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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer solchen gattungsgemäßen Vorrichtung.
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Aus der
DE 198 48 919 A1 der Anmelderin ist eine gattungsgemäße elektro-magnetische Stellvorrichtung in Form einer Elektromagnet-Ventilvorrichtung bekannt. Als Reaktion auf die Bestromung einer (stationären) Spuleneinheit bewegt sich eine Ankereinheit entlang einer axialen Richtung relativ zu einer stationären Kerneinheit und öffnet oder schließt einen Ventilsitz der Ventilvorrichtung. Entsprechend ist durch die Bestromung der Spuleneinheit und die damit bewirkte Bewegung der Ankereinheit das Schalten des Ventils bewirkbar.
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Typische Anwendungsgebiete einer solchen elektromagnetischen Stellvorrichtung sind dabei insbesondere Pneumatikventile, wobei sich etwa das Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik für den Einsatz derartiger Vorrichtungen anbietet.
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In der praktischen Realisierung lassen sich mit gattungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtungen, welche etwa ein Pneumatikventil realisieren, Standzeiten in der Größenordnung von ca. 60 Millionen Hüben (d.h. Bewegungsvorgängen der Ankereinheit und damit verbundene Öffnungs- bzw. Schließvorgänge eines damit zusammenwirkenden Ventilsitzes) realisieren, wobei die Lebensdauer einer solchen gattungsgemäßen Vorrichtung primär dadurch begrenzt ist, dass die Ankereinheit relativ zu einer diese umgebenden Führung durch Haft- sowie Gleitreibung tribologischen Verschleiß bewirkt.
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Aus dem Stand der Technik ist es in diesem Zusammenhang bereits als bekannt vorauszusetzen, dass ein (typischerweise zumindest in Abschnitten zylindrischer) Ankerkörper einer Ankereinheit mantelseitig mit einer Gleitlackierung oder Gleitbeschichtung versehen ist, um diese Reibungseffekte zu vermindern und entsprechend die Lebensdauer einer gattungsgemäßen Vorrichtung zu erhöhen. Ein derartiger Gleitlack basiert typischerweise auf PTFE oder MoS2 und kann sowohl mantelseitig auf dem Anker vorgesehen sein, alternativ etwa an einer zugehörigen stationären inneren Gleitfläche eines die Ankerführung realisierenden Ankerführungsrohrs, wie die
DE 20 2008 003 137 lehrt.
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Allerdings bewirkt die Reibung zwischen der Ankereinheit und der stationären Führung auch eine graduelle Abnutzung einer derartigen Lackierung bzw. Beschichtung, so dass auch diesbezüglich Grenzen im Hinblick auf eine Standzeitverlängerung der Vorrichtung bestehen. Um im Fall einer abgenutzten Gleitlackbeschichtung etwa schädlichen Korrosionseffekten vorzubeugen, ist es dabei ebenfalls als aus dem Stand der Technik bekannt vorauszusetzen, einen betroffenen Ankerkörper einer Ankereinheit aus einem nicht rostenden Metallmaterial, wie etwa einem magnetisch leitenden Edelstahl (etwa Typ 1.4105) zu realisieren. Hier würde dann bei nicht mehr vorhandener Gleitlackbeschichtung zwar dann eine Erhöhung von Haft- bzw. Gleitreibung zu verzeichnen sein, bei weiterem Gebrauch der Vorrichtung jedoch keine Korrosion der Ankereinheit zur Zerstörung der Vorrichtung führen.
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Allerdings ist eine Realisierung eines Ankerkörpers aus einem geeigneten Edelstahlmaterial sowohl im Hinblick auf das zu verwendende Material, als auch die notwendigen Herstellungs-Überarbeitungsschritte aufwändig und kostenträchtig. Hinzu kommt der Nachteil, dass geeignetes weichmagnetisches Edelstahlmaterial gegenüber etwa (rostanfälligem) Automatenstahl deutlich schlechtere magnetische Leitfähigkeitseigenschaften aufweist, so dass eine magnetische Energieeffizienz einer mithilfe eines Edelstahl-Ankermaterials realisierten Stellvorrichtung geringer ist. Die Konsequenz wiederum sind potentiell größere Baumaße, erhöhter Wicklungs- bzw. Kupferaufwand oder dergleichen Effizienznachteile.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung im Hinblick auf ihre Verschleißeigenschaften betreffend eine Mantelfläche der Ankereinheit zu verbessern, dabei eine derartige Stellvorrichtung mit optimiertem magnetisch-elektrischem Wirkungsgrad zu realisieren, entsprechend kleinere Baumaße sowie potentiell geringere benötigte Magnetfeldstärken gegenüber gattungsgemäßen Technologien zu erreichen und insbesondere den Material- und Produktionskostenaufwand einer solchen Vorrichtung zu optimieren. Ferner ist eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die Verwendung nach dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist in einen Mantelabschnitt eines z.B. zylindrischen Ankerkörpers der Ankereinheit ein Gleitelement so eingesetzt, dass eine Außenfläche dieses Gleitelements aus dem Mantelabschnitt hervorsteht, als Gleitfläche gegenüber einer umgebenden stationären Führung (etwa einem Ankerführungsrohr) wirkt und somit den Charakter einer Lagerbuchse bekommt. Konsequenz ist, dass der eigentliche Ankerkörper (damit durch das Gleitelement von der umgebenden Führung beabstandet) keinen potentiell reibungswirksamen Kontakt mit der Führung bekommt, lediglich die Außenfläche des Gleitelements gleitet an bzw. in der Führung.
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Gleichzeitig ist erfindungsgemäß vorteilhaft das Gleitelement so ausgestaltet, dass es zumindest in dem Abschnitt bzw. Bereich, wo es in den Ankerkörper hineinreicht, magnetisch flussleitend ist und damit in magnetischer Hinsicht Teil der Magnetflussführung im Ankerkörper wird. Mit anderen Worten, erfindungsgemäß vorteilhaft entsteht durch das eingesetzte Gleitelement nicht etwa (wiederum magnetisch nachteilig) eine Verengung bzw. Verringerung eines wirksamen Fluss-(Leit-)Querschnitts im Ankerkörper, vielmehr bleibt dieser Querschnitt, durch den magnetisch leitenden Bereich des Gleitelements, erhalten. Damit hat dann erfindungsgemäß vorteilhaft das Gleitelement die doppelte Wirkung, einerseits die reibungsbedingten Verschleißeigenschaften der Ankereinheit zu optimieren, andererseits nicht nachteilig die magnetischen Flusseffekte in der Ankereinheit (bzw. im Ankerkörper) zu beeinflussen; magnetisch wirkt der Ankerkörper so, als sei kein Einschnitt oder keine Nut zum Einsetzen des Gleitelements vorhanden.
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Insbesondere im Hinblick auf ein mögliches Verkippen der Ankereinheit aus der die axiale Richtung beschreibenden Achse heraus innerhalb der umgebenden Führung ist es weiterbildungsgemäß vorteilhaft, dem Ankerkörper nicht nur ein Gleitelement zuzuordnen, vielmehr zwei oder mehr Gleitelemente, axial voneinander beabstandet, vorzusehen, so dass auch axial langgestreckte Ankereinheiten zuverlässig mittels der erfindungsgemäßen Gleitelemente abgestützt werden können.
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In der konkreten Realisierung und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es dabei besonders bevorzugt, ein Gleitelement gemäß der Erfindung zumindest abschnittsweise ringförmig auszugestalten und am bzw. im Ankerkörper in einer entsprechend ringförmig umlaufenden Nut als Vertiefung zu halten. Dabei ist sowohl das ringförmige Gleitelement, als auch die Nut so ausgebildet, dass in radialer Richtung ein innerer Abschnitt des Rings im Ankerkörper sitzt und, durch die erfindungsgemäße Materialwahl, dort Teil des magnetischen Flussquerschnitts wird, während ein radial außenliegender (mantelseitig radial hervorstehender) Abschnitt außenseitig im Hinblick auf seine Verschleißeigenschaften optimiert ist und aus einem geeigneten Lagermetall oder dergleichen Material ausgestaltet ist.
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Dabei ist es vorteilhaft und weiterbildungsgemäß bevorzugt, zur vereinfachten Montage einen solchen Ring teilringförmig bzw. geschlitzt und damit mit offenen Ringenden auszugestalten, so dass etwa in der Art eines Clippens bzw. Verschnappens eine einfache Montage in einer entsprechend ausgestalteten Nut ermöglicht ist. Wird dann wiederum weiterbildungsgemäß ein solcher Schlitz bzw. ein Übergang zwischen einander gegenüberstehenden offenen Enden eines solchen Rings in Form einer Überlappung ausgestaltet, lässt sich ein einfach montierbares und leistungsfähiges Gleitelement realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Realisierungsform der Erfindung, auch geeignet kombiniert mit vorstehend diskutierten Varianten, ist das Gleitelement mehrlagig, also mit mindestens zwei Materialschichten, so ausgestaltet, dass etwa ein jeweiliger Bereich für seinen Funktionszweck optimiert ist. So ist es in Realisierung dieser bevorzugten Weiterbildung der Erfindung etwa möglich, einen im Montagezustand innenliegenden Schichtbereich des Gleitelements durch ein Weicheisenmaterial zu realisieren, um insoweit, im Zusammenwirken mit dem magnetisch leitenden Material des Ankerkörpers und der darin vorgesehenen Aufnahmenut, einen magnetisch homogenen, unverengten Flussquerschnitt zu bewirken, während eine aus dem Mantelabschnitt herausragende, radial hervorstehende Schicht (Lage) des mehrlagigen Leitelements dann in der vorbeschriebenen Weise etwa das reibungsmindernd und/oder verschleißfest optimierte Lagermaterial aufweist.
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Damit ist es dann insbesondere ermöglicht, zur Optimierung der magnetischen Eigenschaften, insbesondere der magnetischen Effizienz, der Vorrichtung den Ankerkörper aus preisgünstigem Automatenstahl oder anderen magnetischen Nichtedelstählen zu realisieren, was sowohl signifikante Kostenvorteile im Materialpreis, als auch im Hinblick auf die Herstellung und Verarbeitung bewirkt, bei verbesserten magnetischen Eigenschaften. Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung das erfindungsgemäße mindestens eine Gleitelement zudem für einen reibungsfreien Abstand des eigentlichen Ankerkörpers von der umgebenden Führung (etwa einem Führungsrohr) sorgt, ist es wiederum weiterbildungsgemäß möglich, verschleißfrei einen z.B. aus Automatenstahl realisierten Ankerkörper mit einer korrosionshemmenden Beschichtung zu versehen, so dass auch insoweit dann ein Schutz des Ankerkörpers besteht, welcher jedoch von Reibungseffekten unbeeinträchtigt ist und entsprechend lange Standzeiten ermöglicht.
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Während es prinzipiell möglich ist, das mindestens eine erfindungsgemäße Gleitelement an beliebigen mantelseitigen Positionen entlang des Mantels der Ankereinheit vorzusehen, ist es gleichwohl als vorteilhaft anzusehen, diese(s) Gleitelement(e) beabstandet von einem jeweiligen axialen Ende bzw. einer Stirnseite des Ankerkörpers vorzusehen, insbesondere im Hinblick auf verbesserte magnetische Effizienz.
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Im Ergebnis ermöglicht es die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und wirksamer Weise, eine elektromagnetische Stellvorrichtung zu realisieren, welche im Hinblick auf ihren reibungsbedingten Verschleiß deutlich herabgesetzt wird, so dass gegenüber einer typischen Lebensdauer von ca. 60 Millionen Hüben eines gattungsgemäßen, mit der elektromagnetischen Stellvorrichtung realisierten Pneumatikventils mehr als eine Verdreifachung auf ca. 200 Millionen Hübe erreicht werden kann. Entsprechend vorteilhaft verbreitert sind die Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen technischen Gebieten, auch über das erfindungsgemäß bevorzugte Verwendungsgebiet als Pneumatikventil hinaus.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen; diese zeigen in der einzigen
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1: eine Längsschnittansicht einer elektromagnetischen Stellvorrichtung in Realisierung als Pneumatikventil gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In ansonsten bekannter Weise ist dabei in einem Gehäuse 5 auf einem Spulenträger eine stationäre Spuleneinheit 4 vorgesehen, welche einen Längsabschnitt eines Ankerführungsrohres 2 umschließt. Einends und im oberen Bereich der 1 gezeigt, ist diese Anordnung im axial mittleren Bereich verschlossen von einem stationären Kernelement 1, welches ein zum Zusammenwirken mit einer axial im Ankerführungsrohr 2 gleitend geführten Ankereinheit vorgesehenes Dämpfungselement 3 trägt.
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Die Ankereinheit 6 besteht aus einem hohlzylindrischen Ankerkörper, welcher, abgestützt gegen die Druckkraft einer Spiralfeder 8, mit einem endseitig am Ankerkörper vorgesehenen Dichtelement 9 gegen eine stationäre Düse 10 als Ventilsitz wirkt.
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In ansonsten bekannter Weise bewirkt bei diesem prinzipiell als bekannt vorausgesetzten Elektromagnetventilaufbau das Bestromen der Spuleneinheit 4 eine Bewegung der Ankereinheit 6 entlang der Vertikalen als axialer Richtung, womit der Ventilsitz geöffnet bzw. geschlossen werden kann und ein geeigneter Fluidfluss zwischen einem Arbeitsanschluss (A) und einem Versorgungsanschluss (P) im Element 10 geöffnet bzw. geschlossen wird.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Ankerkörper 6 so im Ankerführungsrohr 2 gehalten, dass die Mantelfläche des Ankerkörpers 6 (realisiert aus einem Automatenstahl, welcher auf seiner mantelseitigen Außenfläche korrosionsbeschichtet ist) durch Wirkung eines Paares von ringartig als Lagerbuchsen ausgebildeten Gleitelementen 7 in einem Abstand von der Innenfläche des Ankerführungsrohres 2 gehalten wird. Damit wirken die Ringe 7 mit ihren Außenflächen als Gleit- bzw. Lagerflächen gegenüber dem (hier innenseitig unbeschichteten) Ankerführungsrohr 2, sind materialmäßig im Außenbereich verschleißoptimiert, weisen jedoch in denjenigen Bereichen, die in den Ankerkörper 6 eingesetzt sind, durch geeignete Materialwahl günstige magnetflussleitende Eigenschaften auf.
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Konkret ist das Paar von Lagerbuchsen 7 in ringförmig umlaufende Nuten des Ankerkörpers 6 eingesetzt, wobei, in den Figuren nicht gezeigter Weise, die ringförmig ausgebildeten Lagerbuchsen im gezeigten Ausführungsbeispiel einen relativ zur axialen Richtung schräg verlaufenden Schlitz aufweisen und so das Aufclipsen auf den Ankerkörper 6 bei der Montage und einen entsprechend federnden Sitz ermöglichen.
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In einer bevorzugten Variante ist dabei eine jeweilige Lagerbuchse 7 nicht einlagig etwa aus einem magnetisch leitenden Edelstahl oder dergleichen Lagermaterial geführt, sondern ist mehrlagig, etwa zweilagig, ausgebildet. Bei dieser Variante der Erfindung ist es dann vorteilhaft und bevorzugt, die Rückenseite, d.h. den in die Haltenut eingreifenden Bereich, mit weichmagnetischem Material zu realisieren, um insoweit, korrespondierend zum umgebenden und flussleitend verbundenen Material des Ankerkörpers, einen homogenen, nicht verengten magnetischen Flussquerschnitt zu erreichen. Dagegen würde eine außenliegende Lage rein verschleißoptimiert ausgestaltet sein und etwa ein Lagermaterial in Form eines Sintermaterials aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel, insbesondere eine Verwendung als Pneumatikventil, beschränkt, vielmehr eignet sich die Erfindung vorteilhaft für jegliche elektromagnetische Stellvorrichtung, bei welcher ein Gleitelement als separates, in den Ankerkörper eingesetztes Teil zur Verminderung reibungsbedingten Verschleißes eingesetzt werden kann, wobei gleichzeitig magnetische Eigenschaften dieses Gleitelements tragenden Ankerkörpers optimiert sind und etwa im Hinblick auf einen wirksamen Magnetfluss-Querschnitt keine nachteilige Verengung erfahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19848919 A1 [0002]
- DE 202008003137 [0005]
