DE4000071A1 - Magnetventil - Google Patents

Description

"Stand der Technik"

Die Erfindung geht aus von einem Magnetventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein solches Magnetventil bekannt (DE-OS 33 05 833), bei dem die Magnetspule erregt sein muß, solange das Ventil geöffnet sein soll. Sobald die Magnetspule stromlos ist, kehrt das Ventil-Schließglied selbsttätig in seine Schließstellung zurück. Es handelt sich also um eine sogenanntes monostabiles Magnetventil, dessen Verwendungsmöglichkeiten eingeschränkt sind.

"Vorteile der Erfindung"

Das erfindungsgemäße Magnetventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sein Schließ­ glied in beiden Betriebsstellungen sicher festgehalten ist, so daß sich ein vielseitig einsetzbares, bistabiles Magnetventil ergibt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich weitere Vor­ teile, wie z. B. eine kompakte Bauweise, ein stark reduzierter Energieverbrauch und verkürzte Schaltzeiten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Magnetventils möglich.

"Zeichnung"

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das erfindungsgemäße Magnetventil in vergrößerter Darstellung, im Längsschnitt gezeichnet, wobei sich das Ventil-Schließglied in einer Sperrstellung befindet, Fig. 2 das Magnetventil gemäß Fig. 1, wobei sich das Ventil-Schließglied in einer Öffnungs- oder Durchgangsstellung befindet, Fig. 3 der Bereich der Ventilkammer des Magnetventils gemäß Fig. 1, in vergrößerter Teildarstellung, Fig. 4 eine vergrößerter Teildar­ stellung des Ventilkammerbereichs des Magnetventils gemäß Fig. 2, Fig. 5 den Bereich der Ventilkammer einer anderen Ausführungsform des Magnetventils, Fig. 6 eine verkleinerte Darstellung eines zum Magnetventil gehörenden Magnetkerns mit Ringpol und Fig. 7 eine graphische Darstellung der im Magnetventil wirksamen Kräfte, in Abhängigkeit vom Hub des Schließgliedes.

"Beschreibung der Ausführungsbeispiele"

Ein in Fig. 1 dargestelltes Magnetventil 10 hat eine Ventilkammer 12, die von einer rohrförmigen Wand 14 umschlossen ist. Die beiden Öffnungen 16 und 18 der rohrförmigen Wand 14 sind durch Gehäuse­ deckel 20 und 22 abgedeckt. Die Gehäusedeckel 20 und 22 sind aus einem weichmagnetischen Material, während die rohrförmige Wand 14 aus einem nichtmagnetischen Material, vorzugsweise aus einem Kunst­ stoff hergestellt ist. Die beiden Gehäusedeckel 20 und 22 sind gegenüber der rohrförmigen Wand 14 durch Dichtungsringe 24 abge­ dichtet. Die rohrförmige Wand 14 weist einen Anschlußstutzen 26 auf über den die Ventilkammer 12 mit einem Stellglied 28 leitungsver­ bunden ist. Weiter ist jeder Gehäusedeckel 20, 22 mit einem Anschluß 30, 32 versehen, wobei der Anschluß 30 beim Ausführungsbeispiel ins Freie mündet. Der Anschluß 32 hingegen ist mit einer Druckpumpe 34 leitungsverbunden. Die beiden Anschlüsse 30 und 32 weisen jeweils einen in die Ventilkammer 12 vorspringenden, rohrförmigen Ansatz 36, 38 auf, die nach Art von Lageraugen ausgebildet sind und miteinander fluchten. Da beim Ausführungsbeispiel auch die Ansätze 36 und 38 aus einem weichmagnetischen leitenden Material bestehen bilden sie Pol­ stücke, die mit einem Abstand 39 voneinander liegen (Fig. 2). In der Ventilkammer 12 ist zwischen den beiden Ansätzen 36 und 38 ein Ventil-Schließglied 42 angeordnet, das eine im wesentlichen walzen­ förmigen, zylindrische Gestalt hat. Es weist in seinem Mittelbereich einen scheibenförmigen Permanentmagneten 44 auf, dessen beiden Pole an den Stirnfläche der Magnetscheibe 40 ausgebildet sind. An jeder der beiden Stirnflächen der Magnetscheibe 40 ist ein Weicheisenring 44, 46 angeordnet und die Zentralbohrungen der beiden Weicheisen­ ringe 44 und 46 sind mit je einem Füllstück 48 bzw. 50 ausgefüllt. Die beiden Füllstücke 48 und 50 sind koaxial zu den Anschluß­ bohrungen 52 und 54 der Anschlüsse 30 und 32 angeordnet. Die einander zugewandten, in der Ventilkammer 12 befindlichen Stirn­ seiten der Ansätze 36 und 38 sind als Ventilsitze ausgebildet und wirken mit den aus einem gummiähnlichen Material bestehenden Füll­ stücken 48 und 50 der Weicheisenringe 44 und 46 zusammen. Das in Achsrichtung gemessene Längenmaß 56 des Schließglieds 42 ist kürzer als das Abstandsmaß 39 zwischen den einander zugewandten Stirn­ flächen der Ansätze 36 und 38, so daß sich eine Hubstrecke 58 ergibt über die das Schließglied 42 von seiner einen Betriebsstellung (Fig. 1) in seine andere Betriebsstellung (Fig. 2) bewegt werden kann. Um eine ordnungsgemäße Führung für das Schließglied 42 zu erhalten ist dieses in einem Führungskäfig 60 untergebracht. Der Führungskäfig 60 sichert einmal die beiden Weicheisenringe 44 und 46 an der Magnetscheibe 40. Zum anderen ist die Länge 66 des Käfigs 60 größer als die in Achsrichtung gemessene Länge 56 des Schließgliedes 42. Der Käfig 60 ist bezüglich des Schließgliedes 42 so angeordnet, daß er in Achsrichtung des Schließgliedes gesehen beidseitig über dieses mit Käfigenden 62 und 64 hinausragt. Die beiden Käfigenden 62 und 64 sind jeweils mit Durchbrechungen 66 und 68 versehen. Da die Käfigenden 62, 64 an ihrem Innendurchmesser auf das Außenmaß der Ansätze 36 und 38 abgestimmt sind, bildet der Käfig 60 eine Schiebe­ führung für das Schließglied 42. Dazu ist die Länge 65 des Schließ­ gliedkäfigs 60 kürzer als der Abstand 67 zwischen den einander zugewandten Innenflächen der Gehäusedeckel 20 und 22 (Fig. 2). Es verbleibt also ein Maß 69, um welches der Käfig 60 und mit diesem das Schließglied 42 verschoben werden kann. Das Maß 69 muß mindestens so groß sein wie die Hubstrecke 58.

An die rohrförmige Wand 14 ist auf der dem Anschluß 26 gegenüber­ liegenden Seite ein Querrohr 70 angeformt, an welchem mit Abstand voneinanderliegende, ringförmige Spulenwände 72 und 74 angeordnet sind. Das Querrohr 70 bildet zusammen mit den Wänden 72 und 74 einen Spulenkörper 76 zur Aufnahme der Arbeitswicklung 78 für den Elektro­ magneten des Magnetventils 10. In der Bohrung 80 des Querrohrs 70 sitzt ein Weicheisen-Magnetkern 82, der mit seinem einen Ende weit in die Ventilkammer 12 hineinragt. Dieses Ende weist einen Quer­ durchbruch 84 auf (Fig. 6), so daß sich ein Ringpol 86 ergibt, welcher das Schließglied 42 umgreift. Durch eine koaxiale Aus­ richtung der Ansätze 36, 38, und des Querdurchbruchs 84 zueinander kann der zwischen dem Ringpol 86 und dem Schließgliedkäfig 60 sich ergebende Ringspalt 88 sehr klein gehalten werden. Der Magnetkern 82 ist beim Ausführungsbeispiel nahe dem Ringpol mit mehreren Ringnuten 85 versehen, die beim Fertigen der rohrförmigen Wand 14 und des mit diesem einstückig verbundenen Querrohrs 70 mit dem antimagnetischen Material ausgefüllt werden. Dadurch ergibt sich einmal eine gute Verankerung des Kerns 82 im Spulenkörper 76. Gleichzeitig wirkt sich die Verlängerung des Spaltes zwischen dem Magnetkern 82 und dem Querrohr 70 vorteilhaft auf die Abdichtung der Ventilkammer 12 aus. Diese Abdichtung wird auch dadurch weiter verbessert, daß die Arbeitswicklung 78 nach der Verbindung des Spulenkörpers 76 mit dem Kern 82 in den Spulenkörper hineingewickelt wird. Dabei wird das Querrohr 70 an der Mantelfläche des in diesem Bereich zylindrischen Kerns 82 fest angelegt. Der Kern 82 ragt mit einem Endabschnitt 90 aus dem Spulenkörper 70, 72, 74 heraus. Dieser Endabschnitt 90 des Magnetkerns 82 sitzt in einer Ausnehmung 92 eines Rückschlußjoches 94 des Elektromagneten, das im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist, dessen Schenkel 96 und 98 die Arbeitswicklung 78 des Elektro­ magneten übergreifen und den Endabschnitt 90 des Magnetkerns 82 magnetisch leitend mit den Anschlüssen 30, 32 bzw. mit den mit diesen verbundenen Ansätzen 36, 38 magnetisch leitend verbinden.

Die Arbeitswicklung 78 des Elektromagneten liegt in einem Arbeits­ stromkreis 102, der in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Er weist einen Betätigungsschalter 104 auf. Weiter liegt in dem Arbeitsstrom­ kreis eine Stromquelle 106 und ein Stromrichtungs-Umkehrschalter 108, so daß die Arbeitswicklung 78, je nach Stellung des Schalters 108 in verschiedenen Richtungen vom Strom durchflossen werden kann. Die Wirkungsweise des Magnetvenils 10 ist im folgenden beschrieben, wobei davon ausgegangen wird, daß das Magnetventil Druckluft steuern soll, welche zur Betätigung des Stellglieds (Arbeitszylinder) 28 verwendet wird. In der in Fig. 1 gezeigten Betriebsstellung ist die Leitung von der Druckluftpumpe 34 gesperrt. Der Stromrichtungs­ umkehrschalter 108 befindet sich in der Stellung, die erforderlich ist um das Stellglied 28 mit Druckluft zu beaufschlagen. Zum Ver­ ständnis der Wirkungsweise des Magnetventils ist es noch von Bedeutung zu wissen, daß die dem Anschluß 32 zugewandte Stirnfläche der Magnetscheibe 40 den Südpol und die dem Anschluß 30 zugewandte Seite des Permanentmagneten 40 den Nordpol des Permanentmagneten 40 bildet. Es ist klar, daß eine entsprechende Polarität an den dort anliegenden Weicheisenringen 44 und 46 vorhanden ist. Die Magnet­ scheibe 40 selbst besteht aus einem hochwertigen Magnetwerkstoff wie beispielsweise FeNdB oder SmCo. In der in Fig. 1 gezeichneten Betriebsstellung des Magnetventils 10 bildet sich somit ein magnetischer Fluß aus, der in Fig. 3 durch die Kraftlinie 110 angedeutet ist. Der magnetische Kreis schließt sich so ausgehend von der Magnetscheibe 40 über den Weicheisenring 46, den Ansatz 38, der auch als Polstück bezeichnet werden kann, den Schenkel 98 des Magnetjochs 94 den Magnetkern 82 und den Weicheisenring 44. Weil der Kern 82 im Bereich des Schließgliedes 42 als Ringpol 86 ausgebildet ist, treten die Kraftlinien am gesamten Umfang des Schließglieds 42 aus dem Ringpol 86 aus und in den Weicheisenring 44 bzw. in den Nordpol der Magnetscheibe 40 ein. Neben der Haltekraft zwischen dem Ansatz 38 und dem Weicheisenring 46 ergibt sich somit eine zusätz­ liche "Schubkraft" durch die aus dem Ringpol in das Schließglied übertretende Kraftlinien. Wie in Fig. 1 weiter durch die Pfeile 112 verdeutlicht wird, wird in dieser Betriebsstellung das Stellglied 28 entlüftet, weil die sich entspannende Luft über den Anschluß 26, die Ventilkammer 12, die Durchbrechungen 66 und den Anschluß 30 ins Freie austreten kann.

Wenn nun das Stellglied 28 betätigt werden soll, wird der als Taster ausgebildete Betätigungsschalter 104 geschlossen (Pfeil 116). Mit dem Schließen des Betätigungsschalters 104, was nur ganz kurzzeitig erforderlich ist, so daß ein Stromimpuls die Arbeitswicklung 78 des Elektromagneten erregt, ergibt sich folgende Situation:
Der Ringpol 86 wird zum Südpol. Gleichzeitig werden die freien Enden der U-Schenkel 96 und 98 des Rückschlußjochs 94 und damit auch die Ansätze 36, 38 zu Nordpolen. Das Schließglied 46 wird also während der Erregung der Arbeitswicklung 78 von dem Ansatz (Polstück) 38 abgestoßen und gleichzeitig von dem Ansatz (Polstück) 36 angezogen, so daß das Schließglied 42 in die in den Fig. 2 und 4 dar­ gestellte Position gelangt. In dieser ist nun der Entlüftungsan­ schluß 30 gesperrt (Fig. 2) und die von der Druckpumpe 34 über den Anschluß 32 geförderte Luft tritt über die Durchbrechungen 36 im Käfigende 64 entsprechend den Pfeilen 114 in die Ventilkammer 12, von wo aus sie über den Anschluß 26 dem Stellglied 28 zugeführt wird und dieses betätigt. Gleichzeitig wird der Stromrichtungs-Umkehr­ schalter 108 umgeschaltet (Fig. 2). Das Schließglied 42 hält sich in der in Fig. 2 dargestellten Betriebsstellung auch bei stromloser Wicklung selbsttätig, weil sich auch in dieser ein magnetischer Kreis schließt. Dieser ist in Fig. 4 anhand der Kraftlinie 120 dargestellt. Der magnetische Kreis 120 schließt sich dabei über den Weicheisenring 44 den Ansatz (Polstück) 36 den Schenkel 96 des Jochs 94, den Kern 82, den Ringpol 86 und den Weicheisenring 46. Auch in dieser Arbeitsposition ergibt sich eine sehr stabile Fixierung des Schließglieds 42 durch die Haltekraft zwischen dem Weicheisenring 44 und dem Ansatz 36 in Verbindung mit der "Schubkraft" im Bereich des Ringpols 86 und des Weicheichenrings 46. Der dazugehörige Betriebs­ zustand der Arbeitswicklung 78 heißt: "stromlos, nachdem der Ringpol Südpol war". Der Schalter 108 wird gleichzeitig in seine in Fig. 2 gezeigte Stellung umgeschaltet. Bei erneuter Betätigung des Schalters 104 wird die Arbeitswicklung 78 des Elektromagneten in der anderen Richtung durchflossen, so daß während des Impulses eine der beschriebenen Polarität entgegengesetzte Polarität an den Polen 36, 38, 86 ausgebildet wird. Dadurch wird das Schließglied 42 in seine andere Betriebsstellung (Fig. 1) überführt. Der dazugehörige Betriebszustand der Arbeitswicklung 78 heißt: "stromlos, nachdem der Ringpol Nordpol war."

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 weist der Schließgliedkäfig 60 einen Ringbund 160 auf, der sich im Bereich des Käfigendes 62 befindet. Der Ringbund 160 dient zur Abstützung einer in der in Fig. 5 dargestellten Position des Schließgliedes 42 vorgespannten Schrauben-Druckfeder 164, die mit ihrem anderen Ende an der inneren Wand des Gehäusedeckels 20 abgestützt ist. Die Schraubendruckfeder 164 ist so bemessen, daß ihre in Richtung des Pfeiles 166 wirkende Vorspannung das Schließglied 42 nicht aus der dargestellten Betriebsstellung bringen kann. Ihre Vorspannung soll die Ansprech­ empfindlichkeit des Magnetventils erhöhen, wenn das Schließglied 42 in der oben beschriebenen Weise in seine andere Betriebsstellung (Fig. 1) gebracht werden soll. Die Vorspannung 166 soll also die Kraft kompensieren, welche durch die in Richtung des Pfeiles 114 von der Pumpe kommende Luft auf das Schließglied 42 ausgeübt wird.

In Fig. 7 sind die Verhältnisse graphisch dargestellt, die sich hinsichtlich der Kräfte im Magnetventil 10 ergeben, wenn das Schließglied 42 zwischen seinen beiden Betriebsstellungen (siehe Fig. 1 und 3 bzw. Fig. 2 und 4) bewegt wird. Dabei ist die gesamte Hubstrecke 58 auf der Abszisse 200 zwischen den beiden Ordinaten 202 und 204 aufgetragen, während die Ordinaten die Größe der auftretenden Kräfte zeigen. Dabei steht die Ordinate 202 dort, wo sich die Betriebsstellung des Schließglieds 42 gemäß den Fig. 1 und 3 ergibt, während die Ordinate 204 sich in der anderen Betriebsstellung des Schließglieds 42 gemäß den Fig. 2 und 4 befindet. Die beiden gestrichelten Linien 206 und 208 zeigen den jeweiligen Verlauf der elektromagnetischen Anzugskräfte zwischen dem Schließglied 42 und den Ansätzen (Polstücken) 36 bzw. 38, während die beiden Linie 210 und 212 den Verlauf der permanentmagnetischen Haltekräfte zwischen dem Schließglied 42 und den Ansätzen (Pol­ stücken) 36 bzw. 38 veranschaulichen. Die strichpunktierte Linie 214 stellt den Verlauf der Spannung der Schraubendruckfeder 164 dar. Es ist daraus ersichtlich, daß in der in Fig. 5 gezeigten Betriebs­ stellung des Schließglieds 42 die Feder 164 maximal vorgespannt ist, daß jedoch diese Vorspannung wesentlich geringer ist als die permanentmagnetische Haltekraft 210, so daß eine Betätigung des Schließglieds 42 alleine durch die Feder 164 ausgeschlossen ist.

Claims (15)

1. Magnetventil mit einer innerhalb eines Magnetjochs liegenden, an einen Stromkreis anschließbaren, einen weichmagnetischen Kern umgebenden Arbeitswicklung, einer in Achsrichtung des Kerns diesem benachbarten Ventilkammer, in welche Anschlüsse für das zu steuernde Medium münden und in welcher ein in Richtung seiner Längsachse bewegbares, im wesentlichen zylindrisches, einen Permanentmagneten aufweisendes Schließglied angeordnet ist, das in Abhängigkeit von einem bestimmten Betriebszustand der Arbeitswicklung einen von zwei einander gegenüberliegend in die Ventilkammer mündenden Anschlüssen sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anschlüsse (30, 32) elektromagnetisch gleichzeitig ansteuerbare, gleichnamige Magnetpole bilden, an denen das Schließglied (42) mit seinen Magnetpolen (N, S) in seinen beiden Arbeitsstellungen wechselweise anliegt und daß die Arbeitswicklung (78) hinsichtlich der Stromfließrichtung zum Umsteuern des Schließglieds (42) umschaltbar ist.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (82) des Elektromagneten mit einem einen Querdurchbruch (84) aufweisenden Endabschnitt in die Ventilkammer (12) ragt, in welcher das Schließglied (42) angeordnet ist.

3. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schließglied (42) einen im wesentlichen zentralen, scheibenförmigen Bereich aufweist, der aus einem Permanentmagneten (40) besteht, wobei an jeder der Stirnflächen der Magnetscheibe (40) ein Weicheisenring (44, 46) angeordnet ist, deren Bohrungen gleich­ gerichtet einander gegenüberliegen und mit einem Füllstück (48, 50) aus einem gummiähnlichen Material ausgefüllt sind.

4. Magnetventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen walzenförmige Schließglied (42) in einem rohrartigen Käfig (60) gehalten ist, dessen beide Enden über das Schließglied (42) hinausragen und mit Durchbrechungen (66, 68) versehen sind.

5. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilkammer (12) von einer rohrförmigen Wand (14) aus einem antimagnetischen Material umschlossen ist, deren beiden Öffnungen (16, 18) durch Gehäusedeckel (20, 22) mit weich­ magnetischen Polstücken (36, 38) verschlossen sind, wobei die Wand (14) einen Anschluß (26) für das zu steuernde Medium hat.

6. Magnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in die Ventilkammer (12) mündende Anschlüsse (30, 32) an rohrförmigen, in die Ventilkammer (12) vorspringenden, die Polstücke aufweisenden Ansätzen (36, 38) der Gehäusedeckel (20, 22) aus­ gebildet sind.

7. Magnetventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ansätze (36, 38) mit dem Querdurchbruch (84) im Kern (82) des Elektromagneten fluchten und in den rohrartigen Käfig (60) des Schließglieds (42) ragen.

8. Magnetventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Achsrichtung der Ansätze (36, 38) des Querdruchbruchs (84) und des Schließglieds (42) gesehen das Schließglied (42) kürzer ist als der Abstand (39) zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der beiden Ansätze (36, 38).

9. Magnetventil nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Achsrichtung des Schließglieds (42) gesehen dessen rohrartiger Käfig (60) kürzer ist als der Abstand (68) zwischen den einander zugewandten Wänden der beiden Gehäusedeckel (20, 22).

10. Magnetventil nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der rohrförmigen Wand (14) der Ventilkammer (12) ein Querrohr (70) angeordnet ist, in dessen Bohrung sich der Kern (82) des Elektromagneten befindet, wobei das Querrohr (70) den Wickelkern für die Arbeitswicklung (78) des Elektromagneten bildet.

11. Magnetventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (82) des Elektromagneten an dem von der Ventilkammer (12) abgewandten Ende des Querrohrs (70) mit einem Endabschnitt (90) aus diesem herausragt.

12. Magnetventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (90) des Magnetkerns (82) in einer Ausnehmung (92) eines Rückschlußjochs (94) des Elektromagneten sitzt und daß das Rückschlußjoch (94) diesen Endabschnitt (90) mit den Polstücken (36, 38) der beiden Gehäusedeckel (20, 22) verbindet.

13. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der an dem einen Gehäusedeckel (22) vorhandene Anschluß (32) mit einer das zu steuernde Medium fördernden Pumpe (34) leitungsverbunden ist und daß der diesem gegenüberliegende andere Anschluß (30) zur Entspannung eines mit dem Magnetventil (10) leitungsverbundenen Stellglieds (28) dient.

14. Magnetventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließglied (42) zu den mit der Pumpe (34) verbundenen Anschluß (32) federbelastet ist.

15. Magnetventil nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der in der rohrförmigen Wand (14) des Ventilgehäuses vorhandene Anschluß (26) zu einem zwischen zwei Arbeitsstellungen bewegbaren Stellglied (28) führt.