DE10141985A1

DE10141985A1 - Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten

Info

Publication number: DE10141985A1
Application number: DE2001141985
Authority: DE
Inventors: Frank Hoffmann; Hagen Mueller
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: DE10141985B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten, die jeweils eine Erregerspule und ein Magnetjoch aufweisen, bei dem Hohlräume der Erregerspule erst mit einer Füllmasse aufgefüllt werden, und bei dem anschließend die mit der Füllmasse aufgefüllte Erregerspule im Spulenfenster des Magnetjochs mit einer Vergußmasse vergossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten gemäß dem Patentanspruch 1. Die verfahrensgemäß hergestellten Elektromagneten sollen vorzugsweise als Öffnermagnet und als Schließermagnet zum Bau von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung verwendet werden.
Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht im wesentlichen aus dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, die durch mindestens ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander getrennt sind. Zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet befindet sich der aus einem ferromagnetischen Material bestehende Anker, der durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagneten oder der Erregerspule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Das Magnetjoch des Öffnermagneten weist eine Durchführung für einen Ventilstößel auf, der die auf den Anker einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselventil überträgt.
Ein Problem bei der Herstellung des Magnetjochs und der Erregerspule besteht darin, daß die Abmessungen der aus isoliertem Kupferdraht gewickelten Erregerspulen nur mit verhältnismäßig hohen Toleranzen hergestellt werden können. Daraus folgt, daß die Spulenfenster in den Magnetjochen mit einem entsprechend hohen Übermaß ausgearbeitet werden, um eine Beschädigung der Isolation des Spulendrahtes beim Einsetzen der Erregerspule in das Magnetjoch zu vermeiden.
Das Fixieren der Erregerspulen in den mit Übermaß ausgearbeiteten Spulenfenstern der Magnetjoche erfolgt mittels einer Vergußmasse, wie es beispielsweise in der Druckschrift DE 199 36 581 C1 für eine metallische Vergußmasse beschrieben ist.
Neben der Fixierung ist es eine wesentliche Aufgabe der Vergußmasse eine gute thermische Anbindung der sich beim Betrieb der Elektromagnete stark erwärmenden Erregerspulen an das Magnetjoch zu gewährleisten.
Beim Vergießen der Erregerspule mit dem Magnetjoch wird die Vergußmasse in flüssiger Form in das Spulenfenster gegeben. Nach dem Einsetzen der Erregerspule in das Spulenfenster wird die Vergußmasse beispielsweise mit einem thermischen Aushärteverfahren verfestigt.
Der Nachteil des Vergießens der Erregerspulen in einem ein hohes Übermaß aufweisenden Magnetjoch besteht darin, daß nicht alle der zwischen den Wicklungen des Kupferdrahtes einer Erregerspule bestehenden Hohlräume durch die flüssige Vergußmasse aufgefüllt werden, wodurch die beim Betrieb der Elektromagneten entstehende Wärme nicht in ausreichender Weise abgeführt wird und die Erregerspulen Schaden nehmen können.
Bei Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung werden die Erregerspulen mit Strömen von bis zu 25 Ampere belastet, wobei eine kritische Temperatur von 135° Celsius nicht überschritten werden darf. Gasblasen in der Vergußmasse können zu einem lokalen Wärmestau führen, wobei die Gefahr besteht, daß die kritische Temperatur von 135° Celsius lokal überschritten wird und die Erregerspule und/oder die Vergußmasse schaden nehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten anzugeben, bei dem Hohlräume zwischen den Wicklungen der Erregerspulen vermieden werden, bei dem die Notwendigkeit das Spulenfenster im Magnetjoch gegenüber der Erregerspule mit einem hohen Übermaß auszuarbeiten reduziert wird, und bei dem Beschädigungen an der Isolation des Wicklungsdrahtes beim Einsetzen der Erregerspule in das Magnetjoch vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst. Demnach wird vor dem Einsetzen der Erregerspule in das Spulenfenster die zwischen dem Wicklungsdraht der Erregerspule bestehenden Hohlräume mittels einer Füllmasse aufgefüllt. Danach wird die mit Füllmasse aufgefüllte Erregerspule in das Spulenfenster des Magnetjochs eingesetzt und mittels einer Vergußmasse mit dem Magnetjoch vergossen.
Beim Aushärten der Füllmasse und/oder der Vergußmasse kann der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse und/oder der Vergußmasse durch Absenken des Umgebungsdruckes unterstützt werden.
Zudem kann beim Aushärten der Füllmasse und/der der Vergußmasse der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse und/oder der Vergußmasse durch Anlegen von mechanischen Schwingungen geeigneter Frequenz unterstützt werden. Dies kann beispielsweise durch einen Rütteltisch oder durch ein Ultraschallbad erfolgen.
Zusätzlich kann beim Aushärten der Füllmasse und/oder der Vergußmasse der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse und/oder der Vergußmasse durch Zentrifugieren unterstützt werden.
Beispielsweise kann das Auffüllen der Hohlräume zwischen den Wicklungen der Erregerspule in einer Form erfolgen, die nach dem Einsetzen der gewickelten Erregerspule und dem Befüllen mit einer dünnflüssigen Füllmasse verschlossen und anschließend in eine Zentrifuge gesetzt wird. Durch die auf die Füllmasse wirkende Beschleunigung werden Gasblasen wirkungsvoll aus den Plätzen zwischen den Wicklungen des Wicklungsdrahtes verdrängt.
Das Aushärten der Füllmasse und/oder der Vergußmasse und der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse und/oder der Vergußmasse kann durch Anlegen einer Gleichspannung und/oder Wechselspannung geeigneter Frequenz an die Erregerspule unterstützt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die mit Füllmasse aufgefüllten Erregerspulen vor dem Einsetzen in das Spulenfenster mit der Vergußmasse benetzt werden.
Zum Verbinden der mit Füllmasse vollständig aufgefüllten Erregerspule mit dem Magnetjoch wird das Spulenfenster teilweise mit Vergußmasse gefüllt. Danach wird dann die Erregerspule in das Spulenfenster eingesetzt. Anschließen wird gegebenenfalls der nicht gefüllte Teil des Spulenfensters mit Vergußmasse aufgefüllt.
Dabei ist vorgesehen, daß als Füllmasse und als Vergußmasse ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Dieses Material kann auch metallisch sein. Gegebenenfalls können der Füllmasse und/oder der Vergußmasse Materialien zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zugesetzt werden.
Dabei kann als Füllmasse und als Vergußmasse auch das gleiche Material verwendet werden.
Die verfahrensgemäß hergestellten Elektromagneten sind vorgesehen als Öffnermagnet und als Schließermagnet für Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung verwendet zu werden.
Durch die beschriebene Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten werden Hohlräume zwischen den Wicklungen der Erregerspulen wirksam vermieden. Zudem kann das Spulenfenster im Magnetjoch mit einem geringeren Übermaß als die Erregerspule hergestellt werden, da die Erregerspulen durch die Füllmasse eine höhere Formstabilität aufweisen und mit geringeren Toleranzen hergestellt werden können. Zudem werden Beschädigungen an der Isolation des Wicklungsdrahtes beim Einsetzen der Erregerspule in das Magnetjoch durch die den Wicklungsdraht umgebende Füllmasse vermieden.
Im folgenden ist das Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten anhand von einem Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit zwei Figuren dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Erregerspule, die in eine mit Füllmasse aufgefüllten Gießform gesetzt wird,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer mit Füllmasse aufgefüllten Erregerspule, die in das teilweise mit Vergußmasse gefüllte Spulenfenster des Magnetjochs gesetzt wird.
In der Fig. 1 ist die aus einem Kupferdraht fertig gewickelte Erregerspule 1 dargestellt, die in ein Magnetjoch eingebaut werden soll, das als Öffnermagnet oder als Schließermagnet zum Bau eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung verwendet werden soll. Zur Vermeidung von thermisch isolierend wirkenden Hohlräumen zwischen den Wicklungen der Kupferdrahtes werden diese Hohlräume mit einer eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Füllmasse 4 aufgefüllt. Als Füllmasse 4 wird ein zwei Komponenten Epoxydharz verwendet, dem zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit 10 Volumenprozent Aluminiumoxid (Al₂O₃) zugesetzt wird, und das bei einer Temperatur von 100 Grad Celsius verarbeitet wird.
Zum Auffüllen der Hohlräume wird die Erregerspule 1 in eine Gießform 6 gegeben, die den Abmessungen der herzustellenden Erregerspule 1 und des Spulenfensters sehr genau entspricht. Die Erregerspulen 1 sind für Magnetjoche mit einem näherungsweise rechteckigen Grundkörper zu einem elliptischen Hohlzylinder gewickelt, dessen Wandung einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Aufgrund von Spannungen innerhalb des Kupferdrahtes der unregelmäßig gewickelten Erregerspulen 1 neigen die fertig gewickelten Erregerspulen 1 dazu ihre Form nach dem Wickeln zu verändern. Durch das Einsetzen der Erregerspule in die Gießform 6 werden die Erregerspulen 1 nochmals in ihre spezifizierte Form gezogen.
Die Aussparung der Gießform 6 zur Aufnahme der Erregerspule 1, die ebenfalls elliptisch geformt ist, weist dabei keinen exakt rechteckigen Querschnitt auf, sondern weist einen geringfügig rautenförmigen Querschnitt auf, so daß die fertig aufgefüllten Erregerspulen 1 durch die Füllmasse einen entsprechend geringfügig rautenförmigen Querschnitt aufweisen. Durch diesen Querschnitt wird das Einsetzen der Erregerspulen 1 in das Spulenfenster vereinfacht. Zudem wird der Austritt des im Spulenfenster stehenden Gases beim Einsetzen der Erregerspule 1 in das Spulenfenster gefördert.
Zum Einsetzen der Erregerspule in die Gießform 6 wird die Gießform 6 teilweise mit der heißen Füllmasse 4 gefüllt. Anschließend wird die Erregerspule 1 in die Gießform 6 gesetzt und in die Füllmasse 4 gedrückt. Gegebenenfalls wird danach auf die Erregerspule 1 nochmals Füllmasse 4 gegeben, bis diese vollständig mit Füllmasse 4 bedeckt wird.
Um den Gasaustritt aus den zwischen den Wicklungen der Erregerspule 1 befindlichen Hohlräumen zu unterstützen kann das Zugeben der Füllmasse 4 in einer Edelgas Atmosphäre erfolgen, wobei das Aushärten der Füllmasse 4 im Vakuum erfolgt. Der Austritt der Edelgas-Gasblasen aus der Füllmasse 4 wird dadurch stark vorangetrieben.
Zusätzlich oder alternativ kann nach das Zugeben der Füllmasse 4 durch mechanische Schwingungen geeigneter Frequenz erfolgen, beispielsweise durch die Verwendung eines Rütteltisches oder durch einen an der Gießform 6 befestigten Ultraschallgenerator.
Ebenfalls zusätzlich oder alternativ kann während dem Zugeben der Füllmasse 4 an die Erregerspule 1 ein Wechselstrom angelegt werden, wodurch der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse 4 ebenfalls durch Schwingungen unterstützt wird. Zudem erwärmt sich die Erregerspule, wodurch das Aushärten der Füllmasse 4 beeinflußt wird.
Eine weitere Möglichkeit den Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse 4 zu begünstigen ist das Zentrifugieren der Gießform 6 nach dem Einsetzen der Erregerspule 1 und dem Zugeben der Füllmasse 4.
Fig. 2 zeigt das Einsetzen der mit der Füllmasse 4 aufgefüllten Erregerspule 1 in das Spulenfenster 3 des Magnetjochs 2. Die Erregerspule 1 ist zum Einsetzen in das Spulenfenster 3 mit der Vergußmasse 5 benetzt worden, wobei als Vergußmasse 5 das gleiche Material verwendet wird wie als Füllmasse 4.
Vor dem Einsetzen der Erregerspule 1 wird vorzugsweise ein Teil der benötigten Vergußmasse 5 in das Spulenfenster 3 geben. Zur Vermeidung von Gasblasen wird die Erregerspule 1 einseitig im Spulenfenster 3 auf die Vergußmasse 5 aufgesetzt und dann vollständig abgelegt. Danach wird die durch die Füllmasse 4 fixierte Erregerspule 1 in das Spulenfenster 3 gepreßt, wodurch die Vergußmasse 5 auch in kleinste Ritzen vordringt. Gegebenenfalls wird auf die in das Spulenfenster 3 eingesetzte Erregerspule 1 nochmals etwas Vergußmasse 5 gegeben.
Die zu Fig. 1 beschriebenen Maßnahmen zur Vermeidung von Gasblasen in der Füllmasse 4 können ebenso zur Vermeidung von Gasblasen in der Vergußmasse 5 angewendet werden.
Das Aushärten der Vergußmasse 5 kann in einen Ofen erfolgen, dessen Temperatur zur Vermeidung von Spannungen in der Vergußmasse 5 langsam reduziert wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten werden durch die Füllmasse 4 Hohlräume zwischen den Wicklungen der Erregerspulen 1 wirksam vermieden. Zudem kann das Spulenfenster 3 im Magnetjoch 2 mit einem geringeren Übermaß ausgearbeiteten werden, da die mit Füllmasse 4 aufgefüllte Erregerspulen 1 reproduzierbarere Abmessungen aufweisen. Durch die Füllmasse 4 werden zudem Beschädigungen an der Isolation des Wicklungsdrahtes beim Einsetzen der Erregerspule 1 in das Spulenfenster 3 des Magnetjochs 2 vermieden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten, die jeweils eine Erregerspule (1) und ein ein Spulenfenster (3) aufweisendes Magnetjoch (2) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einsetzen der aus Wicklungsdraht gewickelten Erregerspule (1) in das Spulenfenster (3) die zwischen dem Wicklungsdraht der Erregerspule (1) bestehenden Hohlräume mittels einer Füllmasse (4) aufgefüllt werden, und daß danach die mit Füllmasse (4) aufgefüllte Erregerspule (1) in das Spulenfenster (3) eingesetzt und mittels einer Vergußmasse (5) mit dem Magnetjoch (2) vergossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aushärten der Füllmasse (4) und/oder der Vergußmasse (5) der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse (4) und/oder der Vergußmasse (5) durch Absenken des Umgebungsdruckes unterstützt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aushärten der Füllmasse (4) und/der der Vergußmasse (5) der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse (4) und/oder der Vergußmasse (5) durch Anlegen von mechanischen Schwingungen geeigneter Frequenz unterstützt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aushärten der Füllmasse (4) und/oder der Vergußmasse (5) der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse (4) und/oder der Vergußmasse (5) durch Zentrifugieren unterstützt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten der Füllmasse (4) und/oder der Vergußmasse (5) und der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse (4) und/oder der Vergußmasse (5) durch Anlegen einer Gleichspannung und/oder Wechselspannung geeigneter Frequenz an die Erregerspule (1) unterstützt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Füllmasse (4) aufgefüllten Erregerspulen (1) vor dem Einsetzen in das Spulenfenster (3) mit der Vergußmasse (5) benetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einsetzen der mit Füllmasse (4) aufgefüllten Erregerspule (1) das Spulenfenster (3) des Magnetjochs (2) teilweise mit der Vergußmasse (5) gefüllt wird, und daß dann die Erregerspule (1) in das Spulenfenster (3) eingesetzt wird, und daß anschließen der nicht gefüllte Teil des Spulenfensters (3) mit Vergußmasse (5) aufgefüllt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllmasse (4) und als Vergußmasse (5) ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllmasse (4) und/oder der Vergußmasse (5) Materialien zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zugesetzt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllmasse (4) und als Vergußmasse (5) das gleiche Material verwendet wird.

11. Verwendung der Elektromagneten nach einem der vorangegangenen Ansprüche für Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung.