PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10251851A1 12.02.2004
Titel Elektromagnetische Stellvorrichtung
Anmelder ETO MAGNETIC KG, 78333 Stockach, DE
Erfinder Bender, Stefan, 78234 Engen, DE
Vertreter Hiebsch und Kollegen, 78224 Singen
DE-Anmeldedatum 07.11.2002
DE-Aktenzeichen 10251851
Offenlegungstag 12.02.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.02.2004
IPC-Hauptklasse H01F 7/13
IPC-Nebenklasse H01F 7/16   H01F 7/121   F15B 15/00   B60T 13/68   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse relativ zu einem Kernelement entlang einer axialen Richtung um einen vorbestimmten Hub bewegbar vorgesehenen Anker und einer zum Erzeugen der Bewegung mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Spuleneinrichtung, wobei der Anker und das Kernelement in einem Übergangsbereich einander gegenüberstehende, aufeinander ausgerichtete Endflächen ausbilden, wobei im Übergangsbereich zwischen den Endflächen kein abstandswirksames Element aus nicht-magnetischem Material vorgesehen ist und die Endflächen eine Mehrzahl von gegenüber der axialen Richtung sowie einer dazu senkrechten Ebene geneigten Flächenabschnitten aufweisen, die insbesondere einen Mehrfachkonus und/oder einen querschnittlich gezackten Übergangsbereich ausbilden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige elektromagnetische Stellvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Das Grundprinzip besteht darin, dass, als Reaktion auf eine Ansteuerung der Spuleneinrichtung mit einem elektrischen Strom, der Anker durch Magnetwirkung gegenüber dem Kernelement in eine Bewegung versetzt wird und dann einen entsprechend vorgesehenen Stellbetrieb ausführen kann.

Dabei ist es sowohl bekannt, den Stellbetrieb monostabil auszuführen, also z.B. den Anker gegen die Rückstellkraft einer geeignet bemessenen Rückstellfeder anzutreiben, als auch diesen bistabil in eine angezogene und eine entfernte Position.

Ein Kernproblem bei der Dimensionierung derartiger elektromagnetischer Stellvorrichtungen liegt darin, dass die (magnetische) Kraftverteilung über den wirksamen Bewegungsbereich des Ankers (im weiteren auch Hub genannt) unlinear ist, so dass, bei zunehmendem Axialhub, die Kraftkennlinie stark abfällt. Dagegen ist diese Kraft am Anschlag bzw. kurz nach dem Anschlag am Anker sehr hoch. Begleitet wird dies bei aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Stellvorrichtungen der gattungsgemäßen Art durch den sogenannten Klebeeffekt; der (typischerweise aus Automatenstahl hergestellt) Anker klebt im angezogenen Zustand am Kernelement, mit der Wirkung, dass erst diese Magnetkraft überwunden werden muß, um den Anker in die gewünschte Stellbewegung zu versetzen.

Dieses Problem wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen durch ein zwischen den Grenzflächen von Anker bzw. Kernelement vorgesehenes Element aus nichtmagnetischem Material gelöst, wobei ein solches Element auch als „Antiklebscheibe" bezeichnet wird. Faktisch wird damit ein Mindestabstand zwischen Anker und Kernelement hergestellt, mit dem Ergebnis, dass der anfängliche, steile Bereich der Kraft-/Hubkennlinie unberücksichtigt bleibt.

Dies soll im weiteren anhand der 2 sowie einer zugehörigen Kennlinie (2) in 4 erläutert werden: Ein schematisch gezeigtes, jochförmiges Gehäuse 10 einer bekannten, gattungsbildenden elektromagnetischen Stellvorrichtung zur Druckluftsteuerung für ein ABS-System trägt ein Kernelement 12, gegenüber welchem in axialer Richtung (verdeutlicht durch gestrichelte Linie 14) ein Anker 16 beweglich in einer Jochbuchse 18 aus nicht-magnetischem Material (typischerweise als Messing-Führungsrohr realisiert) gelagert ist. Im Gehäuse 10 ist zudem eine Wicklung 20 vorgesehen, welche bei Bestromung dann eine magnetische Wirkung zwischen Kernelement 12 und Anker 16 erzeugt (der Anker 16 wird gegen die Kraft einer nicht gezeigten Rückstellfeder betätigt).

Wie aus der 2 erkennbar ist, weisen sowohl der Anker 16, als auch das Kernelement 12 einander gegenüberstehende, plane Endflächen 22 bzw. 24 auf, welche in Ebenen senkrecht zur axialen Richtung 14 verlaufen. Zur Herstellung eines Mindestabstandes zwischen Anker 16 und Kernelement 12 ist auf dem Kernelement 12 bzw. dessen Endfläche 24 ein Abstandselement 26 in Form einer sogenannten Antiklebscheibe, typischerweise aus Kunststoff oder Messing realisiert, vorgesehen, wobei dieses Element 26 in axialer Richtung (entlang der Achse 14) einen Mindestabstand d zwischen Anker 16 und Anker 12 bestimmt. Dieser Abstand d ist in der Kraft-/Hubgraphik der 4 erkennbar: Die der Vorrichtung gemäß 2 zugeordnete Kurve (2) zeigt im linksgelegenen Bereich der Graphik zwischen 0 und d einen steilen Anstieg, wobei jedoch die Magnetenergie in diesem Bereich nicht genutzt wird, da der Anker den Minimalabstand d zum Kernelement 12 einhält. Man erkennt zusätzlich den steilen und stark nicht-linearen weiteren Verlauf der Kraft-/Hub-Kennlinie einer Anordnung aus Anker und Kernelement mit einander gegenüberstehenden planen Endflächen in Kurve (2).

Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, zur Verflachung dieser Kennlinie den Anker bzw. den Kern im Übergangsbereich so konusförmig auszubilden, dass die aufeinander ausgerichteten Endflächen ineinander greifen. Ein derartiges Beispiel zeigt die 3 (ebenso, wie die Vorrichtung nach der 2, am Beispiel eines ABS-Druckluftmagneten mit Druckluftdüse 30 im Kernelement 12, wobei die gegenüberliegende Endfläche des Ankers 16 im mittleren Bereich als Dichtfläche für das auslaßseitige Ende der Düse 30 wirkt).

Wie in der 3 gezeigt, weist der Anker 16 einen Ringabsatz 32 auf, welcher in einen konusförmigen Ringabschnitt 34 übergeht. Dieser konusförmige Ringabschnitt ist wiederum zum Eingreifen in einen ringförmigen Innenkonus 36 in der gegenüberliegenden Endfläche des Kernelements 12 ausgebildet.

Eine derartige Konusform, im weiteren auch als Einfach-Konus bezeichnet, besitzt gegenüber dem in 2 gezeigten Stumpfankersystem den Vorteil, dass bei Vergrößerung des Axialhubes der direkte Abstand zwischen Kernelement und Anker weniger stark ansteigt. Entsprechend verläuft die Kraft-/Hub-Kennlinie in 4, dort bezeichnet die Kurve (3) die konusförmige Ausbildung der 3, weniger unlinear und steil.

Die Richtung der magnetischen Kennlinien wird beim gezeigten Einfachkonus der 3 durch den Konuswinkel bestimmt: Die magnetischen Feldlinien treten nahezu rechtwinkelig am Konus kernseitig aus, und nahezu rechtwinkelig ankerseitig ein. Als nutzbare Hubkraft kann dabei nur die axiale Komponente, d.h. in Richtung der Achse 14, verwendet werden, während die radiale Komponente als Querkraft verloren geht. Durch Veränderung des Konuswinkels kann dabei die Kennlinie über den Hub variiert werden. Da jedoch, wie auch in der 3 gezeigt – dort befindet sich der Anker in der Position seines Maximalhubes – der Konus durch seinen Winkel meist einen größeren Arbeitshub zuläßt, als benötigt wird, kann die aufgewendete Energie nicht vollständig genutzt werden; bei ansteigendem Winkel nimmt die nutzbare Hubarbeit zudem zunehmend ab.

Entsprechend führen auch praktische Realisierungen mit einem Einfachkonus analog zu der 3 dazu, dass die Kraft-/Hub-Kennlinie nicht optimal linear verläuft, und üblicherweise ist auch bei einer derartigen Anordnung das Einbringen eines Abstandselements (Antiklebscheibe) 26, wie in der 3 gezeigt, erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Elektromagnet-Stellvorrichtung im Hinblick auf eine Optimierung der aufgewendeten Energie zu verbessern, zudem ungenutzten Hub – sowohl durch eine Überdeckung eines Einfachkonus, als auch durch ein Abstandselements – zu vermeiden und generell eine flache, stetige Kraft-/Hubkennlinie zu erzeugen.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die Verwendungen nach den unabhängigen Ansprüchen 8 bis 10 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird zunächst in den einander gegenüberliegenden Endflächen von Anker und Kernelement eine Mehrzahl von geneigten Flächenabschnitten vorgesehen, wobei diese bevorzugt als Mehrfachkonus auszuführen sind. Als "Mehrfachkonus" im Rahmen der Erfindung ist dabei eine solche konusförmige Ausbildung der Endflächen zu verstehen, dass mehr als eine konusartig geneigte Fläche entsteht. Zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen Anker und Kernelement kein den Mindestabstand zwischen diesen Elementen beeinflussendes Element vorliegt, so dass insoweit auch in Richtung auf den Nullabstand der maximale Hubbereich verlustlos ausgenutzt werden kann.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ermöglichen es die mehrfach geneigten Flächenabschnitte (insbesondere in Form des Mehrfachkonus ausgebildet), dass die radialen Komponenten des Magnetfeldes zwischen Kernelement und Anker minimiert werden, während die energetisch optimalen, axial verlaufenden Komponenten zwischen den jeweiligen, durch die geneigten Flächenabschnitte ausgebildeten Spitzen bzw. Zacken optimiert werden. Dies führt zu einem sehr flachen und homogenen Kraft-/Hubdiagramm, so dass es insbesondere auch, mangels stark ansteigender Kraft bei Abstand 0, keines Abstandshalters in Form einer Antiklebscheibe mehr bedarf.

Die große magnetische Flußdichte des Materials am Mehrfachkonus erzeugt eine höhere Kraftwirkung des Magneten; der geringere Anteil der Querkräfte führt zudem bei exzentrischer Fertigung zu einem geringeren Verschleiß.

Die resultierende, flache und stetige Kennlinie bewirkt damit eine hohe Anzugskraft bei maximalem Hub; die Haltekraft bei Hub 0 ist dabei, gegenüber dem Stand der Technik, niedrig. Besonders vorteilhaft ist damit die Vorrichtung gemäß der Erfindung für Schaltmagneten oder dergleichen Anordnungen, die eine hohe Anzugskraft und eine kurze Anzugszeit (bzw. auch eine schnelle Abfallszeit) realisieren müssen – durch den flachen Kennlinienverlauf bleibt die gesamte nutzbare Hubarbeit bei Veränderung der Winkel nahezu konstant.

Gemäß einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung sind sowohl der Anker, als auch das Kernelement zylindrisch, so dass die geneigten Flächenabschnitte ringförmige Spitzen bzw. Vertiefungen ausbilden. Als "Mehrzahl von geneigten Flächenabschnitten" ist demgemäß bei der bevorzugten Ausführungsform eine solche Realisierung zu verstehen, bei der mindestens eine Endfläche mindestens zwei Spitzenbereiche aufweist (und dementsprechend die gegenüberliegende Endfläche des anderen Partners mindestens zwei zugehörige ringförmige Vertiefungen).

Ideal sind diese Spitzenbereiche endseitig spitz zulaufend (bei kleinstmöglichen Radien), damit die Haltekraft sehr klein ist und die Zahl der Spitzen erhöht werden kann; generell ist es bevorzugt, möglichst viele nebeneinander auf diese Weise auszubilden.

In der praktischen Realisierung hat es sich als besonders bevorzugt herausgestellt, den Neigungswinkel zwischen den geneigten Flächenabschnitten und der Axialrichtung auf < 40°, typischerweise auf 35° als bevorzugter Wert, einzustellen.

Energetisch ist es besonders günstig, die Erstreckung der geneigten Flächenabschnitte in Längsrichtung (d.h. in der axialen Richtung) kleiner oder gleich dem vorbestimmten (maximalen) Hub einzustellen; insbesondere werden hierbei die aus dem Stand der Technik bekannten, energetisch nachteiligen Überdeckungen vermieden.

Weiterhin bevorzugt ist es, die erfindungsgemäße Vorrichtung als gegen die Kraft einer Rückstellfeder wirkendes monostabiles Stellelement auszubilden.

In der praktischen Anwendung machen sich die erwähnten Vorteile der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung, nämlich sehr flache Kraft-/Hubkennlinie, kurze Anzugszeit, schnelle Abfallszeit und trotzdem hohe Anzugskraft, vorteilhaft bei verschiedensten Stellanwendungen bemerkbar, so etwa auch im Zusammenhang mit hydraulischen bzw. pneumatischen Ventilen. Gerade bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anwendungen im Zusammenhang mit Ventilen zur Fluidsteuerung, etwa Druckluft für ein ABS-Bremssystem, wirken sich diese Eigenschaften als besonders vorteilhaft aus. Darüber hinaus läßt sich die vorliegende Erfindung geeignet im Zusammenhang mit Schaltventilen realisieren (die guten Geschwindigkeitseigenschaften machen sie dabei auch bevorzugt für sogenannte Schnellschaltventile), oder aber es ergeben sich vorteilhafte Anwendungsbereiche für das Stellen proportionaler Ventile.

Im Ergebnis wird durch die vorliegende Erfindung erreicht, dass die geometriebedingten Nachteile herkömmlicher Stumpfanker- bzw. Einfachkonus-Systeme sinnvoll überwunden werden können, insbesondere diese im Hinblick auf eine Verflachung der Hub-/Kraftkennlinie verbessert werden können und, durch das Vermeiden von Überdeckung bzw. Abstandselement, die Vorrichtungen zudem energetisch optimiert sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

1: eine schematische, geschnittene Seitenansicht der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

2: eine Darstellung analog 1 mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Stumpfankersystem;

3: eine Darstellung analog 1, 2 mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Einfachkonussystem und

4: eine Darstellung mit mehreren Kraft-/Hub-Kennlinien, welche die Eigenschaften der Vorrichtungen gemäß 1 bis 3 im Hinblick auf den Kennlinienverlauf einander gegenüberstellt.

Zur Vereinfachung der Darstellung werden für die 1 vergleichbare Bezugszeichen wie bei den Vorrichtungen der 2, 3 verwendet; insbesondere handelt es sich auch hierbei wiederum um einen ABS-Druckluftmagneten, bei welchem ein beweglich geführter Anker 16 steuerbar eine im Kernelement 12 gebildete Düse 30 freilegt oder verschließt.

Von den Darstellungen der 2, 3 unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der 1 durch die Ausbildung der Endflächen 22, 24 an Anker bzw. Kernelement als Mehfachkonus. Genauer gesagt ist, wie durch die ausschnittsweise vergrößert dargestellte Doppelkonusform erkennbar ist, ein zackenförmiger Querschnitt erkennbar, dergestalt, dass im Kernelement zwei Spitzen 40, 42 ausgebildet sind, die mit zugehörigen, ankerseitigen Vertiefungen 44 bzw. 46 zusammenwirken (bzw. ineinander greifen). Nach wie vor dient der zentrale, nicht-gezackte Bereich der ankerseitigen Endfläche 22 als Dichtfläche für die Düse 30. Zusätzlich ist in der 1 ein Arbeitshub a eingezeichnet; in dieser Zeichnung entspricht der Arbeitshub, also der maximal nutzbare Abstand zwischen Anker und Kernelement, der Erstreckung der geneigten Flächenabschnitte von Spitzen (40, 42) bzw. Vertiefungen (44, 46), projiziert auf die axiale Richtung 14. Auf diese Weise liegt im Bereich des maximalen Hubes keine Überdeckung mehr vor, so dass eine energetische Optimierung stattfindet; andererseits ist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel keine einen Minimalabstand zwischen Anker und Kernelement sichernde Antiklebscheibe oder dergleichen vorgesehen.

Wie auch beim Stand der Technik gemäß 2, 3 wirkt der Anker gegen die Kraft einer (nicht gezeigten) Rückstellfeder, und er wird in einer geeigneten Führungsbuchse geführt.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt; so ist es insbesondere von der Erfindung umfasst, die erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung für eine Vielzahl von Ventilen vorzusehen, bei denen die erwähnten vorteilhaften Eigenschaften zu günstigen Betriebseigenschaften führen. Darüber hinaus ist die gezeigte Ausführungsform der 1 als rein schematisch und exemplarisch zu verstehen; beliebige andere Bauformen, welche die erfindungsgemäße Ausbildung der Endflächen mit mehreren geneigten Flächenabschnitten realisieren, sind von der Erfindung umfasst.


Anspruch[de]
  1. Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse (10) relativ zu einem Kernelement (12) entlang einer axialen Richtung (14) um einen vorbestimmten Hub (a) bewegbar vorgesehenen Anker (16) und einer zum Erzeugen der Bewegung mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Spuleneinrichtung (20), wobei der Anker und das Kernelement in einem Übergangsbereich einander gegenüberstehende, aufeinander ausgerichtete Endflächen (22, 24) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich zwischen den Endflächen kein abstandswirksames Element aus nicht-magnetischem Material vorgesehen ist und die Endflächen eine Mehrzahl von gegenüber der axialen Richtung (14) sowie einer dazu senkrechten Ebene geneigten Flächenabschnitten (40, 42, 44, 46) aufweisen, die insbesondere einen Mehrfachkonus und/oder einen querschnittlich gezackten Übergangsbereich ausbilden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker und das Kernelement i.d. zylindrisch und die geneigten Flächenabschnitte radialsymmetrisch so ausgebildet sind, dass ineinandergreifende ringförmige Spitzen- und Vertiefungsbereiche (40, 42, 44, 46) auf beiden Endflächen entstehen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenbereiche endseitig spitz zulaufend ausgebildet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endfläche des Kernelements oder des Ankers mindestens zwei Spitzenbereiche (40, 42) aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel zwischen den geneigten Flächenabschnitten und der axialen Richtung (14) < 45°, insbesondere < 40°, beträgt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigten Flächenabschnitte so ausgebildet sind, dass eine maximale Erstreckung der geneigten Flächenabschnitte in der axialen Richtung kleiner oder gleich dem vorbestimmten Hub (a) ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Ankers gegen die Rückstellkraft eines Kraftspeichers, insbesondere Spiralfeder, erfolgt.
  8. Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Stellen eines Hydraulik- oder Pneumatikventils.
  9. Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für ein Schaltventil, insbesondere ein Schnellschaltventil.
  10. Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für ein proportionales Ventil.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com