DE102015004810B3

DE102015004810B3 - Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten

Info

Publication number: DE102015004810B3
Application number: DE102015004810.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schonlau; Marc Leinweber; Andreas Dietrich
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-08-11
Anticipated expiration: 2035-04-15

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten (1) mit einer Magnetspule (2), dessen Magnetkreis aus magnetflussleitenden Bauteilen, nämlich einem Gehäuse (3), einer Polscheibe (4), einem Joch (5), einem beweglichen Anker (6), einem Konus (7) und einer Konusscheibe (8) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die beteiligten Bauteile Polscheibe, Konusscheibe und Gehäuse durch schneidende und/oder umformende Bearbeitungsverfahren hergestellt werden und Luftspalte zwischen sich in radialer Richtung erstreckenden Berührflächen (9, 10) zwischen dem Gehäuse (3) und der Polscheibe (4) einerseits sowie zwischen Berührflächen (11, 12) zwischen dem Gehäuse (3) und der Konusscheibe (8) andererseits durch ein umformendes Bearbeitungsverfahren verringert werden, bei dem die Konusscheibe (8), das Gehäuse (3) und die Polscheibe (4) gemeinsam in eine Vorrichtung aufgenommen werden und dann einfach oder mehrfach zusammengepresst werden, wobei eine Presskraft axial in der Richtung der gemeinsamen Mittellinie der betreffenden Bauteile geführt wird, so dass für einen nicht stofflich verbundenen Flächenanteil von jeweils mehr als 90% die Berührflächen einen Luftspalt von weniger als 3 μm aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnete entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Stand der Technik:
Elektromagnete mit hohen Anforderungen an die erzeugte Betätigungskraft und insbesondere an die geringe Streuung der Kraft und die Aufrechterhaltung der Kraft über der Lebensdauer sind bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 10 2013 001 425 A1 . Dabei werden die für die Betätigungskraft schädlichen Sekundärluftspalte durch konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen reduziert.
Ferner ist bekannt, dass man durch Impulsfügen von zu fügenden Bauteilen die Fügekräfte deutlich reduzieren kann.
Zum Impulsfügen sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die durch schlagartige Belastung oder impulsartige Kräfte das Fügen oder Verformen von Bauteilen erleichtern oder überhaupt erst ermöglichen sollen. Der Begriff Impuls wird dabei nicht im physikalischen Sinn als Produkt von Masse und Geschwindigkeit verwendet, sondern als Ausdruck der kurzzeitigen Wirkung der eingesetzten Kräfte, wobei die Dauer der Kraftwirkung in der Regel kleiner als 100 ms ist.
Dabei dienen die aufgebrachten Impulse einerseits dem Ineinanderschieben der zu fügenden Bauteile, aber andererseits auch der gegenseitigen Anpassung von nicht parallel zur Fügerichtung stehenden Anschlagflächen der betroffenen Bauteile.
Der Elektromagnet besteht aus einer magnetflusserzeugenden Magnetspule, einem Anker und magnetflussleitenden Bauteilen, die im Bereich des Konus mit dem Anker einen Arbeitsluftspalt bilden, an dem eine Kraft auf den Anker erzeugt wird.
Die magnetflussleitenden Bauteile, das Gehäuse, die Polscheibe, das Joch, der Konus und die Konusscheibe sollen den Magnetfluss möglichst mit sehr geringen magnetischen Widerstand leiten, damit sich der wirksame magnetische Widerstand auf den Arbeitsluftspalt konzentriert.
Es ist bekannt, dass an den Übergängen zwischen verschiedenen magnetflussleitenden Bauteilen sogenannte Sekundärluftspalte vorhanden sind, die durch Formabweichungen, Oberflächenrauhigkeit, Grate und Fremdpartikel hervorgerufen werden.
Solche Sekundärluftspalte lassen sich durch hochgenaue spangebende Fertigung der Bauteile, durch sorgfältige Entgratung und Reinigung sowie durch vollflächige Verschweißung beseitigen, aber alle diese Maßnahmen verteuern die Herstellung der Elektromagnete.
Aufgabe:
Der erfindungsgemäße Elektromagnet soll eine verbesserte magnetische Leitfähigkeit des Eisenkreises im Allgemeinen und im Besonderen verminderte magnetischen Widerstände an den Übergängen zwischen dem Gehäuse und den daran anschließenden Bauteilen, der Polscheibe und der Konusscheibe, aufweisen. Es soll auch ein Verfahren zur Herstellung solcher Elektromagnete beschrieben werden. Eine großräumliche Verformung der Bauteile soll vermieden werden.
Lösung:
Die Aufgaben werden durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, die Unteransprüche geben Weiterbildungen der Erfindung an.
Gemäß dieser Erfindung sollen preiswerte, spanlos gefertigte Bauteile für den Eisenkreis des Elektromagneten verwendet werden.
Wenn diese Bauteile nicht nachbearbeitet werden, muss mit gewissen kleinräumlichen Formfehlern, mit einer bestimmten Rauhigkeit und mit dem Vorhandensein von Graten und Fremdpartikeln gerechnet werden.
Alternativ zur spangebenden Nachbearbeitung wird hier eine umformende Anpassung der Berührflächen zwischen der Polscheibe und dem Gehäuse einerseits und zwischen der Konusscheibe und dem Gehäuse andererseits vorgesehen, vorzugsweise gleichzeitig durch dieselben Kräfte.
Die Umformung erfolgt durch impulsartige oder schlagartige Belastungen in der Richtung der Mittelachse des Elektromagneten.
Die betreffenden Flächen erstrecken sich alle senkrecht zur Mittelachse des Elektromagneten.
Die Anpassung der genannten Flächen dient der Verbesserung der elektrischen oder der magnetischen Leitfähigkeit des Übergangs zwischen den betreffenden Bauteilen.
Die Anpassung der Flächen erfolgt nur kleinräumlich durch Einebnung von Oberflächenrauhigkeiten oder Einschlagen von Graten oder Fremdpartikeln, großräumliche Verformungen sind hier unerwünscht und werden durch die richtige Dosierung der Impulse vermieden.
Die Impulse werden so eingestellt und auch präzise eingehalten, dass die verbleibenden Luftspalte für über 90% der freien Berührfläche nicht größer als X μm sind, wobei je nach Größe und Aufgabe des Elektromagneten X einen Wert zwischen 1 und 3 haben soll.
Ein kleinerer Wert für X ergibt zwar einen geringeren magnetischen Widerstand, erhöht aber die Gefahr einer großräumlichen Verformung der Bauteile. Nach der umformenden Anpassung der Berührflächen werden vorzugsweise die betreffenden Bauteile verschweißt, allerdings nicht vollflächig, da dies die Kosten erheblich erhöhen würde.
Nach der Verschweißung sind daher immer noch Berührflächen teilweise stofflich nicht verbunden, sie müssen daher durch die sehr geringen Luftspalte einen Teil des Magnetflusses leiten.
Das Schweißverfahren für die Verbindung der betreffenden Bauteile muss gewährleisten, dass sich die Bauteile nicht verziehen, daher kommt vorrangig Laserschweißen zur Anwendung.
Anwendung:
Elektromagnete zur Betätigung von Ventilen oder Kupplungen.
Bilder:
1 zeigt den erfindungsgemäßen Elektromagneten.
2 zeigt ein Detail des Elektromagneten, nämlich die Schweißnaht zwischen dem Gehäuse und der Polscheibe.
Beispielhafte Ausführung:
Der erfindungsgemäße Elektromagnet (1) gemäß 1 enthält eine Magnetspule (2) und einen Magnetkreis aus einem Gehäuse (3), einer Polscheibe (4), einem Joch (5), einem beweglichen Anker (6), einem Konus (7) und einer Konusscheibe (8).
Die Berührflächen (9, 10) zwischen dem Gehäuse (3) und der Polscheibe (4) einerseits sowie die Berührflächen (11, 12) zwischen dem Gehäuse (3) und der Konusscheibe (8) andererseits erstrecken sich in radialer Richtung. Dabei weisen die Berührflächen einen Luftspalt von weniger als 3 μm, vorzugsweise von weniger als 1 μm auf, und zwar für einen nicht stofflich verbundenen Flächenanteil von jeweils mehr als 90%.
Die beteiligten Bauteile Polscheibe, Konusscheibe und Gehäuse sind spanlos, nämlich durch schneidende und/oder umformende Bearbeitungsverfahren hergestellt.
Die Konusscheibe (8) und die Polscheibe (4) sind aus einem Blechmaterial ausgestanzt.
Das Gehäuse (3) ist aus einem Blech ausgestanzt und durch ein Rollverfahren in seine gebogene Form gebracht worden.
Der Luftspalt zwischen den axialen Berührflächen (9, 10, 11, 12) ist durch ein umformendes Bearbeitungsverfahren verringert worden, bei dem die Konusscheibe (8), das Gehäuse (3) und die Polscheibe (4) gemeinsam in eine Vorrichtung aufgenommen wurden und dann einfach oder mehrfach stark zusammengepresst wurden, wobei eine Presskraft axial in der Richtung der gemeinsamen Mittellinie der betreffenden Bauteile geführt wurde.
Vorzugsweise wurde die Presskraft impulsartig aufgebracht.
Der Impuls oder die Impulse sind entweder durch eine Kraftamplitude und durch vorbestimmte Zeiten für einen Anstieg T1, ein Halten T2 und einen Abfall T3 gekennzeichnet, oder der Impuls oder die Impulse werden durch ein vorbestimmtes Spektrum von Amplituden für einen Frequenzbereich von einer Minimalfrequenz F1 bis zu einer Maximalfrequenz F2 gekennzeichnet.
Zeitlich nach dem beschriebenen umformenden Bearbeitungsverfahren werden die Konusscheibe (8) und das Gehäuse (3) vorzugsweise durch ein Schweißverfahren, stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei eine Schweißnaht (13) zwischen 30% und 70% der gemeinsamen Berührflächen (11, 12) der beteiligten Bauteile erfasst.
Ebenfalls vorzugsweise werden die Polscheibe (4) und das Gehäuse (3) durch ein Schweißverfahren zeitlich nach dem umformenden Bearbeitungsverfahren stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei eine Schweißnaht (13) zwischen 30% und 70% der gemeinsamen Berührflächen (9, 10) der beteiligten Bauteile erfasst, wie in 2 dargestellt ist.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Elektromagneten besteht aus den folgenden Prozeßschritten:

• die Polscheibe (4) und die Konusscheibe (8) werden mittels Stanzen aus Blechmaterial hergestellt,
• das Gehäuse (3) wird zunächst durch Stanzen aus Blechmaterial geschnitten und dann durch Rollen geformt,
• die Polscheibe (4), das Gehäuse (3) und die Konusscheibe (8) werden in eine Vorrichtung aufgenommen und durch eine axiale Presskraft oder mehrere aufeinanderfolgende axiale Pressimpulse an den Berührflächen (9, 10) zwischen der Polscheibe (4) und dem Gehäuse (3) einerseits und den Berührflächen (11, 12) zwischen dem Gehäuse (3) und der Konusscheibe (8) andererseits verformt, wobei die Presskraft oder die Pressimpulse so eingestellt sind, dass für einen Flächenanteil von mehr als 90% der Berührflächen ein Luftspalt von weniger als 3 μm, vorzugsweise von weniger als 1 μm, entsteht,
• die Konusscheibe (8) wird mit dem Gehäuse (3) so verschweißt, dass zwischen 30% und 70% der gemeinsamen Berührflächen (11, 12) der Bauteile von einer Schweißnaht (13) erfasst wird,
• die Polscheibe (4) wird mit dem Gehäuse (3) so verschweißt, dass zwischen 30% und 70% der gemeinsamen Berührflächen (9, 10) der Bauteile von einer Schweißnaht (13) erfasst wird.

Bezugszeichenliste

1: Elektromagnet
2: Magnetspule
3: Gehäuse
4: Polscheibe
5: Joch
6: Anker
7: Konus
8: Konusscheibe
9: Berührfläche
10: Berührfläche
11: Berührfläche
12: Berührfläche
13: Schweißnaht

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten (1) mit einer Magnetspule (2), dessen Magnetkreis aus magnetflussleitenden Bauteilen, nämlich einem Gehäuse (3), einer Polscheibe (4), einem Joch (5), einem beweglichen Anker (6), einem Konus (7) und einer Konusscheibe (8) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die beteiligten Bauteile Polscheibe, Konusscheibe und Gehäuse durch schneidende und/oder umformende Bearbeitungsverfahren hergestellt werden und Luftspalte zwischen sich in radialer Richtung erstreckenden Berührflächen (9, 10) zwischen dem Gehäuse (3) und der Polscheibe (4) einerseits sowie zwischen Berührflächen (11, 12) zwischen dem Gehäuse (3) und der Konusscheibe (8) andererseits durch ein umformendes Bearbeitungsverfahren verringert werden, bei dem die Konusscheibe (8), das Gehäuse (3) und die Polscheibe (4) gemeinsam in eine Vorrichtung aufgenommen werden und dann einfach oder mehrfach zusammengepresst werden, wobei eine Presskraft axial in der Richtung der gemeinsamen Mittellinie der betreffenden Bauteile geführt wird, so dass für einen nicht stofflich verbundenen Flächenanteil von jeweils mehr als 90% die Berührflächen einen Luftspalt von weniger als 3 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das umformende Bearbeitungsverfahren so ausgeführt wird, dass die sich in radialer Richtung erstreckenden Berührflächen (9, 10, 11, 12) zwischen dem Gehäuse (3) und der Polscheibe (4) einerseits sowie zwischen dem Gehäuse (3) und der Konusscheibe (8) andererseits für einen nicht stofflich verbundenen Flächenanteil von jeweils mehr als 90% einen Luftspalt von weniger als 1 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konusscheibe (8) und die Polscheibe (4) aus einem Blechmaterial ausgestanzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) aus einem Blech ausgestanzt ist und durch ein Rollverfahren in seine gebogene Form gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Presskraft zur Umformung der Berührflächen (9, 10, 11, 12) impulsartig einfach oder mehrfach aufgebracht wurde, wobei der Impuls oder die Impulse durch eine Kraftamplitude und durch vorbestimmte Zeiten für einen Anstieg T1, ein Halten T2 und einen Abfall T3 gekennzeichnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Presskraft zur Umformung der Berührflächen (9, 10, 11, 12) impulsartig einfach oder mehrfach aufgebracht wird, wobei der Impuls oder die Impulse durch ein vorbestimmtes Spektrum von Amplituden für einen Frequenzbereich von einer Minimalfrequenz F1 bis zu einer Maximalfrequenz F2 gekennzeichnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konusscheibe (8) und das Gehäuse (3) durch ein Schweißverfahren, das zeitlich nach dem in Anspruch 4 beschriebenen umformenden Bearbeitungsverfahren vorgenommen wird, stoffschlüssig miteinander verbunden werden, wobei eine Schweißnaht (13) zwischen 30% und 70% der gemeinsamen Berührflächen (11, 12) der beteiligten Bauteile erfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polscheibe (4) und das Gehäuse (3) durch ein Schweißverfahren, das zeitlich nach dem in Anspruch 4 beschriebenen umformenden Bearbeitungsverfahren vorgenommen wird, stoffschlüssig miteinander verbunden werden, wobei eine Schweißnaht (13) zwischen 30% und 70% der gemeinsamen Berührflächen (9, 10) der beteiligten Bauteile erfasst.