-
Die
Erfindung bezieht sich auf Elektromagneten und insbesondere auf
Elektromagnete des proportionalen Typs.
-
Proportionalelektromagnete
sind in der Technik gut bekannt, um eine Kraft-gegen-Hub-Kurve vorzusehen,
die es ermöglicht,
daß die
Ausgangskraft des Elektromagneten proportional ist zu dem elektrischen
Strom, der an die Spule angelegt wird, und die unabhängig ist
von der Position des Ankers über
den Arbeitsbereich des Hubs hinweg. Diese Proportionalität der Ausgangskraft
ermöglicht
einem solchen Elektromagneten entweder voll oder teilweise eine Last
zu betreiben, und zwar durch selektives Anlegen entweder des vollen
elektrischen Stroms oder eines Teils davon an die Elektromagnetspule,
wodurch eine selektive Ausgangskraft geliefert wird.
-
Die
US-Patente Nr. 4 539 542 und 4 604 600, nachfolgend als '542 bzw. '600 bezeichnet, zeigen
typische Bauarten bekannter Proportionalelektromagnetventile. Die
Elektromagnetbauart aus '542
ist im allgemeinen in 1 dargestellt
und da die Bauart der '600
im wesentlichen die gleiche ist, wurde diese nicht dargestellt.
Der Elektromagnet 10 verwendet eine sogenannte dreiteilige
Rohranordnung. Genauer gesagt umfaßt der Elektromagnet 10 ein
hohles Führungsrohr 12,
das ein Ende besitzt, das mit einer Preßpassung oder in einer anderen
Weise dauerhaft an einem stationären
oder festen magnetischen Polstück 14 befestigt
ist, das aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist. Obwohl
dies nicht explizit in '542
oder '600 beschrieben
ist, besitzen bekannte Elektromagnete dieser Bauart auch eine Endkappe
oder Abdeckung 16, die dauerhaft an dem anderen Ende des
Führungsrohrs 12 angebracht
ist. Die zusammengesetzte dreistückige
Rohranordnung ist in einer Elektromagnetspule (nicht gezeigt) aufgenommen
und angebracht. Das Führungsrohr 12 definiert
eine Ankerkammer 20, die in der Lage ist, einen Anker 22 oder
Kern, der aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist,
aufzunehmen. Der Anker 22 bewegt sich längs in der Ankerkammer 20, und
zwar zu einer Position ansprechend auf die Größe eines magnetischen Flußpfades,
der durch die Elektromagnetspule hergestellt wird.
-
Das
Führungsrohr 12 ist
in '542 und '600 so beschrieben,
daß es
vorzugsweise ein einstückiges Metallrohr
ist, das aus einem magnetischen rostfreien Stahlmaterial hergestellt
ist. Das Führungsrohr 12 umfaßt zwei
magnetische Endabschnitte 24, 26 und einen nichtmagnetischen
Mittelabschnitt 28. Der nichtmagnetische Abschnitt 28 erstreckt
linear zusammen mit dem Arbeitsspalt des Ankers 22. Obwohl
weder '542 noch
600' beschreiben,
wie ein einzelnes Führungsrohr
dieser Bauart erhalten wird, umfassen bekannte Herstellungsvorgänge die
Wärmebehandlung
des Führungsrohrs 12,
um die gewünschten
magnetischen Eigenschaften zu erreichen. Der Wärmebehandlungsvorgang kann
jedoch das Führungsohr 12 verformen,
wodurch es schwierig ist, die Konstruktionstoleranzen und Rohrkonzentrizität beizubehalten.
Darüber
hinaus kann die lokalisierte Wärmebehandlung
keinen bestimmten oder scharfen Übergang
zwischen den magnetischen und nichtmagnetischen Regionen vorsehen.
-
Die
Beschreibungen der '542
und '600 sagen auch,
daß das
Führungsrohr 12 durch
Hartlöten
oder Zusammenschweißen
eines mehrere Abschnitte aufweisenden Rohrs mit mindestens einem
nichtmagnetischen Abschnitt hergestellt werden kann anstelle des
einstückigen
Rohrs. Eine solche mehrere Abschnitte aufweisende Bauart ist jedoch
nicht wünschenswert
infolge der zusätzlichen
Herstellungsschwierigkeiten, die mit einer solchen Bauart zusammenhängen. Genauer
gesagt hat die mehrere Stücke aufweisende,
mehrere Metalle aufweisende Bauart eine übermäßige Summierung von Toleranzen
in der Länge
des Rohrs zur Folge. Zusätzlich
macht es eine solche Konstruktion oder Bauweise schwierig, die Konzentrizität des Rohrs 12 bei zubehalten.
Darüber hinaus
kann der Schweiß-
oder Hartlötvorgang
eine Schrumpfung und Verwinden oder Deformieren induzieren, was
es schwierig macht, die Konstruktionstoleranzen und die Konzentrizität beizubehalten.
-
Unabhängig davon,
welche Rohrkonstruktionverwendet wird, leidet die Rohrkonstruktion
der '542 und '600 an zusätzlichen
Problemen. Da die Polstücke 14 und
die Endkappe 16 dauerhaft an dem Rohr 10 befestigt
sind, ist es unmöglich,
das Rohr auf Verunreinigungen, wie zum Beispiel Metallspäne, hin zu überprüfen, nachdem
der Elektromagnet 10 zusammengesetzt ist. Zusätzlich sieht
die Rohrkonstruktion gemäß '542 nur einen minimalen
Widerstand gegen Seitenbelastungen, Vibrationen und Schock oder
Schläge
vor. Dies ist besonders ein Problem bei Anwendungen wie zum Beispiel
Baufahrzeugen, wo die Elektromagnete oft extremen Bedingungen ausgesetzt
sind. Zum Beispiel kommt es vor, daß das Rohr 12 durch äußere Kräfte gebrochen
oder gebogen wird, wie zum Beispiel solche, die ausgeübt werden,
wenn ein Bediener aus Versehen auf den Elektromagnet 10 tritt.
-
Das
US-Patent 5 050 840, nachfolgend als '840 bezeichnet, erkennt und bespricht
einige Probleme, die mit '542
und '600 zusammenhängen. Die Elektromagnetkonstruktion
gemäß '840 ist im allgemeinen
in der 2 dargestellt.
Insbesondere sieht '840
eine abnehmbare Endkappe 16 vor, die es möglich macht,
den Anker 22 zur Wartung oder Reparatur herauszunehmen
in dem Fall, daß der
Elektromagnet 10 ausfällt.
Zusätzlich
sieht '840 eine
Einstellschraube 30 vor, die verwendet werden kann, um
die Position des Ankers 22 innerhalb des Rohrs einzustellen, wodurch
es ermöglicht
wird, eine Summierung von Toleranzen in der Länge des Rohrs 12 zu
kompensieren.
-
Die
Einstellschraube 30 stellt jedoch zusätzliche Probleme dar, da es
möglich
ist, daß sich
die Schraube 30 während
des Betriebs des Elektromagneten 10 löst. Dies ist insbesondere dann
der Fall, wenn der Elektromagnet 10 an Baufahrzeugen verwendet
wird, wo extreme Vibrationen und Schläge auftreten. Wenn sich die
Einstellschraube 30 löst,
ist es möglich,
daß ein
unerwünschtes
Strömungsmittellecken
auftritt. Wenn sich die Einstellschraube löst, kann sich die Hublänge des
Elektromagnets zusätzlich
verlängern
oder verkürzen
und die Leistung des Elektromagnets wird in einer unberechenbaren
Art und Weise beeinflußt.
Darüber
hinaus verwendet '840
eine Rohrkonstruktion, die im wesentlichen keine Seitenbelastungen
aushält,
und löst
nicht die Herstellungsprobleme, die mit '542 und '600 zusammenhängen.
-
Die '840 zeigt außerdem zusätzliche
Probleme, die mit bekannten Elektromagneten zusammenhängen. Insbesondere,
wenn die Elektromagnete bei der Betätigung von Hydraulikventilen
verwendet werden, ist es notwendig, einen Strömungsmitteldurchlaß 32 in
dem Anker 22 vorzusehen. Die '840 und andere bekannte Elektromagnete
verwenden einen Öldurchlaß, der aus
einer einzelnen Längsbohrung
in dem Anker 22 besteht. Dieser Strömungsmitteldurchlaß 32 ermöglicht,
daß Strömungsmittel
durch den Anker 22 strömt,
wenn sich der Anker 22 innerhalb der Ankerkammer 20 bewegt.
Strömungsmitteldurchlässe dieser
Bauart haben jedoch eine Ankerdämpfung
zur Folge, die extrem sensibel ist auf Veränderungen in der Strömungsmittelviskosität infolge
von Veränderungen
in der Temperatur, wodurch es schwierig wird, ein Steuersystem zu
entwerfen, das den Elektromagneten 10 über einen weiten Temperaturbereich
genau steuert.
-
DE 1 896 602 U offenbart
einen Elektromagneten mit gegenüber
einem Spulenraum abgedichteten Ankerraum, in welchem der Anker in
einem Ölbad arbeitet,
wobei der Magnet zur vollkommenen Abdichtung des Ankerraums an der
Drucksstange abgedichtet ist, wobei der geschlossene Ankerraum eine Ölfüllung besitzt,
und wobei axiale Verbindungskanäle
vorgesehen sind, um bei der Bewegung des Ankers mindestens einen
Teil der Ölfüllung von
dem der einen Ankerstirnseite benachbarten Ankerraum zum gegenüberliegenden
Ankerraum strömen
zu lassen. Dabei kann der Anker am Umfang vorgesehene Axialnuten
aufweisen. Alternativ dazu kann der Anker mindestens eine Axialbohrung
mit einem Rückschlagventil
darin besitzen. Insbesondere kann die Axialbohrung einen Abschnitt
vergrößerten Durchmessers
aufweisen, wobei am Übergang
zu der Bohrung geringeren Durchmessers ein Ventilsitz gebildet ist.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eines oder mehrere der
oben genannten Probleme zu beseitigen und einen optimierten Proportionalelektromagneten
vorzusehen, bei dem die Einflüsse
der Ölviskosität auf die
Bewegung des Ankers minimiert sind.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst anhand
einer Anordnung zur Verwendung in einem Elektromagneten mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
In
der Zeichnung zeigen:
-
1 und 2 Querschnittsansichten
von typischen Proportionalelektromagnetventilen des Standes der
Technik;
-
3 und 4 Querschnittsansichten
eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
-
5 und 6 Querschnittsansichten
der vorliegenden Erfindung, die ein zweites Ausführungsbeispiel des bevorzugten
Strömungsmitteldurchlasse
verwenden; und
-
7, 8 und 9 Querschnittsansichten,
die die Herstellungsschritte eines Elektromagnetrohrs gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Anordnung zur Verwendung in einem Elektromagneten
mit einer erregbaren Spule vorgesehen. Die Vorrichtung umfaßt ein hohles
Elektromagnetankerrohr, das in der Lage ist, in der Spule aufgenommen
zu werden. Eine Ankerkammer ist in dem Ankerrohr angeordnet. Ein
stationäres
Polstückglied
definiert ein erstes Ende der Ankerkammer und ein Endstopfen definiert
ein zweites Ende der Ankerkammer. Die Anordnung umfaßt weiterhin
ein Ankerglied mit einem Strömungsmitteldurchlaß, der in
der Lage ist, einen nichtlaminaren Störmungsmittelfluß vorzusehen.
Das Ankerglied ist in der Ankerkammer positioniert, und zwar zur
axialen Gleitbewegung bezüglich
des Polstücks
und definiert einen Arbeitsspalt mit Bezug auf das Polstück.
-
Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung ein ferromagnetisches Hauptkörperglied,
das in der Lage ist, in der Spule aufgenommen zu werden. Eine Ankerkammer
mit einem festen Durchmesser ist in dem Hauptkörperglied angeordnet. Eine
radial nach außen
zeigende Verjüngung
ist in der Außenoberfläche des
Hauptkörperglieds
gebildet. Die Verjüngung
erstreckt sich zwischen der Ankerkammer und der Außenoberfläche des
Hauptkörperglieds.
Ein stationäres
Polstück
definiert ein erstes Ende der Ankerkammer und ein Endstopfen definiert
ein zweites Ende der Ankerkammer. Ein Ankerglied ist in der Ankerkammer
positioniert, und zwar zur axialen Gleitbewegung bezüglich des
Polstücks
und definiert einen Arbeitsspalt bezüglich des Polstücks. Eine
nichtferromagnetische Hülse
ist an dem Hauptkörperglied
positioniert und fest mit diesem verbunden. Die Hülse erstreckt
sich linear zusammen mit der nach außen zeigenden Verjüngung und
mindestens einem Teil des Arbeitsspalts, und zwar in genügender Weise, um
ausgewählten
magnetischen Kraft zu ermöglichen,
auf das Ankerglied ausgeübt
zu werden. Eine Verbindung der Hülse
und der nach außen
zeigenden Verjüngung
definieren einen Luftspalt, der sich von der nach außen zeigenden
Verjüngung
zu einer internen radialen Oberfläche des zweiten Körperteils
erstreckt. Das stationäre
Polstück
und das Hauptkörperglied
sind aus einem einzelnen Stück
ferromag netischen Materials hergestellt und die Ankerkammer wird
nach dem Befestigen der Hülse
an dem Hauptkörperglied
gebildet.
-
Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in den 3 und 4 dargestellt.
Die Konstruktion oder Bauweise der vorliegenden Erfindung ist leicht
anpaßbar
auf Proportionalelektromagnete, wie zum Beispiel solche, die zur Betätigung von
Hydraulikventilen verwendet werden. Weiterhin ist diese Erfindung
leicht anpaßbar
an Gegentakt- oder Druck-Zug (push pull)-Elektromagnete.
-
Die 3 und 4 stellen
einen Elektromagneten 110 dar, der folgendes umfaßt: eine
abnehmbare Spuleneinheit A, eine Ankeranordnung B und eine Rohranordnung
C. In 3 ist eine bekannte Hydraulikventilanordnung D
in Verbindung mit dem Elektromagnet 110 dargestellt, um
das Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu unterstützen. Die hydraulische Ventilanordnung
D stellt eine typische Anwendung für den Elektromagneten 110 dar.
Die Ventilanordnung D bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung
und sollte nicht als eine Einschränkung des Umfangs der Erfindung
angesehen werden.
-
Die
abnehmbare Spuleneinheit A besitzt eine in der Technik herkömmliche
Bauweise und zahlreiche im Handel erhältliche Spulen können verwendet
werden, um die Funktion der Spuleneinheit A zu übernehmen. Die Spuleneinheit
A umfaßt
ein Außengehäuse 112,
das aus ferromagnetischem Material hergestellt ist. Erste und zweite
Endscheiben 114a, 114b sind aus ferromagnetischem
Material hergestellt und sind durch Preßpassung in das Gehäuse 112 eingesetzt.
Die erste Endscheibe 114a ist mit einem O-Ring 116 zur
Verhinderung einer Drehung vorgesehen. Der O-Ring ist in der Lage,
zum Beispiel reibungsmäßig mit
einem Ventilgehäuse
in Eingriff zu kommen, wodurch die Drehung der Spuleneinheit A verhindert
wird. Das äußere Gehäuse 112 und
die Endscheiben 114a, 114b umgeben eine elektrische
Windung oder Spule 118, die auf einen Spulenkern 120 gewickelt
ist. Ein elektrischer Leiter 122 ist vorgesehen zum Liefern
elektrischer Leistung an die Spule 118 zum Erregen der
Spule 118.
-
Die
Ankeranordnung B umfaßt
einen Anker 126 und einen Druckstift 128. Der
Anker 126 ist aus einem ferromagnetischen Material gedreht
oder gearbeitet, wie zum Beispiel resulfurisiertem oder verbleitem,
geringen Kohlenstoffgehalt aufweisendem, leicht bearbeitbarem Stahl.
Der Anker 126 kann aus zahlreichen anderen ferromagnetischen
Materialien hergestellt sein, wie zum Beispiel Siliziumeisenstahl. Der
Druckstift 128 ist aus einem nicht-ferromagnetischen Material
gedreht oder gearbeitet, wie zum Beispiel austenitischem rostfreiem
Stahl. Der Druckstift 128 ist dauerhaft an dem Anker 126 zur
Bewegung mit dem Anker befestigt. Vorzugsweise wird dies erreicht
durch Vorsehen einer Mittelbohrung in dem Anker 126 und
einer Druckpassung des Druckstifts 128 in der Mittelbohrung.
-
Die
Ankeranordnung B ist so aufgebaut, daß sie die Gesamtmasse des Ankers 126 minimiert,
wodurch das Ansprechverhalten des Elektromagnets 110 verbessert
wird. In einem vorliegenden Ausführungsbeispiel
besitzt der Anker 126 eine Länge von ungefähr 29 mm
und einen konstanten Außendurchmesser
von ungefähr
22 mm; die exakten Ausmaße des
Ankers variieren jedoch abhängig
von der Anwendung und der erwünschten
Leistungscharakteristiken. Es sei bemerkt, daß die Länge nicht die vom Anker 126 erhältliche
Kraft beeinflußt.
Die Elektromagnetkraft ist eine Funktion der Reluktanz (magnetischer
Widerstand) und der magnetomotorischen Kraft oder magnetischen Spannung
(mmf) des Elektromagneten. Die mmf eines Elektromagneten wird gesteuert
durch die besondere Spule, die in dem Elektromagneten verwendet
wird. Darüber
hinaus wird die Reluktanz weder von den Massen- noch Längenverhältnissen
der Polstücke
des Ankers 126 beeinflußt. Dies liegt daran, daß für eine gegebene Baugröße oder
Rohrlänge
die gesamte Reluktanz einen konstanten Wert besitzt. Daher hat eine
Verringerung der Ankerlänge
eine Vergrößerung der
Polstücklänge zur
Folge und die gesamte Pfadreluktanz ist unverändert. Durch Verwendung eines
relativ kurzen Ankers 126 kann die Ankermasse reduziert
und das Ansprechverhalten des Elektromagnets 110 verbessert
werden. Die Verwendung eines kurzen Ankers 126 besitzt
den weiteren Vorteil, daß ermöglicht wird,
daß eine
kräftigere
Rohranordnung C gebaut werden kann, wie unten noch beschrieben wird.
-
Der
Anker 126 umfaßt
ein Ankerlager (nicht gezeigt), das in einer maschinell erstellten
Nut (nicht gezeigt) in dem Anker 126 gehalten wird, und
besitzt einen etwas größeren Durchmesser
als die Außenoberfläche des
Ankers. Vorzugsweise ist das Lager entweder aus Bronze oder Teflon
hergestellt. Alternativ könnte
das Lager in der Form eines speziellen Ankerüberzugs oder einer Plattierung
vorliegen, wie zum Beispiel eines Nickelelektrolyseüberzugs.
-
Der
Anker
126 umfaßt
einen Strömungsmitteldurchlaß
132,
der so aufgebaut ist, daß er
die Einflüsse
der Ölviskosität auf die
Bewegung des Ankers minimiert. Genauer gesagt haben frühere Elektromagnete
typischerweise einen einzelnen Längsströmungsmitteldurchlaß, wie in
2 dargestellt,
verwendet. Der Strömungsmitteldurchlaß muß einen kleinen
Durchmesser besitzen, da größere Durchmesser
keine ausreichende Dämpfung
vorsehen würden,
insbesondere wenn sich die Temperatur erhöht und somit die Viskosität verringert
wird. Solche Strömungsmitteldurchlässe bewirken
jedoch, daß sich
die Elektromagnetdämpfung
stark verändert, und
zwar ansprechend auf Veränderungen
in der Strömungsmittelviskosität, wenn
sich die Temperatur ändert.
Genauer gesagt hat ein Strömungsmitteldurchlaß der in
2 gezeigten
Bauart eine Laminarströmung zur
Folge. Der Dämpfungskoeffizient
eines solches Strömungsmitteldurchlasses
kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
wobei B den Dämpfungskoeffizienten
der inneren Reibung durch den Durchlaß darstellt, D den Durchmesser
des Ankers darstellt, μ die
dynamische Strömungsmittelviskosität des Strömungsmittels
darstellt, l die Länge
des Ankers darstellt und d den Durchmesser des Strömungsmitteldurchlasses
darstellt. Aus dieser Gleichung wird deutlich, daß sich die
Dämpfung
als eine Funktion der dynamischen Strömungsmittelviskosität μ verändert. Dies
macht es sehr schwierig, ein gutes Ansprechen des Elektromagneten über einen
großen
Bereich von Betriebstemperaturen beizubehalten.
-
Die
vorliegende Erfindung verwendet einen Strömungsmitteldurchlaß 132,
der in der Lage ist, eine nicht-laminare Strömung vorzusehen. Der Strömungsmitteldurchlaß 132 umfaßt eine
Längsbohrung 134 mit
vergrößertem Durchmesser
und eine Zumeßöffnung oder
Drossel. Die Zumeßöffnung 136 ist
vorzugsweise entweder eine kurze Rohrzumeßöffnung oder eine scharfkantige
Drossel. In 3 ist der Strömungsmitteldurchlaß 132 dargestellt,
und zwar bestehend aus ersten und zweiten Längsbohrungen 134a,
b und einer Zumeßöffnung 136,
die strömungsmittelmäßig die
ersten und zweiten Längsbohrungen 134a,
b verbindet. Die Zumeßöffnung 136 ist
so dargestellt, daß sie
im wesentlichen in der Mitte des Ankers 126 liegt; es ist
jedoch klar, daß die
genaue Lage der Zumeßöffnung 136 in
der vorliegenden Erfindung unwichtig ist. Darüber hinaus könnte der
Anker 126 mehr als einen dieser Strömungsmitteldurchlässe 132 umfassen.
-
Die
Dämpfung
für die
Längsbohrungen
134a,
b mit vergrößertem Durchmesser
wird noch immer durch die obige Gleichung dargestellt. Da der Zumeßöffnungsdurchmesser
jedoch wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Längsbohrungen
134 wird
die Dämpfung
des Ankers
126 durch die Dämpfung über die Zumeßöffnung
136 hinweg
gesteuert. Der Dämpfungskoeffizient
der Zumeßöffnung
136 kann
durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
wobei C einen Dämpfungskoeffizienten
der zweiten Ordnung der Zumeßöffnung darstellt, ρ die Strömungsmitteldichte
darstellt, und C
d ein empirischer Wert ist,
der den Strömumgs-
oder Flußkoeffizienten für die Zumeßöffnung
136 darstellt.
Die Zumeßöffnung
136 sieht
eine nicht-laminare Strömung
vor und dies hat eine Strömungsmitteldämpfung zur
Folge, die relativ unsensibel auf die kinematische Strömungsmittelviskosität reagiert.
Dies kann aus der Tatsache gesehen werden, daß die dynamische Strömungsmittelviskosität μ in der obigen
Gleichung nicht auftritt. Da der Durchmesser der Zumeßöffnung
136 wesentlich
kleiner ist als der Duchmesser der Längsbohrungen
134a,
b wird die Dämpfung
des Ankers
126 durch die Dämpfung durch die Zumeßöffnung
136 gesteuert.
Der Durchmesser der Längsbohrungen
134 ist
vorzugsweise zwischen 3- bis 4-mal größer als der Durchmeser der
Zumeßöffnung
136;
die exakten Ausmaße,
die benötigt
werden, um eine nicht-laminare Strömung über die Zumeßöffnung
136 und
die gewünschte
Dämpfung
zu erhalten, muß jedoch
durch Laborversuche festgestellt werden. In einem Anker mit einem
Durchmesser von ungefähr
22 mm besitzen die Längsbohrungen
134a,
b vorzugsweise Durchmesser von 5 bis 7 mm und die Zumeßöffnung
136 besitzt
einen Durchmesser von 1,5 bis 2 mm. Ein Strömungsmitteldurchlaß dieser
Bauart besitzt den Vorteil, eine Dämpfung des An kers vorzusehen,
die relativ unsensibel auf Veränderungen
in der Temperatur und der Strömungsmittelviskosität reagiert,
da die Dämpfung
des Ankers durch die Dämpfung über die
Zumeßöffnung
136 hinweg
gesteuert wird und die Zumeßöffnung
136 eine
nicht-laminare Strömung
vorsieht.
-
Der
Strömungsmitteldurchlaß 132 der
vorliegenden Erfindung kann zahlreiche andere Formen besitzen. Das
grundlegende Erfordernis liegt darin, daß die Dämpfung des Ankers durch eine
Zumeßöffnung 136 oder
einen anderen Durchlaß gesteuert wird,
der eine nicht-laminare Strömung
vorsieht.
-
Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
des Strömungsmitteldurchlasses 132 ist
in den 5 und 6 dargestellt. Gemäß den 5 und 6 umfaßt der Strömungsmitteldurchlaß 132 eine
Gegenbohrung 138, und zwar an dem Ende des Ankers 126,
das dem Druckstift 128 entgegengesetzt liegt. Der Strömungsmitteldurchlaß 132 umfaßt weiterhin eine
Querbohrung 140. Eine Zumeßöffnung 136 ist vorgesehen
zum strömungsmittelmäßigen Verbinden der
Gegenbohrung 138 und der Querbohrung 140. Mindestens
eine Längsbohrung 134 schneidet
die Querbohrung 140 von dem Druckstiftende des Ankers 126 her.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind zwei Längsbohrungen 134a,
b vorgesehen. Die Längsbohrungen 134a,
b besitzen einen wesentlich größeren Durchmesser
als die Zumeßöffnung 136.
Vorzugsweise sind die Durchmesser dieselben wie oben in Verbindung
mit den 3 und 4 gezeigt.
Ein Strömungsmitteldurchlaß dieser
Bauart hat ungefähr
einen 2-4%igen Verlust der erhältlichen Kraft
zur Folge; die resultierende Unsensibilität auf die Viskosität wiegt
jedoch schwerer als der Kraftverlust.
-
Die
Rohranordnung C wird nun beschrieben. Um die Verständlichkeit
der Figuren der Zeichnung zu erhalten, wurden die Bezugszeichen,
die bei einem Beschreiben der Rohranordnung C verwendet wurden,
in 4 gezeigt. Anfänglich
erinnert die Rohranordnung C an bekannte Rohran ordnungen. Die Art
und Weise, in der jedoch die vorliegende Anordnung C hergestellt
und aufgebaut ist, sieht zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten
Rohranordnungen vor, was durch Lesen der folgenden Beschreibung
verdeutlicht wird.
-
Die
Rohranordnung C umfaßt
ein Hauptkörperglied 150,
das aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist. Zahlreiche
Materialien sind geeignet zum Formen des Hauptkörperglieds 150, wie zum
Beispiel Siliziumeisenstahl oder resulfurisierter oder verbleiter,
geringen Kohlenstoffgehalt aufweisender, leicht bearbeitbarer Stahl.
In der Endzusammensetzung, wie in den 3 und 4 gezeigt, umfaßt das Hauptkörperglied 150 einen
ersten Körperteil 152,
der ein stationäres
Polstück 153 bildet und
ein zweites Körperteil 154.
Wie unten noch beschrieben wird, ist das gesamte Hauptkörperglied 150 jedoch
aus einem einzelnen Stück
ferromagnetischen Block- oder Stabmaterials gedreht oder maschinell
hergestellt, wodurch die Konzentrizitätsprobleme, die mit bekannten
Elektromagnetrohranordnungen zusammenhängen, vermieden werden. Das Polstück 153 definiert
ein erstes Ende einer Ankerkammer 156. Die Ankerkammer 156 besitzt
einen konstanten Durchmesser und ist in der Lage, den Anker 126 aufzunehmen.
Da ein relativ kurzer Anker 156 verwendet wird, bietet
die Rohranordnung C im Vergleich zu bekannten Elektromagneten einen
erhöhten
Widerstand gegen seitliche Belastungen. Genauer gesagt ist die Rohranordnung
C an der Ankerkammer 156 strukturell am schwächsten,
da die Rohrwände
in diesem Bereich am dünnsten
sind. Die Länge
des Ankers 126 ist der bestimmende Faktor für die Länge der
Ankerkammer 156. Daher wird, wenn die Länge des Ankers 126 minimiert
wird, eine festere Rohranordnung C erreicht.
-
Das
Hauptkörperglied 150 umfaßt weiterhin eine
Stiftbohrung 158, die konzentrisch zu der Ankerkammer 156 ist
und die in der Lage ist, den Druckstift 128 aufzunehmen.
Ein Lagersitz 159 wird maschinell in die Stiftbohrung 158 gearbeitet,
und zwar in der Nähe
des ersten Endes des Hauptkörperglieds 150. Ein
Stiftlager 160 ist in dem Lagersitz 159 angeordnet.
Vorzugweise ist das Lager 160 ein Bronzelager oder ein ölimprägniertes
gesintertes Lager. Ein nicht-ferromagnetischer Ankeranschlag 161,
wie zum Beispiel eine Messingunterlegscheibe, ist in der Ankerkammer 156 angeordnet,
und zwar zwischen dem Anker 126 und dem Polstück 153.
-
Das
Hauptkörperglied 150 umfaßt einen Stiftversetzungsströmungsmitteldurchlaß 164 zum Ermöglichen,
daß Strömungsmittel
zwischen der Stiftbohrung 158 und der Ventilanordnung D
fließt, wenn
sich der Anker 126 bewegt. Ein erstes Endteil 170 des
Hauptkörperglieds 150 endet
in einem Ventileingriffsteil 172, der vorzugsweise die
Form eines Nippels aufweist. Das Ventileingriffsteil 172 umfaßt auf seiner
Außenoberfläche ein
Gewinde 174 zum Eingriff mit einem Innengewinde 175 in
der Ventilanordnung D, wodurch ermöglicht wird, daß die Rohranordnung
C in die Ventilanordnung D geschraubt wird. Alternativ könnte das
Ventileingriffsteil 172 eine glatte äußere Oberfläche umfassen und eine Bolzenbefestigung
(nicht gezeigt), wie zum Beispiel eine Vierbolzenbefestigung, könnte verwendet
werden zum Befestigen des Elektromagneten 110 an der Ventilanordnung
D, so wie es in der Technik bekannt ist. Schlüsselabflachungen 178 werden
maschinell in das Hauptkörperglied 150 gearbeitet,
und zwar in der Nähe
des ersten Endteils 170. Die Schlüsselabflachungen 178 sind
vorgesehen, so daß ein
Schlüssel verwendet
werden kann, um die Rohranordnung C in die Ventilanordnung D zu
schrauben, und zwar mit einem ausreichenden Drehmoment, um ein Strömungsmittellecken
zu verhindern.
-
Die
Rohranordnung C umfaßt
auch eine nicht-ferromagnetische Hülse 180, die vorzugsweise aus
rostfreiem Stahl hergestellt ist. Die Hülse 180 kann auf ein
zweites Endteil 182 des Hauptkörperglieds 150 geschoben
werden. Genauer gesagt umfaßt
das Hauptkörperglied 150 einen
Teil 184 mit reduziertem Durchmesser, der einen Außendurchmesser
besitzt, der im wesentlichen der gleiche ist wie der Innendurchmesser
der Hülse 180.
Das Hauptkörperglied 150 umfaßt auch
einen Teil 186 mit vergrößertem Durchmesser, der vorzugsweise
einen Außendurchmesser
besitzt, der im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Hülse 180 ist.
Der Übergang
der Teile 184, 186 mit reduziertem und vergrößertem Durchmesser
bildet einen maschinell hergestellten Anschlag 188, der
verwendet werden kann, um die Hülse 180 auf
dem Hauptkörperglied 150 zu positionieren,
und zwar während
des Zusammensetzens, wie unten noch beschrieben wird.
-
Die
Rohranordnung C umfaßt
einen abnehmbaren Endstopfen 190, der aus einem nicht-ferromagnetischen
Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, hergestellt ist. Der
Endstopfen 190 definiert ein zweites Ende der Ankerkammer 156.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
besitzt der Endstopfen 190 die Form eines im Handel erhältlichen
rostfreien Stahlstopfens. Der Endstopfen 190 kann schraubgewindemäßig mit
dem zweiten Endteil 182 in Eingriff kommen, wodurch die
Ankerkammer 156 abgedichtet wird. Eine Abdichtunterlegscheibe 191 ist
zwischen dem Endstopfen 190 und dem Hauptkörperglied 150 angeordnet,
um das Lecken eines Strömungsmittels
zu verhindern. Alternativ könnte
eine Endkappe anstatt des Endstopfens 190 verwendet werden.
-
Der
Anker 126 ist in der Lage, längs in der Ankerkammer 156 zu
gleiten, und zwar zwischen dem Endstopfen 190 und dem Ankeranschlag 161. Die
Länge,
in der sich der Anker 126 bewegt, wird als der Arbeitsspalt
oder -raum des Ankers bezeichnet. Der Arbeitsraum ist der Abstand
zwischen dem Anker 126 und dem Ankeranschlag 161,
wenn sich der Anker 126 in der Ruheposition (das heißt wenn
der Anker am weitesten von dem Polstück 153 entfernt ist) befindet.
In den 3 und 4 ist der Anker 126 ungefähr in der
Mitte seines Arbeitsraums gezeigt. Daher kann der Arbeitsraum in
den 3 und 4 durch die Summe der Abstände zwischen
den Linien a und b und den Linien c und d dargestellt werden. Die
Position des Ankers 126 innerhalb der Kammer 156 wird
gesteuert durch die Größe eines
magnetischen Flußpfades,
der durch die Spule 118 vorgesehen wird, sowie jeder Widerstandskraft,
die auf den Druckstift 128 ausgeübt wird.
-
Ein
Teil der Hülse
umgibt einen Luftspalt 192. Genauer gesagt umfaßt das Polstück 152 eine
radial nach außen
zeigende Verjüngung 193,
die ringförmig ist
und konzentrisch zu der Mittelachse der Ankerkammer 156 liegt.
Die Verjüngung 193 ist
außerhalb der
Ankerkammer 156 und umgibt einen Teil davon. Die zusammengesetzte
Anordnung des Hauptkörpers 150 und
der Hülse 180 bildet
den Luftspalt 192. Die ferromagnetische Hülse 180 und
der Luftspalt 192 erstrecken sich je koaxial von einer
radialen Innenoberfläche 194 des
zweiten Körperteils 154,
und zwar zu dem Schnittpunkt der Verjüngung 193 und der
Hülse 180.
In den 3 und 4 ist ein nicht-ferromagnetisches
Hartlötmaterial 195 in
einem Teil des Luftspalts 193 gezeigt. Dieses Hartlötmaterial 195 bleibt
nach dem Herstellungsvorgang zurück, wie
unten noch beschrieben wird. Da das Hartlötmaterial 195 nicht
ferromagnetisch ist, besitzt es den gleichen Effekt auf den magnetischen
Fluß,
wie es der Luftspalt 192 tut. Der Luftspalt 192 ist
im wesentlichen länger
als der Arbeitsraum des Ankers 126. Vorzugsweise ist der
Luftspalt 192 zwischen zwei- und dreimal länger als
der Arbeitsraum des Ankers 126. Das Hauptkonstruktionskriterium
für den Luftspalt 192 ist,
daß er
lang genug ist, um ein Kurzschließen zwischen dem stationären Polstück 153 und
dem zweiten Körperteil 154 zu
verhindern.
-
Der
Elektromagnet 110 umfaßt
weiterhin Verbindungsmittel 196 zum Befestigen der Spuleneinheit
A an der Rohranordnung C. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfassen die Verbindungsmittel 196 einen Schnappring 197,
eine Unterlegscheibe 198 und eine Wellenfeder 199.
Der Schnappring 197 ist in der Lage, in eine Gegennut 200 (siehe 9)
der Außenoberfläche der
Rohranordnung zu passen, wodurch die Spuleneinheit A an der Rohranordnung
C gesichert wird. Die Verbindungsmittel 196 können zahlreiche
Formen annehmen, wie zum Beispiel mit Gewinde versehene Befestiger.
-
Die
Ventilanordnung D, wie in der 3 gezeigt,
umfaßt
einen Strömungsmitteldurchlaß 201 (der
auch als ein Öldurchlaß bezeichnet
wird), einen Anschluß 202,
einen Schieber 204 und eine Schieberrückholfeder 206. Der
Schieber 204 kann in seitlicher Richtung gemäß 3 frei
bewegt werden, und die Bewegung des Schiebers 204 bewirkt,
daß das Ventil
geöffnet
oder geschlossen wird, oder bewirkt, daß sich der Grad der Öffnung des
Ventils vergrößert oder
verringert. Die Rückholfeder 206 legt
eine Rückholkraft
auf den Schieber 204 an, und zwar über einen Federsitz 208.
Ein Federsitz 208 ist sowohl auf den rechten als auch auf
der linken Seite (nur die rechte Seite der Feder ist gezeigt) des
Schiebers 204 vorgesehen, um den Schieber 204 normalerweise
in eine neutrale Position vorzuspannen, und zwar in der Abwesenheit
der Kraft von dem Elektromagneten 110.
-
Gemäß den 7, 8 und 9 werden nun
die Schritte zur Herstellung einer Rohranordnung C gemäß der Erfindung
beschrieben. Anfänglich
geht die Rohranordnung C von einem Vollstück eines ferromagnetischen
zylindrischen Stangenmaterials aus. 7 stellt
die Rohranordnung C nach einer ersten Phase des bevorzugten Herstellungsvorgang
dar. In der ersten Phase wird der Stangenstahl auf einer Drehmaschine,
zum Beispiel einer automatischen Drehbank pla ziert. In dieser Phase
wird die Außenoberfläche des
Hauptkörperglieds 150 maschinell
bearbeitet, um die Schlüsselabflachungen 178,
den Ventileingiffsteil 172, den Teil 184 mit reduziertem
Durchmesser, die nach außen
zeigende Verjüngung 193 und
den Luftspalt 192 zu bilden. Zusätzlich werden während der
ersten Phase die Stiftbohrung 158, der Lagersitz 159 und
der Stiftversetzungsströmungsdurchlaß 164 maschinell
in das Hauptkörperglied 150 gearbeitet,
und zwar unter Verwendung von Bohrvorgängen.
-
8 stellt
die Rohranordnung C nach einer zweiten Phase des bevorzugten Herstellungsvorgangs
dar. In der zweiten Phase wird die nicht-ferromagnetische Hülse 180 auf
den Teil 184 mit reduziertem Durchmesser des Hauptkörperglieds 150 gebracht.
Das Plazieren der Hülse 180 auf
dem Hauptkörperglied 150 kann
durch den maschinell bearbeiteten Anschlag 188 gesteuert
werden. Das Hauptkriterium ist es, daß die Hülse 180 den gesamten Luftspalt 192 abdeckt.
Vor dem Plazieren der Hülse 180 auf
dem Hauptkörperglied 150 wird
eine Lage eines Hartlötmaterials 195,
wie zum Beispiel eine Hartlötpaste,
auf den Teil 184 mit reduziertem Durchmesser aufgebracht,
wo die Hülse 180 den
Teil 184 mit reduziertem Durchmesser überlappt. Die Hülse 180 wird
dann auf dem Hauptkörperglied 150 positioniert, und
die zusammengesetzte Anordnung wird durch Ofenhartlöten zusammengefügt. Alternativ
könnten die
Hülse 180 und
das Hauptkörperglied 150 unter Verwendung
von Laserschweißen
oder Elektronenstrahlschweißen
zusammengefügt
werden, wie es in der Technik bekannt ist.
-
9 stellt
die Rohranordnung C nach einer dritten Phase des bevorzugten Herstellungsvorgangs dar.
In der dritten Phase wird die Ankerkammer 156 maschinell
in das Hauptkörperglied 150 gearbeitet oder
gefräst.
Vor dem maschinellen Bearbeiten oder Fräsen der Ankerkammer 156 ist
das Hauptkörperglied 150 aus
einem einzigen Stück
eines ferromagnetischen Stangenstahls aufgebaut. Nach dem maschinellen
Bearbeiten der Ankerkammer 126 wird das Hauptkörperglied 150 in
die ersten und zweiten Körperteile 152, 154 aufgeteilt,
wobei die zwei Teile durch die nicht-ferromagnetische Hülse 180 verbunden
werden. Während
dieser dritten Phase wird auch das zweite Endteil 182 maschinell
bearbeitet oder gefräst,
und zwar zur Aufnahme des abnehmbaren Endstopfens 190.
Nach dem dritten maschinellen Arbeitsvorgang und nachfolgendem Reinigen
ist die Rohranordnung C fertig, um in der fertiggestellten Elektromagnetanordnung
verwendet zu werden.
-
Ein
Elektromagnet gemäß der vorliegenden Bauart
besitzt zahlreiche kommerzielle Anwendungen. Eine bevorzugte Anwendung
ist jedoch die Steuerung von Hydraulikventilen, wie zum Beispiel Geräteventilen
an Bau- oder Arbeitsfahrzeugen. Die Verwendung der vorliegenden
Elektromagnetanordnung 10 in Verbindung mit der Ventilanordnung
D wird nun beschrieben. Der Elektromagnet 110 wird von
seinem Zulieferer in einem solchen Zustand (in 3 gezeigt,
und zwar ohne die Ventilanordnung D) versandt, so daß er aus
einer abnehmbaren Spuleneinheit A, einer Ankeranordnung B und einer
Rohranordnung C besteht.
-
Der
Käufer
des Elektromagneten 110 verbindet den Elektromagneten 110 mit
der Ventilanordnung D, und zwar in der folgenden Art und Weise.
Zuerst wird die Rohranordnung C in das Gegengewinde in der Ventilanordnung
D geschraubt. Ein Schlüssel kann
verwendet werden, um die Rohranordnung C in die Ventilanordnung
D zu schrauben, und zwar mit einem ausreichenden Drehmoment, um
ein Strömungsmittellecken
zu verhindern. Als nächstes
wird die Spulenaneinheit A auf die Rohranordnung C geschoben. Die
Wellenfeder 199 und die Unterlegscheibe 198 werden
dann auf der Rohranordnung C positioniert. Zuletzt wird der Schnappring 197 in
die entsprechende Nut 200 positioniert, wodurch die Spuleneinheit
A an der Rohranordnung C gesichert wird. Der elektrische Verbinder
wird dann mit Steuermitteln (nicht gezeigt) verbunden, die den Strom,
der an die Spule 118 angelegt wird, regelt, um die Posi tion
des Ankers 126 innerhalb der Ankerkammer 156 zu
steuern.
-
Wenn
der Elektromagnet 110 ausfällt, ist die vorliegende Bauart
vorteilhaft, da die abnehmbare Spuleneinheit A leicht ersetzt werden
kann, ohne Abnehmen der Rohranordnung C von der Ventilanordnung
D. Dies bietet den zusätzlichen
Vorteil, daß eine Verunreinigung
des hydraulischen Strömungsmittels verhindert
wird, wenn die Spuleneinheit A ersetzt werden muß.
-
Der
vorliegende Elektromagnet verwendet einen Endstopfen 190,
der zahlreiche Vorteile vorsieht. Der Endstopfen 190 kann
leicht abgenommen werden, um Strömungsmittelverunreinigungen
oder Beschädigungen
des Ankers 126 zu überprüfen. Der Endstopfen 190 ermöglicht auch,
daß der
Anker 126 eingesetzt werden kann, nachdem alle Hartlöt-, Schweiß-, Fräs- und/oder
Reinigungsvorgänge
vollendet sind. Bei Elektromagneten, die keine abnehmbare Endkappe
vorsehen, ist es möglich,
daß das Teflonlager
während
des Schweißvorgangs
beschädigt
wird. Zusätzlich
ermöglicht
die Verwendung eines abnehmbaren Endstopfens 190, daß eine einzelne
Elektromagnetbauart für
mehrere unterschiedliche Anwendungen verwendet werden kann. Genauer
gesagt, könnten
unterschiedliche Endstopfen 190 entwickelt werden, um unterschiedliche
Funktionen durchzuführen.
Zum Beispiel könnte
ein Endstopfen 190 mit einem manuellen Vorrangigkeits-
oder Übersteuerungsmechanismus
(nicht gezeigt) versehen sein zum manuellen Steuern der Ankerposition
in dem Fall, daß die
Spule 118 ausfällt.
Bei einigen Anwendungen könnte
es notwendig sein, das Ventil zu entleeren, nachdem der Elektromagnet 110 mit
der Ventilanordnung verbunden ist. Bei solchen Anwendungen könnte der
Endstopfen 190 mit einem Entleerungsmechanismus (nicht
gezeigt) ausgerüstet
sein.
-
Der
vorliegende Elektromagnet verwendet eine Rohranordnung C, die viele
Probleme, die mit bekannten Elektromagneten zusammenhängen, beseitigt.
Genauer gesagt werden die Konzentrizitätsprobleme, die mit bekannten
dreistückigen
Rohranordnung zusammenhängen,
beseitigt, da das Hauptkörperglied 150 von
einem einzigen Stück
eines Stangenmaterials ausgeht. Darüber hinaus werden die Probleme
infolge der Summierung der Längstoleranzen
minimiert durch die vorliegende Bauart. Die einzigen Längstoleranzen,
die die Rohranordnung C in der vorliegenden Bauart beeinflussen,
liegen in der Länge
der Ankerkammer 156, der Länge des Ankers 126 und
der Länge
des Endstopfens 190. Dementgegen besaßen bekannte Elektromagnete,
die die dreistückigen
Rohranordnungen verwendeten, zusätzliche
Toleranzen in der Länge
des Polstücks
und des Führungsrohrs.
Darüber
hinaus besaßen
bekannte Führungsrohre,
die unter Verwendung mehrerer Metalle aufgebaut waren, zusätzlich Toleranzen,
wo die individuellen Abschnitte zusammengefügt waren. Durch Beseitigen
der meisten Summierungen der Toleranzen, die mit bekannten Rohranordnungen
zusammenhingen, beseitigt die vorliegende Bauart die Notwendigkeit
einer Einstellschraube, wodurch die Probleme, die mit Einstellschrauben
zusammenhängen,
beseitigt werden.