DE102015219218A1

DE102015219218A1 - Elektromagnetischer Aktuator und Verfahren zu dessen Dimensionierung

Info

Publication number: DE102015219218A1
Application number: DE102015219218.0A
Authority: DE
Inventors: WeiGang Wang; Piergiacomo Traversa; Michael Elicker
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator und ein Verfahren zu dessen Dimensionierung. Der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuator umfasst eine elektrische Spule (04), einen stationären Magnetkern (03) und einen beweglichen Magnetkern (02). Der bewegliche Magnetkern (02) ist durch eine Bestromung der elektrischen Spule (04) zum stationären Magnetkern (03) in eine Verschieberichtung (16) verschiebbar. Zwischen einer Magnetflussleitfläche (13) des stationären Magnetkernes (03) und einer Magnetflussleitfläche (12) des beweglichen Magnetkernes (02) ist ein Luftspalt (06) ausgebildet, der durch ein Verschieben des beweglichen Magnetkernes (02) veränderbar ist. Erfindungsgemäß ist in der Magnetflussleitfläche (13) des stationären Magnetkernes (03) und in der Magnetflussleitfläche (12) des beweglichen Magnetkernes (02) jeweils ein Profil ausgebildet. Das Profil der Magnetflussleitfläche (13) des stationären Magnetkernes (03) und das Profil der Magnetflussleitfläche (12) des beweglichen Magnetkernes (02) sind komplementär zueinander ausgebildet und weisen mehrere Erhebungen (14) in die Verschieberichtung (16) und mehrere Vertiefungen in die Verschieberichtung (16) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst einen elektromagnetischen Aktuator, bei welchem zwischen einem stationären Magnetkern und einem beweglichen Magnetkern ein veränderlicher Luftspalt ausgebildet ist. Bei dem elektromagnetischen Aktuator kann sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dimensionierung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators; insbesondere zur Dimensionierung des stationären Magnetkernes und des beweglichen Magnetkernes des elektromagnetischen Aktuators.
Aus der US 2005/0146408 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen des Erreichens einer Verschlussposition eines elektromagnetischen Schaltventiles bekannt, bei welchem der nach einer Deaktivierung des Schaltventiles fließende Strom ausgewertet wird.
Die DE 10 2013 213 329 A1 lehrt ein Verfahren zum Erkennen der Funktionsweise eines Schaltventiles, welches einen in einer Spule verlaufenden Magnetkern und einen Ventilkörper umfasst, der mithilfe des Magnetkernes und der bestromten Spule in axialer Richtung bewegt wird.
Die US 6,693,787 B2 zeigt ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer Armatur in Richtung einer Polfläche eines Elektromagneten in einem elektromagnetischen Betätigungselement. Bei diesem Verfahren wird eine neutrale Position für eine virtuelle Feder bestimmt, wenn die Armatur eine vorbestimmte Position erreicht. Der Strom zum Bestromen des Elektromagneten wird so gesteuert, dass die Summe aus der Magnetkraft und der Kraft einer Feder einer virtuellen Federkraft entspricht. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die zu erzielende Kraft nur schwierig steuerbar ist, da es immer eine Verzögerung des Magnetfeldes gegenüber Änderungen des elektrischen Stromes gibt. Zudem erfordert das Verfahren einen hohen Aufwand.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, den Ablauf der Bewegung einer beweglichen Magnetkernes in einem elektromagnetischen Aktuator so gestalten zu können, dass der bewegliche Magnetkern eine große Kraft aufbringen kann und sich schnell bewegt, ohne dass er mit einer zu großen Geschwindigkeit auf einen stationären Magnetkern des elektromagnetischen Aktuators trifft.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 6.
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuator dient zur Wandlung eines elektrischen Signals in eine mechanische Aktion, welche eine mechanische Bewegung umfasst. Bei dem elektromagnetischen Aktuator handelt es sich bevorzugt um ein Schaltventil, welches beispielsweise in einem Automobil, in einer chemischen Anlage, in einer energietechnischen Anlage, in einer Maschine oder in einer medizintechnischen Anlage Verwendung findet. Das Schaltventil kann insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgebildet sein. Bei dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator kann es sich aber auch beispielsweise um einen Hubmagneten handeln.
Der elektromagnetische Aktuator umfasst eine elektrische Spule, einen stationären Magnetkern und einen beweglichen Magnetkern. Der bewegliche Magnetkern ist durch eine Bestromung der elektrischen Spule hin zum stationären Magnetkern in eine Verschieberichtung verschiebbar, sodass elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und der elektromagnetische Aktuator ein von ihm zu bewegendes Element antreibt.
Zwischen einer Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und einer Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes ist ein Luftspalt ausgebildet, der durch ein Verschieben des beweglichen Magnetkernes veränderbar ist. In einem unbestromten Zustand der elektrischen Spule befindet sich der bewegliche Magnetkern in einem Ausgangszustand, in welchem der Luftspalt maximal ist. Während der Bestromung der elektrischen Spule bewegt sich der bewegliche Magnetkern hin zum stationären Magnetkern, sodass der Luftspalt kleiner wird. In dem Luftspalt befindet sich bevorzugt Luft. Da der Begriff Luftspalt grundsätzlich auch dann verwendet wird, wenn sich in diesem Bereich ein anderer nicht ferromagnetischer Stoff befindet, so befindet sich bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im Luftspalt z. B. Öl.
Erfindungsgemäß ist in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes jeweils ein Profil ausgebildet. Somit sind die Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und die Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes nicht eben. Das Profil der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und das Profil der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes sind komplementär zueinander ausgebildet, sodass sie ineinanderschiebbar sind und sich dadurch ergänzen. Während der Bestromung der elektrischen Spule wird das Profil in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in das Profil der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes geschoben, wodurch der Zwischenraum zwischen den beiden Profilen verschwindet. Das Profil der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und das Profil der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes weisen mehrere Erhebungen in die Verschieberichtung und mehrere Vertiefungen in die Verschieberichtung auf. Dabei können die Erhebungen ausschließlich auf einer der beiden Magnetflussleitflächen und die Vertiefungen auf der anderen der beiden Magnetflussleitflächen angeordnet sein. Ebenso können mehrere der Erhebungen und mehrere der Vertiefungen auf jeder der beiden Magnetflussleitflächen angeordnet sein. Bevorzugt weisen das Profil der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und das Profil der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes eine Vielzahl der Erhebungen in die Verschieberichtung und eine Vielzahl der Vertiefungen in die Verschieberichtung auf.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators besteht darin, dass durch eine einfach zu realisierende Änderung der Form der Magnetflussleitflächen am Luftspalt ein verbesserter Bewegungsablauf des beweglichen Magnetkernes erzielt werden kann. Dieser Bewegungsablauf kann durch Gestaltung der Profile in den Magnetflussleitflächen in einem hohen Maße gesteuert werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung des elektromagnetischen Aktuators wird im mittleren Abschnitt der Bewegung des beweglichen Magnetkernes ein magnetischer Bremseffekt genutzt. Die Kraft in die Verschieberichtung ist in diesem mittleren Abschnitt der Bewegung reduziert, da die magnetische Kraft auch in die radiale Richtung abgeleitet wird. Zudem wird die magnetische Sättigung genutzt, um die Geschwindigkeit des beweglichen Magnetkernes zu reduzieren.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators sind die Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und die Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes jeweils senkrecht zur Verschieberichtung ausgerichtet, wobei bei dieser Betrachtung die Profile nicht berücksichtigt sind.
Der stationäre Magnetkern und der bewegliche Magnetkern sind bevorzugt in einer Achse angeordnet, welche in der Verschieberichtung liegt. Somit wird der bewegliche Magnetkern während der Bestromung der elektrischen Spule in der Achse verschoben. Die Achse stellt bevorzugt auch eine mittlere Achse des stationären Magnetkernes, des beweglichen Magnetkernes und der elektrischen Spule dar.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators sind der stationäre Magnetkern und der bewegliche Magnetkern gemeinsam mit der elektrischen Spule in einem magnetischen Kreis angeordnet.
Der stationäre Magnetkern und der bewegliche Magnetkern sind bevorzugt innerhalb der elektrischen Spule angeordnet. Der bewegliche Magnetkern ist durch eine Bestromung der elektrischen Spule innerhalb der elektrischen Spule verschiebbar.
Am beweglichen Magnetkern ist ein bevorzugt ein Aktuatorelement angebracht, welches durch den beweglichen Magnetkern verschoben wird. Bei dem Aktuatorelement handelt es sich bevorzugt um einen Ventilkörper, wenn der elektromagnetische Aktuator durch ein Schaltventil gebildet ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators weisen der stationäre Magnetkern und der bewegliche Magnetkern jeweils die äußere Grundform eines Zylinders auf. Dabei besitzen der stationäre Magnetkern und der bewegliche Magnetkern bevorzugt einen gleichen äußeren Durchmesser. Die Magnetflussleitflächen sind jeweils durch eine der kreisförmigen Grundflächen der äußeren Zylinderform der Magnetkerne gebildet. Die Profile sind in den jeweiligen kreisförmigen Grundflächen ausgebildet.
Die Profile verlaufen in eine Längsrichtung, die sich innerhalb der jeweiligen Magnetflussleitfläche erstreckt. Die Längsrichtung der Profile ist bevorzugt senkrecht zur Verschieberichtung ausgerichtet. Dabei erstreckt sich die Längsrichtung der Profile bevorzugt innerhalb der jeweiligen Magnetflussleitfläche umfänglich um einen Mittelpunkt der jeweiligen Magnetflussleitfläche. Dabei erstreckt sich die Längsrichtung der Profile bevorzugt kreisförmig um den Mittelpunkt der jeweiligen Magnetflussleitfläche. Entsprechend erstreckt sich die Längsrichtung der Profile bevorzugt umfänglich um die Achse des elektromagnetischen Aktuators. Insoweit erstrecken sich die Profile bevorzugt umfänglich um die Achse des elektromagnetischen Aktuators.
Die Erhebungen sind bevorzugt zwischen 0,1 mm und 2 mm; besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm und 1,5 mm hoch. Die Vertiefungen sind bevorzugt zwischen 0,1 mm und 2 mm; besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm und 1,5 mm tief.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators beträgt die Anzahl der Erhebungen und der Vertiefungen jeweils bevorzugt zwischen 3 und 6. Dabei handelt es sich auch um die Anzahl der sich bevorzugt kreisförmig um die Achse erstreckenden Profile.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators ragen die Erhebungen bereits in einem unbestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators teilweise in die Vertiefungen hinein. Hierdurch wird ein geringer magnetischer Widerstand gewährleistet. Besonders bevorzugt ragen die Erhebungen in einem unbestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators bereits mindestens 0,1 mm in die Vertiefungen hinein. In einem bestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators befinden sich die Erhebungen nach Abschluss der Bewegung des beweglichen Magnetkernes dann in den Vertiefungen. Bevorzugt befinden sich die Erhebungen im bestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators nach Abschluss der Bewegung des beweglichen Magnetkernes vollständig in den Vertiefungen. In dem bestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators weisen die Erhebungen gegenüber den Vertiefungen bevorzugt ein Spiel senkrecht zur Verschieberichtung auf, welches bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,20 mm beträgt.
Die Kanten der Erhebungen und/oder der Vertiefungen sind bevorzugt abgerundet.
Die Erhebungen und/oder die Vertiefungen in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes sind bevorzugt in einer gleichen Höhe auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet. In gleicher Weise sind die Erhebungen und/oder die Vertiefungen in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in einer gleichen Höhe auf der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet. Die Höhe gegenüber der jeweiligen Magnetflussleitfläche ist in die Verschieberichtung ausgerichtet. Die Höhe gegenüber der jeweiligen Magnetflussleitfläche erstreckt sich somit in Richtung der Achse des elektromagnetischen Aktuators.
Die Erhebungen und/oder die Vertiefungen in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes sind alternativ bevorzugt in unterschiedlichen Höhen auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet. Entsprechend sind die Erhebungen und/oder die Vertiefungen in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in unterschiedlichen Höhen auf der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet. Dabei nehmen die Höhen, in welchen die Erhebungen und/oder die Vertiefungen auf der jeweiligen Magnetflussleitfläche angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des jeweiligen Magnetkernes bevorzugt zu oder ab, sodass die Profile im Mittelpunkt der Magnetflussleitfläche des jeweiligen Magnetkernes am höchsten bzw. am tiefsten sind. So nehmen beispielsweise die Höhen, in welchen die Erhebungen und/oder die Vertiefungen auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes bevorzugt zu, während die Höhen, in welchen die Erhebungen und/oder die Vertiefungen in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes abnehmen. Alternativ nehmen die Höhen, in welchen die Erhebungen und/oder die Vertiefungen auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes bevorzugt ab, während die Höhen, in welchen die Erhebungen und/oder die Vertiefungen in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes zunehmen.
Bei einer ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators sind die Profile sägezahnartig ausgebildet, sodass die Erhebungen jeweils durch einen Sägezahn gebildet sind. Zwischen den Sägezähnen sind die Vertiefungen ausgebildet sind. Das sägezahnartige Profil der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und das sägezahnartige Profil der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes können passgenau ineinander geschoben werden. Die Sägezähne besitzen bevorzugt jeweils einen dreieckigen Querschnitt, wobei die Seiten nicht gerade sein müssen. Die Sägezähne verjüngen sich in die Verschieberichtung. Da sich die Profile in ihre Längsrichtungen erstrecken, sind die Sägezähne nicht flach. Somit weisen die Erhebungen bevorzugt zumindest einen sägezahnförmigen Querschnitt auf. Entsprechend ist die beschriebene Form der Erhebungen als Sägezähne auf deren Querschnitt bezogen.
Die Sägezähne sind bevorzugt gleich ausgebildet.
Die Sägezähne in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes sind bevorzugt in einer gleichen Höhe auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet. In gleicher Weise sind die Sägezähne in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in einer gleichen Höhe auf der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet. Die Höhe gegenüber der jeweiligen Magnetflussleitfläche ist in die Verschieberichtung ausgerichtet. Die Höhe gegenüber der jeweiligen Magnetflussleitfläche erstreckt sich somit in Richtung der Achse des elektromagnetischen Aktuators.
Die Sägezähne in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes sind alternativ bevorzugt in unterschiedlichen Höhen auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet. Entsprechend sind die Sägezähne in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in unterschiedlichen Höhen auf der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet. Dabei nehmen die Höhen, in welchen die Sägezähne auf der jeweiligen Magnetflussleitfläche angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des jeweiligen Magnetkernes bevorzugt zu oder ab, sodass die Profile im Mittelpunkt der Magnetflussleitfläche des jeweiligen Magnetkernes am höchsten bzw. am tiefsten sind. So nehmen beispielsweise die Höhen, in welchen die Sägezähne auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes bevorzugt zu, während die Höhen, in welchen die Sägezähne in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes abnehmen. Alternativ nehmen die Höhen, in welchen die Sägezähne auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes bevorzugt ab, während die Höhen, in welchen die Sägezähne in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes zunehmen.
Die Sägezähne weisen jeweils einen Winkel zwischen ihrer Zahnbrust und der jeweiligen Magnetflussleitfläche auf, der bevorzugt 90° beträgt. Alternativ bevorzugt beträgt dieser Winkel, welcher zwischen einer Vorderseite der jeweiligen Zahnbrust und der jeweiligen Magnetflussleitfläche aufgespannt wird, weniger als 90°, insbesondere zwischen 70° und 85°. Wenn dieser Winkel kleiner als 90° ist, verbleibt jeweils ein Hohlraum, nachdem das Profil in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in das Profil in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes geschoben wurde.
Die Sägezähne weisen jeweils einen Winkel zwischen ihrem Zahnrücken und der jeweiligen Magnetflussleitfläche auf, der bevorzugt zwischen 30° und 60° beträgt. Dieser Winkel wird zwischen einer Unterseite des jeweiligen Zahnrückens und der jeweiligen Magnetflussleitfläche aufgespannt.
Bei einer zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators sind die Profile stufenartig ausgebildet ist, sodass die Erhebungen und die Vertiefungen jeweils durch Stufen gebildet sind, die eine steigende Treppe oder eine fallende Treppe ausbilden.
Die Stufen besitzen bevorzugt eine gleiche Höhe und eine gleiche Weite.
Die in den Magnetflussleitflächen ausgebildeten Treppen steigen bzw. fallen bevorzugt in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des jeweiligen Magnetkernes, sodass die Profile im Mittelpunkt der Magnetflussleitfläche des jeweiligen Magnetkernes am höchsten bzw. am tiefsten sind. So steigt beispielsweise bevorzugt die Treppe in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes, während die Treppe in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes fällt. Alternativ bevorzugt fällt die Treppe in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes, während die Treppe in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes steigt.
Bei einer dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators bilden die Profile in den Magnetflussleitflächen Nut-Feder-Kombinationen aus. Im engeren Sinne handelt es sich um Nut-Spund-Kombinationen. Folglich sind die Erhebungen durch Federn bzw. Spunde gebildet, während die Vertiefungen durch Nuten gebildet sind.
Die Federn bzw. die Spunde sind bevorzugt gleich ausgebildet und gleich beabstandet. Ebenso sind die Nuten bevorzugt gleich ausgebildet und gleich beabstandet.
Die Nuten bzw. die Federn in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes sind bevorzugt in einer gleichen Höhe auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet. In gleicher Weise sind die Nuten bzw. die Federn in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in einer gleichen Höhe auf der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet. Die Höhe gegenüber der jeweiligen Magnetflussleitfläche ist in die Verschieberichtung ausgerichtet. Die Höhe gegenüber der jeweiligen Magnetflussleitfläche erstreckt sich somit in Richtung der Achse des elektromagnetischen Aktuators.
Die Nuten bzw. die Federn in der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes sind alternativ bevorzugt in unterschiedlichen Höhen auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet. Entsprechend sind die Nuten bzw. die Federn in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in unterschiedlichen Höhen auf der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet. Dabei nehmen die Höhen, in welchen die Nuten bzw. die Federn auf der jeweiligen Magnetflussleitfläche angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des jeweiligen Magnetkernes bevorzugt zu oder ab, sodass die Profile im Mittelpunkt der Magnetflussleitfläche des jeweiligen Magnetkernes am höchsten bzw. am tiefsten sind. So nehmen beispielsweise die Höhen, in welchen die Nuten bzw. die Federn auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes bevorzugt zu, während die Höhen, in welchen die Federn bzw. die Nuten in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes abnehmen. Alternativ nehmen die Höhen, in welchen die Nuten bzw. die Federn auf der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes bevorzugt ab, während die Höhen, in welchen die Federn bzw. die Nuten in der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes angeordnet sind, in Richtung des Mittelpunktes der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes zunehmen.
Grundsätzlich können die Profile in den Magnetflussleitflächen neben den beschriebenen Sägezahnformen, Treppenformen und Feder-Nut-Formen auch andere geometrische Formen besitzen, die sich beim Bewegen des beweglichen Magnetkernes hin zum stationären Magnetkern ergänzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Dimensionierung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators. Bevorzugt dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Dimensionierung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators. Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur Dimensionierung der Profile der Magnetflussleitflächen der beiden Magnetkerne des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt einer Auswahl einer geometrischen Form des Profils der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und des Profils der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes. Die auswählende geometrische Form der Profile muss die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator beschriebenen Merkmale aufweisen, d. h. die Profile müssen komplementär zueinander ausgebildet sein und mehrere Erhebungen in die Verschieberichtung und mehrere Vertiefungen in die Verschieberichtung besitzen.
Gemäß dem Verfahren erfolgt ein mehrfaches Simulieren der Funktion des die geometrische Form der Profile aufweisenden elektromagnetischen Aktuators mit mehreren unterschiedlichen Werten für mindestens eine Kenngröße der geometrischen Form, wodurch jeweils ein Wert mindestens einer Kenngröße einer während der Bestromung der elektrischen Spule erfolgenden mechanischen Aktion des beweglichen Magnetkernes bestimmt wird. Während dieses mehrfachen Simulierens wird der Wert der mindestens einen Kenngröße der geometrischen Form verändert, sodass die geometrische Form ihr Aussehen verändert und/oder sich die Lage der Profile zueinander verändert. Bei der geometrischen Form der Profile handelt es sich insbesondere um die Querschnitte der Profile. Das Bestromen der elektrischen Spule wird simuliert und daraus die resultierende mechanische Aktion des beweglichen Magnetkernes berechnet. Bei der mechanischen Aktion des beweglichen Magnetkernes handelt es sich um die bestimmungsgemäße Aktion des beweglichen Magnetkernes, die er infolge der Bestromung ausführen soll, nämlich eine Kraft zu übertragen und sich in Richtung des stationären Magnetkernes zu bewegen.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Auswählen desjenigen der verwendeten Werte der Kenngröße der geometrischen Form, welcher durch das Simulieren zu demjenigen Wert der Kenngröße der mechanischen Aktion des beweglichen Magnetkernes geführt hat, welcher einem vorab festgelegten Wert entspricht. Durch diese Auswahl ist das Profil zumindest hinsichtlich der jeweiligen Kenngröße seiner geometrischen Form bestimmt, sodass eine Dimensionierung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators erfolgt ist. Durch das Auswählen wird derjenige Wert für die Kenngröße der geometrischen Form bestimmt, mit welchem ein zu erzielender Wert der Kenngröße der mechanischen Aktion erreicht wird. Bei dem zu erzielenden Wert der Kenngröße der mechanischen Aktion kann es sich um einen maximalen Wert, um einen minimalen Wert oder um einen optimalen Wertebereich handeln.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine praktische Überprüfung der Dimensionierung, wofür nach dem Auswählen des Wertes der Kenngröße der geometrischen Form ein Prototyp des elektromagnetischen Aktuators mit diesem Wert der Kenngröße der geometrischen Form des Profils der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes und des Profils der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes gefertigt wird. Für diesen Wert der Kenngröße der geometrischen Form der Profile erfolgte zuvor eine Simulation der durch die Bestromung der elektrischen Spule bewirkten mechanischen Aktion des beweglichen Magnetkernes. Nun wird der Wert der Kenngröße der mechanischen Aktion für den gefertigten Prototyp in der Realität ermittelt, um diesen mit dem durch Simulieren ermittelten Wert zu vergleichen, d. h. zu validieren. Entspricht dieser Wert der Kenngröße der mechanischen Aktion noch nicht in einem ausreichenden Maße dem durch Simulieren ermittelten Wert bzw. dem vorab festgelegten Wert, werden die Schritte des Auswählens der geometrischen Form und des mehrfachen Simulierens erneut durchgeführt.
Die auszuwählende geometrische Form ist bevorzugt durch eine Sägezahnform, durch eine Treppenform oder durch eine Nut-Feder-Form gebildet, wobei auch andere geometrische Formen verwendet werden können.
Die Kenngröße der geometrischen Form ist bevorzugt durch eine Länge oder durch einen Winkel der geometrischen Form gebildet. Bei der Länge kann es sich beispielsweise um eine Breite oder um eine Weite der Profile bzw. eines Elementes der Profile handeln. Bei der Länge kann es sich aber auch um ein Maß handeln, mit welchem das Profil der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes in einem unbestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators bereits in das Profil der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes hineinragt. Bei der Länge kann es sich aber auch um ein Spiel zwischen dem Profil der Magnetflussleitfläche des beweglichen Magnetkernes und dem Profil der Magnetflussleitfläche des stationären Magnetkernes handeln, welches in einem bestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators nach Abschluss der Bewegung des beweglichen Magnetkernes auftritt. Bei dem Winkel handelt es sich bevorzugt um einen Winkel zwischen einem Element der Profile gegenüber der jeweiligen Magnetflussleitfläche; beispielsweise um den Winkel zwischen einem Zahnrücken eines Sägezahnes als Element der Profile und der jeweiligen Magnetflussleitfläche.
Bevorzugt wird das Verfahren mehrfach hintereinander für verschiedene Kenngrößen der geometrischen Form durchgeführt.
Die Kenngröße der mechanischen Aktion ist bevorzugt durch eine Kenngröße der Bewegung des beweglichen Magnetkernes gebildet. Die Kenngröße der Bewegung des beweglichen Magnetkernes ist bevorzugt durch eine Dauer der Bewegung des beweglichen Magnetkernes beim Bestromen der elektrischen Spule von Beginn des Bestromens bis zum Anschlagen des beweglichen Magnetkernes am stationären Magnetkern gebildet. Die Kenngröße der Bewegung des beweglichen Magnetkernes ist alternativ bevorzugt durch eine Geschwindigkeit des beweglichen Magnetkernes während des Bestromens der elektrischen Spule beim Anschlagen des beweglichen Magnetkernes am stationären Magnetkern gebildet.
Die Kenngröße der mechanischen Aktion des beweglichen Magnetkernes ist alternativ bevorzugt durch eine Kraft gebildet, die durch des Bestromen der elektrischen Spule auf den beweglichen Magnetkern wirkt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators;
2 die in 1 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators mit einem abweichenden Wert eines Winkels;
3 ein Diagramm einer bei der in 2 gezeigten Ausführungsform auftretenden Kraft;
4 ein Diagramm einer bei der in 2 gezeigten Ausführungsform auftretenden Zeitdauer;
5 ein Diagramm einer bei der in 2 gezeigten Ausführungsform auftretenden Geschwindigkeit;
6 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators;
7 ein Diagramm einer bei der in 6 gezeigten Ausführungsform auftretenden Kraft;
8 ein Diagramm einer bei der in 6 gezeigten Ausführungsform auftretenden Zeitdauer;
9 ein Diagramm einer bei der in 6 gezeigten Ausführungsform auftretenden Geschwindigkeit;;
10 sägezahnartige Profile der in 1 gezeigten Ausführungsform mit unterschiedlichen Werte einer Kenngröße;
11 treppenartige Profile der in 6 gezeigten Ausführungsform mit unterschiedlichen Werten einer Kenngröße; und
12 Nut-Feder-artige Profile einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators mit unterschiedlichen Werten einer Kenngröße.
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators in einer Prinzipdarstellung mit einer vergrößerten Detailansicht 01. Bei dieser Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators handelt es sich um ein Schaltventil. Der elektromagnetische Aktuator umfasst einen beweglichen Magnetkern 02 und einen stationären Magnetkern 03, die innerhalb einer elektrischen Spule 04 angeordnet sind. Der bewegliche Magnetkern 02 ist innerhalb der elektrischen Spule 04 gegenüber dem stationären Magnetkern 03 verschiebbar. Zwischen dem beweglichen Magnetkern 02 und dem stationären Magnetkern 03 ist ein Luftspalt 06 ausgebildet.
Am beweglichen Magnetkern 02 ist ein Ventilkörper 07 befestigt, welcher in einen Ventilsitz 08 verschiebbar ist. Die Verschiebebewegung des beweglichen Magnetkernes 01 mit dem Ventilkörper 06 wird durch eine erste Feder 09 und durch eine zweite Feder 11 gefedert.
Der Luftspalt 06 ist in der Detailansicht 01 vergrößert dargestellt. Der Luftspalt 06 ist zwischen einer Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02 und einer Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 ausgebildet. In den Magnetflussleitflächen 12, 13 ist jeweils ein sägezahnartiges Profil ausgebildet, welches im Querschnitt mehrere Sägezähne 14 aufweist. Das sägezahnartige Profil in der Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02 und das sägezahnartige Profil in der Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 sind komplementär gleich und dermaßen angeordnet, dass sie ineinanderschiebbar sind und sich gegenseitig ergänzen.
Das sägezahnartige Profil in der Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02 und das sägezahnartige Profil in der Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 verlaufen kreisförmig um eine Achse 16 des elektromagnetischen Aktuators, sodass auch die Sägezähne 14 kreisförmig um die Achse 16 verlaufen. Eine Anzahl n der umlaufenden Sägezähne 14 stellt eine Kenngröße der geometrischen Form der Profile dar, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel n = 4 ist.
Die geometrische Form der Profile weist weitere Kenngrößen auf, die in der Detailansicht 01 gekennzeichnet sind, wobei ein Index m eine Kenngröße des sägezahnartigen Profils in der Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02 kennzeichnet und wobei ein Index f eine Kenngröße des sägezahnartigen Profils in der Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 kennzeichnet. Die Kenngrößen umfassen eine Weite τ_m, τ_f der Sägezähne 14, die bevorzugt 0,8 mm beträgt. Die Kenngrößen umfassen weiterhin eine Höhe h_m, h_f der Sägezähne 14, die bevorzugt zwischen mehr als 0 mm und 0,8 mm variiert werden kann. Die Kenngrößen umfassen weiterhin eine Bodenweite Δ_m, Δ_f der Sägezähne 14, die bevorzugt 0,1 mm beträgt. Die Kenngrößen umfassen weiterhin ein Spiel Δ zwischen den Sägezähnen 14, welches bevorzugt 0,1 mm beträgt. Die Kenngrößen umfassen weiterhin ein Maß ε, welches angibt, wie weit das sägezahnartige Profil in der Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02 bereits in das sägezahnartige Profil in der Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 ragt, wenn die elektrische Spule 04 nicht bestromt ist. Das Maß ε beträgt bevorzugt 0,1 mm. Die Kenngrößen umfassen weiterhin einen Winkel β_m1, β_f1 zwischen einem Zahnrücken 17 des jeweiligen Sägezahnes 14 und der Haupterstreckungsebene der jeweiligen Magnetflussleitfläche 12, 13. Die Haupterstreckungsebenen der Magnetflussleitflächen 12, 13 sind senkrecht zur Achse 16 ausgerichtet. Der Winkel β_m1, β_f1 wird bevorzugt zwischen mehr als 0° und 45,7° variiert. Die Kenngrößen umfassen weiterhin einen Winkel β_m2, β_f2 zwischen einer Zahnbrust 18 des jeweiligen Sägezahnes 14 und der Haupterstreckungsebene der jeweiligen Magnetflussleitfläche 12, 13. Der Winkel β_m2, β_f2 beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel etwas weniger als 90°.
Die genannten Kenngrößen der Profile können für eine Simulation variiert werden. Durch die Simulation wird erfindungsgemäß der optimale Wert der jeweiligen Kenngröße ermittelt. Im Ergebnis bewegt sich der bewegliche Magnetkern 02 bei einer Bestromung der elektrischen Spule 04 optimal, sodass er sich schnell aus seiner Ruheposition bewegt, schleunig und sanft am festen Magnetkern 03 anschlägt und eine geeignete Zeit für diese Bewegung benötigt. Im Übrigen ist der elektromagnetische Aktuator hinsichtlich seiner Herstellbarkeit optimiert, sodass die Magnetkerne 02, 03 mit den Profilen praktikabel gefertigt werden können.
2 zeigt die in 1 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators, wobei der Winkel β_m2, β_f2 abweichend von der 1 gezeigte Ausführungsform 90° beträgt.
3 zeigt ein Diagramm einer bei der in 2 gezeigten Ausführungsform auftretenden Kraft. Es handelt sich um die Kraft, welche bei einer Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 2) am beweglichen Magnetkern 02 (gezeigt in 2) auftritt. Die Kraft ist in der y-Achse aufgetragen und in Abhängigkeit von der in der x-Achse aufgetragenen Größe des Luftspaltes 06 (gezeigt in 2) dargestellt, welcher durch die Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 2) während der Bewegung des beweglichen Magnetkernes 02 (gezeigt in 2) kleiner wird. Die Abhängigkeit der genannten Kraft von der Größe des Luftspaltes 06 (gezeigt in 2) ist für verschiedene Werte der Kenngröße h dargestellt, die der oben erläuterten Höhe h_m, h_f der Sägezähne 14 (gezeigt in 2) gleicht. Der Wert h = 0 führt dazu, dass kein Profil in den Magnetflussleitflächen 12, 13 vorhanden ist, sodass es sich um einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Stand der Technik handelt. Aus dem Diagramm wird deutlich, dass der Wert h = 0,6 mm zu einer ausreichend hohen Kraft führt. Die Strecke, welcher der bewegliche Magnetkern 02 (gezeigt in 2) während der Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 2) zurücklegt, beträgt 0,45 mm.
Das Diagramm wurde erfindungsgemäß durch die oben erläuterte Simulation erstellt.
4 zeigt ein Diagramm einer bei der in 2 gezeigten Ausführungsform auftretenden Zeitdauer. Es handelt sich um die Zeitdauer, welche der bewegliche Magnetkern 02 (gezeigt in 2) während einer Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 2) ausgehend von seiner Ruhestellung bis zum Anschlagen an den stationären Magnetkern 03 (gezeigt in 2) benötigt. Die Zeitdauer ist in der y-Achse aufgetragen und in Abhängigkeit von der in der x-Achse aufgetragenen Größe des Luftspaltes 06 (gezeigt in 2) dargestellt, welcher durch die Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 2) während der Bewegung des beweglichen Magnetkernes 02 (gezeigt in 2) kleiner wird. Die Abhängigkeit der genannten Zeitdauer von der Größe des Luftspaltes 06 (gezeigt in 2) ist für verschiedene Werte der Kenngröße h dargestellt, die der oben erläuterten Höhe h_m, h_f der Sägezähne 14 (gezeigt in 2) gleicht. Der Wert h = 0 führt dazu, dass kein Profil in den Magnetflussleitflächen 12, 13 vorhanden ist, sodass es sich um einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Stand der Technik handelt. Aus dem Diagramm wird deutlich, dass der Wert h = 0,6 mm zu einer geeigneten Zeitdauer führt, die gegenüber dem Stand der Technik nahezu unverändert ist.
Das Diagramm wurde erfindungsgemäß durch die oben erläuterte Simulation erstellt.
5 zeigt ein Diagramm einer bei der in 2 gezeigten Ausführungsform auftretenden Geschwindigkeit, die mit einer durchgezogenen Linie 21 dargestellt ist. Es handelt sich um die Geschwindigkeit, mit welcher der bewegliche Magnetkern 02 (gezeigt in 2) während einer Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 2) an den stationären Magnetkern 03 (gezeigt in 2) anschlägt. Die Geschwindigkeit ist in der linken y-Achse aufgetragen und in Abhängigkeit von der in der x-Achse aufgetragenen Kenngröße h dargestellt, die der oben erläuterten Höhe h_m, h_f der Sägezähne 14 (gezeigt in 2) gleicht. Der Wert h = 0 führt dazu, dass kein Profil in den Magnetflussleitflächen 12, 13 vorhanden ist, sodass es sich um einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Stand der Technik handelt. Weiterhin ist die Zeitdauer dargestellt, welche der bewegliche Magnetkern 02 (gezeigt in 2) während einer Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 2) ausgehend von seiner Ruhestellung bis zum Anschlagen an den stationären Magnetkern 03 (gezeigt in 2) benötigt. Die Zeitdauer ist in der rechten y-Achse aufgetragen und durch eine gestrichelte Linie 22 dargestellt.
Aus dem Diagramm wird deutlich, dass der Wert h = 0,6 mm zu einen Optimum aus der Zeitdauer und der Geschwindigkeit führt. Die Geschwindigkeit ist im Vergleich zum Stand der Technik bei ähnlich langer Zeitdauer um 30 % reduziert, was für viele Anwendungen erwünscht ist.
Das Diagramm wurde erfindungsgemäß durch die oben erläuterte Simulation erstellt.
6 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators in einer Prinzipdarstellung mit der vergrößerten Detailansicht 01. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Abweichend von der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die hier gezeigte Ausführungsform in den Magnetflussleitflächen 12, 13 jeweils ein treppenartiges Profil auf, welches mehrere Stufen 31 besitzt. Das treppenartige Profil in der Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02 und das treppenartige Profil in der Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 sind komplementär gleich und dermaßen angeordnet, dass sie ineinanderschiebbar sind und sich gegenseitig ergänzen.
Das treppenartige Profil in der Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02 und das treppenartige Profil in der Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 verlaufen kreisförmig um die Achse 16 (gezeigt in 1) des elektromagnetischen Aktuators, sodass auch die Stufen 31 kreisförmig um die Achse 16 verlaufen. Eine Anzahl n der umlaufenden Stufen 31 stellt eine Kenngröße der geometrischen Form der Profile dar, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel n = 4 ist.
Die geometrische Form der Profile weist weitere Kenngrößen auf, die in der Detailansicht 01 gekennzeichnet sind, wobei ein Index m eine Kenngröße des treppenartigen Profils in der Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02 kennzeichnet und wobei ein Index f eine Kenngröße des treppenartigen Profils in der Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 kennzeichnet. Die Kenngrößen umfassen eine Weite τ_m, τ_f der Stufen 31, die bevorzugt 0,9 mm beträgt. Die Kenngrößen umfassen weiterhin eine Höhe h_m, h_f der Stufen 31, die bevorzugt zwischen mehr als 0 mm und 0,8 mm variiert werden kann. Die Kenngrößen umfassen weiterhin ein Spiel Δ zwischen den Stufen 31, welches bevorzugt 0,1 mm beträgt. Die Kenngrößen umfassen weiterhin einen Winkel β_m1, β_f1 zwischen den einzelnen Stufen 31 und der Haupterstreckungsebene der jeweiligen Magnetflussleitfläche 12, 13. Die Haupterstreckungsebene der Magnetflussleitflächen 12, 13 ist senkrecht zur Achse 16 (gezeigt in 1) ausgerichtet. Der Winkel β_m1, β_f1 beträgt bevorzugt 90°. Die Kenngrößen umfassen weiterhin einen Winkel α_m,α_f, welcher die Steigung des treppenartigen Profils gegenüber der Achse 16 (gezeigt in 1) repräsentiert. Der Winkel α_m,α_f variiert bevorzugt zwischen 90° und 120°.
Die genannten Kenngrößen der Profile können für eine Simulation variiert werden. Durch die Simulation wird erfindungsgemäß der optimale Wert der jeweiligen Kenngröße ermittelt.
7 zeigt ein Diagramm einer bei der in 6 gezeigten Ausführungsform auftretenden Kraft. Es handelt sich um die Kraft, welche bei einer Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 6) am beweglichen Magnetkern 02 (gezeigt in 6) auftritt. Die Kraft ist in der y-Achse aufgetragen und in Abhängigkeit von der in der x-Achse aufgetragenen Größe des Luftspaltes 06 (gezeigt in 6) dargestellt, welcher durch die Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 6) während der Bewegung des beweglichen Magnetkernes 02 (gezeigt in 6) kleiner wird. Die Abhängigkeit der genannten Kraft von der Größe des Luftspaltes 06 (gezeigt in 6) ist für verschiedene Werte der Kenngröße h dargestellt, die der oben erläuterten Höhe h_m, h_f der Stufen 31 (gezeigt in 6) gleicht. Der Wert h = 0 führt dazu, dass kein Profil in den Magnetflussleitflächen 12, 13 vorhanden ist, sodass es sich um einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Stand der Technik handelt. Aus dem Diagramm wird deutlich, dass der Wert h = 0,5 mm zu einer ausreichend hohen Kraft führt. Die Strecke, welcher der bewegliche Magnetkern 02 (gezeigt in 6) während der Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 6) zurücklegt, beträgt 0,45 mm.
Das Diagramm wurde erfindungsgemäß durch die oben erläuterte Simulation erstellt.
8 zeigt ein Diagramm einer bei der in 6 gezeigten Ausführungsform auftretenden Zeitdauer. Es handelt sich um die Zeitdauer, welche der bewegliche Magnetkern 02 (gezeigt in 6) während einer Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 6) ausgehend von seiner Ruhestellung bis zum Anschlagen an den stationären Magnetkern 03 (gezeigt in 6) benötigt. Die Zeitdauer ist in der y-Achse aufgetragen und in Abhängigkeit von der in der x-Achse aufgetragenen Größe des Luftspaltes 06 (gezeigt in 6) dargestellt, welcher durch die Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 6) während der Bewegung des beweglichen Magnetkernes 02 (gezeigt in 6) kleiner wird. Die Abhängigkeit der genannten Zeitdauer von der Größe des Luftspaltes 06 (gezeigt in 6) ist für verschiedene Werte der Kenngröße h dargestellt, die der oben erläuterten Höhe h_m, h_f der Stufen 31 (gezeigt in 6) gleicht. Der Wert h = 0 führt dazu, dass kein Profil in den Magnetflussleitflächen 12, 13 vorhanden ist, sodass es sich um einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Stand der Technik handelt. Aus dem Diagramm wird deutlich, dass der Wert h = 0,5 mm zu einer geeigneten Zeitdauer führt, die gegenüber dem Stand der Technik nahezu unverändert ist.
Das Diagramm wurde erfindungsgemäß durch die oben erläuterte Simulation erstellt.
9 zeigt ein Diagramm einer bei der in 6 gezeigten Ausführungsform auftretenden Geschwindigkeit, die mit einer durchgezogenen Linie 41 dargestellt ist. Es handelt sich um die Geschwindigkeit, mit welcher der bewegliche Magnetkern 02 (gezeigt in 6) während einer Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 6) an den stationären Magnetkern 03 (gezeigt in 6) anschlägt. Die Geschwindigkeit ist in der linken y-Achse aufgetragen und in Abhängigkeit von der in der x-Achse aufgetragenen Kenngröße h dargestellt, die der oben erläuterten Höhe h_m, h_f der Stufen 31 (gezeigt in 6) gleicht. Der Wert h = 0 führt dazu, dass kein Profil in den Magnetflussleitflächen 12, 13 vorhanden ist, sodass es sich um einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Stand der Technik handelt. Weiterhin ist die Zeitdauer dargestellt, welche der bewegliche Magnetkern 02 (gezeigt in 6) während einer Bestromung der Spule 04 (gezeigt in 6) ausgehend von seiner Ruhestellung bis zum Anschlagen an den stationären Magnetkern 03 (gezeigt in 6) benötigt. Die Zeitdauer ist in der rechten y-Achse aufgetragen und durch eine gestrichelte Linie 42 dargestellt.
Aus dem Diagramm wird deutlich, dass der Wert h = 0,5 mm zu einen Optimum aus der Zeitdauer und der Geschwindigkeit führt. Die Geschwindigkeit ist im Vergleich zum Stand der Technik bei ähnlich langer Zeitdauer um 24 % reduziert, was für viele Anwendungen erwünscht ist.
Das Diagramm wurde erfindungsgemäß durch die oben erläuterte Simulation erstellt.
10 zeigt die in den Magnetflussleitflächen 12, 13 ausgebildeten sägezahnartigen Profile der in 1 gezeigten Ausführungsform mit unterschiedlichen Werten einer Kenngröße der geometrischen Form der Profile. Bei dieser Kenngröße handelt es sich um die Steigung der sägezahnartigen Profile gegenüber der Achse 16 (gezeigt in 1). Die oben erläuterte Simulation kann mit unterschiedlichen Werten der Steigung durchgeführt werden.
11 zeigt die in den Magnetflussleitflächen 12, 13 ausgebildeten treppenartigen Profile der in 6 gezeigten Ausführungsform mit unterschiedlichen Werten einer Kenngröße der geometrischen Form der Profile. Bei dieser Kenngröße handelt es sich um die Höhe der Stufen 31 der treppenartigen Profile. Die oben erläuterte Simulation kann mit unterschiedlichen Werten der Höhe der Stufen 31 durchgeführt werden.
12 zeigt in den Magnetflussleitflächen 12, 13 ausgebildete Nut-Feder-artige Profile einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators mit unterschiedlichen Werten einer Kenngröße der geometrischen Form der Profile. Bei dieser Kenngröße handelt es sich um die Steigung der Nut-Feder-artigen Profile gegenüber der Achse 16 (gezeigt in 1). Die oben erläuterte Simulation kann mit unterschiedlichen Werten der Steigung durchgeführt werden. Die Nut-Federartige Profile umfassen Federn 51 in der Magnetflussleitfläche 12 des beweglichen Magnetkernes 02, welche in Nuten 52 in der Magnetflussleitfläche 13 des stationären Magnetkernes 03 ragen. Aufgrund der Anordnung der Federn 51 und der Nuten 52 in mehreren Reihen können die Federn 51 auch als Nuten und die Nuten 52 auch als Federn aufgefasst werden.
Bezugszeichenliste

01: Detailansicht
02: beweglicher Magnetkern
03: stationärer Magnetkern
04: elektrische Spule
05
06: Luftspalt
07: Ventilkörper
08: Ventilsitz
09: erste Feder
10
11: zweite Feder
12: Magnetflussleitfläche
13: Magnetflussleitfläche
14: Sägezahn
15
16: Achse
17: Zahnrücken
18: Zahnbrust
20
21: durchgezogene Linie
22: gestrichelte Linie
30
31: Stufe
40
41: durchgezogene Linie
42: gestrichelte Linie
50
51: Feder
52: Nut

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

US 2005/0146408 A1 [0002]
DE 102013213329 A1 [0003]
US 6693787 B2 [0004]

Claims

Elektromagnetischer Aktuator, umfassend eine elektrische Spule (04), einen stationären Magnetkern (03) und einen beweglichen Magnetkern (02), der durch eine Bestromung der elektrischen Spule (04) zum stationären Magnetkern (03) in eine Verschieberichtung (16) verschiebbar ist; wobei zwischen einer Magnetflussleitfläche (13) des stationären Magnetkernes (03) und einer Magnetflussleitfläche (12) des beweglichen Magnetkernes (02) ein Luftspalt (06) ausgebildet ist, der durch ein Verschieben des beweglichen Magnetkernes (02) veränderbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass in der Magnetflussleitfläche (13) des stationären Magnetkernes (03) und in der Magnetflussleitfläche (12) des beweglichen Magnetkernes (02) jeweils ein Profil ausgebildet ist; wobei das Profil der Magnetflussleitfläche (13) des stationären Magnetkernes (03) und das Profil der Magnetflussleitfläche (12) des beweglichen Magnetkernes (02) komplementär zueinander ausgebildet sind und mehrere Erhebungen (14; 31; 51) in die Verschieberichtung (16) und mehrere Vertiefungen (31; 52) in die Verschieberichtung (16) aufweisen.
Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile jeweils eine Längsrichtung aufweisen, die sich innerhalb der jeweiligen Magnetflussleitfläche (12; 13) kreisförmig um einen Mittelpunkt der jeweiligen Magnetflussleitfläche (12; 13) erstreckt.
Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile sägezahnartig ausgebildet sind, sodass die Erhebungen jeweils durch einen Sägezahn (14) gebildet sind, wobei zwischen den Sägezähnen (14) die Vertiefungen ausgebildet sind.
Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile stufenartig ausgebildet sind, sodass die Erhebungen und die Vertiefungen jeweils durch Stufen (31) gebildet sind, die eine steigende oder fallende Treppe ausbilden.
Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile in den Magnetflussleitflächen (12, 13) Nut-Feder-Kombinationen ausbilden, sodass die Erhebungen durch Federn (51) gebildet sind und die Vertiefungen durch Nuten (52) gebildet sind.
Verfahren zur Dimensionierung eines elektromagnetischen Aktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 5, folgende Schritte umfassend: – Auswahl einer geometrischen Form des Profils der Magnetflussleitfläche (13) des stationären Magnetkernes (03) und des Profils der Magnetflussleitfläche (12) des beweglichen Magnetkernes (02); – mehrfaches Simulieren der Funktion des die geometrische Form der Profile aufweisenden elektromagnetischen Aktuators mit mehreren unterschiedlichen Werten für mindestens eine Kenngröße der geometrischen Form der Profile, wodurch jeweils ein Wert mindestens einer Kenngröße einer während der Bestromung der elektrischen Spule (04) erfolgenden mechanischen Aktion des beweglichen Magnetkernes (02) bestimmt wird; und – Auswählen desjenigen der verwendeten Werte der Kenngröße der geometrischen Form, welcher durch das Simulieren zu demjenigen Wert der Kenngröße der mechanischen Aktion des beweglichen Magnetkernes (02) geführt hat, welcher einem vorab festgelegten Wert entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße der geometrischen Form der Profile durch eine Länge oder durch einen Winkel der geometrischen Form der Profile gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Länge um ein Maß handelt, mit welchem die Erhebungen (14; 31; 51) in einem unbestromten Zustand des elektromagnetischen Aktuators in die Vertiefungen (31; 52) ragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße der mechanischen Aktion des beweglichen Magnetkernes (02) durch eine Kenngröße der Bewegung des beweglichen Magnetkernes (02) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße der Bewegung des beweglichen Magnetkernes (02) durch eine Geschwindigkeit des beweglichen Magnetkernes (02) während des Bestromens der elektrischen Spule (04) beim Anschlagen des beweglichen Magnetkernes (02) am stationären Magnetkern (03) gebildet ist.