DE3527174A1 - Doppeltwirkendes magnetventil - Google Patents
Doppeltwirkendes magnetventilInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Magnetventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits ein Magnetventil
beschrieben worden, welches durch Überlagerung der
Felder eines Permanentmagneten und zweier Elektromagneten
arbeitet. In diesem Magnetventil wird für die Bewegungen
Öffnen und Schließen jeweils eine der Magnetspulen
mit Strom beaufschlagt. Dadurch bedingt ist eine niedrige,
auf die Baugröße bezogene Magnetkraft.
Das erfindungsgemäße Magnetventil mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil
einer Verminderung der Baugröße bzw. eine Erhöhung der
spezifischen Magnetkraft. Durch die Einführung von
Permanentmagneten zwischen die Pole des Elektromagnetkreises
wird trotz der Streuung des Magnetflusses im Spalt zwischen
Anker und den Polen die volle Magnetflußdichte erreicht.
Die Anzahl der Pole kann somit gegenüber bekannten
Lösungen erhöht werden. Hierdurch ist eine Reduktion
der Masse des Ankers möglich, die Eigenresonanz des
Schaltsystems wird angehoben, wodurch die Bewegungsenergie
des Ankers in kurzer Zeit vernichtet wird und ein Schwingen
und Prellen des Ankers in der Zeit bis zum nächsten
Schaltvorgang unterbunden wird. Da radiale Magnetspalte
nicht vohanden sind, reduzieren sich bei dem erfindungsgemäßen
Magnetventil außerdem die Kräfte in radialer
Richtung bei gleichzeitiger Verminderung der Reibungsverluste.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Magnetventils, Fig. 2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Magnetventils.
Das in der Zeichnung dargestellte Magnetventil befindet sich
in einem zweiteilig aufgebauten Gehäuse, bestehend aus einem
topfförmigen Ventilgehäuse 1 und einem flachen Gehäuseboden
2. Im Gehäuse befinden sich, symmetrisch zur Mittelachse
des Magnetventiles angeordnet, mindestens zwei
Magnetspulen 3. Alternativ ist jede andere, gerade Zahl von
Magnetspulen 3 möglich. In den Fig. 1 und 2 ist eine
Ausführungsform mit vier Magnetspulen 3 dargestellt, die
annähernd der gleichen Abstand zueinander haben. Jede dieser
Magnetspulen 3 umschließt einen parallel zur Mittelachse
des Magnetventiles verlaufenden Kern 4 aus weichmagnetischem
Material, welcher über je einen radial verlaufenden Steg 5
mit je einem ebenfalls parallel zur Mittelachse verlaufenden
ersten Polteil 6 verbunden ist. Kern 4, Steg 5 und
erstes Polteil 6 bilden einen weichmagnetischen ersten
Leitkörper 16, der U-förmig ausgebildet mit dem ersten
Polteil 6 je eine Magnetspule 3 auf ihrer der Mittelachse
des Magnetventiles zugewandten Seite zumindest teilweise
umgreift. Die um die Mittelachse des Magnetventiles
gruppierten ersten Polteil 6 bilden zusammen einen ersten Polkörper
7 mit vorzugsweise zylindrischem Mantel. An der dem
Steg 5 abgewandten Seite jedes Kerns 4 liegt mit einem
Anlageabsatz 35 je ein zweiter Leitkörper 36 an und umgreift
teilweise mit einem zweiten Polteil 37 jede zugeordnete
Magnetspule 3 auf ihrer der Mittelachse des Magnetventiles
zugewandten Seite. Die zweiten Polteile 37 sind mit axialem
Abstand zu diesen auf die ersten Polteile 6 ausgerichtet
und bilden zusammen einen zweiten Polkörper 8 mit vorzugsweise
zylindrischem Mantel. Erster Polkörper 7 und
zweiter Polkörper 8 weisen jeweils eine koaxiale, durchgehende
Bohrung 9 bzw. 10 auf. Die Bohrung 10 im zweiten
Polkörper 8 nimmt einen koaxial zum Ventilgehäuse 1 in den
Innenraum des Ventilgehäuses 1 ragenden und am Ventilgehäuse
1 angebrachten Zapfen 11 auf. In der Bohrung 9 des
aus den Polteilen 6 bestehenden ersten Polkörpers 7 wird
ein zylindrischer Ventilkörper 12, beispielsweise durch
an dem Umfang des Ventilkörpers 12 befestigte Nasen 13,
geführt. Der zwischen Bohrung 9 des ersten Polkörpers 7
und dem Ventilkörper 12 gebildete Ringspalt 20 dient dem
bei Verdrängung durch einen Magnetanker 14 auftretenden
Zu- und Abfließen des Fluides, etwa bei Verwendung des
Magnetventils in der Steuerung der Kraftstoffversorgung
einer Brennkraftmaschine. Dieser Magnetanker 14 hat die
Form einer Scheibe, deren Stirnkreisflächen etwa gleich
groß sind wie die ihr zugewandten Stirnflächen der Polkörper
7 und 8. Die Dicke des Magnetankers 14 ist geringer
als der axiale Abstand zwischen den Polkörpern 7 und
8, wodurch sich zwischen Magnetanker 14 und erstem Polkörper
7 einerseits und Magnetanker 14 und zweitem Polkörper
8 andererseits jeweils ein Luftspalt bildet. Ventilkörper
12 und Magnetanker 14 sind dergestalt miteinander verbunden,
daß bei einem Anliegen des Ventilkörpers 12 am Zapfen
11 ein Spalt 15 zwischen zweitem Polkörper 8 und Magnetanker
14 verbleibt. Bei entgegengesetzt gerichteter Bewegung
des Magnetankers 14 auf den ersten Polkörper 7 zu
liegt der Ventilkörper 12 mit einem Schließkopf 38 an
einem mit dem Schließkopf 38 zusammenwirkenden und durch die
Öffnung einer koaxialen Bohrung 17 in dem Gehäuseboden 2
gebildeten Ventilsitz 18 an. In diesem Fall verbleibt ein
Spalt 19 zwischen Magnetanker 14 und erstem Polkörper 7.
Den Aufbau des ersten Polkörpers 7 zeigt Fig. 2 (gilt
aus Symmetriegründen ebenfalls für Polkörper 8). Der zylindrisch
aufgebaute erste Polkörper 7 gliedert sich bei der
beispielsweise dargestellten Ausführungsform mit vier
Magnetspulen 3 in vier ersten Polteile 6 sowie vier
Permanentmagnete 21.
Die ersten Polteile 6 besitzen annähernd die Querschnittsform
eines Kreisausschnittes in Form eines Viertelkreises
mit Flachseiten 40, wobei die einander zugewandten Flachseiten
40 jeweils zweier benachbarter erster Polteile 6 mit
Abstand zueinander verlaufen und zwischen diesen Flachseiten
40 jeweils einer der flachen Permanentmagnete 21
dergestalt eingelassen ist, daß die vier kreisausschnittförmigen
ersten Polteile 6 und die vier Permanentmagneten 21
zusammengefaßt einen geschlossenen kreisförmigen Querschnitt
ergeben. Die Anordnung der ersten Polteile 6 und Permanentmagnete
21 ist dabei dergestalt, daß die den kreisförmigen
Umfang des ersten Polteils 6 und zugleich einen Teil des
Außenmantels des zylinderförmigen ersten Polkörpers 7 bildende
Fläche 22 jedes ersten Polteils 6 auf den mit dem jeweiligen
ersten Polteil 6 zusammenwirkenden Kern 4 gerichtet
ist.
Wie schon angedeutet, bezog sich die vorangestellte Beschreibung
auf ein Magnetventil mit vier Magnetspulen 3. Bei
Realisierung einer anderen, ganzzahligen Zahl von Magnetspulen
ändern sich in gleicher Weise die Zahl von Kernen 4, ersten
Polteilen 6, Permanentmagneten 21 und Stegen 5. Außerdem
ändert sich die dargestellte näherungsweise Viertelkreis-
Form der ersten Polteile 6 in eine näherungsweise Halbkreis-,
Sechstelkreis- usw. -Form.
Die Permanentmagnete 21 sind so gepolt, daß Nord- und Südpol
eine Permanentmagneten 21 zu je einer Fläche 40
benachbarter erster Polteile 6 ausgerichtet und an dieser
anliegend verlaufen. An den Flächen 40 jedes ersten Polteiles
6 liegen jeweils gleichnamige Magnetpole der benachbarten
Permanentmagnete 21 an. Jedes zwischen je zwei benachbarten
Permanentmagneten 21 liegende erste Polteil 6 erhält
dadurch eine dauernde homogene Magnetisierung, welche der
Magnetisierung der Flächen der seitlich anliegenden
Permanentmagnete 21 entspricht. Die Zahl der als Südpol
magnetisierten ersten Polteile 6 und der als Nordpol
magnetisierten ersten Polteile 6 ist gleich.
Der zweite Polkörper 8 ist wie der erste Polkörper 7 aufgebaut
und liegt diesem spiegelbildlich gegenüber, so daß
die Polung einander gegenüberliegender Permanentmagnete 21
gleichnamig ist.
Im Gehäuseboden 2 ist ein Fluidströmungskanal 32 ausgebildet,
welcher in eine den Ventilkörper 12 im Bereich des
Schließkopfes 38 umgebende Kammer 33 mündet. Die Kammer 33
geht über den Ventilsitz 18 in die Bohrung 17 über.
Die elektrische Ansteuerung der Magnetspulen 3 erfolgt nun
in der Weise, daß je zwei sich gegenüberliegende Kerne 4
die gleiche Richtung des induzierten Magnetflusses und je
zwei einander benachbarte Kerne 4 die entgegengesetzte
Richtung des induzierten Magnetflusses aufweisen. In
Verbindung mit den durch die Permanentmagnete 21 erzeugten
Magnetfelder in den ersten und zweiten Polkörpern 7 und 8
bewirkt die Ansteuerung der Magnetspulen 3 mit Strom
bestimmter Polarität eine Änderung des magnetischen Flusses
in den axialen Luftspalten 15, 19 am Magnetanker 14 und
damit entweder eine Verstärkung des magnetischen Flusses
in Spalt 15 und eine Abschwächung in Spalt 19 oder umgekehrt.
Magnetanker 14 und Ventilkörper 12 reagieren darauf
entweder mit einer Bewegung in Richtung auf den zweiten
Polkörper 8 oder mit einer Bewegung in Richtung auf den
ersten Polkörper 7 zu.
Die erforderliche magnetische Induktion der Permanentmagnete
21 errechnet sich wie im folgenden dargelegt.
Bezeichnet man mit B P die Stärke des Permanentmagnetfeldes
und mit B E die Stärke des elektromagnetischen Feldes, so
gilt für die Kraft auf den Magnetanker 14 mit der Konstante
C:
wobei beispielsweise die erste Klammer der Kraft in Spalt
15, die zweite Klammer der Kraft in Spalt 19 entspricht.
Damit erhält man bei Anwendung der binomischen Lehrsätze
Für die beim Weicheisenmagneten erzeugte Kraft gilt:
Vergleicht man die Gleichungen (2) und (3), so ergibt sich,
daß für
die Kraft F auf den Magnetanker 14 größer wird als die
Kraft F E des Weicheisenmagneten und somit durch Überlagerung
des Permanentmagnetfeldes eine Verstärkung der
auf den Magnetanker 14 wirkende Kraft eintritt.
Die oft wichtigere Nettokraft Δ F wird nach (2) wegen der
Umpolbarkeit von B E und damit von F schon ab
größer.
Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Magnetventils
läßt sich wie folgt veranschaulichen; betrachtet werden
sollen dabei die im unteren Teil des Magnetventiles nach
Fig. 1 wirkenden magnetischen Kräfte zwischen dem ersten
Polkörper 7 und dem Magnetanker 14. Zur besseren Verständlichkeit
sind jene ersten Polteile 6 des ersten Polkörpers
7, welche durch die Wirkung der Permanentmagnete 21
zu Südpolen werden, mit 25 bezeichnet und jene ersten
Polteile 6 des ersten Polkörpers 7, welche durch die
Wirkung der Permanentmagnete 21 zu Nordpolen werden, mit 26
bezeichnet.
Werden die Magnetspulen 3 in der Weise mit Strom durchflossen,
daß sich infolge des elektromagnetischen Flusses die
Polteile 26 ebenfalls als Nordpole und die Polteile 25
ebenfalls als Südpole ausbilden, so findet durch Überlagerung
mit der durch die Permanentmagnete 21 festgelegten
Polcharakteristik eine Verstärkung des magnetischen Flusses
im Spalt 19 statt. Dies führt zu einer Kraft auf den
Magnetanker 14 in Richtung auf den ersten Polkörper 7 zu
und damit zu einem Schließen des Ventilsitzes 18 durch
den Schließkopf 38.
Werden die Magnetspulen 3 in der Weise mit Strom durchflossen,
daß sich die Polteile 25 infolge des elektromagnetischen
Flusses als Nordpole und die Polteile 26 als Südpole
ausbilden, so findet durch Überlagerung mit der durch die
Permanentmagnete 21 festgelegten Polcharakteristik eine
Abschwächung des magnetischen Flusses im Spalt 19 statt.
Die vorangestellte Beschreibung des Arbeitsprinzips bezog
sich nur auf die magnetische Kraftwirkung in Spalt 19. Da
die Lage und Polung der Permanentmagnete 21 innerhalb des
oberen, dem Ventilsitz 18 abgewandten zweiten Polkörpers 8
gleich ist wie innerhalb des ersten Polkörpers 7, findet
ein Einfluß der auf den Magnetanker 14 wirkenden Kräfte
dergestalt statt, daß, wenn sich die Kräfte von permanentem
und elektrischem Magnetfeld im ventilseitigen Spalt 19
überlagern und somit verstärken, gleichzeitig eine Subtraktion
der Kraftwirkung der beiden Magnetfelder im ventilabgewandten
Spalt 15 eintritt und umgekehrt. Man kann insofern
von einer doppelten Kraftwirkung bzw. einem
doppeltwirkenden Magnetventil sprechen.
Eine besonders vorteilhaft aufgebaute Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Magnetventils mit vier Magnetspulen 3
zeigt Fig. 3. Die gegenüber Fig. 1 und Fig. 2 gleichwirkenden
Einzelteile sind hierbei durch die gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet. Vorteilhaft ist insbesondere der
einfache Aufbau des ersten Polkörpers 7 (gilt auch hier
in gleicher Weise für den zweiten Polkörper 8). In diesen
auch hier vorzugsweise zylindrisch geformten ersten Polkörper
7 sind zwei flache Permanentmagnete 29 mit ihren
Flachseiten parallel zueinander liegend in der Weise
eingelassen, daß sie jeweils in gleichem Abstand zur zentralen
Längsachse des Magnetventils liegen. Zweckmäßigerweise
ist der Abstand der beiden Permanentmagnete 29 voneinander
gleich oder größer als der Durchmesser der Bohrung 9, welche
den Ventilkörper 12 aufnimmt. Ist der Abstand der beiden
Permanentmagnete 29 größer als der Durchmesser der Bohrung
9, dann wird durch die beiden Permanentmagnete 29 der
zylindrische erste Polkörper 7 symmetrisch in zwei, die
Querschnittsform eines Kreisabschnittes aufweisende erste
äußere Polteile 30, 34 und ein erstes zentrales Polteil 31
unterteilt. Für den Grenzfall, daß der Abstand zwischen beiden
Permanentmagneten 29 gleich ist dem Durchmesser von
Bohrung 9, wird das erste zentrale Polteil 31 in zwei
selbständige, zur zentralen Längsachse symmetrische Hälften
geteilt.
Die flachen Permananetmagnete 29 sind in der Weise magnetisch
induziert und eingebaut, daß die einander zugewandten,
Pole bildenden Flachseiten jeweils die gleiche Polung
aufweisen. Ebenfalls die jeweils gleiche Polung weisen die
nach außen gerichteten Flachseiten der Permanentmagnete 29
auf. Die Verbindung zwischen den Kernen 4 und den mit ihnen
zusammenwirkenden ersten äußeren Polteilen 30, 34 bzw. dem
ersten zentralen Polteil 31 wird in gleicher Weise wie bei
dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel in
einem U-förmigen ersten Leitkörper 16 hergestellt. Die
Permanentmagnete 29 sind dergestalt im ersten Polkörper 7
eingelassen, daß ihre Flachseiten parallel zu jenen zwei ersten
Leitkörpern 16 verlaufen, welche das erste zentrale Polteil
31 enthalten.
Vorteil der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Magnetventils ist die Verwendung
lediglich zweier Permanentmagnete 29 bei gleicher
Wirkungsweise wie sie bei einer Ausführungsform entsprechend
Fig. 2 mit vier Permanentmagneten 21 erreicht wird.
Claims (3)
1. Magnetventil mit einem Anker, mindestens zwei Magnetspulen
mit je einem jeder Magnetspule zugeordneten Leitkörper
aus ferromagnetischem Material sowie mit mindestens einem
an jedem Leitkörper angreifenden Permanentmagneten, dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (3) symmetrisch zur
Mittelachse des Magnetventiles in einer senkrecht zur Mittelachse
des Magnetventiles liegenden Ebene angeordnet sind
und jede Magnetspule (3) je einen Kern (4) umschließt, der
Bestandteil je eines ersten Leitkörpers (16) ist, welcher,
U-förmig ausgebildet, über einen am Kern (4) angreifenden,
radial zu Mittelachse des Magnetventils führenden Steg
(5) sowie ein am Steg (5) angreifendes, die Magnetspule (3)
teilweise an ihrer der Mittelachse zugewandten Seite
umgreifendes erstes Polteil (6) verfügt, welches seinerseits
zusammen mit allen anderen ersten Polteilen (6) und mit
zwischen diesen ersten Polteilen (6) eingelassenen
Permanentmagneten (21) einen ersten Polkörper (7) bildet, in
welchem die ersten Polteile (6) symmetrisch um die Mittelachse
angeordnet sind und in welchem zwischen einander
zugewandten Flächen (40) jeweils zweier benachbarter erster
Polteile (6) jeweils ein, mit seinen Polen an den zugewandten
Flächen (40) der benachbarten ersten Polteile (6) anliegender
Permanentmagnet (21) eingelassen ist und in welchem
die jeweils dem gleichen ersten Polteil (6) zugewandten Flächen
der anliegenden Permanentmagnete (21) die gleiche Polung
aufweisen, wobei koaxial in dem ersten Polkörper (7) ein
Ventilkörper (12) gleitend gelagert und mit einem Magnetanker
(14) unter Bildung eines ersten Luftspaltes (19) gegenüber
dem ersten Polkörper (7) verbunden ist und sich
andererseits des Magnetankers (14) zwischen dem Magnetanker
(14) und einem zweiten, spiegelbildlich zum ersten (7)
liegenden Polkörper (8), welcher in gleicher Weise wie der
erste Polkörper (7) aus Permanentmagnete (21) umschließenden
und durch zweite Leitkörper (36) über Stege (5) mit den
Kernen (4) verbundenen zweiten Polteilen (37) besteht, ein
zweiter Luftspalt (15) befindet.
2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
vier Magnetspulen (4) vorgesehen sind und erster Polkörper
(7) sowie zweiter Polkörper (8) jeweils zwei, jeweils mit
einem Kern (4) verbundene und zusammenwirkende erste bzw.
zweite äußere Polteile (30, 34) aufweisen, welche mit ihren
parallel zueinander verlaufenden Flachseiten ein weiteres,
mit zwei einander gegenüberliegenden Kernen (4) verbundenes
und zusammenwirkendes erstes bzw. zweites zentrales Polteil
(31) umgeben und daß zwischen den einander zugewandten Flachseiten
von ersten bzw. zweiten äußeren Polteilen (30, 34)
und erstem bzw. zweitem zentralem Polteil (31) jeweils ein,
mit seinen Polen an den zugewandten Flachseiten der benachbarten
Polteile (30, 31, 34) anliegender Permanentmagnet
(29) eingelassen ist, dessen Polung symmetrisch zum jeweils
anderen Permanentmagneten (29) ist.
3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilkörper (12) bei Anliegen an einem
gehäusefesten Anschlag (11) einen ersten Endpunkt der Bewegung
des Magnetankers (14) definiert und daß der Ventilkörper
(12) im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz (18) einen
zweiten Endpunkt bei der Bewegung des Magnetankers (14)
definiert.
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