DE102012017916B3

DE102012017916B3 - Elektromagnet mit verbesserter Wärmeleitungund Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102012017916B3
Application number: DE201210017916
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schonlau; René Schulz
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2032-09-12

Abstract

Aufgabe: In einem Elektromagneten soll die Leitung der Wärme von der Spule an die Anflanschfläche verbessert werden. Lösung: Das Kunststoffteil des Spulenkörpers (3) ist aus mindestens zwei Bestandteilen aufgebaut, die aus mindestens zwei verschiedenen, durch Spritzgießen formbaren Kunststoffen bestehen, einem ersten Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,5 W/(m·K) und einem zweiten und gegebenenfalls weiteren Kunststoffen mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 0,01/(m·Ω). Anwendung: Elektromagnet zur Ansteuerung von Ventilen oder Dosierpumpen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit verbesserter Wärmeleitung entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Elektromagnete, die einen elektrischen Strom in eine mechanische Kraft wandeln, sind seit langem bekannt und verbreitet.
Verbreitet sind ebenfalls solche Elektromagnete, bei denen der magnetische Rückschluss aus einem offenen oder aus einem geschlossenen Eisenbügel besteht.
Es ist üblich, die Drahtspule des Elektromagneten auf einen Spulenkörper zu wickeln, und dieser Spulenkörper besteht in der Regel aus Kunststoff. Dabei werden die Drahtenden des mit Lack isolierten Spulendrahts elektrisch leitend gemacht und mit einem geeigneten Verfahren elektrisch mit den Kontaktstiften verbunden, die mechanisch am Spulenkörper befestigt sind.
Wenn die Spule sich bei einer anhaltenden Bestromung erwärmt, wird in der Regel ein sehr großer Teil der Wärme durch Festkörper-Wärmeleitung von der Spule durch den Spulenkörper und durch weitere Bauteile des Elektromagneten und durch die Anflanschfläche auf das zu betätigende Gerät übertragen. Dabei stellt der Spulenkörper aus Kunststoff meistens den größten Wärmewiderstand dar.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, den Wärmewiderstand des Spulenkörpers erheblich zu vermindern und gleichzeitig die elektrisch isolierende Wirkung für die Ummantelung der Kontaktstifte und gegebenenfalls für die Vermeidung von starken Wirbelströmen zu erhalten.
Die Aufgabe wird durch die charakteristischen Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst, in Verbindung mit den Unteransprüchen.
Der Spulenkörper wird hauptsächlich aus einem Kunststoff mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt, damit die Wärme der Spule an die Bauteile des Eisenkreises abgeleitet wird. Dabei wird 0,5 W/(m·K) als angemessene Grenze für die Wärmeleitfähigkeit betrachtet, denn herkömmliche hochfeste Kunststoffe haben in der Regel eine geringere Wärmeleitfähigkeit.
Dieser wärmeleitende Kunststoff leitet auch den elektrischen Strom, daher ist eine Isolierung der Kontaktstifte des Steckers und des Übergangsbereichs vom Stecker zum lackisolierten Spulendraht erforderlich. Diese Isolierung wird durch die Verwendung eines zweiten Kunststoffs erreicht, es wird dazu ein Einlegeteil aus einem elektrisch schlecht leitenden Kunststoff verwendet, zum Beispiel einem konventionellen hochfesten Kunststoff. Dabei wird als angemessene Grenze für die elektrische Leitfähigkeit 0,01/(m·Ω) angesehen, und für den Oberflächenwiderstand 1.000.000 Ω, denn konventionelle hochfeste Kunststoffe haben eine geringere elektrische Leitfähigkeit und einen erheblich höheren Oberflächenwiderstand.
Beim Einschalten und beim Ausschalten des Spulenstroms und beim Vorhandensein eines Wechselstromanteils des Spulenstroms würden sich in einem elektrisch leifähigen Spulenkörper starke Wirbelströme einstellen, weil dieser einen widerstandsarmen Stromumlauf um den Anker des Magneten ermöglicht. Daher wird in einer Weiterführung der Erfindung der leitfähige Teil des Spulenkörpers mit einem Längsschlitz ausgeführt und gegebenenfalls wird dieser Längsschlitz mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff ausgefüllt. Die Herstellung des Kunststoffteils zur Ausfüllung des Längsschlitzes erfolgt vorzugsweise zusammen mit dem oben genannten Einlegeteil zur Umhüllung der Kontaktstifte.
Vorteile
Wegen der besseren Wärmeleitung durch den Spulenkörper ergibt sich bei einer anhaltenden Bestromung der Spule eine erheblich geringere Aufheizung der Spule und damit eine höhere Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer des Elektromagneten.
Die erforderliche elektrische Isolation der Kontaktstifte ist durch den Einsatz eines zweiten Kunststoffs mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gegeben. Der Schlitz in dem aus dem leitfähigen Kunststoff hergestellten Körper reduziert die Wirbelströme beim Einschalten und Ausschalten des Magneten und auch beim Betrieb des Magneten mit einem Wechselstromanteil. Wenn der Schlitz mit einem isolierenden Kunststoffteil ausgefüllt ist, verbessert sich die Festigkeit des Spulenkörpers.
Anwendung
Die beschriebene Ausführung des Elektromagneten findet Anwendung in Betätigungsmagneten für Ventile, Dosierpumpen und für Stelleinrichtungen zur bedingten Sperrung von Bewegungen in Getrieben.
Bilder:
1 zeigt einen Schnitt durch den Elektromagneten.
2 zeigt zwei Schnitte durch den Spulenkörper
Beispielhafte Ausführung
Der in 1 dargestellte Elektromagnet 1 enthält eine Spule 2, einen Spulenkörper 3, ein Joch 14, einen Konus 9, ein Polrohr 4 und einen Eisenrückschluss 5. Dabei ist der Spulenkörper 3, wie in 2 dargestellt, aus zwei oder mehr Bestandteilen aufgebaut, die aus zwei verschiedenen, durch Spritzgießen formbaren Kunststoffen bestehen, einem ersten Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,5 W/(m·K) und einem zweiten Kunststoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 0,01/(m·Ω) und einem Oberflächenwiderstand von mehr als 1·10^6 Ω.
Der erste Bestandteil 11 des Spulenkörpers 3 trägt die Spule 2 und besteht aus dem ersten Kunststoff mit der hohen Wärmeleitfähigkeit, dieser Bestandteil weist einen Längsschlitz 7 auf und der Längsschlitz ist durch den zweiten Bestandteil 12 ausgefüllt, der aus dem zweiten Kunststoff mit der geringen elektrischen Leitfähigkeit besteht.
In einer bevorzugten Ausführung umhüllt der zweiten Bestandteil 12 des Spulenkörpers, der aus dem Kunststoff mit der geringen elektrischen Leitfähigkeit besteht, auch die Kontaktstifte 6.
In einer alternativen Ausführung ist der Spulenkörper 3 aus drei Bestandteilen aufgebaut, wobei der erste Bestandteil 11 die Spule 2 trägt und aus dem Kunststoff mit der hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, und wobei der zweite Bestandteil 12 den Längsschlitz 7 ausfüllt und wobei der dritte Bestandteil 13 die Kontaktstifte 6 umhüllt. Dabei besteht sowohl der zweite als auch der dritte Bestandteil aus einem Kunststoff mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit, entsprechend den oben angegebenen Grenzwerten.
Der Eisenrückschluss 5 hat entweder die Form eines offenen Bügels oder die Form eines geschlossenen Bügels.
Um einen guten Wärmeübergang von dem Spulenkörper 3 auf den Eisenrückschluss und weiter auf den Konus und den Block zu gewährleisten, liegt der Spulenkörper 3 mit seinem konusseitigen Flansch 8 mit einer möglichst großen Berührfläche an dem Eisenrückschluss 5 an und der Spulenkörper 3 ist mit minimalem radialem Spiel auf das Polrohr 4 gefügt.
Zur Herstellung eines Spulenkörpers für einen Elektromagneten wird eins von den folgenden Verfahren angewandt:
Der Spulenkörper 3 ist aus mindestens zwei verschiedenen Bestandteilen aufgebaut, die aus mindestens zwei Kunststoffen bestehen, die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, elektrische Leitfähigkeiten und Schmelztemperaturen aufweisen. In einem oder mehreren vorbereitenden Schritten werden durch Spritzgießen die Bestandteile hergestellt, deren Kunststoff die höhere Schmelztemperatur hat. In einem folgenden Schritt werden die vorher hergestellten Bestandteile als Einlegeteile bei dem Spritzgießen der vollständigen Spulenkörper verwendet. Dabei wird der Kunststoff mit der niedrigeren Schmelztemperatur verspritzt.
Alternativ wird der Spulenkörper 3 wieder aus mindestens zwei verschiedenen Bestandteilen aufgebaut, die aus mindestens zwei Kunststoffen bestehen, die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, elektrische Leitfähigkeiten und Schmelztemperaturen aufweisen. In einem oder mehreren vorbereitenden Schritten werden durch Spritzgießen die Bestandteile hergestellt, deren Kunststoff die niedrigere Schmelztemperatur hat. In einem folgenden Schritt werden die vorher hergestellten Bestandteile als Einlegeteile bei dem Spritzgießen der vollständigen Spulenkörper verwendet. Dabei wird der Kunststoff mit der höheren Schmelztemperatur verspritzt, und die Einlegeteile werden angeschmolzen.
Bezugszeichenliste

1: Elektromagnet
2: Spule
3: Spulenkörper
4: Polrohr
5: Eisenrückschluss
6: Kontaktstifte
7: Längsschlitz
8: Flansch
9: Konus
10: Block (nicht dargestellt)
11: Erster Bestandteil des Spulenkörper
12: Zweiter Bestandteil des Spulenkörpers
13: Umhüllung der Kontaktstifte
14: Joch

Claims

Elektromagnet (1) mit einer Spule (2), einem mit Kontaktstiften (6) versehenen Spulenkörper (3), einem Polrohr (4), einem Joch (14), einem Pol (9) und einem Eisenrückschluss (5) dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil des Spulenkörpers (3) aus mindestens zwei Bestandteilen aufgebaut ist, die aus mindestens zwei verschiedenen, durch Gießen oder Spritzen formbaren Kunststoffen bestehen, einem ersten Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,5 W/(m·K) und einem zweiten und gegebenenfalls weiteren Kunststoffen mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 0,01/(m·Ω) und einem Oberflächenwiderstand von mehr als 1·10^6 Ω.
Elektromagnet nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bestandteil (11) des Spulenkörpers (3) die Spule trägt und aus dem ersten Kunststoff mit der hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei dieser Bestandteil einen elektrisch isolierenden Längsschlitz (7) aufweist.
Elektromagnet nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Längsschlitz durch den zweiten Bestandteil (12) ausgefüllt ist, der aus einem anderen Kunststoff mit der geringen elektrischen Leitfähigkeit besteht.
Elektromagnet nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bestandteil (12) des Spulenkörpers, der aus einem Kunststoff mit der geringen elektrischen Leitfähigkeit besteht, die Kontaktstifte (6) umhüllt.
Elektromagnet nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (3) aus drei Bestandteilen aufgebaut ist, wobei der erste Bestandteil (11) die Spule (2) trägt und aus dem Kunststoff mit der hohen Wärmeleitfähigkeit entsprechend dem Anspruch 1 besteht, und wobei der zweite Bestandteil (12) den Längsschlitz (7) ausfüllt und wobei der dritte Bestandteil (13) die Kontaktstifte (6) umhüllt, wobei der zweite und der dritte Bestandteil aus dem Kunststoff oder den Kunststoffen mit geringer elektrischer Leitfähigkeit entsprechend dem Anspruch 1 bestehen.
Elektromagnet nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenrückschluss (5) die Form eines offenen Bügels hat.
Elektromagnet nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenrückschluss (5) die Form eines geschlossenen Bügels hat.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (3) an seinem konusseitigen Flansch (8) mit einer möglichst großen Berührfläche an dem Eisenrückschluss (5) anliegt.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (3) mit minimalem radialem Spiel auf dem Polrohr (4) gefügt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Spulenkörpers für einen Elektromagneten nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (3) aus mindestens zwei verschiedenen Bestandteilen aufgebaut ist, die aus mindestens zwei Kunststoffen bestehen, die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, elektrische Leitfähigkeiten und Schmelztemperaturen aufweisen, wobei in einem oder mehreren vorbereitenden Schritten durch Spritzgießen die Bestandteile hergestellt werden, deren Kunststoff die höhere Schmelztemperatur hat und wobei dann in einem folgenden Schritt die vorher hergestellten Bestandteile als Einlegeteile bei dem Spritzgießen der vollständigen Spulenkörper verwendet werden, wobei der Kunststoff mit der niedrigeren Schmelztemperatur verspritzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Spulenkörpers für einen Elektromagneten nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (3) aus mindestens zwei verschiedenen Bestandteilen aufgebaut ist, die aus mindestens zwei Kunststoffen bestehen, die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, elektrische Leitfähigkeiten und Schmelztemperaturen aufweisen, wobei in einem oder mehreren vorbereitenden Schritten durch Spritzgießen die Bestandteile hergestellt werden, deren Kunststoff die niedrigere Schmelztemperatur hat und wobei dann in einem folgenden Schritt die vorher hergestellten Bestandteile als Einlegeteile bei dem Spritzgießen der vollständigen Spulenkörper verwendet werden, wobei der Kunststoff mit der höheren Schmelztemperatur verspritzt wird, und wobei die Einlegeteile angeschmolzen werden.