DE10121492A1 - Anker für einen elektromagnetischen Aktuator mit gesinterter Ankerplatte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Anker für einen elektromagnetischen Aktuator, mit einem Führungsbolzen, der mit einer Ankerplatte verbunden ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ankerplatte (3) gebildet wird durch ein mit dem Führungsbolzen (2) verbundenen Rahmenelement (4) aus weichmagnetischem Eisen und wenigstens ein im Rahmenelement (4) gehaltenes Plattenelement (5) aus einem weichmagnetischen Material.

Description

Ein elektromagnetischer Aktuator wird für eine Reihe von Ein­ satzfällen durch wenigstens einen bestrombaren Elektromagne­ ten gebildet, dessen Polfläche mit Abstand ein Anker zugeord­ net ist, der über eine Rückstellfeder in einer ersten Schalt­ stellung gehalten wird und bei Bestromung des Elektromagneten gegen die Kraft der Rückstellfeder an der Polfläche des Elek­ tromagneten zur Anlage gebracht wird. Beim Stromlossetzen des Elektromagneten wird der Anker wieder in die erste Schalt­ stellung durch die Rückstellkraft der Rückstellfeder zurück­ bewegt. Mit dem Anker ist das zu betätigende Stellelement verbunden, so daß der Anker gleichzeitig einen Teil des Stel­ lelementes bildet.

Darüber hinaus sind elektromagnetische Aktuatoren bekannt, die zwei mit ihren Polflächen gegeneinander gerichtete und mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagneten aufweisen, zwischen denen der mit dem Stellelement verbundene Anker ge­ gen die Kraft von Rückstellfedern bei entsprechender Bestrom­ ung der Elektromagneten hin und her bewegt wird. Derartige Aktuatoren werden beispielsweise zur Betätigung von Gaswech­ selventilen an Kolbenbrennkraftmaschinen eingesetzt. Hierbei wird über den Anker das Gaswechselventil in der ersten Schaltstellung durch den einen der beiden Elektromagneten in Schließstellung und nach Abschalten des Haltestroms und Ein­ schalten des Fangstroms beim anderen Elektromagneten das Gas­ wechselventil in Öffnungsstellung gehalten. Das bedeutet, daß ein Gaswechselventil beispielsweise bei einer Viertakt- Kolbenbrennkraftmaschine abhängig von der Kurbelwellendreh­ zahl mit einer sehr hohen Schalthäufigkeit betätigt wird. Da trotz der hohen Schaltfrequenzen die sehr kurzen Schaltzeiten sehr genau eingehalten werden müssen, ist es von entscheiden­ der Bedeutung, daß der Anker wirbelstromarm ausgebildet ist, damit er sich beispielsweise beim Abschalten des Haltestroms sehr schnell von der Polfläche lösen kann.

Da die Ankerplatte einerseits weichmagnetische Eigenschaften aufweisen muß, andererseits die Ankerplatte mit einem Füh­ rungsbolzen verbunden ist, der verschleißarm sein muß und dementsprechend bevorzugt aus einem vergütbaren Stahlmaterial hergestellt sein sollte, ist es nicht möglich, den Anker, d. h. Ankerplatte und Führungsbolzen aus nur einem Material herzustellen, wenn optimale Ergebnisse gefordert werden. Dem­ entsprechend ist bereits vorgeschlagen worden, mit einem Füh­ rungsbolzen aus Stahl eine aus einer Vielzahl von Blechen zu­ sammengesetzte Ankerplatte zu verbinden, um so die von ge­ blechten Jochkörpern von Transformatoren oder auch von Elek­ tromagneten bekannte geringe Wirbelstrombildung bei derartig geblechten Jochköpern auszunutzen. Ein Problem stellt hierbei die hohe mechanische Beanspruchung der Ankerplatte dar, die sich jeweils beim Auftreffen auf die Polfläche eines Elektro­ magneten ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wirbelstro­ marmen Anker zu schaffen, der sowohl den mechanischen als auch den elektrischen Anforderungen genügt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Anker mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Das Rahmenelement ermöglicht zum einen eine sichere Verbindung mit dem Füh­ rungsbolzen und bewirkt in Verbindung mit dem eingesetzten, Plattenelement eine hohe strukturdynamische Belastbarkeit des Ankers mit hoher Dauerfestigkeit.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Plat­ tenelement aus einem weichmagnetisches Material enthaltenden gesinterten metallurgischen Pulver.

Zweckmäßig wird ein sinterbares Pulver verwendet, bei dem Partikel aus weichmagnetischem Material trotz der Sinterung weitgehend gegeneinander elektrisch isoliert sind. Dies kann durch Beimischung von sinterbaren, elektrisch nicht-leitenden Pulveranteilen, bevorzugt aber durch Pulver bewirkt werden, bei denen die ferromagnetischen bzw. weichmagentischen und/oder elektrisch leifähigen Pulverpartikel mit einer sin­ terbaren "Umhüllung" aus elektrisch nicht-leitenden Materia­ lien versehen sind. Somit wird in der fertig gesinterten An­ kerplatte die Entstehung von Wirbelströmen im Vergleich zu einem weichmagnetischen Vollmetall vermindert. Damit ist es möglich, einerseits eine massive Ankerplatte herzustellen, die andererseits durch eine entsprechende Zusammensetzung des sinterbaren Sinterpulvers nur eine geringe Neigung zur Aus­ bildung von Wirbelströmen beim Ummagnetisieren aufweist.

In einer zweiten Ausgestaltung besteht das Plattenelement aus stanzpaketierten nebeneinanderliegenden Blechstreifen, die zweckmäßig aus dünnem Trafoblech hergestellt sind.

Der erfindungsgemäße Anker mit gesintertem Plattenelement bietet noch einen herstellungstechnischen Vorteil. Das Roh­ teil, d. h. der Führungsbolzen mit dem Rahmenelement und dem fertig eingesinterten Plattenelement wird von der Sintertem­ peratur rasch bis in den Bereich der Raumtemperatur abgekühlt und danach wenigstens einmal auf die Vergütungstemperatur des Stahlwerkstoffs des Führungsbolzens erhitzt, über eine vor­ gebbare Zeit auf dieser Temperatur gehalten und dann voll­ ständig abgekühlt wird. Bei dieser Verfahrensweise wird mit Vorteil ausgenutzt, daß die Sintertemperatur für die hier in Frage kommenden Sinterpulver erheblich über der Härte und An­ laßtemperatur für einen vergütbaren Werkstoff liegt, so daß nach Abschluß des Sintervorgangs die weitere Wärmebehandlung praktisch in einer Hitze durchgeführt werden kann. Ohne Be­ einträchtigung auf das Gefüge der gesinterten Ankerplatte kann bei dem anschließenden Vergüten die Temperaturführung bei der Erhitzung so vorgenommen werden, daß hierbei auch die Gefügeumwandlungen in dem vergütbaren Stahlwerkstoff Rück­ sicht genommen wird. So kann es je nach der Art des vergütbaren Stahlwerkstoffes zweckmäßig sein, stufenweise zu erhitzen und hierbei während einer Temperaturzwischenstufe die Tempe­ ratur auf einer vorgegebenen Temperaturhöhe zu halten, um hier die Gefügeausbildung im Stahlwerkstoff einwandfrei ab­ laufen zu lassen. Eine derartige Haltezeit kann je nach Stahlwerkstoff über mehrere Minuten dauern. Eine Beeinträch­ tigung der Gefügeausbildung der gesinterten Ankerplatte er­ gibt sich hierbei nicht.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Rahmenelement ein hülsenförmiges Mittelteil aufweist, das nach der Einbindung des Plattenelementes in das Rahmen­ element, sei es durch Sintern, sei es durch Löten bei einem stanzpaketierten Plattenelement mit dem Führungsbolzen vor­ zugsweise durch Hartlöten verbunden wird. Damit ist neben ei­ ner hochfesten Verbindung zwischen Ankerplatte mit Führungs­ bolzen auch die Möglichkeit gegeben, für das Rahmenelement mit seinem hülsenförmigen Mittelteil ebenfalls ein weichma­ gnetisches Material oder ein nicht-magnetisierbares und/oder elektrisch schlecht leitendes Material mit entsprechenden Fe­ stigkeits- und Leiteigenschaften auszuwählen, so daß nur der "nackte" Führungsbolzen aus einem vergütbaren Stahlwerkstoff und damit aus einem "hartmagnetischen" Werkstoff besteht. Da­ mit wird vermieden, daß über das Rahmenelement in der Anker­ platte die Entstehung von Wirbelströmen begünstigt wird, was bei einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Führungsbolzen aus hartmagnetischem Material der Fall wäre. Die gewünschte Reduzierung der Wirbelstrombildung wird somit eingehalten. Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Anker für einen elektromagnetischen Aktuator zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung in einer Explosionsdarstellung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Anker gem. der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 1.

Die perspektivische Darstellung in Form der Explosionsdar­ stellung in Fig. 1 zeigt einen Anker 1, der im wesentlichen aus einem Führungsbolzen 2 und einer Ankerplatte 3 besteht. Die Ankerplatte 3 weist ein mit den Führungsbolzen 2 fest verbundenes Rahmenelement 4 auf, das durch Plattenelemente 5 aus einem ferromagnetischen Sintermaterial ausgefüllt ist. Der Anker 1 wird in einem Aktuator verwendet, bei dem durch eine entsprechende Anordnung der Elektromagneten deren Pol­ flächen parallel zur Ankerplatte 3 ausgerichtet sind, eine Hin- und Herbewegung in Richtung der Längsachse des Führungs­ bolzens 2 (Pfeile 6) erfolgt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist der Führungsbolzen 2 an einem Ende mit dem Rahmenelement 4 verbunden, das einen Quersteg 4.1 und einen mit dem Quersteg 4.1 verbundenen umlaufenden Randsteg 4.2 aufweist. Das Rahmenelement 4 umfaßt die beiden gesinterten Plattenelemente 5 formschlüssig.

Zur Herstellung eines derartigen Ankers wird zunächst ein Rohteil hergestellt. Hierbei wird in das mit dem Führungsbol­ zen 2 verbundene Rahmenelement 4 als sogenannter Grünling das sinterbare Pulver eingepreßt, das ferromagnetisches, vorzugs­ weise weichmagnetisches Material enthält. Durch den Preßvor­ gang erhält die Ankerplatte ihre gewünschte Dichte, wobei randseitig das Pulver an die Vertiefungen und/oder Erhöhungen 7 aufweisenden Innenflächen 8 des Randsteges 4.2 und/oder des Quersteges 4.1 ein Formschluß mit den Randstegen und dem Quersteg geschaffen ist. Alle Kanten und Übergänge, die vom Material der Plattenelemente 5 umschlossen werden, müssen gut gerundet sein, um Kerbwirkungen zu vermeiden, die bei der me­ chanischen Beanspruchung des Ankers zu Rissen führen könnten.

Das so hergestellte Rohteil wird anschließend auf Sintertem­ peratur erhitzt und nach dem Fertigsintern der Plattenelemen­ te 5 wieder abgekühlt. Das Rohteil kann entweder vollständig abgekühlt werden oder aber noch "in einer Hitze" wenigstens einmal auf die Vergütungstemperatur des für den Führungsbol­ zen 2 verwendeten Stahlwerkstoffs erhitzt und über eine vor­ gebbare Zeit auf dieser Temperatur gehalten werden und danach vollständig abgekühlt werden. Da die Vergütungstemperatur für den Stahlwerkstoff deutlich unter der Sintertemperatur für das Material der Plattenelemente 5 liegt, erfolgt hierdurch keine Beeinträchtigung des Materials der Plattenelemente 5.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Anker mit rechteckiger Anker­ platte dargestellt. In einer Vielzahl von Anwendungsfällen werden jedoch Aktuatoren mit Ankern eingesetzt, die eine qua­ dratische oder kreisförmige Kontur aufweisen. Bei diesen Aus­ führungsformen ist auch die Kontur des Rahmenelementes 4 ent­ sprechend an die Außenkontur der Ankerplatte angepaßt.

Die senkrecht zur Bewegungsrichtung (Pfeil 6) ausgerichteten Flächen der Ankerplatte sind zweckmäßigerweise mit dünnen Ab­ deckplatten 10 aus weichmagnetischem Material abgedeckt. Die­ se Abdeckplatten 10 können durch Klebung oder durch Löten mit dem Material der Ankerplatte verbunden sein.

In Fig. 2 ist zu erkennen daß das Rahmenelement 4 nicht stoffschlüssig mit dem Führungsbolzen 2 verbunden ist sondern ein hülsenförmiges Mittelteil 11 aufweist. Das Rahmenelement 3 mit seinem hülsenförmigen Mittelteil 11 ist hierbei ein­ stückig hergestellt und nach dem anhand von Fig. 1 beschrie­ benen Verfahren mit dem Sintermaterial der Plattenelemente 5 bepreßt, die dann fertig gesintert ist.

Die so gewonnene Ankerplatte, die weitgehend aus einem Mate­ rial besteht, das beim Ummagnetisieren die Entstehung von Wirbelströmen behindert, wird anschließend mit dem Führungs­ bolzen 2, beispielsweise durch Hartlöten, verbunden.

In Fig. 3 ist in einer perspektivischen Darstellung, wiederum in Explosionsdarstellung, eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist wiederum am Füh­ rungsbolzen 2 ein Rahmenelement 4 vorgesehen, das einen Quer­ steg 4.1 aufweist, mit dem ein Rahmenelement 4.3 verbunden ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Rahmenelement im wesentlichen aus zwei parallellaufenden U-Profilen, die am freien Ende des Quersteges 4.1 angeordnet sind, In die U-Profile des Rahmenelementes 4.3 sind Plat­ tenelemente 5.1 einschiebbar, die bei dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel aus einer Vielzahl nebeneinanderliegenden dünnen Blechstreifen, vorzugsweise aus sogenannten Trafoble­ chen stanzpaketiert sind. Durch den Stanzpaketiervorgang wer­ den in die übereinanderliegenden Blechstreifen Durchprägungen 12 erzeugt, über die die einzelnen Blechstreifen formschlüs­ sig und reibschlüssig miteinander verbunden sind.

Die flach nebeneinanderliegenden, d. h. senkrecht zur Platte­ nebene ausgerichteten und durch das Stanzpaketieren fest mit­ einander verbundenen einzelnen Bleche der Plattenelemente 5.1 verlaufen in Richtung des Magnetflusses. Dies führt zu einer Verbesserung der magnetodynamischen Eigenschaften hinsicht­ lich Wirbelstromverhalten und Magnetkraftentwicklung und da­ mit zu einem besseren Betriebsverhalten mit optimiertem Ener­ giebedarf bei ausreichend hoher strukturdynamischer Belast­ barkeit durch die gewählte Gesamtkonstruktion. Auch das Rah­ menelement 4 ist aus weichmagnetischem Reineisen hergestellt und mit dem Führungsbolzen als verschleißfestem Stahl durch Lötung oder dergl. fest verbunden.

Zur Sicherung gegen ein Herauslösen der Plattenelemente 5.1 sind diese entweder mit den Randstegen 4.3 des Rahmenelemen­ tes 4 längsverlötet oder aber es wird an den freien Enden des U-Profils ein stirnseitiges Abschlusselement, beispielsweise ein Abschlussblech aufgelötet oder durch Umformen ein ent­ sprechender Verschluß geschaffen.

In Fig. 3 ist ein Polschenkel 13 eines Jochkörpers eines Elektromagneten angedeutet. Wenigstens eine zweiter Polschen­ kel ist hierzu parallel verlaufend angeordnet, so dass bei Bestromung die Ankerplatte mit dem Bereich der Rahmenelemente 4.3 auf der Polfläche 13.1 aufliegt. Vielfach ist noch ein dritter Polschenkel zwischen den beiden Polschenkeln angeord­ net, der eine Bohrung aufweist, in dem der Führungsbolzen 2 verschiebbar gelagert ist.

Bei beiden Ausführungsformen erstrecken sich die Querstege 4.1 in Richtung des zwischen den Polschenkeln 13 verlaufenden Magnetflusses.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 3 erstrecken sich die Blechstreifen ebenfalls in Richtung des Magnetflusses, wobei durch die Ausrichtung der einzelnen Blechstreifen hochkant zur Plattenebene die Bildung von Wirbelströmen deutlich mini­ miert wird.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 3 können statt der stanzpa­ ketierten Plattenelemente 5.1 auch fertig gesinterte Plat­ tenelemente der vorstehend beschriebenen Art eingeschoben und mit dem Rahmenelement 4 fest verbunden werden.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 1 kann auch noch ein zu­ sätzlicher Quersteg vorgesehen sein, der senkrecht zum Quer­ steg 4 verläuft.

Claims (13)

1. Anker für einen elektromagnetischen Aktuator, mit einem Führungsbolzen, der mit einer Ankerplatte verbunden ist, da­ durch gekennzeichnet, dass die Ankerplatte (3) gebildet wird durch ein mit dem Führungsbolzen (2) verbundenen Rahmenele­ ment (4) aus weichmagnetischem Eisen und wenigstens ein im Rahmenelement (4) gehaltenes Plattenelement (5) aus einem weichmagnetischen Material.

2. Anker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenelement (4) wenigstens ein in bezug auf den Führungs­ bolzen (2) radial ausgerichteten Quersteg (4.1) aufweist, der an seinen Enden mit einem Randsteg (4.2) verbunden ist.

3. Anker nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Quersteg (3.2) einen hülsenförmigen Mit­ telteil (7) zur Verbindung mit dem Führungsbolzen (2) auf­ weist.

4. Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass auf wenigstens einer Fläche der Ankerplatte (3) eine dünne Abdeckplatte (10) aus weichmagnetischem Mate­ rial angeordnet ist.

5. Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Quersteg (4.1) und/oder der Randsteg (4.2) auf ihren Innenflächen Vorsprünge und/oder Vertiefungen (7) zur formschlüssigen Einbindung des Plattenelementes (5) auf­ weisen.

6. Anker nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Quersteg (3.2) einen Rechteckquerschnitt aufweist, dessen lange Kante senkrecht zur Ebene der Ankerplatte (3) verläuft.

7. Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Randsteg (4.2) einen Rechteckquerschnitt aufweist, dessen lange Kante senkrecht zur Ebene der Anker­ platte (3) verläuft.

8. Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Plattenelement (5) aus einem weichmagneti­ sches Material enthaltenden metallurgischen Pulver gesintert ist.

9. Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Rahmenelement (4) einen umlaufenden Rand­ steg (4.2) aufweist.

10. Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das metallurgische Pulver in das Rahmenelement (4) eingepresst und dann gesintert ist.

11. Anker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Plattenelement (5) aus stanzpaketierten, nebeneinanderliegenden Blechstreifen gebildet wird, die hoch­ kant zur Plattenebene ausgerichtet sind.

12. Anker nach einem der Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Randsteg (4.3) als Winkelprofil, vorzugsweise als U- Profil ausgebildet ist.

13. Anker nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (5) durch Löten fest mit dem Rahmen­ element verbunden ist.