Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem in einem Ventilgehäuse linear bewegl ichen Ventilkolben und einem Linearantrieb, der einen mit dem Venti l gehäuse unbeweglich verbundenen Stator sowie einen darin beweglichen, den Ventilkolben beaufschlagend en Läufer umfasst, wobei der Stator von ei nem aus m agneti sch leitfähi gem Material bestehenden Gehäuse sowie mindestens einer darin angeordneten Spule gebildet ist und der von dem Stator durch einen Luftspalt getrennte Läufer aus wenigstens einem Dauermagneten m it j ewei l s an dessen Po lseite angrenzenden, aus magnetisch leitfähigem Materi al bestehenden Polstücken besteht.

Ein mittels eines Linearantriebes angetriebenes Ventil mit den vorgenannten Merkmalen ist in der DE 693 25 669 T2 beschrieben; zur Ausbi ldung des L inearantriebes i st lediglich ausgeführt, dass dieser aus einem m it dem Ventilgehäuse in einer dauernden, starren mechanischen Verbindung stehenden Stator und einem mit dem Ventilkolben mechanisch gekuppelten und i n e iner Ankerkammer des Linearantriebs angeordneten, vor dem Stator durch einen Luftspalt getrennten Anker besteht. S oweit das bekannte Ventil als Wegeventil m it ei nem in beiden Richtungen beweglichen Venti lkolben ausgebildet ist, soll im Stator ein S atz von Windungen vorgesehen se in, um beide Bewegungsrichtungen abzudecken. Dabei sollen gemäß einer bevorzugten Bauweise Sta- tor und Anker die gleiche Länge aufweisen. Darüber hinaus sind zum Aufbau von Stator und Anker des Linearantriebs im Einzelnen in der DE 693 25 669 T2 keine Angaben gemacht.

Insoweit ist ein üblicher Aufbau eines Linearmotors aus der DE 1 1 2007 00 1 702 T5 bekannt. Hierbei besteht der Stator aus einem aus ei nem magnetisch leitfähi gen Material gefertigten Gehäuse, in wel chem eine Abfolge von aneinanderstoßenden Spulen angeordnet ist. Der zugeordnete Läufer besteht aus mehreren aneinandergereihten Permanentmagneten mit alternierend wechselnden Polaritäten, so dass jeweils gleiche Magnetpole einander zugewandt sind, zwi schen d enen j ewei l s aus einem magnet i sch leitfähigen Materi al bestehende Polstücke angeordnet sind, wobei j eweil s ein außenliegendes Polstück das Ende des Läufers bil det.

Bei in der Fluidtechnik, d.h . insbesondere in der Hydraulik und der Druck lufttechnik eingesetzten Ventilen besteht generell das Problem, dass insbesondere beim Bewegen des Ventilkolbens in die Öffnungsstellung des Ventils in Abhängigkeit von dem j eweiligen Hub des Ventilkolbens Strömungskräfte auftreten, die ggf, zusätzlich zu beispielsweise den Ventilkolben beaufschlagenden rückstel lenden Federkräften überwunden werden müssen. Dabei kommt es in Abhängigkeit von der Bauart des Venti l s während des Hubes des Ventilkolbens zu einem entsprechenden Anstieg der Strömungskräfte. Somit gilt es, diese der Bewegung des Ventilkolbens entgegenwirkenden Kräfte mit einem ausreichenden Kraftüberschuss und einer genügend hohen Dynamik der Venti lkolbenbewegung zu überwinden. Dagegen wird beim Zurücksetzen des Ventilkolbens in dessen Schli eßstellung keine hohe Kraft benötigt, da hier die Strömungskraft verstärkend einwi rkt. Soweit hierzu bei Venti len zur Verstel l ung des Ventilkolbens Direktantriebe beispielsweise gemäß der DE 693 25 669 T2 bekannt sind, beschränken sich diese Direktantri ebe für den Ventilkolben hauptsächlich auf kleinere Venti le . Ventile größerer Bauart müssen in der Regel mit einer ein kleineres direkt angetriebenes Ventil aufwei senden Vorsteuerung betrieben werden .

Soweit in der DE 693 25 669 T2 ein mit einem Linearantrieb direkt angetri ebenes Ventil beschrieben i st, geht es bei dem bekannten Ventil lediglich darum, das auch in der Ankerkammer anstehende Fluid insbesondere von magnetischen Fremdkörpern freizuhalten, indem ggf. vorhandene magnetische

Fremdkörper durch die Magnetkraft des Ankers in der Ankerbohrung festgehalten werden. Insofern enthält die vorgenannte Druckschrift keinerlei Hinweise auf eine Auslegung des Linearantriebs im Hinblick auf den beim Betrieb des Venti ls auftretenden Kraftverl au f.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Ventil mit den gattungsgemäßen Merkmalen zur Verfügung zu stellen, bei welchem einerseits ein Direktantrieb unabhängig von der Größe des Ventils möglich und andererseits die Dynamik von mittels eines Linearantriebs direkt angetriebenen Ventilen verbessert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.

Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken vor, dass bei einer in das Statorgehäuse eingebetteten Spule auf deren Außenseiten j eweil s ein Außensteg angeordnet ist oder bei mehreren in das Statorgehäuse eingebetteten Spulen zwischen den Spulen j eweils ein Innensteg und auf den Außenseiten der äußersten Spulen j eweils ein zugehöriger Außensteg angeordnet sind, wobei die axialen Erstreckungen von Innenstegen und Außenstegen, Dauermagneten und Polstücken so aufeinander abgestimmt sind , dass sich im Hubberei ch des Ventilkolbens zur Ausbildung einer bei Bestromung der wenigstens einen Spule wirksamen Krafterhöhung weni gstens eine Ecke ei nes Polstücks einerseits und wenigstens eine Ecke eines Außenstegs andererseits derart gegenüberstehen, dass an dieser Stelle im Luftspalt die Magnetfelder von Dauermagnet und stromdurchflossener Spule gleichgerichtet und verdichtet sind.

Dieser Erfindungsgedanke beruht auf der Überlegung dass in einem

Linearantrieb Kräfte auf den Läufer in dessen Bewegungsri chtung im Wesentlichen an den Materialübergängen am Luftspalt, und zwar in der Form Eisen/Luftspalt/Eisen erzeugt werden. Je höher an der betreffenden Stelle die magnetische Flussdichte im Luftspalt ist, umso höher sind die vom Linearantri eb aufgebrachten Kräfte . Die magneti sche Flussdichte setzt sich zusammen aus dem Beitrag des Dauermagneten und dem Beitrag der stromdurchflossenen Spule bzw. Spulen. Dabei treten naturgemäß die größten Flussdichten und somit die gewünschten Krafterhöhungen im Luftspalt an den Stellen auf, an denen die Flussrichtungen von Dauermagnet und Spul enstrom gleichgerichtet sind und sich gleichzeitig die Ei senteile von Stator und Läufer im Luftspalt mit einer relativ geringen Übergangsfläche gegenüberstehen. Dieses Gegenüberstehen lässt sich ergänzend auch dadurch beschreiben, dass sich die an der Bil dung der betreffenden Ecken beteiligten, dem Luftspalt zugewandten Kanten von Stegen und Polstücken quer zur Bewegungsrichtung des Läufers gerade anfangen sich zu überdecken . Soweit bei einer derartigen Stellung des Läufers zum Stator eine maßgebliche Krafterhöhung eintritt, muss ein entsprechendes Kraftmaximum nicht zwangsläufig mit diesem geometrischen Punkt exakt zusammenfallen, weil auch material- und herstellungsspezifische Gegebenheiten hier Einfluss nehmen .

Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Aufbaus von Stator und Läufer kommt es zu Zwischenstellungen des Läufers, bei denen ebenfalls Ecken von Polstücken und Ecken von im Stator ausgebildeten Stegen mit j eweils miteinander fl uchtenden Kanten einander gegenüberstehen. Soweit j edoch dabei nicht bei- de genannten Voraussetzungen, nämlich die Gleichrichtung der Flussrichtungen in Dauermagnet und Spule und das Gegenstehen von einander zugeordneten Ecken von Polstücken und Innen- bzw. Außenstegen gleichzeiti g erfüllt sind, tragen derarti ge Stellungen von Läufer zu Stator nichts zu einer Krafterhöhung bei. Im Rahmen derartiger Konstellationen können sich entweder die Flussrichtungen in Dauermagnet und Spule entgegenstehen, oder Eisenteile von Läufer und Stator stehen sich großflächig gegenüber.

In seiner einfachsten Ausgestaltung ist der Erfindungsgedanke beispielsweise dadurch zu realisieren, dass der im Stator angeordneten einen Spule mit ihren Außenstegen ein einen Dauermagneten mit j eweils außenliegenden Polstücken aufweisender Läufer in seiner Ausgangslage derart zugeordnet ist, dass die äußere Ecke des in Richtung eines Arbeitshubes des Ventils gelegenen Polstücks in der durch die stromlose Spule definierten Ausgangslage des Läufers der spulenseitigen Ecke des zur Richtung des Arbeitshubes hin gelegenen Außensteges des Stators gegenübersteht, so dass sich bei Bestromung der Spule mit einem zum Feld des Dauermagneten gleichgerichteten Feld aufgrund der unmittelbar eintretenden Verdichtung der Magnetfelder von Dauermagnet und stromdurchflossener Spule eine Krafterhöhung einstellt, die zu einer unmittelbaren Erhöhung der aus der Ausgangslage des Läufers heraus auf den Ventilkolben in Richtung des Arbeitshubes einwirkenden Kraft des Linearantriebes führt.

Insbesondere bei kurzhubigen Ventilen reicht eine derartige Krafterhöhung bereits aus, um den Ventilkolben mit der erforderlichen Dynamik in Richtung eines Arbeitshubes zu bewegen. Dabei kann j e nach Auslegung der Spule und zugehöri gen Stege sowie des Dauermagneten und zugehörigen Polstücke sowi e der Stärke des angelegten Stroms eine auch für größere Ventile ausrei chende Krafterhöhung zur Verfügung gestellt werden. In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung mit unterschiedlicher Ausprägung i st eine Anordnung von zwei oder mehr Spulen vorgesehen, wobei zwischen den Spulen j eweils ein Innensteg und auf den Außenseiten der äußersten Spulen j ewei l s der zugehöri ge Außensteg angeordnet sind. Hierbei ist für die Funktion des Linearantriebs maßgeblich , d ass entweder die Spulen gegensinnig gewi ckelt sind, wenn sie mit dem gleichen Strom beaufschlagt sind, oder dass die Spulen gleichsinnig gewickelt sein müssen, wenn die eine Spul e mit einem positiven Strom und die andere Spule mit einem negativen Strom beaufschlagt wi rd.

Im Rahmen eines derartigen grundsätzl ichen Aufbaus von Stator und Läufer mit einer größeren Anzahl von Spulen und Dauermagneten können die axialen Erstreckungen, d. h. Erstreckungen i n Richtung der Ventilkolben- bzw. Läuferbewegung, von Dauermagneten und Polstücken einerseits und von Außenbzw. Innenstegen und damit der im Statorgehäuse angeordneten Spulen andererseits unterschiedlich ausgelegt sein, und zwar sowohl untereinander als auch zueinander .

So ist in einer ersten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in dem Stator zwei Spulen mit einem zwischen den Spulen angeordneten Innensteg und den j eweil s auf der Außenseite der S pulen angeordneten Außenstegen angeordnet sind.

Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die axiale Erstreckung von zwei Spulen und dem Innensteg des Stators gleich der axialen Erstreckung des Läufers mit einem Dauermagneten und zwei Polstücken ist, wobei entweder die axiale Erstreckung des Innensteges des Stators der axial en Erstreckung des Dauermagneten des Läufers entspricht, so dass in der Ausgangslage des Läufers zwei gleichzeitig auf die Bewegung des Läufers einwirkende und si ch damit addierende Krafterhöhungen ausgebildet sind, oder die axial e Erstre- ckung des Innensteges des Stators kleiner als di e axiale Erstreekung des Permanentmagneten des Läufers ist, so dass sich eine erste Krafterhöhung in der Ausgangslage des Läufers und eine zweite Krafterhöhun g nach Durchschrei ten eines vorgegebenen Ventilhubes ausbilden.

Alternativ zu den vorgenannten Ausführungsbei spielen kann vorgesehen sein , dass die axiale Erstreekung wiederum von zwei Spulen und dem Innensteg des Stators größer als die Erstreekung des Läufers mit einem Dauermagneten und zwei Polstücken ist, wobei der Abstand der an die Spulen angrenzenden Kanten der Außenstege des Stators zu der Ausgangslage des Läufers dem auf das Erreichen einer auf den Verlauf der Strömungskräfte abgestimmten Stellung des Ventilkolbens abgestimmten Ventilhub entspricht, wobei wiederum entweder die axiale Erstreekung des Innensteges des Stators gleich der axialen Erstreekung des Dauermagneten des Läufers ist, so dass sich in der Ausgangslage des Läufers eine erste Krafterhöhung und eine zweite Krafterhöhung nach Durchschreiten des vorgegebenen Ventilhubes ausbilden, oder wobei die axiale Erstreekung des Innensteges des Stators kleiner als die axiale Erstreekung des Dauermagneten des Läufers ist, so dass sich eine erste Krafterhöhung nach Durchschreiten eines anfängl ichen Ventilhubes und eine zweite Krafterhöhung nach Durchschreiten des vorgegebenen Venti lhubes ausbil den.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Läufer aus mindestens zwei Dauermagneten und mindestens drei Polstücken gebildet ist, wobei wenigstens einem Pol stück des Läufers im Stator eine Spule zugeordnet ist. Insgesamt kann ein derarti ger Aufbau durchaus eine größere (beliebige) Anzahl von Dauermagneten und zugehöri gen Polstücken umfassen, wobei j eweils an den äußeren Enden des Läuferaufbaus ein Polstück angeordnet ist. Dabei kann wenigstens einem Polstück des Läufers im Stator nur eine Spule zugeordnet sein. Je nach dem gewünschten Kraft-Weg-Verlauf der Bewegung des Ventilkolbens können aber auch mehrere Spulen j eweils einzelnen Polstücken des Läufers zugeordnet sein.

In wiederum einem dafür geltenden einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass beispielsweise bei einem Läufer mit mehreren Dauermagneten und mehreren Polstücken nur dem mittleren Pol stück eine Spule zugeordnet i st.

Weiterhin erstreckt sich der Erfindungsgedanke beispielhaft darauf, dass der Stator drei Spulen mit zwei zwischen diesen angeordneten Innenstegen und zwei Außenstege aufweist und der Läufer aus einem Stapel von wenigstens zwei Dauermagneten und im Wechsel dazwischen und auf deren Außenseiten angeordneten Pol stücken besteht, wobei zur Ausbildung einer bei Bestromung der Spulen bewirkten Krafterhöhung wenigstens j eweil s eine Ecke eines Polstücks einerseits und eine Ecke eines Innensteges und/oder eines Außensteges andererseits entweder in der Ausgangslage des Läufers oder bei Erreichen eines vorgegebenen Ventilhubes einander gegenüberstehen.

Hierbei können die Innenstege und die Außenstege des Stators jeweils eine gleiche axiale Erstreckung und die Pol stücke des Läufers eine unterschiedliche axiale Erstreckung zueinander aufweisen, wobei die beiden außenliegenden Pol stücke j eweils eine kleinere axiale Erstreckung aufweisen als das zwischen den Dauermagneten gelegene Polstück. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Innenstege und die Außenstege des Stators j eweils eine unterschiedliche axiale Erstreckung und die außenliegenden Polstücke des Läufers eine gleiche axiale Erstreckung aufweisen, die der halben axialen Erstreckung des zwischen den Dauermagneten gelegenen Polstückes entspricht.

In beiden vorgenannten Fällen können entweder die im Stator angeordneten Spulen eine gleiche oder auch eine unterschiedliche Länge aufweisen. Generell kann bei Verwirklichung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Abstände zwischen den im Stator angeordneten Stegen zueinander j ewei l s gleich und die axiale Erstreckung der Polstücke im Läufer verschieden voneinander sind oder dass die Abstände zwischen den im Stator angeordneten Stegen zueinander verschieden voneinander und die axiale Erstreckung al l er Polstücke im Läufer j eweil s gleich sind. Entsprechend können sowohl die Abstände zwischen den im Stator angeordneten Stegen zueinander als auch die axiale Erstreckung der Polstücke im Läufer j eweils untereinander verschieden sein, oder die Abstände zwischen den im Stator angeordneten Stegen zueinander als auc h d ie axiale Erstreckung der Polstücke im Läufer si nd j ewei ls unterei nander gleich.

Soweit d ie Erfindung auf Wegeventile mit einem in beiden Hubrichtungen des Ventils arbeitenden Ventilkolben anwendbar ist, besteht eine Voraussetzung für diese Funktion darin, dass ein symmetrischer Aufbau von Läufer und Stator bezüglich der senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers verlaufenden Symmetrieachse vorgesehen ist, so dass sich entsprechende Krafterhöhungen in den j eweils beiden Bewegungsrichtungen des Läufers bzw. des von diesem angetriebenen Ventilkolbens ergeben.

Die Erfindung ist j edoch auch anwendbar auf als Einsteckventil mit einem in lediglich einer Hubrichtung arbeitenden Ventilkolben ausgebildete Ventile. Soweit dabei nur in einer Bewegungsrichtung des Ventilkolbens eine entsprechende Krafterhöhung bzw. ein Kraftmaximum beizustellen ist, ist vorgesehen, dass ein unsymmetrischer Aufbau von Läufer und Stator bezüglich der senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers verlaufenden Symmetrieachse vorgegeben ist. Schließlich kann vorgesehen sein, dass im Fall von für di e Bewegung des Ventilkolbens erforderlichen sehr großen Betätigungskräften zur Kraftverstärkung und i n der Bewegungsrichtung des Ventilkolbens mehrere j eweils aus Stator und Läufer bestehende Li nearantriebe parallel zueinander angeordnet sind, deren Läufer mit dem Ventilkolben verbunden sind.

Ein erfindungsgemäß aufgebauter Linearantrieb lässt sich bei allen üblichen Ventilbauarten zur Anwendung bringen; insoweit kommt es auf den inneren Aufbau des Hydraulikventil s im Einzelnen nicht an, solange der Läufer des Linearantriebs j eweils mit dem Ventilkolben des Hydraul ikventils verbunden ist. Soweit die Funktion des erfindungsgemäß aufgebauten Linearantriebs j eweils auf eine Ausgangslage des Läufers und damit des Ventilkolbens abstellt, in welcher zur Ausführung eines Arbeitshubes des Ventilkolbens die Bestromung der wenigstens einen Spule des Linearantriebes erfolgt, kann diese Ausgangslage nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine im stromlosen Zustand des Linearantriebs automatisch herbeigeführte Einstellung der Lage des Ventilkolbens herbeigeführt sein. Hierzu kann der Ventilkolben, wie im gattungsbildenden Stand der Technik beschrieben, durch ihn beidseiti g beaufschlagende Federn in der einer Mittenstellung entsprechenden Ausgangslage gehalten sein, wie dies bei Wegeventilen übl ich ist. Es sind aber auch andere Ausgangslagen für den Ventilkolben denkbar, zum Bei spiel bei 2/2-Wege-Ventilen (z. B . Cartri dge-Ventilen), bei denen der Ventilkolben j eweils nur zwischen zwei Endstellungen verfahren wird.

Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die insbesondere bei stromlosen Zustand des Li nearantriebs eingeste llte Ausgangslage des Ventilkolbens der geschlossenen Stellung des Ventil s entsprechen oder alternativ auch einer Arbeitsstellung des Ventilkolbens mit offen gehaltenen Verbindungswegen zwischen Gehäuseanschlüssen des Venti l s. ΐη der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben, wel che nachstehend beschrieben sind. Es zeigen: ein als Wegeventil ausgebildetes Hydraulikventil einschließlich eines Linearantriebes für dessen Ventilkolben in einer schematischen, geschnittenen Seitenansicht,

Fig. 2a ein erstes Ausführungsbeispiel des Linearantriebes mit einem eine

Spule mit zwei Außenstegen aufweisenden Stator sowie einem aus einem Dauermagneten und zwei dazu benachbarten Polstücken bestehenden Läu fer in einer schematischen Darstellung in der Ausgangslage des Läufers,

Fig . 2b den Gegenstand der Fi gur 2a nach Ausführung eines läuferseitigen

Hubes„a",

Fig. 2c-e die Ausbildung der Feldlinien bei dem in Figur 2a dargestellten

Ausführungsbeispiel mit

Fig . 2c den von der bestromten Spule ausgehenden Feldlinien ohne Berücksichtigung des vom Dauermagneten erzeugten Feldes,

Fig. 2d den vom Dauermagneten ausgehenden Feldlinien ohne Berücksichtigung eines vom Spulenstrom erzeugten Feldes,

Fi g. 2e den sich überlagernden Feldlinien von Dauermagnet und Spulenstrom,

Fig. 2f die Ausbildung der Feldlinien bei der in Figur 2b dargestellten

Stellung des Läufers, Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel des hi er symmetrisch aufgebauten Li nearantriebes mit einem zwei Spulen, einen Innensteg und zwei Außenstege umfassenden Stator sowie einem aus einem Dauermagneten und zwei dazu benachbarten Pol stücken bestehenden Läufer in einer Figuren 2a, b entsprechenden Darstel lung, wobei

Fig. 3 a die Stellung des Läufers in der Ausgangslage zeigt,

Fi g. 3 b die Stellung des Läufers nach Durchschreiten eines Hubes ,,+a" in der einen Bewegungsrichtung des Läufers zei gt,

Fig. 3 c im Anschluss an den Rückhub die erneute Stellung des Läufers in der Ausgangslage zei gt,

Fig. 3 d die Stellung des Läufers nach Durchschreiten eines Hubes ,,-a" in der anderen Bewegungsrichtung des Läufers zeigt,

Fi g. 3 e ein Kraft-Hub-Di agramm für einen bei einem Linearantrieb gemäß

Figuren 3 a - d auftretenden Kraftverlauf,

Fig. 4a-c ein weiteres Ausführungsbeispiel des Li nearantriebs in mit den

Figuren 3 a, b sowie e übereinstimmenden Darstellungen,

Fig. 5 a-e ein weiteres Ausführungsbeispiel des Linearantriebs in mit den

Figuren 3 a - e übereinstimmenden Darstellungen,

Fi g. 6a-c ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 a-d abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Linearantriebes, Fig . 7a, b einen unsymmetrischen Aufbau von Läufer bzw. Stator aufwei sende Linearantriebe,

Fig . 8 a-d weitere Ausführungsbeispiele von Linearantrieben mit einem drei

Spulen aufweisenden Stator und einem zwei Dauermagneten aufwei senden Läufer,

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem drei Spulen aufweisenden Stator sowie einem vier Dauermagnete mit fünf Polstücken aufweisenden Läufer.

Soweit in Figur 1 als Beispiel für die Anwendung eines erfindungsgemäßen Linearantriebes ein als Wegeventil mit einem in beiden Hubrichtungen arbeitenden Ventilkolben ausgebildetes Hydraulikventil dargestellt ist, kommt es auf den Aufbau des Hydraulikventil s in seinen Einzelheiten nicht an. Das beispielhaft aus Figur 1 ersichtliche Ventilgehäuse 1 0 weist vier Gehäuseanschlüsse T - A - P - B auf, wobei ein fünfter, dem Anschluss B benachbarter Anschluss T mittels einer im Ventilgehäuse 1 0 ausgebildeten Tankbrücke 1 1 mit dem Gehäuseanschl uss T verbunden ist. In dem Ventilgehäuse 10 ist eine Gehäusebohrung 1 2 ausgebi ldet, in der ein Ventilkolben 13 längsverschiebbar angeordnet ist. Der Ventilkolben 1 3 hat zwei Kolbenbunde 1 4, die in der in Figur 1 dargestellten geschlossenen Stellung des Ventilkolbens die Verbraucheranschlüsse A und B j eweils sperren. Der Ventilkolben 1 3 weist an seinen beiden äußeren Enden j eweils einen gestuften Fortsatz 1 5 auf, der in einer in die Gehäusebohrung 12 von außen eingesetzten Dichthülse 1 6 aufgenommen ist. Die entsprechenden Stirnseiten des Ventilgehäuses 10 sind über außen aufgesetzte Gehäusedeckel 1 7 verschlossen, so dass dadurch die Dichthülsen 1 6 j eweils in der Gehäusebohrung 1 2 fixiert sind. Um auch ohne Einwirken eines noch zu beschreibenden Antriebs für den Ventilkolben 1 3 eine definierte Ausgangslage für den Ventilkolben 13 einzurichten, wirken beidseitig Zentrierfedern 18 auf den Ventilkolben 13 ein, die den Ventilkolben 13 in seiner, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Schließstellung des Ventils entsprechenden Mittenstellung zentrieren.

Zum Direktantrieb des Ventilkolbens 13 ist an einer Seite des Ventilgehäuses 10 ein gehäuseartig ausgebildeter und aus einem magnetisch leitfähigen Material bestehender Stator 21 angeordnet und fest mit dem Ventilgehäuse 10 verbunden. In dem vom Stator 21 ringförmig umschlossenen Raum ist ein Läufer 22 angeordnet, der über eine Verbindungsstange 29 mit dem zugeordneten Ende des Ventilkolbens 13 verbunden ist, so dass die Linearbewegung des Läufers 22 in eine Verschiebung des Ventilkolbens 13 in der Gehäusebohrung 12 des Ventilgehäuses 10 umgesetzt wird.

Im Einzelnen sind bei dem in Figur 1 lediglich beispielhaft dargestellten Linearantrieb 20 in dem Stator 21 zwei Spulen 23 angeordnet, zwischen denen ein Innensteg 24 gebildet ist, wobei auf den beiden Außenseiten der beiden Spulen 23 jeweils ein Außensteg 25 ausgebildet ist. Der Läufer 22 besteht aus einem Dauermagneten 26, an dessen beiden äußeren Seiten jeweils ein aus einem magnetisch leitfähigen Material bestehendes Polstück 27 angeordnet ist. Der Läufer 22 ist von dem Stator 21 durch einen Luftspalt 28 getrennt. Die Funktion des in Figur 1 nur beispielhaft dargestellten Linearantriebes wird im Rahmen einer detaillierteren Darstellung in einer nachfolgenden Zeichnungsfigur später erläutert.

In Figuren 2a bis 2f ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Linearantriebes mit einem eine Spule 23 mit zwei Außenstegen 25 aufweisenden Stator 21 sowie einem aus einem Dauermagneten 26 und zwei dazu benachbarten Polstücken 27 bestehenden Läufer 22 dargestellt und erläutert, wobei die dargestellte Anordnung nur einen als Arbeitshub anzusprechenden Ventilhub„a" in einer Richtung beschreibt. Wie sich dazu im Einzelnen aus Figur 2a ergibt, weist der Stator 2 1 eine Spule 23 mit j ewei ls außenliegenden Außenstegen 25 auf; der Läufer 22 besteht aus einem Dauermagneten 26 und zwei dazu benachbart angeordneten Pol stücken 27. Die Spule 23 weist dabei die gleiche Breite wie das in Bewegungsri chtung gelegene Polstück 27 auf, wobei die Ausgangslage des Ventilkolbens bzw. des Linearantriebes 20 dadurch definiert ist, dass der Läufer 22 mit seinem in die Bewegungsrichtung weisenden Polstück 27 vor der Spule 23 des Stators 2 1 steht. In dieser Ausgangsl age ergeben sich die mi t„A" bezeichnete Ecke des Po lstückes 27 einerseits und die als zu gehörige Ecke mit ,,Α ' " bezüglich der Spule 23 benachbarte Ecke des Außensteges 25 andererseits. Diese Ecken A , A ' erfüllen di e Bedingung, dass sich die Ecken A, A' mit der geringsten Übergangsfl äche gegenüberstehen und dass an di eser Stel le im Luftspalt die Magnetfelder von Dauermagnet 26 und von einem positiven Strom „I" durchflossener Spule 23 gleichgerichtet und verdichtet sind, wobei letzteres unter B ezugnahme auf die Figuren 2c bis 2e erläutert wird. Dabei zei gt Figur 2c die von der bestromten Spule 23 ausgehenden Feldlinien ohne Berücksichtigung eines vom Dauermagneten erzeugten Feldes, während Figur 2d di e vom Dauermagneten ausgehenden Feldlinien ohne Berücksichtigung eines vom Spulenstrom erzeugten Feldes zeigt. Figur 2e schließlich zeigt die Verdichtung der sich überlagernden Feldlinien von Dauermagnet 26 und strom- durchflossener Spule 23 im Bereich der Ecken A, A ' , di e zu der gewünschten Krafterhöhung führt. Für den vom Ventilkolben auszuführenden Ventilhub bedeutet dies, dass der Läufer 22 mit entsprechend hoher Kraft aus seiner Ausgangslage herausfährt und den Ventilkolben mit der gewünschten Dynam ik und unter Überwindung der im Ausführun gsbei spiel entgegenwirkenden Strömungs- und Federkräfte antreibt. Wie sich ergänzend aus Figur 2b ergibt, kommt es nach Erreichen eines Hubes „a" nochmals zu einem Aufeinandertreffen der vorderen Ecke„B"' des der Bewegung des Läufers 22 abgewandten Polstückes 27 mit der unteren Ecke „B" des unteren Außensteges 25 des Stators 21, wobei der gesamte Feldlinienverlauf dazu in Figur 2f wiedergegeben ist. Es ist erkennbar, dass die eine Krafterhöhung bewirkende Feldverdichtung im Bereich der Ecken B, B' allein durch das Aufeinandertreffen von Eisen auf Eisen bewirkt ist, da kein Spulenstrom beteiligt ist. Dies bedeutet, dass nach Durchschreiten des Hubes „a" nochmals eine Erhöhung der sich über den Hub wieder abbauenden Anfangskraft stattfindet, so dass der Kraft-Hub-Verlauf der bei Öffnung eines Ventils eintretenden Kennlinie entspricht. Dabei kann der Hub„a" das Ende des Ventilhubes darstellen; es ist aber auch möglich, dass der gesamte Ventilhub größer als der Hub„a" ist, so dass die eingestellte Krafterhöhung während des Gesamthubes des Ventilkolbens zum Tragen kommt.

Soweit nach Ausführung des Ventilhubes„a" der Läufer 22 einschließlich des daran gekoppelten Ventilkolbens 13 wieder in die Ausgangslage (Fig.2a) zurückkehren soll, kann nach Abschalten des positiven Stroms„I" die Rückstellung des Läufers 22 entweder ausschließlich durch die auf den Ventilkolben 13 einwirkende Feder (entsprechend der bei in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel angeordneten Zentrierfeder 18) erfolgen oder durch die Bestro- mung der Spule 23 mit einem negativen Strom, wodurch ebenfalls die Hubrichtung des Läufers 22 umgekehrt und dessen Bewegung in die Ausgangslage gegebenenfalls durch die vorhandene Feder unterstützt wird.

Bei dem in Figuren 3a - d dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Linearantrieb 20 einen symmetrischen Aufbau hinsichtlich einer in dessen Ausgangslage durch den Läufer 22 bezüglich der senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers verlaufenden Symmetrieachse auf, so dass der in den Figuren 3a - d dargestellte Linearantrieb 20 für ein Wegeventil mit einem in bei- den Hubrichtungen arbeitenden Ventilkolben zu nutzen ist. Im Einzelnen wei st der Stator 21 zwei Spulen 23 mit einem dazwischen liegenden Innensteg 24 und zwei außenliegenden Außenstegen 25 auf. Der Läufer besteht wiederum aus einem Permanentmagneten 26 und zwei außenliegenden Polstücken 27. Weiterhin ist für dieses Ausführungsbeispiel kennzeichnend, dass die axiale Erstreckung des gesamten Läufers 22 der axialen Erstreckung der beiden Spul en 23 einschließlich des Innensteges 24 entspricht, wobei die Erstreckung des Innensteges 24 mit der Erstreckung des Dauermagneten 26 und di e Erstreckung der Spulen 23 mit der j eweiligen Erstreckung der Polstücke 27 übereinstimmen.

Wie sich aus der der Darstellung gemäß Figur 2a entsprechenden Figur 3 a ergi bt, stehen sich in der Ausgangslage des Läufers 22 bei den beiden Polstücken 27 und den Außenstegen 25 gleichzeitig j eweils Ecken A, A ' sowi e B , B' gegenüber, so dass bei Bestromung der Spulen 23 des Stators 21 zwei sich addierende Krafterhöhungen wirksam si nd. Hierzu wird die in Bewegungsrichtung des Läufers 22 gelegene obere Spule 23 mit einem po sitiven Strom +1 beaufschlagt, so dass die Magnetfelder von Dauermagnet 26 und

oberer Spule 23 gleichgerichtet sind; entsprechend wird die andere, untere Spule 23 mit einem negativen Strom -I beaufschl agt. Somit steht eine entsprechend hohe Kraft für die Bewegung des Ventilkolbens aus dessen

Schließstellung zur Verfügung, und es wirkt eine entsprechend große Dynamik auf den Ventilkolben ein. Soweit sich aus Figur 3b ergibt, dass im Berei ch des Hubes„+a" keine weitere Krafterhöhung eintritt, ist der entsprechend aufgebaute Linearantrieb 20 nur für kurzhubige Ventile einsetzbar. Soweit nach Durchschreiten des Hubes„+a" der Läufer 22 entsprechend Figur 3 c in di e Ausgangslage zurückgekehrt ist, erfolgt nun eine umgekehrte

Bestromung der Spulen 23 , indem die untere Spule 23 mit dem Strom +1 und die obere Spule 23 mit dem Strom -I bestromt wird. Entsprechend ergeben sich in dieser Ausgangslage des Läufers 22 einander gegenüberstehende Ecken C, C sowie D , D ' , die bei Bestromung wiederum im Hinbl i ck auf den sich aus Figur 3 d ergebenden Hub ,,-a" in der anderen Bewegungsrichtung des Ventilkolbens für eine doppelt wirksame Krafterhöhung sorgen. Hierzu ist in Figur 3 e das entsprechende Kraft-Hub-Diagramm mit dem Hubverlauf beim Öffnen bzw. Schli eßen des Ventils in den beiden Ventilrichtungen dargestellt.

Das in Fi guren 4a - c dargestellte Ventil unterscheidet sich von dem vorstehend beschri ebenen Ventil dadurch, dass bei einer weiterhin gegebenen glei chen Erstreckung von Läufer 22 einerseits sowie Spulen 23 mit Innensteg 24 andererseits nun die Erstreckun g der Spulen 23 größer ist als die Erstreckung der Polstücke 27, so dass die Erstreckung des Innensteges 24 kleiner als die Erstreckung des Dauermagneten 26 ist. Dies führt dazu, dass in der in Fi gur 4a dargestellten Ausgangsl age des Läufers 22 die im Bereich des oberen Polstücks 27 bzw. des oberen Außensteges 25 einander gegenüberstehenden E- cken A, A' bei Bestromung zu einer zu Beginn des Hubes wirksamen Krafterhöhung führen, während nach Durchschreiten eines geringen Hubes„a" nun die Ecken B , B ' von unterem Polstück 27 und Innensteg 24 in die eine entsprechende Krafterhöhung bewirkende Stellung zuei nander gebracht werden, so dass nunmehr während des Gesamthubes des Läufers 22 eine zusätzliche Krafterhöhung eintritt. Wie sich dazu aus Figur 4c im Vergleich mit Figur 3 e ergibt, führt dies zu einer Verbreiterung des gewünschten Kraftverlaufs während des operativen Hubes„a", so dass ein derart aufgebauter Linearantrieb 20 auch für Ventile mit einem etwas größeren Hub einsetzbar ist.

Bei dem i n Figuren 5 a - d dargestellten Ausführungsbei spiel eines Linearantriebes 20 ist nun die Erstreckung der beiden Spulen 23 mit Innensteg 24 des Stators 2 1 größer al s die Erstreckung des Läufers 22 mit Dauermagnet 26 und Polstücken 27 , so dass die beiden Außenstege 25 des Stators 2 1 in der Ausgangslage des Läufers 22 weiter nach außen gerückt sind . Dabei i st in Übereinstimmung mit dem zu Figuren 3 a - d beschriebenen Ausführungsbeispiel eine mit der Erstreckung des Dauermagneten 26 übereinstimmende Erstre- ckung des Innensteges 24 beibehalten. Dies hat zur Folge, dass in der Ausgangslage des Läufers 22 gemäß Figur 5 a die dauermagnetseitige Ecke B des der Bewegungsrichtung des Läufers 22 abgewandten Polstücks 27 vor der der unteren Spule 23 zugewandten Ecke B ' des Innensteges 24 steht, so dass in dieser Ausgangslage bei Bestromung der Spulen 23 eine Krafterhöhung eintritt. Hierbei wird wiederum die obere Spule 23 mit einem Strom +1 und die untere Spule mit einem Strom -I beaufschlagt. Hat der Läufer 22 einen Hub „+a" entsprechend Figur 5b ausgeführt, kommt die in Bewegungsrichtung vordere Ecke A des vorderen Polstücks 27 vor der spulenseitigen Ecke A' des in Bewegungsrichtung des Läufers gelegenen Außensteges 25 des Stators 2 1 zu li egen, so dass bei Erreichen des Hubes„+a" eine erneute Erhöhung der bereits über den durchgeführten Hub„+a" abgeflauten Kraft wirksam wird.

Entsprechendes gilt auch für den Hub ,,-a" in der anderen Bewegungsrichtung, wobei in der Ausgangslage des Läufers 22 die in Figur 5c dargestellten Ecken C , C von Polstück 27 und Innensteg 24 und bei Erreichen des Hubes ,,-a" die Ecken D, D ' von Polstück 27 und Außensteg 25 im Sinne einer Erhöhung des Kraftverlaufes voreinander zu liegen kommen. Dabei zeigt Figur 5 e den Kraft-Hub-Verlauf über den operativen Hub, woraus ersichtlich ist, dass auch bei einem langhubigeren Ventil ein ausreichendes Kraftniveau zur Verfügung gestellt wird.

Auch das in Figuren 6a - c dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich besonders für Ventile mit einem langen Ventilhub. In Abwandlung zu dem zu Figuren 5a - d beschriebenen Ausführungsbeispiel verhält es sich so, dass bei sonst gleichen Vorgaben nun der Innensteg 24 in seiner Erstreckung kleiner bemessen ist als die Erstreckung des Dauermagneten 26 des Läufers 22. Dies führt dazu, dass entsprechend Fi gur 6a in der Ausgangsl age des Läufers 22 keine Krafterhöhung zu verzeichnen i st, weil keine maßgeblichen Ecken von Stegen bzw. Polstücken einander gegenüberstehen. Hat der Läufer 22 j edoch einen geringen anfänglichen Hub ,,+a" entsprechend Figur 6b durchschritten , so kommt es zu einem Gegenüberstehen der Ecke B des unteren Polstücks 27 mit der unteren Ecke B ' des Innensteges 24, womit zu diesem Zeitpunkt eine erste Krafterhöhung eintritt. Im Verlauf eines weiteren Hubes des Läufers 22 bei dem langhubig ausgelegten Ventil kommt entsprechend Figur 6c nunmehr die Ecke A des oberen Polstücks 27 vor der spulenseitigen Ecke A ' des oberen Außensteges 25 des Stators 2 1 zu liegen, so dass bei Erreichen des Hubes „+b" eine weitere Krafterhöhung eintritt. Somit kann auch über einen längeren Ventilhub ein ausreichendes Kraftniveau zur Verfügung gestellt werden.

Soweit bei den vorstehend zu Figuren 3 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispielen des Linearantriebs 20 j eweil s eine Symmetrie des Aufbaus von Läufer

22 und Stator 21 zu verzeichnen ist, sind die entsprechenden Linearantriebe für den Betrieb von Wegeventilen geeignet, wie beschrieben. Wird in der Ausbildung von Läufer und/oder Stator j edoch eine unsymmetrische Anordnung von Polstücken und/oder Innen- bzw. Außenstegen gewählt, so führt dies zum Auftreten von entsprechenden Krafterhöhungen in nur einer Bewegungsrichtung des Läufers, so dass sich derarti ge Linearantriebe 20 zum Einsatz mit Einsteckventilen eignen, bei denen nur eine Bewegungsrichtung des Ventilkol bens maßgeblich i st.

Hierfür geben die Fi guren 7a und 7b j eweils ein Beispiel . In Figur 7a ist die durch den Dauermagneten 26 verlaufenden Mittenlinie 35 des Läufers 22 gegenüber der durch den Innensteg 24 verlaufenden Mittenlinie 36 des Stators 21 in die Bewegungsrichtung des Läufers 22 um einen Betrag versetzt, so dass sich entsprechend den bisherigen ausführlichen Erläuterungen bereits in der Ausgangslage des Läufers 22 bei entsprechender Bestromung der Spulen

23 des Stators 21 eine Krafterhöhung einstellt. Bei dem in Figur 7b dargestel lten Ausführungsbeispiel dagegen i st die Mittenlinie 36 des Stators 2 1 i n die Bewegungsrichtung des Läufers 22 um ei nen Betrag gegenüber der Mittenlini e 3 5 des Läufers 22 versetzt, so dass sich in diesem Fall eine entsprechende Krafterhöhung nach Durchschreiten des Hubes„+a" ergibt.

Auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele l ässt sich der erfindungsgemäße Aufbau auch mit einer größeren Anzahl von Spulen 23 und dadurch gebi l deten Innenstegen 24 einerseits und/oder mit einer größeren Anzahl von Dauermagneten 26 und Pol stücken 27 andererseits verwirkl ichen. Hierbei können die axialen Erstreckungen von Polstücken und/oder Dauermagneten 26 sowie von durch die Länge der Spulen 23 im Stator 21 vorgegebenen Innenstegen 24 und Außenstegen 25 variieren. Dabei gilt, dass ein gleichzeitiges Voreinanderstehen von j eweils zwei Ecken von Läufer 22 und Stator 21 an unterschiedlichen Positionen zu einer Kraftverstärkung in der j eweiligen Stellung des Läufers bzw. des daran angeschlossenen Venti lkolbens führt, während ein Nacheinander über einen Hub des Läufers 22 bzw. des Ventilkolbens erfolgendes Voreinanderstehen von j eweils zwei Ecken von Läufer und Stator zu einer Vergrößerung des Hubes mit einem ausreichend hohen Kraftaufwand führt.

Dies sei beispielhaft anhand der in Figuren 8a - d schemati sch dargestellten Ausführungsbeispiele verdeutl icht. Hierbei sind j eweils im Stator 2 1 drei Spulen 23 angeordnet, woraus sich zwei Innenstege 24 und zwei Außenstege 25 ergeben. Die einzelnen Ausführungsbeispiele nach Figuren 8a - d unterscheiden si ch ersichtlich in der Erstreckung der j eweiligen Stege 24, 25 , wobei der Aufbau des Läufers 22 mit zwei Dauermagneten 26, einem inneren Polstück 27 und zwei äußeren Polstücken 27 unverändert gehalten ist. Mit einem derartigen Aufbau sind auch über einen längeren Ventilhub ausreichende Kraftniveaus zu erzielen, weil neben einer in der Ausgangslage des Läufers 22 durch die j eweils einander gegenüberstehenden Ecken von Polstücken 27 und Stegen 24, 25 entlang der Linie B - B ' in Figur 8 a bzw. C - C in Figuren 8b - d erreichten Krafterhöhung über den Hub des Läufers 22 zwei weitere Krafterhöhungen wirksam werden, nämlich entlang der Linien C - C und A - A ' in Figur 8 a bzw. B - B ' sowie A - A' in Fi guren 8b - d. Ergänzend dazu versteht es sich im S inne des erfindungsgemäßen Prinzips, dass auch di e Erstreckung der Dauermagneten 26 sowie der zugeordneten Polstücke 27 abgewandelt sei n kann. Insofern hän gt die Auslegung der Bauteile von Läufer 22 und Stator 21 im Einzelnen von dem j eweils zu überwindenden, dem Hub des Ventilkolbens entgegenwirkenden Kräften ab .

Schließlich i st in Fi gur 9 noch ein Ausführungsbeispiel für einen gegenüber den Ausführungsbeispielen nach Figuren 8a - d erweiterten Aufbau des Läufers 22 wiedergegeben. Während der Stator 2 1 unverändert drei Spulen 23 umfasst, wei st der Läufer 22 nunmehr vier Dauermagneten 26 und daraus folgend fünf Polstücke 27 auf, wobei die Breite der Polstücke 27 ausgehend von dem innersten, mittleren Polstück 27 j eweils nach außen hin abnimmt. Auch hierbei ergibt sich beim Verfahren des Läufers 22 gegenüber dem Stator 21 das Auftreten von mehreren aufeinander folgenden Krafterhöhungen. Soweit Figur 9 einen j eweils symmetrischen Aufbau von Läufer 22 und Stator 2 1 zeigt, so dass dieser Linearantrieb 20 für ein Wegeventil geeignet ist, lässt sich ein derartiger Li nearantrieb in einfacher Weise auch für ein Einsteckventil verwenden, indem beispiel sweise das in Richtung des Hubes„+a" unterste äußere Polstück 27 weggelassen wird, sodass sich ein unsymmetrischer Aufbau des Läufers ergibt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammen fassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.