Magnetventil

Ein Magnetventil ist ein elektromechanisch betätigtes Ventil , das in Heizungsanlagen, Kraftstoffleitungen und der industriellen Automatisierung zur Regelung des Durchflusses von Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt wird. Es funktioniert, indem elektrischer Strom durch eine Spule geleitet wird, wodurch ein Magnetfeld entsteht. Dieses Magnetfeld zieht einen Kolben an, der den Ventilmechanismus betätigt und so die Durchflusskanäle öffnet oder schließt.

Magnetventile unterscheiden sich hinsichtlich der Eigenschaften des verwendeten Stroms , der Stärke des erzeugten elektromagnetischen Felds , des Regelmechanismus und der Art und Eigenschaften des gesteuerten Fluids. Die Mechanismen reichen von linearen Kolben- und Kipphebelantrieben bis hin zu solchen mit Schwenkanker. Das Ventil kann als Zweiwegeventil zur Durchflussregelung oder als Drei- oder Mehrwegeventil zum Umschalten zwischen verschiedenen Anschlüssen ausgeführt sein. Mehrere Magnetventile lassen sich auf einem Verteilerblock zusammenfassen. Der durch die Kraft des Magnetkolbens betätigte Ventilmechanismus kann ein Schieberventil oder ein Tellerventil sein. Einfache Magnetventile verwenden eine Feder, um das Ventil in die Ruhestellung zurückzubringen; komplexere Ventile verfügen über zwei oder mehr Spulen zur Bewegung des Schiebers. Proportionalventile ermöglichen die Einstellung der Ventilposition über einen bestimmten Bereich durch einen variablen Strom. Dies kann zur Durchflussregelung und damit zur Steuerung der Drehzahl von Fluidgeräten genutzt werden. ^{[ 1 ]}

Magnetventile sind die am häufigsten verwendeten Steuerelemente in der Fluidik . Ihre Aufgaben umfassen das Absperren, Freigeben, Dosieren, Verteilen und Mischen von Fluiden. Sie finden in vielen Anwendungsbereichen Verwendung. Magnetventile zeichnen sich durch schnelles und sicheres Schalten, hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, gute Materialverträglichkeit, geringen Leistungsbedarf und kompakte Bauweise aus.

Es gibt zahlreiche Ventilbauarten. Herkömmliche Ventile können mehrere Anschlüsse und Durchflusswege aufweisen. Ein 2-Wege-Ventil beispielsweise besitzt zwei Anschlüsse. Ist das Ventil geöffnet , sind die beiden Anschlüsse verbunden und das Fluid kann zwischen ihnen fließen. Ist das Ventil geschlossen , sind die Anschlüsse voneinander getrennt. Ist das Ventil geöffnet, ohne dass der Magnet bestromt wird, spricht man von einem normalerweise offenen Ventil (NO). Ist das Ventil hingegen geschlossen, ohne dass der Magnet bestromt wird, spricht man von einem normalerweise geschlossenen Ventil (NC). ^{[ 2 ]} Darüber hinaus gibt es 3-Wege-Ventile und komplexere Bauarten. ^{[ 3 ]} Ein 3-Wege-Ventil besitzt drei Anschlüsse; jeder Anschluss ist mit einem der beiden anderen verbunden (typischerweise einem Zufuhr- und einem Abluftanschluss).

Magnetventile werden auch durch ihre Funktionsweise charakterisiert. Ein kleiner Magnet kann eine begrenzte Kraft erzeugen. Eine Näherungsbeziehung zwischen der erforderlichen Magnetkraft F _{_s} , dem Fluiddruck P und der Öffnungsfläche A für ein direktwirkendes Magnetventil ist: ^{[ 4 ]}

${\displaystyle F_{s}=PA=P{\frac {\pi d^{2}}{4}}}$

wobei d der Düsendurchmesser ist. Eine typische Magnetkraft beträgt etwa 15 N (3,4 lbf ₎ . Eine Anwendung könnte ein Niederdruckgas (z. B. 10 psi (69 kPa)) mit einem kleinen Düsendurchmesser (z. B. 3/8 Zoll ( 9,5  mm) bei einer Düsenfläche von 0,11 Zoll² ⁽ 71 mm² ⁾ und einer ungefähren Kraft von 1,1 lbf (4,9 N)) sein.

Ist die benötigte Kraft gering genug, kann der Magnet das Hauptventil direkt betätigen. Diese Ventile werden als direktwirkende Magnetventile bezeichnet. Bei Stromzufuhr wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt , wodurch eine Barriere bewegt wird, die den Durchfluss entweder unterbricht (bei Schließer) oder ermöglicht (bei Nichtschließer). Eine Feder sorgt dafür, dass das Ventil nach dem Abschalten der Stromzufuhr in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Direktwirkende Ventile sind aufgrund ihrer Einfachheit vorteilhaft, benötigen jedoch im Vergleich zu anderen Magnetventiltypen eine relativ hohe Leistung. ^{[ 5 ]}

Bei hohem Flüssigkeitsdruck und großem Öffnungsdurchmesser kann ein Magnetventil unter Umständen nicht genügend Kraft erzeugen, um das Ventil zu betätigen. Um dieses Problem zu lösen, kann ein vorgesteuertes Magnetventil eingesetzt werden. ^{[ 2 ]} Bei dieser Bauart wird die unter Druck stehende Flüssigkeit selbst genutzt, um die zum Betätigen des Ventils erforderlichen Kräfte aufzubringen. Der Magnet dient dabei als „Pilot“ und steuert den Flüssigkeitsstrom (siehe unten). Diese Ventile werden in Geschirrspülern, Bewässerungsanlagen und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Drücke und/oder große Volumenströme erforderlich sind. Vorgesteuerte Magnetventile verbrauchen in der Regel weniger Energie als direktwirkende Ventile. Allerdings funktionieren sie ohne ausreichenden Flüssigkeitsdruck überhaupt nicht und neigen eher zu Verstopfungen, wenn die Flüssigkeit feste Verunreinigungen enthält. ^{[ 5 ]}

Ein direktwirkendes Magnetventil schaltet typischerweise in 5 bis 10 Millisekunden. Vorgesteuerte Ventile sind etwas langsamer; je nach Größe liegen die typischen Werte zwischen 15 und 150 Millisekunden. ^{[ 3 ]}

Der Stromverbrauch und die Versorgungsspannung des Magnetventils variieren je nach Anwendung und werden primär durch den Flüssigkeitsdruck und den Öffnungsdurchmesser bestimmt. Beispielsweise benötigt ein gängiges 3 / 4 -Zoll-Sprinklerventil mit 150 psi (10,3 bar) für 24-V-Wechselstromsysteme (50–60 Hz) in Wohnhäusern einen kurzzeitigen Einschaltstrom von 7,2 VA und eine Halteleistung von 4,6 VA. ^{[ 6 ]} Im Vergleich dazu benötigt ein industrielles 1 / 2 -Zoll-Ventil mit 10.000 psi (68,8 bar) für 12-, 24- oder 120-V-Wechselstromsysteme in Hochdruck- und Kryoanwendungen einen kurzzeitigen Einschaltstrom von 300 VA und eine Halteleistung von 22 VA. ^{[ 7 ]} Für keines der Ventile wird ein Mindestdruck angegeben, der erforderlich ist, um im stromlosen Zustand geschlossen zu bleiben.

Obwohl es verschiedene Bauformen gibt, folgt eine detaillierte Beschreibung eines typischen vorgesteuerten Magnetventils. Diese Ventile können Metall- oder Gummidichtungen verwenden und verfügen gegebenenfalls über elektrische Schnittstellen zur einfachen Steuerung.

Die Abbildung rechts zeigt den Aufbau eines einfachen Ventils, das in diesem Beispiel den Wasserdurchfluss steuert. Die obere Hälfte zeigt das Ventil im geschlossenen Zustand. Ein Druckwasserstrom strömt bei A ein . B ist eine elastische Membran, über der sich eine Feder befindet, die diese nach unten drückt. Die Membran hat eine winzige Öffnung in der Mitte, durch die eine sehr geringe Wassermenge fließen kann. Dieses Wasser füllt den Hohlraum C , sodass der Druck auf beiden Seiten der Membran annähernd gleich ist. Das Druckwasser im Hohlraum C wirkt jedoch auf eine viel größere Fläche der Membran als das Wasser am Einlass A. Gemäß der Gleichung ist die nach unten wirkende Kraft des Hohlraums C größer als die nach oben wirkende Kraft des Einlasses A , und die Membran bleibt geschlossen. ${\displaystyle F=P*A}$

Die Membran B bleibt geschlossen, solange der kleine Abflusskanal D durch einen Stift blockiert ist, der vom Magneten E gesteuert wird . Bei einem normalerweise geschlossenen Ventil hebt das Anlegen eines elektrischen Stroms an den Magneten den Stift durch Magnetkraft an, und das Wasser im Hohlraum C fließt durch Kanal D schneller ab , als der Stift ihn wieder füllen kann. Weniger Wasser im Hohlraum C bedeutet, dass der Druck auf dieser Seite der Membran und damit auch die Kraft proportional abnimmt. Da die nach unten gerichtete Kraft des Hohlraums C nun geringer ist als die nach oben gerichtete Kraft des Einlasses A , wird die Membran nach oben gedrückt und das Ventil öffnet sich. Wasser kann nun frei von A nach F fließen . Wird der Magnet deaktiviert und Kanal D geschlossen, sammelt sich wieder Wasser im Hohlraum C und schließt die Membran, sobald die nach unten wirkende Kraft wieder groß genug ist.

Bei einem normalerweise offenen, vorgesteuerten Ventil verläuft dieser Vorgang umgekehrt. In diesem Fall wird der Stift durch eine Feder offen gehalten, der Kanal D ist offen und der Hohlraum C kann sich nie ausreichend füllen, wodurch die Membran B geöffnet wird und ein ungehinderter Durchfluss ermöglicht wird. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms an den Magneten wird der Stift in die geschlossene Position gedrückt, der Kanal D blockiert , Wasser kann sich im Hohlraum C ansammeln und schließlich die Membran B schließen .

Ein vorgesteuertes Magnetventil lässt sich somit als Zusammenspiel zweier Ventile verstehen: eines direktwirkenden Magnetventils, das als „Steuerventil“ fungiert und die Kraft eines wesentlich leistungsstärkeren Hauptventils steuert, welches pneumatisch oder hydraulisch betätigt wird . Daher funktionieren vorgesteuerte Ventile nur mit einer ausreichenden Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang; die Kraft des Hauptventils muss stark genug sein, um die Membran zu öffnen. Steigt der Druck am Ausgang über den Eingangsdruck, öffnet sich das Ventil unabhängig vom Zustand des Magnetventils und des vorgesteuerten Ventils .

Die Konstruktion von Magnetventilen weist viele Varianten und Herausforderungen auf.

Gemeinsame Bauteile eines Magnetventils: ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

• Magnetventil-Baugruppe
  • Halteklammer (auch Spulenklammer genannt)
  • Magnetspule (mit magnetischem Rückweg)
  • Kernrohr (auch Ankerrohr, Kolbenrohr, Magnetventilrohr, Hülse, Führungsbaugruppe genannt)
  • Plugnut (auch Festkern genannt)
  • Schattierungsspule (auch Schattierungsring genannt)
  • Kernfeder (auch Gegenfeder genannt)
  • Kern (auch Kolben, Anker genannt)
• Kernrohr-Deckel-Abdichtung
• Motorhaube (auch Abdeckung genannt)
• Hauben-Membran-Gehäuse-Dichtung
• Aufhängerfeder
• Rückwaschanlage
• Membran
  • Entlüftungsloch
• Scheibe
• Ventilkörper
  • Sitz

Der Kern bzw. Kolben ist das magnetische Bauteil, das sich bewegt, wenn die Spule bestromt wird. Der Kern ist koaxial zur Spule angeordnet. Durch die Bewegung des Kerns werden die Dichtungen, die den Flüssigkeitsfluss steuern, geschlossen oder geöffnet. Im stromlosen Zustand halten Federn den Kern in seiner Ruheposition.

Die Steckermutter ist ebenfalls koaxial.

Das Kernrohr umschließt und führt den Kern. Es hält außerdem die Überwurfmutter und kann das Fluid abdichten. Um die Bewegung des Kerns zu optimieren, muss das Kernrohr nichtmagnetisch sein. Wäre es magnetisch, würde es einen Nebenschlusspfad für die Feldlinien bilden. ^{[ 12 ]} Bei manchen Konstruktionen ist das Kernrohr ein geschlossenes Metallgehäuse, das durch Tiefziehen hergestellt wird . Diese Konstruktion vereinfacht die Abdichtung, da das Fluid nicht austreten kann. Allerdings erhöht sie auch den magnetischen Widerstand, da der magnetische Pfad die Wandstärke des Kernrohrs zweimal durchqueren muss: einmal in der Nähe der Überwurfmutter und einmal in der Nähe des Kerns. Bei anderen Konstruktionen ist das Kernrohr nicht geschlossen, sondern ein offenes Rohr, das über ein Ende der Überwurfmutter geschoben wird. Zur Fixierung der Überwurfmutter kann das Rohr mit dieser verpresst werden. Ein O-Ring zwischen Rohr und Überwurfmutter verhindert das Austreten des Fluids.

Die Spule eines Magnetventils besteht aus vielen Windungen Kupferdraht, die den Kern umschließen und dessen Bewegung induzieren. Die Spule ist häufig mit Epoxidharz vergossen . Sie besitzt außerdem einen Eisenrahmen, der für einen geringen magnetischen Widerstand sorgt.

Das Ventilgehäuse muss mit dem Fluid kompatibel sein; gängige Werkstoffe sind Messing, Edelstahl, Aluminium und Kunststoff. ^{[ 13 ]}

Die Dichtungen müssen mit dem Fluid kompatibel sein.

Um die Abdichtung zu vereinfachen, sind Überwurfmutter, Kern, Federn, Abschirmring und andere Komponenten häufig dem Fluid ausgesetzt und müssen daher kompatibel sein. Die Anforderungen stellen besondere Herausforderungen dar. Das Kernrohr muss nichtmagnetisch sein, um das Magnetfeld des Magneten zur Überwurfmutter und zum Kern zu leiten. Überwurfmutter und Kern benötigen ein Material mit guten magnetischen Eigenschaften, wie beispielsweise Eisen. Eisen ist jedoch korrosionsanfällig. Edelstähle eignen sich, da sie sowohl in magnetischen als auch in nichtmagnetischen Varianten erhältlich sind. ^{[ 14 ]} Beispielsweise könnte ein Magnetventil für das Gehäuse Edelstahl 304, für das Kernrohr Edelstahl 305, für die Federn Edelstahl 302 und für Kern und Überwurfmutter Edelstahl 430F (ein magnetischer Edelstahl ^{[ 15 ]} ) verwenden. ^{[ 2 ]}

Das oben beschriebene einfache Einweg-Ein-Magnetventil lässt sich in vielen Varianten abwandeln:

• Ein- oder Zwei-Magnetventile;
• Betrieb mit Gleichstrom oder Wechselstrom ;
• unterschiedliche Anzahl von Möglichkeiten und Positionen;

Magnetventile werden in pneumatischen und hydraulischen Systemen zur Steuerung von Zylindern, Hydraulikmotoren oder größeren Industriearmaturen eingesetzt . Auch automatische Bewässerungsanlagen verwenden Magnetventile mit einer automatischen Steuerung . Haushaltswaschmaschinen und Geschirrspüler nutzen Magnetventile, um den Wasserzulauf zu regulieren. Sie werden außerdem häufig in Paintball-Auslösern verwendet, um das CO₂-Hammerventil zu betätigen _. Magnetventile werden üblicherweise einfach als „Magnetventile“ bezeichnet.

Magnetventile können für eine Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt werden, darunter allgemeine Ein-/Aus-Steuerungen, Kalibrier- und Prüfstände, Regelkreise in Pilotanlagen, Prozessleitsysteme und verschiedene Anwendungen von Erstausrüstern . ^{[ 16 ]}

1910 entwickelte und produzierte ASCO Numatics als erstes Unternehmen ein Magnetventil. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

• Luftbetätigtes Ventil

• S. 39–40. Abbildung eines Magnetventils; Abreißstift / Auslösemechanismus