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Dokumentenidentifikation DE102005011629A1 21.09.2006
Titel Elektromagnetischer Antrieb für Ventilsteuerungen
Anmelder Rausch & Pausch GmbH, 95100 Selb, DE
Erfinder Döhla, Werner, 95482 Gefrees, DE;
Rauch, Michael, 95168 Marktleuthen, DE;
Kießling, Markus, 95126 Schwarzenbach, DE;
Feiler, Sebastian, 95168 Marktleuthen, DE;
Kemnitz, Rocco, 08606 Bobenneukirchen, DE
Vertreter Bock, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 07745 Jena
DE-Anmeldedatum 09.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005011629
Offenlegungstag 21.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.09.2006
IPC-Hauptklasse H01F 7/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 31/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Elektromagnetischer Antrieb für Ventilsteuerungen, bei denen ein Anker und eine elektrische Spule zwischen zwei Endlagen relativ zueinander bewegt werden. Zur Vermeidung von Reibungskräften und mechanischer Hysterese sowie zur Gewährleistung einer einfachen, wirkungsvollen und wenig Raum beanspruchenden Konstruktion ist der Anker mit Hilfe wenigstens einer Feder axial verstellbar gelagert, die in axialer Richtung eine geringe Steifigkeit und in radialer Richtung eine hohe Steifigkeit aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb für Ventilsteuerungen gemäß der Gattung der beigefügten Patentansprüche. Derartige Antriebe können insbesondere dort angewendet werden, wo es um das gezielte Beeinflussen der Ablaufgeschwindigkeit von Zylindersteuerungen in hydraulischen Antrieben geht, bspw. bei automatischen Cabrio-Verdeckabläufen und bei Ventilen für aktive Fahrwerksysteme.

Bekannt sind elektrische Motoren zur direkten Erzeugung oszillierender oder fortschreitender Bewegungen bei berührungsloser Kraftübertragung, siehe hierzu Bernd Rohr und Herbert Wiele, Lexikon der Technik, VEB Bibliographisches Institut, 1986, Seiten 354 + 355. Sie werden u. a. in Positioniereinrichtungen und in Pumpen für flüssige Metalle eingesetzt. Im Falle der oszillierenden Bewegung ist das mit zweifacher Wirkrichtung zu bewegende Teil mit Hilfe Blattfedern gelagert, die axial und radial eine hohe Steifigkeit aufweisen.

Bei der Steuerung von hydraulischen und pneumatischen Fahrwerkkomponenten in der Fahrzeugtechnik werden Magnetventile verwendet, bei denen ein Anker gegenüber einer Spule in der Regel gleitend bewegt wird. Diese Bewegung soll durch entsprechende Beschichtungen und/oder Gestaltungen der benachbarten Oberflächen möglichst reibungs- und hysteresearm sowie spielarm gehalten werden. Hierzu sind erhebliche Aufwendungen zur Vergütung der einander kontaktierenden Bauteile oder ihrer Oberflächen ebenso erforderlich wie die Einhaltung enger Toleranzen bei der Anfertigung der Bauteile. Die Gewährleistung genauer Bewegungsabläufe ist schließlich mit einem hohen Montageaufwand und gegebenenfalls mit einer aufwändigen elektronischen Ansteuerung des sich bewegenden Bauteils verbunden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Magnetantrieb, vorzugsweise einen Proportionalmagnetantrieb, mit reibungsfreier oder zumindest nahezu reibungsfreier Lagerung, geringer mechanischer Hysterese, hoher Ansprechempfindlichkeit, niedriger Umkehrspanne und spielfreier Führung des beweglichen Bauteils zu schaffen, der kostengünstig und prozesssicher herstellbar ist, selbst ein geringes Bauvolumen und Gewicht sowie einen niedrigen elektrischen Leistungsbedarf aufweist, verschleißarm arbeitet und zur Anwendung in Ventilen für ein breites Spektrum von flüssigen und gasförmigen Medien geeignet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst und durch die Merkmale der Unteransprüche vorteilhaft ausgestaltet. Die Steifigkeit der Blatt- oder Scheibenfedern liegt in axialer Richtung im Bereich von 1 ... 4 N/mm und in radialer Richtung im Bereich von 1000 ... 5000 N/mm. Da sich die Kraftnulllage der Federlagerung vorteilhaft im Hubbereich befindet, sind auch große Ankerhübe (3 mm und mehr) möglich, wenn man von radialen Abmessungen des Ankers bzw. des bewegten Bauteils von typischer Weise 5 ... 30 mm ausgeht. Der Hubbereich liegt bei ± 1 ... 2 mm in einer Auslenkungsrichtung; ein möglicher Gesamthub beträgt 2 ... 4 mm, bspw. bei vorgespannter Blattfeder bzw. vorgespannten Blattfedern. Diese können als Tellerfedern oder radförmig gestaltet sein, wobei die Speichen vorteilhaft in radialer Richtung geschwungen gestaltet sind. Die Blattfedern gewährleisten eine exakte axiale Führung des/der bewegten Bauteils/Bauteile. Eine stabile Bewegungsrichtung jedes bewegten Bauteils, das vorzugsweise der Anker ist, ergibt sich durch die Kombination der Federlagerung mit einer zusätzlichen axialen Kraft, bspw. einer Federkraft, einer hydraulischen Kraft oder einer pneumatischen Kraft. Die Lagerelemente können ohne zusätzliche Bauelemente befestigt (verstemmt) sein. Sie können sich direkt als Elemente im Magnetkreis befinden. Das bewegte Bauteil kann ein- oder beidseitig mit Blattfedern gelagert sein. Ist der Anker über einen Stößel oder eine Zugstange mit einem Dichtkörper o. ä. verbunden, so ist diese Verbindung zum Ausgleich von axialen Versätzen vorteilhaft querkraftweich gestaltet, so dass keine exakte radiale Positionierung des bewegten Bauteils zum Dichtkörper oder einem anderen Peripherie- bzw. Ventilbauteil notwendig ist.

Insbesondere wenn das bewegliche Bauteil beidseitig mittels Blattfedern gelagert ist, ergibt sich eine absolut reibungsfreie Lagerung, die keine mechanische Hysterese und gleich gar nicht aufwendige elektronische Ansteuerungen zur Ausschaltung der mechanischen Hysterese aufweist. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Lagerung radial spielfrei, verschleißfrei, wartungsfrei und geräuschfrei. Sie erfordert weder Schmiermittel o. ä. noch besonders vergütete Bauelemente. Sie ist weiterhin schmutzunempfindlich, temperaturunempfindlich, trockenlaufgeeignet und verursacht keine Verschmutzungen der das Ventil durchströmenden Medien. Die Blattfedern oder Tellerfedern sind in den verschiedensten Formen einfach herstellbar und prozesssicher montierbar. Die auch für große Ankerhübe anwendbare Erfindung ermöglicht eine definierte Position der bewegten Teile im elektrisch stromlosen Zustand sowie kurze, leichte Ankerbauformen, mit denen eine hohe Dynamik verbunden ist. Der Magnetkreis eines Ventils wird durch die Erfindung nicht mechanisch belastet, so dass es nicht zu diesbezüglichen Einschränkungen bei der Werkstoffwahl kommt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Aufrissschnitt eines Magnetventils mit einem erfindungsgemäßen Antrieb in Kraftnulllage der Lagerungselemente,

2 den erfindungsgemäßen Antrieb der 1 in Kraftnulllage des Antriebs, allerdings ohne Strömungsteil,

3 den erfindungsgemäßen Antrieb der 1 bei voller Wirksamkeit, ohne Strömungsteil,

4 eine mögliche Gestaltungsform der Blattfeder in Draufsicht und

5 ein Diagramm zur Darstellung der Lagerungshysterese nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung.

In 1 ist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Achse X-X ausgebildetes Magnetventil 10 mit einer Magnethülse 11 zu erkennen, die beiderseits mit Deckeln 12, 13 versehen ist. In den an der Hülse 11 befestigten Deckel 12 ist im Wesentlichen koaxial zur Achse X-X eine Justier- und Verschlussschraube 14 eingeschraubt, gegen die sich eine Feder 15, vorzugsweise eine zylindrische Druckfeder, mit einem Ende abstützt. Mit dem anderen Ende stützt sich die Feder 15 gegen ein sie umgebendes Gehäuse 16 ab, das mit einem axial beweglichen Anker 17 eines Elektromagneten fest verbunden ist. Zum Elektromagneten gehört eine an der Hülse 11 unbeweglich angeordnete elektrische Spule 18 mit einem elektrischen Anschluss 19. An der von der Justierschraube 14 abgewandten Seite umgreift die Hülse 11 die Spule 18, so dass letztere starr gehaltert ist und die Hülse 11 gleichzeitig ein Führungsteil 20 für den in Richtung eines Doppelpfeils 30 beweglichen Anker 17 bilden kann. Das andere Führungsteil 20' wird von einem Lagerkörper 21 gebildet, der sich zwischen dem Deckel 12 und der Spule 18 bzw. dem Spulengehäuse 18' befindet. Eine Blattfeder (Tellerfeder) 22 ist im Wesentlichen rechtwinklig zur Achse X-X angeordnet und in der Nähe des Deckels 12 peripher am Lagerkörper 21 eingespannt. Zentral ist die Blattfeder 22 mit einer Öffnung für das Gehäuse 16 versehen und mit diesem starr verbunden. Nahe dem Deckel 13 ist an der Hülse 11 eine zweite Tellerfeder 23 peripher eingespannt, die im Zentrum am sie durchgreifenden Ankerende befestigt ist. Beide Tellerfedern 22, 23 weisen eine hohe Steifigkeit in radialer Richtung auf, bspw. 3000 N/mm, und eine geringe Steifigkeit in axialer Richtung, bspw. 2 N/mm. Sie bewirken, dass die Baueinheit Gehäuse/Anker 16/17 keine seitliche, wohl aber eine axiale Bewegung von bis zu 5 mm durchführen kann. Der Anker 17 soll dabei einen Durchmesser von 15 mm aufweisen.

Der Deckel 13 besitzt eine zentrale Öffnung 13', durch die eine am Anker 17 befestigte Stange 24 in axialer Richtung hindurchragt. Auf der Stange 24 ist ein Schieber 25 starr befestigt, der in einer Ventilpatrone 26 gleitet, die Öffnungen T, V und P aufweist. Je nach der Stellung des Schiebers 25 bestehen Strömungsverbindungen zwischen den Öffnungen V und P oder V und T oder es besteht wie in der Darstellung der 1 keine Strömungsverbindung. Die Stange 24 ermöglicht eine in axialer Richtung steife und in radialer Richtung weiche Verbindung des Ankers 17 zum Schieber 25, so dass ein evtl. vorhandener ungewollter radialer Versatz zwischen dem Schieber 25 und seinem elektromechanischen Antrieb 17, 18 sich nicht hemmend auswirken kann. Das gesamte Magnetventil 10 ist in seinen Teilen im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Achse X-X ausgebildet.

In 1 ist der Elektromagnet 17, 18 so bestromt, dass der Anker 17 sich in einer mittleren Lage befindet, in der die Blattfedern 22, 23 sich in einer entspannten Lage, der Kraftnulllage befinden. Die Druckkraft der Zylinderfeder 15 und die Anzugskraft des Elektromagneten 17, 18 gleichen sich in dieser Lage aus, so dass alle möglichen Strömungswege des Ventils 10 gesperrt sind.

Befindet sich das Ventil 10 im stromlosen Zustand, so drückt die Zylinderfeder 15 den Anker 17 in den Führungen 20, 20' unter Ausnutzung des möglichen Hubs der Lagerfedern 22, 23 in axialer Richtung in eine in 2 dargestellte erste Endlage, in der die Lagerfedern gespannt sind. In dieser Endlage besteht eine Strömungsverbindung zwischen den Öffnungen T und V, wie sich im Zusammenhang mit 1 leicht erkennen lässt, in welcher der Schieber 25 nach unten verschoben zu denken ist.

Ist der Elektromagnet 17, 18 voll unter Strom, so wird durch den parallel zur Achse X-X bis zum Anschlag an den Lagerkörper 21 und entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der 2 sich bewegenden Anker 17 die Feder 15 zusammengedrückt, die Lagerfedern 22, 23 kommen in eine in 3 gezeigte zweite Endlage, die bezüglich Mittellage der 1 etwa symmetrisch zu der in 2 dargestellten Federlage ist. Der Schieber 25 vollführt also einen entgegengesetzten Hub bezüglich 2, so dass eine Strömungsverbindung zwischen den Öffnungen P und V in der Patrone 26 zu Stande kommt.

4 zeigt eine Ausführungsform einer Lagerfeder (S-Feder) 22 (oder 23), die einen Nabenteil 221, einen Felgenteil 222 und zwischen beiden bestehende, in radialer Richtung geschwungene Stege 223 aufweist, die durch Ausnehmungen 224 voneinander getrennt sind. Die drei Stege 223 gewährleisten einerseits eine ausreichend sichere und stabile Verbindung, zwischen dem Nabenteil 221 und dem Felgenteil 222 ermöglichen sie einen großen Hub des Ankers 17 mit dem Schieber 25 gegenüber der Patrone 26. Die S-Federlagerung fixiert also die radiale Position des bewegten Bauteils (Ankers) 17 zu den umgebenden Teilen 18, 20, 21 des Magnetkreises (1). Neben der Gestaltung der Polkontur beeinflusst der radiale Abstand zwischen Anker 17 und Führung 20' bzw. seine Konstanz entscheidend die Magnetcharakteristik (Kennlinie), die eine hohe Wiederholgenauigkeit aufweist.

Andere Ausführungsformen der Lagerfedern sind Scheiben mit konzentrisch zur Achse X-X verlaufenden Riffelungen oder einzelne Blattfederstreifen, die in Durchmesserrichtung verlaufen.

Außerdem ist es möglich nur eine Lagerfeder 22 oder 23 am Anker 17 vorzusehen und die Orientierung der Bewegung durch die Gleitführung 20, 20' mit zu sichern. Auch können die Hübe des Ankers 17 aus der Kraftnulllage der Lagerfeder(n) nur nach einer Seite erfolgen, was in manchen Anwendungsfällen vorteilhaft sein kann. Dadurch werden allerdings die Hubmöglichkeiten Lagerfedern nur zur Hälfte ausgenutzt.

5 lässt ein Diagramm erkennen, in dem über dem elektrischen Strom I bei der Bestromung des Elektromagneten 17, 18 (13) als Abszisse der Hub des Ankers 17 mit dem Schieber 25 als Ordinate dargestellt ist. Kurven 27, 28, 29 verdeutlichen die Gesamthysterese, welche unter bestimmten untersuchten Lagerungsbedingungen des Ankers 17 in den Umkehrpunkten bzw. an Haltepunkten seiner Bewegung auftritt und die sich aus der magnetischen Hysterese und der mechanischen Hysterese zusammensetzt. In diesem Vergleich soll die magnetische Hysterese, die von der Magnetkreisgestaltung abhängt, in jedem Fall die gleiche sein. Die Kurve 27 stellt die magnetische und mechanische Hysterese dar, die im Falle einer Gleitlagerung eines Ankers gemäß dem Stand der Technik auftritt. Sehr deutlich ist in Kurve 27 die Wirkung der Haftung bei Umkehrung der Bewegung jeweils als ein Kurvenstück 271 bzw. 272 zu erkennen, das parallel zum elektrischen Strom I verläuft; das heißt also, es tritt eine Umkehrspanne in der Bewegung des Ankers ein, in der der Anker zunächst sich nicht bewegt, obwohl die Bestromung umgekehrt wird. Aber auch wenn die Bewegung des Ankers 17 zwischendurch angehalten wird, bspw. im Zustand der 1, tritt bei einer Signaländerung ein verzögertes Ansprechen des Ankers 17 an der Stelle 273 der Hystereseschleife gemäß dem Stand der Technik auf. Dem gegenüber stellen die Kurven 28 und 29 die magnetische Hysterese im Falle der erfindungsgemäßen Federlagerung des Ankers 17 dar, und zwar die Kurve 28 für die Endpunkte der Ankerbewegung und die Kurve 29 für anwendungsbedingte Zwischenbewegungen. In jedem Fall spricht der Anker 17 ohne Verzögerung auf eine Veränderung der Bestromung der Spule 18 an, was in den Spitzen 281 und 282 der Kurve 28 sowie in den Spitzen 291 und 292 der Kurve 29 deutlich zum Ausdruck kommt.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

10Magnetventil 11Magnethülse 12, 13Deckel 14Verschlussschraube 15Feder 16Gehäuse 17Anker 18Spule 19Anschluss 20, 20'Führungsteil 21Lagerkörper 22, 23Blattfedern, Tellerfedern 24Stange 25Schieber 26Patrone 27, 28, 29Kurven 30Doppelpfeil 221Nabenteil 222Felgenteil 223Stege 224Ausnehmungen 271, 272, 273Kurvenstücke 281, 282, 291, 292Spitzen P, T, VÖffnungen X-XAchse

Anspruch[de]
  1. Elektromagnetischer Antrieb für Ventilsteuerungen, bei denen ein Anker (17) und eine elektrische Spule (18) zwischen zwei Endlagen relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (17) mit Hilfe wenigstens einer Feder (22, 23) axial verstellbar gelagert ist, die in axialer Richtung eine geringe Steifigkeit und in radialer Richtung eine hohe Steifigkeit aufweist.
  2. Elektromagnetischer Antrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feder (22, 23) als Tellerfeder ausgebildet ist.
  3. Elektromagnetischer Antrieb gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder mit Ausnehmungen (224) versehen ist, zwischen denen in radialer Richtung geschwungene Stege (223) bestehen.
  4. Elektromagnetischer Antrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feder (22, 23) streifenförmig gestaltet ist.
  5. Elektromagnetischer Antrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feder (22, 23) eine Kraftnulllage (1) aufweist, die sich zwischen den Endlagen (2, 3) der Relativbewegung (30) von Anker (17) und Spule (18) befindet.
  6. Elektromagnetischer Antrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feder (22, 23) eine Kraftnulllage aufweist, die mit einer der Endlagen der Relativbewegung von Anker (17) und Spule (18) zusammenfällt.
  7. Elektromagnetischer Antrieb gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (22, 23) eine axiale Steifigkeit von 1 ... 4 N/mm und eine radiale Steifigkeit von 1000 ... 5000 N/mm auf weist.
  8. Elektromagnetischer Antrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (17) im unbestromten Zustand durch eine Kraftkomponente (15) entgegen der Wirkung der Feder (22, 23) in eine Ausgangslage gedrückt ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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