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Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten, aufweisend einen Magnetkern mit einer bestrombaren Spule und einen Magnetanker, wobei der Magnetkern und/oder der Magnetanker von jeweils einem Paket aus Magnetkernblechen und/oder aus Magnetankerblechen gebildet ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Elektromagnet, der als Wechselstrom-Elektromagnet ausgebildet ist, ist aus der
DE 1 614 193 A1 bekannt. Dieser Elektromagnet weist einen in einem Magnetgehäuse angeordneten Elektromagneten mit einer bestrombaren Spule und einen Magnetanker auf. Der Magnetanker wird bei einer Bestromung der Spule gegen den Magnetkern bewegt und bewirkt dadurch eine Schaltfunktion. Sowohl der Magnetkern als auch der Magnetanker sind aus einem Paket aus Magnetkernblechen und aus Magnetankerblechen gebildet. Dabei sind die jeweiligen Bleche des Magnetkerns und des Magnetankers von jeweils verhältnismäßig starken Endblechen eingefasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagneten bereitzustellen, der hinsichtlich seiner Funktion, beispielsweise bezüglich des Bauraums oder der Schaltzeit, verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche Magnetkernblechschlitze und/oder Magnetankerblechschlitze aufweisen. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass heutige Magnetkerne und Magnetanker häufig aus Stählen mit einer hohen Sättigungsinduktivität, aber einer vergleichsweise hohen Leitfähigkeit des Materials ausgeführt sind. Die Leitfähigkeit des Materials führt jedoch zu Wirbelströmen in dem Magnetanker und dem Magnetkern, durch die Energie vernichtet werden kann und sich die Schaltzeiten des Elektromagneten deutlich verlängern. Weiterhin ist bekannt, Wirbelstromprobleme durch die Verwendung sogenannter WMV-Werkstoffe (weichmagnetische Verbundwerkstoffe) anzugehen, deren Leitfähigkeit um den Faktor 10 geringer als bei normalen Stählen ist. Problematisch bei WMV-Werkstoffen sind deren sehr schlechte mechanische Eigenschaften sowie die reduzierte Sättigungsinduktivität, die zu einer Vergrößerung des Bauraums des Elektromagneten führt. Dadurch, dass erfindungsgemäß die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche Magnetkernblechschlitze und/oder Magnetankerblechschlitze aufweisen, können die Wirbelströme signifikant reduziert werden. Dadurch kann die Funktion des Elektromagneten sowohl hinsichtlich des benötigten Baumraums als auch der Schaltzeit verbessert werden. Dabei kann auf herkömmliche Stähle zurückgegriffen werden, so dass keine Nachteile hinsichtlich des benötigten Bauraums für den Elektromagneten entstehen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Schlitzbreite der Magnetkernblechschlitze und/oder der Magnetankerblechschlitze < 0,15 mm, vorzugsweise < 0,1 mm. Dadurch geht insbesondere bei den Magnetankerblechen nur eine geringe Ankerfläche verloren. Um die geringe Schlitzbreite realisieren zu können, weisen die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche nur eine geringe Dicke auf, so dass insgesamt die Anzahl der Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche erhöht wird. Dadurch lassen sich die Magnetkernblechschlitze und/oder die Magnetankerblechschlitze mit der erfindungsgemäß vorgesehenen geringen Schlitzbreite in die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche problemlos einbringen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnetkernblechschlitze und/oder die Magnetankerblechschlitze in die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche gestanzt, erodiert oder gelasert. Neben diesen Fertigungsverfahren sind aber auch andere Fertigungsverfahren zur Herstellung beziehungsweise Einbringung der Schlitze in die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche im Rahmen der Erfindung umsetzbar. Durch die zuvor beschriebene geringe Dicke der Magnetkernbleche und/oder Magnetankerbleche können die zuvor beschriebenen Fertigungsverfahren problemlos zur Realisierung der vorgesehenen Schlitzbreiten angewendet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die Magnetkernblechschlitze und/oder die Magnetankerblechschlitze von außen über eine Teillänge entlang der Magnetkernbleche und/oder der Magnetankerbleche nach innen. Alternativ oder ergänzend erstrecken sich die Magnetkernblechschlitze und/oder die Magnetankerblechschlitze von innen über eine Teillänge entlang der Magnetkernbleche und/oder der Magnetankerbleche nach außen. Wiederum alternativ oder ergänzend sind die Magnetkernblechschlitze und/oder die Magnetankerblechschlitze in einem Mittenbereich der Magnetkernbleche und/oder der Magnetankerbleche angeordnet. Hierbei sind grundsätzlich beliebige Ausgestaltungen oder kombinierte Ausgestaltungen umsetzbar, wobei eine Auswahl nach den jeweiligen Gegebenheiten erfolgen kann. Die Magnetkernbleche und/oder Magnetankerbleche können also ausdrücklich aus unterschiedlich ausgebildeten (geschlitzten) Magnetkernblechschlitzen und/oder Magnetankerkernblechschlitzen zusammengesetzt sein.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche einseitig mit einer Isolierschicht, insbesondere einem Isolierlack, einer nichtleitenden Oxidschicht und/oder einer Phosphatschicht beschichtet. Dabei können auch Kombinationen einer Isolierschicht vorgesehen sein. Die Dicke der Isolierschicht ist möglichst gering und beträgt vorzugsweise (deutlich) weniger als 0,1 mm. Dadurch wird erreicht, dass es keine leitende Verbindung zwischen den einzelnen Blechen gibt, wodurch Wirbelströme vermieden werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche miteinander verbunden, insbesondere mechanisch oder unter Anwendung eines thermischen Verbindungsverfahrens miteinander verbunden. Beispielsweise können die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche miteinander verschweisst werden oder durch eingepresste Stifte mechanisch miteinander verbunden werden. Insbesondere für die Magnetkernbleche ist es unter Umständen nicht notwendig, die Magnetkernbleche zusätzlich miteinander zu verbinden, wenn diese beispielsweise in einem Magnetkerngehäuse eingesetzt oder eingespannt sind. Die Verbindung der Magnetankerbleche zu dem Magnetankerbolzen kann gepresst, geschweißt und/oder geklebt sein.
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Die Magnetkernbleche und/oder die Magnetankerbleche sind vorzugsweise aus einem magnetisch gut leitenden Werkstoff, beispielsweise einem Stahl, der die mechanischen Eigenschaften des magnetisch gut leitenden Werkstoffs mit den elektrischen Eigenschaften von WMV-Werkstoffen verbindet. Die Sättigungsinduktivität der den Magnetkern und/oder den Magnetanker bildenden Magnetkernbleche und/oder der Magnetankerbleche beträgt vorzugsweise mehr als zwei Tesla.
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In Weiterbildung der Erfindung wird der erfindungsgemäß ausgestaltete Elektromagnet bei einem Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine eingesetzt. Mit dem Elektromagneten wird die von dem Kraftstoffinjektor vorzunehmende Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine gesteuert. Dabei soll der Kraftstoffinjektor insgesamt möglich kompakt bauen und andererseits die Schaltzeit des Kraftstoffinjektors möglich präzise und kurz sein. Diese Forderungen werden durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten erfüllt. Grundsätzlich ist der Elektromagnet aber beliebig einsetzbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestellter Elektromagnet näher beschrieben ist.
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Es zeigen:
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1 einen Elektromagneten mit einem Magnetkern und einem Magnetanker, wobei der Magnetkern und der Magnetanker von einem Paket aus Magnetkernblechen und aus Magnetankerblechen gebildet sind, die Magnetkernblechschlitze und Magnetankerblechschlitze aufweisen,
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2 eine Detailansicht eines Magnetankerblechs mit Magnetankerschlitzen, die sich von außen über eine Teillänge des Magnetankerblechs nach innen erstrecken,
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3 eine Detailansicht eines Magnetankerblechs, bei dem sich Magnetankerblechschlitze von innen über eine Teillänge entlang des Magnetankerblechs nach außen erstrecken und
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4 eine Detailansicht eines Magnetankerblechs, bei dem verschiedene Ausgestaltungen von Magnetankerblechschlitzen realisiert sind.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Kraftstoffinjektors 1, in dem ein erfindungsgemäßer Elektromagnet 2 verbaut ist. Der Kraftstoffinjektor 1 weist Gehäuseteile 3a, 3b auf, die mittels einer Überwurfmutter 4 miteinander verbunden sind. Dem Kraftstoffinjektor 1 wird unter Hochdruck stehender Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, zugeführt, der von dem Kraftstoffinjektor 1 in einen zugeordneten Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Um die Einspritzung zu steuern, ist der Elektromagnet 2 vorgesehen, der letztendlich eine Injektornadel des Kraftstoffinjektors 1 direkt oder indirekt in eine Schließstellung und eine Einspritzstellung verstellt. In der Schließstellung ist der Kraftstofffluss durch den Kraftstoffinjektor 1 unterbrochen, während der Kraftstofffluss in der Einspritzstellung freigegeben ist. Der Kraftstoffinjektor 1 wird beispielsweise an einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem verbaut, in dem ein Systemdruck des Kraftstoffs von bis zu 3.000 bar herrscht.
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In die Gehäuseteile 3a, 3b des Kraftstoffinjektors 1 ist eine zusammenwirkende Ausnehmung eingelassen, die die der Elektromagnet 2 eingesetzt ist. Der Elektromagnet 2 weist neben Magnetgehäuseteilen 5a, 5b einen Magnetkern 6 und einen Magnetanker 7 auf. In den Magnetkern 6 ist eine bestrombare Spule 8 eingesetzt, die über elektrische Zuleitungen 9a, 9b, die durch die Magnetgehäuseteile 5a, 5b geführt sind, bestrombar ist. Die Zuleitungen 9a, 9b sind in geeigneter Weise mit einem Steuergerät, das beispielsweise ein Brennkraftmaschinensteuergerät ist, verbunden.
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Wird die Spule 8 bestromt, wird in dem Magnetkern 6 ein elektrisches Feld aufgebaut, das den Magnetanker 7 nach oben gegen den Magnetkern 6 anzieht. Dabei wird ein Restluftspalt 10 zwischen dem Magnetkern 6 und dem Magnetanker 7 auf einen Minimalwert, der beispielsweise durch eine (nicht dargestellte) Restluftspaltscheibe eingestellt werden kann, reduziert. Der Magnetanker 7 ist mit einem Magnetankerbolzen 11 verbunden, der direkt oder indirekt insbesondere in dem Gehäuseteil 3b geführt sein kann. Dadurch wird der Magnetanker 7 präzise gegenüber dem Magnetkern 6 geführt. Der Magnetankerbolzen 11 kann zur Steuerung des Kraftstoffdrucks in einem Steuerraum ausgebildet sein oder aber direkt mit der Injektornadel des Kraftstoffinjektors 1 verbunden sein.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist sowohl der Magnetkern 6 als auch der Magnetanker 7 aus einem Paket aus Magnetkernblechen 12 als auch der Magnetanker aus einem Paket von Magnetankerblechen 13 gebildet. Sowohl die Magnetkernbleche 12 als auch die Magnetankerbleche 13 sind einseitig beispielsweise mit einem Isolierlack beschichtet, so dass keine leitende Verbindung zwischen den einzelnen Blechen besteht. Anstelle des Isolierlacks kann auch eine nichtleitende Oxidschicht oder eine nichtleitende Phosphatschicht vorgesehen sein. Sowohl die Magnetkernbleche 12 als auch die Magnetankerbleche 13 sind dünn ausgebildet. Dadurch können die in den 2 bis 4 im Einzelnen beschriebenen Magnetkernblechschlitze 14 als auch die Magnetankerblechschlitze 15 problemlos in die Magnetkernbleche 12 als auch die Magnetankerbleche 13 beispielsweise durch Stanzen, Erodieren oder Lasern eingearbeitet werden. Die Schlitzbreite der Magnetkernblechschlitze 14 und der Magnetankerblechschlitze 15 beträgt vorzugsweise weniger als 0,1 mm. Durch die elektrische Isolation der Magnetkernbleche 12 sowie der Magnetankerbleche 13 und die Magnetkernblechschlitze 14 sowie der Magnetankerblechschlitze 15 können mögliche Wirbelströme fast vollständig unterdrückt werden. Die Magnetkernbleche 12 können durch Einspannen in den Gehäuseteilen 3a, 3b beziehungsweise den Magnetgehäuseteilen 5a, 5b oder damit zusammenwirkenden Gehäusekomponenten aufeinander gepresst und somit miteinander verbunden sein, während die Magnetankerbleche 13 beispielsweise von dem Magnetankerbolzen 11 zusammengehalten sein können. Zusätzlich können die Magnetankerbleche 13 (und auch die Magnetkernbleche 12) aber auch noch miteinander verschweißt oder sonst wie miteinander verbunden sein. Die Höhe H des den Magnetanker 7 bildenden Pakets von Magnetankerblechen 13 beträgt in einem Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors 1 beziehungsweise des Elektromagneten 2 vier bis fünf mm, wobei die Anzahl der Magnetankerbleche 13 beispielsweise 10 bis 30 betragen kann.
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Die 2, 3 und 4 zeigen beispielhafte Ausgestaltungen eines Magnetankerblechs 13 mit unterschiedlich ausgebildeten beziehungsweise angeordneten Magnetankerblechschlitzen 15. Alle Ausführungsbeispiele des Magnetankerblechs 13 sind scheibenförmig ausgebildet und weisen eine mittige kreiszylindrige Ausnehmung 16 auf, in die der hier nicht dargestellte Magnetankerbolzen 11 eingesetzt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 erstrecken sich die Magnetankerblechschlitze 15 von außen über eine Teillänge von beispielsweise 70 % bis 80 % entlang des Magnetankerblechs 13 nach innen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Magnetankerblech 13 in einem Ringbereich umgebend die Ausnehmung 16 zusammengehalten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 erstrecken sich die Magnetankerblechschlitze 15 ausgehend von der Ausnehmung 16 über eine Teillänge von ebenfalls circa 70 % bis 80 % entlang des Magnetankerblechs 13 nach außen. Bei beiden Ausführungsbeispielen sind insgesamt jeweils 24 Magnetankerblechschlitze 15 in das Magnetankerblech 13 eingelassen. Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung auch eine andere Anzahl von Magnetankerblechschlitzen 15 in das Magnetankerblech 13 eingelassen sein. Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 beinhaltet eine Kombination der Ausführungsbeispiele aus 2 und 3, wobei hier zusätzlich Magnetankerblechschlitze 15 vorgesehen sind, die in einem Mittenbereich des Magnetankerblechs 13 angeordnet sind. Das heißt, diese Magnetankerblechschlitze 15 haben keine Verbindung mit dem Außenumfang oder der Ausnehmung 16 des Magnetankerblechs 13.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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