DE102006015233B4

DE102006015233B4 - Elektromagnetische Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102006015233B4
Application number: DE102006015233A
Authority: DE
Inventors: Stefan Bender
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: DE102006015233A1

Abstract

Elektromagnetische Stellvorrichtung mit
einem bewegbar in einem Gehäuse (50) geführten, einen Stellabschnitt (30, 32) ausbildenden Anker (30, 32, 34),
einer stationär im Gehäuse vorgesehenen, zum Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildeten Spuleneinrichtung (56)
und einem bezogen auf eine Hubrichtung des Ankers einends im Gehäuse befestigten, zum magnetischen Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildeten Jochabschnitt (40) sowie einem im Gehäuse bezogen auf die Hubrichtung anderenends befestigten, zum magnetischen Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildeten Kernabschnitt (42), wobei
entlang des gesamten Hubs seitlich des Ankers der Jochabschnitt (40) und der Kernabschnitt (42) als einstückig gefertigtes Jochkernelement realisiert (36) sind und ein längsschnittlicher Übergangsbereich (44) zwischen dem Jochabschnitt und dem Kernabschnitt des Jochkernelements in seiner Dicke reduziert ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Jochabschnitt (40) und/oder der Kernabschnitt (42) sich längsschnittlich in ihrer Dicke in Richtung auf den Übergangsbereich konusförmig verjüngen und so eingerichtet sind, dass eine Kraft-Weg-Kennlinie der Stellvorrichtung einen linearen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches, wie sie aus der DE 198 82 903 T1 bekannt ist. Eine elektromagnetische Stellvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 202 18 782 U1 der Anmelderin bekannt und zeigt eine geeignet zur Ventilsteuerung einsetzbare elektromagnetische Stellvorrichtung, bei welcher ein (zur Ventilbetätigung ausgebildeter) Anker in einem Gehäuse geführt ist und magnetisch mit einer stationär am Gehäuse vorgesehenen Spuleneinrichtung zusammenwirkt. Zur Ausbildung des magnetischen Kreises weist das Gehäuse einends einen Jochabschnitt, anderenends einen Kernabschnitt auf.
Derartige Vorrichtungen sind im Hinblick auf ihre Gehäuse-, Kern-, Joch- und Ankergeometrie an die jeweilige Stellaufgabe angepasst und optimiert, so dass, etwa im Zusammenhang mit Kraftfahrzeug-Hydrauliksystemen, diese Vorrichtungen eine weite Verbreitung gefunden haben. Nicht zuletzt aus diesem Grunde spielt jedoch auch die Großserientauglichkeit und damit die einfache, automatisierbare Fertigbarkeit eine große Rolle.
Die 5 verdeutlicht eine derartige Stellvorrichtung. Ein becherförmiges Gehäuse 10 ist an seinen Stirnseiten einends von einer Kombination aus innenliegender Jochbuchse 12 und dieser umgebender Jochscheibe 13, anderenends von einem Kernelement 14 verschlossen, die jeweils aus geeignet magnetisch leitendem Material realisiert sind. Sowohl die Jochbuchse 12, als auch das Kernelement 14 dienen der Lagerung bzw. Führung eines Ankers, welcher im Innenbereich einen verbreiterten Ankerabschnitt 16 und einen daran ansitzenden Stößelabschnitt 18 aufweist (wobei der Stößelabschnitt 18 dann geeignet die Ventilbetätigung, nicht gezeigt, vornehmen kann). Genauer gesagt erfolgt die Lagerung so, dass der Stößelabschnitt 18 durch einen Durchbruch im Kernelement hindurchgreift, während der Abschnitt 16 innerhalb der einen Hohlzylinder ausbildenden Jochbuchse 12 geführt ist und, im Hinblick auf den Luftspalt, geeignet relativ zur Jochbuchse dimensioniert ist. Die Anordnung aus Jochbuchse, Kernelement und Anker ist im Gehäuse 10 umgeben von einer Spulenanordnung (Wicklung) 20.
Während diese, als bekannt vorausgesetzte Vorrichtung im Hinblick auf ihre elektromagnetischen und mechanischen Eigenschaften optimiert ist, besteht jedoch im Hinblick auf die mechanische Realisierung, insbesondere betreffend eine automatisierte Fertigbarkeit, Verbesserungsbedarf: Ersichtlich bedarf es nämlich zur Montage der Komponenten 12, 13, 14, 16, 18 im Gehäuse 10 einer durchaus aufwendigen Zentrierung, vor allem betreffend die axiale Relativpositionierung der Jochbuchse 12 und des Kernelements 14. Entsprechend gestaltet sich gerade die Montage der in 5 exemplarisch gezeigten Vorrichtung aufwendig, es besteht Feineinstellungs- und Justierungsbedarf, so dass die Automatisierbarkeit der Fertigung und Montage (mithin die Großserientauglichkeit) begrenzt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung im Hinblick auf den erforderlichen Montageaufwand, insbesondere die Zentrierung von Joch und Kern relativ zum Anker, zu verbessern, so dass die Vorrichtung insbesondere auch einer vollautomatisierten Fertigung zugänglich wird; ferner ist eine gattungsgemäße Vorrichtung im Hinblick auf ihre elektromagnetischen Eigenschaften zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist ein zumindest seitlich des Ankers einstückig gebildetes, gemeinsames Jochkernelement vorgesehen, welches (in Hubrichtung) einends die Funktionalität des Kerns, anderenends die Funktionalität des Jochs realisiert. Dadurch, dass die traditionell (und aus magnetischen Gründen) getrennt vorgesehenen Elemente nunmehr als ein gemeinsames Element einstückig vorgesehen sind, entfällt das aufwendige axiale Zentrieren relativ zueinander; vielmehr ist, insbesondere wenn einer der Abschnitte eine Führung oder Lagerung für den Anker realisiert, eine äußerst einfache mechanische Struktur, die aus den beschriebenen Gründen in ihrer Fertigbarkeit deutlich vereinfacht ist, realisiert.
Bewusst nimmt dabei die vorliegende Erfindung im durch die Einstückigkeit bedingten Übergangsbereich zwischen Kern und Joch einen magnetischen Kurzschluss in Kauf, durch im Rahmen der Erfindung weiterbildungsgemäß vorgesehene Maßnahmen, insbesondere eine Geometrie, die in diesem Übergangsbereich bereits bei geringen Spulenströmen eine magnetische Sättigung erreichen lässt, halten sich die dadurch bedingten negativen Auswirkungen auf Effizienz bzw. Wirkungsgrad in Grenzen, was weiter dadurch abgemindert wird, dass gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die elektromagnetische Stellvorrichtung die Wirkung eines gegen eine Federwirkung arbeitenden Proportionalmagneten erhält, so dass die Kurzschluss-bedingten Verluste außerhalb der Betriebskennlinie im Kraft-/Hubdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen und sich damit nicht signifikant auswirken.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zudem das Jochkernelement buchsen-(büchsen-)förmig zur Ankerführung ausgebildet, wobei die Ankerführung dann besonders wirksam ist, wenn der Anker in diesem Bereich selbst eine geeignet mit der Büchse zusammenwirkende Topfform aufweist.
Im Hinblick auf die magnetflussoptimierte Gestaltung des Übergangsbereichs zwischen Jochabschnitt und Kernabschnitt im Jochkernelement hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, durch geeignete Einstellung (d. h. Verringerung) der Materialstärke in diesem Bereich die gewünschte frühe Sättigung zu erreichen; so ist es besonders bevorzugt, diesen Übergang symmetrisch so zu gestalten, dass er im Längsschnitt eine (weiter bevorzugt beidseitige) Verjüngung, weiter bevorzugt eine jeweilige Konusform vom Joch- bzw. Kernabschnitt, sich in Richtung auf den Übergangsabschnitt verjüngend, erhält.
Im Ergebnis entsteht so in mechanisch eleganter und im Ergebnis, bezogen auf die elektromagnetischen Stelleigenschaften, überraschender Weise eine Stellvorrichtung, welche drastisch vereinfachte, vollständig automatisierbare Fertigbarkeit mit universeller Einsetzbarkeit kombiniert. Während es nämlich im Rahmen der Erfindung bevorzugt ist, die erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung zur Betätigung von Ventilen od. dgl. Aggregaten, insbesondere für Pneumatik- oder Hydraulikventilen im Kraftfahrzeugbereich, einzusetzen, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Vielmehr eignet sich die Erfindung für nahezu beliebige Stellaufgaben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
1: einen Längsschnitt durch die elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2, 3: schematische Darstellungen eines magnetischen Flussverlaufes in der Darstellung gemäß 1 am Hubanfang (2) bzw. kurz vor dem Hubende (3);
4: verschiedene Kraft-/Hubkennlinien der Vorrichtung gemäß 1 bei verschiedenen Spulenströmen sowie, zusätzlich dargestellt, gegen die Rückstellkraft einer Feder; und
5: eine Schemadarstellung als Längsschnitt analog 1 einer aus dem Stand der Technik bekannten, als gattungsbildend herangezogenen elektromagnetischen Hubvorrichtung.
Ein gemäß der ersten Ausführungsform in 1 dreiteilig bestehend aus einem Stößelabschnitt 30, einem daran endseitig ansitzenden Eingriffsabschnitt 32 (für z. B. eine Ventilbetätigung) sowie einem topfförmigen Ankerabschnitt 34 gebildeter Anker ist in einem einen Hohlzylinder ausbildenden Jochkernelement 36 so geführt, dass der Stößelabschnitt durch einen geeignet angepassten Durchbruch 38 im Bodenbereich des Jochkernabschnitts 36 herausragt. Der Außendurch messer des topfförmigen Ankerabschnitts 34 ist so an die lichte Innenweite des Jochkernelements 36 angepasst, dass mit optimiertem Luftspalt die hohle zylindrische Innenfläche des Jochkernelements 36 den Ankerabschnitt 34 umschließt.
Die 1 verdeutlicht zusätzlich im Längsschnitt die geometrische Gestaltung dieses hohlzylindrischen Büchsenabschnitts: Einends, ansitzend an der Bodenfläche, ist ein Jochabschnitt 40 gebildet, anderenends ein Kernabschnitt 42, wobei im Längsschnitt der 1 beide Abschnitte von außen konisch auf einen in der Dicke minimierten Übergangsabschnitt 44 zulaufen (bei einer Realisierung des einen Hub von 7 mm ausbildenden Stellelements der 1 weist die im Übergangsbereich 44 minimale Wandstärke des Jochkernelements 36 beispielsweise eine Dicke von 0,2 mm auf).
Verschlossen wird die Büchse 36 von einer (in der 1 obenliegend gezeigten) Lagerscheibe 46, welche, zum innenseitigen Zusammenwirken mit dem topfförmigen Ankerabschnitt 34 bzw. dem Ankerstößel 30, einen sich abwärts erstreckenden Ringvorsprung 48 ausbildet.
Im seitlichen Außenbereich wird die in 1 gezeigte Vorrichtung von einem Gehäuse 50 umschlossen, welches, zum bodenseitigen Halten des Jochkernelements 36, eine Jochkernscheibe 52 trägt und innenliegend einen Spulenhalter 54 für eine (ansonsten bekannte und in der herkömmlichen Weise ausgebildete) Wicklung 56 aufnimmt.
Die Vorrichtung der 1 arbeitet gegen die Rückstellkraft einer Rückstellfeder, wobei diese Federkraft, in der 1 nicht gezeigt, über das an den Abschnitt 32 angreifende Pneumatikventil anliegt.
Die 2 und 3 zeigen den Verlauf der magnetischen Feldlinien bei der Anordnung der 1; die 4 verdeutlicht die zugehörigen Kraft-/Hubkennlinien. So zeigt die 2 zum Hubanfang (d. h. entsprechend der Geometrie der 1 bei obenstehendem Anker), wie der durch den einstückigen Übergang 44 erzeugte magnetische Kurzschluss bereits bei geringem Spulenstrom in die Sättigung gerät; ein großer Anteil des magnetischen Flusses, gezeigt durch den Feldlinienverlauf, verläuft durch den Ankerabschnitt 34, so dass bereits eine relativ große Stellkraft auf den Anker ausgeübt wird. Die 3 zeigt den magnetischen Flussverlauf im Bereich des Hubendes (d. h. fast untenstehender Anker bezogen auf die Darstellung der 1). Es findet, insbesondere bezogen auf den Abschnitt 48 der Lagerscheibe 46, nur noch eine geringe Überdeckung mit entsprechender Auswirkung auf die Flussleitung statt, so dass auch insoweit die Vorrichtung magnetisch optimiert ist.
Die 4 zeigt in den Kraft-/Hubkennlinien bei verschiedenen (Spulen-)Stromstärken das Verhalten der Vorrichtung gemäß 1 bis 3; die diagonal verlaufende Kennlinie dient tatsächlich dem beabsichtigten Proportionalbetrieb gegen eine Rückstellfeder. Es zeigt sich, dass die Effizienz- bzw. Wirkungsgradprobleme, die durch den magnetischen Kurzschluss im Übergangsbereich 44 bedingt sind, vor allem bei höheren Stromstärken im Hubanfang und bei geringeren Stromstärken am Hubende auftreten, wobei die Diagonale, gegen die Feder wirkende Kennlinie außerhalb dieser Kennlinienbereiche verläuft, mit anderen Worten, die bewusst durch die geometrische und mechanische Konstruktion eines einstückigen Jochkernelements in Kauf genommenen, potentiellen magnetischen Nachteile sich nicht signifikant auf das elektromagnetische Stellverhalten der Vorrichtung auswirken.
Die weiteren konstruktiven Ausgestaltungen der 1, insbesondere die Becherform des Ankerabschnitts 34 bzw. der Ringvorsprung 48, ermöglichen einen wirksamen Magnetfluss zusätzlich am Innendurchmesser, wobei sich das Stellverhalten weiter verbessert; die in der in 1 gezeigten Weise geschachtelte Lagerung des Ankers ermöglicht eine kompakte Bauweise sowohl in Hubrichtung, als auch im Hinblick auf den Durchmesser, und die Führung des Ankerstößels 30 sowohl am Boden des Lochkernelements als auch innerhalb des Bereiches 48 der Lagerscheibe 46 ist konstruktiv einfach und elegant und erleichtert die Montage bei optimierten elektromagnetischen Stelleigenschaften.

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem bewegbar in einem Gehäuse (50) geführten, einen Stellabschnitt (30, 32) ausbildenden Anker (30, 32, 34), einer stationär im Gehäuse vorgesehenen, zum Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildeten Spuleneinrichtung (56) und einem bezogen auf eine Hubrichtung des Ankers einends im Gehäuse befestigten, zum magnetischen Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildeten Jochabschnitt (40) sowie einem im Gehäuse bezogen auf die Hubrichtung anderenends befestigten, zum magnetischen Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildeten Kernabschnitt (42), wobei entlang des gesamten Hubs seitlich des Ankers der Jochabschnitt (40) und der Kernabschnitt (42) als einstückig gefertigtes Jochkernelement realisiert (36) sind und ein längsschnittlicher Übergangsbereich (44) zwischen dem Jochabschnitt und dem Kernabschnitt des Jochkernelements in seiner Dicke reduziert ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Jochabschnitt (40) und/oder der Kernabschnitt (42) sich längsschnittlich in ihrer Dicke in Richtung auf den Übergangsbereich konusförmig verjüngen und so eingerichtet sind, dass eine Kraft-Weg-Kennlinie der Stellvorrichtung einen linearen Verlauf über den Hub bei konstantem Spulenstrom zeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Jochkernelement (36) an mindestens einem Ende bezogen auf die Hubrichtung eine Führung und/oder Lagerung (38) für den Anker ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Jochkernelement büchsenförmig mit einer im Bodenbereich der Büchse zur Ankerführung, insbesondere Führung des Stellabschnitts, eingerichteten Bohrung (38) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bodenbereich, bezogen auf die Hubrichtung gegenüberliegend, eine Lagerscheibe (46) vorgesehen ist, die Mittel (48) zur Führung und/oder Lagerung des Ankers aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker abschnittsweise (34) topf- und/oder büchsenförmig ausgebildet ist und magnetisch mit dem Jochkernelement und/oder den Mitteln zur Führung und/oder Lagerung (48) zusammenwirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke des Übergangsbereichs, bezogen auf einen Steuerstrom für die Spuleneinrichtung, so eingerichtet ist, dass bei einer Ansteuerung der Spuleneinrichtung mit dem Steuerstrom eine Sättigung des magnetischen Flusses durch den Übergangsbereich auftritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker gegen die Rückstellkraft einer Rückstellfeder od. dgl. Kraftspeicher bewegbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker zum Ausführen eines einem Steuerstrom für die Spulenvorrichtung proportionalen Hubes ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung zum Steuern eines Ventils, insbesondere Hydraulik- oder Pneumatikventils, ausgebildet ist.