DE10225162A1 - Magnetanordnung - Google Patents

Abstract

Eine schaltbare Magnetanordnung (101; 201; 301; 401; 501) mit zumindest einer Erregerspule (2), konzentrisch zu der ein erster magnetisierbarer Körper (3) befindlich ist, und mit einem axial an die Erregerspule (2) in kraftfreiem Zustand mit Abstand anschließenden zweiten magnetisierbaren Körper (4), der bei Strombeaufschlagung der Erregerspule (2) axial in Richtung der Erregerspule (2) hubbeweglich ist, wird so ausgebildet, daß der erste und der zweite magnetisierbare Körper (3; 4) komplementäre Ein- bzw. Ausformungen (13, 14, 16, 17; 113, 114, 116, 117; 213, 216; 313, 314, 316, 317; 413, 414, 416) umfassen, wobei die Ausformung(en) (13, 14; 113, 114; 213; 313, 314; 413, 414) in kraftfreiem Zustand der Magnetanordnung (101; 201; 301; 401; 501) den axialen Abstand der beiden Körper (3; 4) zueinander zumindest nahezu überbrückt oder überbrücken und quer zur axialen Richtung dem gegenüberliegenden Körper (4; 3) dicht benachbart liegt oder liegen (Fig. 2).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Derartige schaltbare Magnetanordnungen dienen etwa zur Bewirkung von unterschiedlichen Schaltungszuständen von beispielsweise Ventilen oder anderen Funktionselementen. Die Magnetanordnungen können zum Beispiel im mobilen Einsatz, wie in Kraftfahrzeugen, Verwendung finden und auch zum periodischen Einsatz mit hohen Schaltfrequenzen vorgesehen sein. Bei einem den Hubweg zwischen den beiden Körpern bildenden Abstand von ungefähr einigen Zehntel- bis zu einigen Millimetern sind Kräfte zur Bewegung des zweiten gegenüber dem ersten Körper von einigen zehn Newton üblich.
• Bei derartigen Magnetanordnungen macht sich die Tatsache, dass die Magnetanfangskraft exponentiell zur Vergrößerung des Hubweges sinkt besonders problematisch bemerkbar. Bei großen Hüben ergibt sich somit bedingt durch den großen magnetischen Luftspalt bei Hubanfang und durch den kleinen magnetischen Luftspalt bei Hubende, dass nur eine geringe Anfangsmagnetkraft, aber eine große Endmagnetkraft erreicht wird. Um trotz des großen Spaltes dennoch eine hohe Anfangskraft zu erreichen, werden derartige Magnete bisher mit einem hohen Strom beaufschlagt. Dieser hohe Strom führt jedoch dazu, dass die Magnetendkraft übergroß wird. Zudem wird der Magnet durch die großen Stomflüsse heiß. Deshalb benötigen derartige Magnetanordnungen bisher eine Elektronok zur Stromabsenkung zum Hubende hin. Bei derartigen Magnetanordnungen mit großen Hüben ergibt sich bei Hubanfang ein geringer Magnetfluß und dadurch sehr zum Nachteil für ein schnelles Schalten ein langsamer Magnetfeldaufbau. Am Hubende ergibt sich ein großer Magnetfluß, der wiederum einen langen Magnetfeldabbau und damit ebenfalls zu langen Schaltzeiten führt. Dieses magnetische Verhalten der Magnetanordnug bewirkt zudem eine hohe Remanenz, die ebenfalls eine Verlängerung der Schaltzeit hervorruft.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum Schließen der Magnetanordnung erforderliche Anfangskraft bei möglichst geringer Stromstärke zu erreichen und die Lösung der Körper durch Verringerung der Haftkraft zu erleichtern.
• Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Magnetanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die Unteransprüche 2 bis 9 verwiesen.
• Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung ist es möglich, bei gleichem Hubweg wie bei Magnetanordnungen nach dem Stand der Technik mit geringerem Strom die gleiche Hubanfangskraft zu erreichen. Durch die in den Spalt des Hubwegs hineinragende Ausformung(en) sind die magnetischen Luftspalte auch bei Hubanfang sehr klein. Dadurch wird bei gleicher Anfangskraft ein geringerer Strom benötigt, der bei Hubende eine kleinere Magnetkraft bewirkt. Weiterhin wirkt ein Teil des Magnetflusses nicht axial in des Gegenstück sondern senkrecht dazu, was wiederum eine Senkung der Magnetkraft bei Hubende bewirkt.
• Wenn die oder eine Ausformung den Abstand zwischen den Körpern vollständig überbrückt und mit ihrem axial am weitesten ausgreifenden Ende in die vordere Ebene des anderen Körpers ragenden Endes gelangt, kann in dieser Ebene der Abstand zwischen dem die Einformung und dem die Ausformung aufweisenden Körper minimiert sein und beispielsweise nur eine radiale Komponente, die innerhalb der Fertigungstoleranz liegt, aufweisen. Die Feldlinien sind dann von dem rein axialen Verlauf abweichend gekrümmt bis hin zu einem zur Achse rechtwinkligen Verlauf und in diesem Bereich verdichtet, wodurch eine erhöhte Anfangskraft bedingt ist. Bei Haften der Körper aneinander im entsprechend bestromten Zustand der Spule(n) ist hingegen die Haftkraft der axial gegeneinander beweglichen aneinander Körper vermindert, da die Kraftwirkung im Bereich der Aus- und Einformung dann nicht axial in Richtung der Haftkraft, sondern gekrümmt bis senkrecht zur Haftkraft wirkt und diese dadurch verringert.
• Insbesondere kann die Magnetanordnung eine Spule umfassen, die in einem rotationssymmetrischen ersten magnetisierbaren Körper gehalten ist, der im Querschnitt jeweils hufeisenförmig die Spulenwindungen umgreift und dessen offenes Ende durch den zweiten magnetisierbaren Körper, insbesondere einen Plattenkörper, zu einem durchgehenden Leitelement für die magnetischen Feldlinien geschlossen werden kann.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus in der Zeichnung dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Gegenstandes der Erfindung.
• In der Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 die Querschnitt-Ansicht einer typischen Magnetanordnung nach dem Stand der Technik, bei der die beiden Körper zu einem Magnetkreis geschlossen werden können,
• Fig. 2 eine erfindungsgemäße Magnetanordnung mit zwei jeweils dem Plattenkörper zugeordneten Ausformungen und zwei komplementär dem ersten magnetisierbaren Körper zugeordneten Einformungen in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1,
• Fig. 3 das Detail III in Fig. 2 im kraftfreien Zustand,
• Fig. 4 das Detail III in Fig. 2 im bestromten Zustand,
• Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2 einer alternativen Magnetanordnung, bei der eine umlaufende Ausformung dem zweiten, plattenförmigen Körper und eine Ausformung dem ersten Körper zugeordnet ist und dort durch eine Stufe in dessen äußerem Randbereich gebildet ist,
• Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5 einer weiteren alternativen Magnetanordnung, bei der insgesamt nur eine umlaufende Ausformung dem zweiten, plattenförmigen Körper zugeordnet ist,
• Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6 einer weiteren alternativen Magnetanordnung, bei der zwei umlaufende Ausformungen dem zweiten Körper zugeordnet sind und zusätzlich eine Stufe in dem ersten und in dem zweiten Körper ausgebildet ist, so daß dieser von der plattenförmigen Gestalt abweicht,
• Fig. 8 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 7 einer weiteren alternativen Magnetanordnung, bei der eine umlaufende Ausformung dem zweiten Körper zugeordnet ist und der äußere Wandungsbereich des ersten Körpers insgesamt als weitere Ausformung ausgebildet ist,
• Fig. 9 eine stilisierte Ansicht des Feldlinienverlaufs bei einer Magnetanordnung nach Fig. 1,
• Fig. 10 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 9 einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit zwei dem Plattenkörper zugeordneten Ausformungen in Ausbildung der Magnetanordnung nach Fig. 2,
• Fig. 11 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 10 einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit zwei dem Plattenkörper zugeordneten Ausformungen in Ausbildung der Magnetanordnung nach Fig. 5,
• Fig. 12 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 11 einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einer dem Plattenkörper zugeordneten Ausformung in Ausbildung der Magnetanordnung nach Fig. 6,
• Fig. 13 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 12 einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit zwei dem zweiten Körper zugeordneten Ausformungen in Ausbildung der Magnetanordnung nach Fig. 7,
• Fig. 14 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 13 einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einer dem Plattenkörper zugeordneten Ausformung und einer dem ersten Körper zugeordneten Ausformung in Ausbildung der Magnetanordnung nach Fig. 8,
• Fig. 15 ein Diagramm mit Auftragung der magnetischen Kraft über den Hubweg in Magnetanordnungen nach den Fig. 1 (Stand der Technik), 2, 6 und 7 (jeweils erfindungsgemäß) im Vergleich,
• Fig. 16 ein Diagramm mit Auftragung der magnetischen Kraft über den Hubweg in Magnetanordnungen nach den Fig. 1, 5 und 8 im Vergleich,
• Die in Fig. 1 dargestellte Magnetanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik umfaßt eine Erregerspule 2, die in einem ersten magnetisierbaren Körper 3, der ein axial einseitig offenes Gehäuse bildet, gelegen ist. Ein zweiter Körper 4 ist im wesentlichen plattenförmig gebildet und umfaßt eine Ankerführungsstange 5, die in zwei Lagerungen 6, 7 im Zentrum des ersten Körpers 3 gelagert und axial beweglich ist. Die Ankerführungsstange 5 ist mit der Ankerplatte 8 des zweiten Körpers 4 verbunden. Eine Oberfläche 9 dieser Ankerplatte 8 ist dem offenen Ende des ersten Körpers 3 zugewandt und tritt bei entsprechender Bestromung der Erregerspule 2 in Kontakt mit diesem. Hierfür wird von der Ankerplatte 8 der Luftspalt 11 als Hubweg durchlaufen. Um die anschließend fest aufeinander haftenden Oberflächen 9, 10 voneinander lösen zu können, wird die Bestromung der Erregerspule 2 abgeschaltet, so dass der Hubweg von der Ankerplatte 8 des ersten magnetischen Körpers 3 umgekehrt durchlaufen wird.
• In dem Luftspalt 11 laufen die magnetischen Feldlinien 12 nahezu in axialer Richtung. Daraus resultiert eine hohe Haftkraft der Oberflächen 9, 10 aneinander. Durch die auch bei Abschaltung der Bestromung verbleibende Remanenz ist ein Lösen der Körper 3, 4 voneinander erschwert.
• In der Ausbildung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 101 nach Fig. 2 sind der Oberfläche 9 der Ankerplatte 8 zwei Ausformungen 13, 14 zugeordnet, die sich rotationssymmetrisch um die Zentralachse 15 erstrecken und einstückig mit der Ankerplatte 8 ausgebildet sein können. Die Ausformungen 13, 14 sind im Querschnitt rechteckig, was nicht zwingend ist, jedoch besonders vorteilhaft, da hierdurch der radiale Abstand zu der Oberfläche 10 des gegenüberliegenden Körpers 3 minimiert ist. Die Ausformungen 13, 14 erstrecken sich in Richtung der Oberfläche 10 (s. Fig. 3) des ersten Körpers 3 in den Luftspalt 11 hinein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird dabei der Luftspalt 11 vollständig von der axialen Erstreckung der Ausformungen überbrückt. Den Ausformungen 13, 14 axial gegenüber gelegen sind Einformungen 16, 17 des ersten Körpers 3, so daß im kraftfreien Zustand (Fig. 2, Fig. 3) die Ausformungen 13, 14 keinen Kontakt mit der gegenüberliegenden Oberfläche 10 erreichen und die Feldlinien 12 in jedem Fall einen Luftraum durchlaufen müssen (Fig. 10). Allerdings ist im Übergangsbereich der Ausformungen 13, 14 zu der Oberfläche 10 des Körpers 3 der Abstand zwischen den beiden Körpern 3, 4 minimiert, wodurch sich eine hohe Feldliniendichte und eine hohe Anfangskraft bei Bestromung der Spule 2 ergibt.
• Bei einer, eine anziehende Kraft bewirkenden Bestromung der Spule 2 werden die Ausformungen 13, 14 dann derart in die Einformungen 16, 17 hineingezogen, daß sie mit ihren am weitesten herausragenden Bereichen 18 in flächigen Kontakt mit den Bodenabschnitten 19 der Einformungen 16, 17 gelangen. Lediglich in radialer Richtung verbleibt ein toleranzausgleichender Spalt 20 (Fig. 4). Dieser ist allerdings sehr klein, so daß schon im kraftfreien Zustand die Feldlinien 12 nur einen minimalen Luftraum durchlaufen müssen.
• Durch die Ausformungen 13, 14 und die Einformungen 16, 17 werden sowohl im kraftfreien als auch im bestromten Zustand die Feldlinien 12 abgelenkt. Insbesondere ergibt sich an den Randbereichen der Ausformungen 13, 14 und Einformungen 16, 17 eine Abweichung vom axialen Verlauf der Feldlinien 12. In Fig. 10 ist der Feldlinienverlauf im beabstandeten Zustand der Körper 3, 4 aufgetragen. Es wird sichtbar, daß in den Ausformungen 13, 14 die Feldlinien mit erhöhter Dichte verlaufen und im Übergang zu den Randbereichen der Einformungen 16, 17 eine von der Achse 15 abgekrümmte Richtung einnehmen. Je weiter die Ausformungen 13, 14 in die Einformungen 16, 17 eingezogen werden, desto mehr gehen in diesem Bereich Feldlinien 12 in eine senkrecht zur Achse 15 stehende Richtung über. Dadurch wird die Haltekraft verringert, die anschließende Lösung der Teile 3, 4 erleichtert.
• Durch die Bündelung wird andererseits die Anfangskraft erhöht, so daß die Stromstärke zum Verbinden der Körper 3, 4 vermindert ist (Fig. 15). Es ergibt sich somit ein doppelter positiver Effekt sowohl bezüglich der Anfangs- als auch der Haltekraft.
• In Fig. 5 ist eine weitere Magnetanordnung 201 gezeigt, deren Feldlinienverlauf in Fig. 11 dargestellt ist. Dabei ist eine Ausformung 113 dem zweiten magnetisierbaren Körper 4 und eine andere Ausformung 114 dem ersten magnetisierbaren Körper 3 zugeordnet, wobei auch hier beide Ausformungen 113, 114 und gegenüberliegende Einformungen 116, 117 jeweils nach Art von Nut und Feder ausgebildet sind und somit formschlüssig ineinandergreifen, abgesehen von einem toleranzausgleichenden Spalt 20. Damit ist wieder im kraftfreien Zustand der Feldlinienverlauf 12 derart optimiert, daß die vorstehenden Eckbereiche der Ein- und Ausformungen 113, 114, 116, 117 fast unmittelbar aneinander angrenzen und der dazwischen verbleibende Luftspalt minimiert ist. Damit werden große Vorteile bezüglich der Steigerung der Anfangskraft erreicht - anders als etwa bei konischen Ein- und Ausformungen, die im kraftfreien Zustand überall einen relativ großen Abstand zueinander hätten.
• Die äußere Ausformung 114 bildet in diesem Beispiel zugleich den oberen Teil der äußeren Wandung des Körpers 3 aus, was fertigungstechnisch günstig ist.
• In Fig. 6 und Fig. 12 ist eine Variante einer Magnetanordnung 301 gezeigt, bei der lediglich eine umlaufende Ausformung 213 und eine nutartige Einformung 216 vorgesehen ist. Wie in Fig. 15 und 16 sichtbar ist, ist diese Variante nicht so effektiv wie die weiteren. Dafür ist der Fertigungsaufwand hierfür gering.
• Eine sehr effektive Ausbildung stellt die Magnetanordnung 401 nach Fig. 7 dar. Hier sind dem zweiten Körper 4 wiederum zwei Ausformungen 313, 314 zugeordnet. Zusätzlich weisen die Körper 3, 4 selbst auch eine erhebliche Stufe auf, wodurch in einem großen Bereich die Feldlinien gegenüber einem axialen Verlauf abgekrümmt sind. Wie anhand der ermittelten Anfangskraft (rechter Teil im Diagramm von Fig. 15) und Haltekraft (linker Teil im Diagramm von Fig. 15) deutlich wird, ist auch hier der oben erwähnte doppelte positive Effekt feststellbar einerseits ist bei großem Hub, also nahe dem Ausgangsabstand, die magnetische Kraft bei gleicher Stromstärke gegenüber dem Stand der Technik (ebenfalls in Fig. 15 eingezeichnet) erhöht. Die Schließbewegung der Körper 3, 4 kann somit beschleunigt werden. Andererseits ist nahe dem Kontakt der Körper 3, 4, also im Bereich der Haltekraft, die Kraft vermindert. Somit ergibt sich ein geringerer Kraftaufwand zum Lösen der Körper 3, 4 voneinander. Die Öffnungsbewegung kann beschleunigt werden. Insgesamt können somit die Schaltzeiten vermindert werden, was die Einsatzmöglichkeiten derartiger Anordnungen verbessert.
• In Fig. 8 ist eine weitere Abwandlung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 501 dargestellt, bei der - ähnlich wie bei der Magnetanordnung 201 - im Nahbereich der Achse 15 sich eine Ausformung 413 von dem Körper 4 in Richtung des Körpers 3 erstreckt und außen eine gegenläufige Ausformung 414 sich vom Körper 3 in Richtung des Körpers 4 erstreckt und dabei einen Teil der Gehäuseaußenwandung bildet. Allerdings ist hier die äußere Ausformung 413 derart ausgeführt, daß sie ohne Abstufung seitlich an dem Körper 4 vorbeiläuft und daher keine gegenüberliegende Einformung erforderlich ist. Da hier über einen großen Bereich die Feldlinien 12 nahezu radial und somit senkrecht zur Haltekraft verlaufen (Fig. 14), ergibt sich somit eine besonders effektive Verringerung der Haltekraft (Fig. 16).
• Neben den gezeigten Magnetanordnungen 101, 201, 301, 401 und 501 sind weitere Ausbildungen möglich. Ihr Einsatz kann je nach Zweck (z. B. besonders hohe Anfangskraft oder besonders geringe Haltekraft gewünscht) variieren.
• Die Einbaulage derartiger Magnetanordnungen ist beliebig. Auch die Materialien können nach jeweiligen Druck- und Temperaturanforderungen sowie nach mechanischer Anforderung ausgewählt werden. Bezugszeichenliste 1; 101; 201; 301; 401; 501 Magnetanordnung,
  2 Erregerspule,
  3 erster Körper,
  4 zweiter Körper,
  5 Ankerführungsstange,
  6 oberes Lager,
  7 unteres Lager,
  8 Ankerplatte,
  9 Oberfläche,
  10 Oberfläche,
  11 Luftspalt,
  12 Feldlinien,
  13, 113, 213, 313, 413 Ausformungen,
  14, 114, 314, 414 Ausformungen,
  15 Zentralachse
  16, 116, 216, 316, 416 Einformungen,
  17, 117, 217, 317, 417 Einformungen.
  18 herausragender Bereich
  19 Bodenabschnitte
  20 Spalt
  

Claims (9)

1. Schaltbare Magnetanordnung (101; 201; 301; 401; 501) mit zumindest einer Erregerspule (2), zu der ein erster magnetisierbarer Körper (3) konzentrisch angeordnet ist, und mit einem axial an die Erregerspule (2) in kraftfreiem Zustand mit Abstand anschließenden zweiten magnetisierbaren Körper (4), der bei Strombeaufschlagung der Erregerspule (2) axial in Richtung der Erregerspule (2) hubbeweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite magnetisierbare Körper (3; 4) komplementäre Ein- bzw. Ausformungen (13, 14, 16, 17; 113, 114, 116, 117; 213, 216; 313, 314, 316, 317; 413, 414, 416) umfassen, wobei die Ausformung(en) (13, 14; 113, 114; 213; 313, 314, 413, 414) in kraftfreiem Zustand der Magnetanordnung den axialen Abstand der beiden Körper (3; 4) zueinander zumindest nahezu überbrückt oder überbrücken und quer zur axialen Richtung dem gegenüberliegenden Körper (4; 3) dicht benachbart liegt oder liegen.

2. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ausformung(en) (13, 14; 113, 114; 213; 313, 314, 413, 414) der Abstand vollständig überbrückt ist und die Ausformung(en) (13, 14; 113, 114; 213; 313, 314, 413, 414) mit ihrem am weitesten ausgreifenden Ende im kraftfreien Zustand in der Ebene des axial am weitesten in Richtung des anderen Körpers ragenden Endes liegt.

3. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden magnetisierbaren Körper (3; 4) bei Beaufschlagung der Erregerspule(n) (2) axial unmittelbar aufeinander liegen und dabei die Ein- und Ausformungen (13, 14, 16, 17; 113, 114, 116, 117; 213, 216; 313, 314, 316, 317; 413, 414, 416) mit radialem Spiel und ansonsten formschlüssig ineinander greifen.

4. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Ausformungen (13, 14, 16, 17; 113, 114, 116, 117; 213, 216; 313, 314, 316, 317; 413, 414, 416) rotationssymmetrisch um die Achse (15) der Erregerspule (2) ausgebildet sind.

5. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Ausformung (13, 113, 213, 313, 413) innerhalb der axialen Fortsetzung des von den Windungen der Erregerspule umgrenzten Rundzylinders liegt.

6. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Ausformung (14, 114, 314, 414) außerhalb der axialen Fortsetzung des von den Windungen der Erregerspule (2) umgrenzten Rundzylinders liegt.

7. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei in Richtung der Erregerspule (2) wirkenden Kraft das axial äußere Ende der Ausformung(en) (13, 14; 113, 114; 213; 313, 314, 413, 414) an dem axial inneren Ende der Einformung(en) unmittelbar anliegt oder anliegen.

8. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste magnetisierbare Körper (3) die Erregerspule(n) (2) radial innen und außen übergreift und an einem axialen Ende geschlossen und an dem anderen offen ist und der zweite magnetisierbare Körper (4) ein dem offenen Ende des ersten magnetisierbaren Körpers (3) zugeordneter Plattenkörper (4) mit einer axial in den Innenraum der Erregerspule(n) (2) eingreifenden und gegenüber dem ersten Körper (3) hubbeweglichen Ankerführungsstange (5) ist.

9. Magnetanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plattenkörper (4) die Ausformung(en) (13, 14; 113, 114; 213; 313, 314, 413, 414) zugeordnet ist oder sind.