Aufbau, Betriebsverhalten und Simulation pneumatischer Regelventile

Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis

1  Einführung  

  1  

1.1  Allgemeines zur Pneumatik  

  1  

1.1.1  Geschichtliches zur Pneumatik  

  4  

1.1.2  Grundbegriffe der Pneumatik  

  4  

1.1.2.1  Der Druck  

  4  

1.1.2.2  Der  Volumenstrom...........................................................................

  5  

1.2  Allgemeines zu  Ventilen.......................................................................................

  6  

1.2.1  Wegeventile  

  6  

1.2.2  Druckventile  

  9  

2  Magnete  

  11  

2.1  Allgemeines zu elektromechanischen Umformern  

  11  

2.2  Grundgesetze des magnetischen Feldes  

  12  

2.3  Der Proportionalmagnet  

  15  

2.4  Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02  

  18  

2.4.1  Allgemeines zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02  

  18  

2.4.2  Kennlinien zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02  

  20  

3  Direktgesteuertes 3-Wege-Proportional-Druckregelventil Norgren Herion  

  VP40...............................................................................................................................  

  30  

3.1  Allgemeines zum direktgesteuerten  3-Wege-Proportional-Druckregelventil

  Norgren Herion  VP40..................................................................................................

  30  

3.2  Beschreibung der Funktion  

  33  

3.3  Zusammenfassung  

  43  

4  WABCO Relaisventil 973 011 000  0..........................................................................

  44  

4.1  Allgemeines zum untersuchten Relaisventil  

  45  

4.2  Wirkungsweise  

  46  

4.3  Kennlinien des  Ventils...........................................................................................

  49  

4.4  Zusammenfassung  

  53  

5  JCI Signalumformer EP 1110-7001 (elektrisch pneumatisch)  

  54  

5.1  Allgemeines zu dem elektrisch pneumatischen Signalumformer  

  54  

5.2  Beschreibung der Funktion  

  56  

5.3  Zusammenfassung  

59

Inhaltsverzeichnis

  ___________________________________________________________________________  

  60  

6  Festo Proportional-Wegeventil MPYE 5  1/8......................................................

  60  

6.1  Allgemeines zu Proportionalventilen  

  61  

6.2  Allgemeines zu dem Festo Proportional-Wegeventil MPYE 5  1/8...................

  61  

6.2.1  Vorteile des  Ventils.......................................................................................

  63  

6.2.2  Allgemeine technische Daten  

  64  

6.2.3  Elektrische Daten  

  65  

6.3  Beschreibung der Funktion  

  67  

6.4  Diagramme  

  68  

6.5  Zusammenfassung  

  69  

7  Norgren Herion 3-Wege-Proportional-Druckregelventil NG  8.............................

7.1  Allgemeines zum Norgren Herion  

  69  

3-Wege-Proportional-Druckregelventil  NG  8........................................................

  70  

7.1.1  Allgemeine Daten zum untersuchten  Ventil..................................................

  71  

7.1.2  Technische Daten des untersuchten  Ventils.................................................

  72  

7.2  Beschreibung der Funktion  

  74  

7.2.1  Die  Vorstufe...................................................................................................

  75  

7.2.2  Die Hauptstufe  

  76  

7.3  Digitale Simulation des  Ventils………………………………………………………...

  76  

7.3.1  Die Simulationssprache Modelica  

  77  

7.3.2  Die digitale Simulation  

  77  

7.3.2.1  Das Simulationswerkzeug Dymola  

  78  

7.3.2.2  Die Modellierung  

  78  

7.3.2.2.1  Modellierung in Dymola allgemein  

  80  

7.3.2.2.2  Modellierung des Proportionalventils  

  80  

7.3.2.2.2.1  Modellierung der  Vorstufe...................................

  84  

7.3.2.2.2.2  Modellierung der Hauptstufe  

  86  

7.3.2.2.2.3  Gesamtmodellierung  

  87  

7.3.2.3  Die Simulation und graphische Darstellung  

  87  

7.3.2.3.1  Simulation in Dymola allgemein  

  89  

7.3.2.3.2  Die Simulation des Proportionalventils  

  90  

7.3.2.3.2.1  Die Simulation der  Vorstufe................................

  93  

7.3.2.3.2.2  Die Gesamtsimulation  

  104  

7.4  Diagramme  

  106  

7.5  Zusammenfassung  

Inhaltsverzeichnis

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  107  

8  Zusammenfassung  

  110  

9  Literaturverzeichnis  

Aufgabenstellung

Modells Parametervariationen untersucht werden können.

1 Einführung 1 __________________________________________________________________

1 Einführung

1.1 Allgemeines zur Pneumatik

Die Pneumatik ist ein Teilgebiet der Technik, das sich allgemein mit dem Verhalten der Gase und mit der Anwendung von Druck- und Saugluft als Energieträger für Arbeitsprozesse, Steuerungen und Regelungen befasst. Pneumatische Einrichtungen dienen als Antriebe v.a. von hin- und herge- henden Bewegungen (z.B. bei Werkzeugmaschinen), als Bremsanlagen (Druckluftbremse), als Förderanlagen bei der pneumatischen Förderung von Schütt- und Stückgütern in Rohren (z.B. Rohrpost), als Druckluftwerk- zeuge u.a., zur Steuerung und/oder Regelung von Arbeitsabläufen, sowie auch zur Durchführung logarithmischer Schaltfunktionen. Sie sind meist unkompliziert aufgebaut, einfach regelbar (durch Drosseln und Druckventi- le), wirtschaftlich und betriebssicher.

Pneumatische Bauelemente sind u.a.: Drucklufterzeuger (meist Kolben- verdichter und –speicher), Druckregler und –speicher, Druckminderventile, Regelventile und Drosseln. Wegeventile zur Steuerung sowie einfach- oder doppeltwirkende Arbeitszylinder (mit Kolben oder Membran). Mit Hilfe dieser Bauelemente lassen sich die verschiedenen Arbeits- und Steuer- funktionen ausführen. (Brockhaus Enzyklopädie, 19. Auflage)

1.1.1 Geschichtliches zur Pneumatik

Neben dem Wasser ist die Luft der älteste Energieträger, dessen sich der Mensch bedient. Vor mehr als 2000 Jahren wurde bereits Druckluft er- zeugt, gespeichert und als Energieträger verwendet. (...) Bereits im 3. Jahrhundert v. Chr. entwickelten der Mechaniker Ktesibios in Alexandrien und der Mathematiker Archimedes von Syrakus druckluftbetriebene Ma- schinen.

Ausführliche Unterlagen existieren aber erst seit dem 1. Jahrhundert n. Chr. durch den alexandrinischen Mechaniker Heron, von dem der in Bild

1. 1 dargestellte Tempeltürenöffner für ägyptische Priester gebaut wurde.

1 Einführung 2 __________________________________________________________________

Bild 1. 1: Tempeltürenöffner nach Heron (W. Backe/H. Murrenhoff – Grundlagen der Pneumatik (1999))

Der vor dem Tempel stehende Altar war hohl und mit einem unterirdi- schen, wassergefüllten Behälter verbunden. Die Hitze des Altarfeuers er- wärmte die Luft im Behälter. Dadurch dehnte sich die Luft aus und drückte das Wasser über ein Rohr in den daneben aufgehängten Eimer. Durch das zunehmende Gewicht des Eimers wurde der über die verlängerten Achsen der Türen gewickelte Kettenzug bewegt, und die Türen öffneten sich. Zog sich nach Erkalten des Altars die Luft im Behälter zusammen, ergab sich ein Unterdruck, der das Wasser aus dem Eimer in den Behälter zurück saugte. Dadurch konnte das Gegengewicht die Türen wieder schließen.

Von Heron stammt auch der Entwurf einer pneumatisch angetriebenen Orgel (s. Bild 1. 2). Durch eine Windmühle als Motor wird eine Kolben- pumpe betätigt, die Luft in eine unter Wasser installierte Glocke fördert,

1 Einführung 3 __________________________________________________________________

von wo sie zu den entsprechenden Orgelpfeifen geführt wird. Diese Glo- cke ist der erste druckausgleichende Windkessel, der auf Ktesibios im 3. Jahrhundert zurückgeht.

Bild 1. 2: Orgel nach Heron (W. Backe/H. Murrenhoff – Grundlagen der Pneumatik (1999))

Nach diesen Anwendungen sind über 1000 Jahre keine weiteren Entwick- lungen feststellbar. Erst im 12. Jahrhundert kam die Windmühle, deren Technik der von Philon und Heron entsprach, von Persien in den Westen. Im 17. Jahrhundert begann man sich von den bis dahin angewandten Techniken zu lösen. Bis zum 19. Jahrhundert sind vereinzelte Anwendun- gen der Druckluft in sehr kleinem Umfang bekannt. Am Ende des 19. Jahrhunderts begann dann eine schnelle Entwicklung, die bis in die Ge- genwart anhält. Zum Beispiel wurde 1861 zum Antrieb einer Gesteins- bohrmaschine für Tunnelbauten Druckluft eingesetzt. Zur Erzeugung der Druckluft wurde von den Gebirgen kommendes Druckwasser benutzt, wo- bei die Verbindung mit dem Zu- bzw. Abfluss über ein Ventilsystem erfolg- te.

1 Einführung 4

__________________________________________________________________

Seit Ende des 19. Jahrhunderts gibt es in Paris eine sogenannte Druck-

luftzentrale, die Handwerks- und Industriebetriebe mit Druckluft versorgt.

(W. Backe/H. Murrenhoff – Grundlagen der Pneumatik (1999))

1.1.2 Grundbegriffe der Pneumatik

In diesem Kapitel sollen die zwei wichtigen Grundbegriffe Druck und Vo-

lumenstrom kurz erläutert werden. Diese beiden Größen sind die Ent-

scheidenden, wenn man eine Aussage über die Qualität von pneumati-

schen Ventilen treffen möchte.

1.1.2.1 Der Druck 1

In der Technik werden verschiedene Druckgrößen benutzt, für die unter-

schiedliche Bezeichnungen gebräuchlich sind. Im folgenden sind die nach

DIN 1314 empfohlenden Bezeichnungen mit „*“ gekennzeichnet. Die SI- Einheit für den Druck ist 1 Pa ( ˆ

ßig erwiesen, mit der Einheit „bar“ eine Druckeinheit in der Größenordung

des Atmosphärendrucks zur Verfügung zu haben. Aus diesem Grund wird ˆ 5 Pa im Verlauf dieser Diplomarbeit die Einheit bar (

verwendet. (...)

Atmosphärischer Druck*:

1 Die Kapitel 1.1.2.1 und 1.1.2.2 sind W. Backe/H. Murrenhoff – Grundlagen der Pneumatik

(1999) zu entnehmen

1 Einführung 5 __________________________________________________________________

Absoluter Druck*:

rischen und des Überdrucks.

Statischer Druck: Der in einem Gas senkrecht zur Strömungsrichtung wirkende D r u c k .

Dynamischer Druck: Der sich ergebende Druckanstieg,

wandelt.

1.1.2.2 Der Volumenstrom

In der Strömungstechnik ist es üblich, die Liefermenge, den Luftdurchsatz und den Verbrauch, d.h. den „Luftstrom“ in volumetrischen Begriffen aus- zudrücken. Die SI-Einheit für den Volumenstrom ist m³/s; gebräuchliche Einheiten sind außerdem m³/min, m³/h, l/min und ml/min. Da eine be- stimmte Luftmenge je nach Umgebungsbedingungen verschiedene Raum- inhalte ausfüllt, ist es erforderlich, einen Normzustand zu definieren, der einen Druck und eine Temperatur festlegt, auf welche die betrachtete Luftmenge bezogen wird. Nur danach kann z.B. ein direkter Vergleich zwi- schen der Liefermenge eines Verdichters und dem Luftverbrauch von Druckluftmotoren gezogen werden.

Der Normzustand bei den durchgeführten Versuchen liegt bei einer Tem- peratur von 20°C und einem Druck von 1,013 bar.

1 Einführung 6 __________________________________________________________________

1.2 Allgemeines zu Ventilen 2

Steuerelemente in der Pneumatik sind Ventile, die den Leistungsfluss schaltend oder stetig beeinflussen. Ventile unterscheiden sich durch ihre Betätigungsart. Entsprechend der Funktion differenziert man: o Wegeventile bestimmen die Richtung, den Beginn und das Ende des Durchflusses o Druckventile beeinflussen den Druck der Luft o Sperrventile schalten den Durchfluss in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung o Stromventile beeinflussen die Menge des Durchflusses

Im Rahmen der Diplomarbeit wurden die beiden Ventilarten der Druckven- tile und der Wegeventile untersucht. Die Bezeichnung und die symboli- sche Darstellung der Ventile ist in der DIN-ISO 1219 international ge- normt. In Bild 1. 3 sind exemplarisch Symbole der beiden Ventilarten auf- geführt:

Bild 1. 3: Symbol eines Wege- und eines Druckregelventils (Festo 2003 & Herion 1999)

1.2.1 Wegeventile

2 Kapitel 1.2 und 1.2.1 sind auszugsweise W. Backe/H. Murrenhoff – Grundlagen der Pneumatik (1999) zu entnehmen

1 Einführung 7 __________________________________________________________________

In Bild 1. 4 ist ein 4/2-Wegeventil symbolisch dargestellt.

Bild 1. 4: Wegeventildarstellung nach DIN-ISO 1219 (W. Backe/H. Murrenhoff – Grundla- gen der Pneumatik (1999))

Die Symbole für die Betätigung des Ventils werden rechtwinklig zu den Anschlüssen außerhalb der Felder angeordnet. In Bild 1. 4 handelt es sich also um ein elektromagnetisch betätigtes 4/2-Wegeventil mit Federrück- stellung.

1 Einführung 8 __________________________________________________________________

Bild 1. 5 zeigt ein 5/3-Wegeventil mit Bezeichnungen der Anschlüsse:

Bild 1. 5: Wegeventil mit Anschlussbezeichnungen (W. Backe/H. Murrenhoff – Grundla- gen der Pneumatik (1999))

Es gibt bei Wegeventilen grundsätzlich fünf verschiedene Arten der An- steuerung:

o Betätigung durch Muskelkraft

o Mechanische Betätigung o Pneumatische Betätigung o Elektromagnetische Betätigung o Vorgesteuerte Ventile

Da das in Kapitel 6 untersuchte Wegeventil ein elektromagnetisch betätig- tes ist, soll auch nur auf diese Ansteuerart genauer eingegangen werden.

Elektromagnetisch betätigte Wegeventile werden vorteilhaft an automati- sierten Maschinen mit komplizierten Funktionen und bei Verriegelungs- schaltungen eingesetzt.

1 Einführung 9 __________________________________________________________________

Die Vorteile einer elektromagnetischen Betätigung sind:

o Signalübertragung ist über große Entfernung möglich o Große Verstärkungen sind möglich, d.h. die Eingangsleistung kann gering sein o Kurze Schaltzeiten (bei kleinen Ventilen ca. 10ms) bzw. stetiges Verhalten o Signalverarbeitung erfolgt auf einem niedrigen Energieniveau

Die Magnete werden in Gleich- und Wechselstromausführung eingesetzt.

Ein derartiges Ventil ist das Festo Proportional-Wegeventil MPYE – 5 – 1/8, welches in Kapitel 6 näher betrachtet wird.

1.2.2 Druckventile

Druckventile haben im Allgemeinen die Aufgabe, den Luftdruck zu beein- flussen, z.B. zu begrenzen, auf einen konstanten Wert zu reduzieren oder auch beim Erreichen eines bestimmten Druckniveaus ein Signal zur Wei- terverarbeitung zu geben.

Druckventile sind Druckbegrenzungsventile, Zuschaltventile und Druckre- gelventile. Da im weiteren Verlauf nur Druckregelventile als Druckventile untersucht werden, soll hier auch nur näher auf diese eingegangen wer- den.

Das Druckregelventil reduziert den höheren Druck auf ein niedrigeres Ni- veau und regelt den Arbeitsdruck. Das ist unter anderem wichtig bei Pneumatiknetzen, deren Netzdruck größer als der für einzelne Geräte oder Anlagen zulässige Druck ist.

Bei Druckregelventilen mit Abluftöffnung entweicht die Arbeitsluft bei Überschreiten des eingestellten Druckniveaus in die Umgebung. Druckre- gelventile ohne Abluftöffnung werden auch als Druckminderventile be- zeichnet.

1 Einführung 10 __________________________________________________________________

Grundsätzlich gibt es hierbei zwei verschiedene Ansteuerarten:

o Mechanische Ansteuerung

o Elektrische Ansteuerung

Da hier hauptsächlich elektrische Ansteuerungen zur Anwendung kom- men, soll hier kurz näher auf diese eingegangen werden.

Bei sehr hohen Genauigkeitsanforderungen kommen heute Proportional- Druckregelventile als elektrisch verstellbare Druckregelventile zum Ein- satz. Sie verstellen den Druck des Arbeitsanschlusses in Abhängigkeit von einer elektrischen Eingangsgröße (z.B. Strom oder Spannung). Der Aus- gangsdruck wird dabei meistens über eine interne Druckrückführung auf den Steuerschieber oder -sitz geregelt. Die Rückführung kann dabei so- wohl elektrisch als auch mechanisch erfolgen. Die Verstellkräfte sind hier relativ hoch, sodass Druckventile häufig durch einen Proportionalmagne- ten betätigt oder vorgesteuert ausgeführt werden.

Elektrisch angesteuerte, stetige Druckregelventile kommen häufig in Anla- gen zur Anwendung, die eine variable Steuerung des Arbeitsdruckes über elektrische Signale erfordern.

Ventile dieser Arten werden in den Kapiteln 3 (Direktgesteuertes 3-Wege- Proportional-Druckregelventil Norgren Herion VP40), 5 (JCI Signalumfor- mer EP 1110-7001 (elektrisch – pneumatisch)) und 7 (Norgren Herion 3- Wege-Proportional-Druckregelventil NG 8) dargestellt und näher erläu- tert.

2 Magnete 11 __________________________________________________________________

2 Magnete

2.1 Allgemeines zu elektromechanischen Umformern 1

Der elektromechanische Umformer bildet die Schnittstelle zwischen Sig- nalkreis und Leistungskreis in der fluidtechnischen Antriebstechnik. Er hat die Aufgabe, elektrische Eingangs- in mechanische Ausgangsenergie zum Antrieb eines Stellgliedes umzuformen. Seine Verfügbarkeit ist die Vor- aussetzung für digitale Regelungskonzepte und für eine vertikale Vernet- zung innerhalb einer Steuerungshierarchie. Einen Überblick über die in der pneumatischen Ventiltechnik relevanten Umformer gibt Bild 2. 1. Prin- zipbedingt warten die Umformer mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften und Kenngrößen auf.

Bild 2. 1: Elektromechanische Umformer in der Ventiltechnik (Bernd Völker 1999)

(...) Auf Basis der Reluktanzmethode werden analytische Modelle der ein- zelnen Wirkprinzipien erstellt und die charakteristischen Kennlinienfelder ermittelt.

1 Abschnitte 2.1 bis 2.3 sind (Bernd Völker 1999) zu entnehmen

2 Magnete 12

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2.2 Grundgesetze des magnetischen Feldes

In der Umgebung eines stromdurchflossenen Leiters können experimentell

Kraftwirkungen auf eine Magnetnadel festgestellt werden, die dazu führen,

dass sich die Magnetnadel in einer bestimmten Weise ausrichtet. Das ma-

gnetische Feld ist gekennzeichnet durch die magnetische Feldstärke H

und die magnetische Flussdichte B.

Die Feldstärke beschreibt die Intensität des Magnetfeldes. Ihre Ursache ist

der elektrische Strom. Nach dem Durchflutungsgesetz gilt für das Linien-

integral der magnetischen Feldstärke bei einem Umlauf:

¦

³

Hdl

l

Das Linienintegral der magnetischen Feldstärke ist gleich der Summe der

vorzeichenbehafteten Ströme. Neben der magnetischen Feldstärke ist die

magnetische Flussdichte eine weitere Größe zur Beschreibung des mag-

netischen Feldes. Sie charakterisiert die Feldliniendichte durch einen

Querschnitt. Für den Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke

und Flussdichte gilt:

P

B

Der Proportionalitätsfaktor P wird als Permeabilität bezeichnet. Sie ist

eine materialabhängige Größe und im Allgemeinen nichtlinear. Die Per-

meabilität kennzeichnet die „Durchlässigkeit" der magnetischen Feldlinien

durch ein Material. Mit der relativen Permeabilität r

Permeabilität als ein Vielfaches der Induktionskonstanten 0

werden:

P

2 Magnete 13 __________________________________________________________________

Bezüglich der magnetischen Materialeigenschaften existieren drei Klassifi- kationen:

P > l para- und antiferromagnetische Werkstoffe P >> l ferro- und ferrimagnetische Werkstoffe Für den Einsatz in elektromagnetischen Aktoren spielen nur ferro- und ferrimagnetische Werkstoffe eine Rolle. Im Gegensatz zu dia- und para- magnetischen Werkstoffen sind ferro- und ferrimagnetische Materialien durch nichtlineare Magnetisierungskennlinien gekennzeichnet. Bild 2. 2 zeigt die B-H-Kennlinie eines ferromagnetischen Materials und den Per- meabilitätsverlauf:

Bild 2. 2: Magnetisierungskennlinie eines ferromagnetischen Materials und Permeabili- tätsverlauf (Bernd Völker 1999)

Wird ein vollständig entmagnetisiertes Material einem stetig anwachsen- den magnetischen Feld ausgesetzt, so kann die Neukurve dieses Materi- als ermittelt werden. Unaufgefüllte Elektronenschalen ferromagnetischer Werkstoffe führen im kristallinen Aufbau durch Wechselwirkungen unter- einander zu Bezirken gleichgerichteter magnetischer Spinnmomente. Die- se Kristallbereiche gleicher Magnetisierung werden Weiß'sche Bezirke genannt. Im unmagnetischen Zustand ist die Magnetisierungsrichtung der Weiß'schen Bezirke regellos verteilt, sodass der Werkstoff nach außen hin

2 Magnete 14 __________________________________________________________________

unmagnetisch ist. Durch Anlegen eines äußeren Feldes werden die Weiß'schen Bezirke zunehmend in Feldrichtung ausgerichtet. Im ersten Teil der Magnetisierungskurve kommt es zu reversiblen Blockwandver- schiebungen, die einen geringen Anstieg der Flussdichte bewirken. Irre- versible Blochwandverschiebungen und irreversible Drehprozesse der magnetischen Momente der Weiß'schen Bezirke führen im zweiten Be- reich zu einer steilen Zunahme der Flussdichte. Um den Werkstoff in Feld- richtung weiter aussteuern zu können, müssen reversible Drehprozesse stattfinden, die den dritten Bereich der Neukurve ausmachen. Diese Dreh- prozesse erfordern eine höhere Energiezufuhr als die Wandverschiebun- gen und bewirken eine geringere Flußdichtesteigerung. Sind diese Pro- zesse abgeschlossen, ist der Werkstoff gesättigt, d.h. die magnetischen Momente sind vollständig in Feldrichtung ausgerichtet. Eine weitere Feld- erhöhung führt zu einem linearen Anstieg der B-H-Kennlinie. Wird ausge- hend vom Sättigungspunkt die magnetische Feldstärke verringert, so stellt sich aufgrund irreversibler Prozesse eine Hysteresekurve ein. Bei abge- schaltetem Feld stellt sich aufgrund des Restmagnetismus die sogenannte Remanenzinduktion B r ein. Durch eine negative Feldstärke wird die Fluss- dichte weiter reduziert und bei der Koerzitivfeldstärke H c zu Null. Magneti- sche Materialien werden zusätzlich bezüglich der Öffnung der Hysterese- kurve klassifiziert. Ein Maß hierfür ist die Koerzitivfeldstärke. Man unter- scheidet hierbei zwischen

10 3

• weichmagnetischen Werkstoffen:

H c

und

!

• hartmagnetischen Werkstoffen:

H c

2 Magnete 15 __________________________________________________________________

2.3 Der Proportionalmagnet

Der Proportionalmagnet entstand durch die Weiterentwicklung des Schalt- magneten. Anders als beim Schaltmagneten, der nur zwei diskrete Stel- lungen stabil einnehmen kann, ist der Proportionalmagnet für stetige Be- wegungen innerhalb des Arbeitshubes geeignet. Zur Erzielung einer mög- lichst linearen Kennlinie wird bei Magneten der Hydraulik der Pol im Be- reich des Arbeitshubes als Konus gestaltet (Bild 2. 3). Ein nicht magneti- scher Zwischenring unterbricht den Magnetfluss vom Polkern zum Füh- rungsrohr und lenkt ihn über den radialen und axialen Luftspalt zum Anker um. Im Arbeitshubbereich ist die Magnetkraft deshalb nur von der aktuel- len Bestromung abhängig. Im Unterschied zum Schaltmagneten wird beim Proportionalmagneten auch die Rückbewegung ausgesteuert, also der erregende Strom reduziert statt abgeschaltet. In jedem Augenblick herrscht demnach ein Kräftegleichgewicht zwischen Magnet- und äußerer Gegenkraft.

Bild 2. 3: Aufbau eines Proportionalmagneten der Hydraulik (Bernd Völker 1999)

2 Magnete 16 __________________________________________________________________

Die Proportionalmagnettechnik verdankt ihren Durchbruch der stärkeren Verbreitung von Hydraulik-Proportionalventilen in den 60er und 70er Jah- ren, weil sie europäischen Herstellern eine Alternative zu den Servoventi- len der amerikanischen Flugzeughydraulik bot. Nach wie vor sind die Hyd- raulik und in zunehmendem Maße die Pneumatik Hauptanwendungsge- biete.

Das stationäre Verhalten des Proportionalmagneten hängt von den Eigen- schaften des Magnetkreises ab, der wegen des nichtmagnetischen koni- schen Zwischenringes relativ komplex ist (...) Bild 2. 4 stellt das magneti- sche Netzwerk für einen Proportionalmagneten dar.

Bild 2. 4: Magnetisches Netzwerk eines Proportionalmagneten (Bernd Völker 1999)

2 Magnete 17 __________________________________________________________________

Durch die Anwendung von Ähnlichkeitsbetrachtungen und der Methode der vereinfachten Flußwege wurden ursprünglich detaillierte Berech- nungsvorschriften für häufig angewendete Magnetkreisformen erstellt. Trotzdem ist dieser Modellcharakter für genauere Untersuchungen unzu- reichend. Aufgrund der komplexen Geometrie des Magnetkreises ist die theoretische Analyse des Proportionalmagneten nur mit Hilfe der FEM (Fi- nite Element Methode) durchzuführen. Deshalb wird an dieser Stelle nur die prinzipielle Charakteristik des Kennlinienfeldes eines Proportional- magneten wiedergegeben (Bild 2. 5).

Innerhalb des Arbeitshubes ist die Kraft auf den Anker nahezu konstant über dem Hub und nur vom Erregerstrom abhängig.

Bild 2. 5: Kennlinienfeld eines Proportionalmagneten (Bernd Völker 1999)

2 Magnete 18 __________________________________________________________________

2.4 Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02 (Magnet Schultz)

Bei dem im Rahmen dieser Diplomarbeit untersuchten direktgesteuerten 3-Wege-Proportional-Druckregelventil Norgren Herion VP40 kam ein Pro- portionalmagnet zum Einsatz, der mit dem Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02 von Magnet Schultz (Spezialfabrik für elektromagnetische Apparate) zu vergleichen ist. Da von diesem Magneten Werte bekannt sind, wird dieser im weiteren Verlauf erläutert.

2.4.1 Allgemeines zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02

Insbesondere proportionales Stellglied in pneumatischen und hydrauli- schen Steuerketten, sowie in Regelkreisen