DE102005022501A1 - Elektromagnetischer Aktuator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit einem in einem bevorzugt hohlzylindrischen Ankerführungsrohr (50) gleitend gelagerten und durch eine elektrische Spuleneinrichtung bewegbaren Anker (54), wobei das Ankerführungsrohr zum Realisieren eines Gleitlagers für den Anker innenseitig eine Mehrzahl von um den Umfang des Ankerführungsrohrs herum angeordneten, einstückig aus dem Material des Ankerführungsrohrs herausgeformten Vorsprüngen (56) aufweist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
• Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung 102 35 644 der Anmelderin bekannt, wobei zur Illustration des Erfindungshintergrundes beispielhaft auf die 1 dieser Veröffentlichung verwiesen werden soll.
• Ein gattungsgemäßer elektromagnetischer Aktuator weist typischerweise ein in einem Gehäuse gehaltenes, rotationssymmetrisches Magnetgestell auf, welches ein Führungsrohr für ein Ankerelement ausbildet. Das Führungsrohr ist von einer Spulenanordnung umgeben.
• Als Reaktion auf eine Ansteuerung der Spulenanordnung mit einem elektrischen Signal wirkt eine Kraft auf den Anker, wodurch dieser in axialer Richtung im Ankerführungsrohr (Bezugszeichen 14, 16, 18 in 1 der DE 102 35 644 ) bewegt wird.
• Bei der Realisierung derartiger Vorrichtungen, welche in zahlreichen Varianten vorliegen und für eine Vielzahl von Einsatzzwecken benutzt werden, kommt es auf die zwischen der Anker-Mantelfläche und der (typischerweise hohlzylindrischen) Innenfläche des Führungsrohres kritisch an: Hinreichend Spiel sorgt für gute Bewegungs- und Gleiteigenschaften des Ankers im Ankerführungsrohr, gleichzeitig ist für günstige elektromagnetische Eigenschaften ein möglichst kleiner Luftspalt erforderlich, insbesondere, als zur Minimierung von Querkräften es besonders auf eine Zentrizität des Ankers relativ zum Führungsrohr ankommt. Dies führt dazu, dass traditionell beachtlicher herstellungstechnischer Aufwand betrieben wird, um beide Komponenten in der beschriebenen Weise günstig aneinander anzupassen.
• Wenn zudem, wie es auch bei der exemplarisch in 1 der DE 102 35 644 gezeigten Vorrichtung der Fall ist, das Ankerführungsrohr einends verschlossen ist, führt jede Bewegung des Ankers zu einer Fluidbewegung, so dass es bei der Gestaltung des Führungsrohr-Anker-Paares zudem auf die hydrodynamischen Eigenschaften bei der Bewegung ankommt; im zitierten Stand der Technik ist dies durch eine Bohrung im Anker gelöst. Je nach Einsatzzweck kann dies jedoch auch nachteilig sein.
• Eine alternative, bekannte Ausführungsform einer Führungsrohr-Anker-Kombination zeigt die DE 102 18 445 . Auch hier ist der Anker einer Magnetanordnung gleitend in einem Führungsrohr gelagert, zur Ausbildung einer Gleitlagerung sowie zum Ermöglichen einer Fluidströmung zwischen Anker und Ankerführungsrohr weist hier jedoch der Anker mantelseitig vorgesehene Gleitelemente auf. Während durch eine solche Vorgehensweise die beschriebenen hydrodynamischen Eigenschaften kontrolliert werden können und auch die Zentrierung des Ankers im Führungsrohr verbessert ist, ist die Realisierung einer solchen bekannten Vorrichtung gleichwohl herstellungstechnisch aufwendig und, etwa unter dem Gesichtspunkt einer Serienfertigung, problematisch: In komplexer Weise ist nämlich hier der Anker mit radial umlaufenden, teils unterbrochenen Vorsprüngen zu versehen, wobei dann wiederum ein zugehöriges Ankerführungsrohr im Hinblick auf seine lichte Weite geeignet an den durch derartige Vorsprünge bestimmten effektiven Außendurchmesser anzupassen ist. Die DE 102 18 445 weist zudem selbst auf die Problematik eines so entstehenden, relativ großen (und damit die elektromagnetische Effizienz beeinträchtigenden) Luftspalts hin.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator im Hinblick auf eine Führung des Ankers im Ankerführungsrohr zu verbessern, dabei insbesondere die Herstellbarkeit einer solchen Vorrichtung und mithin die Serientauglichkeit zu optimieren und zusätzlich die Vorrichtung auch für eine Verwendung mit einem einends geschlossenen Ankerführungsrohr bei damit durch Ankerbewegung entstehender Fluidströmung geeignet zu machen.
• Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die Verwendung nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• So ist es besonders bevorzugt, das Ankerführungsrohr einends geschlossen auszugestalten; nicht nur lässt sich auf diese Weise eine etwa für Hydraulik- oder Pneumatikventile geeignete Druckumgebung schaffen, auch zeigen sich hier besonders günstig die mit der vorliegenden Erfindung erreichten Vorteile, nämlich eine Fluidführung bei Bewegung des Kolbens in den durch die erfindungsgemäßen stegartigen Vorsprüngen begrenzten Kanälen zwischen Anker-Mantelfläche und dem Ankerführungsrohr.
• Besonders bevorzugt ist es zudem, die Mehrzahl von Vorsprüngen so auszubilden und umfangsseitig in der Innenfläche des Ankerführungsrohres so vorzusehen, dass dadurch eine axiale Mittenzentrierung des Ankers erfolgt. Nicht nur findet so eine geometrisch-energetische Optimierung statt, auch ist die Führung für den unbestromten Zustand der Spuleneinrichtung optimiert.
• Während es einerseits bevorzugt ist, die günstig stegartig ausgebildeten Vorsprünge sich axial über i.w. die gesamte Länge des Führungsrohrs erstrecken zu lassen, sind alternative Ausführungsformen denkbar, welche lediglich einen Teilbereich in axialer Länge überdecken, oder aber eine un terbrochene Linie ausbilden, d.h. eine lineare Folge von einzelnen Vorsprüngen darstellen. Günstig ist es jedoch, dass in jedem Fall zumindest ein Teilabschnitt der Vorsprünge mit einem Teilabschnitt des Ankers zusammenwirken kann.
• Auch ist, je nach Strömungsverhältnissen und Einsatzgebiet bzw. zulässiger Luftspaltweite, Form und Profil eines zu wählenden, im Führungsrohr zu bildenden Vorsprungs beliebig; hier sind jeweils geeignete, eine relativ große, oder alternativ, eine minimierte Auflagefläche anbietende Vorsprungsquerschnitte denkbar und von der vorliegenden Erfindung mit umfasst.
• Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass, auf der Basis eines unspezifisch geformten Ankerführungsrohrs, durch geeignete Feinbearbeitung beim Einbilden (z.B. Einprägen) der erfindungsgemäßen Vorsprünge eine Anpassung an die Umfangsgeometrie eines einzusetzenden Kolbens erfolgen kann. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, dass preisgünstige Großserienteile als Ausgangsmaterial für das Ankerführungsrohr herangezogen werden können, welche lediglich durch einen weiteren Bearbeitungsschritt, nämlich das Formen der Vorsprünge, in der notwendigen genauen Bearbeitung an den Anker anzupassen sind.
• Im Ergebnis wird durch die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Weise eine Lösung für das Problem einer präzisen und zuverlässigen Führung eines Ankers in einem Ankerführungsrohr für elektromagnetische Aktuatoren mit kontrollierten Luftspaltbedingungen und günstigen Eigenschaften für Fluidströmungen im Ankerführungsrohr kombiniert.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
• 1: einen schematischen Längsschnitt durch ein einseitig verschlossenes Ankerführungsrohr gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit schematisch gezeigtem Anker;
• 2: eine Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß 1;
• 3: eine Perspektivansicht auf ein Ankerführungsrohr gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• 4: einen Längsschnitt durch das Ankerführungsrohr der 3;
• 5: eine Perspektivansicht einer durch den Längsschnitt erhaltenen Hälfte des Ankerführungsrohres der 3, 4 und
• 6: ein weiteres Ausführungsbeispiel mit offenem, beidends durch Kerne verschlossenem Führungsrohr.
• Hinsichtlich der konstruktiven Realisierung der Peripherie für die vorliegende Erfindung, nämlich die Herstellung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse gehaltenen Kern mit ansetzendem Ankerführungsrohr sowie das Ankerführungsrohr umgebender Spulenanordnung wird z.B. auf die gattungsbildende DE 102 35 644 A1 (dort etwa 1 mit zugehöriger Beschreibung) verwiesen. Das Ankerführungsrohr (im Stand der Technik „Magnetgestell" genannt) wird jedoch, wie in den 1 bis 5 gezeigt, durch ein rohr- bzw. büchsenförmig und durch Tiefziehen hergestelltes Element 50 aus magnetisch nicht leitendem Material hergestellt; die 1 verdeutlicht, wie dieses Element einends noch durch einen Kernbereich 52 verschlossen ist, ebenso ist in den Schnittansichten der 1, 2 ein Anker 54 gezeigt, welcher von sechs Vorsprüngen 56, welche radial um den Umfang des Rohres 50 herum verteilt sind, in einer Mittelstellung zentriert gehalten wird. In der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Vorsprünge über praktisch die gesamte Länge des Ankerführungsrohres, welches zudem einen geschlossenen Boden 58 aufweist.
• Das Ausführungsbeispiel der 3 bis 5 verdeutlicht weiter im Detail die konstruktive Realisierung als hülsenförmige Büchse: Durch seitliches Einpressen bzw. Einprägen werden die axial in Längsrichtung des Ankersführungsrohrs verlaufenden Vorsprünge 56 gebildet, die zudem, im Wege einer Feinbearbeitung und Anpassung an die geometrischen Verhältnisse eines jeweils einzusetzenden Ankerelements, in ihren Dimensionen, insbesondere ihrer (den Luftspalt zwischen Anker und Führungsrohr sowie die Beweglichkeit des Ankers bestimmenden) Höhe eingestellt werden können.
• Die 6 verdeutlicht eine Variante der vorbeschriebenen Realisierungsformen; der geschlossene Boden (Bezugsziffer 58 in 1 bis 5) ist durch ein nachträglich montiertes Kernelement 60 ersetzt. Bei entsprechender Fluidführung durch die Kerne ist hiermit etwa besonders geeignet ein 2/3-Ventil realisierbar.

Claims (10)

1. Elektromagnetischer Aktuator mit einem in einem bevorzugt hohlzylindrischen Ankerführungsrohr (50) gleitend gelagerten und durch eine elektrische Spuleneinrichtung bewegbaren Anker (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerführungsrohr zum Realisieren eines Gleitlagers für den Anker innenseitig eine Mehrzahl von um den Umfang des Ankerführungsrohrs herum angeordneten, einstückig aus dem Material des Ankerführungsrohres herausgeformten Vorsprüngen (56) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerführungsrohr einends eine geschlossene, bevorzugt einstückig angeformte Bodenfläche (58) ausbildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (56) so ausgebildet sind, dass sie den Anker im Ankerführungsrohr konzentrisch zentrieren.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (56) sich stegartig in axialer Richtung des Ankerführungsrohres erstrecken.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vorsprünge über die gesamte axiale Länge des Ankerführungsrohres erstrecken.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge sich in axialer Richtung über einen Teilabschnitt des Ankerführungsrohres so erstrecken, dass in jeder Stellposition des Ankers re lativ zum Ankerführungsrohr ein Abschnitt einer Mantelfläche des Ankers mit einem Abschnitt der Vorsprünge zusammenwirkt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge entlang ihrer Erstreckungsrichtung eine unterbrochene Linie darstellen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge in radialer Querschnittsansicht eine halbkreis-, kreisabschnitts-, dreieck- oder trapezförmige Querschnittsform ausbilden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerführungsrohr durch Tiefziehen aus einem Metallmaterial und nachfolgendes, ankerspezifisches Einformen der Vorsprünge aus dem tiefgezogenen Material hergestellt ist.
10. Verwendung des elektromagnetischen Aktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Realisieren eines Hydraulik- oder Pneumatikventils.