DE10019412A1 - Vorrichtung mit zumindest einem Elektromagneten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit zumindest einem Elektromagneten, der zumindest eine Spule und zumindest einen aus Blechen aufgebauten Kern aufweist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß zumindest einzelne Bleche über zumindest ein Profilelement verbunden und versteift sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit zumindest einem Elektromagneten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um möglichst starke elektromagnetische Felder zu erzeugen, werden in der Regel Elektromagnete mit einer Spule und einem ferromagnetischen Kern verwendet. Der Kern befindet sich in der Spule und/oder umgibt diese. Wird ein Strom durch die Spu­ le geleitet, baut sich um die Spule ein Magnetfeld mit der Feldstärke H auf, und zwar gemäß dem Durchflutungsgesetz. Un­ ter der Kraftwirkung des Magnetfelds orientieren sich die im Kernmaterial vorhandenen magnetischen Dipole in Feldrichtung, auch als Diffusion bezeichnet, und erhöhen die magnetische Flußdichte bzw. Induktion im Vergleich zu einer Luftspule von B₀ auf B. Das resultierende Magnetfeld ist damit von der Feld­ stärke H und der Flußdichte B abhängig. In der Spule wirkt ei­ ne Selbstinduktion, so daß der Strom und die davon abhängige Feldstärke H verzögert ansteigt. Ferner wird der Aufbau des Magnetfelds durch entstehende Wirbelströme im Kernmaterial verzögert, die die Diffusion des Magnetfelds im Kern behindern und zu Verlusten führen.

Um eine kurze Ansprechzeit bei einem Elektromagnet zu errei­ chen, sollte das elektromagnetische Feld schnell aufgebaut und auch wieder abgebaut werden und trotz geringen Abmessungen des Elektromagneten eine große Endkraft erreichen, insbesondere bei sehr dynamischen Systemen, wie bei Aktuatoren zur Betäti­ gung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen.

Um Wirbelströme zu vermeiden ist bekannt, Eisenkerne aus ge­ geneinander isolierten, dünnen Blechen aufzubauen, deren Be­ rührungsflächen quer zu auftretenden elektrischen Feldlinien ausgerichtet sind, d. h. senkrecht zur Wicklung der Spule (vgl. H. Linse, Elektrotechnik für Maschinenbauer, 8., überarbeitete Auflage, Teubner 1987, S. 66 ff). In den Blechen treten vor­ teilhaft nur kleine Spannungen und damit kleine Wirbelströme auf. Die Bleche werden entweder verschweißt oder miteinander verkrimpt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit geblechten Eisenkernen weiterzuentwickeln und insbesondere de­ ren Wirkungsgrad zu verbessern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit zumindest ei­ nem Elektromagneten, der zumindest eine Spule und zumindest einen aus Blechen aufgebauten Kern aufweist.

Es wird vorgeschlagen, daß zumindest einzelne Bleche über zu­ mindest ein Profilelement verbunden und versteift sind. Trotz des Aufbaus des Kerns aus einzelnen Blechen kann eine hohe Steifigkeit erreicht und ungewünschte Verformungen des ge­ blechten Kerns sowie ein damit verbundener Luftspalt zwischen einem Anker und einer Polfläche des Kerns können weitgehend vermieden und der Wirkungsgrad kann gesteigert werden.

Um gezielt eine hohe Torsionssteifigkeit und/oder Biegestei­ figkeit zu erreichen, kann das Profilelement verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Profile aufweisen, wie bei­ spielsweise ein T-Profil, ein U-Profil mit Einbuchtungen, Sic­ ken usw. Eine besonders hohe Torsionssteifigkeit kann jedoch mit einem Hohlprofil erreicht werden, insbesondere mit einem sogenannten "D-Box-Profil", das eine D-förmige Querschnitts­ fläche aufweist. Um neben einer hohen Torsionssteifigkeit eine hohe Biegesteifigkeit zu erreichen, kann das Hohlprofil ferner mit weiteren Profilen kombiniert sein, beispielsweise mit ei­ nem U-Profil usw.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschla­ gen, daß das Profilelement einen Kanal zumindest teilweise be­ grenzt, und zwar besonders vorteilhaft einen Kühlkanal. Grund­ sätzlich können vom Profilelement jedoch auch andere Kanäle begrenzt sein, wie beispielsweise Kabelkanäle usw. Zusätzliche Bauteile, Bauraum, Gewicht und Montageaufwand können einge­ spart werden. Ein Kühlmittel kann vorteilhaft direkt an den Blechen des Kerns oder an einer Spule vorbeigeführt werden, wodurch eine besonders gute Wärmeabfuhr erreicht werden kann. Ferner kann der Kanal in einem Hohlprofil des Profilelements eingebracht sein, wodurch ein direkter Kontakt zwischen dem Kühlmittel und dem Kern vermieden werden kann. Ein geschlosse­ nes Kühlsystem kann einfach erreicht und es kann vermieden werden, daß der Kern von seinem Material auf das Kühlmittel oder umgekehrt ausgelegt werden muß.

Ferner wird vorgeschlagen, daß der Kern über das Profilelement auf zumindest einer Lagerfläche abgestützt ist. Lagerkräfte können vorteilhaft über das Profilelement aufgenommen und zu­ sätzliche Bauteile können eingespart werden. Um Spiel ausglei­ chen zu können und eine vorteilhafte Anlage eines Ankers an einer Polfläche des Kerns zu ermöglichen, ist der Kern vor­ teilhaft über das Profilelement auf einer Lagerfläche beweglich geführt, und zwar besitzt das Profilelement insbesondere vorteilhaft zumindest eine runde Außenkontur, über die der Kern schwenkbar gelagert ist. Ein Luftspalt zwischen dem Anker und der Polfläche kann durch eine Schwenkbewegung des Kerns ausgeglichen und der Wirkungsgrad kann gesteigert werden.

Das Profilelement kann über verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende stoffschlüssige, formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindungen mit den Blechen verbunden sein, wie beispielsweise über eine Schweißverbindung, über eine Schraubverbindung, über eine Klemm- und/oder Rastverbindung usw. Besonders vorteilhaft ist das Profilelement jedoch kraft- und/oder formschlüssig mit den Blechen verbunden, wodurch eine Ausbreitung von Wirbelströmen über das Profilelement einfach weitgehend vermieden werden kann. Das Profilelement kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein, wie beispielsweise aus Stahl oder einem Faserverbundwerkstoff usw.

Ferner wird vorgeschlagen, daß das Profilelement mit zumindest einem Trägerteil stoffschlüssig verbunden ist, wodurch die Steifigkeit des Kerns weiter erhöht werden kann. Der Stoff­ schluß kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden, bei­ spielsweise stirnseitig über eine Klebe-, Löt- und/oder Schweißverbindung. Besonders vorteilhaft sind jedoch das Pro­ filelement und das Trägerteil überlappend ausgeführt und in einer Kehlnaht verschweißt. Die Kehlnaht kann mit einem großen Nahtvolumen ausgeführt und es kann eine kleine Materialbela­ stung und eine besonders feste Verbindung erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Lösung kann bei verschiedenen, dem Fach­ mann als sinnvoll erscheinenden Vorrichtungen mit Elektroma­ gneten angewendet werden, jedoch besonders vorteilhaft bei Elektromagneten, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind und an die hohe Ansprüche an Steifigkeit gestellt werden, wie insbesondere bei elektromagnetischen Aktuatoren zur Betä­ tigung von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Schnitt durch einen Ak­ tuators von oben,

Fig. 2 den Aktuator aus Fig. 1 in einer Seitenansicht und

Fig. 3 einen Ausschnitt einer Variante nach Fig. 1 mit Profil­ elementen, die ein Hohlprofil aufweisen.

Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Elektromagneten 22 zur Betätigung eines nicht näher darge­ stellten Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine. Der Elek­ tromagnet 22 wirkt auf einen Drehanker 23, der in einem Lager 24 schwenkbar gelagert ist.

Der Elektromagnet 22 besitzt eine Spule 32 und einen aus ge­ geneinander isolierten, dünnen Blechen 10 aufgebauten Kern 19, deren Berührungsflächen quer zu auftretenden elektrischen Feldlinien ausgerichtet sind (Fig. 2). Die Bleche 10 sind er­ findungsgemäß über zwei Profilelemente 11, 12 verbunden und versteift. Die Profilelemente 11, 12 greifen formschlüssig in Ausnehmungen 29, 30, 31 der Bleche 10 und sind mit diesen, zu­ sätzlich zu einem Formschluß kraftschlüssig mit den Blechen 10 verspannt (Fig. 1).

Die Profilelemente 11, 12 besitzen jeweils ein U-Profil mit einem Bodenteil und zwei Schenkeln. Das Bodenteil ist jeweils nach außen gewölbt ausgeführt und besitzt dadurch eine runde Außenkontur, über die der Kern 19 auf Lagerflächen 20, 21 in einer Trägervorrichtung 27 schwenkbar gelagert ist. Ein Luftspalt zwischen dem Drehanker 23 und Polflächen des Elek­ tromagneten 22 kann durch eine Schwenkbewegung 25, 26 ausge­ glichen werden.

Anstatt den Kern 19 stets schwenkbar auszuführen, kann dieser auch vor einer ersten Inbetriebnahme auf den Drehanker 23 ein­ gestellt bzw. in eine vorteilhafte Stellung geschwenkt und an­ schließend mit Trägerplatten 36, 37 verschweißt werden, wie dies bei einer Variante in Fig. 2 dargestellt ist. Im wesent­ lichen gleichbleibende Bauteile sind in den dargestellten Aus­ führungsbeispielen grundsätzlich mit den gleichen Bezugszei­ chen beziffert. Die Trägerplatten 36, 37 und das Profilelement 12 sind im fertig montierten Zustand überlappend ausgeführt und sind jeweils mit einer kurvenförmigen Kehlnaht 38, 39 mit­ einander verschweißt. Um die Steifigkeit weiter zu erhöhen, sind ferner auf einer vom Kern abgewandten Seite der Profile­ lemente 12 Einbuchtungen 28 eingebracht.

Die Profilelemente 11, 12 begrenzen jeweils nach außen einen Kühlkanal 15, 16, wobei ein Kühlkanal 15 nach innen durch die Bleche 10 und ein Kühlkanal 16 nach innen durch die Spule 32 begrenzt ist.

In Fig. 3 ist eine Alternative zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und 2 dargestellt. Bezüglich gleichbleibender Merkmale und Funktionen kann auf die Beschreibung zu den Ausführungsbei­ spielen in Fig. 1 und 2 verwiesen werden.

Die Bleche 10 des Kerns 19 sind über zwei Profilelemente 13, 14 verbunden und versteift, die in Ausnehmungen 33, 34, 35 der Bleche 10 formschlüssig eingreifen und neben einer formschlüs­ sigen Verbindung mit den Blechen 10 kraftschlüssig verspannt sind. Beide Profilelemente 13, 14 besitzen jeweils ein Hohl­ profil mit einer D-förmigen Querschnittsfläche, eine sogenann­ te "D-Box", in denen Kühlkanäle 17, 18 geführt sind. Grund­ sätzlich sind jedoch auch andere Profilformen denkbar. Durch die D-förmige Querschnittsfläche entsteht eine runde Außenkon­ tur, über die der Kern 19 vorteilhaft schwenkbar gelagert wer­ den kann. Ferner wird eine hohe Torsionssteifigkeit erreicht. Das zur Spule 32 abschließende Profilelement 13 besitzt zu­ sätzlich ein U-Profil, mit dem dieses um die Spule 32 greift. Durch das U-Profil kann zu einer hohen Torsionssteifigkeit ei­ ne hohe Biegesteifigkeit erreicht werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung mit zumindest einem Elektromagneten, der zumin­ dest eine Spule und zumindest einen aus Blechen aufgebauten Kern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne Bleche (10) über zumindest ein Profil­ element (11, 12, 13, 14) verbunden und versteift sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (13, 14) ein Hohlprofil aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (11, 12, 13, 14) einen Kanal (15, 16, 17, 18) zumindest teilweise begrenzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal (15, 16, 17, 18) ein Kühlmittel geführt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (19) über das Profilelement (11, 12, 13, 14) auf zumindest einer Lagerfläche (20, 21) abgestützt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (19) über das Profilelement (11, 12, 13, 14) auf der Lagerfläche (20, 21) beweglich geführt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (11, 12, 13, 14) zumindest teilweise ei­ ne runde Außenkontur aufweist, über die der Kern (19) schwenk­ bar gelagert ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (11, 12, 13, 14) mit den Blechen (10) kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (11, 12) mit zumindest einem Trägerteil (36, 37) stoffschlüssig verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilelement (11, 12) und das Trägerteil (36, 37) überlappend ausgeführt und in einer Kehlnaht (38, 39) ver­ schweißt sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über den Elektromagneten (22) ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine betätigbar ist.