DE4235508A1 - Analog-Stellmagnet, insbesondere für Analog-Magnetventile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Stellmagnet zur Abgabe einer seiner Erregungsstärke direkt oder umgekehrt proportionalen Kraft und/oder Hubstrecke an ein Stellglied eines zu betätigenden Gerätes, insbesondere für Analog-Magnetventile mit als an das Gehäuse des Analog-Stellmagneten anzuflanschendem, als Ventilteil mit einem Ventilstößel als Stellglied ausgebildetem Gerät, mit einem einen Anker tragenden, axial verstellbaren Stößel, mit wenigstens einer am Stößel befindlichen, geräteabgewandten Radialschulter, welche durch Anlage an einer entsprechenden, festen Gegenschulter eine Endlagenstellung des Stößels bestimmt.

Bei derartigen Analog-Stellmagneten besteht oft die Forderung, daß die vom Stößel ausgeübte Kraft innerhalb enger Toleranzen linear mit dem angelegten Magnetspulen-Strom zunimmt, respektive bei indirekt wirkenden, d. h. mit einer Feder vorgespannten Magneten abnimmt. Das heißt, die ausgeübte Kraft K kann innerhalb des Arbeitsbereichs mit großer Genauigkeit mit der Formel

K = c + b×i,

wobei i der Spulenstrom ist, bestimmt werden. Die Konstanten c und b sind bei der jeweiligen Anwendung vorgegeben.

Zudem besteht meist die Forderung, daß in der transienten Phase, verursacht durch die Vergößerung, resp. Verkleinerung des Stromes i, der Stößel und damit bei Ausbildung als Magnetventil der Ventilstößel einen definierten Hub macht. Auch müssen Anker- und Ventilstößel ständig im Kraftschluß bleiben, um Unstetigkeiten im dynamischen Verhalten zu vermeiden.

Diese Anforderungen können theoretisch durch die Windungszahl der Magnetspule, die Geometrie von Magnet-Anker und -Joch, eine Hubbegrenzung für die Aufwärtsbewegung (Bewegung in Richtung vom Magneten zum Gerät) und eine Hubbegrenzung für die Abwärtsbewegung (Bewegung in Richtung vom Gerät zum Magneten) erfüllt werden.

In der Praxis sind jedoch Abweichungen von der rechnerischen Auslegung zufolge der Fertigungstoleranzen unvermeidlich. Falls die Genauigkeitsanforderungen an das System mit den verfügbaren Fertigungsmethoden nicht erreicht werden können, müssen Justiervorrichtungen vorgesehen werden.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen Analog-Stellmagneten der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln derart auszugestalten, daß zumindest die wichtigsten der seine Funktionsgenauigkeit bestimmenden, fertigungstoleranzabhängigen Parameter in einfacher Weise genau justierbar sind. Dabei soll die Option gegeben sein, mit einfachen Mitteln auch weitere, seine Funktionsgenauigkeit mitbestimmende Parameter justierbar zu gestalten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß

• - die axiale Lage des mit dem Gehäuse des Analog-Stellmagneten zu verbindenden Gehäuses des Gerätes justierbar ist und
• - die Gegenschulter vermittels wenigstens eines Stellorganes axial verstellbar ist.

Da die Magnetkraft von der jeweiligen Ankerstellung abhängig ist, können durch diese Ausbildung die für das Arbeitsverhalten des Analog-Stellmagneten wesentlichen Faktoren zum Eliminieren der Einflüsse von Fertigungstoleranzen justiert werden.

Die Unteransprüche zeigen nach der weiteren Erfindung mögliche, vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten eines derartigen Analog-Stellmagneten auf.

Durch den Bolzen und die geneigte Achsrichtung der Stellschraube insbesondere ab dem Anspruch 3 ist das Stellorgan in Bereichen des Analog-Stellmagneten unterbringbar, die von anderen Bauteilen frei sind, so daß kein gesonderter Bauraum, insbesondere keine Axialverlängerung des Analog-Stellmagneten erforderlich ist. Die geneigte Achsrichtung der Stellschraube bewirkt zudem eine Untersetzung der Verstellbewegung von der Stellschraube zur Ringscheibe, wodurch eine sehr hohe Justiergenauigkeit für die Stößel-Endlagenstellung erreichbar ist.

Die Justiermöglichkeit nach den Ansprüchen 14 und 17 vervollständigen die Justiermöglichkeiten gemäß Anspruch 1, so daß ein besonders genaues Einstellen des Arbeitsverhaltens möglich ist.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel für die Erfindung ein Analog-Magnetventil mit einem nach der Erfindung ausgebildeten Analog-Stellmagneten großenteils im Axialschnitt dargestellt.

Das Analog-Magnetgventil ist aus einem Analog-Stellmagneten 1 und einem Ventilteil 2 zusammengesetzt, wozu das Gehäuse 3 des Analog-Stellmagneten 1 mit dem Gehäuse 4 des Ventilteiles stirnseitig zusammengeflanscht bzw. in sonstig geeigneter Weise miteinander verbunden sind. Dabei befindet sich zwischen den Gehäusen 3 und 4 wenigstens eine Justierscheibe 30, welche deren relative, axiale Lage zueinander bestimmt. Durch Einlegen einer oder mehrerer Justierscheiben 30 geeigneter Stärke ist die relative Axiallage der beiden Gehäuse 3 und 4 genau justierbar. Im Gehäuse 4 des Ventilteiles 2 ist ein Ventilstößel 5 für eine im weiteren nicht gezeigte Ventileinrichtung axial verschieblich gelagert. Die nicht gezeigte Ventileinrichtung kann wie an sich bekannt ein Doppelventil zum Erstellen eines über ein Kolbenglied den Ventilstößel 5 in Richtung zum Analog-Stellmagneten 1 belastenden Nutzdruckes aufweisen.

Im Gehäuse 3 des Analog-Stellmagneten 1 ist vermittels Kugelbüchsen 6 ein Stößel 7 reibungsarm axial verschieblich gelagert, der Stößel 7 und der Ventilstößel 5 verlaufen zueinander gleichachsig. Nahe des Bereiches der Trennebene zwischen den Gehäusen 3 und 4 steht der Stößel 7 mit seiner Stirnfläche 8 der Stirnseite des Ventilstößels 5 gegenüber, in dieser Stirnseite des Ventilstößels 5 ist vermittels einer im wesentlichen kegeligen Ausnehmung zentrisch eine Kugel 9 gehaltert, welche auf der Stirnfläche 8 aufliegt. Vermittels geeigneter Justierscheiben 30 ist mit den Gehäusen 3 und 4 auch die Axiallage des Ventilstößels 5 relativ zum Stößel 7 justierbar. Im Ventilteil 2 kann in nicht dargestellter Weise der Hub des Ventilstößels 5 in Entfernungsrichtung vom Stößel 7 vorzugsweise justierbar begrenzt sein.

Im mittleren Teil seiner Längserstreckung trägt der Stößel 7 einen Anker 10, der von einer im Gehäuse 3 angeordneten Erregerspule 11 umgeben ist. Der Anker 10 befindet sich in einem Raum 12 des Gehäuses 3, der um mindestens den Sollhub 13 des Stößels 7 bei voller Erregung der Erregungsspule 11, vermehrt um die Stärke einer im Raum 12 befindlichen, den Stößel 7 umgebenden Ringscheibe 14, länger ist als der Anker 10. Die aus einem nicht magnetisierbarem Werkstoff, insbesondere aus Messing bestehende Ringscheibe 14 befindet sich auf der der Stirnfläche 8 abgewandten Seite des Ankers 10, bei Erregung der Erregungsspule 11 erfährt der Anker 10 eine in Richtung zur Ringscheibe 14 gerichtete Verstellkraft. Das der Stirnfläche 8 abgewandte Ende des Stößels 7 ragt in einen Raum 15 des Gehäuses 3, es liegt mit einer Abrundung auf einem Federteller 17 auf, der in Andrückrichtung an den Stößel 7 von einer im Raum 15 befindlichen Feder 17 belastet ist. Das andere Ende der Feder 17 liegt auf einem weiteren Federteller 18 auf, der vermittels einer mit dem Gehäuse 3 einstellbar verschraubten Stellschraube 19 gegen das Gehäuse 3 in seiner Axiallage einstellbar abgestützt ist. Es ergibt sich somit - bei Nichtberücksichtigen des Ventilteiles 2 - mit steigender Erregung der Erregerspule 11 unter entsprechend wachsendem Spannen der Feder 17 eine sich in Richtung zu dieser verschiebende Gleichgewichtslage für den Stößel 7.

Die Ringscheibe 14 ist relativ zum Stößel 7 beweglich, sie gehört einem Stellorgan 20 zu, vermittels welchem die axiale Endlagenstellung des Stößels 7 bei voll erregter Erregungsspule 11 justierbar ist. Dem Stellorgan 20 gehört des weiteren ein Bolzen 21 zu, welcher mit zur Achse 22 des Stößels 7 paralleler Achse 23 neben dem Stößel 7 axial verschieblich im Gehäuse 3 gelagert ist, derart, daß er mit seiner einen Stirnfläche an der dem Anker 10 abgewandten Ringfläche der Ringscheibe 14 anliegt. Andererseits liegt der Bolzen 21 an der Stirnfläche 24 einer Stellschraube 25 auf, die mit zur Achse 23 des Bolzens 21 im stumpfen Winkel a geneigter Achsrichtung 26 justierbar mit dem Gehäuse 3 verschraubt ist; der Winkel a ist zum Verdeutlichen der Darstellung zwischen der Achsrichtung 26 und einer zur Achse 23 parallelen Bezugslinie 23a eingezeichnet. Die jeweilige Stellage der Stellschraube 25 ist durch eine Kontermutter 27 sicherbar. Der Gewindehub der Stellschraube 25 und der stumpfe Winkel a sind derart bemessen, daß einer leicht handhabbaren Umdrehungseinheit der Stellschraube 25 eine Axialverstellung des Bolzens 21 um eine leicht handhabbare Hubstrecke entspricht: Beispielsweise kann einer Umdrehungseinheit von 90° eine Hubstrecke von 0,1 mm entsprechen.

Die der Stirnfläche 8 abgewandte und der Ringscheibe 14 zugewandte Stirnfläche des Ankers 10 bildet eine am Stößel 7 befindliche Radialschulter 28, welcher die von der dem Anker 10 zugewandten Ringfläche der Ringscheibe 14 gebildete Gegenschulter 29 gegenübersteht. Die Anlage der Radialschulter 28 auf der Gegenschulter 29 bei gleichzeitig über den Bolzen 21 und die Stellschraube 25 axial abgestützter Ringscheibe 14 begrenzt die Bewegungsrichtung des Stößels 7 bei Erregung der Erregungsspule 11, sie bestimmt also die entsprechende Endlagenstellung des Stößels 7. Durch Verschrauben der Stellschraube 25 nach Lösen der Kontermutter 27 kann unter Untersetzung des Verschraubungsweges über den Bolzen 21 die Axiallage der Ringscheibe 14 und damit der Gegenschulter 29 relativ zum Gehäuse 3 justiert werden, über die Stirnfläche 8 ist damit der maximale Ventilhub im Ventilteil 2 unter Kompensation von Fertigungstoleranzen justierbar.

Bei Ausbildung des Ventilteiles 2 wie vorstehend beschrieben ergibt sich hinsichtlich des Nutzdruckes eine inverse Arbeitsweise, d. h. der Nutzdruck sinkt mit wachsender Erregung der Erregerspule ab.

Der stumpfe Winkel a liegt zweckmäßigerweise in der Größenordnung von ca. 135°, die Stirnfläche 24 der Stellschraube 25 wird zweckmäßig kegelförmig ausgebildet, derart, daß zwischen zwei einander gegenüberliegenden Mantellinien sich ein Spitzenwinkel für den Kegel von wenigstens annährend dem stumpfen Winkel a, vermindert um 90° und anschließend verdoppelt, ergibt: Hierdurch ist eine Linienberührung zwischen der Stirnfläche 24 und dem Bolzen 21 erreichbar. Die Stellschraube 25 wird zweckmäßig derart im Gehäuse 3 angeordnet, daß die Achsen 22 und 23 des Stößels 7 bzw. des Bolzens 21 und die Achsrichtung 26 in einer Ebene liegen. Weiterhin ist es zweckmäßig, die Länge des Bolzens 21 derart zu bemessen, daß sich die Stellschraube 25 im wesentlichen in einem Bereich des Gehäuses 3 befindet, der axial zwischen der im Gehäuse 3 befindlichen Erregerspule 11 und dem die Feder 17 aufnehmenden Raum 15 liegt, die Enden der Stellschraube 25 können dabei in radial neben der Erregerspule 11 bzw. dem Raum 15 liegende Bereiche ragen. Durch diese Anordnung erfordert das Stellorgan 20 nur ansonsten ungenutzten Bauraum im Analog-Stellmagneten 1, es ergibt sich für diesen also keine Vergrößerung, insbesondere keine axiale Verlängerung durch das Stellorgan 20.

Mit den beiden Konstanten a und b der bereits eingangs erwähnten Gleichung K = c + b×i und dem Aufwärts- und Abwärtshub hat das System des Analog-Stellmagneten 1 vier Freiheitsgrade, die mit den vier erwähnten Justiermöglichkeiten des beschriebenen Ausführungsbeispiels einstellbar sind:

• 1. Die Vorspannung der Feder 17 ist mit der Stellschraube 19 einstellbar;
• 2. der Aufwärtshub des Stößels 7 kann im zu steuernden Gerät, insbesondere im Ventilteil 2 vermittels des erwähnten, justierbaren Anschlages für den Ventilstößel 5 eingestellt werden;
• 3. der Arbeitspunkt des Stellmagneten 1 wird mit den Justierscheiben 30 zwischen den Gehäusen 3 und 4 des Analog-Stellmagneten 1 bzw. des von diesem zu betätigenden Gerätes, d. h. des Ventilteiles 2, eingestellt;
• 4. der Abwärtshub des Stößels 7 wird mittels des Stellorganes 20 justierbar begrenzt.

Dabei sind die Justiermöglichkeiten nach 3. und 4. besonders wesentlich.

Mit den Justiervorrichtungen 1, 3 und 4 können Arbeitspunkt und Abwärtsschub eingestellt werden, ohne den Magneten und/oder das zu steuernde Gerät, insbesondere das Ventilteil 2, wieder demontieren zu müssen, was den entsprechenden Aufwand drastisch reduziert. Falls aufgeschnittene, U-artige Justierscheiben verwendet werden, ist die Justierung nach 3. besonders einfach möglich.

In Abänderung zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es selbstverständlich möglich, um die Achse 22 herum gleichmäßig verteilt mehrere gleichartig ausgebildete Stellorgane 20 anzuordnen, wodurch die Ringscheibe 14 eine über ihren Umfang gleichmäßige Abstützung zum Gehäuse 3 erfahren kann. Die Ringscheibe 14 kann gegebenenfalls auch entfallen, insbesondere falls nur ein Stellorgan 20 vorgesehen wird. Des weiteren ist es möglich, zusätzlich die entgegengesetzte Endlagenstellung des Stößels 7, also seine Endlagenstellung bei unerregter Erregungsspule 11, die er unter der Kraft der Feder 17 einnimmt, vermittels entsprechend im dem Ventilteil 2 zugewandten Endbereich des Gehäuses 3 angeordneter Stellorgane justierbar zu gestalten, diese Stellorgane sind dabei entsprechend den Stellorganen 20 auszubilden. Hierdurch kann die erwähnte, justierbare Hubbegrenzung für den Ventilstößel 5 ersetzt werden. Je nach Verwendungszweck des Analog-Stellmagneten kann auch die Feder 17 mitsamt der Stellschraube 19 entfallen oder durch eine entsprechende Funktionsanordnung im mit den Stößel 7 entsprechend zu kuppelnden, zu betätigenden Gerät ersetzt werden.

Kurzfassung

Der Analog-Stellmagnet (1) ist zum Justieren wenigstens einer der Endlagenstellungen seines Stößels (7) mit einem Stellorgan (20) ausgestattet. Das Stellorgan (20) umfaßt eine im den Anker (10) aufnehmenden Raum (12) angeordnete, den Stößel (7) relativbeweglich umgebende Ringscheibe (14), welche vermittels eines Bolzens (21) axial abgestützt ist, wobei der Bolzen (21) seinerseits gegen die Stirnfläche (24) einer im stumpfen Winkel zu ihm mit dem Gehäuse (3) verschraubten Stellschraube (25) abgestützt ist.

Der Analog-Stellmagnet (1) ist insbesondere in Verbindung mit einem durch Zwischenlage wenigstens einer Justierscheibe 30 in seiner relativen Axiallage justierbaren Ventilteil (2) zur Bildung eines Analog-Magnetventils verwendbar.

Bezugszeichenliste

 1 Analog-Stellmagnet
 2 Ventilteil
 3 Gehäuse
 4 Gehäuse
 5 Ventilstößel
 6 Kugelbüchse
 7 Stößel
 8 Stirnfläche
 9 Kugel
10 Anker
11 Erregerspule
12 Raum
13 Sollhub
14 Ringscheibe
15 Raum
17 Federteller
17 Feder
18 Federteller
19 Stellschraube
20 Stellorgan
21 Bolzen
22 Achse
23 Achse
23a Bezugslinie
24 Stirnfläche
25 Stellschraube
26 Achsrichtung
27 Kontermutter
28 Radialschulter
29 Gegenschulter
30 Justierscheibe
a Winkel

Claims (17)

1. Analog-Stellmagnet (1) zur Abgabe einer seiner Erregungsstärke direkt oder umgekehrt proportionalen Kraft und/oder Hubstrecke an ein Stellglied eines zu betätigenden Gerätes, insbesondere für Analog-Magnetventile mit als an das Gehäuse (3) des Analog-Stellmagneten (1) anzuflanschendem, als Ventilteil (2) mit einem Ventilstößel (5) als Stellglied ausgebildetem Gerät, mit einem einen Anker (10) tragenden, axial verstellbaren Stößel (7), mit wenigstens einer am Stößel (7) befindlichen, geräteabgewandten Radialschulter (28), welche durch Anlage an einer entsprechenden, festen Gegenschulter (29) eine Endlagenstellung des Stößels (7) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die axiale Lage des mit dem Gehäuse (3) des Analog-Stellmagneten (1) zu verbindenden Gehäuses (4) des Gerätes (Ventilteil 2) justierbar ist und
• - die Gegenschulter (29) vermittels wenigstens eines Stellorganes (20) axial verstellbar ist.

2. Stellmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Gehäusen (3 und 4) des Analog-Stellmagneten (1) bzw. des Gerätes (Ventilteil 2) wenigstens eine deren relative, axiale bestimmende Justierscheibe (30) befindet.

3. Stellmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellorgan eine zumindest eine in Richtung der Achse (22) des Stößels (7) verlaufende Stellkomponente aufweisende Stellschraube (25) und einen achsparallel zum Stößel (7) neben diesem im Gehäuse (3) verschieblichen Bolzen (21) aufweist, wobei der Bolzen (21) einerseits an der Stirnfläche (24) der Stellschraube (25) anliegt und andererseits mittel- oder unmittelbar die Gegenschulter (29) bildet.

4. Stellmagnet nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine den Stößel (7) umgebende Ringscheibe (14) aus nicht magnetisierbarem Material, insbesondere Messing, deren eine Seite die Gegenschulter (29) bildet und an deren anderer Seite die andersseitige Stirnfläche des Bolzens (21) anlegbar ist.

5. Stellmagnet nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellschraube (25) mit zur Achse (23) des Bolzens (21) im stumpfen Winkel (a) geneigter Achsrichtung (26) justierbar mit dem Gehäuse (3) verschraubt ist.

6. Stellmagnet nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindehub der Stellschraube (25) und ggf. der stumpfe Winkel (a) derart bemessen sind, daß einer leicht handhabbaren Umdrehungseinheit der Stellschraube (25) eine Axialverstellung des Bolzens (21) um eine leicht handhabbare Hubstrecke insbesondere einer Umdrehungseinheit von 90° einer Hubstrecke von 0,1 mm entspricht.

7. Stellmagnet nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (22, 23, 26) des Stößels (7), des Bolzens (21) und der Stellschraube (25) sich in einer Ebene befinden.

8. Stellmagnet nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Anlage von Radialschulter (28) und Gegenschulter (29) bestimmte Endlagenstellung den Hubweg des Stößels (7) bei Erregung begrenzt.

9. Stellmagnet nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 3 bis 7 und nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellschraube (25) sich im wesentlichen in einem Bereich des Gehäuses (3) befindet, der axial zwischen einer im Gehäuse (3) befindlichen Erregerspule (11) und einem eine den Stößel (7) belastende Feder (17) aufnehmenden Raum (15) befindet.

10. Stellmagnet nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der stumpfe Winkel (a) zwischen der Achse (23) des Bolzens (21) und der Achsrichtung (26) der Stellschraube (25) wenigstens annähernd 135° beträgt.

11. Stellmagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 5-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (24) der Stellschraube (25) kegelförmig mit einem spitzen Winkel zwischen gegenüberliegenden Mantellinien ausgebildet ist, der wenigstens annähernd dem stumpfen Winkel (a) zwischen der Achse (23) des Bolzens (21) und der Achsrichtung (26) der Stellschraube (25), vermindert um 90° und anschließend verdoppelt, entspricht.

12. Stellmagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 3-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellschraube (25) in ihrer Justierstellung durch eine Kontermutter (27) gesichert ist.

13. Stellmagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stellorgane (20) im Kreis um den Stößel (22) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

14. Stellmagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (7) entgegen der Verstellrichtung bei Erregung von der Kraft einer gegen ein justierbares, festes Gegenlager (Federteller 18) abgestützten Feder (17) belastet ist.

15. Stellmagnet nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-14, in Ausbildung als Analog-Magnetventil, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Stirnflächen (8) des Stößels (7) und des Ventilstößels (5) aneinander anliegen.

16. Stellmagnet nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Stirnflächen (8) des Stößels (7) und des Ventilstößels (5) eine in einer kegeligen Ausnehmung in einer der Stirnseiten zentrisch gehaltenene Kugel (9) eingeordnet ist.

17. Stellmagnet nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Ventilstößels (5) in Entfernungsrichtung vom Stößel (7) vorzugsweise justierbar begrenzt ist.