EP1526942A1 - Elektromagnetische stellvorrichtung - Google Patents

Elektromagnetische stellvorrichtung

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Publication number
EP1526942A1
EP1526942A1 EP03784077A EP03784077A EP1526942A1 EP 1526942 A1 EP1526942 A1 EP 1526942A1 EP 03784077 A EP03784077 A EP 03784077A EP 03784077 A EP03784077 A EP 03784077A EP 1526942 A1 EP1526942 A1 EP 1526942A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
section
yoke
transition
core
intermediate section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03784077A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Burger
Hans-Willi Langebahn
Achim Riedle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ETO Magnetic GmbH
Original Assignee
ETO Magnetic GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ETO Magnetic GmbH filed Critical ETO Magnetic GmbH
Publication of EP1526942A1 publication Critical patent/EP1526942A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1607—Armatures entering the winding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/129—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding specially adapted for particular articles or workpieces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/32—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration
    • B60T8/34—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration having a fluid pressure regulator responsive to a speed condition
    • B60T8/36—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration having a fluid pressure regulator responsive to a speed condition including a pilot valve responding to an electromagnetic force
    • B60T8/3615—Electromagnetic valves specially adapted for anti-lock brake and traction control systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/081—Magnetic constructions

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic actuating device according to the preamble of the main claim.
  • Such a device as an electromagnetic actuator for example for use in connection with the control of valves for hydraulic or pneumatic systems or switching applications, is generally known from the prior art.
  • An anchor made of magnetic material is used to carry out the i. w. linear adjustment movement guided in a magnetic frame; the magnetic frame is enclosed by an electrical coil device and held in a suitably designed housing. By applying electrical current to the coil device, the armature is then set into the desired movement in order to carry out the actuating movement.
  • the - typically elongated - magnetic frame which has a core section and a yoke section, has an intermediate section made of non-magnetic material between these sections, so that the entire magnetic frame as a rotationally symmetrical arrangement comprises the core section, the intermediate section and the yoke section in succession.
  • the magnetic frame is of hollow cylindrical design so that the correspondingly adapted cylindrical anchor element can then be guided therein along a longitudinal (movement) axis.
  • the rotationally symmetrical magnetic frame 12 held in a housing 10 is, as described, divided into three sections (core section 14, intermediate or separating section 16 and yoke section 18) and has a hollow cylindrical cavity for guiding an anchor element 20.
  • the yoke-side end is also closed by a stop element 22 firmly connected to the magnet frame 12.
  • the magnet frame 12 is also surrounded by a coil arrangement 24 in the housing 10; A connection 26 for contacting the coil device 24 is drawn out only schematically.
  • the transition region 28 which is then shown in the further FIGS. 3, 4 as an enlarged detail, illustrates the manufacturing difficulties in the manufacture of the magnet frame 12.
  • the task is to inseparably connect the materials of the respective elements 14, 16, 18 so that on the one hand the arrangement can withstand the high pressures that may arise in connection with a hydraulic or pneumatic application, but on the other hand the one responsible for the magnetization process
  • the course of the transition geometry in the transition region 28 is not adversely affected by the production.
  • the formation of the transitions between core and intermediate section or intermediate section and yoke is critical for the magnetic behavior of the arrangement; typically it is a slightly cone-shaped end section in the region of the end of the core section 14 or the yoke 18, for generating the magnetization characteristics desired there, predetermined by the conical shape.
  • the annular intermediate portion 16 is deposited by overlay welding onto the ends of the core 14 or yoke 18, typically by so-called MIG (metal inert gas) soldering or welding using a CuAl alloy as weldable, non-magnetic material for the intermediate section 16.
  • MIG metal inert gas
  • MIG build-up welding creates more voids and pores, which in the area of the intermediate section create the risk of leaks up to the risk of fatigue fracture of the magnet frame.
  • the disadvantage of the conventional method is that the non-magnetic filler material for the intermediate section 16 is comparatively expensive in wire dimensions (since the rolling down and annealing to small diameters mean a lot of effort in the production).
  • At least one of the transition areas between the yoke section and the intermediate section or the intermediate section and the core section is by means of produced by a friction welding process; it is also encompassed by the invention that the yoke and intermediate section are formed in one piece, non-magnetic, and in this respect there is only one transition area realized with friction welding.
  • the (area-related) friction welding method according to the invention has the advantage that the (strong) rubbing heats the contact surfaces in such a way that the material for the non-magnetic intermediate section in particular becomes plastic, but does not flow, as in the case of arc welding, for example.
  • reliable welding can be produced at the transition point, which although it has the high strength that is being promoted, at the same time has the geometry predetermined by the core and yoke end sections, eg B. leaves the selected cone geometry unchanged and thus the set magnetic field profile remains predictable and unchanged. Due to the plastic, rather pasty condition of the joining materials, voids and pores, in contrast to cladding, can only be formed to a very small extent; Due to the all-over effect, the inhomogeneities of drop-based build-up welding are avoided.
  • Another advantage of this friction welding process is that, compared to the application for the welding process, which typically takes about 10 to 15 seconds, significantly less time is required, which means that the manufacturing process also becomes faster and more efficient.
  • the non-magnetic material for the intermediate section can now be introduced and used as a hollow cylindrical or rod material and thus much more cost-effectively than wire material, and it has also been found that a cheaper material quality can be used for the intermediate section as a separating section.
  • the present invention creates, in a surprisingly simple manner, a manufacturing process based on the principle of friction welding for generic electromagnetic actuating devices, with which the manufacture is significantly simplified and less expensive, and as a result additionally magnetic properties, the quality of the transition point and the loading properties of the resulting end product are significantly improved.
  • At least one of the yoke section or core section has a cone shape at its end facing the intermediate section; According to the invention, this " ensures that there is a particularly favorable course of magnetization at the transition points to the intermediate section and consequently the magnetic properties, due to the teaching according to the invention of the use of friction welding, being particularly advantageous.
  • the present invention is particularly suitable for electromagnetic actuating devices in connection with hydraulic or pneumatic valves, there in particular for high pressure applications up to several 100 bar, such as occur in many applications of stationary and mobile hydraulics. Nevertheless, the advantages of the present invention are not limited to those for similar applications.
  • FIG. 1 shows a sectional view through the electromagnetic actuating device according to the present invention to illustrate the advantages according to the invention compared to the prior art
  • FIG. 2 a view analogous to FIG. 1 in the perspective direction as a three-dimensional object
  • FIG. 3 shows an enlargement of the transition region 28 in FIG. 1 according to the prior art with transition geometry deformed by the build-up welding;
  • FIG. 4 a view analogous to FIG. 3 after the friction welding of the present invention with an undeformed cone shape (ideal state);
  • FIG. 6 a representation analogous to FIG. 5 of a second embodiment of the invention with a different geometry of the intermediate section;
  • Fig. 7 a representation of the arrangement of Fig. 5, 6 after assembly by friction welding.
  • FIG. 4 Building on the schematic representation of an electromagnetic actuating device according to FIG Fig. 1, Fig. 2 and the problems of the deformation of an originally conical core and yoke geometry after the application of the intermediate section 16 by cladding, Fig. 4, directly analogous to the representation of Fig. 3, illustrates that as a result of the friction welding process, the core side Cone geometry with cone section 32 and flat ring section 34 or the pure cone shape of the yoke section 18 is practically undeformed and therefore remains unchanged, consequently the originally dimensioned magnetic properties predetermined by the cone shape are retained in full.
  • the core 14 was brought to a rotary movement between 1500 and 2500 min ⁇ 1 and a ring made of CuAl alloy with a correspondingly adapted, negative cone shape (FIG. 5) in the direction of the arrow 40 with a pressure between approx. 50 and 250 N / mm 2 pressed.
  • the strong warming leads to the warming of the touching surfaces.
  • the rotating core is stopped and with an additional compressive force (typically 80 to 300 N / mm 2 ) both parts are pressed together and welded to them.
  • the yoke 18 can be friction-welded to the composite of core 14 and intermediate section 16 using the same method; the result is shown in FIG. 7.
  • FIG. 6 An alternative embodiment is also illustrated in FIG. 6, here the ring to be used as an intermediate element points in the case of a thicker yoke wall diameter no negative cone contour in the direction of the core 14, but the result is the same contour-accurate joining geometry as shown in FIG. 4 as a result of the process.
  • metallurgical compositions in principle, any non-magnetic, metallic or non-metallic material - such as plastics or ceramics - would be suitable for the friction welding process and as material for the intermediate section 16). Possible uses or operating parameters.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse (10) relativ zu einem aus einem Kern- (14) und einem Jochabschnitt (18) gebildeten Magnetgestell (12) entlang einer axialen Richtung bewegbar vorgesehenen Anker (20) und einer zum Erzeugen der Bewegung mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Spuleneinrichtung (24), wobei das Magnetgestell (12) hohlzylindrisch und den Anker (20) zumindest teilweise umschliessend ausgebildet ist und zwischen dem Kernabschnitt (14) und dem Jochabschnitt einen Zwischenabschnitt (16) aus nicht-magnetischem Material aufweist, wobei eine unlösbare Materialverbindung in mindestens einem der Übergangsbereiche (28) zwischen dem Jochabschnitt (18) und dem Zwischenabschnitt sowie dem Zwischenabschnitt und dem Kernabschnitt mittels eines Reibschweissverfahrens hergestellt ist.

Description

Elektromagnetische Stellvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .
Eine derartige Vorrichtung als elektromagnetischer Aktor, etwa zur Verwendung im Zusammenhang mit der Steuerung von Ventilen für hydraulische oder pneumatische Anlagen oder Schaltanwendungen, ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Ein Anker aus magnetischem Material ist zum Ausführen der i. w. linearen Stellbewegung in einem Magnetgestell bewegbar geführt; das Magnetgestell ist von einer e- lektrischen Spuleneinrichtung umschlossen und in einem geeignet ausgebildeten Gehäuse gehalten. Durch Beaufschlagung der Spuleneinrichtung mit elektrischem Strom wird dann der Anker zum Ausführen der Stellbewegung in die gewünschte Bewegung versetzt.
Bei derartigen, gattungsbildenden Vorrichtungen ist es aus Gründen des magnetischen Feldverlaufes notwendig, dass das — typischerweise langgestreckte — Magnetgestell, welches einen Kernabschnitt sowie einen Jochabschnitt aufweist, zwischen diesen Abschnitten einen Zwischenabschnitt aus nicht-magnetischem Material aufweist, so dass das gesamte Magnetgestell als rotationssymmetrische Anordnung den Kernabschnitt, den Zwischenabschnitt sowie den Jochabschnitt aufeinanderfolgend umfasst. Zumindest abschnittsweise ist dabei das Magnetgestell hohlzylindrisch ausgebildet, damit dann das entsprechend angepasste, zylindrische Ankerelement darin entlang einer Längs- (Bewegungs-) Achse geführt werden kann.
Fertigungstechnisch ist die Abfolge von Kernabschnitt (aus magnetisch leitendem Material) , Zwischenabschnitt (aus magnetisch nicht-leitendem Material) und Jochabschnitt (wiederum aus magnetisch leitendem Material) nicht ganz unkritisch, wie zur Erläuterung des Hintergrundes der vorliegen- den Erfindung die Fig. 1 bzw. die perspektivische Schnittansicht der Fig. 2 verdeutlicht: Das in einem Gehäuse 10 gehaltene, rotationssymmetrische Magnetgestell 12 ist, wie beschrieben, in drei Abschnitte (Kernabschnitt 14, Zwischen- bzw. Trennabschnitt 16 und Jochabschnitt 18) geteilt und weist eine hohlzylindrische Aushöhlung zum Führen eines Ankerelements 20 auf. Das jochseitige Ende ist zudem durch ein fest mit dem Magnetgestell 12 verbundenes Anschlagelement 22 verschlossen.
Wie in der Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigt, ist zudem im Gehäuse 10 das Magnetgestell 12 von einer Spulenanordnung 24 umgeben; lediglich schematisch ist ein Anschluss 26 zur Kontak- tierung der Spuleneinrichtung 24 herausgeführt gezeichnet. In der Fig. 1 verdeutlicht der dann in den weiteren Fig. 3, 4 als Ausschnittsvergrößerung gezeigte Übergangsbereich 28 die herstellungstechnischen Schwierigkeiten bei der Herstellung des Magnetgestells 12.
Genauer gesagt besteht die Aufgabe darin, die Materialien der jeweiligen Elemente 14, 16, 18 so miteinander unlösbar zu verbinden, dass einerseits die Anordnung den etwa im Zusammenhang mit einem Hydraulik- oder Pneumatikeinsatz entstehenden hohen Drücken gewachsen ist, andererseits jedoch der für den Magnetisierungsverlauf erantwortliche Verlauf der Übergangsgeometrie im Übergangsbereich 28 durch das Fertigen nicht negativ beeinträchtigt wird. Genauer gesagt ist für das magnetische Verhalten der Anordnung die Ausbildung der Übergänge zwischen Kern und Zwischenabschnitt bzw. Zwischenabschnitt und Joch kritisch; typischerweise handelt es sich um einen leicht konusför igen Endabschnitt im Bereich des Endes des Kernabschnitts 14 bzw. des Joches 18, zum Erzeugen der dort gewünschten, durch die konusförmige Form vorbestimmten Magnetisierungskennlinien.
Allerdings kommt es durch traditionelle Fertigungsverfahren des Magnetgestells 12 aus Kern, Zwischenabschnitt und Joch zu unerwünschten Verformungen bzw. Deformationen des Pro- fils (der Geometrie) an dem kritischen Übergangsbereich 28, wie in der Fig. 3 für einen herkömmlichen Fertigungsprozess gezeigt. Genauer gesagt wird bei bekannten Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik der ringförmige Zwischenabschnitt 16 durch ein Auftragsschweißen auf die Enden von Kern 14 bzw. Joch 18 aufgebracht, typischerweise durch ein sog. MIG- (Metall-Inert-Gas) Löten bzw. Schweißen unter Verwendung einer CuAl-Legierung als au zuschweißendes, nicht-magnetisches Material für den Zwischenabschnitt 16. Vorher weisen dabei die Endabschnitte von Joch 18 bzw. 14 die z. B. in Fig. 4 gezeigten konusförmigen Verläufe auf.
Allerdings besteht bei dem (punktuellen bzw. prinzipbedingt, tropfenbasierten) MIG-Auftragsschweißen durch die sehr hohen Lichtbogentemperaturen die Gefahr, dass sich dadurch die Konusgeometrie stark verändert, wie in der Fig. 3 zu erkennen ist. Der ursprünglich im Querschnitt langgestreckte Konus ist nunmehr (unbestimmt und weitgehend willkürlich) gewellt, so dass damit die Magnet-Kennlinie an dem kritischen Übergangsbereich im Bereich des Zwischenabschnitts 16 in nicht vorher bestimmbarer Weise beeinflusst wird.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass, verfahrensbedingt, durch das MIG-Auftragsschweißen vermehrt Lunker und Poren entstehen, die im Bereich des Zwischenabschnitts die Gefahr von Undichtigkeiten entstehen lassen, bis hin zu der Gefahr eines Ermüdungsbruch des Magnetgestelles.
Ein weiterer Nachteil des geschilderten, konventionellen Herstellungsverfahren besteht darin, dass für den Auftrags- schweißprozess mit typischerweise ca. 30 Sekunden vergleichsweise lange Prozesszeiten benötigt werden, was sich wiederum nachteilig auf die Herstellungsdauer und mithin auf die Herstellungkosten auswirkt, da andererseits jedoch durch die einzuhaltende Konusgeometrie die Wärmeeindringung in die Schweißverbindung limitiert ist, ist diese Prozesszeit nicht weiter reduzierbar, nicht zuletzt um die Über- gangsgeometrie, vgl. Fig. 3, nicht weiter zu verschlechtern.
Ein weiterer Nachteil, der sich auf den Herstellungsaufwand mit der bekannten Technologie auswirkt, liegt darin, dass beim Auftragsschweißen benachbarte Bauteilpartien durch Schweißspritzer nachteilig beeinflusst werden, mithin ist hier zusätzlicher Aufwand für das Abdecken notwendig. Hinzu kommt, dass aufgetragenes Material für den Bereich 16 zum Erzeugen der zylindrischen Außen- und Innenform mit entsprechendem Aufwand abgedreht werden muss.
Schließlich bleibt als Nachteil des herkömmlichen Verfahrens, dass der nicht-magnetische Zusatzwerkstoff für den Zwischenabschnitt 16 in Drahtdimensionen vergleichsweise teuer ist (da das Herunterwalzen und Glühen auf kleine Durchmesser in der Herstellung viel Aufwand bedeuten) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende elektromagnetische Stellvorrichtung zu schaffen, die zum einen hinsichtlich ihrer vorbestimmten elektromagnetischen Eigenschaften an den Übergangsbereichen zwischen Kern und nicht-magnetischem Zwischenabschnitt bzw. Zwischenabschnitt und Joch verbessert ist, und die zum anderen hinsichtlich ihrer Herstellbarkeit, insbesondere den mit der Herstellung verbundenen Aufwand, vereinfacht ist und insbesondere das Herstellen von elektromagnetischen Stellvorrichtungen mit niedrigeren Kosten ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch das Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch 7 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird zumindest einer der Übergangsbereiche zwischen Jochabschnitt und Zwischenabschnitt oder Zwischenabschnitt und Kernabschnitt mittels eines Reibschweißverfahrens hergestellt; dabei ist es auch von der Erfindung mit umfasst, dass Joch- und Zwischenabschnitt einstückig nicht-magnetisch ausgebildet sind und insoweit lediglich ein mit Reibschweißen realisierter Übergangsbereich existiert.
Das erfindungsgemäße (flächenbezogene) Reibschweißverfahren hat den Vorteil, dass durch das (starke) Reiben die Berührungsflächen sich so erwärmen, dass speziell der Werkstoff für den nicht-magnetischen Zwischenabschnitt plastisch wird, nicht jedoch, wie etwa beim Lichtbogenschweißen, fließt. So kann mit entsprechender Stauchkraft eine zuverlässige Verschweißung an der Übergangsstelle erzeugt werden, die zwar die geförderte hohe Festigkeit aufweist, gleichzeitig jedoch die durch die Kern- und Joch- Endabschnitte vorgegebene Geometrie, z. B. die gewählte Konusgeometrie, unverändert lässt und damit der dadurch eingestellte magnetische Feldverlauf berechenbar und unverändert bleibt. Durch den plastischen, eher teigigen Zustand der Fügewerkstoffe können zudem Lunker und Poren, im Gegensatz zum Auftragsschweißen, in nur sehr geringem Umfang entstehen; durch die ganzflächige Wirkung werden zudem die Inhomogenitäten des tropfenbasierten Auftragsschweißens vermieden.
Ein weiterer Vorteil dieses Reibschweißverfahrens liegt darin, dass gegenüber dem Auftragen für den Schweißvorgang mit typischerweise ca. 10 bis 15 Sekunden deutlich weniger Zeit benötigt wird, mithin also auch der Herstellungsvorgang schneller und effizienter wird.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das nichtmagnetische Material für den Zwischenabschnitt nunmehr als hohlzylindrisches bzw. Stangenmaterial und damit wesentlich kostengünstiger als Drahtmaterial herangeführt und eingesetzt werden kann, außerdem hat es sich herausgestellt, dass für den Zwischenabschnitt als Trennabschnitt eine kostengünstigere Materialqualität eingesetzt werden kann. Im Ergebnis wird damit durch die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher Weise ein auf dem Prinzip des Reibschweißens beruhender Herstellungsprozess für gattungsbildende elektromagnetische Stellvorrichtungen geschaffen, mit dem die Herstellung deutlich vereinfacht und verbilligt ist, und wodurch zusätzlich magnetische Eigenschaften, die Qualität der Übergangsstelle sowie die Belastungseigenschaften des resultierenden Endproduktes deutlich verbessert sind.
In weiterbildungsgemäß bevorzugter Weise ist es vorgesehen, dass zumindest einer von Jochabschnitt oder Kernabschnitt an seinem dem Zwischenabschnitt zugewandten Ende eine Konusform aufweist; dies "sorgt erfindungsgemäß dafür, dass ein besonders günstiger Magnetisierungsverlauf an den Übergangsstellen zum Zwischenabschnitt vorliegt und mithin die magnetischen Eigenschaften, bedingt durch die erfindungsgemäße Lehre des Einsatzes des Reibschweißens, besonders günstig zum Tragen kommen.
Dabei ist es einerseits günstig, die Ausbildung des Zwischenabschnitts als Partner für das Reibschweißen entsprechend korrespondierend konusförmig auszubilden, oder aber den zugewandten Endabschnitt des Zwischenabschnitts selbst plan, zylindrisch (und damit nicht-konisch) auszubilden; überraschend hat sich herausgestellt, dass auch hier das Reibschweißen zu einem äußerst vorteilhaften, die Ursprungsgeometrie praktisch nicht verändernden Übergang zwischen den Werkstoffen führt.
Während es einerseits möglich und bevorzugt ist, etwa beid- seits des ringförmigen Zwischenabschnitts durch das vorteilhafte erfindungsgemäße Reibschweißverfahren einen jeweiligen der Nerbindungspartner (Jochabschnitt bzw. Kernabschnitt) anzufügen, und dies weiter bevorzugt simultan in einem gemeinsamen Arbeitsgang vorzunehmen, so liegt es e- benfalls im Umfang der Erfindung, dies in aufeinanderfol- genden Arbeitsschritten, oder nur beschränkt auf einen Fügeübergang vorzunehmen.
Ein solcher Umstand, dass mittels der vorliegenden Erfindung in besonders zuverlässiger und in mechanisch stabiler Weise ein lunker- und porenarmer Übergang zwischen den Fügepartnern entsteht und damit die Gefahr von Undichtigkeiten minimiert ist, eignet sich die vorliegende Erfindung in besonders bevorzugter Weise für elektromagnetische Stellvorrichtungen, die im Zusammenhang mit Hydraulik- oder Pneumatikventile, dort insbesondere bei Hochdruckanwendungen bis zu mehreren 100 bar, wie sie etwa bei vielen Anwendungen der stationären und Mobilhydraulik auftreten, eingesetzt werden. Gleichwohl ist die vorliegende Erfindung mit ihren Vorteilen auf der Art für ähnliche Anwendungsfälle nicht beschränkt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Fig. 1: eine Schnittansicht durch die elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verdeutlichen der erfindungsgemäßen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik;
Fig. 2: eine Ansicht analog Fig. 1 in perspektivischer Richtung als dreidimensionales Objekt;
Fig. 3: eine Vergrößerung des Übergangsbereiches 28 in Fig. 1 nach dem Stand der Technik mit durch das Auftragsschweißen deformierter Übergangsgeometrie;
Fig. 4: eine Ansicht analog Fig. 3 nach dem Reibschweißen der vorliegenden Erfindung mit undeformier- ter Konusform (Idealzustand) ;
Fig. 5: eine Explosionsdarstellung der Fügepartner Kern, Zwischenabschnitt, Joch gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung vor dem Zusammenfügen durch Reibschweißverfahren;
Fig. 6: eine Darstellung analog Fig. 5 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit anderer Geometrie des Zwischenabschnitts; und
Fig. 7: eine Darstellung der Anordnung der Fig. 5, 6 nach dem Zusammenfügen durch Reibschweißen.
Aufbauend auf der eingangs beschriebenen schematischen Darstellung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 2 und den Problemen der Deformation einer hier ursprünglich konusförmigen Kern- und Jochgeometrie nach dem Auftragen des Zwischenabschnitts 16 durch Auftragsschweißen verdeutlicht die Fig. 4, unmittelbar analog zur Darstellung der Fig. 3, dass als Ergebnis des Reibschweißverfahrens die kernseitige Konusgeometrie mit Konusabschnitt 32 und flachem Ringabschnitt 34 bzw. die reine Konusform des Jochabschnittes 18 praktisch undeformiert und damit unverändert bleibt, mithin bleiben die ursprünglich bemessenen und durch die Konusform vorbestimmten magnetischen Eigenschaften vollständig erhalten.
Konkret wurde im dargestellten Ausführungsbeispiel der Kern 14 auf eine Drehbewegung zwischen 1500 und 2500 min-1 gebracht und ein Ring aus CuAl-Legierung mit entsprechend an- gepasster, negativer Konusform (Fig. 5) in Richtung des Pfeils 40 mit einem Druck zwischen ca. 50 und 250 N/mm2 an- gepresst. Durch die starke Erwärmung kommt es zur Erwärmung der sich berührenden Flächen. Sobald der nicht-magnetische Werkstoff (die CuAl-Legierung, alternativ sind auch andere Legierungen, wie etwa eine AI-Legierung, denkbar) plastisch ist, wird der drehende Kern gestoppt, und mit einer zusätzlichen Stauchkraft (typischerweise 80 bis 300 N/mm2) werden beide Teile zusammengedrückt und damit verschweißt.
Nach dem Abkühlen und Ab- bzw. Ausdrehen des durch das Reibschweißen entstehenden Wulstes besteht eine hochfeste, lunker- und porenarme Fügung, mit nahezu unveränderter Konusgeometrie, wie sie sich aus der Fig. 4 ergibt.
Unmittelbar darauf kann, mit demselben Verfahren, etwa das Joch 18 mit dem Verbund aus Kern 14 und Zwischenabschnitt 16 reibverschweißt werden; das Ergebnis zeigt sich in der Fig. 7.
Eine alternative Ausführungsform ist noch anhand der Fig. 6 verdeutlicht, hier weist, bei dickerem Joch- Wanddurchmesser, der als Zwischenelement einzusetzende Ring in Richtung auf den Kern 14 keine negative Konuskontur auf, im Ergebnis stellt sich jedoch dieselbe konturtreue Fügegeometrie wie in Fig. 4 gezeigt als Ergebnis des Prozesses heraus .
Auch ist nicht ausgeschlossen, dass in Abwandlung der Fig. 5 bis 7, etwa der Zwischenabschnitt 16 und/oder der Jochabschnitt 18 als Vollmaterial (statt als Rohrmaterial, wie in den Fig. gezeigt) durch Reibschweißen verbunden und dann entsprechend ausgedreht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen, metallurgischen Zusammensetzungen (so würde sich prinzipiell für das Reibschweißverfahren und als Material für den Zwischenabschnitt 16 jegliches nichtmagnetisches, metallisches oder nichtmetallisches — etwa Kunststoffe oder Keramik -- Material eignen) beschränkt, auch sind andere Aufbauten, Einsatzweisen oder Betriebsparameter denkbar.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse (10) relativ zu einem aus' einem Kern- (14) und einem Jochabschnitt (18) gebildeten Magnetgestell (12) entlang einer axialen Richtung bewegbar vorgesehenen Anker (20) und einer zum Erzeugen der Bewegung mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Spuleneinrichtung (24), wobei das Magnetgestell hohlzylindrisch und den Anker zumindest teilweise umschließend ausgebildet ist und zwischen dem Kernabschnitt und dem Jochabschnitt einen Zwischenabschnitt (16) aus nicht-magnetischem Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine unlösbare Materialverbindung in mindestens einem der Übergangsbereiche (28) zwischen dem Jochabschnitt und dem Zwischenabschnitt sowie dem Zwischenabschnitt und dem Kernabschnitt mittels eines Reibschweißverfahrens hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Jochabschnitt und/oder der Kernabschnitt an einem dem Zwischenabschnitt zugewandten Ende eine Konusform (32) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konusform (32) kegelstumpfartig in einen in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Flachabschnitt (34) übergeht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenabschnitt (16) als ringförmiges und/oder hohlzylindrisches oder vollzy- inderförmiges Element ausgebildet ist, das an einem dem Jochabschnitt und/oder dem Kernabschnitt zugewandten Ende eine dem jeweiligen Ende des Jochabschnitts bzw. des Kernabschnitts angepasste Konusform aufweist .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenabschnitt (16) als ringförmiges und/oder hohlzylindrisches oder vollzy- inderförmiges Element ausgebildet ist, das an einem dem Jochabschnitt und/oder dem Kernabschnitt zugewandten Ende eine dem jeweiligen Ende des Jochabschnitts bzw. des Kernabschnitts nicht angepasste Zylinderform aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Jochabschnitt und der Zwischenabschnitt einstückig aus nicht-magnetischem Material gebildet sind.
Verfahren zum Herstellen eines einen Kern- (14) und einen Jochabschnitt (18) sowie einen dazwischenliegenden, nicht- magnetischen Zwischenabschnitt (16) aufweisenden Magnetgestells für eine elektromagnetische Stellvorrichtung, insbesondere die elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, durch das Herstellen jeweils einer unlösbaren Verbindung zwischen dem Kernabschnitt und dem Zwischenabschnitt als Partner eines ersten Übergangs sowie dem Jochabschnitt und dem Zwischenabschnitt als Partner eines zweiten Übergangs, gekennzeichnet durch die Schritte:
Versetzen eines der Partner des ersten Übergangs und/oder des zweiten Übergangs in eine Drehbewegung mit vorbestimmter Drehzahl,
Anpressen des jeweils anderen der Partner des ersten bzw. des zweiten Übergangs an den drehenden Partner zum Bewirken einer den Zwischenab- schnitt im Anpressbereich plastifizierenden Erwärmung;
Stoppen der Drehbewegung; und
Aneinanderpressen der Partner mit einer vorbestimmten Stauchkraft zum Erzeugen eines Verschweißten Übergangs.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen des ersten Übergangs und des zweiten Übergangs gleichzeitig erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen des ersten Übergangs und des zweiten Übergangs 'sequentiell erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Drehzahl der Drehbewegung auf einen Bereich zwischen 1500 und 2500 min-1 eingestellt wird und/oder das Anpressen mit einem Druck zwischen 50 und
250 N/mm2 erfolgt und/oder die Stauchkraft als Druck auf einen Bereich zwischen
80 und 300 N/mm2 eingestellt wird.
11. Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Stellen eines Hydraulik- oder Pneumatikventils, insbesondere eines Cetop-Ventils .
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