DE102015001391B4

DE102015001391B4 - Elektromagnet und Herstellverfahren zur Herstellung eines Elektromagneten

Info

Publication number: DE102015001391B4
Application number: DE102015001391.2A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schonlau; Marc Leinweber
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2035-02-05
Also published as: DE102015001391A1

Abstract

Ein Elektromagnet (1) weist eine Magnetspule (2) und einen Eisenkreis auf, der aus einem Joch (3), einem Magnetpol (4), einem Eisenrückschluss (5) und einem Anker (6) besteht, wobei zwischen dem Magnetpol (4) und dem Anker (6) ein Primärluftspalt (10) angeordnet ist und wobei zwischen dem Joch (3) und dem Anker (6) ein Sekundärluftspalt (11) angeordnet ist, und enthält eine Dichthülse (7), wobeidie Dichthülse (7) aus einem ersten Abschnitt (8) und einem zweiten Abschnitt (9) besteht, und wobei der erste Abschnitt (8) aus einem Metall mit geringerer magnetischer Leitfähigkeit besteht und angrenzend an den Primärluftspalt (10) oder in dem Primärluftspalt (10) angeordnet ist, und wobei der zweite Abschnitt (9) aus einem Metall mit höherer magnetischer Leitfähigkeit besteht und in dem Sekundärluftspalt (11) angeordnet ist,und wobei der erste Abschnitt (8) aus einem Stahl besteht, der mehr als 80% Austenit enthält, und wobei der zweite Abschnitt (9) aus einem Stahl besteht, der weniger als 10% Austenit enthält,und wobei die beiden Abschnitte (8, 9) der Dichthülse (7) vor dem Umformen der Blechplatine (12) zu einer Dichthülse durch Schweißen miteinander verbunden sindund wobei die aus den beiden Abschnitten (8, 9) bestehende Dichthülse (7) aus einer Blechplatine (12) durch einen Umformprozess hergestellt ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Elektromagneten, der eine Magnetspule und einen Eisenkreis aufweist, der aus einem Joch, einem Magnetpol, einem Eisenrückschluss und einem Anker besteht, wobei zwischen dem Magnetpol und dem Anker ein Primärluftspalt angeordnet ist, und wobei zwischen dem Joch und dem Anker ein Sekundärluftspalt angeordnet ist, und der eine Dichthülse enthält. Elektromagnete dieser Art sind bekannt und weit verbreitet, sie werden beispielsweise zur Betätigung von Ventilen oder Kupplungen verwendet.
Stand der Technik
Elektromagnete wandeln einen von einem elektrischen Strom in einer Magnetspule erzeugten Magnetfluss in eine Kraft um, indem der Magnetfluss zwischen einem beweglichen Anker und einem Magnetpol über einen Eisenkreis und einen mindestens teilweise axialen Luftspalt variabler Länge geführt wird. Dieser Luftspalt wird auch Primärluftspalt genannt.
Der Eisenkreis besteht üblicherweise aus dem Magnetpol, einem Eisenrückschluss, einem Joch und dem Anker.
Damit der Magnetfluss von dem Anker auf die andere Seite des Magnetkreises gelangen kann, ist ein Sekundärluftspalt erforderlich, der zwischen dem Anker und einem flussleitenden Joch angeordnet ist und in der Regel bei einer Verlagerung des Ankers seine Länge senkrecht zur Achse des Ankers nicht ändert.
Bei der Betätigung von Ventilen ist es meist erforderlich, einen Ventilraum mittels des Elektromagneten gegen die Umgebung abzudichten. Zur Vermeidung einer reibungsbehafteten berührenden Dichtung verwendet man vorteilhafterweise eine Dichthülse, die den Anker des Elektromagneten umfasst und lagert.
Dabei ergibt sich der folgende Konflikt:
Einerseits soll die Dichthülse nicht magnetisch leitend sein, damit sie im Bereich des Primärluftspalts keinen magnetischen Kurzschluss erzeugt und andererseits sollte sie magnetisch leitend sein, damit sie im Bereich des Sekundärluftspalts den magnetischen Fluss nicht behindert.
Dieser Konflikt wird in bekannten Elektromagneten in unterschiedlicher Weise gelöst:
Eine nächstliegende Lösung aus der Druckschrift DE 694 33 827 T2 besteht darin, eine Hülse zur Aufnahme eines beweglichen Eisenkerns aus einem Metallbauteil herzustellen, das mindestens einen ferromagnetischen Teil und mindestens einen unmagnetischen Teil umfasst, wobei der mindestens eine unmagnetische Teil eine Kristallkorngröße von nicht mehr als 30µm hat.
Eine zweite, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 10 2011 115 614 B4 bekannte Lösung besteht darin, die Dichthülse sehr dünn und aus nichtmagnetischen Metall auszuführen, die Behinderung des Magnetflusses im Sekundärluftspalt wird dann hingenommen und durch eine stärkere Magnetspule kompensiert. Eine andere, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 36 34 349 C1 bekannte Lösung besteht darin, die Dichthülse aus einem magnetisch gut leitenden Material, zum Beispiel aus Weicheisen, auszuführen und dieses Material im Bereich des Primärluftspalts zu schwächen. Dort ergibt sich dann schon bei geringer Stärke des Magnetflusses eine magnetische Sättigung, und bei einem stärkeren Magnetfluss kein zusätzlicher den Luftspalt umgehender Kurzschluss. Den kurzschließenden Magnetfluss bis zur Sättigung muss man wieder durch eine stärkere Magnetspule kompensieren.
Eine weitere, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 101 14 472 A1 bekannte Lösung besteht darin, die Dichthülse aus mehreren spangebend hergestellten Bauteilen aufzubauen, von denen nur das Bauteil, das im Bereich des Primärluftspalts angeordnet ist, aus nichtmagnetischem Material besteht. Die Bauteile werden üblicherweise verlötet. Bei dieser Lösung können sehr hohe Drücke abgedichtet werden, aber es kann keine kostengünstige tiefgezogene Blechhülse als Dichthülse verwendet werden.
Daneben beschreibt die Druckschrift JP 2010 - 203 375 A einen feststehenden Kern mit zwei zylindrischen Abschnitten, die unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen, wobei der erste Abschnitt innerhalb des zweiten Abschnitts angeordnet ist.
Die Druckschrift US 6 143 094 A beschreibt eine Methode zur spannungsinduzierten Transformation von austenitischem Stahl und eine Methode zur Erzeugung von zusammengesetzten magnetischen Bauteilen.
Aufgabe:
Der genannte Konflikt zwischen dem Erfordernis einer geringen magnetischen Leitfähigkeit im Bereich des Primärluftspalts und der Erfordernis einer hohen magnetischen Leitfähigkeit im Sekundärluftspalt soll mit einer kostengünstigen Dichthülse gelöst werden.
Lösung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs. Der zweite Anspruch beschreibt ein Herstellverfahren zur Herstellung eines Elektromagneten.
Der Elektromagnet enthält eine Dichthülse zur Abdichtung des Ankerraums, die aus zwei Abschnitten besteht, wobei der erste Abschnitt im Bereich des Primärluftspalts aus einem Metall mit geringerer magnetischer Leitfähigkeit besteht, und wobei der zweite Abschnitt im Sekundärluftspalt aus einem Metall mit höherer magnetischer Leitfähigkeit besteht.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der erste Abschnitt aus einem überwiegend austenitischen Stahl besteht und der zweite Abschnitt aus einem Stahl besteht, der kein Austenit oder nur sehr geringe austenitische Gefügeanteile aufweist.
Die beiden Abschnitte sind vorteilhafterweise bereits in der Blechplatine vorhanden, die für den Umformprozess zur Formgebung der Dichthülse eingesetzt wird.
Dazu wird eine zusammengesetzte Blechplatine (auch „tailored blank“ genannt) hergestellt, indem die unterschiedlichen Bleche ausgeschnitten, gefügt und verschweißt werden. Dabei wird ein inneres Blechstück aus Material mit sehr geringem Austenitanteil in ein äußeres Blechstück mit sehr hohem Austenitanteil eingesetzt.
Im anschließenden Umformprozess wird die zusammengesetzte Blechplatine zu einer topfförmigen Dichthülse geformt, die nahe der Öffnung eine geringe magnetische Leitfähigkeit und in dem von der Öffnung entfernteren zylindrischen Bereich eine hohe magnetische Leitfähigkeit aufweist.
Nach dem Beschneiden und gegebenenfalls auch Entgraten kann die Dichthülse mit den anderen Bauteilen des Elektromagneten verbaut werden. Dann ergibt sich eine hohe magnetische Leitfähigkeit der Dichthülse im Sekundärluftspalt, und im Bereich des Primärluftspalts erzeugt die Dichthülse keinen oder nur einen sehr geringen magnetischen Kurzschluss.
Anwendung:
Elektromagnete der beschriebenen Art werden zusammen mit Schaltventilen oder Proportionalventilen zu elektrohydraulischen Ventilen verbaut, vorrangig zu Ventilen mit Nenndrücken geringer als 300 bar, oder auch zu elektrisch betätigten nassen Kupplungen.
Figurenliste

1: Baugruppe des Elektromagneten, bestehend aus der Dichthülse, dem Anker, dem Magnetpol und dem Joch
2: Blechplatine zur Herstellung der Dichthülse

Beispielhafte Ausführung:
Ein erfindungsgemäßer Elektromagnet (1) gemäß 1 weist eine Magnetspule (2) und einen Eisenkreis auf, der aus einem Joch (3), einem Magnetpol (4), einem Eisenrückschluss (5) und einem Anker (6) besteht, wobei zwischen dem Magnetpol (4) und dem Anker (6) ein Primärluftspalt (10) angeordnet ist und wobei zwischen dem Joch (3) und dem Anker (6) ein Sekundärluftspalt (11) angeordnet ist.
Bei einer Verlagerung des Ankers ändert sich die Größe des Primärluftspalts während die Größe des Sekundärluftspalts sich nicht ändert.
Der Elektromagnet enthält eine Dichthülse (7) zur Abdichtung des Raumes, in dem sich der Anker (6) bewegt, die aus einem ersten Abschnitt (8) und einem zweiten Abschnitt (9) besteht, wobei der erste Abschnitt (8) aus einem Metall mit geringerer magnetischer Leitfähigkeit besteht und angrenzend an den Primärluftspalt (10) oder in dem Primärluftspalt (10) angeordnet ist, und wobei der zweite Abschnitt (9) aus einem Metall mit höherer magnetischer Leitfähigkeit besteht und in dem Sekundärluftspalt (11) angeordnet ist.
Die aus den beiden Abschnitten (8, 9) bestehende Dichthülse (7) ist durch einen Umformprozess hergestellt, vorzugsweise aus einer gemeinsamen Blechplatine (12) gemäß 2.
Die beiden Abschnitte (8, 9) sind weiter vorzugsweise durch Schweißen miteinander verbunden.
Der erste Abschnitt (8) besteht vorzugsweise aus einem Stahl, der mehr als 80% Austenit enthält und der zweite Abschnitt (9) besteht vorzugsweise aus einem Stahl, der weniger als 10% Austenit enthält.
Dadurch weist der erste Abschnitt (8) eine erheblich geringere magnetische Leitfähigkeit auf als der zweite Abschnitt.
Das Verfahren zur Herstellung des Elektromagneten (1) enthält mindestens die folgenden Verfahrensschritte:

• Walzen der unterschiedlichen Materialien für die Abschnitte (8, 9)
• Ausschneiden der Abschnitte (8, 9) im flachen Zustand
• Fügen der Abschnitte (8, 9)
• Verschweißen der Abschnitte (8, 9) zu einer Blechplatine (12)
• Umformen der Blechplatine (12) zu einer Dichthülse (7)
• Beschneiden der Dichthülse (7)
• Fügen des Ankers (6) in die Dichthülse (7)
• Fügen der Baugruppe bestehend aus der Dichthülse (7) und dem Anker (6) in oder um die anderen genannten Bauteile des Elektromagneten (1).

Bezugszeichenliste

1.: Elektromagnet
2.: Magnetspule
3.: Joch
4.: Magnetpol
5.: Eisenrückschluss
6.: Anker
7.: Dichthülse
8.: Erster Abschnitt der Dichthülse
9.: Zweiter Abschnitt der Dichthülse
10.: Primärluftspalt
11.: Sekundärluftspalt
12.: Blechplatine

Claims

Ein Elektromagnet (1) weist eine Magnetspule (2) und einen Eisenkreis auf, der aus einem Joch (3), einem Magnetpol (4), einem Eisenrückschluss (5) und einem Anker (6) besteht, wobei zwischen dem Magnetpol (4) und dem Anker (6) ein Primärluftspalt (10) angeordnet ist und wobei zwischen dem Joch (3) und dem Anker (6) ein Sekundärluftspalt (11) angeordnet ist, und enthält eine Dichthülse (7), wobei die Dichthülse (7) aus einem ersten Abschnitt (8) und einem zweiten Abschnitt (9) besteht, und wobei der erste Abschnitt (8) aus einem Metall mit geringerer magnetischer Leitfähigkeit besteht und angrenzend an den Primärluftspalt (10) oder in dem Primärluftspalt (10) angeordnet ist, und wobei der zweite Abschnitt (9) aus einem Metall mit höherer magnetischer Leitfähigkeit besteht und in dem Sekundärluftspalt (11) angeordnet ist, und wobei der erste Abschnitt (8) aus einem Stahl besteht, der mehr als 80% Austenit enthält, und wobei der zweite Abschnitt (9) aus einem Stahl besteht, der weniger als 10% Austenit enthält, und wobei die beiden Abschnitte (8, 9) der Dichthülse (7) vor dem Umformen der Blechplatine (12) zu einer Dichthülse durch Schweißen miteinander verbunden sind und wobei die aus den beiden Abschnitten (8, 9) bestehende Dichthülse (7) aus einer Blechplatine (12) durch einen Umformprozess hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten (1), eine Magnetspule (2) und einen Eisenkreis aufweisend, der aus einem Joch (3), einem Magnetpol (4), einem Eisenrückschluss (5) und einem Anker (6) besteht, wobei zwischen dem Magnetpol (4) und dem Anker (6) ein Primärluftspalt (10) angeordnet ist und wobei zwischen dem Joch (3) und dem Anker (6) ein Sekundärluftspalt (11) angeordnet ist, und wobei der Elektromagnet (1) eine Dichthülse (7) aufweist, mindestens die folgenden Verfahrensschritte aufweisend: • Walzen der unterschiedlichen Materialien für Abschnitte (8, 9) der Dichthülse (7) • Ausschneiden der Abschnitte (8, 9) im flachen Zustand • Fügen der Abschnitte (8, 9) • Verschweißen der Abschnitte (8, 9) zu einer Blechplatine (12) • Umformen der Blechplatine (12) zu einer Dichthülse (7) • Beschneiden der Dichthülse (7) • Fügen des Ankers (6) in die Dichthülse (7) • Fügen der Baugruppe bestehend aus der Dichthülse (7) und dem Anker (6) in oder um die anderen genannten Bauteile des Elektromagneten (1).