DE4423122C2 - Pulsweitenmoduliert angesteuerter Proportionalmagnet - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem pulsweitenmoduliert angesteuer­ ten Proportionalmagnet, der insbesondere zur Betätigung eines hydraulischen Ventils vorgesehen ist und der eine von einem Spu­ lenkörper aus Kunststoff getragene Wicklung, zwei von entgegen­ gesetzten Seiten axial in den Spulenkörper hineinragende, axial voneinander beabstandete Polschuhe und einen Magnetanker auf­ weist.

Solche Elektromagnete sowie elektrische Schaltanordnungen für ihre Ansteuerung sind in dem Buch "Der Hydraulik-Trainer", Band 2, "Proportional- und Servoventil-Technik" (RD 00 291/12.89), herausgegeben von der Mannesmann Rexroth GmbH, Lohr/Main, bekannt. Üblicherweise enthält, wie man auch der angegebenen Literaturstelle entnehmen kann, die verwendete Schaltanordnung eine parallel zur Wicklung des Elektromagneten liegende Löschdiode. Man erhält auf diese Weise eine die Abhängigkeit eines mittleren, durch die Wicklung des Elektro­ magneten fließenden Stromes vom Tastgrad angebende Rennlinie, die einer Geraden angenähert ist. Als Tastgrad ist das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit und der Periodendauer bezeichnet, wobei die Periodendauer gleich der Summe aus der Einschaltzeit und der Ausschaltzeit ist. Der Tastgrad ist eine dimensionslose Größe. Eine lineare Abhängigkeit des mittleren Stromes vom Tastgrad wird angestrebt, damit von einem Tastgrad von 0 bis 1 eine gleich gute Steuerung des Elektromagneten möglich ist. Ohne Löschdiode bleibt der mittlere Strom bis zu einem Tastgrad von etwa 0,7 sehr gering und steigt dann steil an. Nur der Tastgradbereich zwischen 0,7 und 1 kann dann zur Steuerung des Elektromagneten herangezogen werden.

Ziel der Erfindung ist es, einen pulsweitenmoduliert angesteuer­ ten Proportionalmagneten mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß auch ohne Löschdiode ein breiter Tastgradbereich zur Ansteuerung des Elektromagneten ge­ nutzt werden kann.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß bei einem pulsweitenmoduliert angesteuerten Proportionalmagneten, der die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist, dadurch erreicht, daß radial zwischen dem Spulenkörper und den Polschuhen ein Rohr aus einem nichtmagnetischen, elektrisch leitfähigen Werkstoff angeordnet ist. Bei einem derart ausgebildeten Elektromagneten steigt der durch die Wicklung fließende mittlere Strom auch ohne Löschdiode bei kleinen Tastgraden wesentlich stärker an als bei einem Elek­ tromagneten ohne das erfindungsgemäße Rohr und ohne Löschdiode. Bei einem großen Tastgrad ist der Anstieg weniger steil als bei einem Elektromagneten ohne Rohr und ohne Löschdiode. Es hat sich gezeigt, daß bei einem erfindungsgemäßen Elektromagneten die Kennlinie, die die von dem Elektromagneten innerhalb des Propor­ tionalbereichs ausübbare Kraft in Abhängigkeit vom Tastgrad an­ gibt, in ihrem Verlauf der Kennlinie, aus der der durch die Wicklung fließende mittlere Strom in Abhängigkeit vom Tastgrad entnehmbar ist, ähnelt, so daß mit Hilfe des Tastgrades eine vom Magneten ausübbare Kraft gut vorgegeben werden kann. Da das Rohr außerhalb des magnetischen Kreises liegt, also keinen zusätzli­ chen Spalt im Magnetkreis erzeugt, wird der magnetische Wider­ stand des Magnetkreises durch das Rohr nicht erhöht.

Gemäß Anspruch 2 erstreckt sich das Rohr vorteilhafterweise we­ nigstens annähernd vom einen axialen Ende bis zum anderen axia­ len Ende der Wicklung. Man erhält dadurch auch bei einer relativ geringen Wandstärke einen großen Querschnitt für einen induzier­ ten, in dem Rohr fließenden Strom. Der Einfluß, den das Rohr ausübt, ist um so größer, je geringer der Widerstand für einen peripher in dem Rohr umlaufenden Strom ist. Außer durch einen großen Querschnitt läßt sich der Widerstand auch dadurch gering­ halten, daß das Rohr gemäß Anspruch 3 in peripherer Richtung ohne Stoßfuge ausgebildet ist, also z. B. nicht durch Rollen ei­ nes ebenen Bleches hergestellt ist. In den Widerstand geht auch der spezifische Widerstand des für das Rohr verwendeten Werk­ stoffs ein. Einen sehr geringen spezifischen Widerstand hat Kup­ fer, das zudem auch zu einem noch annehmbaren Preis erhältlich ist. Das Rohr ist deshalb bevorzugt aus Kupfer hergestellt.

Aus der Fig. 5 der DE 42 37 405 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt. Der Aktuator ist als Schaltventil ausgebildet. Das Schaltventil ist in der einen Schaltstellung geschlossen und in der anderen Schaltstellung voll geöffnet. Zwischenstellungen des Schaltventils - wie bei einem Proportionalventil - sind nicht vorgesehen. Die Stellung des Ankers des Schaltventils folgt dem Kurvenverlauf der Spannung, die der Wicklung der Magnetspule zugeführt ist. Das Verhältnis von Einschaltzeit zu der Summe aus der Einschaltzeit und der Ausschaltzeit spielt daher keine Rolle für die Stellung des Ankers. Der Eisenkreis des Schaltventils enthält zwei feste Kerne aus magnetischem Material, die durch ein Rohr aus nichtmagnetischem Material von­ einander beabstandet sind. Das Rohr bildet innerhalb des Magnetkreises einen großen magnetischen Widerstand für den Fluß zwischen den beiden festen Kernen. Parallel zu diesem großen magnetischen Widerstand ist ein weiterer, kleinerer magnetischer Widerstand angeordnet, der aus der Hintereinander­ schaltung eines Spaltes zwischen dem einen festen Kern und dem Anker, des Ankers sowie eines Spaltes zwischen dem Anker und dem anderen festen Kern gebildet ist. Die Parallelschaltung der beiden magnetischen Widerstände lenkt den magnetischen Fluß von dem einen festen Kern über den Anker zu dem anderen festen Kern. Diese Ausgestaltung eines Schaltventils gibt keinen Hinweis für die Ausnutzung eines breiteren Tastgradbereiches bei der Ansteuerung des Elektromagneten eines Proportional­ ventils.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalma­ gneten sowie zwei Diagramme sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläu­ tert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit eines mittleren, durch die Wicklung eines Elektromagneten fließenden Stromes vom Tastgrad angibt, wobei der Elektromagnet herkömmlich ausgebildet ist und die Schaltanordnung zur Ansteuerung des Elektromagneten keine Löschdiode enthält, und

Fig. 3 ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit des mittleren durch die Wicklung eines erfindungsgemäßen Elektro­ magneten fließenden Stromes vom Tastgrad entnehmbar ist.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Elektromagneten trägt ein hohler Spulenkörper 10 zwischen zwei stirnseitigen Flansches 11 und 12 die Wicklung 13. Der Flansch 12 ist wesentlich breiter als der Flansch 11. In ihn ist beim Spritzgießen des Spulenkörpers 10 eine Polplatte 14 eingebettet worden. Nach dem Aufbringen ist die Wicklung mit einem Kunststoffmantel 15 umspritzt worden. Da­ bei ist auch ein Steckerteil 16 an dem Spulenkörper 10 ange­ spritzt worden, das in axialer Verlängerung des Spulenkörpers angeordnet ist.

Die Polplatte 14 ist mit einem zentralen, im Querschnitt kreis­ förmigen Durchbruch 17 versehen, dessen Radius kleiner als der Radius des vom Spulenkörper 10 umgebenen Hohlraums 18 ist. Die Differenz in den Radien entspricht der Wandstärke eines Rohres 19, das aus Kupfer, also einem nichtmagnetischen, elektrisch leitfähigen, metallischen Werkstoff ohne eine bei einem Umlauf in peripherer Richtung zu überschreitende Stoßfuge hergestellt ist. Das Kupferrohr 19 ist bis zur Polplatte 14 in den Hohlraum 18 hineingeschoben und liegt radial unmittelbar am Spulenkörper 10 an. Es reicht axial von der Polplatte 14 bis zum Flansch 12 des Spulenkörpers 10, erstreckt sich also annähernd vom einen axialen Ende bis zum anderen axialen Ende der Wicklung 13.

In die Polplatte 14 ist ein den Durchbruch 17 durchquerender, rohrartiger Polkern 20 eingesetzt, der zusammen mit der Pol­ platte 14 einen ersten Polschuh 21 bildet und von der Polplatte 14 aus innerhalb des Kupferrohres 19 in den Hohlraum 18 des Spu­ lenkörpers 10 hineinragt. An einem zweiten Polschuh 22 sind eine sich vor dem Flansch 12 des Spulenkörpers 10 befindliche Pol­ platte 23 und ein innerhalb des Kupferrohrs 19 in den Hohlraum 18 hineinragender und an seinem dem Polkern 20 zugekehrten Ende mit einem Konus 24 versehener Polkern 25 einstückig miteinander ausgebildet. Die beiden Polkerne haben etwa mittig der Wicklung 13 einen axialen Abstand voneinander.

Ein topfartiges, dünnwandiges Tiefziehteil 33, das aus einem nichtmagnetisierbaren Stahl hergestellt ist, ist vom Konus 24 aus über den Polkern 25 geschoben, verjüngt sich im Bereich zwi­ schen den beiden Polkernen 20 und 25 auf einen kleineren Durch­ messer und läuft innen am Polkern 20 entlang bis zum Steckerteil 16. Das Kupferrohr 19 ist also jeweils zwischen dem Polkern 20 des Polschuhs 21 und dem Polkern 25 des Polschuhs 22 angeordnet, auch wenn sich im Bereich des Polkerns 25 zwischen diesem und dem Kupferrohr noch das Tiefziehteil 33 befindet.

Der Polkern 25 des Polschuhs 22 und das Tiefziehteil 33 schlie­ ßen einen sich zum größten Teil innerhalb des Polkerns 20 be­ findlichen Ankerraum 34 ein, der durch eine Dichtung 35 zwischen dem Tiefziehteil 33 und dem Polkern 25 zur Wicklung 13 hin und nach außen abgedichtet ist und in den sich ein am Tiefziehteil 33 bauchgelagerter Magnetanker 36 befindet, dessen Bewegung in Richtung auf den Polkern 25 zu über einen mit Spiel durch den Polschuh 22 hindurchgeführten Stößel 37 auf das bewegliche Ven­ tilglied eines hydraulischen Ventils, von dem in Fig. 1 nur ein Teil des Gehäuses 38 gezeigt ist, übertragbar ist. Die beschrie­ benen Teile des Elektromagneten sind von einem zylindrischen Ge­ häuse 40 umgeben, das aus einem magnetisierbaren Material be­ steht und an seinem einen Ende über das Steckerteil 16 umgebör­ delt ist. Am anderen Ende ist das Gehäuse 40 stellenweise um die Polplatte 23 umgebördelt, so daß ein fester Zusammenhalt aller Bauteile gewährleistet ist. Durch Umbördelung an anderen Stellen über das Gehäuse 38 kann der Magnet an dem Ventilgehäuse 38 be­ festigt werden.

In den Diagrammen nach den Fig. 2 und 3 ist auf der Abszisse der Tastgrad von 0 bis 1 und auf der Ordinate der durch die Wicklung eines Elektromagneten fließende Strom in Ampere aufge­ tragen. Das Diagramm nach Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit dieses Stromes bei einem Elektromagneten, zu dessen Wicklung keine Löschdiode parallel geschaltet ist und der auch nicht wie ein erfindungsgemäßer Elektromagnet mit einem nichtmagnetischen, elektrisch leitfähigen, metallischen Rohr ausgestattet ist. Man sieht, daß die Stromstärke bis zu einem Tastgrad von etwa 70% sehr niedrig bleibt und erst ab einem Tastgrad von etwa 80% sehr steil linear ansteigt.

Demgegenüber ist aus dem Diagramm nach Fig. 3 ersichtlich, daß bei einem erfindungsgemäß mit einem Kupferrohr ausgestatteten Elektromagneten die Stromstärke schon von sehr niedrigen Tast­ graden aus kontiniuierlich ansteigt, wobei allerdings auch hier der Anstieg mit größer werdendem Tastgrad etwas zunimmt. Auf je­ den Fall kommt die Kennlinie nach Fig. 3 einer linearen Abhän­ gigkeit der Stromstärke in der Wicklung des Elektromagneten vom Tastgrad schon von kleinen Tastgraden aus wesentlich näher als die Kennlinie nach Fig. 2.

Bei der Aufnahme der Kennlinien nach den Fig. 2 und 3 betrug die während eines Impulses an die Wicklung des Elektromagneten gelegte Spannung 13,5 V. Die Pulsfrequenz war 300 Hz.

Claims (4)

1. Pulsweitenmoduliert angesteuerter Proportionalmagnet, der insbesondere zur Betätigung eines hydraulischen Ventils vor­ gesehen ist und der eine von einem Spulenkörper (10) aus Kunst­ stoff getragene Wicklung (13), zwei von entgegengesetzten Seiten axial in den Spulenkörper (10) hineinragende, axial voneinander beabstandete Polschuhe (21, 22) und einen Magnetanker (36) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß radial zwischen dem Spulen­ körper (10) und den Polschuhen (21, 22) ein Rohr (19) aus einem nichtmagnetischen, elektrisch leitfähigen, metallischen Werk­ stoff angeordnet ist, das außerhalb des magnetischen Kreises liegt.

2. Proportionalmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich das Rohr (19) wenigstens annähernd von einem axia­ len Ende bis zum anderen axialen Ende der Wicklung (13) er­ streckt.

3. Proportionalmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Rohr (19) in peripherer Richtung ohne Stoßfuge ausgebildet ist.

4. Proportionalmagnet nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (19) ein Kupferrohr ist.