DE3520142A1 - Elektromagnet - Google Patents

Description

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R. 2OO5T

31.5-1985 Tt/Wl

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Elektromagnet
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Elektromagnet nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein Elektromagnet eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils mit einem eingebauten Permanentmagneten vorgeschlagen worden, bei dem der Anker in nicht erregtem Zustand zum Kern gezogen wird, während bei elektromagnetischer Erregung der Anker eine Stellung mit Abstand zum Kern einnimmt. Ein solches Ventil hat den Vorteil, in Ruhestellung keinen Haltestrom zu benötigen. Durch die . Verwendung von zylinderförmigen und flachen Magneten bedingt ist jedoch eine große Baugröße des Ventils.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Elektromagnet mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, durch die Verwendung mindestens eines ringförmigen, radial magnetisierten Permanentmagneten und durch die dadurch bedingte Gestaltung des Kerns kompakt zu bauen. Vorteilhaft ist ferner die Verwendung von zwei Permanentmagneten. Hierdurch wird eine größere Haltekraft bei nicht stromdurchflos-

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sener Spule erreicht, wodurch sich der Elektromagnet auch in einem Kraftstoffeinspritzventil mit höheren Kraftstoffdrücken einsetzen läßt, ohne daß die Gefahr eines durch den Druck des Kraftstoffes bewirkten Abhebens des Ankers von den Polschuhen besteht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Elektromagneten möglich.

Vorteilhaft ist es, beide Permanentmagneten ringförmig auszubilden und radial zu magnetisieren.

Von Vorteil ist es weiterhin, eine Öffnung im Ventilgehäuse oder im Außenkern vorzusehen, durch welche eine gezielte Beeinflussung des Permanentmagneten durch ein von außen aufgebrachtes Magnetfeld möglich ist. Dies ermöglicht eine Einstellung der dynamischen Einspritzmenge des Ventils.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromagneten, Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromagneten in Teilansicht, Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2, Figur h ein Ausführungsbeispiel eines aus mehreren Einzelmagneten zusammengesetzten Ringmagneten.

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Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In dem in Figur 1 dargestellten Elektromagneten für ein Kraft stoffeinspritzventil einer Kraftstoffeinspritzanlage von Brennkraftmaschinen ist mit 1 ein Außenkern bezeichnet. Dieser hat beispielsweise die Form eines Topfes, dessen Boden in Form eines Kegelstumpfes zuläuft. Das kegelstumpfförmige Ende des Außenkerns 1 ist in einer Ebene senkrecht zur Achse des Ventils abgeflacht und läßt eine Öffnung 11 frei. Das auslaufende Ende des Kegelstumpfes des Außenkerns bildet bei einer geschlossenen ringförmigen Ausbildung des Außenkerns 1 einen ringförmigen Außenpol 2. Vom Außenkern umschlossen, befindet sich koaxial hierin ein Innenkern 3, welcher die gleiche Länge besitzen kann, wie der Außenkern. Auf jener Länge, auf welcher der Außenkern 1 zylindrisch ausgebildet ist, besitzt der Innenkern 3 die Form eines Vollzylinders. Im Bereich der Kegelstumpfform des Außenkerns 1 verjüngt sich der Innenkern 3 in einem Konus U, welcher in einem, in der gleichen Ebene wie der Außenpol 2 liegenden und von diesem umgebenen Innenpol 5 endet, der also auf die Öffnung 11 ausgerichtet ist.

Zwischen Innenkern 3 und Außenkern 1 befindet sich, auf dem Innenkern aufliegend, eine Magnetspule β, welche auf einem Spulenträger 7 gewickelt ist. Nicht dargestellte Stromzuführungen dienen der Stromversorgung der Magnetspule.

Auf der den Polen 2, 5 abgewandten Seite der Magnetspule 6 befindet sich, mit dem Innenkern 3 fest verbunden oder Teil desselben, ein magnetisch leitender und radial sich zum Aussenkern 1 erstreckender Ring 9, dessen Außendurchmesser so bemessen ist, daß zwischen Ring 9 und Außenkern 1 ein ringförmiger Spalt 10 besteht. Auf der den Polen 2, 5 abgewandten Seite des Ringes 9 befindet sich, zwischen Innenkern 3

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und Außenkern 1 eingelassen und mit ihnen abschließend, ein ringförmiger erster Permanentmagnet 8. Dieser ist radial gepolt, besitzt also entweder einen Südpol am Innenmantel und einen Nordpol am Außenmantel (wie in der Zeichnung beispielsweise angedeutet) oder einen Nordpol am Innenmantel und einen Südpol am Außenmantel. Andererseits der Magnetspule 6, ebenfalls zwischen Innenkern 3 und Außenkern 1 eingelassen, befindet sich ein ringförmiger zweiter Permanentmagnet 1h mit gleich gerichteter Polung wie der erste Permanentmagnet 8.

Den Stirnflächen von Außenpol 2 und Innenpol 5 zugewandt ist ein Anker 15 angeordnet, welcher etwa in Form einer mit einer Flachseite 17 den beiden Polen 2, 5 zugewandten Halbkugel ausgebildet ist. Zwischen der Flachseite 17 des Ankers 15 und dem Außenpol 2 des Außenkerns 1 wird

ein erster Arbeitsluftspalt 18 und zwischen dem Anker 15 und dem Innenpol 5 des Innenkerns 3 ein zweiter Arbeitsluftspalt 19 gebildet. Hier sind aber auch verschiedene andere Formen des Ankers und der Pole denkbar. So läßt sich etwa die Ebene, in welcher die Arbeitsluftspalte von Außenpol 2 und Anker 15 einerseits und Innenpol 5 und Anker 15 andererseits angeordnet sind, konvex oder konkav ausführen, mit kreisförmiger oder elliptischer Krümmung. In der runden Seite des Ankers 15 ist eine Bohrung eingearbeitet, in welcher eine Ventilnadel 16 beispielsweise durch Schweißen oder Löten befestigt ist. Die Ventilnadel 16 ist zylindrisch und an ihrem anderen Ende mit einem Ventilkörper 20 fest verbunden, welcher im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz 21 ein Öffnen bzw. Schließen des Ventils bewirkt. Ventilkörper 20 und Ventilsitz 21 sind dergestalt gearbeitet, daß sich bei Bewegung des Ventilkörpers 20 in Richtung auf die Pole 2, 5 der Ventilkörper 20 an den Ventilsitz 21 anlegt und das Ventil verschließt. Der Ventilsitz 21 ist an der Stirnseite eines zylindrischen Ventilsitzkörpers 22 eingearbei-

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tet. Ventilsitzkörper 22 und Außenkern 1 sind so miteinander verbunden, daß keine Relativbewegung beider Teile zueinander möglich ist, etwa durch Befestigung in einem gemeinsamen, in den Zeichnungen nicht dargestellten Ventilgehäuse .

An den Ventilsitz 21 schließt sich eine koaxiale Bohrung an, welche den Ventilsitzkörper 22 durchdringt. An der dem Ventilsitz 21 abgewandten und den Polen 2, 5 zugewandten Seite des Ventilsitzkörpers 22 befindet sich eine weitere, fluchtend zu Bohrung 30 angeordnete Bohrung 31, deren Durchmesser grosser ist als jener von Bohrung 30 und geringfügig größer als der Durchmesser des Ankers 15, welcher von der Bohrung 31 radial geführt wird. Ein Übergangsbereich 32 zwischen Bohrung 30 und Bohrung 31 ist kegelförmig ausgebildet und dient als Anschlag für den maximalen Öffnungshub von Ventilnadel 16 und Ventilkörper 20. Nahe am Ventilkörper 20 befindet sich auf der Ventilnadel 16 ein Bund 33 von dreieckiger oder anderer Gestalt in axialer Richtung, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der ihn umschliessenden Bohrung 30.

Die Kraftstoffzuführung zur Bohrung 30 erfolgt über mindestens eine Speiseöffnung 35 im Ventilsitzkörper. Diese verläuft radial vom Mantel des Ventilsitzkörpers 22 zur Bohrung 30 in jenem Abschnitt der Bohrung 30, welcher sich auf der dem Anker 15 zugewandten Seite des Bundes 33 befindet.

Die Funktion des elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventils ist wie folgt:

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Bei nicht mit Strom beaufschlagter Magnetspule 6 werden Magnetfelder nur von den Permanentmagneten 8 und 1k erzeugt; der Anker 15 wird dadurch von Außenpol 2 und Innenpol 5 angezogen und der Ventilkörper 20 dichtend auf den Ventilsitz 21 gebracht. Der durch den ersten Permanentmagneten 8 erzeugte magnetische Fluß verläuft einerseits über Außenkern 1, Außenpol 2, Anker 15> Innenpol 5 und Innenkern 3 zurück zum ersten Permanentmagneten und umschließt damit auch die Magnetspule 6. Andererseits verläuft ein Teil des durch den ersten Permanentmagneten 8 erzeugten magnetischen Flusses über Außenkern 1, ringförmigen Spalt 10, Ring 9 und Innenkern 3 zurück zum ersten Permanentmagneten. Der durch den zweiten Permanentmagneten 1h erzeugte magnetische Fluß verläuft gleichsinnig wie der magnetische Fluß des ersten Permanentmagneten 8 über den Außenkern 1, Außenpol 2, Anker 15» Innenpol 5 und Innenkern 3 zum zweiten Permanentmagneten zurück.

Wird die Magnetspule 6 hingegen mit Spannung beaufschlagt, so wird dadurch ein solches Elektromagnetfeld induziert, daß die Feldlinien des Elektromagnetfeldes im ersten Arbeitsluftspalt 18 und im zweiten Arbeitsluftspalt 19 entgegengesetzt zu den Feldlinien der durch die Permanentmagnete 8, 1U erzeugten Magnetfelder verlaufen. Die Erregung der Magnetspule 6 soll dabei so groß sein, daß die Feldstärke des Elektromagnetfeldes im Bereich der Arbeitsluftspalte 18, 19 gleich der Feldstärke des Magnetfeldes der Permanentmagnete 8, lh ist, so daß auf den Anker 15 keine Magnetkraft mehr wirkt und das Ventil öffnen kann. Der magnetische Fluß des Elektromagnetfeldes verläuft in erster Linie über Innenkern 3, Innenpol 5, Anker 15» Außenpol 2, Außenkern 1, ringförmigen Spalt 10 und Ring 9 zurück zum Innenkern 3. Der Ring 9 mit dem ringförmigen Spalt 10 ist zweckmäßig, da der erste Permanentmagnet 8 den Elektromagnetfluß nur schwer leitet.

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Bei der Auslegung des Durchmessers des Innenkerns 3 ist dieser so zu bemessen, daß bei stromdurchflossener Magnetspule 6 im Innenkern 3 der Zustand einer Sättigung des induzierten Magnetflusses eintritt.

Durch die Kompensation der Feldstärken der von den Permanentmagneten 8, ^h und der Magnetspule 6 induzierten Magnetfelder am Anker 15 verbleibt als auf den Anker 15 wirkende statische Kraft nur die hydraulische Druckkraft des Kraftstoffes. Diese Kraft läßt sich aus der Größe der druckwirksamen Flächen an Anker 15 und Ventilkörper 20 und dem Kraftstoffdruck ermitteln,

Bei dem in Figur 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 gleichbleibenden und gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der ringförmige erste Permanentmagnet 8 in Figur 1 ist bei der Ausführung entsprechend Figur 2 und 3 durch einen ersten Permanentmagneten in Form eines Flachmagneten Uo ersetzt, welcher zwischen zwei magnetisch leitenden Stützen U1, k2 derart fixiert ist, daß jeder seiner Pole an einer der Stützen Hl, h2 anliegt. Der Querschnitt beider Stützen kl, kZ hat die Form eines Kreisabschnitts, wobei der Flachmagnet kO zwischen einer Flachseite 38 der Stütze U1 und einer Flachseite 39 der Stütze k2 eingespannt ist. Die Stütze k"\ ist als Verlängerung des Innenkerns 3 in dem Ventilsitz 21 abgewandter Richtung ausgebildet, so daß die Flachseite 38 parallel zur Längsachse des Innenkerns 3 verläuft. Die Stütze k2 ist Teil eines an der dem Ventilsitz 21 abgewandten Stirnseite des Außenkerns 1 fixierten Dekkels 50 und erstreckt sich in Richtung zum Innenkern 3. Dieser Deckel besteht ebenso wie der Außenkern 1 aus weichmagnetischem Material und ist Teil sowohl des Elektromagnetkreises als auch des vom Flachmagneten kO induzierten Magnetkreises. Eine den magnetischen Widerstand mindernde Verbindung

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innerhalb des elektromagnetischen Kreises, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 durch Ring 9 und ringförmigen Spalt 10 gegeben ist, kann dann fortfallen, wenn der Flachmagnet kO in Nord-Süd-Richtung zwischen den Flachseiten 38, 39 der Stützen U1, k-2 hinreichend schmal ausgeführt wird.

An dem dem Ventilsitz 21 abgewandten Ende des Außenkerns 1 sind in diesem mindestens zwei in rechteckiger oder in anderer Form ausgeführte Öffnungen 51 eingearbeitet. Durch diese Öffnungen 51 hindurch läßt sich mittels einer von aussen wirkenden, nicht gezeigten Vorrichtung eine Beeinflussung des Flachmagneten Uo durch ein äußeres Magnetfeld erreichen. Hierdurch ist eine gezielte Einstellung der Stärke des auf den Anker 15 wirkenden Magnetfeldes und damit der dynamischen Einspritzmenge des Einspritzventils möglich.

Da die radial magnetisieren, ringförmigen Permanentmagnete 8, 1U zur Zeit der Erfindung nur zu sehr hohen Kosten erstanden werden können, wird vorgeschlagen, durch eine näherungsweise eine Kreisform bildende Anordnung mehrerer Einzelmagnete einen Ringmagneten zu ersetzen.

Figur k zeigt ein Ausführungsbeispiel·, in welchem sechs rechteckförmige Magnete 60 an einem Trägerkörper 61 aus weichmagnetischem Material angeordnet sind. Der Umfang des Trägerkörpers 6i ist als gleichseitiges Vieleck ausgebildet und weist hier beispielsweise sechs Anlageflächen 62 auf, an denen je einer der Magnete 6θ angeordnet ist. Alle Rechteckmagnete 6θ sind dabei in radialer Richtung gleichsinnig gepolt. Durch eine Bearbeitung des Trägerkörpers 61 im Innern und der dem Trägerkörper 6i abgewandten Flächen 63 der Magneten 60 in Kreisbogenform etwa durch Drehen oder Schleifen ist eine Überführung in die Form eines Ringes möglich. Ge-

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strichelt ist die Ursprungsform der Magnete βθ dargestellt.

Es ist gleichfalls möglich, die Flächen 63 nach Aufspannung der Magnete 60 auf eine gemeinsame Werkstückaufnahme und hierdurch sichergestellte Fixierung der Magnete βθ in Form eines gleichseitigen Vielecks in oben beschriebener Weise in Form eines Ringes zu bearbeiten. Führt man den Innenkern 3 in Querschnittsform eines gleichseitigen Prismas aus, dessen Seitenlänge gleich ist der Länge einer Polfläche 65 eines der Magneten βθ und dessen Seitenzahl gleich ist der Zahl der Magnete 60, so lassen sich die Magnete 60 einzeln ohne Zuhilfenahme eines Trägerkörpers zwischen Innenkern 3 und Außenkern 1 einsetzen.

Möglich ist es ebenfalls, nach einer oben beschriebenen Aufspannung der Magneten 60 auf eine gemeinsame Werkstückaufnahme auch die inneren Polflächen 65 der Magneten βθ in Form eines Ringes zu bearbeiten. Der Innenkern 3 ist dabei mit zylindrischem Querschnitt ausgeführt.

Durch die Anordnung der in oben beschriebener Weise gefertigten einzelnen Magnete βθ zwischen Innenkern 3 und Außenkern 1 ergibt sich ein quasi ringförmiger, in radialer Richtung magnetisierter Permanentmagnet. Die beispielsweise beschriebene Form einer sechseckigen Anordnung der Rechteckmagnete 60 läßt sich auf beliebige, gleichseitige Vielecke übertragen.

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Claims (8)

3520U2 R. 20057 31.5-1985 Tt/Wl ROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1 Ansprüche

1. Elektromagnet, insbesondere zur Steuerung eines Kraftstoff einspritzventiles für Kraft stoffeinspritzanlagen von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Anker, einem Innenkern aus weichmagnetischem. Material, einer den Innenkern umschließenden Magnetspule sowie mit mindestens einem Permanentmagneten, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwischen dem von der Magnetspule (6) umschlossenen Innenkern (3) und einem aus weichmagnetischem Material bestehenden, die Magnetspule (6) zumindest teilweise umgreifenden Außenkern (1) einerseits der Magnetspule (β) ein erster Permanentmagnet (8, ^O) und andererseits der Magnetspule (6) ein zweiter Permanentmagnet (1k) angeordnet ist,

- daß mindestens der zweite Permanentmagnet (1U) ringförmig ausgebildet und radial magnetisiert ist,

- daß zwischen dem Außenkern (1) und dem Anker (15) ein erster Arbeitsluftspalt (18) und zwischen dem Innenkern (3) und dem Anker (15) ein zweiter Arbeitsluftspalt (19) gebildet wird, und

- daß die Permanentmagnete (8, 1U, ko) so gepolt sind, daß ihre Magnetfelder an den Arbeitsluft spalten (18, 19) dem durch die Magnetspule (6) induzierten Elektromagnetfeld entgegen verlaufen.

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2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärken der durch die Permanentmagnete (8, ^k, hu) erzeugten Magnetfelder und die Feldstärke des durch die Magnetspule (6) erzeugten Elektromagnetfeldes sich im Bereich des ersten Ar"beitsluftspaltes (18) und des zweiten Arbeitsluftspaltes (19) gegenseitig zu einer Nettofeldstärke von Null kompensieren.

3. Elektromagnet nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der erste Permanentmagnet (8) ringförmig ausgebildet und radial magnetisiert ist.

k. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Permanentmagnet (kO) ein senkrecht zur Längsachse des Innenkerns (3) magnetisierter Flachmagnet (Uo) ist.

5· Elektromagnet nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Permanentmagnet (Uo) mit dem einen Pol an einer parallel zur Längsachse des Innenkerns (3) verlaufenden Flachseite (38) des Innenkerns (3) und mit dem anderen Pol an einer Flachseite (39) einer magnetisch leitenden Stütze (U2) anliegt, die Teil eines zum Außenkern (1) führenden magnetisch leitenden Deckels (50) ist.

6. Elektromagnet nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenkern (1) zwei einander gegenüberliegende Öffnungen (51) hat, über die der erste Permanentmagnet (Uo) in den Einflußbereich eines von außen aufgeprägten Magnetfeldes gebracht werden kann.

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7» Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Permanentmagnet (8, 1k) aus einem Trägerkörper (61) aus weichmagnetischem Material gebildet wird, dessen Umfang als gleichseitiges Vieleck ausgebildet mindestens sechs Anlageflächen (62) aufweist, an denen je ein in radialer Richtung magnetisierter, rechteckförmiger Magnet (βθ) anliegt, dessen dem Trägerkörper (6i) abgewandte Fläche (63) kreisbogenförmig verläuft.

8. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Permanentmagnet (8, 1U) durch mehrere Magnete (βθ) ersetzt ist, welche zwischen dem Innenkern (3) und dem Außenkern (1) in der Weise eingefügt sind, daß sie jeweils mit einer Innenfläche, welche gleichzeitig der eine Magnetpol eines der Magneten (βθ) ist, am Umfang des Innenkerns (3) anliegen und daß sie mit einer äußeren Fläche (63), welche gleichzeitig der andere Magnetpol eines der Magneten (6o) ist, an der Innenseite des Aussenkerns (1) anliegen.