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Stand der Technik
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DE 196 50 865 A1 bezieht
sich auf ein Magnetventil zur Steuerung des Kraftstoffdruckes in
einem Steuerraum eines Einspritzventiles, wie zum Beispiel einem
Common-Rail-Einspritzsystem. Über den Kraftstoffdruck im
Steuerraum wird eine Hubbewegung eines Ventilkolbens gesteuert,
mit dem eine Einspritzöffnung des Einspritzventils geöffnet
oder geschlossen wird. Das Magnetventil umfasst einen Elektromagneten,
einen beweglichen Anker und ein mit dem Anker bewegtes und von einer
Ventilschließfeder in Schließrichtung beaufschlagtes
Ventilglied, das mit dem Ventilsitz des Magnetventiles zusammenwirkt
und so den Kraftstoffabfluss aus einem Steuerraum steuert.
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Bei
heute eingesetzten Magnetventilen bei Kraftstoffinjektoren wird
der Magnetkern entweder aus Pulververbundmaterial oder aus einem
massiven ferromagnetischen Material gefertigt. Das Pulververbundmaterial
hat den Vorteil, dass es elektrisch im Wesentlichen nicht leitfähig
ist und damit nahezu keine Wirbelströme auftreten, die
den Kraftaufbau und den Kraftabbau in unerwünschter Weise
beeinträchtigen könnten. Dafür besteht
allerdings der Nachteil einer geringeren Sättigungsinduktion
des Pulververbundmaterials gegenüber einem massiven Magnetmaterial.
Da die Kraft eines Magnetventiles proportional zum Quadrat der im
Luftspalt herrschenden Induktion B ist, ist für die kompakte
Auslegung von Magnetventilen ein möglichst großer
Wert für die im Luftspalt herrschende Induktion B anzustreben.
Um dies zu erreichen, wird das Magnetfeld am Übergang vom
Außenpol des üblicherweise als Topfmagneten ausgeführten
Kerns zum Anker gezielt über eine Engstelle geführt.
Dadurch wird jedoch bei Kernen aus Pulververbundmaterial gerade
der Randbereich des Magnetkerns, an welchem die Polfläche
mit dem Anker überlappt, in den Bereich der Sättigungsinduktion
getrieben und die magnetische Feldstärke H steigt in diesen
Bereich des Kerns überproportional an. Da die magnetische
Feldstärke wiederum den Durchflutungsbedarf und damit den
Strombedarf des Magnetkreises bestimmt, führt dies zu einem überhöhten
Strombedarf von Magnetkreisen mit Pulververbundkernen. Die einfache Lösung
der Verwendung eines Massivkerns erfordert wiederum die Notwendigkeit
aufwändiger Maßnahmen zur Wirbelstromreduzierung.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, den Außenpol eines im Wesentlichen topfförmig
ausgebildeten Magnetkerns in Bezug auf seine Axiallänge
zurückzusetzen und in dem dadurch ausgesparten Bereich
eine Polscheibe einzusetzen, die aus einem ferromagnetischen Material
gefertigt ist. Dabei handelt es sich bevorzugt um ein ferromagnetisches
Massivmaterial. Die Sättigungsinduktion der bevorzugt aus Massivmaterial
gefertigten Polscheibe liegt deutlich höher als diejenige
des Pulververbundmaterials, aus dem der Magnetkern gefertigt ist.
Auch das Pulververbundmaterial ist ferromagnetisch. Wirbelströme
in der aus massivem Material gefertigten Polscheibe, klingen aufgrund
der geringen Dicke der ferromagnetischen Polscheibe um mehrere Größenordnungen schneller
ab, als dies bei einem massiven Kern aus ferromagnetischem Material
der Fall wäre.
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Zusätzlich
kann optional noch ein schmaler im Wesentlichen sich in radiale
Richtung erstreckender Schlitz in der aus massivem ferromagnetischem Material
gefertigten Polscheibe vorgesehen sein. Am Übergang zwischen
dem Pulververbundmaterial des Magnetkerns und der aus ferromagnetischem
Material gefertigten Polscheibe steht dem magnetischen Fluss bereits
eine deutlich höhere Querschnittsfläche zur Verfügung,
im Vergleich zu der Überlappungsstelle von Polscheibe und
Anker. An dieser Stelle liegt demzufolge die magnetische Induktion
(= Flussdichte) bereits unterhalb der Sättigungsinduktion
des Pulververbundmaterials. Somit liegt die „Engstelle" für
den magnetischen Fluss in einem Material mit hoher Sättigungsinduktion
und hat keine überhöhte magnetische Feldstärke
H zur Folge. Auch das Pulververbundmaterial des Magnetkerns wird
nun nicht mehr in den Bereich seiner Sättigung ausgesteuert, ohne
dass dies negative Auswirkungen auf die Induktion im Luftspalt und
folglich auf die Magnetkraft hätte. Demzufolge ist auch
der Strombedarf eines derart ausgelegten Magnetkreises wesentlich
geringer, als dies bei den obenstehend zum Stand der Technik skizzierten
Lösungen der Fall ist. Der geringere Strombedarf kann entweder
zu einer einfachen Entlastung der Steuergeräteendstufe
genutzt werden, oder auch dazu, den Nennstrom des Magnetkreises unverändert
zu lassen und stattdessen die Windungszahl der Spule zu reduzieren,
und so den Spannungsbedarf, der insbesondere für den Kraftaufbau
erforderlich ist zu reduzieren. Bei entsprechender Auslegung des
Ankers kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung auch zu einer Anhebung der Magnetkraft genutzt werden.
Voraussetzung dafür ist, dass der Anker nicht bereits in
den Bereich seiner magnetischen Sättigung ausgesteuert ist.
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In
vorteilhafter Weise kann die in eine Ausnehmung an einer Stirnseite
des Magnetkerns eingesetzte, aus ferromagnetischem Massivmaterial
gefertigte Polscheibe derart gestaltet sein, dass sie außer dem
Außenpol des Magnetkerns auch dessen Innenpol überdeckt
und auch dort eine Entlastung des Magnetkernes oder – im
Falle einer unvollständigen Abdeckung des Innenpols – eine
Erhöhung der Luftspaltinduktion und damit der erzielbaren
Magnetkraft bewirkt. In diesem Fall sind der Innen- und der Außenpolbereich
der ferromagnetischen Polscheibe durch schmal ausgebildete Stege
miteinander verbunden. Diese gehen bereits bei einem geringen Spulenstrom
in die magnetische Sättigung und sind für den
weiteren Feldaufbau aus diesem Grunde nicht mehr relevant.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 die
Darstellung eines Magnetkreises mit einem Pulververbundmagnetkern
gemäß des Standes der Technik,
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2 die
Darstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Magnetkreises mit zurückversetztem Außenpol des
Magnetkerns und
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3 eine
Draufsicht auf die in eine Aussparung am Außenpol des Magnetkerns
eingesetzte aus ferromagnetischem Massivmaterial gefertigte Polscheibe
mit optional eingezeichneten Schlitzungen.
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Der
Darstellung gemäß 1 ist ein
aus dem Stand der Technik bekannte Magnetkreis eines Magnetventils
zu entnehmen.
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Aus 1 geht
hervor, dass ein Magnetkreis 10 einen Magnetkern 12 umfasst.
Der Magnetkern 12 weist eine erste Stirnseite 14 sowie
eine zweite Stirnseite 16 auf und ist von einer Durchgangsöffnung 18 durchzogen,
in welcher gegebenenfalls eine Feder, die einen Anker 22 beaufschlagt,
aufgenommen sein kann. Die Achse des Magnetkerns 12 ist
durch Bezugszeichen 20 identifiziert.
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In
der schematischen Darstellung gemäß 1 befindet
sich unterhalb der zweiten Stirnseite 16 des Magnetkerns 12 ein
hier einteilig ausgebildeter Anker 22, der einen Ankerbolzen 26 und
eine an diesem einstückig ausgebildete Ankerplatte 24 umfasst.
In das Material des Magnetkerns 12, der bevorzugt aus einem
Pulververbundmaterial gefertigt wird, ist eine Magnetspule 28 eingelassen.
Der aus einem Pulververbundmaterial gefertigte Magnetkern 12 stützt
sich auf einer bevorzugt aus einem amagnetischen Material gefertigten
Hülse 30 ab. Der aus Pulververbundmaterial gefertigte
Magnetkern 12 hat den Vorteil, dass das Pulververbundmaterial
elektrisch im Wesentlichen nicht leitfähig ist und in diesem
daher nahezu keine Wirbelströme auftreten, die den Magnetkraftaufbau
und den Magnetkraftabbau in unerwünschter Weise beeinträchtigen
würden. Das als Material für den Magnetkern 12 verwendete
Pulververbundmaterial hat allerdings den Nachteil, dass eine geringe
Sättigungsinduktion des Pulververbundmaterials im Vergleich
zu einem massiven Magnetmaterial besteht.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass sich an einer Übergangsstelle zwischen dem Magnetkern 12 und
dem Randbereich der Ankerplatte 24 eine hohe Feldkonzentration 32 einzelner
Feldlinien 34 einstellt. Die Querschnittsfläche
für den magnetischen Fluss in diesem Bereich ist bei dem
in der Darstellung gemäß 1 aus dem
Stand der Technik dargestellten Magnetventil äußerst
begrenzt, das Pulververbundmaterial des Magnetkerns 12 wird
in diesem Bereich bis zu seiner Sättigung ausgesteuert,
was negative Auswirkungen auf die im Luftspalt zwischen der zweiten
Stirnseite 16 und der Ankerplatte 24 anzustrebende
hohe Induktion B hat.
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Ausführungsformen
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Der
Darstellung gemäß 2 ist ein
optimierter Magnetkreis der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung zu entnehmen.
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2 zeigt,
dass der Magnetkern 12, der ebenfalls aus Pulververbundmaterial
gefertigt ist an der ersten Stirnseite 14 plan ausgebildet
ist und in der Ausführungsform in der Darstellung gemäß 2 im
Bereich der zweiten Stirnseite 16 einen Innenpol 40 und
einen gegenüber dem Innenpol 40 in axiale Richtung
bezogen auf die Achse 20 etwas zurückgesetzten
Außenpol 42 umfasst. Durch die Zurücksetzung
des Außenpoles 42 in axiale Richtung in Bezug
auf den Innenpol 40 entsteht eine Aufnahme unterhalb des
Außenpoles 42 des Magnetkerns 12, in die
eine Polscheibe 44 eingelassen ist. Die Polscheibe 44 wird
bevorzugt aus einem ferromagnetischen Massivmaterial gefertigt.
Die Sättigungsinduktion der aus ferromagnetischem Massivmaterial
gefertigten Polscheibe 44 liegt deutlich höher
als diejenige des Pulververbundmaterials, aus dem der Magnetkern 12 gefertigt
ist. Wirbelströme in der Polscheibe 44, sei sie
mit einer Radialschlitzung, sei sie ohne eine Radialschlitzung ausgebildet,
klingen aufgrund der geringen Dicke der Polscheibe 44 um
einige Größenordnungen schneller ab, als dies
bei einem massiven Kern aus ferromagnetischem Material der Fall
wäre.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, steht – wie in 2 dargestellt – am Übergang
zwischen dem Pulververbundmaterial 12, d. h. im vorliegenden
Falle im Bereich des Außenpoles 42 des Magnetkerns 12 dem
magnetischen Fluss bereits eine deutlich höhere Querschnittsfläche
zur Verfügung im Vergleich zur Überlappungsstelle
von Polscheibe 44 und Anker 24. An dieser Stelle
liegt die magnetische Induktion, d. h. die Flussdichte, bereits unterhalb
der Sättigungsinduktion des Pulververbundmaterials des
Magnetkerns 12. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung ist die Engstelle für den magnetischen
Fluss somit in einem Material mit hoher Sättigungsinduktion
und hat keine überhöhte magnetische Feldstärke
H zur Folge.
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Des
Weiteren muss das Pulververbundmaterial des Magnetkerns 12 nun
nicht mehr in den Bereich seiner Sättigung ausgesteuert
werden, was negative Auswirkungen auf die Induktion im Luftspalt zwischen
der der zweiten Stirnseite 16 des Magnetkerns 12 aus
Pulververbundmaterial zuweisenden Stirnseite der Ankerplatte 24 des
Ankers 22 hätte. Daraus ergibt sich, dass der
Strombedarf des in 2 dargestellten Magnetkreises 10 geringer
ist, als dies in dem Magnetkreis der Fall ist, der im Zusammenhang
mit 1 dargestellt ist. Der geringe Strombedarf des
in 2 dargestellten, wie erfindungsgemäß vorgeschlagenen
optimierten Magnetkreises 10, kann entweder zu einer einfachen
Entlastung der Steuergeräteendstufe genutzt werden oder auch
bei unverändertem Nennstrom des Magnetkreises 10 zur
Reduktion der Windungszahl der Magnetspule 28 genutzt werden.
Bei entsprechender Auslegung des in der Darstellung gemäß 2 beispielhaft
einteilig ausgebildeten Ankers 22 kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung auch zu einer Steigerung der erzeugten Magnetkraft
genutzt werden. Voraussetzung dafür ist, dass der in der
Darstellung gemäß 2 einteilig
ausgebildete Anker 22 nicht bereits im Bereich seiner magnetischen
Sättigung ausgesteuert ist.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht hervor,
dass im Kontaktbereich der Polscheibe 44, die in der Ausführungsform
gemäß 2 lediglich den Außenpol 42 des
aus Pulververbundmaterial gefertigten Magnetkerns 12 überdeckt,
eine reduzierte Feldkonzentration 46 vorliegt. Zwischen
der zweiten Stirnseite 16 des aus Pulververbundmaterial
gefertigten Magnetkernes 12, d. h. dem Außenpol 42 und
einem Absatz an einer bevorzugt aus amagmetischem Material gefertigten
Hülse befindet sich eine Einspannstelle 48, an
welcher die bevorzugt aus ferromagnetischem Massivmaterial gefertigte
Polscheibe 44 im Magnetventilverbund angeordnet ist. Die
Stirnseite der Ankerplatte 24 des in der Darstellung gemäß 2 einteilig
ausgebildeten Ankers 22, die mit der ersten Stirnseite 16 des
aus Pulver verbundmaterial gefertigten Magnetkerns 12 den
Restluftspalt bestimmt, ist durch Bezugszeichen 50 identifiziert.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist die
Polscheibe zu entnehmen, mit einem optional vorhandenen Innenring.
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Die
Darstellung gemäß 3 zeigt,
dass die Polscheibe 44 zumindest einen Außenring 52 umfasst,
der in 2 den Außenpol 42 des aus Pulververbundmaterial
gefertigten Magnetkerns 12 überdeckt. Im Außenring 52 der
aus ferromagnetischem Material gefertigten Polscheibe 44 ist
in der Ausführungsform gemäß 3 ein
Radialschlitz 54 ausgebildet, der die magnetischen Eigenschaften
der Polscheibe 44 nochmals begünstigt.
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Die
Polscheibe 44 kann so gestaltet werden, dass sie außer
dem Außenring 52, der den Außenpol 42 überdeckt,
auch einen Innenring 56 enthält, welcher optional
den Innenpol 40 des aus Pulververbundmaterial gefertigten
Magnetkerns 12 abdecken könnte. Damit kann auch
dort eine Entlastung des Magnetkerns 12, oder bei unvollständiger
Abdeckung des Innenpols 40, eine Erhöhung der
Luftspaltinduktion und damit eine Steigerung der Magnetkraft erreicht
werden. In diesem Falle sind der Innenring 56 und der Außenring 52 der
Polscheibe 44 aus ferromagnetischem Massivmaterial durch
schmale Haltestege 60 miteinander verbunden. Diese gehen
bereits bei einem geringen Spulenstrom, mit dem die Magnetspule 28 des
Magnetkreises 10 bestromt wird, in die magnetische Sättigung
und sind daher für den weiteren Feldaufbau nicht mehr relevant.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht hervor,
dass zur Fixierung des Innenringes 56 drei Haltestege 60 vorhanden
sind, die in einem Winkel von etwa 120° zueinander positioniert
sind. Anstelle der in der Ausführungsform gemäß 3 dargestellten drei
Haltestege 60 kann auch eine geringere oder eine größere
Anzahl von Haltestegen 60 zur Fixierung des Innenringes 56 der
Polscheibe 44 an deren Außenring 52 eingesetzt
werden. Auch am Innenring 56, der optional den Innenpol 40 des
Magnetkerns 12 überdecken könnte, lässt
sich – wie in 3 dargestellt – mindestens
ein Radialschlitz 58 erzeugen. Alternativ kann eine Polscheibe 44 eingesetzt
werden, die vergleichbare magnetische Eigenschaften aufweist, wenn
diese statt aus einem ferromagnetischen Massivmaterial aus einem
Sintermaterial oder in MIM-Technik hergestellt wird. Auch die elektrische Leitfähigkeit
eines solchen Materials entspricht weitgehend jenes eines ferromagnetischen
Massivmaterials.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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