DE102007012151A1 - Proportionalmagnet - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Proportionalmagneten (1) mit einer von einem Spulenkörper (3) getragenen Wicklung (4), zwei von entgegengesetzten Seiten in den Spulenkörper (3) hineinragenden Polschuhen (5, 6), die axial voneinander beabstandet sind, wobei zwischen den Polschuhen ein Spalt (14) vorgesehen ist, einem Magnetanker (9), der innerhalb der Wicklung axial und im Wesentlichen parallel zu deren Längsachse (17) verschieblich angeordnet ist, wobei die axiale Bewegung des Magnetankers (9) auf ein Ventilglied oder dergleichen übertragbar ist, und ein elektrisch leitfähiges Element (16), wobei der Magnetanker (9) durch das Element (16) hindurch verlagerbar ist, wobei das Element (16) in dem Spalt (14) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Proportionalmagneten, insbesondere zur Betätigung eines hydraulischen Ventils.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Proportionalmagneten mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Längsquerschnittansicht eines erfindungsgemäßen Proportionalmagneten,
  • 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 1 bzw. von 3,
  • 3 eine Längsquerschnittansicht eines erfindungsgemäßen Proportionalmagneten in einer weiteren Ausführungsform,
  • 4 ein Diagramm eines Stroms als Funktion der Zeit, für eine Spule des Proportionalmagneten von 1,
  • 5 ein Diagramm einer Kraft als Funktion der Zeit, welche Kraft auf einen Magnetanker des Proportionalmagneten von 1 wirkt, und
  • 6 ein Diagramm eines Geräuschpegels als Funktion des Ansteuerstroms für den Magneten von 1, jeweils mit und ohne einen Ring.
  • Nachstehend ist unter Bezugnahme auf 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Proportionalmagneten 1 erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4423122 C2 [0002, 0005, 0005]

Claims (12)

  1. Proportionalmagnet (1), mit einer von einem Spulenkörper (3) getragenen Wicklung (4), zwei von entgegengesetzten Seiten in den Spulenkörper hineinragenden Polschuhen (5, 6), die axial voneinander beabstandet sind, wobei zwischen den Polschuhen ein Spalt (14) vorgesehen ist, einem Magnetanker (9), der innerhalb der Wicklung (4) axial und im Wesentlichen parallel zu deren Längsachse (17) verschieblich angeordnet ist, wobei die axiale Bewegung des Magnetankers (9) auf ein Ventilglied oder dergleichen übertragbar ist, und ein elektrisch leitfähiges Element (16), wobei der Magnetanker (9) durch das Element (16) hindurch verlagerbar ist, dadurch gekenneichnet, dass das Element (16) in dem Spalt (14) angeordnet ist.
  2. Proportionalmagnet (1) nach Anspruch 1, bei dem das Element (16) aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist.
  3. Proportionalmagnet (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Element aus einem Grundkörper gebildet ist, der eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist.
  4. Proportionalmagnet (1) nach Anspruch 3, bei dem die elektrisch leitfähige Schicht auf den Grundkörper separat aufgebracht ist.
  5. Proportionalmagnet (1) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Element (16) bzw. die elektrisch leitfähige Schicht einen gegen Korrosion schützenden metallischen Überzug aufweisen.
  6. Proportionalmagnet (1) nach Anspruch 5, bei dem der Überzug durch chemisches Verzinnen oder galvanisches Vergolden herstellbar ist.
  7. Proportionalmagnet (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Element (16) aus Kupfer oder Aluminium hergestellt ist.
  8. Proportionalmagnet (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Element ein Ring (16) ist, der bezogen auf die Längsachse (17) des Spulenkörpers (3) eine geringe Länge aufweist.
  9. Proportionalmagnet (1) nach Anspruch 8, bei dem ein Innendurchmesser des Rings (16) maximal so klein wie der Aussendurchmesser des Magnetankers (9) ist, wobei eine Verschieblichkeit des Magnetankers (9) durch den Ring (16) hindurch gewährleistet ist.
  10. Proportionalmagnet (1) nach Anspruch 8 oder 9, bei dem ein Aussendurchmesser des Rings (16) maximal so groß ist wie ein Aussendurchmesser zumindest eines der beiden Polschuhe (5, 6).
  11. Proportionalmagnet (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem in dem Element (16) bei einer radialen Verlagerung des Magnetankers (9) heraus aus der Mittenachse (17) des Spulenkörpers (3) eine Änderung des magnetischen Felds hervorgerufen und damit ein Wirbelstrom, der ein Magnetfeld induziert, erzeugt wird, wobei dieses Magnetfeld den Magnetanker (9) zurück auf die Mittenachse (17) des Spulenkörpers (3) zwingt.
  12. Proportionalmagnet (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Feldlinien des in dem Ring (16) induzierten Magnetfeldes in Bezug auf die Längsachse (17) des Spulenkörpers (3) infolge der geringen Länge des Rings (16) derart gekrümmt sind, dass die auf den Magnetanker (9) wirkenden Kräfte radiale Kraftkomponenten aufweisen, die in Richtung der Mittenachse (17) des Spulenkörpers (3) gerichtet sind.
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