Aufbau, Betriebsverhalten und Simulation pneumatischer Regelventile

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung
1.1 Allgemeines zur Pneumatik
1.1.1 Geschichtliches zur Pneumatik
1.1.2 Grundbegriffe der Pneumatik
1.1.2.1 Der Druck
1.1.2.2 Der Volumenstrom
1.2 Allgemeines zu Ventilen
1.2.1 Wegeventile
1.2.2 Druckventile

2 Magnete
2.1 Allgemeines zu elektromechanischen Umformern
2.2 Grundgesetze des magnetischen Feldes
2.3 Der Proportionalmagnet
2.4 Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02
2.4.1 Allgemeines zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02
2.4.2 Kennlinien zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02

3 Direktgesteuertes 3-Wege-Proportional-Druckregelventil Norgren Herion VP40
3.1 Allgemeines zum direktgesteuerten 3-Wege-Proportional-Druckregelventil Norgren Herion VP40
3.2 Beschreibung der Funktion
3.3 Zusammenfassung

4 WABCO Relaisventil 973 011 000 0
4.1 Allgemeines zum untersuchten Relaisventil
4.2 Wirkungsweise
4.3 Kennlinien des Ventils
4.4 Zusammenfassung

5 JCI Signalumformer EP 1110-7001 (elektrisch - pneumatisch)
5.1 Allgemeines zu dem elektrisch - pneumatischen Signalumformer
5.2 Beschreibung der Funktion
5.3 Zusammenfassung

6 Festo Proportional-Wegeventil MPYE - 5 - 1/8
6.1 Allgemeines zu Proportionalventilen
6.2 Allgemeines zu dem Festo Proportional-Wegeventil MPYE - 5 - 1/8
6.2.1 Vorteile des Ventils
6.2.2 Allgemeine technische Daten
6.2.3 Elektrische Daten
6.3 Beschreibung der Funktion
6.4 Diagramme
6.5 Zusammenfassung

7 Norgren Herion 3-Wege-Proportional-Druckregelventil NG 8
7.1 Allgemeines zum Norgren Herion 3-Wege-Proportional-Druckregelventil NG 8
7.1.1 Allgemeine Daten zum untersuchten Ventil
7.1.2 Technische Daten des untersuchten Ventils
7.2 Beschreibung der Funktion
7.2.1 Die Vorstufe
7.2.2 Die Hauptstufe
7.3 Digitale Simulation des Ventils
7.3.1 Die Simulationssprache „Modelica“
7.3.2 Die digitale Simulation
7.3.2.1 Das Simulationswerkzeug „Dymola“
7.3.2.2 Die Modellierung
7.3.2.2.1 Modellierung in Dymola allgemein
7.3.2.2.2 Modellierung des Proportionalventils
7.3.2.2.2.1 Modellierung der Vorstufe
7.3.2.2.2.2 Modellierung der Hauptstufe
7.3.2.2.2.3 Gesamtmodellierung
7.3.2.3 Die Simulation und graphische Darstellung
7.3.2.3.1 Simulation in Dymola allgemein
7.3.2.3.2 Die Simulation des Proportionalventils
7.3.2.3.2.1 Die Simulation der Vorstufe
7.3.2.3.2.2 Die Gesamtsimulation
7.4 Diagramme
7.5 Zusammenfassung

8 Zusammenfassung

9 Literaturverzeichnis

Aufgabenstellung

Thema: Aufbau, Betriebsverhalten und Simulation pneumatischer Regelventile

In der Automatisierungstechnik ist die Pneumatik unverzichtbar, wenn es gilt, relativ geringe Massen mit großer Geschwindigkeit über Entfernungen im Dezimeterbereich zu bewegen. Dabei ist häufig erforderlich Drücke konstant zu halten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dazu typischen Ventilen:

- Druckminderventil mit Ansteuerung durch einen Proportionalmagneten
- Vorgesteuertes Druckminderventil mit elektronischer Regelung
- Spannungs-Druck-Wandler aus der Prozessautomatisierung
- Schieberventil mit geregelter Position
- Relaisventil als Druckkopierer

In dieser Diplomarbeit soll die Funktionsweise dieser Ventile untersucht und darge- stellt werden. Dazu gehört das statische und dynamische Verhalten, das zum Teil in den Herstellerunterlagen beschrieben, zum Teil aber experimentell im Labor zu un- tersuchen ist.

Die Funktionsweise ist mit Hilfe von Fotos bzw. zwei- und dreidimensionalen Illustrationen zu beschreiben, wobei nicht die normgemäße Darstellung der Komponenten, sondern eine didaktisch aufbereitete Darstellung erforderlich ist.

Am Beispiel der vorgesteuerten Druckminderventile ist darüber hinaus ein Simulationsmodell in der Sprache Modelica zu erstellen und zu zeigen, wie mit Hilfe dieses Modells Parametervariationen untersucht werden können.

An dieser Stelle möchte ich mich herzlich bei Herrn Prof. Dr. Beater bedanken, der meine Diplomarbeit betreute und mir bei allen Fragen stets hilfreich zur Seite stand. Dank sagen möchte ich ebenfalls Herrn Ratajczak, der mich bei meiner Tätigkeit im Labor für Steuerungs- und Regelungstechnik unterstützte, und meiner Freundin Sandra, die mir in der Zeit meiner Diplomarbeit stets zur Seite stand.

1 Einführung

1.1 Allgemeines zur Pneumatik

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

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

1.1.1 Geschichtliches zur Pneumatik

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

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

1. 1 dargestellte Tempeltürenöffner für ägyptische Priester gebaut wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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

Von Heron stammt auch der Entwurf einer pneumatisch angetriebenen Orgel (s. Bild 1. 2). Durch eine Windmühle als Motor wird eine Kolben- pumpe betätigt, die Luft in eine unter Wasser installierte Glocke fördert, von wo sie zu den entsprechenden Orgelpfeifen geführt wird. Diese Glocke ist der erste druckausgleichende Windkessel, der auf Ktesibios im 3. Jahrhundert zurückgeht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

Nach diesen Anwendungen sind über 1000 Jahre keine weiteren Entwick- lungen feststellbar. Erst im 12. Jahrhundert kam die Windmühle, deren Technik der von Philon und Heron entsprach, von Persien in den Westen. Im 17. Jahrhundert begann man sich von den bis dahin angewandten Techniken zu lösen. Bis zum 19. Jahrhundert sind vereinzelte Anwendun- gen der Druckluft in sehr kleinem Umfang bekannt. Am Ende des 19. Jahrhunderts begann dann eine schnelle Entwicklung, die bis in die Ge- genwart anhält. Zum Beispiel wurde 1861 zum Antrieb einer Gesteins- bohrmaschine für Tunnelbauten Druckluft eingesetzt. Zur Erzeugung der Druckluft wurde von den Gebirgen kommendes Druckwasser benutzt, wo- bei die Verbindung mit dem Zu- bzw. Abfluss über ein Ventilsystem erfolg- te. Seit Ende des 19. Jahrhunderts gibt es in Paris eine sogenannte Druckluftzentrale, die Handwerks- und Industriebetriebe mit Druckluft versorgt. (W. Backe/H. Murrenhoff - Grundlagen der Pneumatik (1999))

1.1.2 Grundbegriffe der Pneumatik

In diesem Kapitel sollen die zwei wichtigen Grundbegriffe Druck und Volumenstrom kurz erläutert werden. Diese beiden Größen sind die Entscheidenden, wenn man eine Aussage über die Qualität von pneumatischen Ventilen treffen möchte.¹

1.1.2.1 Der Druck

In der Technik werden verschiedene Druckgrößen benutzt, für die unter- schiedliche Bezeichnungen gebräuchlich sind. Im folgenden sind die nach DIN 1314 empfohlenden Bezeichnungen mit „*“ gekennzeichnet. Die SI- Einheit für den Druck ist 1 Pa ( ˆ 1 N / m² ). Es hat sich aber als zweckmä-ßig erwiesen, mit der Einheit „bar“ eine Druckeinheit in der Größenordung des Atmosphärendrucks zur Verfügung zu haben. Aus diesem Grund wird im Verlauf dieser Diplomarbeit die Einheit bar ( ˆ 10⁵ Pa) als Druckeinheit verwendet. (...)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.1.2.2 Der Volumenstrom

Der in Bezug auf ein absolutes Vakuum gemessene Druck. Er ist gleich der Summe des atmosphä- rischen und des Überdrucks.

Der in einem Gas senkrecht zur Strömungsrichtung wirkende Druck.

Der sich ergebende Druckanstieg, wenn sich die Geschwindigkeits- energie eines gleichförmig strö- menden Gases vollständig und verlustfrei (isentrop) in Druck um- wandelt.

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

Der Normzustand bei den durchgeführten Versuchen liegt bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1,013 bar.²

1.2 Allgemeines zu Ventilen

Steuerelemente in der Pneumatik sind Ventile, die den Leistungsfluss schaltend oder stetig beeinflussen. Ventile unterscheiden sich durch ihre Betätigungsart. Entsprechend der Funktion differenziert man:

- Wegeventile bestimmen die Richtung, den Beginn und das Ende des Durchflusses
- Druckventile beeinflussen den Druck der Luft
- Sperrventile schalten den Durchfluss in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung
- Stromventile beeinflussen die Menge des Durchflusses

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

1.2.1 Wegeventile

Wegeventile werden in der Pneumatik, wie in der Hydraulik, nach der Anzahl der Anschlüsse und der Anzahl der Schaltstellungen eingeteilt und bezeichnet. So hat zum Beispiel ein 3/2-Wegeventil drei Anschlüsse und zwei verschiedene Schaltstellungen.

Die symbolische Darstellung nach DIN-ISO 1219 sieht für jede Schaltstellung ein rechteckiges Feld vor. Diese Felder können mit Null beginnend nummeriert werden.

Die Nullstellung ist diejenige Schaltstellung, die das Ventil im drucklosen Zustand nach Aufheben der Betätigungskräfte einnimmt. Das Feld, wel- ches die Nullstellung des Ventils darstellt, wird durch die Zahl Null ge- kennzeichnet. Besitzt das Ventil keine definierte Ruhestellung, dann erhält das Feld, das die Ausgangsstellung des Steuerungsablaufes darstellt, die Zahl Null.

Alle Anschlüsse werden an das Feld mit der Null- bzw. Ausgangsstellung gezeichnet.

Die Verbindung der Anschlüsse in den verschiedenen Schaltstellungen wird durch Pfeile in den einzelnen Feldern gekennzeichnet. In Bild 1. 4 ist ein 4/2-Wegeventil symbolisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

Andere Schaltstellungen werden durch Verschieben der gesamten Felder, bis die Leitungen und Anschlüsse zur Deckung kommen, erreicht. Die Symbole für die Betätigung des Ventils werden rechtwinklig zu den Anschlüssen außerhalb der Felder angeordnet. In Bild 1. 4 handelt es sich also um ein elektromagnetisch betätigtes 4/2-Wegeventil mit Federrück- stellung.

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

Es gibt bei Wegeventilen grundsätzlich fünf verschiedene Arten der Ansteuerung:

- Betätigung durch Muskelkraft
- Mechanische Betätigung
- Pneumatische Betätigung
- Elektromagnetische Betätigung
- Vorgesteuerte Ventile

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

Elektromagnetisch betätigte Wegeventile werden vorteilhaft an automatisierten Maschinen mit komplizierten Funktionen und bei Verriegelungsschaltungen eingesetzt.

Die Vorteile einer elektromagnetischen Betätigung sind:

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

Die Magnete werden in Gleich- und Wechselstromausführung eingesetzt.

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

1.2.2 Druckventile

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

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

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

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

Grundsätzlich gibt es hierbei zwei verschiedene Ansteuerarten:

- Mechanische Ansteuerung
- Elektrische Ansteuerung

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

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

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

2 Magnete

2.1 Allgemeines zu elektromechanischen Umformern

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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

2.2 Grundgesetze des magnetischen Feldes

In der Umgebung eines stromdurchflossenen Leiters können experimentell Kraftwirkungen auf eine Magnetnadel festgestellt werden, die dazu führen, dass sich die Magnetnadel in einer bestimmten Weise ausrichtet. Das magnetische Feld ist gekennzeichnet durch die magnetische Feldstärke H und die magnetische Flussdichte B.

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Die Feldstärke beschreibt die Intensität des Magnetfeldes. Ihre Ursache ist der elektrische Strom. Nach dem Durchflutungsgesetz gilt für das Linienintegral der magnetischen Feldstärke bei einem Umlauf:

Das Linienintegral der magnetischen Feldstärke ist gleich der Summe der vorzeichenbehafteten Ströme. Neben der magnetischen Feldstärke ist die magnetische Flussdichte eine weitere Größe zur Beschreibung des mag- netischen Feldes. Sie charakterisiert die Feldliniendichte durch einen Querschnitt. Für den Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke und Flussdichte gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Proportionalitätsfaktor P wird als Permeabilität bezeichnet. Sie ist eine materialabhängige Größe und im Allgemeinen nichtlinear. Die Per- meabilität kennzeichnet die „Durchlässigkeit" der magnetischen Feldlinien durch ein Material. Mit der relativen Permeabilität P kann die absolute Permeabilität als ein Vielfaches der Induktionskonstanten P werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bezüglich der magnetischen Materialeigenschaften existieren drei Klassifi- kationen:

< l diamagnetische Werkstoffe

> l para- und antiferromagnetische Werkstoffe

>> l ferro- und ferrimagnetische Werkstoffe

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. 2: Magnetisierungskennlinie eines ferromagnetischen Materials und Permeabilitätsverlauf (Bernd Völker 1999)

Wird ein vollständig entmagnetisiertes Material einem stetig anwachsen- den magnetischen Feld ausgesetzt, so kann die Neukurve dieses Materi- als ermittelt werden. Unaufgefüllte Elektronenschalen ferromagnetischer Werkstoffe führen im kristallinen Aufbau durch Wechselwirkungen unter- einander zu Bezirken gleichgerichteter magnetischer Spinnmomente. Die- se Kristallbereiche gleicher Magnetisierung werden Weiß'sche Bezirke genannt. Im unmagnetischen Zustand ist die Magnetisierungsrichtung der Weiß'schen Bezirke regellos verteilt, sodass der Werkstoff nach außen hin unmagnetisch ist. Durch Anlegen eines äußeren Feldes werden die Weiß'schen Bezirke zunehmend in Feldrichtung ausgerichtet. Im ersten Teil der Magnetisierungskurve kommt es zu reversiblen Blockwandver- schiebungen, die einen geringen Anstieg der Flussdichte bewirken. Irre- versible Blochwandverschiebungen und irreversible Drehprozesse der magnetischen Momente der Weiß'schen Bezirke führen im zweiten Be- reich zu einer steilen Zunahme der Flussdichte. Um den Werkstoff in Feld- richtung weiter aussteuern zu können, müssen reversible Drehprozesse stattfinden, die den dritten Bereich der Neukurve ausmachen. Diese Dreh- prozesse erfordern eine höhere Energiezufuhr als die Wandverschiebun- gen und bewirken eine geringere Flußdichtesteigerung. Sind diese Pro- zesse abgeschlossen, ist der Werkstoff gesättigt, d.h. die magnetischen Momente sind vollständig in Feldrichtung ausgerichtet. Eine weitere Feld- erhöhung führt zu einem linearen Anstieg der B-H-Kennlinie. Wird ausge- hend vom Sättigungspunkt die magnetische Feldstärke verringert, so stellt sich aufgrund irreversibler Prozesse eine Hysteresekurve ein. Bei abge- schaltetem Feld stellt sich aufgrund des Restmagnetismus die sogenannte Remanenzinduktion Br ein. Durch eine negative Feldstärke wird die Fluss- dichte weiter reduziert und bei der Koerzitivfeldstärke Hc zu Null. Magneti- sche Materialien werden zusätzlich bezüglich deröffnung der Hysterese- kurve klassifiziert. Ein Maßhierfür ist die Koerzitivfeldstärke. Man unter- scheidet hierbei zwischen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Der Proportionalmagnet

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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

Das stationäre Verhalten des Proportionalmagneten hängt von den Eigenschaften des Magnetkreises ab, der wegen des nichtmagnetischen konischen Zwischenringes relativ komplex ist (...) Bild 2. 4 stellt das magnetische Netzwerk für einen Proportionalmagneten dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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

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

2.4.1 Allgemeines zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02

- nach VDE 0580
- Ankerraum druckdicht bis 3 bar, Prüfmedium Luft, auch für Trockenlauf geeignet
- Magnetkraft-Hub-Kennlinie im Stellbereich waagerecht bis leichtfallend
- Weitgehende Proportionalität zwischen Kraft und Strom
- Sehr kleine Hysterese durch präzise Speziallagerung des Ankers
- Kurze Stellzeiten
- Ausführung drückend
- Erregerwicklung entspricht der Isolierstoffklasse F
- Elektrischer Anschlußund Schutzart bei ordnungsgemäßer Montage:
- Steckanschlußüber Steckhülsen nach DIN 46247 Schutzart nach DIN VDE 0470/EN 60529 -IP 00
- Steckanschlußüber Gerätesteckdose Z KB G nach DIN 43650 Kabelverschraubung ( 4x90° drehbar) Schutzart nach DIN VDE 0470/EN 60529 -IP 65
- Befestigung mittels 4 Schrauben
- Abdichtung zwischen Magnet und Ventil durch O-Ring
- Abwandlungen und Sonderausführungen sowie Zubehör, wie z.B. Wegaufnehmer und Regelkreis
- Einsatzbeispiele:

Insbesondere proportionales Stellglied in pneumatischen und hydraulischen Steuerketten, sowie in Regelkreisen

Technische Daten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. 6: Technische Daten des Magnet Schultz Proportionalmagneten (Magnet Schultz Magnet)

Der untersuchte Magnet, der zum Norgren Herion Ventil VP40 gehört, wurde mit einer Säge in zwei Hälften geteilt, um das Funktionsprinzip besser erkennen und um den Magneten dokumentieren zu können. Eine 3D- Darstellung wurde mit „Mechanical Desktop“ angefertigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. 7: CAD Darstellung des untersuchten Proportionalmagneten des Norgren Herion Ventils VP40

Es ist an diesem Bild zu erkennen, welche Unterschiede zu einem Magneten der Hydraulik vorliegen (s. Bild 2. 7). Im Vergleich zu dem „hydraulischen“ Proportionalmagneten hat der „pneumatische“ kein Rohr. Außerdem tritt hier das Medium (Luft) ein.

2.4.2 Kennlinien zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02

Des weiteren wurden einige Kennlinien des Magneten aufgenommen, um die Charakteristik besser beschreiben zu können. Zunächst wurde mit ei- nem empfindlichen Kraftaufnehmer die Kraft des Magneten aufgezeichnet, die bei verschiedenen Stromwerten auftritt. Grundsätzlich gibt es dabei 2 verschiedene Möglichkeiten der Ansteuerung. Einerseits ist dies per Puls- weitenmodulation möglich, andererseits mit einer konstanten Ansteue- rung.

Zu Beginn wird die Kennlinie der Magnetkraft über dem Strom dargestellt. Das Diagramm gibt Aufschluss darüber, wie großdie Kraft ist, die vom Magneten in Abhängigkeit des Stromes aufgebracht wird. Anfangs soll kurz die Pulsweitenmodulation (PWM) erläutert werden. Die PWM ist eine Ansteuerungsart mit verschiedenen Pulsbreiten und Fre- quenzen (s. Bilder 2. 8 und 2. 9). Die Frequenz beschreibt, wie häufig die Stromimpulse und die Pausen sich wiederholen. Die Pulsbreite gibt an, wie großder Impuls ist. Das Einschaltverhältnis drückt prozentual aus, welchen Teil der Periode der Puls einnimmt. Bei einem Einschaltverhältnis von 100% wäre folglich ein durchgängiger Puls vorhanden und bei einem von 50% (s. Bild 2. 8) wären Puls und Pulsdauer folglich von gleicher Län- ge.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. 8: Pulsweitenmodulation 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. 9: Pulsweitenmodulation 2

Bild 2. 10 stellt die Kennlinie dar, bei der die Ansteuerung mittels Pulswei- tenmodulation erfolgt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Kraft proportional mit der Erhöhung des Stroms steigt. Außerdem ist gut ersichtlich, dass die Kennlinie bei allen Frequenzen sehr ähnlich ist und somit weitestgehend unabhängig von diesen ist. Weiter ist eine geringe Hysterese zu erkennen.

Diese liegt bei ca. 2 N. Es ist folglich zu beobachten, dass die Kennlinie sich einer Gerade sehr stark annähert und somit nahezu optimal ist. Die rote, gestrichelte Linie in den Bildern 2. 10 - 2. 13 stellt einen Vergleich der Werte bei einem Strom von 0,4 A dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. 10: Magnetkraft-Strom-Kennlinie (Pulsweitenmodulation) des Magneten des Norgren Herion Ventils VP40

Wie in Bild 2. 11 ersichtlich, wurde die Kennlinie mit einer stetigen Ansteuerung aufgenommen. Beim Vergleich der beiden Kennlinien der beiden Ansteuerungsarten sind nicht viele Unterschiede auszumachen. Auch bei der stetigen Ansteuerung ist die Kraft nahezu proportional zu dem Strom. Der einzige Nachteil gegenüber der Pulsweitenmodulation ist die etwas höhere Hysterese. Sie liegt hier bei etwa 3-4 N.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. 11: Magnetkraft-Strom-Kennlinie (stetige Ansteuerung) des Magnet Schultz Mag- neten

Auch der Hersteller „Magnet Schultz“ dieses Magneten stellt eine Kennlinie der Magnetkraft in Anhängigkeit des Stroms zur Verfügung (s. Bild 2. 12). Hier ist ebenfalls auf den ersten Blick die Linearität (Proportionalität der Kraft zum Strom) zu erkennen. Die eingezeichneten Kontrollpunkte bei 0,4 A sind bei allen drei Kennlinien nahezu identisch. Es liegt jeweils eine Kraft von ca. 35 N bei 0,4 A vor.

Weiter ist auch die Hysterese, welche bei ca. 1-2 N liegt, hier gut zu beobachten. Es ist somit eine „ehrliche“ Kennlinie, die der Hersteller „Magnet Schulz“ angibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. 12: Magnetkraft-Strom-Kennlinie bei konstantem Hub (Magnet Schultz Magnet)

Die weitere charakteristische Kennlinie eines Proportionalmagneten ist die Magnetkraft in Abhängigkeit des Hubes (s. Bilder 2. 13 - 2. 15). Diesen führt der Stift aus, auf den die Magnetkraft wirkt und welcher anschließend aus dem Magneten herausfährt.

Zunächst wird die Kraft in Abhängigkeit des Weges in der Art aufgezeigt, wie sie im Labor aufgezeichnet wurde (Bild 2. 13). Durchgeführt wurden die Messungen mit einem „Kepco“ Verstärker. Vorteil der Stromreglung mit einem „Kepco“ Verstärker ist, dass der Strom über die gesamten Messun- gen konstant gehalten wird. Es wurden Stromwerte von 100 - 700 mA eingestellt.

Es ist festzustellen, dass die Kraft über dem Weg nicht völlig konstant bleibt. Eine leichte Welligkeit ist zu erkennen. Von 0 - 1,4 mm (Wende- punkt) Hub steigt die Kraft an, danach fällt sie relativ stark ab. Die größten Kraftwerte sind bei den Messungen von 300 - 700 mA bei einem Weg von 1,4 mm zu erkennen. Da die Ventile, die derartige Proportionalmagneten verwenden, aber nur einen sehr geringen Weg nutzen, ist die Abhängig- keit der Magnetkraft vom Weg als proportional anzunehmen.

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¹ Die Kapitel 1.1.2.1 und 1.1.2.2 sind W. Backe/H. Murrenhoff - Grundlagen der Pneumatik (1999) zu entnehmen

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

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