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Die
Erfindung betrifft einen Elektromagneten als Betätigungseinrichtung oder Stellglied
für Ventile, Pumpen
oder sonstige Einrichtungen entsprechend dem Oberbebriff des Anspruches
1.
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Ein
solcher Elektromagnet ist in der nach veröffentlichten Patentschrift
der Anmelderin
DE
10 2007 059 237 B3 beschrieben. Insbesondere ist in dieser
Anmeldung die Anwendung eines solchen Elektromagneten bei Membranpumpen
angegeben.
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Bei
der älteren
Lösung
ist zur Verbesserung des Magnetflusses und zur Führung für den Hubankerkolben der Kernflansch
mit einer hülsenartigen Verlängerung
ausgestattet, die bis in die Spulenanordnung reicht. Der Hubankerkolben
ist in diesem hülsenartigen
Vorsprung geführt
und durch Erregung der Spulenanordnung in axialer Richtung zwangsverschieblich.
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Bei
der beschriebenen Anordnung ist selbstverständlich, dass das Gehäuse, das
Joch, der Kernflansch sowie der Hubankerkolben aus magnetisch leitendem
Material bestehen, also beispielsweise aus ferromagnetischem Material
oder auch aus anderen magnetisierbaren Materialien.
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Bei
nicht erregter Spulenanordnung wird der Hubankerkolben mittels der
Rückstellfeder,
die vorzugsweise als Schraubenfeder ausgebildet ist, in die Grundstellung
gedrückt,
in welcher der Hubankerkolben Abstand von der Stirnfläche des
zylindrischen Vorsprunges des Joches hat. Bei erregter Spulenanordnung
wird der Hubankerkolben entgegen der Kraft der Rückstellfeder in Richtung auf
die Stirnfläche
des zylindrischen Vorsprungs des Jochs zwangsverstellt. Die Zurückstellung
des Hubankerkolbens bei nicht erregter Spulenanordnung erfolgt vorzugsweise
gegen eine Hubbegrenzung (einen mechanischen Anschlag).
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Bei
vielen Anwendungsfällen
solcher Elektromagneten ist es erwünscht, die Hubkraft eines als Antrieb
eingesetzten Elektromagneten zu erhöhen. Aus dem allgemeinen Stand
der Technik ist es bekannt, dies durch Erhöhung des Stromes beziehungsweise
der angelegten Spannung zu erzielen. Darüber hinaus ist dies auch durch
konstruktive Gestaltung des Magnetkreises zu realisieren, wie zum Beispiel
durch eine optimierte Gestaltung des Arbeitsluftspaltes. Als weitere
Möglichkeit
bietet sich eine konstruktive Variation des Bereiches zwischen Joch,
Hubankerkolben und Kernflansch an. Alle diese Maßnahmen sind jedoch bei vorgegebenem
Bauraum und Gewicht mit Nachteilen verbunden.
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Eine
als ziehender Hubmagnet bezeichnete Betätigungseinrichtung ist beispielsweise
aus der
DE 198 47
304 C2 bekannt. Hierbei ist der Hubankerkolben unmittelbar
in einer zylindrischen Führung
geführt,
die durch den Spulenkörper
der Spulenanordnung gebildet ist. Die eigentliche Führung des
Hubankerkolbens erfolgt dabei zwischen einem radial vergrößerten Bereich
des Hubankerkolbens und dem Gehäuse.
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Diese
Anordnung ist hinsichtlich des Magnetflusses nicht optimal, wobei
zudem die Führung des
Hubankerkolbens problematisch ist, da dieser innerhalb des Spulenkörpers „kippeln” kann.
Hierbei weist der als Antrieb für
ein Druckregelventil verwendete Elektromagnet zwischen Joch und
Hubankerkolben eine zentrisch angeordnete Rückstellfeder in Form einer
Schraubenfeder auf, die in axialen Bohrungen sowohl des Ankerkolbens
als auch des Jochs gelagert ist. Die Anordnung der Bohrungen reduziert aber
den Bereich des parallelen Übergangs
der magnetischen Feldlinien vom Hubankerkolben zum Joch und erzeugt
in diesem Bereich eine Feldschwächung,
die eine Kraftreduzierung des Hubankerkolbens zur Folge hat. Zur
Kompensation dieser Feldschwächung
wird daher immer ein physikalisch größer dimensionierter Magnet
mit erhöhtem
Bauraum und Gewicht erforderlich.
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Aus
DE 600 35 748 T2 ist
ein gattungsgemäßer Elektromagnet
mit einem axial beweglichen Hubankerkolben als Antriebselement zum
Auslö sen eine
Schaltelementes bekannt, wobei der Hubankerkolben an seinem dem
Joch des Magneten zugewandten Ende einen radial abragenden Kragen
mit einer ebenen Polfläche
aufweist.
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Durch
diese Anordnung wird zwar die polwirksame Fläche zwischen Hubankerkolben
und Joch vergrößert. Eine
geometrische Beeinflussung der Hub-kraft-Kennlinie im Sinne einer
Verringerung der Kraft beim Hubanfang ist nicht vorgesehen. Erfindungen
auf der Stirnfläche
des Hubankerkolbens sind aus der
JP 2001135520 A an sich bekannt.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten
Elektromagneten zur Verfügung
zu stellen, der eine geometrische Beeinflussung der Hub-kraft-Kennlinie
im Sinne einer Verringerung der Kraft beim Hubanfang ermöglicht.
Die Lösung
der Aufgabe erfolgt in Verbindung mit dem Oberbegriff durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.
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Die
Stirnfläche
des Hubankerkolbens weisen im Bereich des Kragens axial vorragende
Materialerhöhungen
auf, die bei bestromter Spulenanordnung in entsprechende axial gerichtete
Vertiefungen in der Stirnfläche
des zylindrischen Vorsprungs des Jochs eingreifen. Durch die Erhöhungen der
Stirnfläche
des Kragens, die bei Erregung der Spulenanordnung in entsprechende
axiale Vertiefungen des Jochs eingreifen, wird eine geometrische
Beeinflussung der Hub-Kraft-Kennlinie erreicht, um einen linearen
Verlauf zu erzielen.
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Vorzugsweise
ist dabei vorgesehen, dass der Kragen derart bemessen ist, dass
die so gebildete Stirnfläche
des Hubankerkolbens gleich der Stirnfläche des zylindrischen Vorsprungs
des Jochs ist.
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Bevorzugt
ist dabei vorgesehen, dass die Stirnfläche des Hubankerkolbens um
das notwendige Bewegungsspiel des Hubankerkolbens in der Spulenanordnung
geringer als die Stirnfläche
des zylindrischen Vorsprungs bemessen ist. Das Joch ragt bei dieser
Ausbildung nebst dem zylindrischen Vorsprung in die Spulenanordnung
hinein. Ebenso ragt von der anderen Seite die hülsenartige Verlängerung des
Kernflansches in die Spulenanordnung hinein. Zwischen den Enden
der beiden Teile verbleibt ein Abstandsspalt. In diesem Spalt greift
der Kragen des Hubankerkolbens ein, wobei der Abstand zwischen den
Teilen so bemessen ist, dass die gewünschte axiale Verschiebung
des Hubankerkolbens bei unbestromter Spulenanordnung und bei bestromter
Spulenanordnung ermöglicht
ist. Insbesondere für
die Beweglichkeit des Hubankerkolbens ist zwischen dem Kragen und
der Spulenanordnung ein ausreichendes Bewegungsspiel gebildet und
erforderlich.
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Zudem
ist vorgesehen, dass das Joch samt zylindrischem Vorsprung axial
von einer zentrischen Bohrung durchsetzt ist, die im Bereich des
zylindrischen Vorsprungs eine Stufe oder einen Anschlag für das erste
Ende der Rückstellfeder
aufweist.
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Auch
ist vorgesehen, dass der Hubankerkolben eine axiale zentrische Bohrung
aufweist, die von seiner Stirnfläche
bis nahe seines anderen Endes reicht und dort in eine den Hubankerkolben
durchsetzende Querbohrung einmündet,
wobei die zentrische Bohrung eine Stufung oder einen Anschlag aufweist, an
dem das zweite Ende der Rückstellfeder
anliegt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
wird darin gesehen, dass der Kragen an den Hubankerkolben angeformt,
also einstückig
mit diesem ausgebildet ist.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform,
die die Montage erleichtert, wird darin gesehen, dass der Kragen
ein auf den Hubankerkolben aufgebrachter Ring aus magnetisch leitendem
Material ist, oder eine auf die Stirnseite des Hubankerkolbens aufgebrachte
Scheibe aus solchem Material. Beispielsweise kann der Kragen in
Form eines Ringes oder einer Scheibe aus magnetisch leitendem Material
auf den Hubankerkolben aufgesetzt und mit diesem fest verbunden
werden. Die Montage der Einzelteile ist dann erleichtert, da der
zylindrische Hubankerkolben zunächst
lagerichtig montiert werden kann und anschließend die Scheibe oder der Ring,
die den Kragen bilden, aufgebracht werden kann.
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Zudem
kann vorgesehen sein, dass der Kragen eine Dicke hat, die der Länge des Überstandes des
Hubankerkolbens über
den hülsenartigen
Vorsprung des Kernflansches entspricht.
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Auch
kann vorgesehen sein, dass die Stirnkante des hülsenartigen Vorsprungs des
Kernflansches einen Anschlag bildet, an dem der Kragen bei unbestromter
Spulenanordnung anliegt.
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Um
die Funktionstüchtigkeit
zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass in den hülsenartigen Vorsprung
des Kernflansches eine Gleithülse
eingepasst ist, in der der Hubankerkolben leicht verschieblich gelagert
und geführt
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden
näher beschrieben.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Elektromagneten
im Mittellängsschnitt
gesehen.
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2 eine
zweite Ausführungsform
in analoger Darstellung.
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In
der Zeichnung ist ein Elektromagnet als Betätigungseinrichtung beispielsweise
für eine
Pumpe gezeigt. Dieser Elektromagnet weist ein Gehäuse 1 sowie
eine im Gehäuse 1 angeordnete
zylindrische Spulenanordnung 2 auf. Die Spule 2 ist
von einem Spulenträger 3 gehalten
und außenseitig
von einem Element 4 überdeckt.
Die Spule 2 ist über
einen Anschlussstecker 5 mit einer entsprechenden Stromversorgung
zu koppeln.
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In
dem Gehäuse 1 ist
ferner ein Joch 6 in einem Endbereich des Gehäuses 1 befestigt,
dass mit einem zylindrischen Vorsprung 7 bis in die Spulenanordnung 2 reicht.
Davon räumlich
getrennt ist am anderen Endbereich des Gehäuses 1 ein Kernflansch 8 vorgesehen,
der mit einem hülsenartigen
Vorsprung 9 bis in die Spulenanordnung 2 reicht.
Ferner ist ein Hubankerkolben 10 vorgesehen, der in dem
hülsenartigen
Vorsprung 9 axial verschieblich geführt ist und bei unbestromter
Spulenanordnung 2 in einer ersten Lage mit Abstand von
der Stirnfläche
des zylindrischen Vorsprunges 7 des Joches 3 angeordnet
ist, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Bei bestromter Spulenanordnung 2 wird
der Hubankerkolben 10 in Richtung auf die Stirnseite des
zylindrischen Vorsprunges des Joches 6 bewegt. Zwischen
dem Joch 6 und dem Hubankerkolben 10 ist eine
Rückstellfeder 11 in
Form einer Schraubendruckfeder angeordnet, deren erstes Ende in
einer Axiallochung 12 des Joches und deren zweites Ende
in einer Axiallochung 13 des Hubankerkolbens 10 eingreift.
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Der
Hubankerkolben 10 weist an seinem dem Joch 6 zugewandten
Ende einen radial abragenden Kragen 14 auf. Der Kragen 14 ist
so bemessen, dass die so gebildete Stirnfläche des Hubankerkolbens 10 etwa
gleich der Stirnfläche
des zylindrischen Vorsprunges 7 trifft. Dabei ist der Kragen 14 und
damit die Stirnfläche
des Hubankerkolbens 10 lediglich um das notwendige Bewegungsspiel 10 des
Hubankerkolbens 10 in der Spulenanordnung 2 geringer
als die Stirnfläche
des zylindrischen Vorsprunges 7 bemessen.
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Das
Joch 6 samt zylindrischem Vorsprung 7 ist von
einer zentrischen Bohrung 15 durchsetzt, die im Bereich
des zylindrischen Vorsprunges 7 eine Stufe oder einen Anschlag
für das
erste Ende der Rückstellfeder 12 aufweist.
Der Hubankerkolben 10 weist ebenso eine axiale zentrische
Bohrung 16 auf, die von seiner Stirnfläche bis nahe seines anderen
Endes reicht und dort in eine dem Hubankerkolben 10 durchsetzende
Querbohrung 17 einmündet,
wobei die zentrische Bohrung 16 eine Stufung oder einen Anschlag
aufweist, an dem das zweite Ende der Rückstellfeder 11 anliegt.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 1 ist der Kragen 14 an dem Hubankerkolben 10 angeformt, also
einstückig
mit diesem ausgebildet. Bei der Ausführungsform nach 2 ist
der Kragen 14 ein auf dem Hubankerkolben 10 aufgebrachter
Ring, der ebenso wie die anderen magnetisch wirksamen Teile aus
magnetisch leitendem Material besteht.
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In
jedem Fall hat der Kragen 14 eine Dicke, die den Überstand
des Hubankerkolbens 10 über
den hülsenartigen
Vorsprung 9 des Kernflansches 8 entspricht. Gegebenenfalls
kann die Stirnkante des hülsenartigen
Vorsprunges 9 des Kernflansches 8 einen Anschlag
bilden, an den der Kragen 14 bei unbestromter Spulenanordnung
anliegt. Eine solche Wegbegrenzung kann aber auch in anderer Weise
realisiert werden, beispielsweise durch eine Anschlagfläche, an
der das dem Kragen 14 abgewandte Ende des Hubankerkolbens 10 bei
unbestromter Spulenanordnung anliegt. In dem hülsenartigen Vorsprung 9 ist
innenseitig zusätzlich
eine Gleithülse 18 angepasst,
in der der Hubankerkolben 10 leicht verschieblich gelagert
und geführt
ist.
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Die
Stirnfläche
des Hubankerkolbens 10 weist im Bereich des Kragens 14 axial
vorragende Materialerhöhungen 19 auf,
die bei bestromter Spulenanordnung 2 in entsprechender
axial gerichtete Vertiefungen 20 in der Stirnfläche des
zylindrischen Vorsprunges 7 des Joches 6 eingreifen.
Während
in 1 lediglich die bedeutsamen Elemente des Elektromagneten
gezeigt sind, ist in 2 noch ergänzend eine Ausbildung gezeigt,
bei der der Elektromagnet mit einer Membranpumpe zusammenwirkt.
Diese Anwendung ist eine mögliche
Anwendung von vielen Möglichkeiten,
die der erfindungsgemäße Elektromagnet
bildet.
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Die
Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel. Alle neuen,
in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale
werden als erfindungswesentlich angesehen.