DE102021111032A1

DE102021111032A1 - Elektromagnetischer Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil und 3/2-Wegeventil

Info

Publication number: DE102021111032A1
Application number: DE102021111032.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kolbenschlag
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2022-11-03
Also published as: EP4330994A1; CN221040716U; WO2022229396A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein elektromagnetischer Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil (100), mit einem Gehäuse (103), einem beweglichen Anker (115) aus einem weichmagnetischen Material, radial außerhalb des Ankers (115) angeordneten, fest mit dem Gehäuse (103) verbundenen Spulen (133, 136) und einem fest außerhalb der Spulen (133, 136) angeordneten ringförmigen Permanentmagneten (139), der axial magnetisiert ist. Der Anker (115) nimmt abhängig von einem durch die Spulen (133, 136) fließenden Strom eine gewünschte Position im Magnetfeld des Permanentmagneten (139) ein. Dieser Antrieb ermöglicht eine feinfühlige proportionale Ansteuerung eines Ventils. Er ist zudem besonders einfach, und der Anker (115) ist leicht und kostengünstig herzustellen. Zudem können Form und Masse des Ankers (115) optimiert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil, sowie ein 3/2-Wegeventil. Wegeventile dienen in der Fluidtechnik dazu, den Weg für das Arbeitsmedium (z.B. Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit) freizugeben, zu sperren oder die Durchflussrichtung zu ändern. Wegeventile werden nach der Anzahl der Anschlüsse und der Anzahl der Schaltstellungen beschrieben. Ein 3/2 Wegeventil besitzt beispielsweise drei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen. Wegeventile werden vielfach elektromagnetisch angetrieben.
Die Positionsregelung von pneumatisch angetriebenen Stellventilen, insbesondere solchen mit „smarten“ Stellungsreglern, wird normalerweise durch IP-Wandler (Strom-Druck-Wandler) mit sehr niedriger Leistungsaufnahme (maximal einige mW) mit nachgeschalteten Pneumatikverstärkern bewerkstelligt. Gründe hierfür sind vor allem das in der Prozessleittechnik genormte Eingangssignal (4-20 mA), welches auch die Energie für die IP-Wandler zur Verfügung stellt (sog. Zweileitertechnik), aber auch Explosionsschutz-Anforderungen.
Moderne Entwicklungen in der Prozessleittechnik gehen jedoch dahin, dass in Zukunft derart geringe Leistungsaufnahmen nicht mehr zwingend vorausgesetzt werden. Die sog. 4-Leitertechnik und Bussysteme erlauben höhere elektrische Leistungsaufnahmen der Steuerungs- bzw. Regelkomponenten. Wegen des verstärkten Einsatzes moderner Kommunikationsschnittstellen (z.B. APL, bluetooth) werden solche Systeme, die höhere elektrische Leistungen bereitstellen, immer stärkere Verbreitung finden.
Die erhöhte, zur Verfügung stehende elektrische Leistung erlaubt es, neue Wege bei der Positionsregelung von pneumatisch angetriebenen Stellventilen zu beschreiten. Dazu können vorzugsweise Wegeventile, insbesondere 3/2-Wegeventile, verwendet werden.
Stand der Technik
Elektromagnetisch angetriebene 3/2-Wegeventile sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2015 005 369 A1 oder DE 10 2018 124 310 A1 bekannt. Bei diesen 3/2-Wegeventilen kommt ein Antrieb zum Einsatz, der allerdings nicht für eine stufenlose, proportionale Steuerung des Ventils geeignet ist. Dabei handelt es sich um einen ortsfesten Dauermagneten, der zwischen zwei Spulen ringförmig um das Ventilgehäuse herum angeordnet ist. Der Dauermagnet ist radial magnetisiert und erzeugt ein Magnetfeld, das dazu dient, einen magnetischen Steueranker auch im stromlosen Zustand in der jeweiligen Endposition zu halten. Durch bestromen der jeweils passenden Spule wird der Anker gegen das Magnetfeld aus der jeweiligen Endposition gezogen, um dann ruckartig in die andere Endposition zu schalten, wodurch wechselseitig jeweils einer der beiden Ventilsitze verschlossen bzw. geöffnet wird. Die beiden Ventilsitze sind stets entweder vollständig geöffnet oder vollständig verschlossen, eine proportionale Ansteuerung ist nicht möglich.
Die Druckschrift DE 39 05 992 A1 offenbart einen ähnlich funktionierenden elektromagnetischen Antrieb für ein Ventil, in diesem Fall ein Einspritzventil. Auch hierbei ist ein außenliegender, radial magnetisierter Ringmagnet vorhanden, der dazu dient, die magnetische Ventilnadel in der jeweiligen Endposition zu halten. Mittels bestrombarer Spulen wird ein möglichst schneller Wechsel zwischen diesen Endpositionen erreicht. Eine proportionale Ansteuerung ist hierbei nicht möglich und nicht erwünscht.
Aus der Druckschrift DE 10 2015 122 229 A1 ist ein elektromagnetisch angetriebenes Ventil bekannt, welches proportional ansteuerbar ist. Hierbei werden zwei Spulen verwendet, die von einer zylindrischen Rückschlusshülse umgeben sind. Abhängig von dem durch die Spulen fließenden Strom lässt sich die Position eines Ankers feinfühlig proportional einstellen. Dieser Anker ist als zylindrischer Permanentmagnet mit axialer Magnetisierung ausgebildet. Dadurch ist die mögliche Ausgestaltung des Ankers und der Ventilbetätigung eingeschränkt. Auch ist der Anker, bedingt durch die Ausgestaltung als Permanentmagnet, ziemlich schwer, was im Hinblick auf die Schockresistenz nachteilig ist.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten elektromagnetischen Antrieb für ein Ventil, insbesondere ein 3/2-Wegeventil, anzugeben, der ein proportionales Verhalten und einen möglichst einfachen Aufbau hat.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein elektromagnetischer Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil vorgeschlagen. Dieser hat ein Gehäuse und eine Zylinderachse sowie einen Anker. Der Anker ist entlang der Zylinderachse beweglich und besteht aus einem weichmagnetischen Material. Der elektromagnetische Antrieb hat ferner mindestens eine Spule, die von der Zylinderachse aus gesehen radial außerhalb des Ankers angeordnet ist, wobei die Spule fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Der elektromagnetische Antrieb hat außerdem einen Permanentmagneten, der von der Zylinderachse aus gesehen radial außerhalb der mindestens einen Spule angeordnet ist. Der Permanentmagnet ist fest mit dem Gehäuse verbunden. Er ist ringförmig gestaltet und axial magnetisiert. Der Permanentmagnet und die mindestens eine Spule sind entlang der Zylinderachse gegeneinander versetzt angeordnet. Der Anker nimmt abhängig von einem durch die mindestens eine Spule fließenden Strom eine gewünschte Position im Magnetfeld des Permanentmagneten ein.
Ein solcher Antrieb ist sehr einfach aufgebaut und ermöglicht trotzdem eine feinfühlige proportionale Ansteuerung eines Ventils. Dadurch, dass der Anker aus einem weichmagnetischen Material besteht, entfallen viele der Einschränkungen und Nachteile, die permanentmagnetische Anker haben. Insbesondere die Herstellung des Ankers gestaltet sich einfacher und somit kostengünstiger. Ggf. kann der Anker durch Drehen hergestellt werden. Spezielle Formen, die die Ausgestaltung eines Ventilantriebes verbessern, sind leicht zu verwirklichen, beispielsweise Bohrungen und/oder Durchlässe, Befestigungspunkte für Verbindungselemente, Mitnehmer, Federn oder Ähnliches. Auch kann der Anker sehr viel leichter ausgeführt werden als ein permanentmagnetischer Anker. Der Kraft- und somit Strombedarf bei der Ventilbetätigung verringert sich dadurch. Insbesondere wird der Ventilantrieb dadurch aber auch unempfindlicher gegen Schocks und/oder Vibrationen.
Die Form des Magnetfeldes des Permanentmagneten kann besonders günstig gestaltet werden, wenn der Permanentmagnet in axialer Richtung in mindestens einer Richtung durch einen ringförmigen Polschuh verlängert ist. Die Magnetfeldlinien können dadurch an der gewünschten Stelle konzentriert werden, vorzugsweise dort, wo sich die mindestens eine Spule befindet. Sollte nur eine Spule vorhanden sein, die in axialer Richtung gegenüber dem Permanentmagneten versetzt angeordnet ist, genügt ein Polschuh.
Besonders günstig gestaltet sich die Führung des Magnetfeldes durch den mindestens einen Polschuh, wenn die vom Permanentmagneten entfernte, in radialer Richtung äußere Kante des mindestens einen Polschuhs abgeschrägt ist. Dies trägt dazu bei, die Feldlinien umzulenken, und wirkt sich vorteilhaft auf das proportionale Bewegungsverhalten des Ankers aus.
Diese Vorteile werden verstärkt, wenn weniger als die Hälfte der vom Permanentmagneten abgewandten Seite des mindestens einen Polschuhs nicht abgeschrägt ist. Der Winkel der Schräge beträgt dabei vorzugsweise zwischen 30° und 60°, bevorzugt 45°.
Besonders günstig gestaltet sich der Antrieb, wenn er zwei Spulen und zwei Polschuhe aufweist. In axialer Richtung sind auf jeder Seite des Permanentmagneten jeweils ein Polschuh und eine Spule angeordnet. Die Spulen sind entweder gegenläufig gewickelt oder gegensinnig geschaltet. Die Spulen sind hierbei idealerweise innerhalb von und entlang der Achse jeweils in Höhe der Polschuhe angeordnet, so dass das Magnetfeld des Permanentmagneten besonders stark von den Spulen beeinflusst wird, wenn diese bestromt werden.
Diese Ausführung des Antriebs ist weitgehend symmetrisch gestaltet und ermöglicht eine besonders genaue und feinfühlige Steuerung der Bewegung des Ankers.
Für Anwendungen mit erhöhten Sicherheitsanforderungen eignet sich der Antrieb besonders, wenn er eine mit dem Anker verbundene Feder aufweist, die derart vorgespannt ist, dass der Anker eine Sicherheitsstellung einnimmt, wenn kein Strom durch die mindestens eine Spule fließt. Welcher Art diese Sicherheitsstellung ist, hängt von der genauen Bauart und vom Einsatzzweck des Ventils ab, für das der Antrieb im Einzelfall verwendet wird. Wird der Antrieb beispielsweise in einem 3/2-Wegeventil in einer Steuerung eines Druckluftsystems zum Positionieren eines Stellventils eingesetzt, könnte die Sicherheitsstellung durch die Stellung des Ankers gegeben sein, die den Druck im System auf den Umgebungsdruck absinken lässt, in dem z.B. ein Entspannungsventilglied maximal geöffnet wird. Die mit dem Anker verbundene Feder muss deutlich stärker sein als andere ggf. vorhandene Federn am angetriebenen Ventil.
Das proportionale Bewegungsverhalten des Antriebs wird weiter verbessert, wenn der Anker an seinen Enden kegelförmige Aussparungen aufweist. Diese können im Wesentlichen als Entsprechung bzw. Spiegelung der Schräge der Polschuhe zur Achse hin ausgeführt sein, also z.B. bevorzugt mit einem Öffnungswinkel von 90°. Das Magnetfeld wird durch eine derartige Ausgestaltung des Ankers in diesem gebündelt.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein 3/2-Wegeventil zum Steuern und/oder Regeln eines Steuerdrucks eines unter einem Eingangsdruck stehenden Fluids mittels eines elektrischen Signals. Das 3/2-Wegeventil hat drei Fluid-Anschlüsse: einen Eingang für das unter einem Eingangsdruck stehende Fluid, einen Steuerausgang für das unter dem Steuerdruck stehende Fluid, und einen Entspannungsausgang für das Fluid gegen einen Basisdruck, der niedriger ist als der Eingangsdruck. Mittels des 3/2-Wegeventils ist eine Fluidverbindung zwischen dem Eingang und dem Steuerausgang, sowie dem Steuerausgang und dem Entspannungsausgang herstellbar. Dem Eingang ist ein Eingangsventilsitz mit einem Eingangsventilglied nachgeschaltet, während dem Entspannungsausgang ein Entspannungsventilsitz mit einem Entspannungsventilglied vorgeschaltet ist. Sowohl das Eingangsventilglied als auch das Entspannungsventilglied haben jeweils eine Schließstellung. Das 3/2-Wegeventil hat einen Antrieb, wie er weiter oben beschrieben wurde, wobei der Anker sowohl das Eingangsventilglied als auch das Entspannungsventilglied betätigt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des 3/2-Wegeventils ist der Anker vom Eingangsventilglied und vom Entspannungsventilglied derart entkoppelt, dass das Eingangsventilglied und das Entspannungsventilglied einer Bewegung des Ankers nur bis zur jeweiligen Schließstellung folgen. Dies erleichtert die proportionale Betätigung der Ventilglieder durch den Anker.
Für diese Entkoppelung ist es besonders günstig, wenn der Eingangsventilsitz entlang der Zylinderachse angeordnet ist, wobei Eingangsventilsitz und Eingangsventilglied derart orientiert sind, dass das Eingangsventilglied zum Öffnen in Richtung vom Anker weg aus dem Eingangsventilsitz gehoben wird. Das 3/2-Wegeventil weist hierzu ein Eingangsventil-Betätigungselement auf, welches vom Anker aus um den Eingangsventilsitz herumgreift und rückwärtig das Eingangsventilglied betätigt. Hierdurch kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass der Eingangsdruck deutlich höher sein kann als der Steuerdruck.
Für die Fluidströmung im Ventil ist es besonders günstig, wenn der Anker mindestens eine parallel zur Zylinderachse verlaufende Bohrung aufweist. Das Fluid kann dann durch diese Bohrung hindurchströmen.
Vorzugsweise ist der Anker so ausgebildet, dass er das Entspannungsventilglied und/oder das Eingangsventilglied und/oder das Eingangsventil-Betätigungselement direkt betätigen kann. Spezielle Betätigungskappen oder andere Anbauelemente sind dann nicht erforderlich.
Besonders bevorzugt wird eine Ausgestaltung des 3/2-Wegeventils, bei der das Entspannungsventilglied und/oder das Eingangsventilglied druckentlastet sind. Dazu ist typischerweise mindestens ein Eingangs-Druckentlastungskanal vorhanden, der eine Fluidverbindung vom Eingang zu einem Kolben oder kolbenähnlichen Element am Eingangsventil-Betätigungselement bereitstellt, und/oder mindestens ein Ausgangs-Druckentlastungskanal, der eine Fluidverbindung von dem Bereich, in dem sich der Anker befindet, zur vom Anker abgewandten Seite des Entspannungsventilglieds bereitstellt.
Die beidseitige Druckentlastung bewirkt, dass die nötige Magnetkraft und somit der Ansteuerstrom nahezu unabhängig vom Versorgungsdruck des Fluids und vom Druck in dem Bereich, in dem sich der Anker befindet, werden. Insbesondere müssen die Druckunterschiede zum Einstellen nicht überwunden werden, wodurch die Kraftanforderungen an den Antrieb und somit der Stromverbrauch deutlich verringert werden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht eines 3/2-Wegeventils.

1 zeigt ein 3/2-Wegeventil 100 mit einem Gehäuse 103, einem Eingang 106 für ein unter Druck stehendes Fluid und einem Entspannungsausgang 109. Der Steuerausgang befindet sich in dieser Darstellung hinten und ist somit nicht zu sehen. Als Fluid kommt typischerweise Druckluft mit einem Druck von bis zu 8 bar zum Einsatz. Im Inneren des Gehäuses 103 befindet sich ein Innenraum bzw. eine Steuerkammer 112, die im Wesentlichen zylindrisch sein kann und in der das Fluid bereits den eingestellten Steuerdruck aufweist. Der Steuerausgang ist mit der Steuerkammer 112 offen verbunden. An dieser Stelle kann z.B. direkt ein pneumatischer Antrieb für ein Prozess-Stellventil o.ä. angeschlossen werden.
In der Steuerkammer befindet sich ein im Wesentlichen zylindrischer Anker 115 aus einem weichmagnetischen Material. Typischerweise ist dieser Anker als Drehteil aus z.B. magnetisierbarem Edelstahl 1.4104 oder 1.4105 gefertigt. Er hat eine zentrale Bohrung 118, durch die die Druckluft strömen kann, und kegelförmige Aussparungen 121, 124 sowie an seinen Enden Vorsprünge bzw. Betätigungsnasen 127, 130. Der Anker 115 kann sich in der Steuerkammer 112 leichtgängig auf und ab bewegen.
Zwei Spulen 133, 136 sind ringförmig und voneinander beabstandet um die Steuerkammer 112 herum angeordnet und fest mit dem Gehäuse 103 verbunden. Außerhalb davon ist ein ringförmiger Permanentmagnet 139 ebenfalls fest mit dem Gehäuse 103 verbunden. Dieser ist axial magnetisiert, in diesem Fall mit dem Nordpol oben und dem Südpol unten.
Oberhalb und unterhalb des Permanentmagneten 139 schließen an diesen zwei ringförmige Polschuhe 142, 145 an. Diese sind an ihrer äußeren Kante jeweils großflächig abgeschrägt. Durch ihre Form konzentrieren sie das Magnetfeld des Permanentmagneten 139 und lenken es in günstiger Weise nach innen um, so dass es derart durch die Spulen 133, 136 und den Anker 115 verläuft, dass diese Elemente maximal wirksam sein können.
Die beiden Spulen 133, 136 des elektromagnetischen Antriebs sind entweder elektrisch in Serie geschaltet und gegenläufig / gegensinnig gewickelt, oder gleichsinnig gewickelt, aber gegensinnig verschaltet, was bedeutet, dass der Strom in jeweils entgegengesetzter Richtung durch die beiden Spulen fließt. Werden sie bestromt, so ergibt sich je nach Stromrichtung ein Magnetfeld, welches an der einen Spule das Magnetfeld des Permanentmagneten 139 verstärkt und an der jeweils anderen Spule abschwächt. Da der Anker 115 aus weichmagnetischem Material besteht, führt dies zu einer Kraft auf den Anker 115, die diesen an die stärkste Stelle des resultierenden Magnetfeldes zieht. Folglich kann die Position des Ankers 115 durch die Stromstärke in den Spulen 133, 136 beliebig eingestellt werden.
Der Anker 115 ist mit einer Feder 148 verbunden, die ihn in die obere Position drückt, wenn der Antrieb unbestromt ist. Dies stellt eine Sicherheitsfunktion dar.
Die Vorsprünge bzw. Betätigungsnasen 127, 130 können die Bewegung des Ankers 115 auf das Entspannungsventilglied 151 sowie das Eingangsventil-Betätigungselement 154 übertragen. Durch das Eingangsventil-Betätigungselement 154 wird das Eingangsventilglied 157 betätigt, das in diesem Fall als Kugel ausgebildet ist.
Das Eingangsventil-Betätigungselement 154 hat eine Mehrzahl von Armen bzw. Verbindungsstangen 160. Vorzugsweise sind drei solche Verbindungsstangen vorhanden, von denen in der Schnittansicht der 1 aber nicht alle sichtbar sind. Diese greifen um den Eingangsventilsitz 163 herum, so dass das Eingangsventilglied 157 von der vom Anker 115 abgewandten Seite aus betätigt werden kann. Am Eingangsventil-Betätigungselement 154 greift außerdem eine Feder 166 an, die derart vorgespannt ist, dass sie das Eingangsventil-Betätigungselement 154 nach oben und somit das Eingangsventilglied 157 in den Eingangsventilsitz 163 drückt, wenn das Eingangsventil-Betätigungselement nicht betätigt wird.
Ein Eingangs-Druckentlastungskanal 169 stellt eine Fluidverbindung vom Eingang 106 zur vom Anker 115 abgewandten Seite des Eingangsventil-Betätigungselements 154 her. Der Eingangsdruck wirkt somit nicht nur auf das Eingangsventilglied 157, sondern auch auf das Eingangsventil-Betätigungselement 154, wodurch die Betätigung des Eingangsventilglieds 157 nur eine geringe Kraft des elektromagnetischen Antriebs erfordert, da keine Druckdifferenz überwunden werden muss.
Das Entspannungsventilglied 151 wird ebenfalls durch eine entsprechend vorgespannte Feder 172 in den Entspannungsventilsitz 175 gedrückt, wenn es nicht betätigt wird. Ein Ausgangs-Druckentlastungskanal 178 stellt eine Fluidverbindung zwischen der Rückseite des Entspannungsventilglieds 151 und der Steuerkammer 112 her, wodurch das Entspannungsventilglied 151 druckentlastet und somit weitgehend kräftefrei wird. Die Betätigung des Entspannungsventilglieds 151 erfordert somit nur wenig Kraft.
Durch entsprechende Positionsregelung des Ankers 115 lässt sich der Druck in der Steuerkammer 112 somit beliebig zwischen dem maximalen Eingangsdruck (z.B. 8 bar) und dem Basisdruck (z.B. 1 bar, Umgebungsdruck) einstellen. Eine entsprechend feinfühlige Positionseinstellung erlaubt sogar, die Geschwindigkeit der Druckänderung einzustellen, in dem erreicht wird, dass das Eingangsventilglied 157 und/oder das Entspannungsventilglied 151 weiter oder weniger weit geöffnet wird, wodurch unterschiedlich große Querschnitte freigegeben werden können.
Die Gestaltung des Ankers 115 aus weichmagnetischem Material, das z.B. durch Drehen bearbeitet werden kann, erlaubt eine hohe Flexibilität bei der spezifischen Ausgestaltung der Form des Ankers für die jeweils vorgesehene Anwendung. Insbesondere lässt sich die Masse des Ankers optimieren, was den Ventilantrieb unempfindlicher gegen Vibrationen und/ oder Schocks macht. Zudem wird dadurch die elektrische Leistungsaufnahme des Antriebs bei der Ventilbetätigung verringert.
Glossar
Anker
Als Anker wird in der Elektrotechnik im engeren Sinn der Rotor (Läufer) von Gleichstrommaschinen und Einphasen-Reihenschlussmotoren oder der elektrisch wirksame Teil des Rotors bezeichnet - wobei Rotor nicht zwingend bedeutet, dass das Teil rotiert. Als Anker wird weiterhin der bewegliche Eisenkern von elektrischen Relais, Schützen und Elektromagneten bezeichnet (nach https://de.wikipedia.org/wiki/Anker_(Elektrotechnik)).
Basisdruck
Mit Basisdruck wird der minimale Druck bezeichnet, den ein in einer Anlage, Einrichtung oder Komponente enthaltenes Fluid annehmen kann. In vielen Fällen handelt es sich dabei um den Umgebungs- oder Atmosphärendruck, typischerweise also um ungefähr 1 bar.
Eingangsventilglied, Entspannungsventilglied
Ein Ventilglied ist dasjenige Element, das eine Durchflussöffnung eines Ventils schließt, wenn es auf den Ventilsitz gepresst wird. Das Eingangsventilglied verschließt den Eingangsventilsitz hinter dem Eingang des 3/2-Wegeventils oder gibt ihn frei, während das Entspannungsventilglied den Entspannungsventilsitz vor dem Entspannungsausgang des 3/2-Wegeventils verschließt oder freigibt.
Eingangsventilsitz, Entspannungsventilsitz
Ein Ventilsitz umrandet in der Regel eine Durchflussöffnung eines Ventils. Meist bildet der Ventilsitz das Gegenstück zum Ventilglied und ist von seiner Form her auf dieses abgestimmt. Dadurch wird einerseits erreicht, dass das Ventil dicht schließt, andererseits dass es eine ggf. gewünschte Abhängigkeit des Durchflussquerschnitts von der Positionierung des Ventilglieds aufweist. Der Eingangsventilsitz umrandet die Durchflussöffnung hinter dem Eingang des 3/2-Wegeventils, während der Entspannungsventilsitz die Durchflussöffnung vor dem Entspannungsausgang des 3/2-Wegeventils umrandet.
elektrisches (Eingangs-)Signal
Ein elektrisches Eingangssignal kann eine elektrische Spannung einer Spannungsquelle oder ein elektrischer Strom einer Stromquelle sein. Eingangssignale können auch von Widerständen, Schaltern oder Binärkontakten erzeugt werden. Sie können sowohl analoger als auch digitaler Natur sein.
Fluid
Fluid ist eine gemeinsame Bezeichnung für Gase und Flüssigkeiten.
magnetische Permeabilität
Die magnetische Permeabilität µ bestimmt die Fähigkeit von Materialien, sich einem Magnetfeld anzupassen, oder präziser die Magnetisierung eines Materials in einem äußeren Magnetfeld. Es bestimmt daher die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder. Die Permeabilität µ ist das Verhältnis der magnetischen Flussdichte B zur magnetischen Feldstärke H: $μ = B / H .$
Die magnetische Feldkonstante µ₀ ist eine physikalische Konstante und gibt die magnetische Permeabilität des Vakuums an. Auch dem Vakuum ist eine Permeabilität zugewiesen, da sich auch dort Magnetfelder einstellen oder elektromagnetische Felder ausbreiten können. Im Internationalen Einheitensystem (SI) hat die magnetische Feldkonstante den Wert: $μ_{0} = 1,2566 \dots * 10^{- 6} N / A^{2} = 4 π {*10}^{- 7} N / A .$
Die Permeabilitätszahl µ_r, früher auch als relative Permeabilität bezeichnet, ist das Verhältnis $μ_{r} = μ / μ_{0} .$
Für das Vakuum ergibt sich somit eine Permeabilitätszahl von Eins. Magnetische Materialien lassen sich anhand ihrer Permeabilitätszahl klassifizieren:

a) Diamagnetische Stoffe: 0 ≤ µ_r < 1
- Diamagnetische Stoffe besitzen eine geringfügig kleinere Permeabilität als das Vakuum, zum Beispiel Stickstoff, Kupfer oder Wasser. Diamagnetische Stoffe haben das Bestreben, das Magnetfeld aus ihrem Innern zu verdrängen. Sie magnetisieren sich gegen die Richtung eines externen Magnetfeldes.
b) Paramagnetische Stoffe: µ_r > 1
- Für die meisten Materialien ist die Permeabilitätszahl etwas größer als Eins (zum Beispiel Sauerstoff, Luft) - die so genannten paramagnetischen Stoffe. In paramagnetischen Stoffen richten sich die atomaren magnetischen Momente in externen Magnetfeldern aus und verstärken damit das Magnetfeld im Innern des Stoffes. Die Magnetisierung ist also positiv.
c) Ferromagnetische Stoffe: µ_r >> 1
- Besondere Bedeutung kommt den ferromagnetischen Stoffen bzw. den weichmagnetischen Werkstoffen (Eisen und Ferrite, Cobalt, Nickel) zu, da diese Permeabilitätszahlen von 300 000 > µ_r > 300 aufweisen. Diese Stoffe kommen in der Elektrotechnik häufig zum Einsatz (z.B. in Spule, Elektromotor, Transformator). Ferromagnete richten ihre magnetischen Momente parallel zum äußeren Magnetfeld aus, tun dies aber in einer stark verstärkenden Weise. (Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetische_Permeabilit%C3%A4t).

Polschuh
Ein Polschuh ist ein Bauteil aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, zum Beispiel aus Eisen. Hohe magnetische Permeabilität bedeutet hierbei 300 000 > µ_r > 300. Der Polschuh dient dazu, die magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten oder einer Wicklung in einer definierten Form heraustreten zu lassen und zu verteilen (Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Polschuh).
Spule
Spulen sind Wicklungen und Wickelgüter, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Sie sind elektrische Bauelemente oder sind Teile eines Gerätes, wie beispielsweise eines Transformators, Relais, Elektromotors oder Lautsprechers.
Die meisten Spulen bestehen aus mindestens einer Wicklung eines Stromleiters aus Draht, Kupferlackdraht, versilbertem Kupferdraht oder Hochfrequenzlitze, der meist auf einem Spulenkörper (Spulenträger) gewickelt ist sowie überwiegend mit einem weichmagnetischen Kern versehen ist (nach https://de.wikipedia.org/wiki/Spule_(Elektrotechnik)).
weichmagnetisches Material
Weichmagnetische Werkstoffe sind Materialien, die sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lassen. Viele weichmagnetische Materialien sind ferromagnetisch. Weichmagnetische Werkstoffe besitzen eine relativ niedrige Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 A/m. Erst wenn ein äußeres Magnetfeld die Koerzitivfeldstärke übersteigt, kann es die Richtung des magnetischen Flusses im Werkstoff ändern.
Im Gegensatz zu hartmagnetischen Werkstoffen, dies sind beispielsweise Dauermagneten, wird bei weichmagnetischen Stoffen der Hystereseverlust beim Ummagnetisieren, z. B. in einem Transformator oder im Wechselfeld in Generatoren und Elektromotoren, klein gehalten.
Da neben dem Hystereseverlust auch der Wirbelstromverlust verringert werden soll, werden bei netztypischen Frequenzen in weichmagnetischen Materialien widerstandserhöhende Legierungszusätze wie Silizium und Aluminium (bei Eisenlegierungen) verwendet. Bei hohen Frequenzen werden wenig oder nichtleitende Ferrite (keramische Werkstoffe) eingesetzt. Die Hauptanwendungen für weichmagnetische Werkstoffe liegen überwiegend im Bereich der Elektrotechnik. (Nach https://de.wikipedia.org/wiki/Weichmagnetische_Werkstoffe)
Bezugszeichenliste

100: 3/2-Wegeventil
103: Gehäuse
106: Eingang
109: Entspannungsausgang
112: Steuerkammer
115: Anker
118: zentrale Bohrung
121, 124: kegelförmige Aussparung
127, 130: Vorsprung bzw. Betätigungsnase
133, 136: Spule
139: Permanentmagnet
142, 145: Polschuh
148: Feder für Anker
151: Entspannungsventilglied
154: Eingangsventil-Betätigungselement
157: Eingangsventilglied
160: Verbindungsstange
163: Eingangsventilsitz
166: Feder am Eingangsventil-Betätigungselement
169: Eingangs-Druckentlastungskanal
172: Feder am Entspannungsventilglied
175: Entspannungsventilsitz
178: Ausgangs-Druckentlastungskanal

zitierte Literatur
zitierte Patentliteratur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015005369 A1 [0005, 0055]
DE 102018124310 A1 [0005, 0055]
DE 3905992 A1 [0006, 0055]
DE 102015122229 A1 [0007, 0055]

Claims

Elektromagnetischer Antrieb für beispielsweise ein 3/2-Wegeventil (100) mit: 1.1 einem Gehäuse (103) und einer Zylinderachse; 1.2 einem Anker (115); 1.2.1 wobei der Anker (115) entlang der Zylinderachse beweglich ist; 1.2.2 wobei der Anker (115) aus einem weichmagnetischen Material besteht; 1.3 mindestens einer Spule (133, 136); 1.3.1 wobei die Spule (133, 136) von der Zylinderachse aus gesehen radial außerhalb des Ankers (115) angeordnet ist; 1.3.2 wobei die Spule (133, 136) fest mit dem Gehäuse (103) verbunden ist; und mit 1.4 einem Permanentmagneten (139); 1.4.1 wobei der Permanentmagnet (139) von der Zylinderachse aus gesehen radial außerhalb der mindestens einen Spule (133, 136) angeordnet ist; 1.4.2 wobei der Permanentmagnet (139) fest mit dem Gehäuse (103) verbunden ist; 1.4.3 wobei der Permanentmagnet (139) ringförmig ist; 1.4.4 wobei der Permanentmagnet (139) axial magnetisiert ist; 1.5 wobei der Permanentmagnet (139) und die mindestens eine Spule (133, 136) entlang der Zylinderachse gegeneinander versetzt angeordnet sind; 1.6 wobei der Anker (115) abhängig von einem durch die mindestens eine Spule (133, 136) fließenden Strom eine gewünschte Position im Magnetfeld des Permanentmagneten (139) einnimmt.
Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (139) in axialer Richtung in mindestens einer Richtung durch einen ringförmigen Polschuh (142, 145) verlängert ist.
Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Permanentmagneten (139) entfernte, in radialer Richtung äußere Kante des mindestens einen Polschuhs (142, 145) abgeschrägt ist.
Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als die Hälfte der vom Permanentmagneten (139) abgewandten Seite des mindestens einen Polschuhs (142, 145) nicht abgeschrägt ist.
Antrieb nach einem der beiden unmittelbar vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Schräge zwischen 30° und 60°, bevorzugt 45° beträgt.
Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 6.1 dass der Antrieb zwei Spulen (133, 136) und zwei Polschuhe (142, 145) aufweist; 6.2 wobei in axialer Richtung auf jeder Seite des Permanentmagneten (139) jeweils ein Polschuh (142, 145) und eine Spule (133, 136) angeordnet sind; und 6.3 wobei die Spulen (133, 136) entweder gegenläufig gewickelt oder gegensinnig geschaltet sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb eine mit dem Anker (115) verbundene Feder (148) aufweist, die derart vorgespannt ist, dass der Anker (115) eine Sicherheitsstellung einnimmt, wenn kein Strom durch die mindestens eine Spule (133, 136) fließt.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (115) an seinen Enden kegelförmige Aussparungen (121, 124) aufweist.
3/2-Wegeventil (100) zum Steuern und/oder Regeln eines Steuerdrucks eines unter einem Eingangsdruck stehenden Fluids mittels eines elektrischen Signals: 9.1 mit drei Fluid-Anschlüssen: 9.1.1 einem Eingang (106) für das unter einem Eingangsdruck stehende Fluid; 9.1.2 einem Steuerausgang für das unter dem Steuerdruck stehende Fluid; 9.1.3 einem Entspannungsausgang (109) für das Fluid gegen einen Basisdruck, der niedriger ist als der Eingangsdruck; 9.2 wobei mittels des 3/2-Wegeventils (100) eine Fluidverbindung zwischen 9.2.1 dem Eingang (106) und dem Steuerausgang, sowie 9.2.2 dem Steuerausgang und dem Entspannungsausgang (109) herstellbar ist; 9.3 wobei dem Eingang (106) ein Eingangsventilsitz (163) mit einem Eingangsventilglied (157) nachgeschaltet ist; 9.4 wobei dem Entspannungsausgang (109) ein Entspannungsventilsitz (175) mit einem Entspannungsventilglied (151) vorgeschaltet ist; 9.5 wobei sowohl das Eingangsventilglied (157) als auch das Entspannungsventilglied (151) jeweils eine Schließstellung haben; 9.6 mit einem Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche; 9.7 wobei der Anker (115) sowohl das Eingangsventilglied (157) als auch das Entspannungsventilglied (151) betätigt.
3/2-Wegeventil (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Anker (115) vom Eingangsventilglied (157) und vom Entspannungsventilglied (151) derart entkoppelt ist, dass das Eingangsventilglied (157) und das Entspannungsventilglied (151) einer Bewegung des Ankers (115) nur bis zur jeweiligen Schließstellung folgen.
3/2-Wegeventil (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, 11.1 wobei der Eingangsventilsitz (163) entlang der Zylinderachse angeordnet ist; 11.2 wobei Eingangsventilsitz (163) und Eingangsventilglied (157) derart orientiert sind, dass das Eingangsventilglied (157) zum Öffnen in Richtung vom Anker (115) weg aus dem Eingangsventilsitz (163) gehoben wird; und 11.3 wobei das 3/2-Wegeventil (100) ein Eingangsventil-Betätigungselement (154) aufweist; 11.4 wobei das Eingangsventil-Betätigungselement (154) vom Anker (115) aus um den Eingangsventilsitz (163) herumgreift und rückwärtig das Eingangsventilglied (157) betätigt.
3/2-Wegeventil (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (115) mindestens eine parallel zur Zylinderachse verlaufende Bohrung (118) aufweist.
3/2-Wegeventil (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (115) so ausgebildet ist, dass er das Entspannungsventilglied (151) und/oder das Eingangsventilglied (157) und/oder das Eingangsventil-Betätigungselement (154) direkt betätigen kann.
3/2-Wegeventil (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsventilglied (151) und/oder das Eingangsventilglied (157) druckentlastet sind.