DE102014201389A1

DE102014201389A1 - Elektromagnetische Stellvorrichtung für ein Magnetventil sowie Magnetventil

Info

Publication number: DE102014201389A1
Application number: DE102014201389.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Landenberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung für ein Magnetventil, umfassend eine ringförmige Magnetspule (1), einen die Magnetspule (1) zumindest teilweise umgebenden Magnetkern (2) sowie einen relativ gegenüber dem Magnetkern (2) zwischen zwei Endlagen bewegbaren Anker (3), der als Tauchanker ausgebildet und in einer Bewegungsrichtung von der Federkraft einer Feder (4) beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß besitzt der Anker (3) eine Außenkontur (5), die mit einer Innenkontur (6) des Magnetkerns (2) einen Radialspalt (7) ausbildend zusammenwirkt, wobei die Größe des Radialspalts (7) von der Position des Ankers (3) abhängig ist und in einer Position des Ankers (3) zwischen den beiden Endlagen am kleinsten ist, so dass in dieser Position der magnetische Fluss zwischen dem Anker (3) und dem Magnetkern (2) maximal ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Magnetventil mit einer solchen Stellvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung für ein Magnetventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Magnetventil mit einer solchen Stellvorrichtung. Das Magnetventil kann insbesondere als Schaltventil in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Kraftstoffeinspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, verbaut werden. Beispielsweise kann es dort zur Regelung von hydraulischen Durchflüssen eingesetzt werden.
Stand der Technik
Eine elektromagnetische Stellvorrichtung der vorstehend genannten Art umfasst eine ringförmige Magnetspule, einen die Magnetspule zumindest teilweise umgebenden Magnetkern sowie einen relativ gegenüber dem Magnetkern zwischen zwei Endlagen bewegbaren Anker. Die Bewegung des Ankers in eine erste Richtung entgegen der Federkraft einer den Anker beaufschlagenden Feder wird über die elektromagnetische Stellvorrichtung bewirkt. Die Federkraft der Feder stellt anschließend den Anker in seine Ausgangslage zurück. Die Endlagen des Ankers werden in der Regel durch mechanische Anschläge bestimmt, die häufig – wie auch der Anker – aus einem metallischen Werkstoff bestehen. Das Anschlagen des Ankers an einem solchen Anschlag führt daher regelmäßig zu einem erhöhten Verschleiß und/oder einer unerwünschten Geräuschentwicklung.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 052 526 A1 ist eine elektromagnetische Ventilvorrichtung bekannt, die eine stationäre Spuleneinheit, eine stationäre Kerneinheit und einen relativ zu der Spuleneinheit und der Kerneinheit bewegbaren Anker umfasst.
Eine Endlage des Ankers ist durch einen mechanischen Anschlag an der Kerneinheit vorgegeben. Um die Anschlag- bzw. Aufprallenergie beim Anschlagen des Ankers zu reduzieren, sind Dämpfungsmittel, umfassend wenigstens ein Elastomer-Element, vorgesehen. Das Elastomer-Element kann den Anker durchsetzen und eine in Richtung der Kerneinheit über den Anker vorstehende Anschlagfläche ausbilden, so dass ein unmittelbares Anschlagen des Ankers an der Kerneinheit verhindern wird. Alternativ kann die Anschlagfläche des Ankers an im Anker aufgenommenen Distanzmitteln ausgebildet sein, die andernends an dem Elastomer-Element abgestützt sind und mit diesem dämpfend zusammenwirken. Das Elastomer-Element kann auf diese Weise zugleich als Dichtmittel zum Verschließen einer Ventilöffnung des Ventils eingesetzt werden.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Stellvorrichtung für ein Magnetventil anzugeben, das besonders verschleiß- und geräuscharm zu betreiben ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ferner wird ein Magnetventil mit einer solchen Stellvorrichtung vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Die für ein Magnetventil vorgeschlagene elektromagnetische Stellvorrichtung, umfasst eine ringförmige Magnetspule, einen die Magnetspule zumindest teilweise umgebenden Magnetkern sowie einen relativ gegenüber dem Magnetkern zwischen zwei Endlagen bewegbaren Anker, der als Tauchanker ausgebildet und in einer Bewegungsrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß besitzt der Anker eine Außenkontur, die mit einer Innenkontur des Magnetkerns einen Radialspalt ausbildend zusammenwirkt. Die Größe des Radialspalts ist dabei von der Position des Ankers abhängig und in einer Position des Ankers zwischen den beiden Endlagen am kleinsten. In dieser Position, d. h. in einem Abstand des Ankers zu beiden Endlagen, ist der magnetische Fluss zwischen dem Anker und dem Magnetkern maximal. Überfährt der Anker diese Position, nimmt die Flussdichte zwischen Anker und Magnetkern ab, und der Anker ist bestrebt in die Position zurückzukehren, in welcher der magnetische Fluss maximal ist. Dies hat zur Folge, dass auf den Anker eine magnetische Kraft wirkt, die der eigentlichen Bewegungsrichtung des Ankers entgegengesetzt ist, so dass der Anker abgebremst wird und mit deutlich geringerer Geschwindigkeit oder gar nicht einen eine Endlage definierenden mechanischen Anschlag erreicht. Insbesondere im letztgenannten Fall werden der Verschleiß und die Geräuschentwicklung auf ein Minimum reduziert, da der mechanische Anschlag durch einen „magnetischen Anschlag“ ersetzt wird.
Im Unterschied zu einem mechanischen Anschlag führt der vorgeschlagene „magnetische Anschlag“ nicht unmittelbar zum vollständigen Stillstand des Ankers. Das heißt, dass der Anker mit Erreichen des magnetischen Anschlags seine Bewegung zunächst fortsetzt. Eine erste Teilstrecke des Ankerhubes liegt demnach diesseits und eine zweite Teilstrecke jenseits des magnetischen Anschlags, wobei die zweite Teilstrecke der Verzögerung der Ankerbewegung dient. Der magnetische Anschlag entfaltet demnach lediglich eine Bremswirkung. Er kann daher auch als „magnetische Bremse“ bezeichnet werden. Bevorzugt führt die Bremswirkung des magnetischen Anschlags bzw. der magnetischen Bremse dazu, dass die Ankerbewegung gestoppt wird, bevor der Anker einen mechanischen Anschlag erreicht. Dadurch kann das Kavitationsrisiko gesenkt werden, das im Bereich eines mechanischen Anschlags aufgrund der dort herrschenden Druckverhältnisse regelmäßig hoch ist. Mit Wegfall eines mechanischen Anschlags kann demnach die Robustheit der Stellvorrichtung weiter erhöht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Außenkontur des Ankers zur Ausbildung des variablen Radialspalts zumindest abschnittsweise konisch, konvex und/oder gestuft ausgeführt. Die konisch, konvex und/oder gestuft ausgeführte Außenkontur dient der Vergrößerung des Außendurchmessers des Ankers, um den Radialspalt zwischen dem Anker und dem Magnetkern zu verkleinern. Hieran schließt sich vorzugsweise ein weiterer konisch, konvex und/oder gestuft ausgeführter Abschnitt an, der wiederum der Verkleinerung des Außendurchmessers des Ankers dient. Zwischen diesen Abschnitten kann der Anker einen zylinderförmigen Abschnitt aufweisen.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Innenkontur des Magnetkerns zur Ausbildung des variablen Radialspalts zumindest abschnittsweise konisch, konvex und/oder gestuft ausgeführt ist. Die Innenkontur des Magnetkerns kann insbesondere als Spiegelung der Außenkontur des Ankers ausgebildet sein.
Der Magnetkern besitzt vorzugsweise einen nach radial innen geöffneten Ringraum zur Aufnahme der Magnetspule. Die Magnetspule wird in diesem Fall zumindest dreiseitig von dem Magnetkern umgeben. Durch die radial innen liegende Öffnung des Magnetkerns, d. h. durch Öffnung des Magnetkerns zum Anker hin, wird eine dem Anker gegenüberliegende Polfläche an einer die Magnetspule abdeckenden Scheibe gebildet, die mit dem Anker den variablen Radialspalt ausbildend zusammenwirkt.
Vorteilhafterweise besitzt der Magnetkern eine zentrale Ausnehmung, in welcher der Anker und/oder die den Anker beaufschlagende Feder aufgenommen ist bzw. sind. Auf diese Weise wird eine kompakte Anordnung erreicht. Die Feder kann einerseits an einer Stirnfläche des Ankers und andererseits an einem Boden der Ausnehmung des Magnetkerns abgestützt sein.
Ferner wird ein Magnetventil mit einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung vorgeschlagen. Bei diesem Ventil ist der Anker mit einem Ventilschließelement gekoppelt oder koppelbar, so dass der Ankerhub zum Öffnen und/oder Schließen des Ventils auf das Ventilschließelement übertragbar ist. Bei diesem Magnetventil kann es sich beispielsweise um ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems oder ein Schaltventil, beispielweise für einen Kraftstoffinjektor, handeln.
Bevorzugt ist das Magnetventil ein Schaltventil für eine Kraftstoffhochdruckpumpe und/oder ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schaltstellung, in welcher der Anker den magnetischen Anschlag noch nicht erreicht hat,
2 einen schematischen Längsschnitt durch die Stellvorrichtung der 1 in einer Schaltstellung, in welcher der Anker den magnetischen Anschlag erreicht hat und
3 einen schematischen Längsschnitt durch die Stellvorrichtung der 1 in einer Schaltstellung, in welcher der Anker den magnetischen Anschlag überfahren hat.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in den 1 bis 3 in verschiedenen Schaltstellungen gezeigte elektromagnetische Stellvorrichtung umfasst eine ringförmige Magnetspule 1, die in einem Ringraum 8 eines Magnetkerns 2 aufgenommen ist. Der Ringraum 8 ist radial innen geöffnet und mit einer zentralen Ausnehmung 10 verbunden, in welcher ein hubbeweglicher Anker 3 und eine Feder 4 aufgenommen sind. Die Feder 4 ist einerseits an einer Stirnfläche 11 des Ankers 3, andererseits an einem die Ausnehmung 10 begrenzenden Bodenteil 12 des Magnetkerns 2 abgestützt.
Wird die Magnetspule 1 bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, das bewirkt, dass sich der Anker 3 entgegen der Federkraft der Feder 4 in Richtung des Bodenteils 12 des Magnetkerns 2 bewegt (siehe Pfeil 13 in der 1). Denn der Anker 3 ist bestrebt, eine Position einzunehmen, in welcher die magnetische Flussdichte zwischen ihm und dem Magnetkern 2 am größten ist. Dies ist der Fall, wenn der Abstand zwischen dem Anker 3 und dem Magnetkern 2 am kleinsten ist. Der Abstand wird vorliegend durch einen Radialspalt 7 zwischen dem Anker 3 und dem Magnetkern 2 definiert, dessen Größe vom Hub des Ankers 3 abhängig ist. Denn der Anker 3 besitzt eine Außenkontur 5, die mit einer Innenkontur 6 des Magnetkerns 2 den Radialspalt 7 ausbildend zusammenwirkt und einen ersten konisch verlaufenden Abschnitt zur Vergrößerung des Ankeraußendurchmessers, einen sich hieran anschließenden zylinderförmigen Abschnitt sowie einen weiteren konisch verlaufenden Abschnitt zur Verkleinerung des Ankeraußendurchmessers besitzt. Die Innenkontur 6 des Magnetkerns 2 ist spiegelbildlich ausgeführt. In Abhängigkeit vom Hub des Ankers 3 ist demnach der Radialspalt 7 größer oder kleiner.
Hat der Anker 3 die in der 2 dargestellte Position erreicht, ist der Radialspalt 7 zwischen dem Anker 3 und dem Magnetkern 2 am kleinsten. Zur Verdeutlichung ist zwischen dem Anker 3 und dem Magnetkern eine Magnetfeldlinie 9 eingezeichnet. Dies bedeutet, dass in dieser Position die magnetische Flussdichte maximal ist. In Ermangelung eines mechanischen Anschlags setzt der Anker 3 jedoch zunächst seine Bewegung fort, so dass er eine Position erreicht, wie sie beispielhaft in der 3 dargestellt ist. Da sich mit Fortsetzung des Hubes des Ankers 3 der Radialspalt 7 zwischen dem Anker 3 und dem Magnetkern 2 wieder vergrößert, wirkt die Magnetkraft nunmehr in umgekehrter Richtung (siehe Pfeil 14 in der 3), so dass die Bewegung des Ankers 3 verlangsamt und der Anker 3 abgebremst wird. Auf diese Weise kann ein magnetischer Anschlag bzw. eine magnetische Bremse realisiert werden, der einen mechanischen Anschlag entbehrlich macht.
Die in den 1 bis 3 dargestellten schematischen Längsschnitte zeigen der Einfachheit halber jeweils nur die linke Hälfte der Stellvorrichtung, da die rechte spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Längsachse A der Stellvorrichtung ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011052526 A1 [0003]

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung für ein Magnetventil, umfassend eine ringförmige Magnetspule (1), einen die Magnetspule (1) zumindest teilweise umgebenden Magnetkern (2) sowie einen relativ gegenüber dem Magnetkern (2) zwischen zwei Endlagen bewegbaren Anker (3), der als Tauchanker ausgebildet und in einer Bewegungsrichtung von der Federkraft einer Feder (4) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) eine Außenkontur (5) besitzt, die mit einer Innenkontur (6) des Magnetkerns (2) einen Radialspalt (7) ausbildend zusammenwirkt, wobei die Größe des Radialspalts (7) von der Position des Ankers (3) abhängig ist und in einer Position des Ankers (3) zwischen den beiden Endlagen am kleinsten ist, so dass in dieser Position der magnetische Fluss zwischen dem Anker (3) und dem Magnetkern (2) maximal ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (5) des Ankers (3) zur Ausbildung des variablen Radialspalts (7) zumindest abschnittsweise konisch, konvex und/oder gestuft ausgeführt ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (6) des Magnetkerns (2) zur Ausbildung des variablen Radialspalts (7) zumindest abschnittsweise konisch, konvex und/oder gestuft ausgeführt ist.
Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (2) einen nach radial innen geöffneten Ringraum (8) zur Aufnahme der Magnetspule (1) besitzt.
Magnetventil mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker (3) mit einem Ventilschließelement gekoppelt oder koppelbar ist.
Magnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil ein Schaltventil für eine Kraftstoffhochdruckpumpe und/oder ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, ist.