DE19841499A1 - Hubmagnet - Google Patents

Abstract

Hubmagnet mit einem Anker 1, einem Kern 2, einer zwischen dem Anker 1 und dem Kern 2 angeordneten Druckfeder 3 und einer elektrischen Wicklung 4, die um den Anker 1 und den Kern 2 herum angeordnet ist. Anker 1 und Kern 2 weisen in axialer Richtung angeformte Formteile 1s, 2s auf, die beim Anziehen des Hubmagneten ineinandergeschoben werden. Die jeweils einander gegenüberliegenden Flächen der Formteile 1s, 2s haben Erzeugende, die in axialer Richtung eine nicht konstante Steigung in radialer Richtung aufweisen. Diese Erzeugenden sind insbesondere zweiteiligen Polygonzüge.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubmagneten mit einem Anker, einem Kern, einer axial zwischen dem Anker und dem Kern angeordneten Druckfeder und einer elektrischen Wick­ lung, die um den Anker und den Kern angeordnet ist, wobei Anker und Kern in axialer Richtung angeformte Formteile aufweisen, die so ausgebildet sind, daß sie beim Anziehen des Magneten ineinandergeschoben werden, und deren jeweils aneinander gegenüberliegenden Flächen eine Erzeugende haben, die längs der axialen Richtung eine Steigung in radialer Richtung aufweist.

Hubmagneten werden u. a. auf dem Gebiet der Kraftfahr­ zeugtechnik, beispielsweise für Magnetventile, benutzt. Ihre Grundfunktion besteht darin, daß sie bei einer Spannung, die über einem bestimmten Wert von beispielsweise 9 V liegt, anziehen und bei einer Spannung unter einem zweiten bestimm­ ten Wert von beispielsweise 6 V wieder abfallen.

Hubmagneten mit dem eingangs genannten Aufbau haben den Nachteil, daß sowohl die Haltekraft im angezogenen Zustand des Ankers als auch die Anziehkraft in Bewegungsrichtung bei maximalem Hub niedrig sind. Weiterhin ist es schwierig, die Druckfeder passend zu dimensionieren, in der Regel ergibt sich eine zu flache Federkennlinie, was bedeutet, daß die magnetische Kraftdifferenz zwischen der Stellung bei maxima­ lem Hub und der Stellung bei angezogenem Anker zu klein ist.

Des weiteren hat die Kennlinie der magnetischen Kraft in Richtung der Ankerbewegung ein Maximum, d. h. einen an­ steigenden und einen absinkenden Ast und ist die Funktion beim Abfallen des Ankers bei niedrigen Betriebsspannungs­ werten als Folge dieser magnetischen Kraftkennlinie mit Maximum unsicher. Das hat ein Flattern des Hubmagneten und damit des Magnetventils zur Folge.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, den Hubmagneten der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er eine möglichst hohe Anziehkraft bei maximalem Hub zeigt, die Haltekraft im angezogenen Zu­ stand des Ankers höher und möglichst genau einstellbar ist und die Kraftkennlinie in Bewegungsrichtung des Ankers line­ ar verläuft.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Steigung der Erzeugenden der jeweils einander gegen­ überliegenden Flächen der Formteile am Anker und am Kern längs der axialen Richtung nicht konstant ist.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltun­ gen des erfindungsgemäßen Hubmagneten sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Axialschnittansicht eines bekannten Hubmag­ neten,

Fig. 2 eine Axialschnittansicht eines Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Hubmagneten,

Fig. 3 eine Axialschnittansicht einer Abwandlungsform des in Fig. 2 dargestellten Hubmagneten,

Fig. 4a eine Axialschnittansicht einer Abwandlungsform des in Fig. 2 dargestellten Hubmagneten, und Fig. 4b und 4c das in Fig. 4a von einem Kreis umschlossene Detail in ver­ größerter Form bei geöffnetem und geschlossenem Anker je­ weils,

Fig. 5 in Teilschnittansichten die Formteile von Anker und Kern bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Hubmagne­ ten sowie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel des erfindungsgemäßen Hubmagneten,

Fig. 6 die Kennlinien des in Fig. 1 dargestellten be­ kannten Hubmagneten, wobei die Kraftkomponenten in Bewe­ gungsrichtung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Anker und Kern bei verschiedenen Betriebsspannungen dargestellt sind,

Fig. 7 die Kennlinien bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hubmagneten,

Fig. 8 eine Vektordarstellung der magnetischen Kräfte am Anker bei dem bekannten Hubmagneten und

Fig. 9 eine Fig. 8 entsprechende Darstellung bei dem erfindungsgemäßen Hubmagneten.

In Fig. 1 sowie in Fig. 5 auf der linken Seite ist in Schnittansichten ein bekannter Hubmagnet dargestellt, der im wesentlichen einen Anker 1, einen Kern 2, eine zwischen dem Anker 1 und dem Kern 2 in axialer Richtung angeordnete Druckfeder 3 und eine elektrische Wicklung 4 umfaßt, die in der dargestellten Weise den Anker 1 und den Kern 2 umgibt.

Die Anordnung aus Anker 1, Kern 2, Feder 3 und elek­ trischer Wicklung 4 ist von einem Gehäuse umgeben, das aus einer Verschlußkappe 5 und zwei Scheiben 6, 7 aufgebaut ist, von denen die eine 7 den Kern 2 hält, während die andere 8 eine Bohrung aufweist, in der der Anker 1 axial verschiebbar geführt ist. Im Anker 1 ist ein Metallstift 8 angeordnet.

Wie es in Fig. 1 und Fig. 5 im einzelnen dargestellt ist, sind in axialer Richtung am Kern 2 und am Anker 1 Form­ teile 1s, 2s angeformt, beispielsweise angespritzt, durch die eine relativ große Anziehkraft bei großem Hub erreicht werden soll. Diese Formteile 1s, 2s sind so ausgebildet, daß sie beim Anziehen des Hubmagneten ineinander geführt werden. Ihre aneinander gegenüberliegenden Flächen 1a, 2a sind Schrägflächen bezüglich der axialen Richtung, d. h. sind Flächen mit einer Erzeugenden, die in radialer Richtung längs der axialen Richtung eine bestimmte Steigung hat. Diese Erzeugende ist beim Stand der Technik, der in Fig. 1 dargestellt ist, eine Gerade mit konstanter Steigung. Die Formteile 1s, 2s sind an ihren vorderen Enden in radialer Richtung abgekantet.

Durch die aufgrund der Form der Formteile auftretenden Spitzen- und Kantenwirkungen ergibt sich eine lokale Ver­ dichtung der magnetischen Flußlinien, wobei insbesondere an der Ankerspitze eine relativ große Flußlinie auftritt, die eine relativ große magnetische Kraft in Richtung des Aus­ trittswinkels der Flußlinien aus dem Ankermaterial zur Folge hat. Die Summe der magnetischen Kräfte im Anker bestimmt die Gesamtkraft, die sowohl eine Komponente in der Bewegungs­ richtung des Ankers, die durch einen Pfeil in Fig. 1 wie­ dergegeben ist, als auch in einer hierzu senkrechten Rich­ tung aufweist. Dabei kann durch die Wahl der winkel- oder keilförmigen Formteile 1s und 2s am Anker 1 und am Kern 2 die Aufteilung der Kräfte in diesen beiden Richtungen beein­ flußt werden.

Der Winkelgestaltung sind jedoch Grenzen gesetzt, da der Außendurchmesser des Ankers 1 und somit des gesamten Hubmagneten begrenzt ist. Weiterhin müssen im Anfangszu­ stand, d. h. im stromlosen Zustand die Spitzen von Anker 1 und Kern 2 so nahe wie möglich aneinander angeordnet sein und wird andererseits ein bestimmter Winkel der Formteile 1s, 2s benötigt, um bestimmte Haltekräfte im angezogenen Zustand zu erreichen. Das ist über die Wahl des Winkels der Formteile 1s, 2s nur schwer und bei bestimmten Anforderungen überhaupt nicht erreichbar.

Ein weiterer Nachteil des in Fig. 1 dargestellten Hub­ magneten besteht darin, daß seine magnetische Kraftkennlinie ein Maximum aufweist und somit am Ende des Anziehvorgangs die Kraftwerte absinken. Der Grund dafür besteht darin, daß die Spitzeneffekte abnehmen, da immer weniger Magnetfluß durch die Spitzen geht und sich die magnetischen Flußlinien durch die Schrägflächen der Formteile 1s und 2s am Anker 1 und am Kern 2 zunehmend schließen. Diese Schrägflächen be­ stimmen die Austrittswinkel der Flußlinien und somit auch die Aufteilung der magnetischen Kräfte in den beiden zuein­ ander senkrecht stehenden Richtungen. Die nützliche, in Bewegungsrichtung des Ankers 1 verlaufende Komponente wird zunehmend kleiner und die Haltekraft sinkt ab.

In Fig. 2 und Fig. 5 auf der rechten Seite sowie in Fig. 3 sind in Axialschnittansichten zwei Ausführungsbei­ spiele des erfindungsgemäßen Hubmagneten dargestellt. Diese Ausführungsbeispiele haben einen Aufbau mit konstantem An­ keraußendurchmesser ohne Fase.

Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, sind bei die­ sen Ausführungsbeispielen die Schrägflächen an den Formtei­ len 1s, 2s am Anker 1 und am Kern 2 nicht in Form von gera­ den Schrägflächen mit konstanter Neigung ausgebildet, deren Erzeugende bezüglich der Axialrichtung, d. h. in Bewegungs­ richtung des Ankers 1 eine Gerade ist, sondern sind diese Schrägflächen zweiteilig ausgebildet, wobei jeder Teil 1b, 1c, 2b, 2c eine andere Steigung in radialer Richtung bezüg­ lich der axialen Richtung hat.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiel beginnt die Schrägfläche am Formteil 1s am Anker 1 mit einem Teil 1b mit geringerer Neigung, an den sich ein Teil 1c mit stärkerer Neigung gegenüber der axialen Richtung anschließt. Die dazu komplementäre Fläche am Formteil 2s des Kerns 2 beginnt dementsprechend mit einem Teil 2c mit stär­ kerer Neigung, an den sich ein Teil 2b mit schwächerer Nei­ gung bezüglich der axialen Richtung anschließt. Beide Flä­ chen 1b, 1c und 2b, 2c sind weiterhin so komplementär, daß beim Anziehen des Hubmagneten beide Teile ineinander gefügt werden.

Die Ausführungsbeispiele von Fig. 2 und 3 unterscheiden sich dadurch, daß bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel die Spitzen von Anker 1, d. h. von seinem Form­ teil 1s und vom Kern 2, d. h. seinem Formteil 2s auf gleicher Höhe liegen, während sich bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die vorderen Endabschnitte überlappen.

Die Spitzen der Formteile 1s, 2s können jedoch auch in der Höhe versetzt angeordnet sein.

Die einander gegenüberliegenden Flächen der Formteile 1s, 2s beim Anker 1 und am Kern 2 können nicht nur aus zwei Flächenabschnitten 1b, 1c; 2b, 2c, sondern aus mehreren Flä­ chenabschnitten aufgebaut sein, so daß ihre Erzeugende ein Polygonzug ist. Es ist gleichfalls möglich, daß die Erzeu­ gende dieser Flächen eine stetige Kurve mit längs der axia­ len Richtung verschiedener Neigung ist.

Bei einer Ausbildung mit zwei Teilflächen 1b, 1c bzw. 2b, 2c verschiedener Steigung wird durch die erste Schräg­ fläche 1b, 2b die Anforderung erfüllt, daß die Spitzen der Formteile 1s, 2s so nahe wie möglich im stromlosen Zustand aneinanderliegen, und wird durch die zweite Schrägfläche 1c, 2c erreicht, daß die magnetischen Kräfte im angezogenen Zustand durch die geringere Neigung dieser Flächen, d. h. durch den flacheren Winkel mehr in Richtung der Bewegung des Ankers 1 gedrängt werden. Das ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der Haltekraft, bishin zu deren Verdoppelung.

Beispiel

Es wurde ein Winkel von 10° 30', der bei einem bekann­ ten Hubmagneten vorgesehen war, durch Winkel von 6° und 25° jeweils ersetzt, unter denen die beiden Teile 1b, 1c, 2b, 2c der Schrägflächen bei dem erfindungsgemäßen Hubmagneten zur Axialrichtung verliefen. Durch diese Ausbildung konnte die Haltekraft bei einer Betriebsspannung von 9 V von ca. 5 N auf 9,7 N erhöht werden.

Wenn der Hubmagnet aus Platzgründen lang und schmal sein muß, ist der Außendurchmesser von Anker 1 und Kern 2 relativ klein. In einem solchen Fall wäre die Fläche 1c, 2c bei einem großen Winkel von z. B. 25° so klein, daß der An­ teil der magnetischen Kräfte in Bewegungsrichtung des Ankers zu gering wäre. In diesem Fall kann der zweite Winkel auf 21° 15' reduziert werden und kann eine zusätzliche Halte­ kraft aus dem zweiten Luftspalt zwischen Anker 1 und der einen Gehäusescheibe 6 erzielt werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Hub­ magneten mit angefastem Anker. Fig. 4a zeigt eine Gesamt­ ansicht des Hubmagneten, während die Fig. 4b, 4c das durch einen Kreis umgebenden Detail in Fig. 4a im vergrößerten Zustand bei geöffnetem Anker und bei geschlossenem Anker jeweils zeigen.

Die Fase bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungs­ beispiel wird kurz vor dem vollständig angezogenen Zustand wirksam, da der Effektivluftspalt zwischen dem Anker 1 und der Scheibe 6 konstant ist und die Spaltflächen parallel sind, so daß es keine magnetische Kraftkomponenten in Bewe­ gungsrichtung des Ankers 1 (Pfeilrichtung) gibt, solange der Ankerdurchmesser konstant ist.

Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Fase in den Luftspalt eintritt, werden erhebliche magnetische Kraftkomponenten in Bewegungsrichtung des Ankers 1 durch die geänderten Aus­ trittswinkel der Magnetflußlinien erzeugt. Durch die Fase, die bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Abmessung von 2° × 4,6 mm hat, läßt sich die Haltekraft genau einstellen. Es müssen nur noch die üblichen Winkel und Lage- und Montagetoleranzen berücksichtigt werden. Bei An­ forderungen, bei denen eine Verringerung der Haltekraft notwendig ist, kann eine Fase in Gegenrichtung, z. B. -2° × 4,6 mm vorgesehen sein. Das bedeutet einen sich schräg aus­ breitenden Luftspalt im angezogenen Zustand und eine Brems­ wirkung durch magnetische Kraftanteile in eine Richtung ent­ gegengesetzt der durch einen Pfeil in Fig. 4 dargestellten Bewegungsrichtung des Ankers 1.

Fig. 6 zeigt die Kennlinien bei dem in Fig. 1 darge­ stellten bekannten Hubmagneten.

In Fig. 6 ist die Summe der magnetischen Kraftkomponen­ ten in Ankerbewegungsrichtung in Abhängigkeit vom jeweiligen Abstand zwischen dem Anker 1 und dem Kern 2 dargestellt. Der maximale Abstand, d. h. der Hub beträgt beispielsweise 13 mm, der minimale Abstand liegt im angezogenen Zustand bei 0 mm. Es sind in Fig. 6 zwei Kennlinien der magnetischen Kraft bei einer Betriebsspannung von 9 V und bei einer Betriebsspannung von 6 V dargestellt. Die Federkennlinie muß so verlaufen, daß der Hubmagnet bei 9 V zuverlässig anzieht, was gewährleistet ist, und unter 6 V zuverlässig abfällt, was nicht immer, d. h. nur bei einer sehr niedrigen Betriebsspannung, gewährleistet ist, bei der das Maximum der magnetischen Kraft unter die Federkennlinie sinkt.

Aus Fig. 6 ergibt sich, daß die Kraftkennlinie nicht linear verläuft und ein Maximum hat, daß beim Loslassen des Hubmagneten eine Flattergefahr besteht, daß die Kraft beim maximalem Hub und die Haltekräfte niedrig sind, die Feder­ kennlinie flach verläuft, was auf eine Lange schmale Feder zurückzuführen ist, und die Federvorspannung bei 13 mm nied­ rig ist, beispielsweise bei 2 N liegt.

Fig. 7 zeigt demgegenüber die Kennlinie der magneti­ schen Kraft bei dem in Fig. 4 dargestellten Aufbau des Aus­ führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hubmagneten wiederum jeweils bei einer Betriebsspannung von 9 V und von 6 V.

Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß der Hubmagnet zuver­ lässig bei 9 V anzieht und zuverlässig bei 6 V abfällt.

Aus Fig. 7 ergibt sich weiterhin eine zuverlässige Funktion des Anziehens und Loslassens, eine höhere Anzieh­ kraft beim maximalen Hub, eine Kennlinie der Kraft ohne Maximum, was die Federauswahl erleichtert, die Möglichkeit einer hohen Federvorspannung von beispielsweise 4 N bei 13 mm und die Möglichkeit einstellbarer Haltekräfte durch die entsprechende Ankergeometrie.

Zu den Kennlinien (6 V; 9 V) aus Fig. 7 ist noch anzumer­ ken, daß ein idealer geschlossener Zustand mit Abstand Null zwischen Anker und Kern nicht wünschenswert, aber aus Grün­ den der Winkeltoleranzen von Anker und Kern auch nicht mög­ lich ist.

Der Arbeitsbereich der Magnetkraft-Kennlinien soll deshalb bei einem effektiven Abstand von 0,05 bis 0,3 mm zwischen Kern und Anker beginnen. Dieser ergibt sich entwe­ der aus Isttoleranzlagen der Winkel des Ankers und Kerns, oder er wird durch Beschichtung des Kerns im Anschlagbereich oder durch andere Maßnahmen beabsichtigt voreingestellt.

Fig. 8 zeigt die Vektordarstellung der magnetischen Kräfte am Anker im angezogenen Zustand bei der Ausbildung nach Fig. 1 in einem Computermodell. Aus Fig. 8 ergibt sich, daß die Komponenten der magnetischen Kräfte in Bewegungs­ richtung des Ankers zu niedrig sind.

Fig. 9 zeigt das Vektordiagramm bei dem Aufbau des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 in dem gleichen Zustand anhand gleichfalls eines Computermodells. Das Ergebnis an­ hand von Fig. 9 ist, daß die Komponenten der magnetischen Kräfte in Bewegungsrichtung des Ankers wesentlich höher sind.

Neben der hohen Anziehkraft bei großem Hub, der hohen Haltekraft, dem zuverlässigen Anziehen und Loslassen bei Betriebsspannungen von 9 V und 6 V, den magnetischen Kraft­ kennlinien ohne lokale oder globale Maxima, was eine sichere Funktion ohne Flattern des Ankers gewährleistet, der Mög­ lichkeit, eine günstige Federkennlinie mit ausreichender Steigung zu wählen, und der hohen möglichen Federvorspan­ nung, beispielsweise von 4 N bei 13 mm, hat die erfindungs­ gemäße Ausbildung den weiteren Vorteil, daß mit der erfin­ dungsgemäßen Form von Anker und Kern bei unveränderter Be­ triebsspannung, Wicklungswiderstand, Betriebsstrom und Mate­ rialeigenschaften der Bauraum bei gleichem Kraftbedarf mini­ miert werden kann.

Claims (4)

1. Hubmagnet mit

• 1. einem Anker,
• 2. einem Kern,
• 3. einer axial zwischen dem Anker und dem Kern angeord­ neten Druckfeder und
• 4. einer elektrischen Wicklung, die um den Anker und den Kern angeordnet ist,
• 5. wobei Anker und Kern in axialer Richtung angeformte Formteile aufweisen, die so ausgebildet sind, daß sie beim Anziehen des Hubmagneten ineinandergeschoben werden, und deren jeweils einander gegenüberliegenden Flächen eine Er­ zeugende haben, die längs der axialen Richtung eine Steigung in radialer Richtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Erzeugenden der jeweils einander gegenüber­ liegenden Flächen der Formteile (1s, 2s) von Anker (1) und Kern (2) längs der axialen Richtung nicht konstant ist.

2. Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugenden der jeweils einander gegenüberliegenden Flächen der Formteile (1s, 2s) von Anker (1) und Kern (2) stetige Kurven sind.

3. Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugenden der jeweils einander gegenüberliegenden Flächen der Formteile (1s, 2s) von Anker (1) und Kern (2) Polygonzüge jeweils sind.

4. Hubmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polygonzüge zweiteilig ausgebildet sind.