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WO2023111043A1 - Elektromagnetischer aktuator, insbesondere elektromagnetische schalt- oder ventilvorrichtung - Google Patents

Elektromagnetischer aktuator, insbesondere elektromagnetische schalt- oder ventilvorrichtung Download PDF

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Publication number
WO2023111043A1
WO2023111043A1 PCT/EP2022/085901 EP2022085901W WO2023111043A1 WO 2023111043 A1 WO2023111043 A1 WO 2023111043A1 EP 2022085901 W EP2022085901 W EP 2022085901W WO 2023111043 A1 WO2023111043 A1 WO 2023111043A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
armature
coil core
region
electromagnetic actuator
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/085901
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf WÖRNER
Friedbert Röther
Benjamin Jensen
Original Assignee
Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH filed Critical Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH
Priority to CN202280082919.2A priority Critical patent/CN118402025A/zh
Priority to EP22835428.8A priority patent/EP4449459A1/de
Priority to KR1020247021172A priority patent/KR20240122471A/ko
Publication of WO2023111043A1 publication Critical patent/WO2023111043A1/de

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    • H01F2007/086—Structural details of the armature

Definitions

  • Electromagnetic actuator in particular electromagnetic switching or valve device
  • the present invention relates to an electromagnetic actuator with a coil element, which has a coil core and a coil arranged radially around the coil core, and with a movable magnetic armature body as an actuator element, which interacts with the coil element for a movement of the armature body to be activated, on one side by means of a bearing device is mounted in the actuator and is movable from a first position to a second position by activating the coil element.
  • Such electromagnetic actuators are known, for example, in the form of electromagnetic switching or valve devices, such as in the form of an electromagnetic relay or solenoid valve.
  • Solenoid valves for example in the form of tilting armature valves, are used, for example, as control valves for regulating the pressure of air, for example in a vehicle, for example in a commercial vehicle or bus for passenger transport.
  • a brake system for a vehicle with an electronic service brake system includes at least one control valve for pressure regulation.
  • the tilting armature valve has a coil element with a coil core and a coil arranged circumferentially around the coil core, as well as an armature, which is mounted on an end face of the armature by means of a bearing, the armature, in particular by applying current to the coil, from a first Position is movable into a second position. Furthermore, a valve seat with an outlet and an inlet for a fluid are provided, the outlet being fluid-tightly closable in the first position of the armature by means of a sealing element and the outlet being released in the second position of the armature.
  • a spring is provided for pressing the armature against the coil element or a housing of the toggle armature valve.
  • Other types of solenoid valves are also known, as described, for example, in DE 10 2014 115 207 A1, DE 10 2018 123 997 A1, or DE 10 2014 115 206 B3.
  • the magnetic coils and the magnetic cores (coil cores) that act to reinforce the magnetic force are designed, for example, with a round or cylindrical cross-section due to the positive material/surface ratio. This achieves an even distribution of the magnetic flux within the magnetic core.
  • the well-known shape of the coil core is the reason why the transition of the magnetic flux from the magnet core to the yoke is often uneven.
  • yoke armature magnets such as e.g. tilting armature magnets
  • the present invention is based on the object of specifying an electromagnetic actuator of the type mentioned in the introduction, in which it is possible to increase the magnetic force that can be used for the movement of the actuator element that is to be activated.
  • the invention relates to an electromagnetic actuator of the type mentioned in the opening paragraph according to the appended patent claims.
  • Advantageous training and developments of the invention are specified in the subclaims and the following description.
  • one aspect of the present invention relates to an electromagnetic actuator with a coil element, which has at least one coil core and a coil arranged circumferentially around the coil core, the coil core having a rotationally symmetrical first region with an axis of symmetry, in which the coil core is surrounded circumferentially by the coil .
  • the actuator has a movable magnetic anchor body as a movable actuator element, which interacts with the coil element for a movement of the armature body to be activated, is mounted on one side in the actuator by means of a bearing device and can be moved from a first position into a second position by activating the coil element, the bearing device being offset radially with respect to the axis of symmetry of the Coil core is arranged and the armature body extends from the bearing device radially over the coil core from a first side to a second side of the coil core.
  • the coil core also has a second area which extends radially beyond the first area and is arranged on the second side of the coil core in the direction of the axis of symmetry between the coil and the armature body, so that when the armature body is in the first position there is an air gap in the direction the axis of symmetry between the coil core and the armature body is smaller on the second side of the coil core than on the first side.
  • the invention makes it possible to increase the magnetic force that can be used for the movement of the actuator element to be activated in a generic electromagnetic actuator by, on the one hand, weakening the magnetic flux in the direction of the bearing through targeted positioning and design of the magnetic transition between the coil core and the armature body (yoke). , while the usable magnetic force at the other end of the anchor body is increased. This also has a positive effect on the torque acting on the armature body as a result of the magnetic force, which is increased on the second side of the coil core away from the bearing.
  • This targeted positioning and design of the magnetic transition between the coil core and the armature body can basically be used with all electromagnetic actuators in connection with yoke armature magnets mounted on one side, such as e.g. tilting armature magnet valve and switching devices.
  • This enables optimization of electromagnetic actuators with yoke armature magnets (such as e.g. tilting armature magnet) as a drive for e.g. relays, lifting armatures and solenoid valves.
  • the second one extends Area of the coil core step-like starting from the first area.
  • the end geometry of the coil core is provided with an additional step in the second area, advantageously to a maximum possible diameter close to the outer circumference of the coil winding.
  • Such an additional shoulder directs the field lines of the magnetic field more strongly in the direction of the second side of the coil core, which on the one hand increases the torque acting on the armature body at this point and on the other hand relieves the bearing of part of the magnetic force generated.
  • the coil core in the second area for example the additional step, radially covers more than half of the radial extent of the coil winding, which is arranged circumferentially around the coil core.
  • the coil core is designed in the second region in such a way that a centroid of the coil core is displaced in the opposite direction from the bearing device relative to the axis of symmetry.
  • the storage device is arranged radially outside of the coil core.
  • the armature body has a first area in which the armature body is mounted in the actuator by means of the bearing device, and a second area that extends over the second area of the coil core, the armature body in the first Area has a reluctance per unit length, which is increased in relation to a reluctance per unit length in the second region of the anchor body.
  • the anchor body has at least one cross-sectional constriction in the first area in relation to a cross section in the second area of the anchor body.
  • the anchor body in the first Area at least one cross-sectional constriction in relation to a cross-section of an anchor body material adjacent to the cross-sectional constriction on the side of the second region of the anchor body.
  • the at least one cross-sectional constriction has a reduced thickness of the anchor body in relation to a thickness in the second region of the anchor body.
  • the at least one cross-sectional constriction is produced by one or more reductions in the material of the anchor body in the first region.
  • the at least one cross-sectional constriction is produced by notching, embossing and/or punching out anchor body material in the first region.
  • the at least one cross-sectional constriction is located above a bearing axis of rotation of the bearing device and/or adjacent to the bearing axis of rotation of the bearing device.
  • a notch is provided in the area of the bearing axis of rotation.
  • a targeted reduction of the anchor material (yoke), preferably in the area of the bearing, can be achieved by embossing, punching or cutting.
  • the anchor body is designed as a plate anchor.
  • the anchor body can advantageously be designed as a tilting anchor.
  • the electromagnetic actuator is designed as an electromagnetic switching or valve device and the movable armature body is designed as a switching or valve element.
  • the electromagnetic actuator is designed as an electromechanical relay or solenoid valve, in particular as a tilting armature valve.
  • the electromagnetic actuator is designed as a solenoid valve for a pressure control module of a vehicle.
  • FIG. 1A, 1B schematic cross-sectional representations of an exemplary tilting armature valve in which an electromagnetic actuator according to the invention, as shown in FIG. 2, can be used in principle
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration of an embodiment of an electromagnetic actuator according to the invention, as can be used, for example, in a tilting armature valve according to FIG.
  • FIG. 1 shows a simplified cross-sectional view of a tilting armature valve 100 according to an exemplary embodiment in which an electromagnetic actuator according to the invention, as shown in FIG. 2 , can in principle be used.
  • 1 is intended to illustrate an exemplary, practical use of an electromagnetic actuator using a tilting armature valve.
  • the configuration of the coil core, the armature body and other components according to the invention is shown in more detail in FIG. 2 according to an exemplary embodiment and can in principle be readily transferred by a person skilled in the art to a tilting armature valve according to FIG.
  • the tilting armature valve 100 can be an exemplary embodiment of a tilting armature valve 100 shown in DE 10 2016 105 532 A1.
  • this can be a solenoid valve provided with reference number 100 in FIG. 1 there.
  • other exemplary embodiments are also conceivable, for example in connection with solenoid valves as described in the other publications mentioned above.
  • Related configurations of a solenoid valve described in DE 10 2016 105 532 A1 and its components as well as their use are also part of the disclosure of the present invention by reference.
  • FIG. 1A shows a cross-sectional view through a toggle armature valve 100 according to an embodiment, in which the armature is in the first position.
  • the tilting armature valve 100 has a coil element 110, an armature body (or armature for short) 115, a spring 120, a sealing element 125 and a cover shell 130.
  • the coil element 110 comprises at least one coil core 135 and a coil 140 which is arranged circumferentially around the coil core 135 and has a package of coil windings (not explicitly shown).
  • An end face of the armature 115 is supported by a bearing 145 .
  • the armature 115 is moveable between a first position 147 and a second position 149 .
  • the armature 115 is designed to be moved from the first position 147 into a second (tightened) position 149 when the coil 140 is activated.
  • the armature 115 can be held in the second position 149 .
  • the sealing element 125 is arranged on the side of the armature 115 facing away from the coil element 110 .
  • a valve seat 150 with an outlet 155 and an inlet 157 for a fluid 158 is formed in the cover shell 130 .
  • the outlet 155 can be closed in a fluid-tight manner by means of the sealing element 125 when the armature 115 is arranged in the first position 147 .
  • the sealing element 125 can also act as a damping element in order to prevent the armature 115 from striking the valve seat 150 .
  • the sealing element 125 can be attached to the armature 115 or a carrier element by vulcanization. It is also conceivable that an angle is generated when the armature 115 or sealing element 125 hits the valve seat 150 by means of an inclined nozzle or an obliquely shaped sealing element 125 or a curved armature 115 .
  • a nozzle which is not explicitly shown in FIG. 1A, does not necessarily have to be integrated into the tilting armature valve 100, but can also be provided by external housing parts.
  • valve seat 150 is arranged in the coil element 110, although this is not shown explicitly in FIG. 1A for reasons of clarity. In this case, an actuator would then be advantageous that mediates a release of the output through the armature 115.
  • armature 115 has at least one at least partially round elevation 160 in a bearing section 162, elevation 160 advantageously engaging in a recess 165 or opening that is arranged in a section of a housing 170 of tilting armature valve 100 that is opposite elevation 160.
  • the armature 115 can slide in the recess during a movement from the first position 147 to the second position 149 after switching on a current flow through the coil 140 and is at the same time in a fixed position in the housing 170 or in relation to the cover shell 130 held.
  • the recess is advantageously designed in a trapezoidal manner so that the lowest possible friction is caused when the elevation slides over the surface of the recess 165 .
  • the recess 165 can be made of plastic material, for example, and can therefore be produced very easily and inexpensively.
  • the spring 120 is designed as a leaf spring and is arranged in the bearing section on a side of the armature 115 opposite the coil 140 .
  • the spring 120 serves to press the bearing ball(s) pressed into the armature 115, for example, into the (e.g. trapezoidal) mating shell or recess 165 in the housing 170 of the coil element 110 without play.
  • the armature 115 can be fixed by the spring 120 so that the armature 115 is held by the spring 120 in a predetermined position.
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view through a toggle armature valve 100 with the armature 115 in the second position 149.
  • a current is switched on through the coil 140 and the armature 115 is attracted, so that a magnetic field represented by the field lines 180 builds up.
  • the armature 115 can fall back into the first position 147, for example as a result of gravity or a spring force of the restoring spring shown.
  • the core shape of the cylindrically shaped coil core 135, as shown in FIG. 1, is the reason why the transition of the magnetic flux (exemplified by the field lines 180) from the magnetic core to the yoke runs unevenly.
  • the effective magnetic force on the part of the sealing element 125 is thus reduced or even weakened, and the bearing section 162 is also additionally subjected to magnetic forces, which is undesirable in many designs of actuators.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration of an embodiment of an electromagnetic actuator according to the invention, as can be used, for example, in a tilting armature valve according to FIG. 1 .
  • Identical, equivalent or analogous components are denoted in FIGS. 1 and 2 with the same reference symbols.
  • electromagnetic actuator 105 has a coil element 110, in which coil core 135 has a rotationally symmetrical first region 136 with an axis of symmetry 137, in which coil core 135 is surrounded circumferentially by coil 140 and a second area 138, which extends radially beyond the first area 136, ie at least on one side of the coil core 135 has a radial extension which goes beyond the radial extension of the first area 136.
  • the coil core is thus, for example, formed cylindrically around the axis of symmetry 137, similar to the coil core 135 according to FIG. 1, but not in the second region 138.
  • a second region 138 of the coil core 135 that is asymmetrical to the axis of symmetry 137 is additionally provided for asymmetrically influencing the magnetic field.
  • the second region 138 of the coil core 135 is formed step-like, starting from the first region 136, essentially on one half of the rotationally symmetrical (cylindrical) region 136.
  • the second area 138 can be rectangular or partially round, e.g. semi-circular, when viewed from above, or can be designed with another geometric shape, for example with a geometric shape (e.g.
  • the armature 115 is mounted on one side in the actuator 105 by means of the mounting device 106 .
  • the bearing device 106 is arranged radially offset from the axis of symmetry 137 of the coil core 135 and is fixed in the actuator 105, preferably radially outside of the coil core 135 or outside its circumference, for example on the coil element 110.
  • the armature 115 extends from the bearing device 106 radially over the coil core 135 from a first side 131 to a second side 132 of the coil core 135.
  • the second side 132 is the first side 131 radially opposite.
  • the armature 115 is moved from the first position 147 (which may be level or slightly tilted as shown in FIG. 1A) to the second by activating the coil element 110 (current flow in the coil 140).
  • attracted position (analogous to position 149 in Fig. 1B; not shown in Fig. 2) moves, thus attracted to the coil 140 down.
  • the air gap 190 in the direction of the axis of symmetry 137 between the coil core 135 and the armature 115 is smaller on the second side 132 of the coil core than on the first side 131.
  • Rm Rm,iron + Rm,air.
  • iron is intended to summarize the armature material and the material of the coil core 135 and the housing 170. These components can be composed of the same or different magnetically conductive materials.
  • Such an additional shoulder in the second region 138 directs the field lines 180 of the magnetic field more strongly in the direction of the second side 132 of the coil core 135, which on the one hand increases the torque acting on the armature 115 at this point, and on the other hand the bearing device 106 from one Part of the generated magnetic force relieved.
  • the coil core advantageously covers 135 in the second region 138, that is to say the additional step shown, radially more than half of the radial extension of the coil winding 141, which is arranged circumferentially around the coil core 135.
  • the additional shoulder or head of the coil core 135 can be formed in the second region 138 up to or close to the housing 170 .
  • the coil core 135 is advantageously designed in the second region 138 in such a way that a centroid of the coil core 135 is displaced in the opposite direction from the bearing device 106 with respect to the axis of symmetry 137 .
  • the invention thus makes it possible to increase the magnetic force that can be used for the movement of armature 115 to be activated, by designing the magnetic transition between coil core 135 and armature 115 in such a way that, on the one hand, the magnetic flux in the direction of bearing device 106 can flow through a larger air gap 190 is weakened, the usable magnetic force on the opposite side of the armature 115, however, is increased.
  • This also has a positive effect on the torque acting on the armature 115 as a result of the magnetic force, which is increased on the second side 132 of the coil core 135 away from the bearing device 106, since the field lines 180 and thus the center of force in the direction of the second side 132 a larger radius of the armature 115 are shifted.
  • This also has the positive effect that the additional magnetic forces acting on the bearing device 106 are reduced.
  • the displacement of the field lines 180 in the direction of the second side 132 of the coil core 135 can be increased by the armature 115 having a magnetic resistance per unit of length in a first region 116, which in relation to a magnetic resistance per unit of length in a second region 117 of the Anchor 115 is increased.
  • the armature 115 is mounted in the actuator 105 by means of the bearing device 106, in the second area 117 the armature 115 extends over the second area 138 of the coil core 135.
  • the magnetic resistance per unit length is therefore close to the bearing higher than in the area of the paragraph of the coil core 135. Also because of this the field lines 180 can be shifted in the direction of the second side 132 to a larger radius of the armature 115 .
  • the magnetic reluctance per unit length can be increased by providing at least one cross-sectional constriction 118 in the first region 116 of the armature 115 in relation to a cross-section in the second region 117 of the armature 115 . Since the reluctance Rm is inversely proportional to the cross-sectional area of the armature material that the field lines 180 must penetrate, Rm, iron per unit length in the first region 116 of the armature 115 through the cross-sectional constriction(s) 118 is higher than in the second region 117. In addition By offsetting the cross-sectional constrictions 118, as shown in FIG. 2, the path for the field lines 180 to traverse can be lengthened by the curvatures thus induced, which in turn increases the magnetic reluctance, which is proportional to the length traversed.
  • the respective cross-section of the armature 115 is reduced in relation to a cross-section of the armature body material adjoining the cross-sectional constrictions 118 on the side of the second region 117 .
  • the cross-sectional constriction(s) 118 has or have a smaller thickness d1 of the armature 115 (in the direction of the axis of symmetry 137) in relation to the thickness d2 in the second region 117 of the armature 115.
  • the cross-sectional constriction(s) 118 can be produced by a reduction (indicated by 119 in FIG. 2 ) of the anchor body material in the first region 116 .
  • the reduction 119 (for example in the form of a cavity, a recess or a depression) is produced, for example, by notching, embossing and/or punching out anchor body material.
  • a cross-sectional constriction 118 is positioned over the bearing axis of rotation of the bearing device 106 and/or adjacent to the bearing axis of rotation of the bearing device 106, as shown in FIG.
  • the magnetic flux is advantageously weakened in the direction of the bearing.
  • the usable magnetic force can be increased and the bearing force can be reduced with the resultant lower bearing friction.
  • the armature 115 is designed as a plate armature, as is used, for example, in a tilting armature valve 100 according to FIG.
  • the armature 115 is fixed and supported on one side, in the present exemplary embodiment on the front side, by means of the bearing device 106 in the actuator 105, for example the tilting armature valve 100, and is moved between the first and second position by activation of the coil 140, as in reference described on fig.
  • the bearing device 106 with the bearing axis of rotation perpendicular to the axis of symmetry 137 of the coil core 135 is shown in FIG. 2 differently from the bearing section 162 and bearing 145 of FIG.
  • Various mechanisms can be used for storage, such as that shown in Fig. 1 or other mechanisms of the references mentioned above.
  • the actuator 105 according to FIG. 2 was described in conjunction with FIG. 1 in connection with a solenoid valve in the form of the tilting armature valve 100 .
  • the armature 115 shown in FIG. 2 could be used, for example, as an electrical switching element which closes or opens an electrical contact analogous to a valve opening.
  • the type of magnetic field displacement described by the design of the coil core 135 and the armature 115 can in principle be used in all generic electromagnetic armature valve devices and switching devices.

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Abstract

Ein elektromagnetischer Aktuator (105) umfasst ein Spulenelement (110), das zumindest einen Spulenkern (135) sowie eine umfangsmäßig um den Spulenkern (135) angeordnete Spule (140) aufweist, wobei der Spulenkern (135) einen rotationssymmetrischen ersten Bereich (136) mit einer Symmetrieachse (137) aufweist, in dem der Spulenkern (135) umfangsmäßig von der Spule (140) umgeben ist, und einen bewegbaren magnetischen Ankerkörper (115) als bewegbares Aktuatorelement, der mit dem Spulenelement (110) für eine zu aktivierende Bewegung des Ankerkörpers (115) zusammenwirkt, einseitig mittels einer Lagerungsvorrichtung (106) in dem Aktuator (105) gelagert ist und durch Aktivieren des Spulenelements (110) von einer ersten Position (147) in eine zweite Position (149) bewegbar ist, wobei die Lagerungsvorrichtung (106) radial versetzt zu der Symmetrieachse (137) des Spulenkerns (135) angeordnet ist und der Ankerkörper (115) sich von der Lagerungsvorrichtung (106) radial über den Spulenkern (135) von einer ersten Seite (131) zu einer zweiten Seite (132) des Spulenkerns (135) erstreckt. Der Spulenkern (135) weist einen zweiten Bereich (138) auf, der sich radial über den ersten Bereich (136) hinaus erstreckt und an der zweiten Seite (132) des Spulenkerns (135) in Richtung der Symmetrieachse (137) zwischen der Spule (140) und dem Ankerkörper (115) angeordnet ist, so dass in der ersten Position (147) des Ankerkörpers (115) ein Luftspalt (190) in Richtung der Symmetrieachse (137) zwischen Spulenkern (135) und Ankerkörper (115) an der zweiten Seite (132) des Spulenkerns kleiner ist als an der ersten Seite (131).

Description

BESCHREIBUNG
Elektromagnetischer Aktuator, insbesondere elektromagnetische Schalt- oder Ventilvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Spulenelement, das einen Spulenkern sowie eine radial um den Spulenkern angeordnete Spule aufweist, und mit einem bewegbaren magnetischen Ankerkörper als Aktuatorelement, der mit dem Spulenelement für eine zu aktivierende Bewegung des Ankerkörpers zusammenwirkt, einseitig mittels einer Lagerungsvorrichtung in dem Aktuator gelagert ist und durch Aktivieren des Spulenelements von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist.
Solche elektromagnetische Aktuatoren sind beispielsweise in Form von elektromagnetischen Schalt- oder Ventilvorrichtungen, wie etwa in Form eines elektromagnetischen Relais oder Magnetventils bekannt. Magnetventile, etwa in Form von Kippankerventilen, finden beispielsweise Verwendung als Steuerventil zur Druckregelung von Luft, etwa in einem Fahrzeug, wie beispielsweise in einem Nutzfahrzeug oder Bus zur Personenbeförderung. Beispielsweise umfasst ein Bremssystem für ein Fahrzeug mit einem elektronischen Betriebsbremssystem zumindest ein Steuerventil zur Druckregelung.
Ein elektromagnetischer Aktuator in Form eines Kippankerventils ist beispielsweise aus DE 10 2016 105 532 A1 bekannt. Das Kippankerventil weist ein Spulenelement mit einem Spulenkern und eine umfangsmäßig um den Spulenkern angeordnete Spule, sowie einen Anker auf, der an einer Stirnseite des Ankers mittels eines Lagers gelagert ist, wobei der Anker, insbesondere durch ein Beaufschlagen der Spule mit Strom, von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist. Weiterhin sind ein Ventilsitz mit einem Ausgang und ein Eingang für ein Fluid vorgesehen, wobei der Ausgang in der ersten Position des Ankers mittels eines Dichtelements fluiddicht verschließbar ist und der Ausgang in der zweiten Position des Ankers freigegeben ist. Gemäß einer Ausführungsform ist eine Feder vorgesehen zum Andrücken des Ankers an das Spulenelement oder ein Gehäuse des Kippankerventils. Es sind darüber hinaus weitere Bauarten von Magnetventilen bekannt, wie beispielsweise in DE 10 2014 115 207 A1, DE 10 2018 123 997 A1, oder DE 10 2014 115 206 B3 beschrieben.
Allgemein sind bei elektromagnetischen Aktuatoren, insbesondere Schalt- oder Ventilvorrichtungen, wie den beispielhaft genannten Bauformen von Magnetventilen, aufgrund des positiven Material/Oberflächenverhältnisses die Magnetspulen sowie die zur Magnetkraft verstärkend wirkenden Magnetkerne (Spulenkerne) z.B. im Querschnitt rund bzw. zylindrisch ausgeführt. Damit wird eine gleichmäßige Verteilung des magnetischen Flusses innerhalb des Magnetkerns erreicht. Die bekannte Spulenkernform ist jedoch dafür ursächlich, dass der Übergang des magnetischen Flusses vom Magnetkern in das Joch oftmals ungleichmäßig verläuft. Bei der Anwendung in Jochankermagneten (wie z.B. Kippankermagneten) bedeutet dies jedoch, dass ein Teil der wirkenden Magnetkraft auch in dem Bereich der Lagerung des Kippankers, oder sogar hinter der Lagerdrehachse wirkt. Damit wird die effektive Magnetkraft reduziert oder sogar geschwächt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktuator der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem es ermöglicht ist, die für die zu aktivierende Bewegung des Aktuatorelements nutzbare Magnetkraft zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator der eingangs genannten Art gemäß den beigefügten Patentansprüchen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Insbesondere betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Spulenelement, das zumindest einen Spulenkern sowie eine umfangsmäßig um den Spulenkern angeordnete Spule aufweist, wobei der Spulenkern einen rotationssymmetrischen ersten Bereich mit einer Symmetrieachse aufweist, in dem der Spulenkern von der Spule umfangsmäßig umgeben ist. Des weiteren weist der Aktuator einen bewegbaren magnetischen Ankerkörper als bewegbares Aktuator- element auf, der mit dem Spulenelement für eine zu aktivierende Bewegung des Ankerkörpers zusammenwirkt, einseitig mittels einer Lagerungsvorrichtung in dem Aktuator gelagert ist und durch Aktivieren des Spulenelements von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist, wobei die Lagerungsvorrichtung radial versetzt zu der Symmetrieachse des Spulenkerns angeordnet ist und der Ankerkörper sich von der Lagerungsvorrichtung radial über den Spulenkern von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite des Spulenkerns erstreckt. Der Spulenkern weist zudem einen zweiten Bereich auf, der sich radial über den ersten Bereich hinaus erstreckt und an der zweiten Seite des Spulenkerns in Richtung der Symmetrieachse zwischen der Spule und dem Ankerkörper angeordnet ist, so dass in der ersten Position des Ankerkörpers ein Luftspalt in Richtung der Symmetrieachse zwischen Spulenkern und Ankerkörper an der zweiten Seite des Spulenkerns kleiner ist als an der ersten Seite.
Mit der Erfindung ist es ermöglicht, bei einem gattungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator die für die zu aktivierende Bewegung des Aktuatorelements nutzbare Magnetkraft zu erhöhen, indem durch gezielte Positionierung und Gestaltung des magnetischen Übergangs zwischen Spulenkern und Ankerkörper (Joch) einerseits der magnetische Fluss in Richtung Lagerung abgeschwächt wird, die nutzbare Magnetkraft am anderen Ende des Ankerkörpers hingegen erhöht wird. Dies hat auch einen positiven Einfluss auf das infolge der Magnetkraft auf den Ankerkörper wirkende Drehmoment, welches an der zweiten Seite des Spulenkerns entfernt von der Lagerung erhöht wird.
Diese gezielte Positionierung und Gestaltung des magnetischen Übergangs zwischen Spulenkern und Ankerkörper kann im Grunde nach bei allen elektromagnetischen Aktuatoren in Verbindung mit einseitig gelagerten Jochankermagneten, wie z.B. Kippanker-Magnetventil- und Schaltvorrichtungen, angewandt werden. Damit kann eine Optimierung von elektromagnetischen Aktuatoren mit Jochankermagneten (wie z.B. Kippankermagnet) als Antrieb für z.B. Relais, Hubanker und Magnetventile erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators erstreckt sich, im Querschnitt entlang der Symmetrieachse des Spulenkerns betrachtet, der zweite Bereich des Spulenkerns absatzartig ausgehend von dem ersten Bereich. Insbesondere wird die stirnseitige Geometrie des Spulenkerns im zweiten Bereich mit einem zusätzlichem Absatz versehen, vorteilhafterweise auf einen maximal möglichen Durchmesser bis nahe des äußeren Umfangs der Spulenwicklung. Durch einen derartigen, zusätzlichen Absatz werden die Feldlinien des Magnetfeldes verstärkt in Richtung der zweiten Seite des Spulenkerns gelenkt, was einerseits das auf den Ankerkörper wirkende Drehmoment an dieser Stelle erhöht, und andererseits die Lagerung von einem Teil der erzeugten Magnetkraft entlastet. Vorteilhafterweise überdeckt der Spulenkern im zweiten Bereich, beispielsweise der zusätzliche Absatz, radial mehr als die Hälfte der radialen Erstreckung der Spulenwicklung, die umfangsmäßig um den Spulenkern angeordnet ist.
Insbesondere ist der Spulenkern im zweiten Bereich derart ausgebildet, dass ein Flächenschwerpunkt des Spulenkerns gegenüber der Symmetrieachse in entgegengesetzter Richtung von der Lagerungsvorrichtung verschoben ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Lagerungsvorrichtung radial außerhalb des Spulenkerns angeordnet.
In einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist vorgesehen, dass der Ankerkörper einen ersten Bereich aufweist, in dem der Ankerkörper mittels der Lagerungsvorrichtung in dem Aktuator gelagert ist, und einen zweiten Bereich, der sich über dem zweiten Bereich des Spulenkerns erstreckt, wobei der Ankerkörper im ersten Bereich einen magnetischen Widerstand pro Längeneinheit aufweist, der in Relation zu einem magnetischen Widerstand pro Längeneinheit im zweiten Bereich des Ankerkörpers erhöht ist. Damit kann durch Erhöhung des magnetischen Widerstands im ersten Bereich des Ankerkörpers, in dem sich die Lagerung befindet, der magnetische Fluss in Richtung Lagerung zusätzlich abgeschwächt werden, wodurch die Belastung der Lagerstelle weiter abgesenkt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ankerkörper im ersten Bereich wenigstens eine Querschnittsverengung in Relation zu einem Querschnitt im zweiten Bereich des Ankerkörpers aufweist. Insbesondere weist der Ankerkörper im ersten Bereich wenigstens eine Querschnittsverengung in Relation zu einem Querschnitt eines an die Querschnittsverengung angrenzenden Ankerkörpermaterials auf Seiten des zweiten Bereichs des Ankerkörpers auf. Auf diese Art kann der magnetische Widerstand durch vergleichsweise einfache herstellungstechnische Maßnahmen erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die wenigstens eine Querschnittsverengung eine verringerte Dicke des Ankerkörpers in Relation zu einer Dicke im zweiten Bereich des Ankerkörpers auf.
Insbesondere wird gemäß einer Ausführungsform die wenigstens eine Querschnittsverengung durch eine oder mehrere Reduktionen des Ankerkörpermaterials im ersten Bereich hergestellt.
Beispielsweise wird die wenigstens eine Querschnittsverengung durch Ausklinkung, Prägung und/oder Ausstanzung von Ankerkörpermaterial im ersten Bereich hergestellt.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich die wenigstens eine Querschnittsverengung über einer Lagerdrehachse der Lagerungsvorrichtung und/oder angrenzend an die Lagerdrehachse der Lagerungsvorrichtung. Beispielsweise ist eine Ausklinkung im Bereich der Lagerdrehachse vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ lässt sich eine gezielte Reduzierung des Ankermaterials (Joch) vorzugsweise im Bereich des Lagers durch Prägung, Ausstanzung oder Abschnitten erzielen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Ankerkörper als Plattenanker ausgebildet ist. Der Ankerkörper kann vorteilhaft als Kippanker ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform sind der elektromagnetische Aktuator als elektromagnetische Schalt- oder Ventilvorrichtung und der bewegbare Ankerkörper als Schalt- bzw. Ventilelement ausgebildet.
Insbesondere ist der elektromagnetische Aktuator als ein elektromechanisches Relais oder Magnetventil, insbesondere als Kippankerventil, ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist der elektromagnetische Aktuator als ein Magnetventil für ein Druckregelmodul eines Fahrzeugs ausgebildet.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können nebeneinander oder auch in beliebiger Kombination miteinander angewandt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A, 1B schematische Querschnittsdarstellungen eines beispielhaften Kippankerventils, bei dem ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Aktuator, wie in Fig. 2 dargestellt, dem Grundsatz nach zur Anwendung kommen kann,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators, wie sie beispielsweise in einem Kippankerventil gemäß Fig. 1 Verwendung finden kann.
Fig. 1 zeigt anhand von Fig. 1A und Fig. 1B eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Aktuator, wie in Fig. 2 dargestellt, dem Grundsatz nach zur Anwendung kommen kann. Dabei soll Fig. 1 einen beispielhaften, praxisgemäßen Einsatz eines elektromagnetischen Aktuators anhand eines Kippankerventils verdeutlichen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Spulenkerns, des Ankerkörpers und anderer Komponenten ist dabei in Fig. 2 gemäß eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt und kann vom Fachmann im Grundsatz ohne Weiteres auf ein Kippankerventil gemäß Fig. 1 übertragen werden. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass dem Fachmann die grundlegende Funktionsweise von elektromagnetischen Aktuatoren, wie Schalt- oder Ventilvorrichtungen mit einem durch ein Magnetfeld bewegbaren Ankerkörper als Schalt- bzw. Ventilelement bekannt ist. Bei dem Kippankerventil 100 kann es sich dem Grundprinzip nach um ein Ausführungsbeispiel eines in DE 10 2016 105 532 A1 gezeigten Kippankerventils 100 handeln. Dabei kann es sich in einer Variante um ein in der dortigen Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 100 versehenes Magnetventil handeln. Es sind jedoch auch andere Ausführungsbeispiele denkbar, etwa in Zusammenhang mit Magnetventilen wie in den anderen oben genannten Druckschriften beschrieben. Diesbezügliche Ausgestaltungen eines in DE 10 2016 105 532 A1 beschriebenen Magnetventils und deren Komponenten sowie deren Verwendung sind durch Bezugnahme auch Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1A zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Kippankerventil 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem sich der Anker in der ersten Position befindet. Das Kippankerventil 100 weist ein Spulenelement 110, einen Ankerkörper (oder kurz Anker) 115, eine Feder 120, ein Dichtelement 125 sowie eine Deckschale 130 auf. Dabei umfasst das Spulenelement 110 zumindest einen Spulenkern 135 sowie eine umfangsmäßig um den Spulenkern 135 angeordnete Spule 140 mit einem Paket aus Spulenwicklungen (nicht explizit dargestellt) . Eine Stirnseite des Ankers 115 ist mittels eines Lagers 145 gelagert. Der Anker 115 ist zwischen einer ersten Position 147 und einer zweiten Position 149 bewegbar. Dabei ist der Anker 115 ausgebildet, bei einem Aktivieren der Spule 140 von der ersten Position 147 in eine zweite (angezogene) Position 149 bewegt zu werden. Bei aktivierter Spule 140 kann der Anker 115 in der zweiten Position 149 gehalten werden. Auf der dem Spulenelement 110 abgewandten Seite des Ankers 115 ist weiterhin das Dichtelement 125 angeordnet. In der Deckschale 130 ist ein Ventilsitz 150 mit einem Ausgang 155 und ein Eingang 157 für ein Fluid 158 ausgebildet. Dabei ist der Ausgang 155 mittels des Dichtelements 125 fluiddicht verschließbar, wenn der Anker 115 in der ersten Position 147 angeordnet ist. Das Dichtelement 125 kann hierbei ferner auch als Dämpferelement wirken, um ein Aufprallen des Ankers 115 auf den Ventilsitz 150 zu verhindern. Das Dichtelement 125 kann hierbei durch ein Vulkanisieren auf dem Anker 115 oder einem Trägerelement befestigt sein. Denkbar ist ferner, dass ein Winkel beim Auftreffen des Ankers 115 bzw. Dichtelementes 125 auf dem Ventilsitz 150 durch eine schräge Düse oder ein schräg ausgeformtes Dichtelement 125 oder einen gekrümmten Anker 115 erzeugt wird. Eine solche Düse, die in der Fig. 1A nicht explizit dargestellt ist, braucht nicht zwangsläufig in das Kippankerventil 100 integriert sein, sondern kann auch von externen Gehäuseteilen bereitgestellt werden.
Denkbar ist ferner, dass der Ventilsitz 150 in dem Spulenelement 110 angeordnet ist, was jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Fig. 1A nicht explizit dargestellt ist. In diesem Fall wäre dann ein Betätiger von Vorteil, der eine Freigabe des Ausgangs durch den Anker 115 vermittelt.
Der Anker 115 weist in diesem Ausführungsbeispiel mindestens eine zumindest teilweise runde Erhebung 160 in einem Lagerabschnitt 162 auf, wobei die Erhebung 160 günstigerweise in eine Ausnehmung 165 oder Öffnung eingreift, die in einem der Erhebung 160 gegenüberliegenden Abschnitt eines Gehäuses 170 des Kippankerventils 100 angeordnet ist. Hierdurch kann der Anker 115 in der Ausnehmung bei einer Bewegung von der ersten Position 147 in die zweite Position 149 nach einem Einschalten eines Stromflusses durch die Spule 140 gleiten und wird zugleich an einer fixen Position in dem Gehäuse 170 bzw. in Bezug zu der Deckschale 130 gehalten. Günstigerweise ist die Ausnehmung trapezförmig ausgestaltet, sodass eine möglichst geringe Reibung beim Gleiten der Erhebung über die Fläche der Ausnehmung 165 verursacht wird. Die Ausnehmung 165 kann beispielsweise aus Kunststoffmaterial gefertigt und hierdurch sehr einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Die Feder 120 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Blattfeder ausgebildet und im Lagerabschnitt auf einer der Spule 140 gegenüberliegenden Seite des Ankers 115 angeordnet. Die Feder 120 dient hierbei zum spielfreien Andrücken der beispielsweise im Anker 115 eingepressten Lagerkugel(n) in die (beispielsweise trapezförmige) Gegenschale bzw. Ausnehmung 165 im Gehäuse 170 des Spulenelementes 110. Der Anker 115 kann durch die Feder 120 fixiert werden, sodass der Anker 115 durch die Feder 120 in einer vorbestimmten Position gehalten wird. Dies bietet den Vorteil, dass eine konstante Vorspannkraft auf den Anker 115 ausgeübt werden kann, und die von der Feder 120 auf den Anker 115 ausgeübte Kraft möglichst nahe an einem an der Drehachse liegenden Kraftangriffspunkt auf den Anker 115 eingeleitet werden kann. Alternativ kann auch der Anker 115 an dem Spulenelement 110 eingehängt werden. In diesem Fall könnte dann die Feder 120, die beispielsweise als Blattfeder ausgestaltet ist, entfallen.
Fig. 1B zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Kippankerventil 100, bei dem sich der Anker 115 in der zweiten Position 149 befindet. In diesem Fall ist ein Strom durch die Spule 140 eingeschaltet und der Anker 115 angezogen, sodass sich ein durch die Feldlinien 180 dargestelltes Magnetfeld aufbaut. Bei einem Ausschalten des Stroms durch die Spule 140 kann beispielsweise durch die Schwerkraft oder eine Federkraft der dargestellten Rückstellfeder der Anker 115 in die erste Position 147 zurückfallen.
Die Kernform des zylindrisch geformten Spulenkerns 135, wie in Fig. 1 gezeigt, ist jedoch dafür ursächlich, dass der Übergang des magnetischen Flusses (beispielhaft dargestellt durch die Feldlinien 180) vom Magnetkern in das Joch ungleichmäßig verläuft. Bei der Anwendung in Jochankermagneten, bzw. Kippankermagneten, wie in Fig. -I, bedeutet dies jedoch, dass ein maßgebender Teil der wirkenden Magnetkraft auch in dem Bereich des Lagerabschnitts 162 des Ankers 115 wirkt. Damit wird die effektive Magnetkraft auf Seiten des Dichtelements 125 reduziert oder sogar geschwächt, zudem wird auch der Lagerabschnitt 162 zusätzlich mit Magnetkräften beaufschlagt, was in vielen Bauformen von Aktuatoren unerwünscht ist.
Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators, wie sie beispielsweise in einem Kippankerventil gemäß Fig. 1 Verwendung finden kann. Gleiche, gleichwirkende oder analoge Komponenten sind in Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Im Unterschied zum Kippankerventil 100 nach Fig. 1 weist der elektromagnetische Aktuator 105 gemäß Fig. 2 ein Spulenelement 110 auf, bei dem der Spulenkern 135 einen rotationssymmetrischen ersten Bereich 136 mit einer Symmetrieachse 137 aufweist, in dem der Spulenkern 135 umfangsmäßig von der Spule 140 umgeben ist, sowie einen zweiten Bereich 138, der sich radial über den ersten Bereich 136 hinaus erstreckt, also zumindest auf einer Seite des Spulenkerns 135 eine radiale Erstreckung hat, die über die radiale Erstreckung des ersten Bereichs 136 hinausgeht. Im ersten Bereich 136 ist der Spulenkern somit beispielsweise zylindrisch um die Symmetrieachse 137 ausgebildet, ähnlich dem Spulenkern 135 gemäß Fig. 1, im zweiten Bereich 138 hingegen nicht.
Damit ist, im Unterschied zu Fig. 1, erfindungsgemäß zusätzlich ein zur Symmetrieachse 137 asymmetrischer zweiter Bereich 138 des Spulenkerns 135 zur asymmetrischen Beeinflussung des Magnetfeldes vorgesehen. Insbesondere ist, im Querschnitt entlang der Symmetrieachse 137 des Spulenkerns 135 betrachtet, der zweite Bereich 138 des Spulenkerns 135 absatzartig ausgehend von dem ersten Bereich 136, im wesentlichen auf einer Hälfte des rotationssymmetrischen (zylindrischen) Bereichs 136, ausgebildet. Der zweite Bereich 138 kann dabei in der Draufsicht rechteckig oder teilweise rund, z.B. halbkreisförmig, oder mit einer anderen geometrischen Form ausgestaltet sein, beispielsweise mit einer geometrischen Form (z.B. halbkreisförmig), die in der Draufsicht der geometrischen Form des Ankers 115 (z.B. im Bereich 117 abgerundet oder halbkreisförmig) entspricht. Mithin wird eine von der Ankerlagerung entfernte Seite des Spulenkerns 135 im zweiten Bereich 138 mit einem zusätzlichen, von der Zylinderform des ersten Bereichs 136 abweichenden Absatz versehen, der sich vorteilhafterweise auf einen maximal möglichen Durchmesser bis oder bis nahe des äußeren Umfangs der Spulenwicklung 141 erstreckt.
Der Anker 115 ist einseitig mittels der Lagerungsvorrichtung 106 in dem Aktuator 105 gelagert. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Lagerungsvorrichtung 106 radial versetzt zu der Symmetrieachse 137 des Spulenkerns 135 angeordnet und im Aktuator 105 fixiert, vorzugsweise radial außerhalb des Spulenkerns 135 bzw. außerhalb dessen Umfangs, etwa am Spulenelement 110. Hierbei erstreckt sich der Anker 115 von der Lagerungsvorrichtung 106 radial über den Spulenkern 135 von einer ersten Seite 131 zu einer zweiten Seite 132 des Spulenkerns 135. Die zweite Seite 132 liegt dabei der ersten Seite 131 radial gegenüber.
Der Anker 115 wird, wie anhand von Fig. 1 beschrieben, durch Aktivieren des Spulenelements 110 (Stromfluss in der Spule 140) von der ersten Position 147 (die waagrecht oder leicht angestellt sein kann, wie in Fig. 1A gezeigt) in die zweite angezogene Position (analog Position 149 in Fig. 1B; in Fig. 2 nicht dargestellt) bewegt, mithin an die Spule 140 nach unten angezogen.
Der zweite Bereich 138 des Spulenkerns 135, der sich radial und asymmetrisch über den ersten Bereich 136 hinaus erstreckt, ist an der zweiten Seite 132 des Spulenkerns 135, in Richtung der Symmetrieachse 137 gesehen, zwischen der Spule 140 und dem Ankerkörper 115 angeordnet. Damit wird ein Luftspalt 190 zwischen Spulenkern 135 und Anker 115 in Richtung der Symmetrieachse 137 (mithin in Längsrichtung des Spulenkerns 135) gebildet, der zwischen erster Seite 131 und zweiter Seite 132 des Spulenkerns 135 asymmetrisch ausgebildet ist. Insbesondere ist in der ersten Position 147 des Ankers 115 der Luftspalt 190 in Richtung der Symmetrieachse 137 zwischen Spulenkern 135 und Anker 115 an der zweiten Seite 132 des Spulenkerns kleiner als an der ersten Seite 131. Damit wird der magnetische Widerstand (Rm) für die magnetischen Feldlinien 180 auf der zweiten Seite 132 im Vergleich zu der ersten Seite 131 kleiner:
Rm = Rm, Eisen + Rm,Luft.
Hierbei soll „Eisen“ das Ankermaterial und das Material des Spulenkerns 135 und des Gehäuses 170 zusammenfassen. Dabei können diese Komponenten aus gleichen oder unterschiedlichen magnetisch leitenden Materialien zusammengesetzt sein.
Da der magnetische Widerstand Rm proportional zur Länge ist, die die Feldlinien 180 durchdringen müssen, ist Rm.Luft auf der zweiten Seite 132 durch den Absatz des Spulenkerns 135 im zweiten Bereich 138 und durch den folglich verringerten Luftspalt 190 deutlich kleiner als auf der ersten Seite 131 , auf der der Luftspalt 190 im Verhältnis deutlich größer ist.
Durch einen derartigen, zusätzlichen Absatz im zweiten Bereich 138 werden die Feldlinien 180 des Magnetfeldes also verstärkt in Richtung der zweiten Seite 132 des Spulenkerns 135 gelenkt, was einerseits das auf den Anker 115 wirkende Drehmoment an dieser Stelle erhöht, und andererseits die Lagerungsvorrichtung 106 von einem Teil der erzeugten Magnetkraft entlastet. Vorteilhafterweise überdeckt der Spulenkern 135 im zweiten Bereich 138, also der dargestellte zusätzliche Absatz, radial mehr als die Hälfte der radialen Erstreckung der Spulenwicklung 141 , die umfangsmäßig um den Spulenkern 135 angeordnet ist. Im Prinzip kann der zusätzliche Absatz oder Kopf des Spulenkerns 135 im zweiten Bereich 138 bis oder bis nahe des Gehäuses 170 ausgebildet werden. Es kann aber auch bereits eine geringere radiale Erstreckung des Absatzes in den radialen Bereich der Spulenwicklung 141 hinein zu einer Verbesserung der Feldlinienverteilung führen. Vorteilhafterweise ist der Spulenkern 135 im zweiten Bereich 138 derart ausgebildet, dass ein Flächenschwerpunkt des Spulenkerns 135 gegenüber der Symmetrieachse 137 in entgegengesetzter Richtung von der Lagerungsvorrichtung 106 verschoben ist.
Mit der Erfindung ist es somit ermöglicht, die für die zu aktivierende Bewegung des Ankers 115 nutzbare Magnetkraft zu erhöhen, indem der magnetische Übergang zwischen Spulenkern 135 und Anker 115 so ausgestaltet wird, dass einerseits der magnetische Fluss in Richtung Lagerungsvorrichtung 106 durch einen größeren Luftspalt 190 abgeschwächt wird, die nutzbare Magnetkraft an der gegenüberliegenden Seite des Ankers 115 hingegen erhöht wird. Dies hat auch einen positiven Einfluss auf das infolge der Magnetkraft auf den Anker 115 wirkende Drehmoment, welches an der zweiten Seite 132 des Spulenkerns 135 entfernt von der Lagerungsvorrichtung 106 erhöht wird, da die Feldlinien 180 und damit der Kraftmittelpunkt in Richtung der zweiten Seite 132 auf einen größeren Radius des Ankers 115 verschoben werden. Dies hat auch den positiven Effekt, dass die zusätzlich auf die Lagerungsvorrichtung 106 wirkenden magnetischen Kräfte verringert werden.
Die Verschiebung der Feldlinien 180 in Richtung der zweiten Seite 132 des Spulenkerns 135 kann dadurch verstärkt werden, indem der Anker 115 in einem ersten Bereich 116 einen magnetischen Widerstand pro Längeneinheit aufweist, der in Relation zu einem magnetischen Widerstand pro Längeneinheit in einem zweiten Bereich 117 des Ankers 115 erhöht ist. In dem ersten Bereich 116 ist der Anker 115 mittels der Lagerungsvorrichtung 106 in dem Aktuator 105 gelagert, in dem zweiten Bereich 117 erstreckt sich der Anker 115 über dem zweiten Bereich 138 des Spulenkerns 135. Mithin ist der magnetische Widerstand pro Längeneinheit in der Nähe des Lagers höher als im Bereich des Absatzes des Spulenkerns 135. Auch dadurch können die Feldlinien 180 in Richtung der zweiten Seite 132 auf einen größeren Radius des Ankers 115 verschoben werden.
Der magnetische Widerstand pro Längeneinheit kann dadurch erhöht werden, indem im ersten Bereich 116 des Ankers 115 wenigstens eine Querschnittsverengung 118 in Relation zu einem Querschnitt im zweiten Bereich 117 des Ankers 115 vorgesehen wird. Da der magnetische Widerstand Rm umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Ankermaterials ist, das die Feldlinien 180 durchdringen müssen, ist Rm, Eisen pro Längeneinheit in dem ersten Bereich 116 des Ankers 115 durch die Querschnittsverengung(en) 118 höher als in dem zweiten Bereich 117. Zudem kann durch eine versetzte Platzierung der Querschnittsverengungen 118, wie in Fig. 2 dargestellt, der zu durchlaufende Pfad für die Feldlinien 180 durch so herbeigeführte Krümmungen verlängert werden, was wiederum den magnetischen Widerstand erhöht, der proportional zur durchlaufenden Länge ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist in den Querschnittsverengungen 118 der jeweilige Querschnitt des Ankers 115 in Relation zu einem Querschnitt des an die Querschnittsverengungen 118 angrenzenden Ankerkörpermaterials auf Seiten des zweiten Bereichs 117 verringert.
In der Ausführungsform nach Fig. 2 weist oder weisen die Querschnittsverengung(en) 118 eine geringere Dicke d1 des Ankers 115 (in Richtung der Symmetrieachse 137) in Relation zu der Dicke d2 im zweiten Bereich 117 des Ankers 115 auf.
Die Querschnittsverengung(en) 118 können durch eine Reduktion (in Fig. 2 mit 119 gekennzeichnet) des Ankerkörpermaterials im ersten Bereich 116 hergestellt werden. Die Reduktion 119 (etwa in Form einer Aushöhlung, eines Rücksprungs oder einer Vertiefung) wird beispielsweise durch Ausklinkung, Prägung und/oder Ausstanzung von Ankerkörpermaterial hergestellt. Vorteilhaft wird eine Querschnittsverengung 118 über der Lagerdrehachse der Lagerungsvorrichtung 106 und/oder angrenzend an die Lagerdrehachse der Lagerungsvorrichtung 106 angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt. Durch eine gezielte Positionierung und Gestaltung des magnetischen Übergangs zwischen Magnetkern und Anker (Joch) wird der magnetische Fluss somit vorteilhaft in Richtung Lagerung abgeschwächt. Zudem kann die nutzbare Magnetkraft erhöht und die Lagerkraft mit resultierender geringerer Lagerreibung reduziert werden.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Anker 115, wie auch in der Ausführungsform nach Fig. 1, als Plattenanker ausgebildet, wie er beispielsweise in einem Kippankerventil 100 gemäß Fig. 1 eingesetzt wird. Der Anker 115 ist an einer Seite, im vorliegenden Ausführungsbeispiel an der Stirnseite, mittels der Lagerungsvorrichtung 106 in dem Aktuator 105, beispielsweise dem Kippankerventil 100, fixiert und gelagert und wird durch Aktivierung der Spule 140 zwischen der ersten und zweiten Position bewegt, wie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Die Lagerungsvorrichtung 106 mit Lagerdrehachse senkrecht zur Symmetrieachse 137 des Spulenkerns 135 ist in Fig. 2 abweichend von dem Lagerabschnitt 162 und Lager 145 der Fig. 1 dargestellt und soll lediglich schematisch eine einseitige Lagerung des Ankers 115 verdeutlichen. Es können zur Lagerung verschiedene Mechanismen eingesetzt werden, wie z.B. der aus Fig. 1 oder andere Mechanismen der oben genannten Druckschriften.
Der Aktuator 105 gemäß Fig. 2 wurde in Zusammenschau mit Fig. 1 in Zusammenhang mit einem Magnetventil in Form des Kippankerventils 100 beschrieben. Bei einem Einsatz in einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung, etwa einem Relais, hingegen könnte der in Fig. 2 gezeigte Anker 115 beispielsweise als elektrisches Schaltelement, welches einen elektrischen Kontakt analog einer Ventilöffnung schließt oder öffnet, eingesetzt werden. Die beschriebene Art der Magnetfeldverlagerung durch die Gestaltung des Spulenkerns 135 und des Ankers 115 kann im Grundsatz bei allen gattungsgemäßen elektromagnetischen Anker-Ventilvorrichtungen und Schaltvorrichtungen angewandt werden. BEZUGSZEICHENLISTE
100 Kippankerventil
105 elektromagnetischer Aktuator
106 Lagerungsvorrichtung
110 Spulenelement
115 Ankerkörper
116 erster Bereich
117 zweiter Bereich
118 Querschnittsverengung
119 Reduktion
120 Feder
125 Dichtelement
130 Gehäuseteil
131 erste Seite
132 zweite Seite
135 Spulenkern
136 erster Bereich
137 Symmetrieachse
138 zweiter Bereich
140 Spule
141 Spulenwicklung
145 Lager
147 erste Position
149 zweite Position
150 Ventilsitz
155 Ausgang
157 Eingang
158 Fluid
160 Erhebung
162 Lagerabschnitt
165 Ausnehmung
170 Gehäuse 180 Feldlinien

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektromagnetischer Aktuator (105), aufweisend: ein Spulenelement (110), das zumindest einen Spulenkern (135) sowie eine umfangsmäßig um den Spulenkern (135) angeordnete Spule (140) aufweist, wobei der Spulenkern (135) einen rotationssymmetrischen ersten Bereich (136) mit einer Symmetrieachse (137) aufweist, in dem der Spulenkern (135) umfangsmäßig von der Spule (140) umgeben ist, einen bewegbaren magnetischen Ankerkörper (115) als bewegbares Aktuatorelement, der mit dem Spulenelement (110) für eine zu aktivierende Bewegung des Ankerkörpers (115) zusammenwirkt, einseitig mittels einer Lagerungsvorrichtung (106) in dem Aktuator (105) gelagert ist und durch Aktivieren des Spulenelements (110) von einer ersten Position (147) in eine zweite Position (149) bewegbar ist, wobei die Lagerungsvorrichtung (106) radial versetzt zu der Symmetrieachse (137) des Spulenkerns (135) angeordnet ist und der Ankerkörper (115) sich von der Lagerungsvorrichtung (106) radial über den Spulenkern (135) von einer ersten Seite (131) zu einer zweiten Seite (132) des Spulenkerns (135) erstreckt, wobei der Spulenkern (135) einen zweiten Bereich (138) aufweist, der sich radial über den ersten Bereich (136) hinaus erstreckt und an der zweiten Seite (132) des Spulenkerns (135) in Richtung der Symmetrieachse (137) zwischen der Spule (140) und dem Ankerkörper (115) angeordnet ist, so dass in der ersten Position (147) des Ankerkörpers (115) ein Luftspalt (190) in Richtung der Symmetrieachse (137) zwischen Spulenkern (135) und Ankerkörper (115) an der zweiten Seite (132) des Spulenkerns kleiner ist als an der ersten Seite (131).
2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, bei dem im Querschnitt entlang der Symmetrieachse (137) des Spulenkerns (135) betrachtet der zweite Bereich (138) des Spulenkerns (135) sich absatzartig ausgehend von dem ersten Bereich (136) erstreckt.
3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lagerungsvorrichtung (106) radial außerhalb des Spulenkerns (135) angeordnet ist.
4. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Spule (140) eine Spulenwicklung (141) aufweist, die umfangsmäßig um den Spulenkern (135) angeordnet ist, und der Spulenkern (135) im zweiten Bereich (138) derart ausgebildet ist, dass ein Flächenschwerpunkt des Spulenkerns (135) gegenüber der Symmetrieachse (137) in entgegengesetzter Richtung von der Lagerungsvorrichtung (106) verschoben ist
5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Ankerkörper (115) einen ersten Bereich (116) aufweist, in dem der
Ankerkörper (115) mittels der Lagerungsvorrichtung (106) in dem Aktuator gelagert ist, und einen zweiten Bereich (117), der sich über dem zweiten Bereich (138) des Spulenkerns (135) erstreckt, wobei der Ankerkörper (115) im ersten Bereich (116) einen magnetischen Widerstand pro Längeneinheit aufweist, der in Relation zu einem magnetischen Widerstand pro Längeneinheit im zweiten Bereich (117) des Ankerkörpers (115) erhöht ist.
6. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 5, bei dem der Ankerkörper (115) im ersten Bereich (116) wenigstens eine Querschnittsverengung (118) in Relation zu einem Querschnitt im zweiten Bereich (117) des Ankerkörpers (115) aufweist.
7. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Ankerkörper (115) im ersten Bereich (116) wenigstens eine Querschnittsverengung (118) in Relation zu einem Querschnitt eines an die Querschnittsverengung (118) angrenzenden Ankerkörpermaterials auf Seiten des zweiten Bereichs (117) des Ankerkörpers (115) aufweist.
8. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die wenigstens eine Querschnittsverengung (118) eine verringerte Dicke (d1) des Ankerkörpers (115) in Relation zu einer Dicke (d2) im zweiten Bereich (117) des Ankerkörpers (115) aufweist. 19
9. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die wenigstens eine Querschnittsverengung (118) durch eine Reduktion (119) eines Ankerkörpermaterials im ersten Bereich (116) hergestellt ist.
10. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die wenigstens eine Querschnittsverengung (118) durch Ausklinkung, Prägung und/oder Ausstanzung (119) von Ankerkörpermaterial im ersten Bereich (116) hergestellt ist.
11. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem sich die wenigstens eine Querschnittsverengung (118) über einer Lagerdrehachse der Lagerungsvorrichtung (106) und/oder angrenzend an die Lagerdrehachse der Lagerungsvorrichtung (106) befindet.
12. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei dem der Ankerkörper (115) als Plattenanker ausgebildet ist.
13. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Ankerkörper (115) als Kippanker ausgebildet ist.
14. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der elektromagnetische Aktuator als elektromagnetische Schalt- oderVentilvorrichtung (100) und der bewegbare Ankerkörper (115) als Schalt- bzw. Ventilelement ausgebildet sind.
15. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 14, der als ein elektromechanisches Relais oder Magnetventil (100) ausgebildet ist.
16. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 15, der als ein Magnetventil (100) für ein Druckregelmodul eines Fahrzeugs ausgebildet ist.
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