-
Magnetischer Aktuator
-
Die Erfindung betrifft einen magnetischen Aktuator, insbesondere zum Einsatz in einer Membranpumpe, die eingesetzt wird, um ein Reduktionsmittel in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einzuspritzen.
-
Stand der Technik
-
Zum Entsticken der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, hat sich die SCR-Technik („selective catalytic reduction“) bewährt, bei der ein harnstoffhaltiges Reduktionsmittel in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Dazu wurden Einspritzsysteme entwickelt, welche die Einhaltung der geforderten Abgasgrenzwerte mit Hilfe einer definierten Zugabe des Reduktionsmittels, einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“®), in den Abgasstrang ermöglichen. Diese Systeme umfassen im Wesentlichen einen Tank für die Harnstofflösung, ein Fördermodul mit eine Filter- und Pumpeneinheit, ein am Abgasstrang montiertes Dosiermodul und ein elektronisches Steuergerät.
-
Als Pumpeinheit wird dabei beispielsweise eine Magnetmembranpumpe eingesetzt, die bei jedem Hub eine konstante Fördermenge fördert. Das Einspritzsystem ist auf einen nominalen Druck von z.B. 6,5 bar ausgelegt. Dieser Druck wird über das Fördermodul aufgebaut und muss überwacht werden. Aus Kostengründen ist es vorteilhaft, wenn dabei auf einen Drucksensor verzichtet werden kann. Da der Strombedarf der Magnetmembranpumpe druckabhängig ist, kann der Strom, der durch die Magnetmembranpumpe fliest, eingesetzt werden, um den Druck zu messen. Ein Verfahren für solch eine Druckmessung wird in
DE 10 2013 200 540 beschrieben.
-
Der dabei eingesetzte Magnetkreis der Magnetmembranpumpe ist so ausgelegt, dass sich der durch eine Spule des Magnetkreises fließende Strom bei einer Bewegung des Ankers ändert. Da sich der Anker bei einem hohem Systemdruck später bewegt als bei einem niedrigen Systemdruck, kann der Strom als Indikator für den Systemdruck eingesetzt werden. Durch eine schnelle Bewegung des Ankers kommt es zu einer Gegeninduktion, welche durch eine Magnetflussänderung verursacht wird. Diese, beziehungsweise der kleinere Luftspalt, führen dazu, dass der Strom bis zum Aufschlagen des Ankers auf einen Hubanschlag abfällt. Mit Hilfe eines Kennfeldes, welches unter anderem spannungs- und temperaturabhängig ist, kann daraus der Systemdruck berechnet werden.
-
Um das beschriebene Verfahren zur Druckindizierung zuverlässig und mit der erforderlichen Genauigkeit durchführen zu können, müssen hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Kraft im Magnetkreis erfüllt werden. Damit eine Druckindizierung mit einer Genauigkeit von ±0,5 bar möglich ist, muss die Summe aus der magnetisch erzeugten Kraft und der Kraft der Rückstellfeder am Vergleichspunkt eine Genauigkeit von ±2 N haben. Da solch kleine Toleranzen der Magnetkraft aufgrund von Fertigungstoleranzen nur schwer eingehalten werden können, wird eine Einstellmöglichkeit benötigt, die es ermöglicht, die Magnetkraft auf den gewünschten Wert einzustellen.
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen magnetischen Aktuator bereitzustellen, bei dem die vom Magnetkreis erzeugte Kraft einfach und zuverlässig mit hoher Genauigkeit einstellbar ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ein erfindungsgemäßer magnetischer Aktuator hat einen beweglich gelagerten Anker, eine Spule und einen Stator, der wenigstens eine dem Anker zugewandte Fläche hat und so ausgebildet ist, dass er beim Bestromen der Spule eine magnetische Kraft auf den Anker ausübt, um den Anker in Bezug auf den Stator zu bewegen. Der magnetische Aktuator weist zusätzlich wenigstens ein Justierelement auf, das an der wenigstens einen dem Anker zugewandten Fläche des Stators angebracht ist und die magnetische Kraft, die vom Stator auf den Anker ausgeübt wird, wenn die Spule bestromt wird, modifiziert.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einstellen der Magnetkraft in einem magnetischen Aktuator mit einem beweglich gelagerten Anker, einer Spule und einem Stator, der wenigstens eine dem Anker zugewandte Fläche hat und so ausgebildet ist, dass er beim Bestromen der Spule eine magnetische Kraft auf den Anker ausübt, um den Anker in Bezug auf den Stator zu bewegen, umfasst, aus einer Mehrzahl von Justierelementen, insbesondere ferromagnetischen Justierelementen, die jeweils eine unterschiedlich große Fläche haben, wenigstens ein Justierelement auszuwählen und auf wenigstens einer dem Anker zugewandten Fläche des Stators zu montieren ist, um die magnetische Kraft, die vom Stator auf den Anker ausgeübt wird, wenn die Spule bestromt wird, zu modifizieren und insbesondere auf einen gewünschten Wert einzustellen.
-
Die Erfindung ermöglicht es, die von dem Stator auf den Anker ausgeübte Magnetkraft mit einfachen Mitteln zuverlässig und dauerhaft und mit einer hinreichenden Genauigkeit auf einen gewünschten Wert einzustellen, um die zuvor beschriebene Druckmessung auf Grundlage des durch die Spule des Aktuators fließenden Stromes vornehmen zu können.
-
Dabei schließt das Verfahren insbesondere ein, die magnetische Kraft, die von dem Stator auf den Anker ausgeübt wird, wenn die Spule bestromt wird, zu messen, bevor das Justierelement montiert ist, und das Justierelement in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Messung auszuwählen. So kann zuverlässig und schnell ein geeignetes Justierelement ausgewählt werden, um die Magnetkraft mit hoher Genauigkeit auf den gewünschten Wert einzustellen.
-
Das Justierelement kann durch Schweißen, Löten oder Kleben an dem Stator befestigt werden.
-
Das Justierelement kann ein ferromagnetisches Material umfassen, um die von dem Stator auf den Aktuator ausgeübte magnetische Kraft besonders effektiv zu beeinflussen.
-
In einer Ausführungsform ist das Justierelement im Wesentlichen flach ausgebildet, so dass es besonders gut in dem Spalt, der zwischen dem Aktuator und dem Stator ausgebildet ist, montiert werden kann.
-
In einer Ausführungsform sind der Anker und/oder der Stator rotationssymmetrisch ausgebildet und das Justierelement ist als Ring mit einen Innendurchmesser und einem Außendurchmesser, der größer als der Innendurchmesser ist, ausgebildet, so dass es besonders gut an einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Anker oder Stator montierbar ist. Durch eine geeignete Wahl des Innendurchmessers und des Außendurchmessers kann die wirksame Fläche des Justierelements und damit die auf den Aktuator wirkende Kraft gut auf den gewünschten Wert eingestellt werden.
-
Das Justierelement kann insbesondere als Ring mit einem Innendurchmesser, einem Außendurchmesser und einer Dicke ausgebildet sein, wobei die Dicke insbesondere höchstens ein Zehntel der Abmessung des Innendurchmesser hat.
-
Auf diese Weise können sehr effektive Justierelemente bereit gestellt werden, deren Auswirkungen auf die auf den Anker wirkende Kraft durch die Wahl des Innen- und/oder Außendurchmessers in einem weiten Bereich einstellbar sind.
-
Der Stator kann als ein Bereich eines die Spule umgebenden Topfes ausgebildet sein. Dies stellt eine mechanisch besonders stabile Struktur zur Verfügung, welche die von der Spule erzeugten magnetischen Kräfte effektiv auf den Anker konzentriert.
-
Die Erfindung umfasst auch eine Magnetmembranpumpe, die insbesondere zum Fördern eines flüssigen Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist und einen erfindungsgemäßen magnetischen Aktuator aufweist. In einer solchen Membranpumpe kann eine auf einer Strommessung basierende Druckmessung vorgenommen werden, um den Druck und die Fördermenge des Reduktionsmittels mit hoher Genauigkeit auf einen gewünschten Wert einzustellen.
-
Figurenbeschreibung:
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur näher erläutert:
-
Die 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Aktuator 2.
-
Der Aktuator 2 ist im Querschnitt im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Achse A, die im unteren Bereich der 1 in horizontaler Richtung von links nach rechts verläuft, ausgebildet und umfasst eine im Wesentlichen torusförmig um diese Achse A ausgebildete Spule 6 mit in der 1 nicht gezeigten elektrischen Leitungen, die es ermöglichen, die Spule 6 zu bestromen, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen.
-
Um die Spule 6 ist ein im Wesentlichen U-förmiger Topf 4 mit einem in Bezug auf die Achse A äußeren Schenkel 11 und einem inneren Schenkel 10 ausgebildet, so dass der Topf 4 die Spule auf drei Seiten (in der Darstellung der 1 unten, rechts und oben) umschließt.
-
Die offene, in der 1 links dargestellte, Seite des Topfes 4 ist durch eine Rückschlussscheibe 8 verschlossen, die fest mit dem äußeren Schenkel 11 des U-förmigen Topfes 4 verbunden ist.
-
Der innere Schenkel 10 des Topfes 4 ist in der Richtung parallel zur Achse A etwas kürzer als der äußere Schenkel 11 ausgebildet und hat die Funktion eines Stators 10.
-
In der Rückschlussscheibe 8 ist eine um die Achse A rotationssymmetrische Öffnung ausgebildet. In der Öffnung ist über eine an der Rückstoßscheibe 8 angebrachte Führungsbuchse 16 ein im Wesentlichen ringförmiger Anker 12, der sich mit seiner Längsachse parallel zur Achse A erstreckt, derart gelagert, dass der Anker 12 in einer Richtung parallel zur Achse A beweglich ist.
-
Eine in der 1 rechts dargestellte Seite des Ankers 12 liegt einer der Rückschlussscheibe 8 zugewandten (linken) Stirnseite des Stators 10 so gegenüber, dass zwischen dem Ankers 12 und der Rückschlussscheibe 8 ein Luftspalt ausgebildet ist.
-
Auf der der Rückschlussscheibe 8 zugewandten, in der 1 links dargestellten Stirnseite des Ankers 12 ist ein Hubanschlag 13 ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, an einen den Topf 4, die Rückschlussscheibe 8 und den Anker 12 umschließenden Deckel 18 anzuschlagen, um die Bewegung des Ankers 12 „nach links“ zu begrenzen. Die maximal mögliche Bewegung des Ankers 12 (der maximale Hub) ist somit durch die Wahl der Position des Deckels 18 entlang der Achse A einstellbar.
-
Mit seinem inneren, der Achse A zugewandten und in der 1 unten dargestellten Umfang ist der Anker 12 mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Bolzen 20 verbunden, der sich mit seiner Längsachse entlang der Achse A erstreckt und gemeinsam mit dem Anker 12 in einer Richtung parallel zur Achse A beweglich ist.
-
An dem von der Rückschlussscheibe 8 abgewandten Ende des Bolzens 20, das in der 1 rechts dargestellt ist, ist eine Aufnahme 15 ausgebildet, die vorgesehen ist, um den Bolzen 20 mit einer in der 1 nicht gezeigten elastischen Membran oder Kolbenpumpe zu verbinden, so dass die Membran bzw. der Kolben durch Bewegen des Bolzens 20 entlang der Achse A bewegt werden kann, um eine pumpende Bewegung auszuführen.
-
Auf der dem Anker 12 zugewandten (in der 1 links dargestellten) Stirnseite des Stators 10 ist ein erfindungsgemäßes Justierelement 14 angebracht, das vorzugsweise ein ferromagnetisches Material enthält.
-
Das Justierelement 14 ist insbesondere als flacher Ring um die Achse A mit einem inneren Radius Ri und einem äußeren Radius Ra ausgebildet. Die Auswirkung auf die Kraft, die bei einem Bestromen der Spule 6 von dem Stator 10 auf den Anker 12 ausgeübt wird, wird durch die Fläche des Justierelements 14 in einer Ebene, die orthogonal zur Achse A ausgerichtet ist, und damit durch die Wahl des inneren Radius Ri und des äußeren Radius Ra sowie durch die Dicke d des Justierelements 14 in der Richtung parallel zur Achse A bestimmt. Insbesondere ist die Dicke d des Justierelements 14 deutlich, insbesondere um mindestens den Faktor 10, kleiner als sein innerer Radius Ri und hat beispielsweise einen Wert von 0,3 mm, während der innere Radius einen Wert im Bereich zwischen 6 mm und 10 mm, insbesondere einen Wert von 8,7 mm haben kann.
-
Durch die Auswahl und den Einsatz eines geeignet ausgebildeten Justierelements 14 kann die bei einem vorgegebenen Strom durch die Spule 6 auf den Anker 12 wirkende magnetische Kraft auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Insbesondere kann die Kraft mit einer hohen Genauigkeit von ±2N eingestellt werden. Dies ermöglicht es, den Systemdruck aus dem gemessenen Strom, der durch die Spule fliest, mit einer Genauigkeit von ±0,5 bar zu bestimmen.
-
Um die bei einem vorgegebenen Strom durch die Spule 6 auf den Anker 12 wirkende magnetische Kraft auf einen gewünschten Wert einzustellen, wird ein erfindungsgemäßer Aktuator zunächst zusammengebaut, ohne den Anker 12 fest mit dem Bolzen 20 zu verbinden, insbesondere zu verschweißen, und die bei einem vorgegebenen Stromfluss durch die Spule 6 auf den Anker 12 wirkende magnetische Kraft wird mit einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise einer Messscheibe, gemessen. Anhand des Messergebnisses wird aus einem Vorrat unterschiedlicher Justierelemente 14, die insbesondere verschiedene innere und/oder äußere Radien Ri, Ra aufweisen, ein geeignetes scheibenförmiges Justierelement 14 ausgewählt und an der dem Anker 12 zugewandten Stirnseite des Stators 10 befestigt, bevor der Anker 12 fest mit dem Bolzen 20 verbunden und der Aktuator mit dem Deckel 8 verschlossen wird.
-
Der gewünschte Hub ist durch die Position des Deckels 18 entlang der Achse A einstellbar.
-
2 zeigt beispielhaft eine Kennlinie für ein ringförmiges Justierelement 14 mit einer Dicke d von 0,3 mm, einem äußeren Radius Ra von 8,7 mm als Funktion des inneren Radius Ri, der auf der x-Achse aufgetragen ist.
-
Auf der Y-Achse ist die von dem Justierelement 14 bewirkte Änderung der Kraft gegenüber einer Situation, in der kein Justierelement 14 vorhanden ist, aufgetragen.
-
Durch die Wahl eines ringförmigen Justierelements 14 mit einem geeigneten inneren Radius Ri kann die von dem Stator 10 auf den Anker 12 ausgeübte elektromagnetische Kraft in einem weiten Bereich zwischen ca –2.0 und +12.0 N modifiziert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
