DE102013010833A1

DE102013010833A1 - Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013010833A1
Application number: DE102013010833.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bereschka
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31
Also published as: EP3014635B1; US20160118174A1; US9941042B2; EP3014635A1; WO2014206537A1

Abstract

Eine Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, insbesondere Proportionalmagnet oder Schaltmagnet, mit einem Magnetanker (4), der in einem von einer Spulenwicklung zumindest teilweise umgebenen Polrohr (2) axial bewegbar geführt ist, an das sich über einen eine magnetische Entkopplung bildenden Trennbereich (20) ein Polkern (10) anschließt, wobei bei Bestromung der Spulenwicklung (52) am Anker (4) eine Magnetkraft wirkt, die diesen innerhalb eines Hubraums in Richtung auf den Polkern (10) zu bewegen sucht, ist dadurch gekennzeichnet, dass für eine gewünschte Verkürzung der axialen Länge des Hubraumes mindestens eine Einlage (28) aus ferromagnetischem Material vorgegebener axialer Dicke zwischen den Anker (4) und den Polkern (10) einbringbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, insbesondere Proportionalmagnet oder Schaltmagnet, mit einem Magnetanker, der in einem von einer Spulenwicklung zumindest teilweise umgebenen Polrohr axial bewegbar geführt ist, an das sich über einen eine magnetische Entkopplung bildenden Trennbereich ein Polkern anschließt, wobei bei Bestromung der Spulenwicklung am Anker eine Magnetkraft wirkt, die diesen innerhalb eines Hubraums in Richtung auf den Polkern zu bewegen sucht.
Derartige elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen, die man in der Fachsprache auch als Proportionalmagnete oder Schaltmagnete bezeichnet, sind auf dem Markt in einer Vielzahl von Ausführungsformen frei erhältlich. Eine insbesondere für eine Ventilbetätigung vorgesehene Betätigungsvorrichtung dieser Art ist beispielsweise in DE 10 2008 061 414 A1 beschrieben. Bei derartigen Vorrichtungen führt der Magnetanker bei elektrischer Erregung der zugehörigen Spulenwicklung eine Hubbewegung im Polrohr aus. Entfällt die Bestromung der Spulenwicklung, wird regelmäßig über eine Rückstellkraft der Magnetanker in eine Ausgangsposition rückgestellt. In den meisten Fällen wirkt die Rückstellkraft auf den Magnetanker über ein mit dem Anker verbundenes Betätigungsteil, das beispielsweise stangenartig ausgebildet ist und sich durch den Polkern hindurch erstreckt und einen betreffenden Betätigungsvorgang auslöst, beispielsweise bei einem von außen angeschlossenen Ventil zur Steuerung von Fluidströmen. Je nach Anwendungsfall ist ein spezielles, bestimmtes Ansprechverhalten der Betätigungsvorrichtung erforderlich. Genauer gesagt, ist für betreffende Schalt- oder Steuerfunktionen ein bestimmter Verlauf der Magnetkraft-Hubweg-Kennlinie erforderlich. Für den Verlauf dieser F-s-Kennlinie ist insbesondere die Geometrie des Polrohres in dem Übergangsbereich zwischen dem magnetischen Trennbereich und dem Polkern bestimmend. Für den Hersteller derartiger Betätigungsvorrichtungen bedeutet dies, dass er nach Bedarf, d. h. abhängig davon, ob ein Kunde einen ansteigenden Kennlinienverlauf, eine etwa waagerechte Kennlinie, oder einen abfallenden Kennlinienverlauf wünscht, unterschiedliche Polrohrsysteme herstellen und anbieten muss. Insbesondere bei kleinen, an einen Kundenwunsch angepassten Stückzahlen führt dies zu erhöhten Herstellungskosten.
Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die universellere Einzatzmöglichkeiten bietet und daher eine rationelle Fertigung ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass für eine gewünschte Verkürzung der axialen Länge des zwischen dem magnetischen Trennbereich am Polrohr und dem Polkern befindlichen Abschnitts des Hubraums mindestens eine Einlage aus ferromagnetischem Material vorgegebener axialer Dicke zwischen den Anker und den Polkern einbringbar ist. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, für das Polrohr-Polkern-System eine Standardgröße herzustellen und dann, je nach Bedarf, durch Einbringen eines ferromagnetischen Zusatzelements die Länge des für den Kennlinienverlauf bestimmenden Hubraums, der als Hubweg des Ankers zwischen dem magnetischen Trennbereich und dem Polkern zur Verfügung steht, derart einzustellen, dass ein für den Einsatzzweck optimaler Verlauf der Kraft-Hub-Kennlinie gegeben ist.
Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass der sich an den Trennbereich des Polrohres anschließende Teil des Hubraums durch eine Vertiefung im Polkern gebildet ist, die die vom Polrohr gebildete Führung des Ankers fortsetzt und am Trennbereich in einem eine Kante bildenden Rand endet, wobei die jeweilige Einlage an die Bodenfläche der Vertiefung des Polkerns anlegbar ist. Dadurch lässt sich der axiale Abstand zwischen der ferromagnetischen Einlage und dem als magnetische Steuerkante wirkenden Rand des Polkerns auf eine gewünschte Länge, bei der ein gewünschter Kennlinienverlauf der F-s-Kennlinie gegeben ist, einstellen.
Vorzugsweise ist die jeweilige Einlage an der Bodenfläche der Vertiefung festlegbar.
In vorteilhafter Weise kann die Anordnung so getroffen sein, dass der Anker ein stangenartiges Betätigungsteil aufweist und dass als jeweilige Einlage eine das Betätigungsteil umgebende, ferromagnetische Ringscheibe gewählter Dicke vorgesehen ist.
Für optimale Funktionssicherheit kann in an sich bekannter Weise zwischen der ferromagnetischen Ringscheibe und dem Anker eine Antiklebscheibe angeordnet sein.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen an dem vom Polkern abgewandten Ende des Polrohres ein Endkörper angebracht ist, der für den Anker eine Hubwegbegrenzung bildet, lassen sich durch entsprechende Dimensionierung des Endkörpers bei in einer Standardgröße hergestellten Polrohren je nach Wunsch und Bedarf unterschiedliche Längen für den dem Anker zur Verfügung stehenden Gesamthubweg realisieren.
Die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe kann am Polkern durch Kleben oder Löten oder durch eine Materialverformung festgelegt sein, etwa durch eine Verstemmung am Außenrand, oder durch Verstemmen in einer in der Bodenfläche des Polkerns gebildeten Ringnut.
Alternativ kann die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe mittels einer ihren Umfangsrand einfassenden Hülse festgelegt sein, die außenseitig an einer Innenfläche am Polrohr oder Polkern festgelegt ist.
Ferner kann die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe mittels einer zwischen deren Umfangsrand und der Fläche des Polkerns gebildeten Schweißstelle festgelegt sein.
Bei abgewandelten Ausführungsbeispielen kann die Anordnung so getroffen sein, dass die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe an der vom Anker abgewandten Seite einen koaxialen, hülsenartigen Fortsatz besitzt, der durch Presspassung in einer Bohrung des Polkerns gesichert ist, die vom stangenartigen Betätigungsteil des Ankers durchgriffen ist.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt einer Betätigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Auswahl ferromagnetischer Ringscheiben unterschiedlicher Dicke gesondert dargestellt ist;
1A einen stark vergrößerten Ausschnitt des in 1 mit A bezeichneten Bereichs;
2 eine der 1A entsprechende Darstellung mit zugeordneter Darstellung der resultierenden Kennlinienverläufe ohne bzw. mit eingesetzter ferromagnetischer Ringscheibe;
3 eine der 2 entsprechende Darstellung, wobei eine ferromagnetische Ringscheibe mit einer gegenüber 2 größeren Dicke eingelegt ist;
4 einen Teillängsschnitt, in dem ein Teil des Magnetankers mit Betätigungsteil sowie der Übergangsbereich zwischen Polrohr und Polkern gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
5 bis 9 der 4 entsprechende Teillängsschnitte fünf weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung und
10 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels der Betätigungsvorrichtung in Form eines Kompaktmagneten.
In 1, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung im Längsschnitt zeigt, ist eine zugehörige Spulenwicklung weggelassen, die in an sich bekannter Weise auf dem mit 2 bezeichneten Polrohr angeordnet und für Betätigungsvorgänge bestrombar ist. Im Polrohr 2 ist ein Magnetanker 4 axial bewegbar geführt, an dessen einem Ende ein koaxiales, stangenartiges Betätigungsteil 6 befestigt ist. Dieses erstreckt sich durch eine Durchgangsbohrung 8 in einem Polkern 10 hindurch, so dass das freie Ende 12 des Betätigungsteils 6 an einem endseitigen Anschlussteil 14 des Polkerns 10 für einen Betätigungsvorgang zugänglich ist. Eine zu betätigende, mit dem Anschlussteil 14 verbundene Einrichtung, beispielsweise in Form eines Ventils, ist in 1 nicht gezeigt.
Das in 1 gezeigte Beispiel ist als sog. „drückender Magnet” ausgelegt, wobei die dargestellte axiale Position dem voll bestromten Erregungszustand der (nicht gezeigten) Spulenwicklung entspricht und der Anker 4 über das Betätigungsteil 6 eine Druckkraft als Betätigungskraft erzeugt. Eine den Anker 4 bei Beendigung der Bestromung in 1 nach rechts zurückführende Rückstelleinrichtung, beispielsweise in Form einer Rückstellfeder, ist in 1 nicht gezeigt, da eine derartige Einrichtung dem Stand der Technik entsprechend ausgebildet sein kann. Um die Länge des durch eine Rückstellkraft bewirkten Rückhubes des Kolbens 4 zu begrenzen, ist am in 1 rechtsseitig gelegenen Ende des Polrohres 2 mittels einer Einbördelung 16 ein Endkörper 18 festgelegt. Durch entsprechende Dimensionierung des Endkörpers 18 lässt sich der für den Rückhub vorgesehene Hubweg auf eine gewünschte Länge einstellen. Das Polrohr 2 ist mit dem Polkern 10 über eine Schweißstelle 20 verbunden, die in an sich bekannter Weise einen eine magnetische Entkopplung bewirkenden Trennbereich bildet. Die an der Innenseite des Polrohres 2 gebildete Führung für den Anker 4 setzt sich über den durch die Schweißstelle 20 gebildeten Trennbereich hinaus in einer Vertiefung 22 fort, die im Polkern 10 kreiszylindrisch ausgebildet ist und eine in einer Radialebene liegende Bodenfläche 24 besitzt. An der Schweißstelle 20 endet die Vertiefung 22 in einer Kante 26, die einen die Führungsfläche des Ankers 4 umgebenden, zugespitzten Rand bildet.
Bei der Darstellung von 1 ist an die Bodenfläche 24 in der Vertiefung 22 des Polkerns 10 eine ferromagnetische Ringscheibe 28 aus einem ferritischen Material eingelegt, die von dem stangenartigen Betätigungsteil 6 durchgriffen ist. Zwischen der Ringscheibe 28 und dem Ende des Ankers 4 ist eine Antiklebscheibe 30 üblicher Art angeordnet. Die in eingelegtem Zustand gezeigte Ringscheibe 28 weist eine verhältnismäßig geringe axiale Dicke auf. Die 1 zeigt beispielhaft eine Auswahl einlegbarer Ringscheiben 28 unterschiedlicher axialer Dicke. Die Dicke der jeweils eingelegten Ringscheibe 28 führt zu einer entsprechenden Verkürzung der axialen Länge des Hubraums, der für den Anker 4 bei der Bewegung in Richtung auf den Polkern 10 zur Verfügung steht. Die Modifizierung des Hubraums in dem kritischen Hubwegbereich, der sich an den magnetischen Trennbereich der Schweißstelle 20 anschließt, beeinflusst die Magnetkraft-Hubweg-Kennlinie, wie an Beispielen in den 2 und 3 gezeigt ist.
Von den 2 und 3 zeigt 2 ein Beispiel mit einer eingelegten Ringscheibe 28 geringerer Dicke, während 3 ein Beispiel mit einer Ringscheibe 28 größerer Dicke zeigt. Beim Beispiel von 2 sind in einem bezifferten F-s-Diagramm der Kennlinienverlauf ohne eingelegte Ringscheibe 28 mit 32 und mit einer eingelegten Ringscheibe 28 einer Stärke von 0,7 mm mit 34 bezeichnet. Wie ersichtlich ergibt sich bei eingelegter Ringscheibe 28 über einen hauptsächlich zu nutzenden Standardhubweg zwischen etwa 1,5 mm und 2,5 mm ein im Wesentlichen waagerechter Kennlinienverlauf, während die Kennlinie 32 demgegenüber hier abfallend ist. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel mit einer eingelegten Ringscheibe 28 mit einer Dicke von 1,3 mm ergibt sich ein stärkerer Kraftanstieg zu einer höheren Maximalkraft bei kleinerem Hubweg, siehe Kennlinie 34. Man hat es daher in der Hand, bei Herstellung eines Polrohr-Polkern-Systems in einer Standardgröße einen gewählten Verlauf der F-s-Kennlinie zu realisieren, je nachdem, ob keine ferromagnetische Ringscheibe 28 eingelegt oder eine Ringscheibe 28 vorgegebener Dicke eingelegt ist. Bei gleicher Standardgröße ist außerdem die Hublänge des Rückhubes durch Wahl der Abmessungen des betreffenden Endkörpers 18 festlegbar.
Die 4 bis 9 zeigen weitere Ausführungsbeispiele mit einer Auswahl möglicher Arten des Einbaus einer Ringscheibe 28. So ist beim Beispiel von 4 die Befestigung der Ringscheibe 28 an der Bodenfläche 24 des Polkerns 10 durch Ankleben oder Hartlöten vorgesehen. Beim Beispiel von 5 ist eine Verbindung mittels mechanischer Verformung durch eine Außenverstemmung der Ringscheibe 28 bei 36 gegen die Innenwand der Vertiefung 22 vorgesehen. 6 zeigt die Festlegung der Ringscheibe 28 mittels einer Hülse 38, die an der Innenseite von Polrohr 2 und Vertiefung 22 die Führungsfläche für den Anker 4 bildet.
Beim Beispiel von 7 ist eine an der Ringscheibe 28 ausgebildete Schweißgeometrie 40 als Verbindungsmittel vorgesehen, während beim Beispiel von 8 wiederum eine mechanische Verformung vorgesehen ist, indem die Ringscheibe 28 in eine in die Bodenfläche 24 eingearbeitete Ringnut 42 hinein verstemmt ist. Schließlich zeigt die 9 ein Beispiel, bei dem eine speziell geformte Ringscheibe 28 an der vom Anker 4 abgewandten Seite einen koaxialen, hülsenartigen Fortsatz 44 besitzt, der durch Presspassung in der Bohrung 8 des Polkerns 10 gesichert ist.
Die 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Erfindung bei einem sog. Kompaktmagneten realisiert ist. Im Unterschied zu der Bauform, die in 1 gezeigt ist, ist der Polkern 10 im Verhältnis zu seinem Durchmesser kürzer ausgebildet und weist an dem das Anschlussteil 14 aufweisenden Ende eine flanschartige, radiale Erweiterung 48 auf. Der Endkörper 18 bildet den geschlossenen Boden eines topfartigen Gehäuses 50, das sich bis zur Erweiterung 48 des Polkerns 10 erstreckt, die das offene Ende des Topfes verschließt. Zwischen dem Endkörper 18 und der Erweiterung 48 des Polkerns 10 umgibt das Gehäuse 50 die Spulenwicklung 52, die ihrerseits einen Großteil des Polrohres 2 und des Polkerns 10 umgibt. Bei dem in 10 gezeigten Kompaktmagneten ist der Verlauf der F-s-Kennlinie gleichermaßen durch Wahl eingebrachter ferromagnetischer Ringscheiben 28 beeinflussbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008061414 A1 [0002]

Claims

Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, insbesondere Proportionalmagnet oder Schaltmagnet, mit einem Magnetanker (4), der in einem von einer Spulenwicklung zumindest teilweise umgebenen Polrohr (2) axial bewegbar geführt ist, an das sich über einen eine magnetische Entkopplung bildenden Trennbereich (20) ein Polkern (10) anschließt, wobei bei Bestromung der Spulenwicklung (52) am Anker (4) eine Magnetkraft wirkt, die diesen innerhalb eines Hubraums in Richtung auf den Polkern (10) zu bewegen sucht, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gewünschte Verkürzung der axialen Länge des Hubraumes mindestens eine Einlage (28) aus ferromagnetischem Material vorgegebener axialer Dicke zwischen den Anker (4) und dem Polkern (10) einbringbar ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich an den Trennbereich (20) des Polrohres (2) anschließende Teil des Hubraums durch eine Vertiefung (22) im Polkern (10) gebildet ist, die die vom Polrohr (2) gebildete Führung des Ankers (4) fortsetzt und am Trennbereich (20) in einem eine Kante (26) bildenden Rand endet, und dass die jeweilige Einlage (28) an die Bodenfläche (24) der Vertiefung (22) des Polkerns (10) anlegbar ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Einlage (28) an der Bodenfläche (24) der Vertiefung (22) festlegbar ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) ein stangenartiges Betätigungsteil (6) aufweist und dass als jeweilige Einlage eine das Betätigungsteil (6) umgebende, ferromagnetische Ringscheibe (28) gewählter Dicke vorgesehen ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ferromagnetischen Ringscheibe (28) und dem Anker (4) eine Antiklebscheibe (30) angeordnet ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem vom Polkern (10) abgewandten Ende des Polrohres (2) ein Endkörper (18) angebracht ist, der für den Anker (4) eine Hubwegbegrenzung bildet.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe (28) am Polkern (10) durch Kleben oder Löten festgelegt ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe (28) durch Verstemmen (36, 42) am Polkern (10) festgelegt ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe (28) mittels einer ihren Umfangsrand einfassenden Hülse (38) festgelegt ist, die außenseitig an einer Innenfläche am Polrohr (2) und am Polkern (10) festgelegt ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe (28) mittels einer zwischen deren Umfangsrand und der Bodenfläche (24) des Polkerns (10) gebildeten Schweißstelle (40) festgelegt ist.
Elektromagnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige ferromagnetische Ringscheibe (28) an der vom Anker (4) abgewandten Seite einen koaxialen, hülsenartigen Fortsatz (44) besitzt, der durch Presspassung in einer Bohrung (8) des Polkerns (10) gesichert ist, die vom stangenartigen Betätigungsteil (6) des Ankers (4) durchgriffen ist.