DE102019131488A1

DE102019131488A1 - Elektromagnet

Info

Publication number: DE102019131488A1
Application number: DE102019131488.7A
Authority: DE
Inventors: Halim Celik; Artur Hottmann; Dieter Jelinek; Berthold Herrmann
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-05-27

Abstract

Es sind Elektromagneten, beispielsweise zur Betätigung von Ventilen mit einem Anker (20), einem Kern (18), einer Spule (10) und einem Joch (16), wobei der Anker (20) mehrere axial hintereinander liegende Abschnitte (26, 32, 34) mit unterschiedlichen Durchmessern (D₁, D₂, D₃) aufweist, bekannt.
Um die Öffnungskraft bei Verringerung der Bauhöhe zu vergrößern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Anker (20) genau drei verschiedene Durchmesser (D₁, D₂, D₃) aufweist und ein erster axialer Abschnitt (26) mit einem kleinsten Durchmesser (D₁) in eine radial innere Öffnung (30) des Kerns (18) bewegbar ist, ein zweiter axialer Abschnitt (32) mit einem mittleren Durchmesser (D₂) in das radial Innere eines radial äußeren ringförmigen Vorsprungs (36) des Kerns (18) bewegbar ist, der sich axial in Richtung eines dritten Abschnitts (34) des Ankers (20) erstreckt, der einen maximalen Durchmesser (D₃) aufweist und in Richtung des radial äußeren ringförmigen Vorsprungs (36) des Kerns (18) bewegbar ist, wobei die Differenz zwischen dem Durchmesser (D₃) des dritten Abschnitts (34) und dem Durchmesser (D₂) des zweiten Abschnitts (32) kleiner ist als die Differenz zwischen dem Durchmesser (D₂) des zweiten Abschnitts (32) und dem ersten Durchmesser (D₁) des ersten Abschnitts (26) des Ankers (20).

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit einem Anker, einem Kern, einer Spule und einem Joch, wobei der Anker mehrere axial hintereinander liegende Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist.
Elektromagneten, insbesondere solche, die zur Betätigung von Ventilen eingesetzt werden sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Dabei wird die durch eine Bestromung einer Spule erzeugte magnetische Anziehungskraft genutzt, um einen Anker in Richtung eines Kerns zu ziehen, wobei durch den Kern, den Anker, das Joch und gegebenenfalls vorhandene magnetische Rückschlusselemente ein magnetischer Kreis geschlossen wird.
Ein derartiges Elektromagnetventil wird beispielsweise in der DE 10 2005 058 846 A1 offenbart. Der Anker des verwendeten Elektromagneten weist einen ersten axialen Abschnitt mit verringertem Durchmesser auf und einen zweiten axialen Abschnitt mit größerem Durchmesser auf, wobei die Differenz zwischen den beiden Durchmessern gering ist. Bei Bestromung der Spule wird der Anker mit seinem ersten axialen Abschnitt in einen Kern gezogen, der eine Durchgangsbohrung aufweist, durch die eine Ventilstange ragt. Der Kern weist einen radial äußeren, ringförmigen Vorsprung auf, der sich in Richtung des Ankers erstreckt und in den der Anker bei Bestromung mit seinem ersten Abschnitt eintaucht.
Des Weiteren ist aus der WO 2005/066982 A1 ein elektromagnetischer Linearantrieb bekannt, bei dem der Anker mehrere Stufen aufweist, die in komplementär geformte Ausnehmungen am Kern tauchen, wenn die Spule bestromt wird. Hierdurch soll auch bei großen Hüben eine ausreichende Anziehungskraft erzeugt werden.
Bei kleinen gewünschten Hüben von beispielsweise etwa 2mm sind jedoch bei den bekannten Elektromagneten die benötigten magnetischen Kräfte zur Betätigung häufig nicht ausreichend oder die Spule muss so groß ausgelegt werden, dass der benötigte Bauraum zu groß ist.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Elektromagneten zur Verfügung zu stellen, der bei geringem gewünschtem Hub einerseits möglichst klein gebaut werden kann, so dass sowohl die maximale Bauhöhe gering ist als auch das verwendete Spulenmaterial reduziert werden kann, und andererseits hohe magnetische Kräfte erzeugen kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Elektromagneten mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass der Anker genau drei verschiedene Durchmesser aufweist und ein erster axialer Abschnitt mit einem kleinsten Durchmesser in eine radial innere Öffnung des Kerns bewegbar ist, ein zweiter axialer Abschnitt mit einem mittleren Durchmesser in das radial Innere eines radial äußeren ringförmigen Vorsprungs des Kerns bewegbar ist, der sich axial in Richtung eines dritten Abschnitts des Ankers erstreckt, der einen maximalen Durchmesser aufweist und in Richtung des radial äußeren ringförmigen Vorsprungs des Kerns bewegbar ist, wobei die Differenz zwischen dem Durchmesser des dritten Abschnitts und dem Durchmesser des zweiten Abschnitts kleiner ist als die Differenz zwischen dem Durchmesser des zweiten Abschnitts und dem Durchmesser des ersten Abschnitts des Ankers, werden für kleine Hübe sehr hohe Öffnungskräfte bei sehr geringer Spulenbauhöhe erreicht. Zusätzlich kann die Magnetkraft bei geringen Hüben auf einem konstanten Niveau gehalten werden.
Vorzugsweise entspricht die axiale Länge des ersten axialen Abschnitts der 0,9 bis 1,1-fachen der axialen Länge des zweiten axialen Abschnitts, welche dem 0,9 bis 1-fachen des Maximalhubs des Elektromagneten entspricht. Die Hubhöhe wird dabei durch den zweiten axialen Abschnitt bestimmt. Eine größere Ausbildung des ersten Abschnitts würde zu keiner weiteren Öffnungskraftverstärkung führen, so dass der Materialeinsatz und damit das Gewicht minimiert werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Anker an seiner vom Kern abgewandten Seite eine radial innere kegelstumpfförmige Ausnehmung aufweist. Während durch eine derartige Ausbildung eine hohe Gewichtsersparnis erzielt wird, bleibt der Kraftverlust sehr gering.
Der radial äußere ringförmige Vorsprung des Kerns weist vorzugsweise eine größere radiale Ausdehnung auf als die Differenz des Durchmessers des dritten axialen Abschnitts und des Durchmessers des zweiten axialen Abschnitts des Ankers. Somit kann der Kern direkt im Spulenträger beziehungsweise im Rückschlussblech eingelassen werden, während für die Führung des Ankers zusätzlich eine Buchse im Spulenträger verbaut werden kann.
Zusätzlich ist die radial innere Öffnung des Kerns geringfügig breiter als der Durchmesser des ersten axialen Abschnitts des Ankers und ein Innendurchmesser des ringförmigen Vorsprungs des Kerns ist geringfügig breiter als der Durchmesser des zweiten axialen Abschnitts des Ankers, um eine gute Bewegbarkeit des Ankers beim Eintauchen in den Kern zu gewährleisten.
Vorzugsweise ist der Anker in einer Buchse geführt, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Kerns entspricht, so dass der Spulenträger mit einem über die gesamte axiale Baulänge gleichbleibendem Innendurchmesser ausgeführt werden kann.
Zur leichteren Montage des Kerns aber auch zur zusätzlichen Bündelung der Feldlinien und damit Vermeidung eines abrupten Abfalls der Magnetkraft nach dem Verlassen der Öffnungsposition ist am radial äußeren Rand des ringförmigen Vorsprungs des Kerns eine Fase ausgebildet.
Ein derartiger Elektromagnet weist entsprechend bei sehr kleiner axialer Baulänge für kleine Hübe sehr hohe Öffnungskräfte auf. Dabei ist das Gewicht des Elektromagneten sehr gering und der Aufbau einfach, so dass Herstellkosten eingespart werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromagneten ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Elektromagneten.

Der erfindungsgemäße Elektromagnet besteht aus einer Spule 10, die auf einen Spulenträger 12 gewickelt ist. Die Spule 10 ist von einem Kunststoffgehäuse 14 umgeben, in dem, beabstandet zu den Wicklungen der Spule 10, ein Joch 16 angeordnet ist und an dem ein Stecker 17 zur Bestromung der Spule 10 ausgebildet ist. Das Joch 16 umgibt die Spule 10 an zwei gegenüberliegenden Seiten und axial, indem zwei Hälften des Jochs 16 formschlüssig ineinandergreifend um die Spule 10 geschoben werden. Alternativ kann das Joch 16 an den axialen Enden der Spule 10 mit Rückschlussblechen verbunden werden, um einen magnetisierbaren Kreis herzustellen, der in bekannter Weise durch einen Kern 18 und einen Anker 20 geschlossen wird. Auch kann ein Metallgehäuse verwendet werden, welches gleichzeitig als Joch dient und als Jochtopf ausgeführt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kern 18 im Spulenträger 12 angeordnet und mit dem Joch 16 oder einem Rückschlussblech an einem axialen Ende des Elektromagneten verbunden.
Der Anker 20 weist genau drei verschiedene Durchmesser auf und ist beweglich in einer Buchse 22 gelagert, die ebenfalls im Inneren des Spulenträgers 12 befestigt ist und einen Außendurchmesser aufweist, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Kerns 18 entspricht. Am zum Kern 18 entgegengesetzten axialen Ende des Spulenträgers 12 beziehungsweise des Jochs 16 ist ein Rückschlussblech 24 mit dem Joch 16 verbunden, welches auch ein Ende der Buchse 22 aufnimmt.
Der Anker 20 weist einen ersten axialen Abschnitt 26 auf, der einen kleinen Durchmesser D₁ aufweist, mit dem der Anker 20 gegen eine zu betätigende Ventilstange 28 anliegt, über welche der Anker 20 auch mittels einer Feder 29 in eine vom Kern 18 weg weisende Richtung belastet wird. Dieser erste axiale Abschnitt 26 ragt bei Bestromung der Spule 10 in eine radial innere Öffnung 30 des Kerns 18, durch welche die Ventilstange 28 aus dem Elektromagneten herausragt, wenn die Kraft der Feder 29 durch die Magnetkraft überwunden wird. Diese Öffnung 30 weist in einem vom Anker 20 entfernten Bereich einen größeren Durchmesser auf als in dem Bereich, in den der Anker 20 mit seinem ersten axialen Abschnitt 26 bei Bestromung der Spule 10 eintaucht und der lediglich geringfügig größer ist als der Durchmesser D₁ des ersten Abschnitts 26 des Ankers 20. Die axiale Ausdehnung des ersten axialen Abschnitts 26 des Ankers 20 beträgt im Wesentlichen dem gewünschten Hub des Elektromagneten, beispielsweise etwa 2mm.
An den ersten axialen Abschnitt 26 schließt sich in vom Kern 18 weg weisender Richtung ein zweiter axialer Abschnitt 32 an, der einen zweiten mittleren Durchmesser D₂ aufweist, der um ein Vielfaches größer ist als der erste kleinste Durchmesser D₁ des ersten Abschnitts 26. Auch dieser zweite Abschnitt 32 erstreckt sich über eine Höhe, die in vorliegendem Ausführungsbeispiel dem Hub des Elektromagneten entspricht, also beispielsweise 2mm groß ist, jedoch auch geringfügig kleiner gewählt werden kann.
An den zweiten axialen Abschnitt 32 des Ankers 20 schließt sich wiederum ein dritter axialer Abschnitt 34 an, der einen dritten, größten Durchmesser D₃ des Ankers 20 aufweist. Erfindungsgemäß ist die Differenz zwischen dem dritten Durchmesser D₃ des dritten Abschnitts 34 und dem zweiten Durchmesser D₂ des zweiten Abschnitts 32 kleiner als die Differenz zwischen dem zweiten Durchmesser D₂ und dem ersten Durchmesser D₁ des ersten Abschnitts 26. Der Durchmesserunterschied zwischen dem zweiten Abschnitt 32 und dem dritten Abschnitt 34 ist entsprechend gering zu wählen und ist auch kleiner als eine radiale Ausdehnung eines am Kern 18 ausgebildeten ringförmigen Vorsprungs 36, der sich axial in Richtung des dritten Abschnitts 34 des Ankers 20 am radial äußeren Rand des Kerns 18 erstreckt und dessen Höhe im Wesentlichen ebenfalls dem Hub des Elektromagneten entspricht, so dass der Anker 20 mit seinem zweiten Abschnitt 32 bei Bestromung der Spule 10 in das radiale Innere des ringförmigen Vorsprungs 36 bewegt wird. Der Durchmesser D₂ des zweiten Abschnitts 32 ist erneut lediglich geringfügig kleiner zu wählen als der Innendurchmesser des ringförmigen Vorsprungs 36. Entsprechend sind beide in den Kern 18 eintauchenden Abschnitte 26, 32 des Ankers 20 mit geringem Spalt zum umgebenden Kern 18 auszubilden.
Der ringförmige Vorsprung 36 des Kerns 18 weist an seinem radial äußeren Rand und am zum dritten Abschnitt 34 des Ankers 20 gerichteten Ende eine Fase 38 auf, durch die der Kern einerseits bei der Montage einfacher in den Spulenträger zu bewegen ist und andererseits die Magnetfeldlinien gebündelt werden, wodurch die auf den Anker 20 wirkende Magnetkraft nicht nach dem Verlassen der Öffnungsposition abrupt abfällt. Entsprechend beträgt die radiale Ausdehnung des ringförmigen Vorsprungs 36 im Wesentlichen der radialen Ausdehnung der Buchse 22 addiert mit der Differenz des Durchmessers D₃ des dritten Abschnitts 34 und des Durchmessers D₂ zweiten Abschnitts 32 des Ankers 20 sowie einem geringen Spalt.
Am vom Kern 18 weg weisenden Ende ist am Anker 20 eine kegelstumpfförmige Ausnehmung 40 ausgebildet, an deren Boden 42 eine Feder 44 anliegt, über die der Anker 20 gegen die Ventilstange 28 belastet wird. Diese Ausnehmung 40 verringert das Gewicht des Ankers 20 und damit des Elektromagneten, ohne dass die resultierende Magnetkraft deutlich verändert wird.
Ein derartig aufgebauter Elektromagnet erzeugt trotz einer deutlich verringerten Bauhöhe im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen eine erhöhte Magnetkraft bei geringen Maximalhüben, die bei geringen Gesamthüben auf einem konstanten Niveau gehalten werden kann.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereiches des Hauptanspruchs möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005058846 A1 [0003]
WO 2005/066982 A1 [0004]

Claims

Elektromagnet mit einem Anker (20), einem Kern (18), einer Spule (10), einem Joch (16), wobei der Anker (20) mehrere axial hintereinander liegende Abschnitte (26, 32, 34) mit unterschiedlichen Durchmessern (D₁, D₂, D₃) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) genau drei verschiedene Durchmesser (D₁, D₂, D₃) aufweist und ein erster axialer Abschnitt (26) mit einem kleinsten Durchmesser (D₁) in eine radial innere Öffnung (30) des Kerns (18) bewegbar ist, ein zweiter axialer Abschnitt (32) mit einem mittleren Durchmesser (D₂) in das radial Innere eines radial äußeren ringförmigen Vorsprungs (36) des Kerns (18) bewegbar ist, der sich axial in Richtung eines dritten Abschnitts (34) des Ankers (20) erstreckt, der einen maximalen Durchmesser (D₃) aufweist und in Richtung des radial äußeren ringförmigen Vorsprungs (36) des Kerns (18) bewegbar ist, wobei die Differenz zwischen dem Durchmesser (D₃) des dritten Abschnitts (34) und dem Durchmesser (D₂) des zweiten Abschnitts (32) kleiner ist als die Differenz zwischen dem Durchmesser (D₂) des zweiten Abschnitts (32) und dem ersten Durchmesser (D₁) des ersten Abschnitts (26) des Ankers (20).
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des ersten axialen Abschnitts (26) der 0,9 bis 1,1-fachen der axialen Länge des zweiten axialen Abschnitts (32) entspricht, welche dem 0,9 bis 1-fachen des Maximalhubs des Elektromagneten entspricht.
Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) an seiner vom Kern (18) abgewandten Seite eine radial innere kegelstumpfförmige Ausnehmung (40) aufweist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere ringförmige Vorsprung (36) des Kerns (18) eine größere radiale Ausdehnung aufweist als die Differenz des Durchmessers (D₃) des dritten axialen Abschnitts (34) und des Durchmessers (D₂) des zweiten axialen Abschnitts (32) des Ankers (20).
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Öffnung (30) des Kerns (18) geringfügig breiter ist als der Durchmesser (D₁) des ersten axialen Abschnitts (26) des Ankers (20) und ein Innendurchmesser des ringförmigen Vorsprungs (36) des Kerns (18) geringfügig breiter ist als der Durchmesser (D₂) des zweiten axialen Abschnitts (32) des Ankers (20).
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) in einer Buchse (22) geführt ist, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Kerns (18) entspricht.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am radial äußeren Rand des ringförmigen Vorsprungs (36) des Kerns (18) eine Fase (38) ausgebildet ist.