MAGNETVENTIL-EINRICHTUNG FÜR EIN FLUIDSYSTEM UND VERFAHREN ZUM SCHALTEN EINES MAGNETVENTILS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Magnetventil-Einrichtung mit einem bistabilen Magnetventil für ein Fluidsystem, insbesondere ein Druckluftsystem in einem Fahrzeug, und ein Verfahren zum Schalten eines bistabilen Magnetventils.

[0002] Als bistabiles Magnetventil kann insbesondere ein 3/2-Wegeventil vorgesehen sein, das einen ersten Druckausgang in einer ersten Stellung bzw. ersten Ankerstellung an einen zweiten Druckausgang legt, um eine Druckausgangsleitung zu entlüften bzw. mit Atmosphäre zu verbinden; hierbei ist ein Druckeingang gesperrt. In einer zweiten Stellung wird der Druckeingang mit dem ersten Druckausgang verbunden, z. B. zur pneumatischen Versorgung einer Druckluft-Bremse. Der zweite Druckausgang ist hierbei gesperrt.

[0003] Somit sind durch das Magnetventil zwei Stellungen ausbildbar. Bei einem bistabilen Magnetventil werden beide Stellungen im stromlosen Zustand durch eine Permanentmagnet-Einrichtung sicher gehalten, wobei eine Elektromagneteinrichtung für die Schaltvorgänge vorgesehen ist.

[0004] Die DE 37 30 381 A1 zeigt ein derartiges bistabiles Magnetventil, das in beiden Stellungen eine Dauermagnet-Haltekraft ermöglicht. Hierbei ist ein Anker mit zwei zu seinen axialen Enden hin ausgebildeten Dichtmitteln axial verschiebbar und stößt in seinen beiden Stellungen an einen ersten Endkern oder zweiten Endkern, wobei er in jeder der Stellungen mit seinem jeweiligen Dichtmittel an dem jeweiligen Endkern einen Fluiddurchlass verschließt. Ein Dauermagnet ist vorgesehen, um ein magnetisches Feld über ein äußeres magnetisches Joch und die Endkerne zu dem Anker hin zu schließen. Je nach Ausbildung des Luftspaltes ist ein erstes Permanentmagnetfeld über den ersten Kern oder ein zweites Permanentmagnetfeld über den zweiten Kern stärker oder schwächer als das jeweils andere Permanentmagnetfeld. Zum Umschalten der stabilen Stellungen wird entweder eine erste Spule oder eine zweite Spule bestromt, die jeweils eines der beiden Permanentmagnetfelder soweit verstärkt, dass es trotz der Ausbildung des Luftspaltes die Magnethaltekraft des anderen Permanentmagnetfeldes übersteigt und somit ein Umschalten in die andere stabile Endstellung ermöglicht.

[0005] Zur Ausbildung der Elektromagnetfelder ist jedoch eine hohe Anzahl Amperewindungen erforderlich, so dass großdimensionierte Spulen mit erheblichen Herstellungskosten erforderlich sind und die Schaltgeschwindigkeit begrenzt ist.

[0006] Die US 7,483,254 B1 zeigt eine Steuerschaltung für eine bistabile Permanentmagneteinrichtung, bei der eine Ansteuerung über gepulste Signale, insbesondere mit RC-Gliedern erfolgt.

[0007] Die EP 0 328 194 A1 beschreibt einen bistabilen Ventil-Mechanismus mit einer Federvorspannung, die durch Bestromung überwunden werden kann.

Einschub zum Stand der Technik

[0008] EP 1 331 426 A2 offenbart einen impulsbetriebenen Elektromagnet, insbesondere für ein Magnetventil, enthält eine Spule der zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Magnetkreis, der einen magnetisch leitenden Hauptkern, ein magnetisch leitendes Kernstück und einen mit dem Kernstück zusammenwirkenden Anker aufweist. Ferner enthält der Elektromagnet einen lösbar befestigten Dauermagneten, dessen Magnetfeld dem der Spule zumindest teilweise überlagert ist.

[0009] Um den Elektromagneten ohne aufwendigen Umbau mit oder ohne Dauermagneten zu betreiben, ist der Dauermagnet außerhalb des Magnetkreises angeordnet.

[0010] DE 26 50 810 A1 offenbart ein Magnetventil mit einer Einrichtung zum permanentmagnetischen Arretieren in einer ersten Stellung und einer Anordnung zum elektromagnetischen Umsteuern von der ersten in eine andere Stellung.

[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetventil-Einrichtung und ein Verfahren zum Schalten eines bistabiles Magnetventils zu schaffen, die bei geringem Aufwand eine sichere und schnelle Umschaltung zwischen seinen Stellungen ermöglichen.

[0012] Diese Aufgabe wird durch eine Magnetventil-Einrichtung und ein Verfahren geeignet zum Schalten bzw. zur Ansteuerung des Magnetventils nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung der Magnetventil- Einrichtung erfolgen.

[0013] Die Magnetventil-Einrichtung weist hierbei das bistabile Magnetventil, eine Schaltungsanordnung und eine Steuereinrichtung auf.

[0014] Somit erfolgt eine teilweise oder vollständige Kompensation des den Anker haltenden Permanent-Magnetfeldes durch ein kompensierendes Elektromagnetfeld der Elektromagneteinrichtung, die auch zum Schalten vorgesehen ist. Der zur Kompensation in die Elektromagneteinrichtung eingegebene kompensierende Strom ist entgegen gesetzt zu dem Strom, der zum Schalten in die Elektromagneteinrichtung eingegeben wird, so dass das schaltende Elektromagnetfeld dem kompensierenden entgegen gesetzt ist.

[0015] Der kompensierende Strom wird hierbei vorzugsweise mit zeitlicher Veränderung eingegeben, insbesondere mit einem zeitlichem Anstieg, z. B. über eine Rampe. Hierbei ist z. B. ein kontinuierlicher Anstieg von Null auf einen maximalen Stromwert möglich. Alternativ oder ergänzend ist auch ein Sprung auf einen mittleren Stromwert möglich, z. B. nach einer ersten Zeitspanne. So kann ein maximaler Stromwert durch Sprünge und/oder einen kontinuierlichen Anstieg, z. B. als zeitliche Rampe, eingestellt werden.

[0016] Erfindungsgemäß wird erkannt, dass durch die kompensierende Bestromung der Rückstell-Schaltvorgang verbessert werden kann. Durch die zumindest teilweise Kompensation wird somit die magnetische Haltekraft des haltenden Permanentmagnetfeldes bereits verringert, und das schaltende Elektromagnetfeld kann bezüglich seiner magnetischen Feldstärke bzw. der Ausbildung an Amperewindungen kleiner dimensioniert werden, um den Schaltvorgang durch Verstärkung des zweiten Permanentmagnetfeldes zu ermöglichen.

[0017] Somit ist ohne apparativen Mehraufwand bzw. mit geringem Schaltungs-Mehraufwand für z. B. eine Brückenschaltung eine zusätzliche Nutzung einer bereits zum Schalten eingesetzten Elektromagneteinrichtung, z. B. Spule, möglich.

[0018] Erfindungsgemäß wird vorzugsweise weiterhin erkannt, dass die ergänzende Ausbildung eines kompensierenden Elektromagnetfeldes je nach Dynamik und Stellung des Ankers auch problematisch sein kann, da die jeweilige Rückstellkraft begrenzt ist und das zur Kompensation dienende "kompensierende" Elektromagnetfeld aufgrund des fehlenden Luftspaltes zum haltenden Anker schnell groß werden kann. So kann z. B. bei zu schneller oder zu starker Bestromung das kompensierende erste Elektromagnetfeld (bzw. der Elektromagnetfluss) ggf. so groß werden, das es das Permanent-Magnetfeld nicht nur kompensiert, sondern so stark überkompensiert, dass sich ein Gesamt-Magnetfeld ergibt, dass vom Betrag her größer ist als die Rückstellkraft.

[0019] Um eine derartige Überkompensation und somit einen fehlenden Schaltvorgang zu vermeiden, ist vorzugsweise eine zeitlich veränderliche Bestromung der kompensierenden Elektromagneteinrichtung bzw. Spule vorgesehen, insbesondere mit zeitlichem Anstieg innerhalb einer Anstiegszeit. Dies kann z. B. durch eine zeitliche Ansteuerung erfolgen, bei der der Strom nicht sofort auf seinen Maximalwert gefahren wird, sondern über eine Einschaltrampe hochgefahren wird, die eine mechanische Verstellung des Ankers ermöglicht, d. h. z. B. in einem Zeitraum oberhalb von 10 ms, z. B. in einem Zeitraum von 100 ms. Somit kompensiert das Elektromagnetfeld in der Einschaltrampe zunächst das Luftspalt-lose haltende Permanentmagnetfeld, bis die Rückstellkraft die haltende Kraft überwunden hat und ein Luftspalt zwischen Anker und haltendem Kern gebildet ist, der das haltenden Permanentmagnetfeld abschwächt. Somit kann der Anker in gewünschter Weise in die andere Schaltstellung gezogen werden, bevor das erste Permanentmagnetfeld überkompensiert wird.

[0020] Die Rückstell-Einrichtung zur Ausbildung der Rückstellkraft, d.h. zur Rückstellung des Ankers in dessen erste Ankerstellung, kann gemäß einer nicht-beanspruchten Ausführungsform eine mechanische Federeinrichtung sein, z. B. eine Schraubenfeder, die somit zwischen ihren Zuständen "gespannt" und "nicht gespannt" geschaltet wird.

[0021] Die Rückstell-Einrichtung wird durch eine Elektromagneteinrichtung ausgebildet. Für einen Schaltvorgang wird somit die Elektromagneteinrichtung an der schaltenden Seite, an der der axiale Luftspalt zwischen dem Kern und dem Anker vorgesehen ist, mit einem schaltenden Strom bestromt, um das aufgrund des Luftspalts geringere Permanentmagnetfeld bzw. den geringeren Permanentfluss zu unterstützen.

[0022] Das erste Elektromagnetfeld und erste Permanentmagnetfeld bilden somit ein erstes Gesamt-Magnetfeld, entsprechend bilden das zweite Elektromagnetfeld und zweite Permanentmagnetfeld somit ein zweites Gesamt-Magnetfeld.

[0023] Bei der Ausführungsform mit zwei Elektromagneteinrichtungen ist insbesondere auch eine symmetrische Ausbildung des Magnetventils bezüglich Anker, Permanentmagnet und den beiden Elektromagneteinrichtungen möglich, mit einer spezifischen, z. B. unsymmetrischen Ventil-Ausbildung. Hierbei können die Ströme durch die beiden Elektromagneteinrichtungen kombiniert angesteuert werden, z. B. als Reihenschaltung oder Parallelschaltung der beiden Elektromagneteinrichtungen. Somit können der schaltende Strom der einen Elektromagneteinrichtung und der kompensierende Strom der anderen Elektromagneteinrichtung zusammen ausgebildet und eingesteuert werden. Somit können die Spulen für jeden Schaltvorgang gemeinsam geschaltet werden, wobei die Stromrichtungen für die jeweiligen Schaltvorgänge entsprechend umgepolt werden, so dass jeweils ein Elektromagnetfeld als kompensierend, d.h. zur Kompensation des stärkeren Permanentmagnetfeldes (bzw. Permanentmagnetflusses) und das andere Magnetfeld schaltend, d.h. für die aktive Schaltung dient.

[0024] Alternativ zu der kombinierten Ansteuerung sind auch separate Ansteuerungen der beiden Elektromagneteinrichtungen möglich, wobei z. B. die Highside-Treiberschaltungen für die beiden Elektromagneteinrichtungen separat ausgebildet werden können, bei gemeinsamer Lowside-Ansteuerung gegenüber Masse. Bei einer separaten Ansteuerung kann z. B. das kompensierenden Elektromagnetfeld durch einen kleineren Strom als das schaltenden Elektromagnetfeld ausgebildet werden.

[0025] Vorzugsweise ist bei jeder Elektromagneteinrichtung der kompensierende Strom des einen Schaltvorgangs dem durch diese Elektromagneteinrichtung in dem anderen Schaltvorgang eingegebenen schaltenden Strom von der Stromrichtung her entgegen gesetzt.

[0026] Bei der Ausführungsform mit zwei Elektromagneteinrichtungen kann das Magnetventil eine Permanentmagnet-Einrichtung mit radialer Magnetisierung aufweisen. Somit verläuft ein Permanentmagnetfeld in radialer Richtung von dem inneren Anker über den Permanentmagneten und ein äußeres magnetisches Joch, wobei sich zwei Permanentmagnetfelder ausbilden, die von dem Joch entweder an einem axialen Ende über den ersten Kern zu dem Anker, oder an dem anderen Ende über den zweiten Kern zu dem Anker verlaufen, wobei in jeder der beiden Stellungen jeweils ein axialer Luftspalt von dem Anker zu einem der beiden Kerne vorgesehen ist.

[0027] Hierbei wird insbesondere auch erkannt, dass die ergänzende Bestromung des kompensierenden Elektromagnetfeldes grundsätzlich keinen zusätzlichen Hardwareaufwand erfordert, da ohnehin eine Schalteinrichtung, z. B. Schalt-Transistoren, zu seiner Beschaltung vorgesehen sind.

[0028] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

ein bistabiles Magnetventil gemäß einer Ausführungsform mit zwei Spulen in geschnittener Darstellung;

Fig. 2

eine Darstellung des Verlaufs der Magnetfeldlinien in Fig. 1;

Fig. 3

eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Spulen gemäß einer Ausführungsform mit Reihenschaltung beider Spulen;

Fig. 4

eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Spulen gemäß einer Ausführungsform mit Parallelschaltung beider Spulen;

Fig. 5

ein Zeitdiagramm des Spulenstroms gemäß einer Ausführungsformen mit Rampen-Ansteuerung;

Fig. 6

ein Zeitdiagramm des Spulenstroms gemäß einer weiteren Ausführungsformen mit Rampen-Ansteuerung;

Fig. 7

ein Schnittbild des bistabilen Magnetventils gemäß einer Ausführungsform mit zwei Spulen in der ersten Ankerstellung;

Fig. 8

ein Schnittbild des bistabilen Magnetventils aus Fig. 9 in der zweiten Ankerstellung;

Fig. 9

ein Schnittbild des bistabilen Magnetventils gemäß einer nicht-beanspruchten mit Feder-Rückstellung in der ersten Ankerstellung;

Fig. 10

das bistabile Magnetventil aus Fig. 9 bei dem Anker-Schaltvorgang in die zweite Ankerstellung;

Fig. 11

das bistabile Magnetventil aus Fig. 9 bis 10 in der zweiten Ankerstellung;

Fig. 12

das bistabile Magnetventil aus Fig. 9 bis 11 bei dem Rückstell-Schaltvorgang in die erste Ankerstellung; und

Fig. 13

ein Zeitdiagramm des Spulenstroms der Ausführungsform der Fig. 9 bis 12 bei Rampen- Ansteuerung.

[0029] Fig. 1 zeigt ein bistabiles Magnetventil 1, das zum Einsatz in einem Fluidsystem 50, insbesondere einem Druckluftsystem 50 ausgebildet ist, insbesondere als 3/2-Magnetventil mit drei Anschlüssen, vorzugsweise einem Druckeingang 2a, einem ersten Druckausgang 2b und einem zweiten Druckausgang 2c, der z. B. als Entlüftung dienen kann. Somit kann das bistabile Magnetventil 1 in dem Druckluftsystem 50, z. B. dem Druckluftsystem eines Nutzfahrzeuges, dazu dienen, wahlweise gemäß der ersten Ankerstellung I der Fig. 1 an den ersten Druckausgang 2b den zweiten Druckausgang 2c und somit die Entlüftung anzuschließen um die Druckluft-Zuführleitung zu entlüften, oder in der zweiten Ankerstellung II eine an den Druckeingang 2a angeschlossene Druckluft- Zuführleitung 1 an den ersten Druckausgang 2b anzuschließen, wie weiter unten mit Bezug zu Fig. 7 und 8 erläutert wird.

[0030] Hierzu weist das bistabile Magnetventil 1 ein Ankerführungsrohr 6 und einen in dem Ankerführungsrohr 6 in Axialrichtung A längsverstellbar geführten Anker 7 auf. An dem Anker 7 ist eine erste Ventildichtung 8 ausgebildet, die an einem ersten Ventilsitz 9, z. B. zum Verschluss des Druckeingangs 2a, zur Anlage kommt, sowie weiterhin eine zweite Ventildichtung 10, die zur Anlage an einem zweiten Ventilsitz 11 kommt, z. B. zum Verschluss des zweiten Druckausgangs 2c.

[0031] Die Ventildichtungen 8 und 10 sind vorteilhafterweise durch eine Ankerfeder 13 federvorgespannt, zur dichtenden Anlage an ihrem jeweiligen Ventilsitz 9 bzw. 11.

[0032] Der Anker 7 ist magnetisch leitend, d. h. aus ferromagnetischem Material ausgebildet; in Axialrichtung A schließt sich zu einer ersten Seite ein erster Kern 12, in dem gemäß dieser Ausbildung der Druckeingang 2a und der erste Druckausgang 2b ausgebildet sind, sowie zu der anderen, zweiten Seite ein zweiter Kern 14 an, in dem der zweite Druckausgang 2c für die Entlüftung ausgebildet ist.

[0033] Radial außerhalb des Ankerführungsrohrs 6 ist eine Magnet-Einrichtung 15 angeordnet, die eine Permanentmagnet-Einrichtung 16 und eine Gesamt-Elektromagneteinrichtung 17 aufweist, wobei die eine Gesamt- Elektromagneteinrichtung 17 wiederum mit einer ersten Elektromagneteinrichtung bzw. ersten Spule 18 und einer zweiten Elektromagneteinrichtung bzw. zweiten Spule 19 ausgebildet ist. Die gesamte Magnet-Einrichtung 15 ist in einem magnetischen Joch 20, 21 aufgenommen, das durch einen Jochtopf 20 mit Topfboden 20a und zylinderförmiger Topfwand 20b und eine den Jochtopf 20 zu einer axialen Seite hin verschließenden Jochscheibe 21 ausgebildet ist.

[0034] Die beiden Kerne 12 und 14 liegen vorteilhafterweise in radialer Richtung R direkt an der Jochscheibe 21 und dem Jochtopf 20 an, d.h. ohne radialen Luftspalt. Weiterhin liegt der Anker 7 in seinen beiden Ankerstellungen bzw. Stellungen direkt in axialer Richtung A bzw. -A an einem der beiden Kerne 12, 14 an und weist zu dem jeweils anderen Kern 14, 12 einen Luftspalt 22 auf. Somit liegt in der in Fig. 1 gezeigten ersten Stellung I der Anker 7 in axialer Richtung A direkt, d. h. ohne Luftspalt, an dem ersten Kern 12 an, wobei ein axialer Luftspalt 22 zwischen dem Anker 7 und dem zweiten Kern 14 ausgebildet ist; entsprechend liegt der Anker 7 in der hier nicht gezeigten zweiten Stellung II direkt an dem zweiten Kern 14 an, d. h. ebenfalls ohne Luftspalt, wobei dann ein Luftspalt 22 zwischen dem Anker 7 und dem ersten Kern 12 ausgebildet ist.

[0035] Die Permanentmagnet-Einrichtung 16 ist vorteilhafterweise axial zwischen der ersten Spule 18 und der zweiten Spule 19 angeordnet und radial magnetisiert, d. h. die Magnetisierung und somit die magnetischen Flusslinien des Permanentmagnetfeldes PM verlaufen in radialer Richtung R, z. B. radial nach außen, d. h. senkrecht zur Achse A. In den Figuren ist zum Teil vereinfacht das Magnetfeld durch Linien dargestellt; grundsätzlich ist der durch das Magnetfeld ausgebildete Magnetfluss für die magnetischen Wirkungen relevant.

[0036] Hierbei sind unterschiedliche Ausbildungen der Permanentmagnet-Einrichtung 16 möglich, z. B. durch einzelne Permanentmagnete oder eine Permanentmagnet-Scheibe, die als Ring bzw. Scheibe ausgeführt und hierbei in radialer Richtung magnetisiert ausgebildet ist.

[0037] Da die Permanentmagnet-Einrichtung 16 außerhalb des Ankerführungsrohrs 6 ausgebildet ist, kann sie auch mit breiterer axialer Erstreckung ausgebildet werden, so dass herkömmliche Materialien für Permanentmagnete, z. B. eine Eisenlegierung oder ein keramisches Material, eingesetzt werden; der Einsatz z. B. seltener Erden ist grundsätzlich nicht erforderlich.

[0038] Das gemeinsame Permanentmagnetfeld PM verläuft somit gemäß Fig. 2 in radialer Richtung R durch die Permanentmagnet-Einrichtung 16 und nachfolgend durch das Joch 20, 21, wobei es axial in beide Richtungen, d.h. -A und A verläuft, d.h. entlang der Topfwand 20b als erstes Permanentmagnetfeld PM1 und zweites Permanentmagnetfeld PM2, wobei die Permanentmagnetfelder PM1, PM2 dann an den axialen Enden radial nach unten entlang des Topfbodens 20b sowie der Jochscheibe 21 zu den Kernen 12, 14 verlaufen, und nachfolgend axial, d.h. in Richtung A oder -A, zu dem Anker 7 und wieder zu der Permanentmagnet-Einrichtung 16.

[0039] Die beiden Permanentmagnetfelder PM1, PM2 können somit jeweils z. B. etwa die Form eines Torus aufweisen; das gesamte Permanentmagnetfeld PM bildet somit z. B. einen Doppel-Torus bzw. ist hantelförmig.

[0040] In der ersten Ankerstellung I bzw. Entlüftungsstellung der Fig. 1 liegt der magnetisch leitende Anker 7 an dem ersten Kern 12, so dass hier das erste Permanentmagnetfeld PM1 direkt vom ersten Kern 12 durch den Anker 7, und in dem Anker 7 axialer Richtung wiederum zu der Permanentmagnet-Einrichtung 16 verläuft. Ein Luftspalt ist allenfalls als radialer Luftspalt zwischen dem Anker 7 und der Permanentmagnet-Einrichtung 16 ausgebildet, jedoch nicht als Axialspalt, so dass das erste Permanentmagnetfeld PM1 eine starke magnetische Haltekraft des Ankers 7 am ersten Kern 12 ausbildet. Das durch den zweiten Kern 14 verlaufende zweite Permanentmagnetfeld PM2 verläuft hingegen durch den Luftspalt 22 zu dem Anker 7 und wird durch den Luftspalt 22 deutlich geschwächt. Somit ist die magnetische Haltekraft des ersten Permanentmagnetfeldes PM1 deutlich größer als die anziehende Kraft des zweiten Permanentmagnetfeldes PM2; der Anker 7 wird in der rechten Position, d. h. der Ankerstellung I der Fig. 1, sicher gehalten.

[0041] Da das bistabile Magnetventil 1 grundsätzlich in Axialrichtung A symmetrisch bezüglich der Ausbildung der beiden Kerne 12 und 14 und der Spulen 18 und 19 ist, wird auch die in Fig. 1 nicht gezeigte zweite Ankerstellung II sicher gehalten, da hier ein Luftspalt entsprechend zwischen dem Anker 7 und dem ersten Kern 12 ausgebildet wird, der das erste Permanentmagnetfeld PM1 schwächt, hingegen liegt ein starkes zweites Permanentmagnetfeld PM2 vor. Die erste Spule 18 erzeugt ein erstes Elektromagnetfeld EM1; entsprechend erzeugt die zweite Spule 19 ein zweites Elektromagnetfeld EM2, wobei die Elektromagnetfelder EM1 und EM2 mit den Permanentmagnetfeldern PM1, PM2 und miteinander überlagern.

[0042] Das erste Elektromagnetfeld EM1 der ersten Spule 18 ist ebenfalls Torusförmig ausgebildet und verläuft im Wesentlichen entsprechend dem ersten Permanentmagnetfeld PM1, insbesondere bei rotationssymmetrischer Ausbildung des Permanentmagnetfeldes PM1:
das erste Elektromagnetfeld EM1 verläuft zunächst innerhalb der ersten Spule 18, d. h. in Axialrichtung A-je nach Bestromung - von dem ersten Kern 12 in axialer Richtung nach innen oder außen, d. h. z. B. von außen (in Fig. 1 rechts) nach innen zu dem Anker 7, und von dem Anker 7 radial nach außen, d. h. entlang der Permanentmagnet-Einrichtung 16 nach außen, und von dort entlang der Topfwand 20b und dem Topfboden 20a radial nach innen zurück zum ersten Kern 12. Entsprechend verläuft bei Bestromung der zweiten Spule 19 das zweite Elektromagnetfeld EM2 ähnlich dem zweiten Permanent-magnetfeldes PM2, d.h. -je nach Polung - von dem zweiten Kern 14 in axialer Richtung A zu dem Anker 7 hin, oder in Gegenrichtung von dem Anker 7 zu dem zweiten Kern 14 hin, und jeweils in radialer Richtung radial nach außen entlang der Permanentmagnet-Einrichtung 16, der Topfwand 20b in axialer Richtung, und entlang der Jochscheibe 21 radial nach innen.

[0043] In Fig. 1 wird somit das zweite Elektromagnetfeld EM2 wiederum durch den Luftspalt 22 geschwächt, das erste Elektromagnetfeld EM1 hingegen nicht. Die Schaltvorgänge SV1 und SV2 des bistabilen Magnetventils 1 zwischen der ersten Ankerstellung I und der zweiten Ankerstellung II erfolgen vorteilhafterweise durch Bestromung jeweils beider Spulen 18 und 19. Für den zweiten Schaltvorgang SV2 von der ersten Ankerstellung I der Fig. 1 ausgehend wird ein erstes Elektromagnetfeld EM1 der ersten Spule 18 aufgebaut, das dem ersten Permanentmagnetfeld PM1 entgegengesetzt ist und dieses insbesondere teilweise kompensiert, so dass die magnetische Haltekraft des Ankers 6 am ersten Kern 12 zumindest verringert wird. Weiterhin wird die zweite Spule 19 derartig bestromt, dass das zweite Permanentmagnetfeld PM2 durch das zweite Elektromagnetfeld EM2 verstärkt wird, d. h. beide Felder PM2 und EM2 weisen in dieselbe Richtung, so dass trotz des Luftspaltes 22 die auf den Anker 7 wirkende, in Fig. 1 nach links zeigende magnetische Kraft größer wird und den Anker 7 in Fig. 1 nach links verstellt, wodurch der Luftspalt 22 verringert wird und ganz verschwindet, und ein Luftspalt zwischen dem Anker 7 und dem ersten Kern 12 entsteht.

[0044] Somit wirkt jeweils eines der elektromagnetischen Felder EM1 und EM2 kompensierend und das andere schaltend. Für den zweiten Schaltvorgang SV2 von der ersten Ankerstellung I bzw. Entlüftungsstellung der Fig. 1 ausgehend wirkt somit ein durch die erste Spule 18 geleiteter erster Strom I1 kompensierend, d.h. als kompensierender erster Strom I1_k, und ein durch die zweite Spule 19 geleiteter zweiter Strom I2 schaltend, d.h. als schaltender zweiter Strom I2_s. Für den ersten Schaltvorgang SV1 zurück in die erste Ankerstellung I wird entsprechend durch die zweite Spule 19 ein kompensierender zweiter Strom I2_k und durch die erste Spule 18 ein schaltender erster Strom I1_s geleitet.

[0045] Die beiden Spulen 18 und 19 sind über Spulenanschlüsse 61a,b und 62a, b an eine Schaltungsanordnung 30 angeschlossen, die insbesondere eine Endstufe darstellt. Somit wird eine Magnetventil-Einrichtung 5 gebildet, die das bistabile Magnetventil 1, die Schaltungsanordnung 30 und die Steuereinrichtung 40 aufweist.

[0046] Vorteilhafterweise wird hierbei erkannt, dass ein sofortiges und vollständiges Hochfahren des jeweils kompensierenden Stroms, in Fig. 1 somit des ersten Stroms I1_k, dazu führen kann, dass das kompensierende, d.h. in Fig. 1 das erste Elektromagnetfeld EM1 zu stark wird und die Differenz EM1 - PM1 vom Betrag her größer werden kann als das sich positiv überlagernde, jedoch durch den Luftspalt 22 geschwächte, schaltende zweite Gesamtfeld EM2 + PM2.

[0047] Daher wird in beiden Schaltvorgängen zumindest der kompensierend wirkende Strom I1_k oder I2_k jeweils zeitlich verzögert hochgefahren, vorteilhafterweise über eine Rampe. Bei einer Reihenschaltung der beiden Ströme I1, I2 können somit beide Ströme zeitlich verzögert hochgefahren werden. Fig. 3 und 4 zeigen Ausbildungen einer Schaltungsanordnung 30 für derartige Rampensteuerungen.

[0048] Die Spulen 18 und 19 können gemäß Fig. 3 in einer Reihenschaltung geschaltet sein. Somit weist die Schaltungsanordnung 30 gemäß Fig. 3 vier Transistoren, vorzugsweise Schaltungs-MOSFETS Tr1, Tr2, Tr3 und Tr4 auf, die als Endstufen-H-Brücke geschaltet sind, so dass gemäß Fig. 3 über Steuersignale S1, S2, S3, S4 eine Bestromung entweder mit Tr1 = ON, Tr4 = ON und Tr2 = OFF, Tr3 = OFF vorliegt, um die Versorgungsspannung Uv von z. B. 24 V oder 12 V über Tr1, die Reihenschaltung der Spulen 19 und 18, sowie Tr4 auf Masse GND zu führen, oder entsprechend symmetrisch umgekehrt mit Tr1 = OFF, Tr4 = OFF, Tr2 = ON und Tr3 = ON, um die Versorgungsspannung Uv über Tr2 und die Reihenschaltung der Spulen 18 und 19 sowie Tr3 zur Masse GND zu führen.

[0049] Alternativ hierzu ist eine Parallelschaltung nach Fig. 4 vorgesehen.

[0050] Die H-Brücke der Fig. 3 oder 4 ist hierbei zur Ausbildung einer zeitlichen Rampe gemäß Fig. 5 oder 6 geeignet, bei der der Spulenstrom I, d.h. bei der Reihenschaltung der Fig. 3 der gemeinsame Spulenstrom I1= I2=I, zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet und auf einen maximalen Stromwert I_max hochgefahren wird, den er zu einem Zeitpunkt t2 erreicht. Zu einem nachfolgenden Zeitpunkt t3 kann der gemeinsame Strom I nachfolgend sofort abgeschaltet werden. Ergänzend sind die Amperewindungen AW eingezeichnet, die sich als Produkt des Stroms und der Wicklungszahl ergeben, Die Anfahr-Schaltdauer Δt1 zwischen t2 und t1 beträgt z. B. Δt2=50 bis 70 ms, die Gesamt-Schaltdauer Δt2 zwischen t3 und t1 beträgt z. B. Δt2 =100 ms. Das rein mechanische Schalten des Ventils erfolgt je nach Toleranzlage der einzelnen Bauteile im Ventil zwischen den Zeitpunkten t1 und t2.

[0051] Fig. 6 zeigt eine alternative Ansteuerung, bei der zum Zeitpunkt t1 der Strom sofort auf einen mittleren Stromwert I_mid, und nachfolgend mit linearer Rampe bis zum Zeitpunkt t2 auf den Maximalwert I_max gefahren wird, bis er zum Zeitpunkt t3 wieder ausgeschaltet wird. Die Schaltdauern Δt1 und Δt2 können ähnliche Werte wie in Fig. 5 annehmen.

[0052] Somit wird zwischen t1 und t2 zunächst ein in der ersten Stellung I der Fig. 1 schwaches erstes Elektromagnetfeld EM1 ausgebildet, das das haltende Permanentmagnetfeld, hier somit das erste Permanentmagnetfeld PM1 ganz oder teilweise kompensiert, jedoch erst zum Zeitpunkt t2 den maximalen Stromwert I_max erreicht. Die Anfahr-Schaltdauer Δt1 ist hinreichend, um eine mechanische Verstellung des Ankers 7 weg von der ersten Ankerstellung I zu erreichen; sobald sich ein Luftspalt zwischen dem Anker 7 und dem ersten Kern 12 bildet, ist die Gefahr eines unbeabsichtigten Haltens in der ersten Ankerstellung I bereits deutlich verringert.

[0053] Fig. 7 und Fig. 8 zeigen eine detaillierte Ausbildung eines Magnetventils 1 entsprechend Fig. 1. Die Permanent-Magneteinrichtung 16 ist hier zur Veranschaulichung in gegenüber Fig. 1 umgekehrter Polung eingesetzt. Druckluft 25a wird von einer Druckluftversorgung 25, z. B. einem Druckluftspeicher, über eine Druckluft-Zuleitung 23 dem Druckeingang 2a zugeführt, und über den ersten Druckausgang 2b und eine Druck- Ausgangsleitung 26 zu einem Verbraucher 24 geführt. An den zweiten Druckausgang 2c, der als Entlüftung dient, ist ein Druckauslass 27 direkt oder über indirekt eine Leitung angebracht.

[0054] In der ersten Ankerstellung I, d.h. der Entlüftungsstellung der Fig. 7, wird die an dem Druckeingang 2a und der inneren Bohrung 42 des ersten Kerns 12 anliegende Druckluft an dem geschlossenen ersten Ventil, d.h. zwischen dem ersten Ventilsitz 9 und der ersten Ventildichtung 8, blockiert. Druckluft 25a kann von dem Verbraucher 24 über die Druck-Ausgangsleitung 26, den ersten Druckausgang 2b, dann über eine äußere axiale Bohrung 43 des Kerns 12, einen Innenraum 29 des Ankers 7, in dem vorzugsweise auch z. B. die innere Ankerfeder 13 vorgesehen ist, und über den Axialspalt 22 des offenen zweiten Ventils 10,11 sowie die Bohrung 14a des zweiten Kerns 14 zum zweiten Druckausgang 2c und somit zu dem Druckauslass 27 zur Entlüftung geführt werden. Das zweite Ventil 10, 11 ist somit offen, da der zweite Ventilsitz 11 von der zweiten Ventildichtung 10 durch den Axialspalt 22 getrennt ist.

[0055] In der zweiten Ankerstellung II, d.h. der Belüftungsstellung der Fig. 8, ist das erste Ventil 8, 9 offen, d.h. der Axialspalt 22 ist zwischen dem ersten Ventilsitz 9 und der ersten Ventildichtung 8 ausgebildet. Entsprechend ist das zweite Ventil 10, 11 geschlossenen, indem der zweite Ventilsitz 11 auf der zweiten Ventildichtung 10 aufliegt. Druckluft 25a wird somit von der Druckluftversorgung 25 über die Druckluft-Zuleitung 23, den Druckeingang 2a, die innere Bohrung 42, das offene erste Ventil 8, 9, den Axialspalt 22, die radial äußere Bohrung 43 zu dem ersten Druckausgang 2b und somit zu dem Verbraucher 24 geführt.

[0056] Die Bohrungen 42, 43 im ersten Kern 12 sind vorteilhafterweise ausgebildet, indem der erste Kern 12 mit einem inneren Rohr 12a und einem äußeren Rohr 12b ausgebildet ist, zwischen denen zumindest in einigen Bereichen des Umfangs die äußere axiale Bohrung 43 ausgebildet ist; die innere Bohrung 42 wird durch die zentrale Bohrung des inneren Rohrs 12a gebildet.

[0057] Der Anker 7 wird gemäß der hier gezeigten Ausbildung durch einen ersten Ankerteil 7a und einen zweiten Ankerteil 7b gebildet, die z. B. durch Presspassung zusammen gefügt werden; die Ankerfeder 13 drückt die Ventildichtungen 8 und 10 axial auseinander. Der Anker 7 kann somit mit einem Anker-Innenraum 29 gefügt werden, der wie oben beschrieben als Luftkanal für die Entlüftung dient.

[0058] Fig. 9 bis 12 zeigen eine nicht-beanspruchte Ausführungsform mit einem Magnetventil 101 mit Feder-Rückstellung durch eine Feder-Einrichtung 70, die hier als Schraubenfeder zwischen dem Anker 7 und dem Joch, z. B. der Jochscheibe 21, vorgesehen ist. Somit ist die Feder-Einrichtung 70 in der zweiten Ankerstellung II der Fig. 11 gespannt und in der ersten Ankerstellung I der Fig. 9 entspannt.

[0059] In Fig. 9 ist somit das zweite Permanent-Magnetfeld PM2 durch den Luftspalt 22 geschwächt und daher zu gering, um die Federkraft zu überwinden.

[0060] In dem zweiten Schaltvorgang bzw. Anker- Schaltvorgang SV2 der Fig. 10 überlagert sich das schaltende Elektromagnetfeld EM2_s verstärkend bzw. konstruktiv mit dem zweiten Permanent-Magnetfeld PM2, so dass die Federkraft überwunden wird und der Anker 7 nach oben bewegt wird.

[0061] In Fig. 11 wird der Anker 7 in der zweiten Ankerstellung II an dem haltenden Kern 14 (bzw. zweiten Kern oder Halte-Kern) gehalten, da das haltende Permanent-Magnetfeld bzw. zweite Permanent-Magnetfeld PM2 aufgrund des fehlenden Luftspaltes 22 stark genug ist, auch ohne Unterstützung durch das zweite Elektromagnetfeld EM2 den Anker 7 gegen die Federwirkung der Federeinrichtung 70 zu halten.

[0062] In Fig. 12 wird dann das haltende Permanent-Magnetfeld bzw. zweite Permanent-Magnetfeld PM2 durch zumindest teilweise Kompensation durch das kompensierende zweite Elektromagnetfeld EM2_k geschwächt, so dass die Feder-Rückstellkraft der Federeinrichtung 70 die magnetische Haltekraft, die durch den Betrag der Differenz des haltenden zweiten Permanent-Magnetfeldes PM2 und des kompensierenden zweiten Elektromagnetfeldes EM2_k bestimmt wird, übersteigt. Somit erfolgt der Rückstell-Schaltvorgang SV1 bzw. erste Schaltvorgang in die erste Ankerstellung I, wodurch sich wiederum der Luftspalt 22 zwischen dem haltenden Kern bzw. Halte-Kern 14 und dem Anker 7 bildet.

[0063] Fig. 13 zeigt eine Schaltungsanordnung bzw. Endstufe 130, die entsprechend Fig. 3 aufgebaut ist wobei lediglich die Schalt- Elektromagneteinrichtung bzw. zweite Spule 19 bestromt wird. Hierbei können wiederum die Zeitdiagramme der Fig. 5 oder 6 angesetzt werden.

Bezugszeichenliste (Bestandteil der Beschreibung)

[0064] 

1, 101

bistabiles Magnetventil

2a

Druckeingang

2b

erster Druckausgang zu Druckanschlussleitung/-ausgangsleitung

2c

zweiter Druckausgang zu Entlüftung

3, 4

Druckluft-Zuführleitung und Druckluft-Ausgangsleitung

5, 105

bistabile Magnetventil-Einrichtung

6

Ankerführungsrohr

7

Anker

7a

erstes Ankerteil

7b

zweites Ankerteil

8

erste Ventildichtung an Anker 7

9

erster Ventilsitz

10

zweite Ventildichtung an Anker 7

11

zweiter Ventilsitz

12

erster Kern

12a

inneres Rohr des ersten Kerns 12

12b

äußeres Rohr des ersten Kerns 12

13

innere Ankerfeder in Anker 7 zwischen den Ventildichtungen 8 und 10

14

zweiter Kern, Halte-Kern

15

Magnet-Einrichtung

16, 116

Permanentmagnet-Einrichtung

17

Elektromagneteinrichtung

18

erste Spule

19

zweite Spule

20

Jochtopf

20a

Topfboden

20b

Topfwand

21

Jochscheibe

22

Luftspalt

23

Druckluft-Zuleitung

24

Verbraucher

25

Druckluftversorgung

25a

Druckluft

26

Druck-Ausgangsleitung

27

Druckauslass

28

Polrohr für radialen Feldlinien-Übergang

29

Anker-Innenraum

30, 130

Schaltungsanordnung

40

Steuereinrichtung

42

zentrale Bohrung im ersten Kern 12

43

äußere Bohrung im ersten Kern 12, zwischen den Rohren 12a, 12b

50

Fluidsystem

61a,b

Spulenanschlüsse der ersten Spule 18 an die Schaltungsanordnung

62a, b

Spulenanschlüsse der zweiten Spule 19 an die Schaltungsanordnung

70

Rückstellfeder

Tr1, Tr2, Tr3, Tr4

Transistoren der Schaltungsanordnung 30

Uv

Versorgungsspannung

GND

Masse

A

Achse, Axialrichtung

R

Radialrichtung

PM

Gesamt-Magnetfeld

PM1

erstes Permanentmagnetfeld

PM2

zweites Permanentmagnetfeld

EM1

erstes Elektromagnetfeld, Rückstell- Elektromagnetfeld

EM2

zweites Elektromagnetfeld, Anker- Elektromagnetfeld

EM2_k

zweites kompensierendes Elektromagnetfeld

EM1_k

erstes kompensierendes Elektromagnetfeld

N, S

Nordpol, Südpol

I

Strom bei Reihenschaltung

I_s

schaltender Strom

I_k

kompensierender Strom

I1

erster Strom durch die erste Spule 18

I1_s

schaltender erster Strom

I1_k

kompensierender erster Strom

I_mid

mittlerer Stromwert

I_max

maximaler Stromwert

I2

zweiter Strom durch die zweite Spule 19

I2_s

schaltender zweiter Strom

I2_k

kompensierender zweiter Strom

S1

erstes Ansteuersignal der Rampensteuerung

S2

zweites Ansteuersignal der Rampensteuerung

S3

drittes Ansteuersignal der Rampensteuerung

S4

viertes Ansteuersignal der Rampensteuerung

SV1

Rückstell- Schaltvorgang, erster Schaltvorgang

SV2

Anker- Schaltvorgang, zweiter Schaltvorgang

Ansprüche

1. Bistabile Magnetventil-Einrichtung (5, 105) für ein Fluidsystem (50), mit einem Magnetventil (1, 101), einer Schaltungsanordnung (30, 130) und einer Steuereinrichtung (40) zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung (30, 130),
wobei das Magnetventil (1, 101) aufweist:

einen zwischen einer ersten Ankerstellung (I) und einer zweiten Ankerstellung (II) verstellbaren Anker (7), und durch den Anker (7) verstellbare Ventilmittel (8, 9, 10, 11), die in der ersten und zweiten Ankerstellung (I, II) in verschiedenen Ventil-Stellungen sind,

eine Permanentmagneteinrichtung (16, 116) zur Ausbildung eines haltenden Permanentmagnetfeldes (PM2), das den Anker (7) in der zweiten Ankerstellung (II) hält,

eine Schalt-Elektromagneteinrichtung (19) zur Ausbildung eines Schalt-Elektromagnetfeldes (EM2) für einen Anker-Schaltvorgang (SV2) von der ersten Ankerstellung (I) in die zweite Ankerstellung (II), und

eine Rückstell-Einrichtung (12, 18; 70) zur Rückstellung des Ankers (7) in einem Rückstell- Schaltvorgang (SV1) in die erste Ankerstellung (I),

wobei die Schaltungsanordnung (30, 130) zur Ansteuerung der Schalt-Elektromagneteinrichtung (19) in dem Anker-Schaltvorgang (SV2) mit einem Schalt-Strom (I2_S) ausgebildet ist,

wobei

die Steuereinrichtung (40) derartig zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung (30, 130) ausgebildet ist, dass die Schalt- Elektromagneteinrichtung (19) in dem Rückstell- Schaltvorgang (SV1) mit einem Kompensations-Strom (I_k) zur Ausbildung eines kompensierenden Elektromagnetfeldes (EM2_k) zur zumindest teilweisen Kompensation des haltenden Permanentmagnetfeldes (PM2) bestromt ist, wobei

das Magnetventil (1, 101) ein magnetisches Joch (20, 21) und einen Halte-Kern (14) zur Anlage des Ankers (7)in der zweiten Ankerstellung (II) aufweist, wobei

in der ersten Ankerstellung (I) ein Luftspalt (22) zwischen dem Anker (7)und dem Halte-Kern (14,) ausgebildet ist, und

das haltende Permanentmagnetfeld (PM2) und das Schalt-Elektromagnetfeld (EM2) über das magnetische Joch (20, 21), den Halte-Kern (14) und den Anker (7) verlaufen, wobei

die Rückstell-Einrichtung (12, 18) einen ersten Kern (12) zur Anlage des Ankers (7) in der ersten Ankerstellung (I) und eine erste Elektromagneteinrichtung (18) aufweist, die in dem Rückstell-Schaltvorgang (SV1) bestromt ist zur Ausbildung eines ersten Elektromagnetfeldes (EM1),

wobei das erste Elektromagnetfeld (EM1) und ein erstes Permanentmagnetfeld (PM1) der Permanentmagneteinrichtung (16) über das magnetische Joch (20, 21), den ersten Kern (12) und den Anker (7) verlaufen, wobei in der ersten Ankerstellung (I) das erstes Permanentmagnetfeld (PM1) den Anker (7) an dem ersten Kern (12) hält und der Luftspalt (22) zwischen dem Anker (7) und dem Halte-Kern (14) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (40) derartig zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung (30) ausgebildet ist, dass die erste Elektromagneteinrichtung (18) in dem Anker-Schaltvorgang (SV2) mit einem Kompensationsstrom (I_k) zur Ausbildung eines zeitlichen ansteigenden kompensierenden Elektromagnetfeldes zur zumindest teilweisen Kompensation des ersten Permanentmagnetfeldes (PM1) bestromt ist.

2. Magnetventil-Einrichtung (5, 105) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromrichtung des Kompensations- Stroms (I_k) in der Schalt-Elektromagneteinrichtung (19) entgegen gesetzt zu einer Stromrichtung des Schalt-Stroms (I2_S) in der Schalt- Elektromagneteinrichtung (19) ist.

3. Magnetventil-Einrichtung (5, 105) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensations- Strom (I_k) während des Rückstell-Schaltvorgangs (SV1) zeitlich veränderlich ist und erst nach einer Anfahr-Zeitspanne (Δ_t1) einen maximalen Stromwert (I_max) aufweist.

4. Magnetventil-Einrichtung (5, 105) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Stromwert (I_max) des Kompensations-Stroms (I_k) während des Rückstell-Schaltvorgangs (SV1) unterhalb eines Schalt- Stromwertes des Schalt-Stromes (I2_S) liegt.

5. Magnetventil-Einrichtung (5, 105) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensations- Strom (I_k) während des Rückstell-Schaltvorgangs (SV1) einen zeitlich verzögerten, stetigen und/oder sprunghaften Anstieg auf den maximalen Stromwert (I_ max) des Kompensations- Stroms (I_k) aufweist.

6. Magnetventil-Einrichtung (5, 105) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitlich verzögerte Anstieg des Kompensations-Stroms (I_k) mindestens einen stetigen zeitlichen Rampenverlauf (Δt1) und/oder einen sprungartigen Verlauf auf einen mittleren Stromwert (I_mid) mit nachfolgendem Anstieg auf den maximalen Stromwert (I_max) aufweist.

7. Magnetventil-Einrichtung (5, 105) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (1, 101) als 3/2-Wegeventil mit einem Druckeingang (2a), einem ersten Druckausgang (2b) und einem zweiten Druckausgang (2c) ausgebildet ist,
wobei der erste Druckausgang (2b) in den beiden Ankerstellungen (I, II) jeweils mit entweder dem Druckeingang (2a) oder dem zweiten Druckausgang (2c) verbunden ist und der jeweils andere Anschluss (2c, 2a) gesperrt ist.

8. Magnetventil-Einrichtung (5) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektromagneteinrichtungen (18, 19) als Reihenschaltung oder Parallelschaltung geschaltet und in beiden Schaltvorgängen (SV1, SV2) gemeinsam bestrombar sind.

9. Magnetventil-Einrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektromagneteinrichtungen (18, 19) durch die Steuereinrichtung (40) für den Rückstell- Schaltvorgang (SV1) in einer ersten Richtung und für den Anker-Schaltvorgang (SV2) in einer der ersten Richtung entgegen gesetzten zweiten Richtung bestrombar sind.

10. Magnetventil-Einrichtung (5, 105) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (30) aufweist: Highside-Treiber (Tr1, Tr2), z. B. Transistoren, die zwischen einer oberen Versorgungsspannung (Uv) und den beiden Elektromagneteinrichtungen (18, 19) geschaltet sind, und Lowside-Treiber (Tr3, Tr4), z. B. Transistoren, die zwischen den beiden Elektromagneteinrichtungen (18, 19) und einer unteren Versorgungsspannung, z. B. Masse (GND), geschaltet sind, wobei die Highside-Treiber (Tr1,Tr2) und die Lowside-Treiber (Tr3, Tr4) für die Schaltvorgänge (SV1, SV2) schaltbar, insbesondere alternierend umschaltbar, sind.

11. Verfahren zum Schalten eines bistabilen Magnetventils (1, 101), bei dem in einem Anker-Schaltvorgang (SV2) eine Schalt- Elektromagneteinrichtung (19) mit einem Schaltstrom (I2s) bestromt wird zur Ausbildung eines Schalt- Elektromagnetfeldes (EM2), durch das ein Anker (7) von einer ersten Ankerstellung (I) in eine zweite Ankerstellung (II) verstellt wird, wobei Ventilmittel (8, 9, 10, 11) durch den Anker (7) verstellt werden,
wobei der Anker (7) durch ein haltendes Permanentmagnetfeld (PM2) einer haltenden Permanentmagneteinrichtung (16, 116) in der zweiten Ankerstellung (II) gehalten wird, und
in einem Rückstell-Schaltvorgang (SV1) der Anker (7) durch eine Rückstell-Einrichtung (12, 18; 70) in die erste Ankerstellung (I) zurückgestellt wird, wobei
die Schalt-Elektromagneteinrichtung (19) in dem Rückstell- Schaltvorgang (SV1) mit einem Kompensations-Strom (I_K) bestromt wird zur Ausbildung eines kompensierenden Elektromagnetfeldes (EM2_k) zur zumindest teilweisen Kompensation des haltenden Permanentmagnetfeldes (PM2), wobei der Kompensations-Strom (I_k) und der Schaltstrom (I2_S) entgegen gesetzt gerichtet sind, wobei der Kompensations-Strom (I_K) zeitlich veränderlich und/oder zeitlich ansteigend in die Schalt- Elektromagneteinrichtung (19) eingesteuert wird und erst nach einer Anfahr-Zeitspanne (Δ_t1) einen maximalen Stromwert (I_max) erreicht, wobei der Anker (7) in der zweiten Ankerstellung (II) an einem Halte-Kern (14) anliegt, durch den das haltende Permanentmagnetfeld (PM2) verläuft, und in dem Rückstell-Schaltvorgang (SV1) der Anker (7) noch vor Erreichen des maximalen Stromwertes (I_max) des Kompensations-Stroms (I_k) von dem Halte-Kern (14) weg bewegt ist unter Ausbildung eines Luftspaltes (22) zwischen dem Anker (7) und dem Halte-Kern (14) zur Abschwächung des Permanent-Magnetfeldes (PM2) und des kompensierenden Elektromagnetfeldes.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rückstell-Schaltvorgang (SV1) der Kompensations- Strom (I_k) mit einem zeitlich verzögerten, stetigen und/oder sprunghaften Anstieg auf den maximalen Stromwert (I_max) hochgefahren wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich verzögerte Anstieg mindestens einen stetigen Rampenverlauf und/oder einen sprungartigen Verlauf auf einen mittleren Stromwert (I_mid) aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstell-Einrichtung (12, 18) eine erste Elektromagneteinrichtung (18) aufweist,
wobei in dem Rückstell- Schaltvorgang (SV1) die erste Elektromagneteinrichtung (18) bestromt wird unter Ausbildung eines ersten Elektromagnetfeldes (EM1), das den Anker (7) in die erste Ankerstellung (I) zieht,
wobei der Anker (7) in der ersten Ankerstellung (I) durch ein erstes Permanentmagnetfeld (PM1) gehalten wird,
wobei die erste Elektromagneteinrichtung (18) in dem Anker- Schaltvorgang (SV2) bestromt wird zur Ausbildung eines ersten kompensierenden Elektromagnetfeldes (EM1_k) zur zumindest teilweisen Kompensation des ersten Permanentmagnetfeldes (PM1), vorzugsweise mit entsprechender Bestromung in beiden Schaltvorgängen (SV1, SV2).

15. Verfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Schaltvorgängen (SV1, SV2) die beiden Elektromagneteinrichtungen (18, 19) in Reihe oder parallel geschaltet gemeinsam bestromt werden.

Claims

1. Bistable solenoid valve device (5, 105) for a fluid system (50), having a solenoid valve (1, 101), a circuit arrangement (30, 130) and a control device (40) for actuating the circuit arrangement (30, 130), wherein the solenoid valve (1, 101) has:

an armature (7), which can be displaced between a first armature position (I) and a second armature position (II), and valve means (8, 9, 10, 11), which can be displaced by way of the armature (7) and which are in various valve positions in the first and second armature position (I, II),

a permanent-magnet device (16, 116) for forming a holding permanent magnetic field (PM2), which holds the armature (7) in the second armature position (II),

a switching electromagnet device (19) for forming a switching electromagnetic field (EM2) for an armature switching process (SV2) from the first armature position (I) to the second armature position (II), and

a return device (12, 18; 70) for returning the armature (7) in a return switching process (SV1) to the first armature position (I), wherein the circuit arrangement (30, 130) is designed to actuate the switching electromagnet device (19) in the armature switching process (SV2) by way of a switching current (I2_S),

wherein

the control device (40) is designed to actuate the circuit arrangement (30, 130) in such a way that the switching electromagnet device (19) in the return switching process (SV1) is energized by way of a compensation current (I_k) to form a compensating electromagnetic field (EM2_k) for at least partial compensation of the holding permanent magnetic field (PM2), wherein

the solenoid valve (1, 101) has a magnetic yoke (20, 21) and a holding core (14) for positioning the armature (7) in the second armature position (II),

wherein

an air gap (22) is formed between the armature (7) and the holding core (14) in the first armature position (I), and

the holding permanent magnetic field (PM2) and the switching electromagnetic field (EM2) run over the magnetic yoke (20, 21), the holding core (14) and the armature (7), wherein

the return device (12, 18) has a first core (12) for positioning the armature (7) in the first armature position (I) and a first electromagnet device (18),

which is energized in the return switching process (SV1) to form a first electromagnetic field (EM1),

wherein the first electromagnetic field (EM1) and a first permanent magnetic field (PM1) of the permanent-magnet device (16) run over the magnetic yoke (20, 21),

the first core (12) and the armature (7), wherein in the first armature position (I) the first permanent magnetic field (PM1) holds the armature (7) on the first core (12) and the air gap (22) is formed between the armature (7) and the holding core (14), wherein the control device (40) is designed to actuate the circuit arrangement (30) in such a way that the first electromagnet device (18) in the armature switching process (SV2) is energized by way of a compensation current (I_k) to form a temporally increasing compensating electromagnetic field for at least partial compensation of the first permanent magnetic field (PM1).

2. Solenoid valve device (5, 105) according to Claim 1, characterized in that a current direction of the compensation current (I_k) in the switching electromagnet device (19) is opposite to a current direction of the switching current (I2_S) in the switching electromagnet device (19).

3. Solenoid valve device (5, 105) according to Claim 1 or 2, characterized in that the compensation current (I_k) during the return switching process (SV1) is temporally variable and has a maximum current value (I_max) only after a start-up period (Δ_t1).

4. Solenoid valve device (5, 105) according to Claim 3, characterized in that a maximum current value (I_max) of the compensation current (I_k) during the return switching process (SV1) lies below a switching current value of the switching current (I2_S).

5. Solenoid valve device (5, 105) according to Claim 3 or 4, characterized in that the compensation current (I_k) during the return switching process (SV1) has a temporally delayed steady and/or rapid increase to the maximum current value (I_max) of the compensation current (I_k).

6. Solenoid valve device (5, 105) according to Claim 5, characterized in that the temporally delayed increase of the compensation current (I_k) has at least a steady temporal ramp profile (Δt1) and/or a rapid profile to an average current value (I_mid) with a subsequent increase to the maximum current value (I_max).

7. Solenoid valve device (5, 105) according to one of the preceding claims, characterized in that the solenoid valve (1, 101) is formed as a 3/2 directional control valve with a pressure input (2a), a first pressure output (2b) and a second pressure output (2c), wherein the first pressure output (2b) in both armature positions (I, II) is connected in each case to either the pressure input (2a) or the second pressure output (2c) and the respective other connection (2c, 2a) is blocked.

8. Solenoid valve device (5) according to Claim 1, characterized in that the two electromagnet devices (18, 19) are connected as a series circuit or parallel circuit and are both able to be energized jointly in both switching processes (SV1, SV2).

9. Solenoid valve device (5) according to Claim 1 or 8, characterized in that the two electromagnet devices (18, 19) are able to be energized by way of the control device (40) for the return switching process (SV1) in a first direction and for the armature switching process (SV2) in a second direction opposite to the first direction.

10. Solenoid valve device (5, 105) according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement (30) has:

high-side drivers (Tr1, Tr2), for example transistors,

which are connected between an upper supply voltage (Uv) and the two electromagnet devices (18, 19), and

low-side drivers (Tr3, Tr4), for example transistors,

which are connected between the two electromagnet devices (18, 19) and a lower supply voltage, for example ground (GND), wherein the high-side drivers (Tr1, Tr2) and the low-side drivers (Tr3, Tr4) are able to be switched, in particular able to be switched over in alternation, for the switching processes (SV1, SV2).

11. Method for switching a bistable solenoid valve (1, 101), in which a switching electromagnet device (19) is energized by way of a switching current (I2s) in an armature switching process (SV2) to form a switching electromagnetic field (EM2), by way of which an armature (7) is displaced from a first armature position (I) to a second armature position (II), wherein valve means (8, 9, 10, 11) are displaced by way of the armature (7),
wherein the armature (7) is held in the second armature position (II) by way of a holding permanent magnetic field (PM2) of a holding permanent-magnet device (16, 116), and
the armature (7) is returned to the first armature position (I) by a return device (12, 18; 70) in a return switching process (SV1), wherein
the switching electromagnet device (19) is energized in the return switching process (SV1) by way of a compensation current (I_K) to form a compensating electromagnetic field (EM2_k) for at least partial compensation of the holding permanent magnetic field (PM2), wherein the compensation current (I_k) and the switching current (I2_S) are oriented in opposite directions, wherein the compensation current (I_K) is introduced into the switching electromagnet device (19) in a temporally variable and/or temporally increasing manner and reaches a maximum current value (I_max) only after a start-up period (Δ_t1), wherein the armature (7) bears against a holding core (14) in the second armature position (II), through which holding core the holding permanent magnetic field (PM2) runs, and the armature (7) is moved away from the holding core (14) in the return switching process (SV1) even before the maximum current value (I_max) of the compensation current (I_k) is reached so as to form an air gap (22) between the armature (7) and the holding core (14) to weaken the permanent magnetic field (PM2) and the compensating electromagnetic field.

12. Method according to Claim 11, characterized in that the compensation current (I_k) is raised in the return switching process (SV1) with a temporally delayed steady and/or rapid increase to the maximum current value (I_max).

13. Method according to Claim 12, characterized in that the temporally delayed increase has at least a steady ramp profile and/or a rapid profile to an average current value (I_mid).

14. Method according to one of Claims 11 to 13, characterized in that the return device (12, 18) has a first electromagnet device (18),
wherein the first electromagnet device (18) is energized in the return switching process (SV1) so as to form a first electromagnetic field (EM1), which pulls the armature (7) into the first armature position (I),
wherein the armature (7) is held in the first armature position (I) by way of a first permanent magnetic field (PM1),
wherein the first electromagnet device (18) is energized in the armature switching process (SV2) to form a first compensating electromagnetic field (EM1_k) for at least partial compensation of the first permanent magnetic field (PM1), preferably with corresponding energization in both switching process (SV1, SV2).

15. Method according to Claim 14, characterized in that the two electromagnet devices (18, 19), connected in series or in parallel, are energized jointly in both switching processes (SV1, SV2).

Revendications

1. Dispositif d'électrovanne (5, 105) bistable pour un système de fluide (50), comprenant une électrovanne (1, 101), un arrangement de circuit (30, 130) et un dispositif de commande (40) destiné à piloter l'arrangement de circuit (30, 130), l'électrovanne (1, 101) possédant :

un induit (7) qui peut être positionné entre une première position d'induit (I) et une deuxième position d'induit (II), et des moyens formant vanne (8, 9, 10, 11) positionnables par l'induit (7), lesquels se trouvent dans des positions de vanne différentes dans la première et la deuxième position d'induit (I, II),

un dispositif à aimant permanent (16, 116) destiné à former un champ magnétique permanent (PM2) de maintien qui maintient l'induit (7) dans la deuxième position d'induit (II),

un dispositif électromagnétique de commutation (19) destiné à former un champ électromagnétique de commutation (EM2) pour une opération de commutation d'induit (SV2) de la première position d'induit (I) à la deuxième position d'induit (II) et

un dispositif de rappel (12, 18 ; 70) destiné à rappeler l'induit (7) dans une opération de commutation de rappel (SV1) dans la première position d'induit (I),

l'arrangement de circuit (30, 130) étant configuré pour exciter le dispositif électromagnétique de commutation (19) dans l'opération de commutation d'induit (SV2) avec un courant de commutation (I2_S),

le dispositif de commande (40) étant configuré pour piloter l'arrangement de circuit (30, 130) de telle sorte que le dispositif électromagnétique de commutation (19), dans l'opération de commutation de rappel (SV1), est alimenté électriquement avec un courant de compensation (I_k) destiné à former un champ électromagnétique de compensation (EM2_k) destiné à compenser au moins partiellement le champ magnétique permanent (PM2) de maintien,

l'électrovanne (1, 101) possédant une culasse magnétique (20, 21) et un noyau de maintien (14) servant à l'appui de l'induit (7) dans la deuxième position d'induit (II),

un entrefer (22) étant formé dans la première position d'induit (I) entre l'induit (7) et le noyau de maintien (14) et

le champ magnétique permanent (PM2) de maintien et le champ électromagnétique de commutation (EM2) se propageant par le biais de la culasse magnétique (20, 21), du noyau de maintien (14) et de l'induit (7),

le dispositif de rappel (12, 18) possédant un premier noyau (12) servant à l'appui de l'induit (7) dans la première position d'induit (I) et un premier dispositif électromagnétique (18) qui est alimenté électriquement dans l'opération de commutation de rappel (SV1) pour former un premier champ électromagnétique (EM1), le premier champ électromagnétique (EM1) et un premier champ magnétique permanent (PM1) du dispositif à aimant permanent (16) se propageant par le biais de la culasse magnétique (20, 21), du premier noyau (12) et de l'induit (7), dans la première position d'induit (I), le premier champ magnétique permanent (PM1) maintenant l'induit (7) contre le premier noyau (12) et l'entrefer (22) étant formé entre l'induit (7) et le noyau de maintien (14), le dispositif de commande (40) étant configuré pour piloter l'arrangement de circuit (30) de telle sorte que le premier dispositif électromagnétique (18), dans l'opération de commutation d'induit (SV2), est alimenté électriquement avec un courant de compensation (I_k) destiné à former un champ électromagnétique de compensation croissant dans le temps en vue de compenser au moins partiellement le premier champ magnétique permanent (PM1).

2. Dispositif d'électrovanne (5, 105) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un sens de courant du courant de compensation (I_k) dans le dispositif électromagnétique de commutation (19) est l'inverse d'un sens de courant du courant de commutation (I2_S) dans le dispositif électromagnétique de commutation (19).

3. Dispositif d'électrovanne (5, 105) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le courant de compensation (I_k) est variable dans le temps pendant l'opération de commutation de rappel (SV1) et ne présente une valeur de courant maximale (I_max) qu'après un intervalle de temps de mise en marche (Δ_t1).

4. Dispositif d'électrovanne (5, 105) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une valeur de courant maximale (I_max) du courant de compensation (I_k) est inférieure à une valeur de courant du courant de commutation (I2_S) pendant l'opération de commutation de rappel (SV1).

5. Dispositif d'électrovanne (5, 105) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que pendant l'opération de commutation de rappel (SV1), le courant de compensation (I_k) présente une augmentation retardée dans le temps, constante et/ou par à-coups à la valeur de courant maximale (I_max) du courant de compensation (I_k).

6. Dispositif d'électrovanne (5, 105) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'augmentation retardée dans le temps du courant de compensation (I_k) présente au moins un tracé de rampe (Δt1) constant dans le temps et/ou un tracé par à-coups à une valeur de courant moyenne (I_mid) suivi d'une augmentation à la valeur de courant maximale (I_max).

7. Dispositif d'électrovanne (5, 105) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrovanne (1, 101) est réalisée sous la forme d'un distributeur à 3/2 voies doté d'une entrée de pression (2a), d'une première sortie de pression (2b) et d'une deuxième sortie de pression (2c), la première sortie de pression (2b), dans les deux positions d'induit (I, II), étant respectivement reliée soit à l'entrée de pression (2a), soit à la deuxième sortie de pression (2c) et l'autre raccord (2c, 2a) respectif étant fermé.

8. Dispositif d'électrovanne (5) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux dispositifs électromagnétiques (18, 19) sont branchés sous la forme d'un circuit série ou d'un circuit parallèle et peuvent être alimentés électriquement en commun dans les deux opérations de commutation (SV1, SV2) .

9. Dispositif d'électrovanne (5) selon la revendication 1 ou 8, caractérisé en ce que les deux dispositifs électromagnétiques (18, 19) peuvent être alimentés électriquement par le dispositif de commande (40) dans une première direction pour l'opération de commutation de rappel (SV1) et dans une deuxième direction opposée à la première direction pour l'opération de commutation d'induit (SV2).

10. Dispositif d'électrovanne (5, 105) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arrangement de circuit (30) possède :

des composants d'excitation côté haut (Tr1, Tr2), par exemple des transistors, qui sont branchés entre une tension d'alimentation haute (Uv) et les deux dispositifs électromagnétiques (18, 19) et

des composants d'excitation côté bas (Tr3, Tr4), par exemple des transistors, qui sont branchés entre les deux dispositifs électromagnétiques (18, 19) et une tension d'alimentation basse, par exemple la masse (GND), les composants d'excitation côté haut (Tr1, Tr2) et les composants d'excitation côté bas (Tr3, Tr4) pouvant être commutés, notamment permutés en alternance, pour les opérations de commutation (SV1, SV2) .

11. Procédé de commutation d'une électrovanne (1, 101) bistable, avec lequel, dans une opération de commutation d'induit (SV2), un dispositif électromagnétique de commutation (19) est alimenté électriquement avec un courant de commutation (I2s) en vue de former un champ électromagnétique de commutation (EM2) par lequel un induit (7) est positionné d'une première position d'induit (I) à une deuxième position d'induit (II), des moyens formant vanne (8, 9, 10, 11) étant positionnés par l'induit (7), l'induit (7) étant maintenu dans la deuxième position d'induit (II) par un champ magnétique permanent (PM2) de maintien d'un dispositif à aimant permanent (16, 116) de maintien, et l'induit (7) étant rappelé dans la première position d'induit (I) dans une opération de commutation de rappel (SV1) par un dispositif de rappel (12, 18 ; 70), le dispositif électromagnétique de commutation (19), dans l'opération de commutation de rappel (SV1), étant alimenté électriquement avec un courant de compensation (I_K) destiné à former un champ électromagnétique de compensation (EM2_k) destiné à compenser au moins partiellement le champ magnétique permanent (PM2) de maintien, le courant de compensation (I_K) et le courant de commutation (I2_S) étant orientés en sens inverse, le courant de compensation (I_k) étant injecté dans le dispositif électromagnétique de commutation (19) avec variation dans le temps et/ou de manière croissante dans le temps et n'atteignant une valeur de courant maximale (I_max) qu'après un intervalle de temps de mise en marche (Δ_t1), l'induit (7) dans la deuxième position d'induit (II) reposant contre un noyau de maintien (14) à travers lequel se propage le champ magnétique permanent (PM2) de maintien, et dans l'opération de commutation de rappel (SV1), l'induit (7) étant écarté du noyau de maintien (14) encore avant d'atteindre la valeur de courant maximale (I_max) du courant de compensation (I_k) en formant un entrefer (22) entre l'induit (7) et le noyau de maintien (14) en vue d'affaiblir le champ magnétique permanent (PM2) et le champ électromagnétique de compensation.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que dans l'opération de commutation de rappel (SV1), le courant de compensation (I_k) est accru avec une augmentation retardée dans le temps, constante et/ou par à-coups à la valeur de courant maximale (I_max).

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'augmentation retardée dans le temps présente au moins un tracé de rampe constant et/ou un tracé par à-coups à une valeur de courant moyenne (I_mid).

14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que
le dispositif de rappel (12, 18) possède un premier dispositif électromagnétique (18)
dans l'opération de commutation de rappel (SV1), le premier dispositif électromagnétique (18) étant alimenté électriquement en formant un premier champ électromagnétique (EM1) qui attire l'induit (7) dans la première position d'induit (I),
l'induit (7) étant maintenu dans la première position d'induit (I) par un premier champ magnétique permanent (PM1),
dans l'opération de commutation d'induit (SV2), le premier dispositif électromagnétique (18) étant alimenté électriquement pour former un premier champ électromagnétique de compensation (EM1_k) destiné à compenser au moins partiellement le premier champ magnétique permanent (PM1), de préférence avec une alimentation électrique correspondante dans les deux opérations de commutation (SV1, SV2).

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que dans les deux opérations de commutation (SV1, SV2), les deux dispositifs électromagnétiques (18, 19) sont branchés en série ou en parallèle et alimentés électriquement en commun.

Zeichnung