2 nach rechts) wird vorzugsweise durch einen weiteren
Haltering 76 begrenzt, der dicht an der Innenfläche des
äußeren Gehäuses 30 angeordnet ist. Die Federhalteplatte
ist allgemein schalenförmig, wobei. der äußere Teil des
Umfangsflansches 80 davon dazu dient, ein Ende der
Vorspannfeder 82, die in Form einer Schraubenfeder
vorliegt, festzuhalten, wobei deren anderes Ende am Boden
des Kanals 84 im Endstück 38 anliegt. Da jenes letztere
Endstück aufgrund seines festen Sitzes an der Innenfläche
des Gehäuses 30 in seiner Position festgelegt ist, dient
die Feder 82 dazu, die Federhalteplatte 70 nach außen
oder in Figur 2 nach rechts zu drängen, wobei die gesamte
Kolbenanordnung mit ihr mitbewegt wird.
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Im Betrieb wird dann die gesamte Kolbenanordnung
an ihrem größeren Ende gleitend in der Endplatte 38 und
an ihrem vorderen Ende im Endstück 36 gestützt, wo sich
die nichtmagnetische Verlängerung 64 durch das vordere
Lager 46 des reibungsarmen Kunststoffmaterials, bei dem
es sich um ein Gleitlager aus PTFE handeln kann,
erstreckt. Aus diesem Grunde ist die Kolbenanordnung zur
Ausführung einer leichten, reibungsarmen und axialen
Gleitbewegung mit geringer Haftreibung angebracht; sie
wird durch die Feder nach hinten, oder nach rechts,
vorgespannt, und, wenn man Strom durch die Magnetspule
fließen läßt, wirkt das entstehende Magnetfeld
dahingehend, den Kolben nach links gegen die
Vorspannkraft der Feder zu bewegen. Die elektrischen
Leitungen 90, 92 von den beiden gegenüberliegenden Enden
der Magnetspule können durch eine Öffnung 96 im Endstück
36 zur Verbindung mit den
Elektromagnetansteuerschaltkreisen herausgeführt werden.
Damit kein Schmutz in das Innere des Stellglieds dringen
kann, können an jedem Ende Faltenbälge verwendet werden.
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In Figur 8 werden typische elektrische und Feder-
Kennlinien gezeigt, die bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden. In
dieser Figur stellt die Ordinate die Kraft in Pfund (0,45
kg) dar, die durch den magnetischen Fluß des
Elektromagnets auf die Kolbenanordnung in Axialrichtung
(nach links) ausgeübt wird, und die Abszisse stellt die
Position der Kolbenanordnung in Zoll (25 mm) dar, wobei
die Position des Kolbens darstellt, wenn er sich in
Figur 2 in seiner ganz rechts an dem Haltering 76
liegenden Position befindet, und 0,5 stellt die Position
des Kolbens dar, wenn er in eine in Figur 2 ganz links
liegende Position bewegt wird. Die Kurven A, B, C und D
zeigen eine graphische Auftragung der auf den
Elektromagnet ausgeübten Kraft über die Kolbenposition
für Elektromagnetströme von 1,0, 1,5, 2,0 bzw. 2,5 A. Die
in der gleichen Figur aufgetragene Gerade E zeigt die von
der Feder 82 auf den Kolben ausgeübte Vorspannkraft, die
dahingehend wirkt, den Kolben in die in Figur 2 ganz
rechts liegende Position zu bewegen, und zwar für
verschiedene Kolbenpositionen, wie gezeigt. Die
Federkraft, die dahingehend wirkt, den Kolben nach rechts
zu bewegen, ist an den Punkten, wo die gerade Kennlinie
E die anderen Kurven schneidet, gleich der von dem
Elektromagnet ausgeübten Federkraft, die dahingehend
wirkt, den Kolben nach links zu bewegen. Somit bewirkt in
diesem Beispiel das Anlegen der Magnetströme 1,0, 1,5,
2,0 und 2,5 A, daß sich der Kolben selbst an
Kolbenpositionen positioniert, die den Schnittpunkten P,
Q bzw. R entsprechen. Diese Änderungen der Kolbenposition
sind zwar nicht genau proportional zu dem Magnetstrom,
aber ausreichend proportional, um für eine gute
Steuerwirkung über den gezeigten Bereich zu sorgen. Die
Graphen von Figur 8 gelten für eine Kolbenanordnung, bei
der der den größeren Durchmesser aufweisende sechseckige
Teil 50 einen Durchmesser von ca. 13 mm (1/2 Zoll) und
eine Länge von ca. 28 mm (1,17 Zoll) aufweist, der
konisch zulaufende Teil eine Länge, von ca. 19 mm (3/4
Zoll) aufweist und derart konisch zuläuft, daß er zu dem
Durchmesser der zylindrischen Verlängerung 58, der ca.
6 mm (1/4 Zoll) beträgt, paßt.
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In Figur 9 werden die typischen Auswirkungen von
Langenänderungen der zylindrischen magnetischen
Verlängerung 58 dargestellt. In Figur 9 stellt die
Ordinate die durch den magnetischen Fluß auf die
Kolbenanordnung ausgeübte Kraft und die Abszisse die
Position der Kolbenanordnung dar, wobei 0,0 die Position
der Kolbenanordnung darstellt, wenn ihre Bewegung nach
rechts durch den Haltering 76 angehalten wird. Diese
Graphen gelten für eine Kolbenanordnung, bei der der
sechseckige, den größeren Durchmesser aufweisende Teil
einen Durchmesser von ca. 13 mm (0,5 Zoll) und eine Länge
von ca. 28 mm (1,1 Zoll) aufweist und der konisch
zulaufende Teil eine Länge von ca. 19 mm (3/4 Zoll)
aufweist und sich auf ungefähr den Durchmesser der
magnetischen Verlängerung vermindert, der in diesem Fall
ca. 6 mm (1/4 Zoll) beträgt.
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Graph A stellt die Magnetkraftkennlinie dar, die
erhalten wird, wenn die Verlängerung 58 ca. 14 mm (ca.
0,55 Zoll) lang ist und einen Durchmesser von ca. 6 mm
(0,25 Zoll) aufweist.
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Kurve B zeigt die Magnetkraftkennlinie für eine
Verlängerung, die ca. 1,3 mm (0,05 Zoll) kürzer ist als
für Graph A. Die anderen Graphen C und D zeigen die
Magnetkraftkennlinien für Längen der Verlängerung 58, die
2,5 mm (0,10 Zoll) kürzer bzw. 1,3 mm (0,05 Zoll) länger
sind als für Graph A.
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Auf dem gleichen Graph ist eine geeignete Feder-
Vorspannlastlinie S aufgetragen.
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Bei jedem Graphen A-D von Figur 9 sind die
Abmessungen des Stellglieds derart, daß sich das linke
Ende der magnetischen Verlängerung 58 zwischen einer
leicht innerhalb des Endstücks 36 liegenden Position und
einer außerhalb des Endstücks liegenden Position bewegt.
Bei diesem Beispiel beträgt der bevorzugte
Betriebsbereich von ca. 3,5 mm (0,15 Zoll) bis ca. 13 mm
(0,5 Zoll) unter Verwendung der Kennlinie des Graphen A.
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5 Im allgemeinen ist es bei Verwendung in einem
Rückkoppelsystem wünschenswert, daß der Winkel, den die
Federlastlinie mit der Magnetkraftkennlinie bildet,
relativ groß ist. Um dies zu erreichen, ist für jede
beliebige Größe des Stromflusses im Elektromagnet eine
fast konstante Kraft über die Länge des Kolbenhubs
wünschenswert. Die Abmessung der Teile der
Kolbenanordnung kann nach Wunsch ausgeführt werden, um
jeder beliebigen Anwendung der Erfindung gerecht zu
werden.
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Figur 10 ist ein Graph, der die Auswirkungen der
Veränderung des Kegelwinkels und des Durchmessers der
Schulter am linken Ende des konischen Teils des Kolbens
zeigt, wie unter den Graphen von Figur 10 dargestellt.
Graph A zeigt die Kennlinie, wenn keine Schulter
vorhanden ist, d.h. der Durchmesser des Endes des
konischen Teils ist gleich dem, Durchmesser der
Verlängerung 58; Graph B zeigt die Kennlinie für eine
relativ große Schulter, deren Durchmesser größer ist als
der der Verlängerung 58, und Kurve C zeigt die Kennlinie
für einen Schulterdurchmesser, der etwas kleiner ist als
der Durchmesser der Verlängerung. Bei der letzteren
Konfiguration wird eine fast lineare horizontale Kurve
über den größten Bereich von Kolbenpositionen erreicht,
weshalb sie für bestimmte Anwendungen bevorzugt wird.
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In Figur 2 wird gestrichelt der bevorzugte
Bereich für den Hub des Kolbens bezüglich des vorderen
oder am weitesten links liegenden Rands der magnetischen
Verlängerung 58 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß der
Kolben vorzugsweise über einen Bereich betrieben wird, in
dem sich dieser vordere Rand aus einer Position, in der
er mit dem linken Endstück bündig ist oder gerade
darinnen liegt, über Positionen in dem Endstück und
darüber hinaus bewegt. Wenn sich das Ende der
magnetischen Verlängerung 58 in dem Endstück befindet,
wird die Größe des magnetischen Flusses von dem radialen
"Luft"-Spalt zwischen der Verlängerung 58 und dem
Endstück 40 beherrscht. Somit wird der magnetische Fluß
unabhängig von der Position des Kolbens ungefähr konstant
gehalten.
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Demgemäß wird ein neues und geeignetes
elektromagnetisches Stellglied mit linearer Bewegung,
dessen Kennlinie über einen relativ großen Bereich von
Kolbenpositionen eine fast konstante Kraft aufweist, und
ein folglich fast proportionales Neupositionieren des
Kolbens als Reaktion auf Änderungen des Magnetstroms
bereitgestellt, dessen Herstellung dennoch kostengünstig
ist.
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In den Figuren 11 - 15 wird eine besondere
Kombination eines Linearstellglieds in einer
Dieselölpumpe dargestellt, und zwar in einer Form, in der
das Stellglied als Grundausrüstungsteil als Komponente
der Pumpe vorgesehen werden kann oder zu einem späteren
Zeitpunkt an einer schon existierenden Pumpe leicht
installiert werden kann.
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In Figur 11 wird die obere Hälfte einer
handelsüblichen Dieselölpumpenart mit einem äußeren
Gehäuse 101 gezeigt, wobei ein oberer Teil 102 davon
mittels Bolzen wie zum Beispiel 104 leicht abbaubar und
austauschbar ist. Der Drosselklappenhebel 105 wird in
seiner normalen Betriebsposition gezeigt. Bei der Pumpe
kann es sich beispielsweise um eine von der Firma
Stanadyne Corp. mit Sitz in Windsor, Connecticut,
hergestellte Dieselölpumpe Modell DBDM handeln.
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In Figur 12 wird die gleiche Pumpe gezeigt, wobei
aber der obere Teil 102 des Gehäuses abgebaut und durch
einen neuen Gehäuseoberteil 108 ersetzt ist, der das
erfindungsgemäße Linearstellglied 110 enthält. In diesem
Fall ist der Drosselklappenhebel 105 in seiner Position
mit maximal geöffneter Drossel gezeigt, und das
Linearstellglied steuert stattdessen die
Kraftstofförderung.
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Die Einzelheiten der bevorzugten Form des
Gehäuses und Linearstellglieds für diesen Zweck werden in
den Figuren 13 - 15 deutlicher daßrgestellt. Der obere
Gehäuseteil 108 ist derart gegossen, daß er einen
röhrenförmigen Hohlraum 112 enthält, wobei ein Ende 114
davon mit einem leeren Schacht 116 in Verbindung steht,
der nach unten zur oberen Fläche des Dieselöls verläuft,
das das Innere der Pumpe durchdringt.
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Das Linearstellglied ähnelt vorzugsweise in den
meisten Punkten dem in Figur 2 gezeigten, wobei nur
geringe Unterschiede bestehen. Es wird in umgekehrter
Position von der Darstellung in Figur 2 gezeigt, und das
den größeren Durchmesser aufweisende Ende des Kolbens 122
wird zum Stützen des Ausgangsbetätigungsstabs 123
verwendet, dessen äußeres Ende an ein Ende eines
Verbindungshebels 124 stößt. Der Verbindungshebel wird
von einem in einem Lager angebrachten Zapfen 128
beispielsweise durch Schweißen gestützt, so daß, wenn das
obere Ende des Verbindungshebels in Figur 13 nach links
geschoben wird, sich das untere Ende 131 des Hebels nach
rechts bewegt und gegen das herkömmliche
Kraftstoffsteuergestänge 132 schiebt, das zur
Grundausstattung der Pumpe gehört. Diese Bewegung erfolgt
als Reaktion auf Verminderungen des durch den
Stellgliedelektromagnet 136 fließenden Stroms, wobei bei
Erhöhen des Spulenstroms der Kolben 122 als Reaktion auf
die durch die Feder 140 ausgeübte Kraft in Figur 13 nach
rechts bewegt wird, das untere Ende 131 des Hebels 124
nach links bewegt wird und das Kraftstoffsteuergestänge
132 ihm aufgrund der Vorspannwirkung einer leichten
Feder, die Teil des schon existierenden
Kraftstoffgestängesystems darstellt und nicht gezeigt
wird, folgt. Der Strom im Elektromagnet 136 wird durch
einen Stromregler, wie zum Beispiel 20 in Figur 1,
bestimmt, so daß beispielsweise eine Regelung auf
konstante Drehzahl bereitgestellt wird.
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Insbesondere enthält das Linearstellglied in
diesem Beispiel einen äußeren Stahlzylinder 142, dessen
linkes Ende an eine Unterlegscheibe 144 anstößt. Der
Stahlzylinder 142 ist gleitend in dem röhrenförmigen
Hohlraum 112 angeordnet; der Elektromagnet ist dicht
anliegend in dem Stahlzylinder 142 angeordnet, und ein
Zylinder 145 aus Kunststoff oder einem anderen
nichtmagnetischen Material ist dicht anliegend in dem
Elektromagnet angebracht. Der feststehende Federhalter
154 hält das rechte Ende der Feder 140 fest, und der sich
bewegende Federhalter 162 ist an dem Kolben 122 des
Elektromagnets befestigt. Dieser Kolben ist wiederum
vorzugsweise jener Art, die einen sechseckigen, einen
größeren Durchmesser aufweisenden magnetischen Teil 166,
einen konisch zulaufenden magnetischen Teil 168, einen
vorragenden magnetischen zylindrischen Teil 170 und einen
weiter vorragenden sechseckigen nichtmagnetischen Teil
174 aufweist. Der den größeren Durchmesser aufweisende
Teil gleitet in dem Gleitlager 178, und die den kleineren
Durchmesser aufweisende Verlängerung 170 gleitet in dem
Gleitlager 180.
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Das rechte Ende des Stellglieds wie in Figur 13
dargestellt enthält ein feststehendes Endstück 182 aus
magnetischem Material und eine isolierende
Verschlußstopfenanordnung 190. Eine mit Löchern zum
Durchlaß der beiden Elektromagnetleitungen, wie zum
Beispiel 194, versehene Paßscheibe 192 ist zwischen dem
rechten Ende des Endstücks 182 und der linken Seite des
Stopfens 200 positioniert, welcher eng anliegend in dem
benachbarten Ende des äußeren Gehäuses 108 angebracht und
durch vier Schrauben 202, dafan befestigt ist.
Gegeneinander isolierte Durchgangsklemmen 204 und 206
verbinden die Elektromagnetleitungen mit den äußeren
Stromsteuerleitungen 208 und 210. Klebstoff und/oder eine
Dichtung ist zwischen dem Stopfen 200 und dem
benachbarten Ende des äußeren Gehäuses 108 vorgesehen, um
es gegen Gasströmung abzudichten, wodurch eine Luftmenge
220 über dem Dieselöl 118 in der Pumpe eingeschlossen
ist.
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Ein überdruckrückschlagventil 222 ist in Höhe der
Oberfläche der Flüssigkeit 118 in der Pumpe an der Wand
des Gehäuses angebracht und ist so eingestellt, daß es
die Flüssigkeit wieder zu dem Tank freisetzt, wenn ihr
Druck über eine vorher ausgewählte Höhe, in der Regel 5
psi, steigt.
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Im Gebrauch wird verhindert, daß der Kraftstoff
118 durch den Gegendruck der eingeschlossenen Luftmenge
220 in das Stellglied ansteigt, so daß Fremdkörper, wie
zum Beispiel kleine Teilchen aus ferromagnetischem
Material, im Dieselöl nicht in das Stellglied gelangen
und seinen Betrieb beeinträchtigen.
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Demgemäß ist das Stellglied zwar in das Innere
der Pumpe eingebaut, wodurch es keinen äußeren
Montageraum benötigt, wird jedoch ohne Verunreinigung
durch den Kraftstoff in der Pumpe betrieben und kann
leicht montiert werden, indem die aufeinanderfolgenden
Teile einfach in das äußere Ende des röhrenförmigen
Hohlraums 112 geschoben werden und dann der Stopfen 200
eingesetzt und abgedichtet wird.