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Dokumentenidentifikation DE10256165B4 03.01.2008
Titel Luftservoventil
Anmelder SMC Corp., Tokyo, JP
Erfinder Yajima, Hisashi, Yawara, Ibaraki, JP;
Fujiwara, Nobuhiro, Yawara, Ibaraki, JP;
Matsumoto, Daisuke, Yawara, Ibaraki, JP;
Yo, Seikai, Yawara, Ibaraki, JP;
Miyachi, Hiroshi, Yawara, Ibaraki, JP
Vertreter Keil & Schaafhausen Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 02.12.2002
DE-Aktenzeichen 10256165
Offenlegungstag 07.08.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G05D 16/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F15B 13/044(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F16K 31/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G05D 7/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Luftservoventil für eine Spulenschaltung mit einem elektromagnetischen Stellglied mit beweglichem Magnet als Antriebsquelle.

Stand der Technik

Herkömmlicherweise werden zur Steuerung des Fluiddruckes, der einem Fluiddruckzylinder oder dgl. zugeführt wird, Spulen-Schaltventile verwendet. Das Spulen-Schaltventil ist so aufgebaut, dass ein Elektromagnet als Antriebsquelle zum Antreiben einer Spule verwendet wird, wobei die Spule durch einen beweglichen Eisenkern des Elektromagneten angetrieben wird. Ein solcher Elektromagnet ist für Fälle geeignet, in denen die Spule auf zwei Positionen geschaltet wird. Er ist jedoch nicht geeignet, wenn eine Durchflussratensteuerung durch eine Feedback-Steuerung der Betriebsposition einer Spule erfolgt.

Wenn die Durchflussratensteuerung durch eine Feedback-Steuerung der Betriebsposition der Spule erfolgt, wird ein elektromagnetisches Stellglied mit beweglichem Magneten als Antriebsquelle verwendet, wie es bspw. in der JP-A 06-38486 beschrieben ist. Bei diesem elektromagnetischen Stellglied ist ein stabförmiger Permanentmagnet im Inneren einer Wicklung angeordnet, welche in zylindrischer Form als unbeweglicher Körper gewickelt ist. Der Permanentmagnet wird durch die Interaktion zwischen dem durch Strom, der zu der Wicklung fließt, erzeugten magnetischen Fluss und dem magnetischen Fluss des Permanentmagneten verschoben, wodurch die Spulenschaltung erfolgt. Die Betriebsposition der Spule wird durch einen Verschiebungssensor erfasst. Das elektromagnetische Stellglied wird auf der Basis eines Detektionssignals des Sensors feedback-gesteuert, um die Durchflussrate zu regeln.

Da das oben beschriebene bekannte elektromagnetische Stellglied aber einen stabförmigen Permanentmagneten als beweglichen Körper einsetzt, besteht das Problem, dass das Verhältnis von erzeugtem Schub zu dem Gewicht des Permanentmagneten aufgrund der Größe des Magneten klein wird. Außerdem ist die Antwortgeschwindigkeit niedrig. Da der N-Pol und der S-Pol in einer Axialrichtung des Permanentmagneten magnetisiert sind, besteht außerdem das Problem, dass das Stellglied während der Betätigung durch seitliche Lasten leicht beeinflusst wird. Erfolgt die Durchflussratensteuerung durch Feedback-Steuerung der Betriebsposition der Spule, ist es bequem, die Verschiebung des Permanentmagneten durch einen magnetischen Sensor zu erfassen, da es nicht notwendig ist, die Verschiebung der Spule direkt zu erfassen. Da sich aber die Flussdichte nicht linear ändert, ist es sehr schwer, die Verschiebung des Permanentmagneten genau zu erfassen.

Beschreibung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile bei einem Luftservoventil mit einem elektromagnetischen Stellglied mit beweglichem Magnet als Antriebsquelle für die Spulenschaltung zu vermeiden, wenn ein stabförmiger Permanentmagnet, bei dem der N-Pol und der S-Pol in einer Axialrichtung magnetisiert sind, als beweglicher Körper verwendet wird. Es soll ein Luftservoventil mit guter Antwortgeschwindigkeit und zuverlässiger Betriebsstabilität geschaffen werden, bei dem die Verschiebung einer Spule über den beweglichen Körper genau erfasst werden kann, um eine präzise Durchflussratensteuerung zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst ein Luftservoventil gemäß der vorliegenden Erfindung einen Ventilschaltabschnitt mit einer Vielzahl von Anschlussöffnungen, eine Ventilöffnung, die mit den Anschlüssen in Verbindung steht, und eine Spule, die gleitend in die Ventilöffnung eingesetzt ist, um die Durchflusswege zwischen den Anschlüssen umzuschalten, einen Antriebsabschnitt mit einem zylindrischen Joch, das ein Paar einander gegenüberliegender Polzähne aufweist, wenigstens eine Erregerspule, die um das Joch gewunden ist, einen zylindrischen Permanentmagneten, der in einem hohlen Abschnitt des Joches in einer Axialrichtung des Joches beweglich angeordnet ist, wobei der N-Pol und der S-Pol in einer Radialrichtung magnetisiert sind, und einen Magnethalter aus einem nicht magnetischen Körper, welcher den Permanentmagneten und die Spule miteinander koppelt, einen Verschiebungssensor, der so angeordnet ist, dass er auf einer mittleren Axiallinie des Magneten innerhalb des Permanentmagneten angeordnet ist, und der die Verschiebung des Permanentmagneten auf der Basis der Änderung der Flussdichte erfasst, und einen Steuerabschnitt, der ein Detektionssignal von dem Verschiebungssensor mit einem eingestellten Wert vergleicht, um einen Öffnungsgrad des Ventils durch Steuerung des Antriebsabschnittes auf der Basis der Abweichung des Detektionssignals von dem eingestellten Wert anzupassen.

Wird bei dem Luftservoventil mit dem oben beschriebenen Aufbau die Erregerspule betrieben, wird entsprechend der Richtung des Stromes ein Polzahn des Joches der N-Pol und der andere Polzahn wird der S-Pol. Wenn der in diesen Polzähnen erzeugte magnetische Pol und der magnetische Pol an der Seite eines Außenumfanges des Permanentmagneten unterschiedliche Pole sind, wirkt eine Anziehungskraft zwischen diesen magnetischen Polen. Wenn es aber die gleichen Pole sind, wirkt eine Abstoßungskraft zwischen ihnen. Daher verschiebt sich der Permanentmagnet durch diese Kräfte in Axialrichtung, sodass die Spulenumschaltung erfolgt. Da der zylindrische Permanentmagnet als der bewegliche Körper verwendet wird, kann der Schub relativ zu dem Gewicht des beweglichen Körpers im Vergleich mit dem herkömmlichen Fall, bei welchem der stabförmige Permanentmagnet eingesetzt wird, vergrößert werden, und das Luftservoventil gemäß der vorliegenden Erfindung weist gegenüber dem herkömmlichen Artikel eine verbesserte Reaktionsgeschwindigkeit auf.

Andererseits wird die Verschiebung des Permanentmagneten durch den Verschiebungssensor als die Verschiebung der Spule erfasst und das Detektionssignal zu dem Steuerschaltkreis zurückgeführt. In dem Steuerschaltkreis wird das Detektionssignal mit dem eingestellten Wert verglichen, ein Steuersignal von dem Steuerschaltkreis zu dem Antriebsabschnitt ausgegeben, sodass die Abweichung gleich null wird, und der Verschiebungsweg des Permanentmagneten, d. h. der Verschiebungsweg der Spule, wird angepasst, sodass die Durchflussratensteuerung durchgeführt wird. Da die Flussdichte des zylindrischen Permanentmagneten, welcher in Radialrichtung magnetisiert wurde, auf der zentralen axialen Linie linear variiert, ist der Verschiebungssensor auf der zentralen axialen Linie innerhalb des hohlen Abschnittes des Permanentmagneten angeordnet, sodass die Verschiebung des Permanentmagneten exakt erfasst werden kann. Dies erlaubt eine sehr präzise Durchflussratensteuerung.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Joch einen zylindrischen äußeren Zylinderabschnitt und ein Paar innerer Zylinderabschnitte, die konzentrisch zu dem äußeren Zylinderabschnitt angeordnet sind und einander mit einer konstanten Lücke gegenüberliegen. Die inneren Zylinderabschnitte bilden den ersten Polzahn und den zweiten Polzahn. Die Erregerspule ist in einem Freiraum zwischen den inneren Zylinderabschnitten und dem äußeren Zylinderabschnitt aufgenommen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Magnethalter zylindrisch ausgebildet und in dem hohlen Abschnitt aufgenommen, der von dem ersten Polzahn und dem zweiten Polzahn des Joches umgeben wird, sodass er sich in einer Axialrichtung verschieben kann. Der Permanentmagnet ist auf eine äußere Umfangsfläche des Magnethalters aufgesetzt.

Erfindungsgemäß erstreckt sich ein Sensorhalter auf einer axialen Achse des Permanentmagneten von einer Abdeckung, die einen Endabschnitt des Joches abdeckt, zu der Innenseite des Permanentmagneten. Der Verschiebungssensor wird durch den Sensorhalter gehalten.

Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Erregerspulen, die in zueinander inversen Richtungen gewunden sind, in Axialrichtung des Joches angeordnet. Die Größe der in den jeweiligen Erregerspulen fließenden Ströme kann individuell gesteuert oder geregelt werden.

Da der in dem ersten Polzahn und dem zweiten Polzahn des Joches erzeugte magnetische Pol und seine Intensität entsprechend der Summe der von den beiden Erregerspulen erzeugten magnetischen Felder bestimmt wird, kann die Bewegungsrichtung des Permanentmagneten und der Spule in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung umgeschaltet werden, indem allein die Größen der Ströme individuell gesteuert werden. Es ist nicht erforderlich, die Richtung der in beiden Erregerspulen fließenden Ströme vorwärts und rückwärts umzuschalten.

Erfindungsgemäß ist ein Stromsensor zur Erfassung des in der Erregerspule fließenden Stromes vorgesehen. Der von dem Stromsensor erfasste Spulenstrom wird zu dem Steuerabschnitt zurückgeführt, sodass die Antwortverzögerung des Spulenstromes zu der Spulenspannung kompensiert wird.

Außerdem kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein manueller Betätigungsmechanismus zum manuellen Schalten der Spule vorgesehen sein. Der manuelle Betätigungsmechanismus umfasst einen Handgriff, der an einem Ventilgehäuse so angebracht ist, dass er um eine Achse des Handgriffs gedreht werden kann, einen an einem distalen Ende des Handgriffs exzentrisch vorgesehenen Stift und eine Eingriffsnut, die an der Spule oder dem Magnethalter für den Eingriff mit dem Stift vorgesehen ist.

Die Spule wird vorzugsweise in einer neutralen Position gehalten, wenn die Erregerspule im nicht erregten Zustand ist. Hierzu ist das Joch erfindungsgemäß so aufgebaut, dass es durch eine magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten nicht magnetisch gesättigt ist, sodass die magnetische Sättigungscharakteristik des Joches genutzt wird. Es ist auch möglich, Rückführfedern an beiden Enden der Spule vorzusehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftservoventils.

2 ist ein Schaltdiagramm eines Steuersystems für die Feedback-Steuerung.

3 ist ein Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftservoventils.

4 ist ein Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

5 ist ein Schnitt durch 4.

6 ist eine vergrößerte Ansicht eines manuellen Betätigungsmechanismus bei der Ausführungsform gemäß 4.

7 ist eine Ansicht, die den Betrieb des manuellen Betätigungsmechanismus erläutert.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Luftservoventils gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Luftservoventil 1A umfasst einen Fünfwege-Ventilschaltabschnitt 2, der den Verbindungszustand von Fluiddurchgängen einer Spule 3 umschaltet, einen Antriebsabschnitt 4, der die Spule 3 durch ein elektromagnetisches Stellglied antreibt, und einen Steuerabschnitt 5, der eine Feedback-Steuerung des Antriebsabschnittes 4 durchführt.

Der Ventilschaltabschnitt 2 weist ein Gehäuse 8 mit einem rechteckigen Abschnitt auf. Ein Zufuhranschluss P, zwei Ausgangsanschlüsse A, B, zwei Auslassanschlüsse EA, EB und eine Ventilöffnung 9 sind in dem Gehäuse 8 ausgebildet. Die Ventilöffnung 9 steht mit den jeweiligen Anschlüssen in Verbindung. Eine Hülse 10 weist an ihrem Umfang Öffnungen auf, die mit den jeweiligen Anschlüssen in Verbindung stehen, und ist in der Ventilöffnung 9 angeordnet. Die Spule 3 zum Umschalten der Durchgänge zwischen den jeweiligen Anschlüssen ist gleitend in der Hülse 10 aufgenommen. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Endabdeckung, die an einem Ende des Gehäuses 8 angebracht ist.

Der Antriebsabschnitt 4 umfasst außerdem ein elektromagnetisches Stellglied und ist an einer Seite des Ventilschaltabschnittes 2 in dessen Axialrichtung angeordnet. Er weist ein zylindrisches Joch 13 auf, das kontinuierlich mit einem Endbereich des Gehäuses 8 verbunden ist. Das Joch 13 umfasst einen magnetischen Körper und hat einen zylindrischen äußeren Zylinderabschnitt 14 und ein Paar von linken und rechten inneren Zylinderabschnitten 15a, 15b, die im Inneren des äußeren Zylinderabschnittes 14 konzentrisch mit diesem angeordnet sind. Die inneren Zylinderabschnitte 15a, 15b liegen einander gegenüber, wobei ein konstanter Spalt zwischen ihnen vorgesehen ist, und bilden dadurch einen ersten Polzahn 16a und einen zweiten Polzahn 16b. Außerdem sind sich nach außen spreizende Flanschabschnitte 15c, 15c an axial äußeren Endbereichen der jeweiligen inneren Zylinderabschnitte 15a, 15b ausgebildet. Der Außenumfang der Flanschabschnitte 15c, 15c tritt in Kontakt mit einer inneren Umfangsfläche des äußeren Zylinderabschnittes an Positionen, die den beiden axialen Endbereichen des äußeren Zylinderabschnittes nahe liegen. Eine zylindrische Erregerspule 17, die um einen Spulenkörper gewunden ist, ist in einem zwischen dem äußeren Zylinderabschnitt 14 und dem inneren Zylinderabschnitt 15a, 15b ausgebildeten Freiraum aufgenommen.

Ein zylindrischer Magnethalter 19, der aus einem nicht magnetischen Körper besteht, dessen eines axiales Ende geöffnet ist, ist in einem Freiraum 18, dessen Außenumfang von dem ersten Polzahn 16a und dem zweiten Polzahn 16b des Joches 13 umgeben wird, so aufgenommen, dass sich der Halter in einer Axialrichtung verschieben kann. Er ist mit einem Endbereich der Spule 3 über eine Schraube 20 gekoppelt. Ein zylindrischer Permanentmagnet 21, dessen N-Pol und S-Pol in einer Radialrichtung magnetisiert sind, ist auf eine äußere Umfangsfläche des Halters 19 in einem Zustand aufgesetzt, in dem der magnetische Pol der äußeren Umfangsfläche des Permanentmagneten den beiden Polzähnen 16a, 16b gegenüberliegt. Der Permanentmagnet ist an dem Magnethalter 19 über eine Mutter 22 befestigt, die auf einen Endbereich des Magnethalters 19 geschraubt ist.

Der Permanentmagnet 21 weist vorzugsweise eine Länge auf, die den Abstand zwischen den beiden Polzähnen 16a, 16b überbrückt. Insbesondere ist die Länge so gewählt, dass auch dann, wenn der Permanentmagnet 21 zu einem Hubende bewegt ist, das andere Ende des Permanentmagneten 21 den Polzahn an der rückwärtigen Seite überlappt oder sich diesem mit einer kleinen Lücke nähert.

Das Joch 13 hat eine solche magnetische Sättigungscharakteristik, dass durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 21 keine magnetische Sättigung bewirkt wird, sodass der Permanentmagnet 21 an einer Position anhält, an welcher die magnetischen Widerstände der magnetischen Wege, die zwischen dem Permanentmagnet 21 und dem ersten Polzahn 16a bzw. zwischen dem Permanentmagneten 21 und dem zweiten Polzahn 16b gebildet werden, einander gleich sind, d. h. an einer Zwischenposition, wenn kein Strom zu der Erregerspule 17 fließt.

Eine Endabdeckung 23 ist an einem Endbereich des Joches 13 angebracht. Ein Halteelement 25 ist an einer Innenfläche der Innenabdeckung 23 befestigt und ein zylindrischer Sensorhalter 24 ist an einem mittleren Bereich des Halteelementes 25 so vorgesehen, dass er sich in einen hohlen Bereich 19a des Magnethalters 19 erstreckt. Ein Verschiebungssensor 27 zur Erfassung der Verschiebung des Permanentmagneten 21 ist an einem distalen Endbereich des Sensorhalters 24 befestigt. Dieser Verschiebungssensor 27 umfasst ein Hall-Element, ein MR-Element oder dgl. und dient der Erfassung der Flussdichte, die von dem Permanentmagneten 21 erzeugt wird, um aus der Änderung der Flussdichte die Verschiebung des Permanentmagneten 21 als die Verschiebung der Spule 3 zu erfassen. Um die Verschiebung des Permanentmagneten 21 mit großer Präzision zu erfassen, ist der Verschiebungssensor 27 in dem hohlen Abschnitt des zylindrischen Permanentmagneten 21 so angeordnet, dass er auf der axialen Achse des Permanentmagneten positioniert ist. Dies dient der effizienten Nutzung der Eigenschaft, dass die Flussdichte des zylindrischen Permanentmagneten 21, der in Radialrichtung magnetisiert ist, sich auf der axialen Achse linear ändert. Durch Verwendung eines zylindrischen Permanentmagneten 21 als dem beweglichen Körper wird es zum ersten Mal ermöglicht, den Verschiebungssensor 27 auf der axialen Achse anzuordnen, sodass es möglich wird, die Verschiebung des Permanentmagneten 21 mit großer Präzision zu erfassen.

Der Verschiebungssensor 27 ist mit dem Steuerabschnitt 5 über Leitungsdrähte 28 verbunden, die sich im Inneren des Sensorhalters 24 erstrecken. Der Steuerabschnitt 5 dient der Anpassung des Öffnungsgrades der Spule 3 mit Hilfe einer Feedback-Steuerung des Antriebsabschnitts 4. In 2 ist durch Symbole ein Zustand dargestellt, in dem der Steuerabschnitt 5, der Antriebsabschnitt 4 und der Verschiebungssensor 27 mit einander verbunden sind. Wenn ein eingestellter Wert des Öffnungsgrades der Spule 3 in den Steuerabschnitt 5 eingegeben wird, wird über einen PID-Regler entsprechend dem eingestellten Wert eine Spannung E auf die Erregerspule 17 des Antriebsabschnittes 4 aufgegeben. Da zu dieser Zeit ein Strom I entsprechend einem Widerstand R und einer Induktivität L in die Erregerspule 17 fließt, um eine magnetische Kraft zu erzeugen, wird in dem Permanentmagneten 21 durch eine Interaktion mit der magnetischen Kraft des Permanentmagneten 21 ein Schub F entsprechend einer Schubkonstante Kf erzeugt, sodass sich der Permanentmagnet 21 aufgrund dieses Schubes F auf der Basis einer Bewegungsgleichung 1/ms mit einer Geschwindigkeit V bewegt.

Die Verschiebung des Permanentmagneten 21 wird durch den Verschiebungssensor 27 als eine Verschiebung x der Spule 3 erfasst. Sein Detektionssignal wird zu dem Steuerabschnitt 5 zurückgeführt, in dem das Signal mit einem eingestellten Wert eines voreingestellten Öffnungsgrades des Ventils verglichen wird. Dann wird ein Steuersignal von dem Steuerabschnitt 5 an den Antriebsabschnitt 4 ausgegeben, sodass die Abweichung zwischen dem eingestellten Wert und dem Signal gleich null wird. Der Verschiebungsweg des Permanentmagneten 21 wird so gesteuert, dass der Öffnungsgrad des Ventils entsprechend der Verschiebung der Spule 3 angepasst wird. Dadurch wird eine Durchflussratensteuerung durchgeführt. Wenn bspw. die Verschiebung der Spule 3 den eingestellten Wert nicht erreicht hat, wird eine positive Spannung entsprechend einer Differenz zwischen den Werten auf die Erregerspule 17 aufgebracht, sodass ein solcher Schub erzeugt wird, dass sich die Spule 3 in eine Richtung verschiebt, um sich dem eingestellten Wert anzunähern. Wenn dagegen die Verschiebung der Spule 3 den eingestellten Wert überschritten hat, wird eine negative Spannung entsprechend der Differenz zwischen den Werten auf die Erregerspule 17 aufgebracht, sodass ein Schub in einer Richtung erzeugt wird, in dem sich die Spule 3 dem eingestellten Wert annähert. Wenn die Verschiebung der Spule 3 mit dem eingestellten Wert übereinstimmt, wird die auf die Erregerspule 17 aufgebrachte Spannung gleich null, sodass kein Schub erzeugt wird.

Außerdem ist vorgesehen, dass ein Stromsensor 32 zur Erfassung des in der Erregerspule 17 einfließenden Stromes mit dem Steuerabschnitt 5 verbunden ist. Eine Antwortverzögerung eines Spulenstromes gegenüber einer Spulenspannung wird kompensiert, indem ein Detektionssignal von dem Stromsensor 32 zurückgeführt wird. Dadurch kann die Antwortgeschwindigkeit verbessert werden.

In 2 bezeichnet das Symbol Kp eine proportionale Verstärkung des PID-Reglers, Kd bezeichnet dessen differenzierende Verstärkung, Ki bezeichnet dessen integrale Verstärkung, s bezeichnet einen Laplace-Operator, m bezeichnet die Masse des beweglichen Abschnittes einschließlich des Permanentmagneten, Ke bezeichnet eine elektromotorische Gegenkraft-Konstante, Ks bezeichnet eine Federkonstante, die auf den beweglichen Abschnitt wirkt, Ka bezeichnet eine Strom-Feedback-Verstärkung und K bezeichnet eine Verschiebungs-Feedback-Verstärkung.

Bei dem Luftservoventil 1A der ersten Ausführungsform, wie es in 1 dargestellt ist, wurde der Permanentmagnet 21 in einer Radialrichtung magnetisiert, sodass seine äußere Umfangsseite der N-Pol und seine innere Umfangsseite der S-Pol wurden. Da der Permanentmagnet 21 eine solche magnetische Sättigungscharakteristik aufweist, dass das Joch 13 durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten 21 nicht magnetisch gesättigt wird, hält der Permanentmagnet 21 an einer Position an, an der der magnetische Widerstand der magnetischen Pfade, die zwischen dem Permanentmagneten 21 und dem ersten Polzahn 16a bzw. zwischen dem Permanentmagneten 21 und dem zweiten Polzahn 16b gebildet werden, einander gleich sind, d. h. an einer Zwischenposition zu der Zeit, zu der kein Strom zu der Erregerspule 17 fließt. Aus diesem Grund hält auch die Spule 3 an einer neutralen Position an, an welcher alle Durchflussdurchgänge zu den jeweiligen Anschlüssen P, A, B, EA und EB blockiert sind.

Wenn in diesem Zustand ein Strom in einer in 1 durch ein Symbol angedeuteten Richtung in die Erregerspule 17 fließt, wird der erste Polzahn 16a des Joches 13 der N-Pol und der zweite Polzahn 16b wird der S-Pol entsprechend der Richtung des Stromes. Da der Permanentmagnet 21 sich durch die magnetische Anziehungskraft auf die Seite des zweiten Polzahnes 16b verschiebt, verschiebt sich auch die Spule 3 entsprechend der Verschiebung des Magneten in der Zeichnung nach rechts. Der Zufuhranschluss P und der Ausgangsanschluss A werden miteinander in Verbindung gebracht, ebenso wie der Ausgangsanschluss B mit dem Auslassanschluss EB.

Wenn der Strom in entgegengesetzter Richtung in die Erregerspule 17 fließt, wird der erste Polzahn 16a des Joches 13 der S-Pol und der zweite Polzahn 16b wird der N-Pol, sodass sich der Permanentmagnet 21 auf die Seite des ersten Polzahnes 16a verschiebt und die Spule 3 entsprechend der Verschiebung des Magneten in der Zeichnung nach links verschoben wird. Hierdurch werden der Zufuhranschluss P und der Ausgangsanschluss B bzw. der Ausgangsanschluss A und der Auslassanschluss EA miteinander in Verbindung gebracht. Da der zylindrische Permanentmagnet 21 in dem Steuerabschnitt 5 als der bewegliche Körper verwendet wird, vergrößert sich das Verhältnis von erzeugtem Schub zu dem Gewicht des beweglichen Abschnittes im Vergleich mit der Verwendung eines stabförmigen Permanentmagneten 21, sodass die Antwortgeschwindigkeit verbessert wird.

Die Verschiebung des Permanentmagneten 21 wird durch den Verschiebungssensor 27 als die Verschiebung der Spule 3 erfasst. Sein Detektionssignal wird zu dem Steuerabschnitt 5 zurückgeführt. In dem Steuerabschnitt 5 wird das Detektionssignal mit dem eingestellten Wert verglichen. Ein Steuersignal wird von dem Steuerabschnitt 5 zu dem Antriebsabschnitt 4 ausgegeben, sodass die Abweichung zwischen den Signalen gleich null wird. Der Verschiebungsweg des Permanentmagneten 21 wird so gesteuert, dass der Öffnungsgrad des Ventils angepasst wird. Dies bewirkt die Durchflussratensteuerung. Da der Verschiebungssensor 27 im Inneren des zylindrischen Permanentmagneten 21 auf dessen Axialachse angeordnet ist, wird die Tatsache, dass die Flussdichte des zylindrischen Permanentmagneten 21, der in Radialrichtung magnetisiert ist, auf der Axialachse linear variiert, ausgenutzt, sodass die Verschiebung des Permanentmagneten 21 präzise erfasst und eine genaue Durchflussratensteuerung ermöglicht werden kann.

Wenn der Stromfluss zu der Erregerspule 17 unterbrochen wird, weil der Permanentmagnet 21 an einer Zwischenposition zwischen den beiden Polzähnen 16a, 16b angeordnet ist, nimmt auch die Spule 3 eine neutrale Position ein. Durch eine solche Einstellung, bei welcher die Spule 3 zu der Zeit, zu der kein Strom zu der Erregerspule 17 fließt, die neutrale Position einnimmt, hält das Stellglied, bspw. ein Luftzylinder, der durch das Luftservoventil 1A in einen Antriebszustand versetzt wird, an seiner Position auch dann an, wenn der Stromfluss zu der Erregerspule 17 durch einen abnormalen Zustand unterbrochen wird. Dies gewährleistet eine hohe Sicherheit.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Unterschied eines Luftservoventils 1B gemäß der zweiten Ausführungsform gegenüber dem Luftservoventil 1A gemäß der ersten Ausführungsform darin liegt, dass der Antriebsabschnitt 4 eine Vielzahl von Erregerspulen 17a, 17b aufweist. Die erste Erregerspule 17a und die zweite Erregerspule 17b sind in zueinander entgegengesetzten Richtungen gewunden und in einem Freiraum des Joches 13 entlang dessen Axialrichtung vorgesehen. Die Größe der Ströme, die in diesen Erregerspulen 17a, 17b fließen, kann durch den Steuerabschnitt 5 individuell gesteuert werden.

Der übrige Aufbau des Luftservoventils 1B entspricht im Wesentlichen dem des Luftservoventils 1A der ersten Ausführungsform. Gleiche Elemente werden daher mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf ihre erneute Erläuterung wird verzichtet.

Bei dem Luftservoventil 1B wird der in dem ersten Polzahn 16a und dem zweiten Polzahn 16b des Joches 13 erzeugte magnetische Pol und dessen Intensität auf der Basis der Summe der magnetischen Felder, die durch die beiden Erregerspulen 17a, 17b erzeugt werden, bestimmt. In dem Fall, dass der in der ersten Erregerspule 17a fließende Strom größer ist als der in der zweiten Erregerspule 17b, wird der erste Polzahn 16a der S-Pol und der zweite Polzahn 16b der N-Pol. Hierdurch verschiebt sich der Permanentmagnet 21 zu der Seite des ersten Polzahnes 16a, und die Spule 3 verschiebt sich entsprechend der Verschiebung des Magneten 3 in der Zeichnung nach links. Wenn dagegen der in der Erregerspule 17b fließende Strom größer ist als der in der ersten Erregerspule 17a, wird der erste Polzahn 16a der N-Pol und der zweite Polzahn 16b der S-Pol, sodass sich der Permanentmagnet 21 auf die Seite des zweiten Polzahnes 16b verschiebt. Dementsprechend verschiebt sich auch die Spule 3 in der Zeichnung nach rechts.

Somit kann die Bewegungsrichtung des Permanentmagneten 21 und der Spule 3 vorwärts und rückwärts geschaltet werden, indem lediglich die Größe der in den beiden Erregerspulen 17a, 17b fließenden Ströme gesteuert wird. Es ist nicht erforderlich, die Richtungen der Ströme vorwärts und rückwärts umzuschalten. Dies erleichtert die Gestaltung des Steuerschaltkreises mit hoher Leistung, wobei sein Aufbau einfach und preiswert ist.

Die 4 und 5 zeigen eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Luftservoventil 1C der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Luftservoventil 1A der ersten Ausführungsform dahingehend, dass Rückführfedern 35, 35 an beiden Seiten der Spule 3 vorgesehen sind, sodass die Spule 3 durch die Rückführfedern 35, 35 zu der Zeit, zu der kein Strom fließt, an einer neutralen Position gehalten wird. Ferner ist ein manueller Betätigungsmechanismus 36 zum manuellen Schalten der Spule 3 vorgesehen. Schließlich ist an einem Endbereich des Antriebsabschnittes 4 zusätzlich der Steuerabschnitt 5 vorgesehen.

An einer Seite der Spule 3 sind Aussparungen 3a, 11a an einer Endfläche der Spule 3 bzw. einer Endfläche der Endabdeckung 11 ausgebildet. Die Enden einer Rückführfeder 35 sind in diesen Aussparungen aufgenommen. An der anderen Seite der Spule 3 sind Federsitze 38, 39 im Inneren des Magnethalters 19 bzw. an einem distalen Endabschnitt des zylindrischen Sensorhalters 24 vorgesehen. Die andere Rückführfeder 35 ist zwischen diesen Federsitzen 38, 39 angeordnet. Dadurch kann die Spule 3 schneller und zuverlässiger an einer neutralen Position gehalten werden, wenn kein Strom zu der Erregerspule 17 fließt.

Der oben beschriebene Sensorhalter 24 ist integral mit einem Halteelement 40 ausgebildet, welches eine Endfläche des Joches 13 abdeckt. An einer äußeren Fläche des Halteelementes 40 ist eine Grundplatte 41 angebracht. Der oben beschriebene Steuerabschnitt 5 ist auf der Grundplatte 41 vorgesehen. Außerdem ist eine Abdeckung 42 an dem Halteelement 40 angebracht und deckt die Grundplatte 41 ab. Das Bezugszeichen 43 bezeichnet einen Verbinder für die Zufuhr von Strom zu dem Steuerabschnitt 5 der Grundplatte 41 und den anderen elektronischen Komponenten.

Wie sich aus 6 ergibt, umfasst der oben beschriebene manuelle Betätigungsmechanismus 36 einen runden säulenförmigen Handgriff 45, der über einen Halter 48 so an dem Gehäuse 8 angebracht ist, dass er in Axialrichtung des Halters 48 frei vorwärts und rückwärts bewegbar ist und um dessen Achse drehbar ist. Ein Stift 46 ist an einem distalen Ende des Handgriffs 45 exzentrisch vorgesehen. Eine Eingriffsnut 47, die an dem gesamten Umfang einer Außenfläche des Magnethalters 17 ausgebildet ist, steht mit dem Stift 46 in Eingriff. Der Handgriff 45 wird durch die Feder 49 immer in Rückwärtsrichtung vorgespannt, sodass der Stift 46 normalerweise eine Rückzugsposition außerhalb der Eingriffsnut 47 einnimmt. Der Handgriff 45 hat an seinem Kopfabschnitt eine Betätigungsnut 45a zur Drehbetätigung des Handgriffs durch ein Werkzeug, wie einen Schraubendreher oder dgl.. Außerdem ist eine Schutzabdeckung 48a, die den Kopfabschnitt des Handgriffes 45 abdeckt, an einem oberen Bereich des Halters 48 angebracht, sodass der Handgriff 45 nicht versehentlich drehend betätigt werden kann. Das Bezugszeichen 48b bezeichnet eine Betätigungsöffnung, die in der Schutzabdeckung 48a vorgesehen ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Eingriffsnut 47 in dem magnetischen Halter 19 vorgesehen. Sie kann aber auch an der Spule 3 vorgesehen sein.

Wie sich aus 7 ergibt, wird dann, wenn die Spule 3 durch den manuellen Betätigungsmechanismus 36 verschoben wird, ein Werkzeug, bspw. ein Schraubendreher oder dgl., in die Betätigungsnut 45a des Handgriffs 45 eingesetzt und der Handgriff 45 in seine Axialrichtung gedrückt, um zu bewirken, dass der Stift 46 an seinem distalen Ende in die Eingriffsnut 47 eingreift. In diesem Zustand wird der Handgriff 45 um 90° im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Da sich der Stift 46 hierbei exzentrisch um die Achse des Handgriffs 45 bewegt, wird der Magnethalter 19 und damit die Spule 3 durch den Stift 46 so gedrückt, dass sie sich verschieben. In 7 ist dargestellt, dass bei einer Drehung des Handgriffes 45 entgegen dem Uhrzeigersinn die Spule 3 nach rechts verschoben wird. In diesem Fall kann daher die Spule 3 nach links verschoben werden, indem der Handgriff 45 im Urzeigersinn gedreht wird. Dadurch können die Durchflussdurchgänge bei einer Wartungsunterbrechung oder dgl. umgeschaltet werden, indem die Spule 3 manuell nach links oder rechts verschoben wird.

Der übrige Aufbau und die Wirkungsweise sind bei dem Luftservoventil 1C der dritten Ausführungsform im Wesentlichen die gleichen wie bei dem Luftservoventil 1A der ersten Ausführungsform. Die gleichen Elemente werden daher erneut mit gleichen Bezugszeichen versehen und auf ihre erneute Beschreibung wird verzichtet.

Bei dem Luftservoventil 1C der dritten Ausführungsform kann auch ähnlich wie bei dem Luftservoventil 1B der zweiten Ausführungsform eine Vielzahl von Erregerspulen 17 vorgesehen sein. Es kann auch eine Anordnung verwendet werden, bei welcher eine der Rückführfedern 35, 35 und der manuelle Betätigungsmechanismus 36 weggelassen werden.

Da bei dem Luftservoventil gemäß der vorliegenden Erfindung der zylindrische Permanentmagnet als der bewegliche Körper verwendet wird, wird das Verhältnis von erzeugtem Schub zu dem Gewicht des beweglichen Abschnittes vergrößert und die Antwortgeschwindigkeit im Vergleich mit herkömmlichen Vorrichtungen, die einen stabförmigen Permanentmagneten verwenden, verbessert.

Da der Verschiebungssensor in dem hohlen Abschnitt des zylindrischen Permanentmagneten auf dessen axialer Achse angeordnet ist, kann die Tatsache, dass die Flussdichte des in Radialrichtung magnetisierten zylindrischen Permanentmagneten auf der axialen Achse linear variiert, ausgenutzt werden, sodass die Verschiebung des Permanentmagneten mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann. Dies erlaubt eine präzise Durchflussratensteuerung.


Anspruch[de]
Luftservoventil mit:

einem Ventilschaltabschnitt (2) mit einer Vielzahl von Anschlussöffnungen (P, A, B, EA, EB), einer mit den Anschlüssen in Verbindung stehenden Ventilöffnung (9) und einer Spule (3), welche gleitend in die Ventilöffnung (9) eingesetzt ist, um Durchflussdurchgänge zwischen den Anschlussöffnungen umzuschalten,

einem Antriebsabschnitt (4) mit einem zylindrischen Joch (13), das ein Paar von einander gegenüberliegenden Polzähnen (16a, 16b) aufweist, wenigstens einer Erregerspule (17), die um das Joch (13) gewunden ist, einem zylindrischen Permanentmagneten (21), der in einem hohlen Abschnitt des Joches (13) in Axialrichtung des Joches (13) bewegbar angeordnet ist, wobei sein N-Pol und S-Pol in Radialrichtung magnetisiert sind, und einem Magnethalter (19) aus einem nicht magnetischen Körper, welcher den Permanentmagneten (21) und die Spule (3) miteinander koppelt,

einem Verschiebungssensor (27), der auf einer Axialachse des Magneten innerhalb des Permanentmagneten (21) angeordnet ist und die Verschiebung des Permanentmagneten (21) auf der Basis einer Änderung der Flussdichte erfasst, und

einem Steuerabschnitt (5), welcher ein Detektionssignal von dem Verschiebungssensor (27) mit einem eingestellten Wert vergleicht, um einen Öffnungsgrad des Ventils durch Steuerung des Antriebsabschnitts (4) auf der Basis der Abweichung des Detektionssignals von dem eingestellten Wert zu steuern.
Luftservoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (13) einen zylindrischen äußeren Zylinderabschnitt (14) und ein Paar von inneren Zylinderabschnitten (15a, 15b) aufweist, welche konzentrisch mit dem äußeren Zylinderabschnitt (14) angeordnet und einander mit einer konstanten Lücke gegenüberliegen, wobei die inneren Zylinderabschnitte (15a, 15b) den ersten Polzahn (16a) und den zweiten Polzahn (16b) bilden und wobei die Erregerspule (17) in einem Freiraum zwischen den inneren Zylinderabschnitten (15a, 15b) und dem äußeren Zylinderabschnitt (14) aufgenommen ist. Luftservoventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (19) eine zylindrische Form aufweist und in dem hohlen Abschnitt aufgenommen ist, der von dem ersten Polzahn (16a) und dem zweiten Polzahn (16b) des Joches (13) umgeben wird, wobei er sich in einer Axialrichtung verschieben kann, und dass der Permanentmagnet (21) auf eine äußere Umfangsfläche des Magnethalters (19) aufgesetzt ist. Luftservoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Sensorhalter (24) auf der axialen Achse des Permanentmagneten (21) von einer Abdeckung (23), welche einen Endbereich des Joches (13) abdeckt, zum Inneren des Permanentmagneten (21) erstreckt, und dass der Verschiebungssensor (27) von dem Sensorhalter (24) gehalten wird. Luftservoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Erregerspulen (17a, 17b) mit entgegengesetzten Windungsrichtungen vorgesehen ist, dass die Erregerspulen (17a, 17b) parallel auf der axialen Achse des Joches (13) angeordnet sind, und dass die Größe der in den jeweiligen Erregerspulen (17a, 17b) fließenden Ströme individuell gesteuert werden kann. Luftservoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Stromsensor (32) zur Erfassung des in der Erregerspule (17) fließenden Stromes, wobei der von dem Stromsensor (32) erfasste Spulenstrom zu dem Steuerabschnitt (5) zurückgeführt wird, sodass eine Antwortverzögerung des Spulenstromes gegenüber der Spulenspannung kompensiert wird. Luftservoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen manuellen Betätigungsmechanismus (36) zum manuellen Schalten der Spule (3). Luftservoventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der manuelle Betätigungsmechanismus (36) einen Handgriff (45), der an einem Gehäuse (8) so angebracht ist, dass er um eine axiale Achse des Handgriffes (45) gedreht werden kann, einen Stift (46), der an einem distalen Ende des Handgriffs (45) exzentrisch vorgesehen ist, und eine Eingriffsnut (47), die an der Spule (3) oder dem magnetischen Halter (19) für den Eingriff mit dem Stift (46) ausgebildet ist, aufweist. Luftservoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) dann, wenn kein Strom zu der Erregerspule (17) fließt, von Mitteln an einer neutralen Position gehalten wird. Luftservoventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Halten der Spule (3) an der neutralen Position eine magnetische Sättigungscharakteristik des Joches (13) sind, und dass das Joch (13) so aufgebaut ist, dass es durch die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten (21) nicht gesättigt wird. Luftservoventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) an der neutralen Position durch Rückführfedern (35) gehalten wird, die an beiden Enden der Spule (3) vorgesehen sind.






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