DE2150118A1 - Solenoid-Einrichtung - Google Patents

Description

DR. MÖLLER-BORE dipl-phys. DR. MANITZ dipl.-CHEM. DR. DEUFEL DIPL.-ING. FINSTERWALD DIPL-ING. jQ RAM KOW

PATENTANWÄLTE / I O U I

7. OKT. 117t

We/th - N 1049

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION Victoria Street, London S.W.1 England

So1eno id-Einrichtung

Die Erfindung betrifft Solenoid-Einrichtungen und Anwendungen für diese. Ein Solenoid weist im wesentlichen eine Spule und einen Kern auf. Die Spule kann elektrisch erregt werden und umgibt einen zylindrischen Raum. Der Kern kann sich entlang seiner Achse in den Raum hinein und aus diesem Raum heraus bewegen. Wenn der Kern erregt ist, zieht das resultierende Magnetfeld den Kern in den Raum hinein, und zwar in eine Endstellung seiner Bewegung. Wenn der Strom abgeschaltet wird, bewegt gewöhnlich eine Rückführfeder oder eine ähnliche Einrichtung den Kern in die andere Endstellung seiner Bewegung. Es sind bereits Vorschläge bekannt, Federn usw. zu verwenden, um einen Puffer für die Annäherung des Kernes in jede Endstellung zu bilden und um ein Verklemmen in diesen Stellungen zu verhindern, diese haben jedoch die Grenze nicht überwinden können, daß das Solenoid, selbst wenn es in dieser Weise modifiziert ist, im wesentlichen

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eine Einrichtung mit zwei Stellungen oder eine Ein-Aus-Einrichtung darstellt. Es- gibt viele Anwendungen, in denen es nützlich wäre, ein Solenoid zu verwenden, um nicht nur eine von zwei Stellungen auszuwählen, sondern um eine aus einer unendlichen Anzahl von Stellungen entlang einer linearen Skala auszuwählen, und zwar mittels einer linearen Veränderung des Betriebsstromes» Unglücklicherweise ist die Kraft, welche auf den Kern fc eines gewöhnlichen Solenoids durch die Spule ausgeüüt wird, nicht in linearer Weise mit der Verlagerung des Kerns von der Spule verknüpft. Die Kraft steigt nämlich steil an, wenn der Kern näher an das Zentrum der Spule herankommt. Es sind bereits Methoden vorgeschlagen worden, um eine größere Linearität zu erreichen, indem beispielsweise verschiedene koaxiale Spulen vorgesehen wurden, welche in einer Linie angeordnet sind, solche Methoden neigten jedoch offensichtlich dazu, sowohl einen großen Raum als auch hohe Kosten zu erfordern.

Die Erfindung besteht in einer Solenoid-Einrichtung, welche dazu in der Lage ist, den Kern in solchen Stellungen zu " halten, welche durch den Spulenstrom bestimmt sind, die zwischen den äußeren Enden seines vollen Bewegungsbereiches liegen. Die Erfindung umfaßt eine elektromagnetisches Steuerventil, welches eine solche Solenoid-Einrichtung verwendet, wie sie durch die Ansprüche im Anschluß an die Beschreibung definiert ist und wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben} in dieser zeigt;

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil eines Steuerventils für eine Servo-Bremseinheit,

Fig. 2 einen ähnlichen Schnitt durch einen Teil einer alternativen Einheit,

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_ 3 —

Fig. 3 eine Endansicht der Vorrichtung der Fig. 2 und Fig. 4 eine grafische Darstellung, welche die Oharakteristika veranschaulicht, die für die Kraftanpaßeinrichtung gefunden werden müssen.

Das Ventil umfaßt ein Gehäuse 1, welches zwei getrennte liäume 2 und 3 einschließt. Der Raum 2 ist durch die öffnung mit der Vakuumseite des Steuerventils für eine Servo-Bremseinheit verbunden (nicht dargestellt). Der Raum 3 steht über die öffnung 5 mit der aktiven Seite des Diaphragmas

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derselben/Bremseinheit in Verbindung. Die Spule 6 eines erfindungsgemäßen Solenoids ist auf dem Gehäuse 1 befestigt und der Kern 7 desselben Solenoids ist so geführt, daß er entlang der Achse der Spule 6 gleitet. Der Kern 7 trägt eine Stoßstange 8, welche innerhalb einer Hülse 9 gleitet, die bei 10 außen mit Gewinde versehen ist. Ein Ende dieser Hülse schraubt sich in eine Gewindebohrung 11 an einem Ende des Gehäuses 1. Das andere Ende der Hülse nimmt eine innen mit Gewinde versehene Kappe 12 auf. Das entfernte Ende der Stoßstange 8 trägt eine Metallspitze 13 mit einer konischen Fläche 14, welche immer tiefer in einen elastischen Gummiblock 15 eindringt, der von der Kappe 12 getragen ist, wenn der Kern 7 in Reaktion auf die Erregung der Spule 6 nach links wandert. Der Block 15 bildet eine Kraftanpaßeinrichtung, wie sie in den Ansprüchen niedergelegt ist. Die Form der Fläche 14 und die Charakteristika des Blockes 15 sind so gewählt, daß der nicht-lineare Anstieg der Reaktionskraft in Reaktion auf eine größere Eindringtiefe dem typischen nicht-linearen Anstieg der Kraft der Anziehung zwischen der Spule 6 und dem Kern 7 angepaßt ist, wenn der letztere nach links wandert. In einer typischen Anwendung könnte der Block 15 etwa 6 mm (1/4") stark sein, und die gesamte axiale Auslenkung des Kernes 7 könnte

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etwa 1,75 πιπί (0,070") betragen. Ein typischer mittlerer Betriebsstrom für die Spule 6 liegt in der Größenordnung von 1 A, und eine variable Positionierung des Kernes in bezug auf die Spule wird erreicht, indem der Strom der Spule in Rechteckimpulsen von einheitlicher Amplitude zugeführt wird, und zwar mit einer Impulstastverhältnis-Modulation von 10 bis 90 %. Dieser Strom erreicht die Spule 6 in der Form des Ausgangssignales 32 einer Formerschal tung 33» welche das Impulstastverhältnis gemäß der Einstellung eines Betätigungselementes 34- bestimmt, welches beispielsweise das Bremspedal eines Wagens sein könnte.

Das rechte Ende des Kerns 7 ist durch einen leichten Schubstab 16 mit einer Ventilspule 17 verbunden, welche innerhalb einer Hülse 18 gleitet, die ihrerseits innerhalb des Gehäuses 1 gleitet. Eine Auslenkung der Spule 17 nach rechts ist durch eine Einstellschraube 19 begrenzt. Luft unter atmosphärischem Druck tritt in das Gehäuse über die öffnung 20, die Leitung 21 und das Luftfilter 22 ein. Der Kern 7 ist in seiner äußersten linken Stellung dargestellt, d. h., derjenigen Stellung, welche er einnimmt, wenn der Block die größte Anziehungskraft ausgleicht, welche der Spulenstrom mit dem größtmöglichen Impulstastverhältnis zwischen der Spule 6 und dem Kern 7 erzeugen kann.

In dieser Stellung ist ein schmaler vorgegebener Spalt 30 absichtlich zwischen der Hülse 9 und der Verriegelungsmutter 31 gelassen, welche den Stab 8 an dem Kern 7 festlegt.

Wenn sich das Ventil in der dargestellten Stellung befindet, stehen die öffnungen 20 und 5 nicht miteinander in Verbindung, die öffnung 5 steht jedoch mit der öffnung 4· in

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Verbindung, und zwar über den Raum 3, die Öffnung 23 und den Raum 2. Es ist daher ein Vakuum auf beiden Seiten des Servodiaphragmas in der Bremseinheit vorhanden, und deshalb werden die Bremsen nicht angezogen. Wenn das Betätigungselement 34- nun aus seiner Ruhestellung in eine aktive Stellung gebracht wird, derart, daß die Betätigung der Bremsen in einem bestimmten Maß verlangt wird, wird der Kern 7 nach links gezogen und zieht die Spule 17 mit sich. Die Spitze 24 der Spule 17 bedeckt jetzt die Öffnung 23, so daß auf diese Weise der Raum 3 "vom Raum 2 abgedichtet ist. Wenn die nach links gerichtete Bewegung fortgesetzt wird, erreicht Luft von der Öffnung 20 den Raum 3 über die Öffnung 25, den Steg 26 und die Öffnung 27. Dies zerstört natürlich die Druckgleichheit auf beiden Seiten des Servodiaphragmas und zieht die Bremsen an. Die Druckzunahme im Raum 3 bewirkt auch, daß sich das Rückführdiaphragma 28 nach links biegt, was die Hülse 18 dazu veranlaßt, dasselbe zu tun, da diese auf dem Diaphragma 28 angebracht ist. Die linke Spitze dieser Hülse trifft somit die Auslegerfeder und biegt sich in einem Naß, welches der Bremskraft über das Diaphragma 28 proportional ist. Diese Bewegung der Hülse 18 besitzt die Tendenz, die Öffnung 27 zu schließen, so daß auf diese Weise die Verbindung zwischen den Öffnungen 20 und 5 zerstört wird und somit ein Rückführsystem gebildet wird, welch.es einen stabilen Zustand erzeugt, in welchem die Bremsen in einem Haß angezogen sind, welches durch die Entfernung bestimmt ist, welche der Kern 7 nach links gewandert ist. Durch erfindungsgemäße -Anwendung der Spitze 13 und des Blockes 15 kann diese Entfernung eine-. zweckmäßige lineare Beziehung zu dem Impulstastverhältnis des in der Spule fließenden Stromes aufweisen. Sobald für

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die durch, die Servobremseinheit angewandte Kraft ein stabiler Zustand erreicht ist, wird die Bremskraft natürlich auch in dem Maß der Verlagerung des Rückführdiaphragmas 28 und der Hülse 18 ausgedrückt. Wenn der Fahrer die Bremsen zu lösen wünscht und deshalb die elektrische Versorgung der Spule 6 unterbricht, führt die Feder 28 die Hülse 18 zum rechten Ende ihrer Auslenkung zurück und das Diaphragma 27 in seine normale nicht-gebogene Form. Der Kern 7 wird in ähnlicher Weise durch die Reaktion zwischen dem Block 15 und der Spitze 13 zurückgebracht, und die Spule 17 wird ebenfalls in ähnlicher Weise zurückgeführt, da sie durch den Stab gedrückt wird. Der Stab 16 kann leicht genug ausgebildet werden, daß er sich biegt, wenn die Spule 17 unglücklicherweise am linken Ende ihrer Auslenkung klemmt, jedoch auch stark genug, um sich hinreichend starr zu verhalten, wenn die Spule sich normal bewegt.

Offensichtlich besteht ein Spielraum zur Variation der Materialien der Teile 15 und 13 sowie für die Formgebung der Fläche 14·. In alternativer Weise könnte der Kern an einer Spiralfeder mit variabler Rate anliegen oder an einem entsprechenden fluidbetätigten Element, welches eine Charakteristik aufweist, welche derjenigen des Solenoids angepaßt ist.

In der alternativen Konstruktion der Fig. 2 und 3 ist die einzelne Spule 6 durch drei in Reihe angeordnete Spulen ersetzt. Indem die übrigen Parameter der Instrumente der Fig. 1, 2 und 3 so gleich wie möglich gehalten wurden, hat ■ diese Modifikation die Zeitkonstante bis su 15 % verbessert, indem die kapazitiven Zwischenwindungseffekte reduziert wurden, unter welchen die größere einzelne Spule gelitten

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hat. Weiterhin ist ersichtlich, daß Zwillingsspitzen auf einer Brücke 37 angeordnet sind, welche auf dem gegenüberliegenden Ende des Kerns 7 vorgesehen ist und daß diese gegen ein Element 38 anliegen, welches einen Teil der Kxaftanpaßeinrichtung einer verschiedenen Art darstellt. Die Elastizität ist jedoch nicht so gewählt, daß sie den Anziehungskräften zwischen Kern und Spule angepaßt ist. Sie ist statt dessen grob linear, d. h., die Reaktionskraft ändert sich grot direkt mit dem Eindringen des Elementes durch die Spitzen 36. Der Kraftübertrager 38 sendet ein elektrisches Signal 39 aus, welches die Reaktionskraft darstellt, welche in einem beliebigen Zeitpunkt ausgeübt wird, und dieses Signal wird einem weiteren Eingang derselben Schaltung 33 zugeführt, welche das Impulstastverhältnis bestimmt. In dieser Version der Erfindung ist die Schaltung so programmiert, daß sie das Signal 39 auf den Pegel konvertiert, welchen es haben würde, wenn das Element 38 eine nichtlineare Charakteristik aufweisen würde, wie sie der Block 15 besitzt, anstatt einer einfacheren linearen Oharateristik. In dieser Ausführungsform ist der Eingang zu den Spulen 35 der Ausgang oder d#s Federsignal.. 40 eines Komparators 41, welcher als Eingänge die konvertierte Version 42 des Signals 39 und des Signals 32 empfängt.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Einheit ist kompakter und besitzt weniger mögliche Luftleckquellen als die in der Fig. 1 dargestellte Einheit. Dies ist besondere zweckmäßig, wenn es erwünscht ist, ein System zu betreiben, für welches die Einheit einen Bestandteil darstellt, und zwar unter einem vom Umgebungsdruck unterschiedlichen Druck. Die Einheit der Fig. 2 und 3 sollte natürlich einen

*) Das Element 38 ist ein elastischer Kraftübertrager.

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elastischen Block mit einer nicht-linearen Oharakterstik verwenden, ähnlich wie Position 15 der Fig. 1, anstatt des Elementes .38 und der zugehörigen elektrischen Einrichtungen, welche die lineare Reaktion des Elementes 38 in eine nicht-lineare Funktion 42 umformen. Die Version der Fig. 2 und 3 hat auch den Vorteil, daß Veränderungen in der elastischen Charakteristik vermieden werden, welche mit der Zeit einen elastischen Block wie den Block 15 in der Fig. 1 betreffen können. Die Version der Fig. 2 und 3 ist jedoch der Drift der elektronischen Komponentenfetärker ausgesetzt, da sie in dieser Version zahlreicher vorhanden sind. Keine der "beschriebenen Versionen kompensiert Hysteresis-Fehler in den Komponenten. Die Ermittlung und Kompensation solcher Fehler würde erfordern, daß beispielsweise die Kombination einer nicht-linearen Einrichtung wie Position 15 der Fig. 1 mit einem Positionsrückführsystem hoher Verstärkung vorgesehen würde, um die relative Position von Spule und Kern zu überwachen.

Die Fig. 4 veranschaulicht die Charakteristika, welche für einen Block 15 erforderlich sind. Jede der Funktionen 45 bis 49 stellt die Kräfte dar, welche die Spule auf den Kern über einen Arbeitsbereich ausübt, welcher sich von etwa O mm (0,00") (Kern völlig eingefahren) bis zu etwa 1,5 mm (0,06") (Kern am weitesten ausgefahren) erstreckt, und zwar für einen vorgegebenen mittleren Kernstrom. Die sechs Funktionen überstreichen mittlere Ströme, welche in gleichen Stufen von 0,2 A von 0,5 A (Funktion 45) bis zu 1,3 A (Funktion 49) aufsteigen. Die Entfernung 50 stellt den Spalt 30 dar, d. h., die weitere Entfernung bedeutet, daß der Kern in die Spule über die Stellung "vollkommen eingefahren" hinaus einzufahren hätte, bevor eine Berührung

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von Metall zu Metall zwischen der Verriegelungsmutter 31 und der Hülse 9 für eine weitere Bewegung positiv gestoppt wäre. In der Praxis kann der Spalt 30 etwa so breit sein, wie der volle Arbeitsbereich der Bewegung beträgt. Die ÜTunktion 51 stellt das entsprechende Verhältnis von Reaktionskraft zu Blockdurchdringung dar, welches im Block 15 vorhanden sein muß, wenn es der erforderlichen Einzugskraft angepaßt sein soll, d. h., wenn es den Kern etwa 0,25 mm (0,01") für jedes Inkrement von 0,2 A im ßpulenstrom weiter innen halten soll.

-Pat entansprü che-

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Claims (3)

1. - ίο -

   Patentansprüche

   Solenoid-Einriehtung mit einer Spule und einem Kern und eine Einrichtung, um eine ansteigende Kraft zu erzeugen, welche der Annäherung von Spule und Kern entgegenwirkt, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß diese Kraft der elektromagnetischen Kraft der Anziehung zwischen der Spule und dem Kern angepaßt ist,-wodurch durch Variation des Spulenstromes die Gegenüberstellung der zwei Kräfte dazu verwendet werden kann, um den Kern in verschiedenen Stellungen zwischen den Extremstellungen seines Arbeitsbereiches zu halten.
2. 2. Sol eno id-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafterzeugungseinrichtung ein elastisches Element aufweist, welches an der Spule befestigt ist und welches den Kern hemmt, wenn er sich der Spule nähert.
3. 3. Elektromagnetisches Steuerventil, welches zu geringfügigen Änderungen in der Ventileinstellung in Reaktion auf geringfügige Veränderungen des Eingangssignal s in der Lage ist, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Solenoideinrichtung nach Anspruch 1 aufweist.

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