EP2057645B1 - Mit verschiedenen betriebsspannungen betreibbares elektromagnetisches ventil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Mit verschiedenen betriebsspannungen betreibbares elektromagnetisches ventil und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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EP2057645B1
EP2057645B1 EP07801872A EP07801872A EP2057645B1 EP 2057645 B1 EP2057645 B1 EP 2057645B1 EP 07801872 A EP07801872 A EP 07801872A EP 07801872 A EP07801872 A EP 07801872A EP 2057645 B1 EP2057645 B1 EP 2057645B1
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coil
wire
wire windings
electromagnetic valve
windings
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Thomas Feucht
Markus Deeg
Friedbert Röther
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • Y10T29/49405—Valve or choke making
    • Y10T29/49412—Valve or choke making with assembly, disassembly or composite article making

Definitions

  • the invention is based on an electromagnetic valve with at least one coil including at least one bobbin, according to the preamble of claim 1 and a method for their preparation according to claim 4.
  • electromagnetic coils are used to control by means of electromagnetic forces with valve seats cooperating valve body.
  • electromagnetic valves are used, for example, in electronically controlled brake systems (EBS) of commercial vehicles and switch or control depending on their current supply braking or control pressures.
  • EBS electronically controlled brake systems
  • valves are subjected to different operating voltages.
  • an on-board voltage of 12 volts is common, but in Europe this voltage is usually 24 volts.
  • the performance of the 12 volt and 24 volt solenoid valves should be essentially identical.
  • the coils for 12 volt solenoid valves each have a one-piece wire winding with a wire diameter of about 0.3 to 0.5 mm with a relatively high number of turns used to achieve a required electrical and / or magnetic minimum power. As a result, builds such a coil relatively large.
  • the coil for 24 volt solenoid valves uses a coil wire with a smaller wire diameter of approximately 0.2 to 0.3 mm, which makes the 24 volt coils approximately 20% smaller than the 12 volt coils. Do the washing up.
  • the respective receptacles for the different sized coils to otherwise identical identically designed solenoid valves with different dimensions, which increases the manufacturing cost unfavorably.
  • solenoid valves used in electronic regulated brake systems are usually used in so-called.
  • Pressure control modules as inlet-outlet and backup valve combination, which are installed close to the wheel or near the axis, where usually only little space is available. Therefore, there is one Need for as small as possible solenoid valves. The same applies to solenoid valves for other applications, such as solenoid valves in transmission controls.
  • the present invention is based on the object, an electromagnetic valve of the type mentioned in such a way that it can be operated in the smallest possible space without major changes with different operating voltages and still delivers substantially identical performance data such as electrical power and / or magnetic power , In addition, a method for its production must be specified.
  • the invention is based on the idea that the bobbin of the coil of the electromagnetic valve is provided with at least two separate wire windings, two of which are connected in series or parallel to each other. This includes, for example, only two wire windings connected in series or in parallel. In addition, a variety of combinations are conceivable, for example, four wire windings, of which the first and the second wire winding parallel, the second and third wire winding in
  • the number and the winding parameters of the wire windings are chosen such that, depending on the wiring of their wire windings, the wind applied to predetermined different operating voltages supplies substantially identical electrical and magnetic characteristics, such as electrical power and / or magnetic power.
  • a thinner wire than the prior art may be used, in particular with a wire diameter which corresponds to that of the wire winding of a coil of a 24 volt solenoid valve.
  • the remaining components of a 12 volt solenoid valve and the 24 volt solenoid valve as possible not differ from each other and the switching characteristics should be identical in both cases as possible, are approximately identical electrical variables such as the electrical power and magnetic power of the coils in the 12 volt solenoid valve and in the 24 volt solenoid valve desirable.
  • magnet valve types for different operating voltages can be implemented by inserting an otherwise standardized coil into a likewise standardized solenoid valve, merely by correspondingly connecting the two wire windings to the respectively required operating voltage. This saves expensive production and storage of different coils and solenoid valves.
  • the reference numeral 1 shows a coil of an electromagnetic valve, not shown otherwise, as used for example in a pressure control module of an electronically controlled braking device (EBS) of a commercial vehicle.
  • the coil is for example provided for a 12 volt solenoid valve, ie its operating voltage is 12 volts, because the electrical system of the commercial vehicle is designed for this voltage.
  • the coil includes, for example, two, preferably in terms of winding parameters such as number of turns, wire diameter, wire cross-section (round, square) and wire material identical but separate wire windings 2, 4 of conventional copper wire, which are wound on a preferably one-piece, not shown here bobbin.
  • the bobbin could also be multi-part, or each wire winding 2, 4 is associated with its own bobbin.
  • the ends 6 of the wire windings 2, 4 are led out of these so that the two wire windings 2, 4 can be connected either in series or in parallel to each other.
  • the diameter of the coil wire is, for example, 0.2 mm to 0.3 mm.
  • the two wire windings 2, 4 parallel to each other interconnected for example, characterized in that the led out of the wire windings 2, 4 ends 6 are connected to each other on a circuit board accordingly.
  • the coil 1 under different operating voltages, here for example 12 volts and 24 volts, in parallel connection and in series of their two wire windings 2, 4 substantially identical electrical parameters such as electrical power and / or magnetic power and thus forms a standardized unit Used in solenoid valves with 12 Volt and 24 Volt operating voltage.
  • the coil recordings of a 12 volt solenoid valve or a 24 volt solenoid valve, which are usually each formed by a coil bore in the valve housing have identical dimensions.
  • such a 12 volt or 24 volt solenoid valve in turn forms a standardized unit, as apart from the interconnection of the wire windings 2, 4 of the coil 1, the remaining components of the 12-volt solenoid valve and the 24-volt solenoid valve not from each other differ.
  • the invention is not limited to the embodiment with two separate wire windings 2, 4 on the bobbin. Rather, more than two separate wire windings may be provided depending on the respective predetermined operating voltages, which may also have different winding parameters such as number of turns, wire diameter, etc. The number and interconnection of the individual wire windings and their winding parameters are adjusted by the skilled person depending on the required electrical and magnetic performance and in particular of the specified operating voltages on a case by case basis.
  • the wire windings are wound on the bobbin 10 one above the other, as seen from Figure 3 evident.
  • a first wire winding 2 is wound on the one coil core 8 enclosing bobbin 10 as the innermost layer, a first wire winding 2.
  • This first wire winding 2 is in turn wrapped by a second wire winding 4 and the latter in turn by a third wire winding 12th

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetischen Ventil mit wenigstens einer Spule beinhaltend wenigstens einen Spulenkörper, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß Anspruch 4.
  • In elektromagnetischen Ventilen werden elektromagnetische Spulen eingesetzt, um mittels elektromagnetischer Kräfte mit Ventilsitzen zusammenwirkende Ventilkörper zu steuern. Solche elektromagnetischen Ventile finden beispielsweise in elektronisch geregelten Bremssystemen (EBS) von Nutzfahrzeugen Anwendung und schalten oder steuern abhängig von ihrer Bestromung Brems- oder Steuerdrücke.
  • Je nach dem Einsatzumfeld werden diese Ventile mit unterschiedlichen Betriebsspannungen beaufschlagt. Bei in den USA verwendeten Nutzfahrzeugen ist eine Bordspannung von 12 Volt üblich, in Europa beträgt diese Spannung in der Regel aber 24 Volt. Mit Ausnahme der unterschiedlichen Betriebsspannungen sollen die Leistungsdaten der 12 Volt- und 24 Volt-Magnetventile aber im wesentlichen identisch sein.
  • Bisher wird bei den Spulen für 12 Volt-Magnetventile jeweils eine einstückige Drahtwicklung mit einem Drahtdurchmesser von ca. 0,3 bis 0,5 mm mit einer relativ hohen Anzahl von Windungen verwendet, um eine geforderte elektrische und/oder magnetische Mindestleistung zu erreichen. Dadurch baut eine solche Spule relativ groß. Zum Erzielen annährend identischer Leistungswerte wird bei den Spulen für 24 Volt-Magnetventile demgegenüber ein Spulendraht mit kleinerem Drahtdurchmesser von ca. 0,2 bis 0,3 mm eingesetzt, wodurch die 24 Volt-Spulen ca. 20% kleiner bauen als die 12 Volt-Spulen. Dadurch bedingt sind die jeweiligen Aufnahmen für die unterschiedlich großen Spulen an ansonsten identisch aufgebauten Magnetventilen mit unterschiedlichen Maßen auszuführen, was den Fertigungsaufwand unvorteilhaft erhöht.
  • Weiterhin werden solche, in elektronischen geregelten Bremssystemen (EBS) verwendeten Magnetventile in der Regel in sog. Druckregelmoduln als Einlass-Auslass- und Backupventilkombination eingesetzt, welche rad- bzw. achsnah verbaut sind, wo üblicherweise nur wenig Bauraum zur Verfügung steht. Deshalb besteht ein Bedürfnis nach möglichst klein bauenden Magnetventilen. Dasselbe gilt auch für Magnetventile für andere Anwendungen, beispielsweise für Magnetventile in Getriebesteuerungen.
  • Aus der gattungsbildenden DE 197 41 570 A1 sind Magnetspulen bekannt, welche während des Betriebs in einer elektromagnetischen Stelleinrichtung abhängig vom Drehzahlbereich und Betriebsmodus (Schalten oder Halten der Magnete) einzeln, parallel oder in Reihe geschaltet angesteuert, jeweils mit anderem Spannungsniveau. Damit ergeben sich allerdings unterschiedliche elektrische Leistungen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisches Ventil der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, dass es bei möglichst kleinem Bauraum ohne größere Veränderungen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen betrieben werden kann und dabei trotzdem im wesentlichen identische Leistungsdaten wie elektrische Leistung und/oder magnetische Leistung liefert. Darüber hinaus ist ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 und Anspruch 4 gelöst.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Spulenkörper der Spule des elektromagnetischen Ventils mit wenigstens zwei separaten Drahtwicklungen versehen wird, von welchen jeweils zwei in Reihe oder parallel zueinander verschaltet sind. Dies beinhaltet beispielsweise nur zwei Drahtwicklungen, die in Reihe oder parallel verschaltet sind. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Kombinationen denkbar, beispielsweise vier Drahtwicklungen, von welchen die erste und die zweite Drahtwicklung parallel, die zweite und dritte Drahtwicklung in
  • Reihe und die dritte und vierte Drahtwicklung wieder parallel zueinander verschaltet sind.
  • Insbesondere werden die Anzahl und die Wicklungsparameter der Drahtwicklungen wie Drahtdurchmesser und/oder Windungszahl derart gewählt, dass abhängig von der Verschaltung ihrer Drahtwicklungen die mit vorbestimmten unterschiedlichen Betriebsspannungen beaufschlagte Spule im wesentlichen identische elektrische und magnetische Kenngrößen wie elektrische Leistung und/oder magnetische Leistung liefert.
  • Beispielsweise kann für die Drahtwicklung einer Spule für ein 12 Volt-Magnetventil ein gegenüber dem Stand der Technik dünnerer Draht verwendet werden, insbesondere mit einem Drahtdurchmesser, welcher demjenigen der Drahtwicklung einer Spule eines 24 Volt-Magnetventils entspricht. Bei zusätzlich gleicher Windungszahl der Drahtwicklung wie bei der Spule des 24 Volt-Magnetventils ergibt sich dann, Spulenkörper gleicher Größe vorausgesetzt, eine Spule für ein 12 Volt-Magnetventil, welche die gleiche Größe hat wie die Spule für ein 24 Volt-Magnetventil, so dass die Spulenaufnahmen und insbesondere die Spulenbohrungen in den Ventilgehäusen der elektromagnetischen Ventile mit identischen geometrischen Maßen ausgebildet werden können.
  • Da sich von der Spule abgesehen die restlichen Bauteile eines 12 Volt-Magnetventils und im 24 Volt-Magnetventils möglichst nicht voneinander unterscheiden und die Schaltcharakteristiken in beiden Fällen möglichst identisch sein sollen, sind annährend identische elektrische Größen wie beispielsweise die elektrische Leistung und magnetische Leistung der Spulen im 12 Volt-Magnetventil und im 24 Volt-Magnetventil wünschenswert.
  • Dies wird gemäß der Erfindung dadurch realisiert, dass für eine Ausführung beispielsweise als 12 Volt-Magnetventil die ursprünglich einstückige Drahtwicklung mit dickem Draht in zwei gleich große separate Drahtwicklungen getrennt wird, welche parallel zueinander geschaltet werden. Hingegen werden die beiden Drahtwicklungen für die Spule des 24 Volt-Magnetventils in Reihe geschaltet. Der einzige Unterschied zwischen einer Spule für ein 12 Volt-Magnetventil und einer Spule für ein 24 Volt-Magnetventil besteht folglich lediglich in der jeweiligen Verschaltung der beiden Drahtwicklungen, was fertigungstechnisch eine äußerst einfache Maßnahme darstellt. Der restliche Aufbau der Spulen wie beispielsweise die Windungszahl, der Drahtdurchmesser oder der Spulenkörper ist ansonsten identisch, was auch die gleiche Baugröße der Spulen untereinander bedingt.
  • Ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen elektromagnetischen Ventils beinhaltet wenigstens folgende Schritte:
    1. a) Versehen wenigstens eines Spulenkörpers mit wenigstens zwei separaten Drahtwicklungen,
    2. b) Verschalten von jeweils zwei Drahtwicklungen in Reihe oder parallel zueinander abhängig von der Betriebsspannung,
    3. c) Versehen des elektromagnetischen Ventils mit der entsprechend verschalteten Spule.
  • Folglich können mit Hilfe der Erfindung durch Einsetzen einer lediglich durch entsprechendes Verschalten der beiden Drahtwicklungen an die jeweils geforderte Betriebsspannung angepasste und ansonsten standardisierte Spule in ein ebenfalls standardisiertes Magnetventil Magnetventiltypen für unterschiedliche Betriebsspannungen, aber gleicher Leistungsdaten realisiert werden. Dies erspart eine teure Fertigung und Lagerhaltung unterschiedlicher Spulen und Magnetventile.
  • Bei gleichem Bauraum für die Spule ergibt sich eine höhere elektrische Leistung oder bei gleicher Leistung der Spule ein kleinerer Bauraum gegenüber dem Stand der Technik. Dies spart insbesondere Kupferdraht, wodurch die Herstellkosten der Magnetventile gesenkt werden.
  • Die Erfindung wird anhand des im folgenden ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiels besonders deutlich.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
    • Fig.1
    eine schematische Schaltplandarstellung einer Spule für ein 12 Volt- Magnetventil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig.2
    eine schematische Schaltplandarstellung der Spule von Fig.1 in der Ausführung für ein 24 Volt-Magnetventil,
    Fig.3
    eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Spule für ein Magnetventil gemäß der Erfindung.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In Fig.1 ist mit der Bezugszahl 1 eine Spule eines ansonsten nicht gezeigten elektromagnetischen Ventils gezeigt, wie es beispielsweise in einem Druckregelmodul einer elektronisch geregelten Bremsvorrichtung (EBS) eines Nutzfahrzeugs verwendet wird. Die Spule sei beispielsweise für ein 12 Volt-Magnetventil vorgesehen, d.h. ihre Betriebsspannung beträgt 12 Volt, weil das Bordnetz des Nutzfahrzeugs für diese Spannung ausgelegt ist.
  • Die Spule beinhaltet beispielsweise zwei, vorzugsweise hinsichtlich der Wicklungsparameter wie Windungszahl, Drahtdurchmesser, Drahtquerschnitt (rund, eckig) und Drahtmaterial identische, aber separate Drahtwicklungen 2, 4 aus üblichem Kupferdraht, welche auf einem vorzugsweise einstückigen, hier nicht gezeigten Spulenkörper aufgewickelt sind. Alternativ könnte der Spulenkörper auch mehrteilig sein, oder jede Drahtwicklung 2, 4 ist einem eigenen Spulenkörper zugeordnet.
  • Die Enden 6 der Drahtwicklungen 2, 4 sind aus diesen derart herausgeführt, dass die beiden Drahtwicklungen 2, 4 entweder in Reihe oder parallel zueinander verschaltet werden können. Der Durchmesser des Spulendrahts beträgt beispielsweise 0,2 mm bis 0,3 mm. Im vorliegenden Fall einer 12 Volt Betriebsspannung werden die beiden Drahtwicklungen 2, 4 parallel zueinander verschaltet, beispielsweise dadurch, dass die aus den Drahtwicklungen 2, 4 herausgeführten Enden 6 auf einer Leiterplatte miteinander entsprechend verbunden werden.
  • Jede der beiden Drahtwicklungen 2, 4 weist beispielsweise einen Widerstand von 4 Ohm und eine Windungszahl von 100 auf, so dass für den Gesamtwiderstand Rges der Parallelschaltung gemäß Fig.1 gilt: 1 Rges = 1 R ⁢ 1 + 1 R ⁢ 2 = 1 4 + 1 4 = 2 4 ; ⇒ Rges = 2 ⁢ Ohm
    Figure imgb0001
  • Dann gilt für die elektrische Leistung der Spule 1: P elektr = U 2 R ges = 12 2 2 = 72 ⁢ W / t
    Figure imgb0002
    bzw. für die magnetische Leistung : P magn = U R * N = 12 ⁢ V 4 ⁢ Ohm * 2 * 100 = 600 ⁢ V Ohm
    Figure imgb0003
  • Soll die gleiche Spule 1 für eine Betriebsspannung von 24 Volt eingesetzt werden und die Leistungsdaten identisch sein, werden die Enden 6 der Drahtwicklungen 2, 4 derart auf der Leiterplatte miteinander verbunden, dass die beiden Drahtwicklungen 2, 4 in Reihe verschaltet sind, wie in Fig.2 gezeigt ist. Dann gilt für den Gesamtwiderstand Rges : R ges = R 1 + R 2 = 4 + 4 = 8 ⁢ Ohm
    Figure imgb0004
  • Dann gilt für die elektrische Leistung der Spule 1: P elektr = U 2 R ges = 24 2 8 = 72 ⁢ W / t
    Figure imgb0005
    bzw. für die magnetische Leistung : P magn = U R * N = 24 ⁢ V 8 ⁢ Ohm * 200 = 600 ⁢ V Ohm
    Figure imgb0006
  • Infolgedessen weist die Spule 1 unter unterschiedlichen Betriebsspannungen, hier beispielsweise 12 Volt und 24 Volt, in paralleler Verschaltung und in Reihenschaltung ihrer beiden Drahtwicklungen 2, 4 im wesentlichen identische elektrische Kenngrößen wie elektrische Leistung und/oder magnetische Leistung auf und bildet somit eine standardisierte Baueinheit zur Verwendung in Magnetventilen mit 12 Volt und mit 24 Volt Betriebsspannung. Dann können auch die Spulenaufnahmen eines 12 Volt-Magnetventils bzw. eines 24 Volt-Magnetventils, welche in der Regel jeweils durch eine Spulenbohrung im Ventilgehäuse gebildet werden, identische Maße aufweisen. Dadurch bildet ein solches 12 Volt- bzw. 24 Volt-Magnetventil wiederum eine standardisierte Baueinheit, da sich von der Verschaltung der Drahtwicklungen 2, 4 der Spule 1 abgesehen die restlichen Bauteile des 12-Volt-Magnetventils und des 24-Volt-Magnetventils nicht voneinander unterscheiden.
  • Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel mit zwei separaten Drahtwicklungen 2, 4 auf dem Spulenkörper beschränkt. Vielmehr können abhängig von den jeweils vorgegebenen Betriebsspannungen mehr als zwei separate Drahtwicklungen vorgesehen sein, welche auch unterschiedliche Wicklungsparameter wie Windungszahl, Drahtdurchmesser etc. aufweisen können. Die Anzahl und Verschaltung der einzelnen Drahtwicklungen sowie deren Wicklungsparameter werden vom Fachmann abhängig von dem geforderten elektrischen und magnetischen Leistungsverhalten und insbesondere von den vorgegebenen Betriebsspannungen fallweise angepasst.
  • Besonders bevorzugt sind die Drahtwicklungen auf dem Spulenkörper 10 übereinander gewickelt, wie aus Fig.3 hervorgeht. Dort ist auf dem einen Spulenkern 8 umschließenden Spulenkörper 10 als innerste Lage eine erste Drahtwicklung 2 aufgewickelt. Diese erste Drahtwicklung 2 ist wiederum von einer zweiten Drahtwicklung 4 umwickelt und Letztere wiederum von einer dritten Drahtwicklung 12.

Claims (4)

  1. Elektromagnetisches Ventil mit wenigstens einer Spule (1) beinhaltend wenigstens einen Spulenkörper (10), wobei der Spulenkörper (10) mit wenigstens zwei separaten Drahtwicklungen (2, 4, 12) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass von den wenigstens zwei separaten Drahtwicklungen (2, 4, 12) jeweils zwei in Reihe oder parallel zueinander verschaltet sind, wobei die Anzahl und Wicklungsparameter der Drahtwicklungen (2, 4, 12) wie Drahtdurchmesser, Windungszahl, Drahtquerschnitt derart gewählt sind, dass abhängig von der Verschaltung ihrer Drahtwicklungen (2, 4, 12) in Reihe oder parallel die mit vorbestimmten unterschiedlichen Betriebsspannungen beaufschlagte Spule (1) im wesentlichen identische elektrische und magnetische Kenngrößen wie elektrische Leistung und/oder magnetische Leistung liefert.
  2. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Drahtwicklungen (2, 4) die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen.
  3. Elektromagnetisches Ventil nach wenigstens einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Drahtwicklungen (2, 4) aus einem Draht gleichen Durchmessers und Querschnitts gefertigt sind.
  4. Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Ventils beinhaltend wenigstens eine elektromagnetischen Spule (1), gekennzeichnet durch wenigstens folgende Schritte:
    a) Versehen wenigstens eines Spulenkörpers (10) der Spule (1) mit wenigstens zwei separaten Drahtwicklungen (2, 4, 12),
    b) Verschalten von jeweils zwei Drahtwicklungen (2, 4, 12) in Reihe oder parallel zueinander,
    c) Versehen des elektromagnetischen Ventils mit der entsprechend verschalteten Spule (1),
    d) Wählen der Anzahl und von Wicklungsparametem der Drahtwicklungen (2, 4, 12) wie Drahtdurchmesser, Windungszahl, Drahtquerschnitt derart, dass abhängig von der Verschaltung ihrer Drahtwicklungen (2, 4, 12) in Reihe oder parallel die mit vorbestimmten unterschiedlichen Betriebsspannungen beaufschlagte Spule (1) im wesentlichen identische elektrische und magnetische Kenngrößen wie elektrische Leistung und/oder magnetische Leistung liefert.
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