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Die
Erfindung betrifft einen Proportionalmagneten, insbesondere zur
Betätigung eines hydraulischen Ventils.
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Proportionalmagnete
kommen in vielfältigen technischen Gebieten zum Einsatz.
Eine Ansteuerung solcher Magnete kann pulsweitenmoduliert erfolgen,
wobei die Spannung, die an den Magneten angelegt wird, periodisch
ein- und ausgeschaltet wird. Die Frequenz dieses periodischen Signals
wird als PWM-Frequenz bezeichnet. Ein pulsweitenmoduliert angesteuerter
Proportionalmagnet ist zum Beispiel in
DE 44 23 122 C2 gezeigt.
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Herkömmliche
Proportionalmagnete umfassen im Allgemeinen eine Spule, die zusammen
mit dem Eisenkreis eine induktive Last bildet. Diese induktive Last
bewirkt, dass der durch den Magnet fließende Strom zunächst
sprungförmig zunimmt und anschließend annähernd
linear abnimmt, bevor eine erneute Sprungzunahme einsetzt. Der mittlere Strom,
der in der Spule fließt, ist dabei proportional zum Produkt
aus Spulenwiderstand, Batteriespannung und Tastverhältnissen
der modulierten Spannung. Innerhalb einer Tastperiode schwankt der Strom
relativ stark. Die Differenz zwischen minimalem und maximalem Strom
innerhalb einer Periode wird als Stromripple bezeichnet. Grundsätzlich
ist der Stromripple vom Tastverhältnis, der PWM-Frequenz und
den Eigenschaften des Magnetkreises abhängig. Der Zusammenhang
zwischen diesen Größen ist jedoch stark nichtlinear
und somit nicht allgemeingültig für alle Magneten
anzugeben.
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Die
genannten Stromripple üben auf den Anker der Proportionalmagneten
eine periodisch schwankende Kraft aus, die eine von den mechanischen
Eigenschaften der Last am Abtrieb des Proportionalmagneten abhängige
Mikrobewegung des Ankers bewirkt. Diese Mikrobewegung wird im Allgemeinen
als Dither bezeichnet und vermeidet, dass der Anker an der Wandung
seiner Lagerung anhaftet. Damit bewirkt die PWM-Modulation als Nebeneffekt eine
Verringerung der mechanischen Hysterese des Magneten.
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Die
Ansteuerung des Magneten mittels pulsweitenmodulierter Signale unterliegt
jedoch dem Nachteil, dass dabei eine erhebliche Geräuschemission
auftritt. Bei dem Proportionalmagneten gemäß
DE 44 23 122 C2 werden
diese Geräuschemissionen durch radiale Bewegungen des Magnetankers
hervorgerufen, wobei diese Radialbewegungen über Mitkopplung
eine Erhöhung der Querkräfte und damit einen metastabilen
Zustand des Ankers bewirken. Die Geometrie eines Kupferrohrs, das
gemäß
DE
44 23 122 C2 radial zwischen dem Spulenkörper
und den Polschuhen und außerhalb des magnetischen Kreises
angeordnet ist, und die damit einhergehenden magnetischen Wechselwirkungen
zwischen diesem Rohr und dem Magnetanker sind nicht in der Lage,
den störenden Radialbewegungen des Magnetankers entgegenzuwirken.
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Zur
Unterdrückung von Geräuschemissionen bei pulsweitenmoduliert
angesteuerten Proportionalmagneten sind im Stand der Technik verschiedene
Lösungen bekannt. Zur Unterdrückung der Geräuschemission
wird die PWM-Frequenz in der Ansteuerung so lange erhöht,
bis die durch den Stromripple entstehende anregende Kraft soweit
abgesunken ist, dass die Ankerbewegung ausbleibt und damit kein Geräusch
emittiert wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass
dadurch die Haftreibung zwischen Magnetanker und dessen Lagerungshülse oder
dergleichen zunimmt und der Proportionalmagnet in Auswirkung dessen
eine störende Hysterese zeigt.
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Eine
weitere Lösung zur Unterdrückung der Geräuschemission
besteht darin, den Magnetanker mittels einer schallisolierenden
Umhüllung zu kapseln. Diese Lösung hat neben den
hohen Kosten auch den Nachteil, dass die Wärmeabfuhr am
Magneten behindert wird.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Herabsetzung der Schallemission
sieht schalldämmende Maßnahmen im Abtrieb des
Magneten vor. Hierbei wird die Masse des Ventilschiebers erhöht
und die Steifigkeit einer darauf wirkenden Rückstellfeder
verringert, wodurch die Schallisolation erzielt wird. Diese Maßnahmen
sind jedoch nicht wirkungsvoll, da hiermit nur die sekundäre
Schallemission, nicht jedoch die primäre Schallemission
des Magneten selbst unterbunden wird.
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Eine
schließlich weitere Möglichkeit der Schallemission
sieht eine hydraulische Dämpfung im Ankerraum vor. Dazu
wird der Raum ober- und unterhalb der beiden Stirnflächen
des Ankers gegen die Umgebung abgedichtet. Der Ankerkolben weist
nur einen kleinen, definierten Spalt zu der umgebenden Lagerung
auf. Die beiden Kammern oberhalb und unterhalb der Stirnflächen
werden mit einem viskosen Medium gefüllt. Damit stellen
die beiden Kammern und der Kolben einen viskosen Dämpfer
dar, dessen Dämpfungskraft durch den Spalt zwischen Kolben und
Lagerung sowie durch die Viskosität des Mediums bestimmt
werden. Diese Lösung ist jedoch insoweit nachteilig darin,
dass die erreichbare Dämpfung stark temperaturabhängig
ist und auch durch Fertigungstoleranzen unkontrollierbar schwanken
kann.
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Durch
den vorstehend genannten Stand der Technik ist es möglich, über
Variationen der Induktivität der PWM-Frequenz, der hydraulischen
Dämpfung im Ankerraum und der Steifigkeit des dem Magnetanker
nachgeschalteten mechanischen Systems Geräuschemissionen
zu minimieren. Diese Malinahmen vermindern allerdings auch die Funktionsqualität
und die Dynamik des Systems und erhöhen beträchtlich die
Hysterese des Proportionalmagneten.
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Entsprechend
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Proportionalmagneten
zu schaffen, der ohne Beeinträchtigung seiner Funktionsqualität und
mit einfachsten und preiswerten Mitteln eine verbesserte Geräuschemission
zeigt.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Proportionalmagneten mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßer Proportionalmagnet umfasst eine
von einem Spulenkörper getragene Wicklung, zwei von entgegengesetzten
Seiten in den Spulenkörper hineinragende Polschuhe, die
axial voneinander beabstandet sind, wobei zwischen den Polschuhen
ein Spalt vorgesehen ist, einen Magnetanker, der innerhalb der Wicklung
axial und im Wesentlichen parallel zu deren Längsachse
verschieblich angeordnet ist, wobei die Axialbewegung des Magnetankers
auf ein Ventilglied, Ventilschieber oder dergleichen übertragbar
ist, und ein elektrisch leitfähiges Element, durch welches
hindurch der Magnetanker verlagert werden kann, wobei das Element in
dem Spalt axial zwischen den beiden Polschuhen angeordnet ist.
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Die
Anordnung des elektrisch leitfähigen Element innerhalb
des Spalts steht in Zusammenhang mit zwei geometrischen Merkmalen
des Elements. Zum Einen ist eine Länge des Elements axial
und im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Spulenkörpers
gering, weil diese Länge durch die angrenzenden axialen
Stirnflächen der Polschuhe eingeschränkt ist.
Des Weiteren ist der radiale Abstand des Elements zu einer Mittenachse
des Spulenkörpers beziehungsweise des auf dieser Mittenachse
verschieblich angeordneten Magnetankers gering. Diese geometrischen
Merkmale des elektrisch leitfähigen Elements führen
zu zwei vorteilhaften Wirkungen in Bezug auf das magnetische Feld:
Die geringe Länge des Elements bewirkt eine relativ starke
Krümmung der Feldlinien des durch dieses Element induzierten
Magnetfelds. Dies bedeutet, dass die Feldlinien des Magnetfelds
mit der Längsachse des Spulenkörpers einen Winkel
einschließen, jedoch nicht parallel dazu verlaufen. Hierdurch
wirken vergleichsweise große radiale Kraftkomponenten auf
den Magnetanker in Richtung der Mittenachse des Spulenkörpers
ein, wenn sich der Magnetanker radial zur Wicklung verlagert. Des
Weiteren führt der vergleichsweise geringe radiale Abstand
des Elements zur Mittenachse des Spulenkörpers bzw. zum
Magnetanker dazu, dass die Änderung der magnetischen Flussdichte einen
relativ hohen Betrag annimmt, wenn sich der Magnetanker radial zur
Wicklung bewegt. Die Änderung der magnetischen Flussdichte
in Bezug auf das Element, welches den Magnetanker umschließt,
ist bei einer radialen Bewegung des Elements relativ zur Wicklung
verschieden von Null, so dass in dem Element ein Strom induziert
wird. Dieser Strom wiederum erzeugt in dem Element ein Magnetfeld,
das auf den Magnetanker nach Art eines Trichters wirkt. Anders ausgedrückt,
wird durch das in dem Element erzeugte Magnetfeld eine Trichterwirkung
hervorgerufen, die den Magnetanker zurück in Richtung der
Mittenachse des Spulenkörpers bzw. zurück auf
diese Achse zwingt. Bei einer radialen Bewegung des Magnetankers
entsteht also durch das in dem Element eben durch diese Radialbewegung
des Magnetankers erzeugte Magnetfeld eine bezüglich der
Mittenachse des Spulenkörpers selbststabilisierende Wirkung
für den Magnetanker nach Art der erläuterten Trichterwirkung.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Element aus einem
Grundkörper gebildet sein, der eine elektrisch leitfähige
Schicht aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das Element als solches nicht
aus einem metallischen Werkstoff herzustellen ist, sondern allein
die elektrisch leitfähige Schicht, die auf dem Grundkörper
zweckmäßigerweise separat aufgebracht ist, eine
den Magnetanker umschließende Leiterbahn ausbildet. Somit
bieten sich bei der Herstellung des Grundkörpers mehr Freiheiten
bezüglich dessen Fertigung und einer entsprechenden Materialauswahl.
Beispielsweise lässt sich der Grundkörper preiswert
aus einem Kunststoff mittels Spritzgießen herstellen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können das Element,
wenn es aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, beziehungsweise
die elektrisch leitfähige Schicht einen gegen Korrosion schützenden
metallischen Überzug aufweisen. Vorzugsweise kann ein solcher Überzug
durch chemisches Verzinnen oder auch galvanisches Vergolden hergestellt
werden. Der Überzug verhindert somit eine unerwünschte
Korrosion des Elements bzw. der leitfähigen Schicht und
gewährleistet damit eine hohe Funktionssicherheit des Proportionalmagneten
in Verbindung mit einer hohen Lebensdauer.
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Die
vorstehend erläuterte geringe Höhe des Elements
in Bezug auf eine Längsachse des Spulenkörpers
kann dadurch erzielt werden, dass das Element als Ring ausgebildet
ist. Dieser Ring umschließt den Magnetanker in einer jed weden
Position desselben in Bezug auf den Spulenkörper bzw. die
Wicklung. Hierdurch ist die vorteilhafte Krümmung der Feldlinien
des in dem Ring erzeugten Magnetfelds bezüglich der Längsachse
des Spulenkörpers sichergestellt.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann ein Innendurchmesser
des Rings maximal so klein wie der Außendurchmesser des
Magnetankers sein, wobei eine Verschieblichkeit des Magnetankers durch
den Ring hindurch gewährleistet ist. Der Ring ist hierbei
mit seiner Innenumfangsfläche sehr dicht an einen Außenumfang
des Magnetankers herangeführt, ohne dass es zu einem Verklemmen
dieser Bauteile miteinander kommt. Des Weiteren kann ein Außendurchmesser
des Rings maximal so groß wie ein Außendurchmesser
zumindest eines der beiden Polschuhe gewählt sein. Dies
bewirkt zum einen, dass der Ring immer noch innerhalb des Luftspalts axial
zwischen den beiden Polschuhen angeordnet ist, und des Weiteren
die Länge des Rings bei dieser Anordnung maximal ist. Somit
nimmt der in dem Ring bei einer Radialbewegung des Magnetankers
erzeugte Wirbelstrom einen hohen Betrag an, wobei ein durch diesen
Wirbelstrom erzeugtes Magnetfeld die Radialbewegung des Magnetankers
dämpft und diesen zurück auf die Mittenachse des
Proportionalmagneten bzw. des Spulenkörpers zwingt. Vorstehend
wurde dies bereits als Trichterwirkung erläutert.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Element bzw.
der Ring aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein, zum
Beispiel aus Kupfer oder Aluminium. Dies gewährleistet
ein ausreichend hohes Magnetfeld, das in dem Element bzw. dem Ring
infolge des darin induzierten Stroms erzeugt wird.
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Der
erfindungsgemäße Proportionalmagnet wird bevorzugt
als Betätigungselement für ein Proportional-Drosselventil
bei geschwindigkeitsabhängigen Servolenkungen von Fahrzeugen
verwendet. Der störende Geräuschpegel bei herkömmlichen Proportionalmagneten
ist insbesondere bei großen Stromripplen ausgeprägt
vorhanden, da das PWM-Signal in diesem Bereich einsetzt und vorher Vollaussteuerung
gegeben ist. Dieser Bereich entsteht bei einer Servolenkung beim
Einparken, im Leerlauf und/oder im Stillstand des Fahrzeugs. Gerade
in diesem Bereich macht sich die störende Geräuschentwicklung
infolge fehlender Fahrtgeräusche unangenehm bemerkbar.
Abhilfe schafft hierbei der erfindungsgemäße Proportionalmagnet,
wie erläutert.
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Alternativ
ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Proportionalmagneten
bei jeglichen anderen Anwendungen möglich, bei denen eine
oszillierende axiale Antriebsbewegung erforderlich ist. Bei dem
erfindungsgemäßen Proportionalmagneten lassen
sich solche Antriebsbewegungen durch die pulsweitenmodulierten Signale,
mit denen die Spule zum Antreiben des Magnetankers beaufschlagt
wird, erzeugen, wobei durch das elektrisch leitfähige Element
bzw. den Ring eine radiale Bewegung des Magnetankers und damit störende
Geräuschemissionen verhindert werden.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand einer Ausführungsform
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme
auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Längsquerschnittansicht eines erfindungsgemäßen
Proportionalmagneten,
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 1 bzw.
von 3,
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3 eine
Längsquerschnittansicht eines erfindungsgemäßen
Proportionalmagneten in einer weiteren Ausführungsform,
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4 ein
Diagramm eines Stroms als Funktion der Zeit, für eine Spule
des Proportionalmagneten von 1,
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5 ein
Diagramm einer Kraft als Funktion der Zeit, welche Kraft auf einen
Magnetanker des Proportionalmagneten von 1 wirkt,
und
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6 ein
Diagramm eines Geräuschpegels als Funktion des Ansteuerstroms
für den Magneten von 1, jeweils
mit und ohne einen Ring.
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Nachstehend
ist unter Bezugnahme auf 1 eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Proportionalmagneten 1 erläutert.
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Der
Proportionalmagnet 1 weist ein aus magnetischem Material
hergestelltes Gehäuse 2 auf, in dem eine von einem
Spulenkörper 3 getragene Wicklung 4 aufgenommen
ist. Die Wicklung 4 bildet eine Spule zur Erzeugung eines
Magnetfeldes, wobei das magnetische Gehäuse 2 zur
magnetischen Flussführung dient. Das Gehäuse 2 ist
an seinen axialen Enden jeweils durch einen Polschuh verschlossen,
wobei die beiden Polschuhe von entgegengesetzten Seiten her in den
Spulenkörper 3 hineinragen.
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In
der Längsquerschnittsansicht gemäß 1 rechts
gezeigt ist ein erster Polschuh 5, auch Joch genannt, der
aus einer Jochscheibe 5a und aus einem Polrohr 5b besteht.
Entgegengesetzt zum ersten Polschuh 5, d. h. in der Ansicht
gemäß 1 links gezeigt ist das Gehäuse 2 durch
einen zweiten Polschuh 6 verschlossen, der einstückig
aus einer Ventilhülse 7 und einem Konus 8 gebildet
ist. Beide Polschuhe 5, 6 sind jeweils aus magnetisch
leitendem Material hergestellt.
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Innerhalb
des Polrohrs 5b ist ein Magnetanker 9 aus magnetischem
Material aufgenommen. Der Magnetanker 9 ist mittels einer
an einer Innenumfangsfläche des Polrohrs 5b festgesetzten
Führungsbuchse 10 innerhalb des Polrohrs 5b beziehungsweise
des ersten Polschuhs 5 axial verschieblich geführt.
Der Magnetanker 9 besteht aus einem Zylinder mit einer
Innenbohrung, in der eine Betätigungsstange 11 befestigt
ist. Die Betätigungsstange 11 ist durch eine in
dem zweiten Polschuh 6 ausgebildete Bohrung 12 aus
der Ventilhülse 7 (in 1 nach links) herausgeführt.
Eine Führungsbuchse 13 innerhalb der Bohrung 12 gewährleistet
eine zentrische Führung der Betätigungsstange 11 innerhalb
der Bohrung 12 auf der Mittenachse 17.
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Zwischen
dem ersten Polschuh 5 und dem zweiten Polschuh 6 ist
axial ein funktionsbedingter Spalt 14 vorgesehen. Der Konus 8 als
Teil des zweiten Polschuhs 6 weist angrenzend an diesen
Spalt 14 einen Steuerkonus 15 auf, der eine in
Richtung des Spalts 14 beziehungsweise des Magnetankers 9 abfallende
Kontur aufweist. In dem Spalt 14 ist ein Ring 16 angeordnet,
der sich radial zwischen dem Spulenkörper bzw. der Wicklung 4 und
dem Magnetanker 9 befindet. Der Ring ist aus einem nichtmagnetischen, elektrisch
leitfähigen, metallischen Werkstoff hergestellt, wobei
hierzu insbesondere das Material Kupfer in Betracht kommt. Alternativ
hierzu kann der Ring 16 auch aus Aluminium hergestellt
sein. Die Längsquerschnittansicht von 1 verdeutlicht,
dass ein Innendurchmesser des Rings 16 geringfügig
größer als ein Außendurchmesser des Magnetankers 9 gewählt
ist. Dies hat zur Folge, dass der Ring 16 radial sehr dicht an
dem Magnetanker 9 angeordnet ist, wobei gleichzeitig eine
axiale Verschieblichkeit des Magnetankers 9 durch den Ring 16 hindurch
gewährleistet ist. Ein Außendurchmesser des Rings 16 entspricht
im Wesentlichen einem Innendurchmesser des Spulenkörpers 3.
Ein wesentliches Merkmal des Rings 16 ist, dass er axial,
d. h. parallel zur Längsachse 17 des Proportionalmagneten 1 eine
vergleichsweise geringe Menge aufweist.
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Der
Proportionalmagnet 1 umfasst des Weiteren eine Mehrzahl
von O-Ringen 18, die den Spulenkörper 3 gegenüber
dem Polrohr 5b bzw. dem Konus 8 abdichten. An
einer Außenumfangsfläche der Ventilhülse 7 ist
ein weiterer O-Ring 19 vorgesehen, um eine Abdichtung gegenüber
angrenzenden Maschinenteilen oder dergleichen Gewähr zu
leisten. Der Proportionalmagnet 1 umfasst radial umlaufend zum
Konus 8 einen Befestigungsflansch 20, der zum Beispiel
einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet ist
und zur geeigneten Befestigung des Proportionalmagneten 1 dient.
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In 2 ist
eine Querschnittsansicht des Proportionalmagneten 1 entlang
der Linie B-B von 1 gezeigt. Hierin ist deutlich
zu erkennen, dass der Ring 16 den Magnetanker 9 vollumfänglich
umschließt. An dem Gehäuse 2 sind elektrische
Steckerkontakte 21 zur Spannungsversorgung der Spule 4 vorgesehen.
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Der
Proportionalmagnet 1 dient vorzugsweise als Betätigungselement
für ein Proportional-Drosselventil, zum Beispiel für
geschwindigkeitsabhängige Servolenkungen von Fahrzeugen
oder dergleichen. Entsprechend ist die Betätigungsstange 11 mit einem
Ventilelement oder dergleichen verbunden, so dass eine axiale Verlagerung
des Magnetankers 9 bezüglich der Mittenachse 17 auf
das Ventilelement übertragen wird. Die Ansteuerung des
Proportionalmagneten 1 erfolgt über eine pulsweitenmodulierte Spannung,
die an die Spule 4 angelegt wird. Infolge des von der Spule 4 dabei
erzeugten Magnetfelds wird der Magnetanker 9 innerhalb
des ersten Polschuhs 5 zwischen einer ersten und zweiten
Endposition hin- und herverlagert. Beim Bestromen der Spule 4 erfolgt
ein Verschieben des Magnetankers 9 in seine erste (in 1 links
gezeigte) Endposition, in der eine dem zweiten Polschuh 6 zugewandte
Stirnseite des Magnetankers 9 innerhalb des Steuerkonus 15 aufgenommen
ist. Die vorstehend erläuterte abfallende Kontur des Steuerkonus 15 in
Richtung des Spalts 14 ermöglicht eine weitgehend
konstante Magnetkraft über den Ankerhub. Falls die Spule 4 entregt
wird, so wird der Magnetanker 9 durch eine Federvorspannung
oder dergleichen in Richtung seiner zweiten Endposition verlagert,
d. h. in Richtung der Jochscheibe 5a.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform des Proportionalmagneten 1 in
einer Längsquerschnittansicht gezeigt. Diese Ausführungsform
ist mit jener von 1 identisch mit der Ausnahme,
dass der Ring 16 hierbei eine kleinere Länge parallel
zur Längsachse 17 aufweist. Das Funktionsprinzip
des Proportionalmagneten 1 ändert sich jedoch
dadurch nicht. Eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 3 entspricht
der Darstellung von 2, wie vorstehend erläutert
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Die
Erfindung funktioniert nun wie folgt:
Durch das Anlegen einer
Spannung an die Spule 4 wird darin ein Magnetfeld erzeugt,
das auf den Magnetanker 9 wirkt. Infolgedessen wird der
Magnetanker 9 innerhalb des Polrohrs 5b und durch
den Ring 16 hindurch in seine erste Endstellung verschoben. Hierdurch
wird das mit der Betätigungsstange 11 verbundene
Ventilelement beaufschlagt. Falls bei dieser axialen Verschiebung
sich der Magnetanker 9 auch radial verlagert, also im Wesentlichen
senkrecht zur Mittenachse 17 des Proportionalmagneten 1,
so wird eine Änderung des magnetischen Felds hervorgerufen
und damit ein Wirbelstrom in dem Ring 16 erzeugt, der hierin
ein entgegengerichtetes Magnetfeld induziert. Die Geometrie des
Rings 16 führt dabei zu zwei Wirkungen: Die geringe
Länge des Rings 16 bezüglich der Längsachse 17 bewirkt
eine relativ starke Krümmung der Feldlinien des durch den
Ring 16 induzierten Magnetfelds. Dies bedeutet, dass die
Feldlinien des Magnetfelds mit der Mittenachse 17 des Spulenkörpes 3 einen
Winkel einschließen, jedoch nicht parallel dazu verlaufen.
Dadurch übt das in dem Ring 16 induzierte Magnetfeld
vergleichsweise große radiale Kraftkomponenten auf den
Magnetanker 9 in Richtung der Längs- bzw. Mittenachse 17 aus,
wobei diese radialen Kräfte den Magnetanker 9 nach
Art einer Trichterwirkung zurück auf die Mittenachse 17 des
Proportionalmagneten 1 zwingen. Hieraus resultiert eine
selbststabilisierende Wirkung für den Magnetanker 9,
wenn dieser sich innerhalb des Rings 16 radial zur Mittenachse 17 verlagert.
Im Ergebnis werden eine radiale Verlagerung des Magnetankers 9 aufgehoben
und damit störende Geräusche unterbunden.
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Eine
weitere Wirkung des Rings 16 ist durch seinen vergleichsweise
geringen radialen Abstand zur Mittenachse 17 gegeben. Hieraus
resultiert ein hoher Betrag für die Änderung der
magnetischen Flussdichte, wenn sich der Magnetanker 9 radial
zur Mittenachse 17 bewegt. Hierdurch nehmen die vorstehend
genannten radialen Kraftkomponenten, die auf den Magnetanker 9 einwirken,
einen ausreichend hohen Betrag an, so dass sich die erläuterte
selbststabilisierende Wirkung nach Art der Trichterwirkung einstellt.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin begründet,
dass bedingt durch den Ring 16 und dessen Wirkungen auf
den Magnetanker 9 die unerwünschten Radialbewegungen
des Magnetankers 9 und die daraus resultierenden Geräuschemissionen eliminiert
werden, ohne dass hierzu die PWM-Frequenz zu verändern
ist.
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Die
Wirkungen des Proportionalmagneten 1, der den Ring 16 aufweist,
sind im Vergleich zu einer herkömmlichen Ausführungsform
ohne diesen Ring in den Diagrammen der 4 bis 6 dargestellt.
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In 4 ist
der in der Spule 4 fließende Strom als Funktion
der Zeit dargestellt, wobei die an die Spule 4 angelegte
Spannung, die PWM-Frequenz und das Tastverhältnis jeweils
konstant sind. Die gestrichelte Kurve in dem Diagramm von 4 zeigt
den erfindungsgemäßen Proportionalmagneten 1 mit
dem Ring 16, und die durch die Volllinie dargestellte Kurve
zeigt eine Ausführungsform eines Proportionalmagneten ohne
den Ring 16. In dem Diagramm sind die Kurven ab einer Zeit
von 60 msec dargestellt, so dass ein Einschwingverhalten der Spule 4 mit
ansteigendem mittleren Strom bereits verklungen ist. Entsprechend
sind die mittleren Ströme für die jeweiligen Kurven
in diesem Diagramm im Wesentlichen konstant. Es ist zu erkennen,
dass die komplexe Induktivität des Proportionalmagneten 1 bestehend
aus Spule 4 und Ring 16 sich derart ändert,
dass in der Spule 4 im Vergleich zu der Ausführungsform
ohne Ring größere Stromripple erzeugt werden.
Dies wird durch die in dem Ring 16 hervorgerufenen Wirbelströme
verursacht.
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In
dem Diagramm von 5 ist die auf den Magnetanker 9 wirkende
Kraft als Funktion der Zeit aufgetragen, wobei analog zur Darstellung
von 4 wiederum die an die Spule 4 angelegte
Spannung die PWM-Frequenz und das Tastverhältnis konstant
gehalten sind. Die gestrichelte Kurve des Diagramms von 5 ist
dem erfindungsgemäßen Proportionalmagneten 1 zugeordnet,
und die Volllinie ist einem herkömmlichen Proportionalmagneten
ohne den Ring zugeordnet. Es ist zu erkennen, dass bei dem erfindungsgemäßen
Proportionalmagneten 1 die Kraft, die auf den Magnetanker 1 wirkt,
gedämpft wird beziehungsweise abnimmt. Die in 4 gezeigten großen
Stromripple wirken nach dem Prinzip einer Wirbelstrombremse, so
dass im Ergebnis eine Verminderung der Kraft wie in 5 gezeigt
eintritt.
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6 schließlich
zeigt einen resultierenden Geräuschpegel als Funktion eines
Ansteuerstroms, wobei diese beiden Größen jeweils
auf einen Nennwert (Maximalwert) normiert sind. In dem Diagramm von 6 ist
die gestrichelte Kurve einem herkömmlichen Proportionalmagneten
ohne Ring zugeordnet, und die Volllinie ist dem erfindungsgemäßen
Proportionalmagneten 1 mit Ring 16 zugeordnet.
Es ist ersichtlich, dass sich für den erfindungsgemäßen
Proportionalmagneten 1 gegenüber einer herkömmlichen
Ausführungsform ohne den Ring eine Geräuschverminderung
um nahezu 10 dB ergibt. Die größte Geräuschverbesserung
liegt hierbei bei vergleichsweise großem Ansteuerstrom
von ca. 0,8 vor. Im Bezug auf eine Verwendung des Proportionalmagneten 1 bei
einer Servolenkung ist dies von besonderer Bedeutung, weil in diesem
Bereich das PWM-Signal einsetzt und zuvor vollaussteuernd gegeben
ist. Dieser Bereich entsteht bei der Servolenkung insbesondere beim
Einparken, im Leerlauf oder im Stillstand des Kraftfahrzeugs, so
dass wegen der fehlenden Fahrtgeräusche sich die Verminderung
der Geräuschemission für den Fahrzeuginsassen
noch stärker bemerkbar macht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Proportionalmagneten 1 können
störende Radialbewegungen des Magnetankers 9 und
daraus resultierende Geräuschemissionen allein durch Verwendung
des Rings 16 unterbunden werden, ohne dass dabei eine Erhöhung
der PWM-Frequenz, eine Schall-Kapselung des Magnetankers oder ähnliche
Maßnahmen erforderlich sind. Durch diese einfache konstruktive Maßnahme
lassen sich die Geräuschemissionen des Proportionalmagneten
um bis zu 30 dB ohne hohen Zusatzaufwand senken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4423122
C2 [0002, 0005, 0005]