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Die Erfindung betrifft einen Magnetanker mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Magnetaktor mit einem solchen Magnetanker sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetankers.
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Stand der Technik
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Zur Ausbildung eines Magnetankers werden bevorzugt Magnetwerkstoffe verwendet, die besonders hohe magnetische Eigenschaften besitzen, wie beispielsweise Eisen-Kobalt-Legierungen. Diese Werkstoffe gelten jedoch als schwer zerspanbar und lassen sich daher nur unter erhöhtem Aufwand mechanisch bearbeiten, um beispielsweise erforderliche Ausnehmungen und/oder Konturen herzustellen. Zudem weisen sie eine vergleichsweise geringe Härte auf, so dass ein Magnetanker aus einem solchen Magnetwerkstoff wenig verschleißfest ist.
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Vorteilhafterweise sollte jedoch ein Magnetanker zugleich eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Denn in der Regel bewegt sich ein Magnetanker zwischen zwei Endlagen hin und her, wobei mindestens eine Endlage durch einen mechanischen Hubanschlag ausgebildet wird. Beim Anschlagen an einem solchen Hubanschlag wirken auf den Anker hohe Kräfte.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 088 132 A1 ist ein Magnetanker für einen Magnetaktor bekannt, der wenigstens einen magnetischen Bereich und wenigstens einen nichtmagnetischen Bereich umfasst. Die unterschiedlichen Bereiche sind dabei stoffschlüssig mittels eines Zweikomponenten-Pulver-Spritzgussverfahrens miteinander verbunden, so dass der Magnetanker einstückig, d. h. als Verbundkörper ausgebildet ist. Der magnetische Bereich ist vorzugsweise aus einem Magnetwerkstoff mit hoher Sättigungsinduktion ausgebildet, beispielsweise aus einer Eisen-Kobalt-Legierung. Um unter anderem die Robustheit des Magnetankers zu steigern, ist der nichtmagnetische Bereich vorzugsweise aus einem Keramikwerkstoff oder aus einem Hartmetall ausgebildet. Die Bereiche sind dabei derart angeordnet, dass der magnetische Bereich und der nichtmagnetische Bereich in axialer Richtung bis zu einer Ankerstirnseite reichen, wobei vorzugsweise der nichtmagnetische Bereich an der Ankerstirnseite zur Ausbildung einer Anschlagfläche vorsteht.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Magnetanker bereitzustellen, der hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften optimiert ist und zudem eine hohe Robustheit aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Magnetanker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Magnetaktor mit einem solchen Magnetanker vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorgeschlagene Magnetanker weist einen zylinderförmigen Grundkörper auf, der im Wesentlichen aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material gefertigt ist. Erfindungsgemäß bildet der Grundkörper mindestens einen allseitig umschlossenen Hohlraum und/oder mindestens einen Bereich geringerer Dichte aus. Durch den mindestens einen Hohlraum bzw. Bereich geringerer Dichte wird die Masse des Magnetankers reduziert. In Verbindung mit einer Magnetbaugruppe bzw. einem Magnetaktor zur Einwirkung auf den Magnetanker kann auf diese Weise die Dynamik der Ankerbewegung optimiert werden. Die reduzierte Masse führt ferner zu einer verringerten Beanspruchung des Magnetankers beim Anschlagen an einer Anschlagfläche, so dass der Verschleiß verringert bzw. die Robustheit des Magnetankers gesteigert wird.
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Zur Ausbildung eines Bereichs geringerer Dichte kann der Grundkörper des Magnetankers bereichsweise eine poröse oder gitterartige Gefügestruktur aufweisen. Das heißt, dass der Grundkörper im Bereich geringerer Dichte eine Vielzahl an Hohlräumen besitzt, welche zu einer Reduzierung der Masse führen.
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Der Grundkörper eines erfindungsgemäßen Magnetankers ist demnach bevorzugt inhomogen ausgebildet. Das heißt, dass seine Dichte über den Querschnitt variiert.
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Um die Fertigung eines Magnetankers mit einem inhomogen und/oder bereichsweise hohl ausgebildeten Grundkörper zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, dass der Magnetanker in einem 3D-Druckverfahren hergestellt worden ist. Die Ausbildung eines allseitig umschlossenen Hohlraums in einem Grundkörper stellt in einem 3D-Druckverfahren keine Schwierigkeit dar, so dass die Fertigungskosten gesenkt werden können. Gleiches gilt für die Ausbildung eines Bereichs geringerer Dichte.
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Bevorzugt ist bzw. sind zumindest ein Hohlraum und/oder ein Bereich geringerer Dichte mittig in Bezug auf eine Längsachse A des Grundkörpers angeordnet. Die mittige Anordnung führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der Masse und fördert auf diese Weise eine gleichmäßige Ankerbewegung.
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Aus dem vorstehend genannten Grund ist vorzugsweise der Grundkörper rotationssymmetrisch in Bezug auf die Längsachse A ausgeführt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Grundkörper in axialer Richtung von mindestens einer Druckausgleichsbohrung durchsetzt ist. Vorzugsweise ist der Grundkörper von mehreren Druckausgleichsbohrungen durchsetzt, die in gleichem Winkelabstand zueinander im Grundkörper ausgebildet sind. Die mindestens eine Druckausgleichsbohrung ermöglicht einen Druckausgleich bei einer Hubbewegung des Magnetankers. Zugleich wird die Masse des Magnetankers durch die mindestens eine Druckausgleichsbohrung weiter reduziert.
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Des Weiteren bevorzugt weist der Grundkörper mindestens einen Oberflächenbereich auf, der aus einem Material gefertigt ist, das weder magnetisch noch magnetisierbar ist. Das heißt, dass zur Ausbildung des Oberflächenbereichs ein Material gewählt werden kann, das insbesondere im Vergleich zu einem magnetischen Material deutlich verschleißfester ist. Das Material kommt daher bevorzugt in einem Oberflächenbereich des Grundkörpers zum Einsatz, der besonders stark beansprucht wird. Vorzugsweise bildet der Oberflächenbereich eine stirnseitige Anschlagfläche aus.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Grundkörper mindestens einen Oberflächenbereich aufweist, der aus einem elektrisch isolierenden, hochohmigen und/oder aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist. In Abhängigkeit vom Material und/oder der Lage des Oberflächenbereichs kann auf diese Weise eine bessere Verteilung der magnetischen Flussdichte im Magnetanker und folglich eine erhöhte übertragbare Kraft bewirkt werden. Durch Oberflächenbereiche aus einem isolierenden, hochohmigen Material können zudem ungewollte Wirbelströme reduziert oder sogar ganz vermieden werden. Mittels eines Oberflächenbereichs aus einem weichmagnetischen Material können die magnetischen Eigenschaften des Magnetankers optimiert werden. Vorzugsweise bildet der mindestens eine Oberflächenbereich aus elektrisch isolierendem, hochohmigem und/oder weichmagnetischem Material eine Außenumfangsfläche des zylinderförmigen Grundkörpers aus. Da der zylinderförmige Grundkörper des Magnetankers auf einen Tauchanker schließen lässt, kommen in dieser Ausgestaltung der Erfindung die Vorteile des mindestens einen Oberflächenbereichs aus elektrisch isolierendem, hochohmigem und/oder weichmagnetischem Material besonders gut zum Tragen.
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Vorteilhafterweise ist an den Grundkörper ein zylinderförmiger Ansatz angeformt, der stirnseitig eine Anschlagfläche ausbildet. Ein solcher Magnetanker ist insbesondere für den Einsatz in einem elektromagnetisch betätigbaren Saugventil für eine Kraftstoffhochdruckpumpe geeignet, da es den Magnetanker mit einem Ventilstößel des Saugventils zu koppeln gilt. Die Kopplung wird mit Anschlagen des Ankers am Ventilstößel bewirkt. Vorzugsweise ist daher der zylinderförmige Ansatz des Grundkörpers im Bereich der Anschlagfläche aus einem Material gefertigt, das besonders verschleißfest ist. Das heißt, dass vorzugsweise ein Material verwendet wird, das weder magnetisch noch magnetisierbar ist.
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Ferner wird ein Magnetaktor mit einem erfindungsgemäßen Magnetanker vorgeschlagen. Dabei wirkt der Magnetanker nach dem Tauchankerprinzip mit einer Magnetspule des Magnetaktors zusammen. Der Magnetaktor kann insbesondere der Betätigung eines elektromagnetisch betätigbaren Saugventils zur Befüllung einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit Kraftstoff dienen.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetankers vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird der Magnetanker in einem 3D-Druckverfahren hergestellt.
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Bei der Herstellung in einem 3D-Druckverfahren wird der Magnetanker schichtweise aufgebaut. Das heißt, dass unterschiedliche Materialien zur Ausbildung unterschiedlicher Funktionsschichten verwendet werden können. Beispielsweise können besonders verschleißfeste Schichten, weichmagnetische Schichten, den magnetischen Fluss hemmende Schichten und/oder hochohmige Schichten ausgebildet werden.
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Bei Verwendung unterschiedlicher Materialien kann beispielsweise ein Magnetanker mit mindestens einem elektrisch isolierenden oder hochohmigen Oberflächenbereich hergestellt werden, so dass im Betrieb auftretende Wirbelströme reduziert werden. Dies führt zu einer verringerten Verlustleistung und damit zu einer geringeren Aufheizung des Bauteils.
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In einem 3D-Druckverfahren kann zugleich die Form einer Funktionsschicht im Hinblick auf ihre jeweilige Funktion optimiert werden.
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Beispielsweise kann durch die konkrete Form einer weichmagnetischen Schicht die Kraftrichtung der Magnetkraft im Magnetanker optimiert werden. Insbesondere können desachsierende Kraftrichtungen der Magnetkraft reduziert werden, so dass auf den Magnetanker geringere Reibkräfte wirken, wenn er eine Hubbewegung innerhalb einer Führung ausführt.
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Ferner kann in einem 3D-Druckverfahren die Dichte des Magnetankers lokal variiert werden. Beispielsweise kann ein allseitig umschlossener Hohlraum oder ein Bereich mit einer porösen oder gitterartigen Struktur ausgebildet werden. Auf diese Weise kann ein Magnetanker realisiert werden, der bei gleicher Stabilität viel leichter ist. Die reduzierte Masse des Magnetankers führt zu schnelleren Schaltzeiten, wenn der Magnetanker in einem Magnetaktor eingesetzt wird. Ferner werden die Trägheitskräfte beim Abbremsen und Aufschlagen des Magnetankers verringert. Dies wiederum reduziert den Verschleiß an den Aufschlagflächen, so dass diese vergleichsweise kostengünstig auslegbar sind.
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In einem 3D-Druckverfahren können zudem Geometrien hergestellt werden, die in einem Standardverfahren nicht herstellbar sind. Auf diese Weise können die Strömungseigenschaften des Magnetankers optimiert werden, so dass – im Betrieb – der Druckabfall über dem Magnetanker minimiert wird.
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Das Verfahren dient vorzugsweise der Herstellung eines Magnetankers mit einem zylinderförmigen Grundkörper, der im Wesentlichen aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material gefertigt wird. Bei der Herstellung des zylinderförmigen Grundkörpers in einem 3D-Druckverfahren wird vorzugsweise mindestens ein allseitig umschlossener Hohlraum und/oder ein Bereich geringerer Dichte ausgebildet. Auf diese Weise wird ein Magnetanker geschaffen, der bei vergleichsweise geringer Masse eine hohe Stabilität besitzt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Magnetanker gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Magnetanker gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte Magnetanker 1 weist einen hohlzylinderförmigen Grundkörper 2 auf, der im Wesentlichen aus einem paramagnetischen, d. h. magnetisierbaren Material gefertigt ist. An den Grundkörper 2 ist ein zylinderförmiger Ansatz 8 angeformt, der eine Anschlagfläche 9 zur mechanischen Kopplung mit einem Ventilstößel (nicht dargestellt) ausbildet. Der Ansatz 8 ist koaxial zum Grundkörper 2 bzw. einer Längsachse A des Grundkörpers 2 angeordnet. Zur Steigerung der Robustheit des Magnetankers 1 ist der Ansatz 8 im Bereich der Anschlagfläche 9 aus einem aus einem besonders verschleißfesten Material gefertigt, das weder magnetisch noch magnetisierbar ist. Aus dem gleichen Material ist ein Oberflächenbereich 6 des Grundkörpers 2 ausgebildet, der ebenfalls eine Anschlagfläche 9 ausbildet. Auf diese Weise wird die Robustheit des Magnetankers 1 weiter gesteigert.
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Darüber hinaus weist der Grundkörper 2 einen Oberflächenbereich 7 auf, der eine Außenumfangsfläche 10 ausbildet und aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist, um die magnetischen Eigenschaften des Magnetankers 1 zu verbessern.
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Der Magnetanker 1 der 1 ist nicht nur aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, sondern weist darüber hinaus einen inhomogenen Aufbau auf. Das heißt, dass die Dichte des Magnetankers 1 über seinen Querschnitt variiert. In der 1 wird der inhomogene Aufbau durch einen zentralen Hohlraum 3 geschaffen, welcher der Reduzierung der Masse des Magnetankers 1 dient. Eine weitere Reduzierung der Masse erfährt der Magnetankers 1 durch mehrere in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Druckausgleichsbohrungen 5, welche den Hohlraum 3 umgeben, sowie eine stirnseitige Ausnehmung 11, welche zur Aufnahme und Führung einer Ankerfeder (nicht dargestellt) nutzbar ist. Durch die reduzierte Masse des Magnetankers 1 kann die zur Betätigung des Magnetankers 1 erforderliche Magnetkraft reduziert werden.
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In der 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Magnetankers 1 dargestellt, die sich von der der 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle des Hohlraums 3 ein Bereich 4 vorgesehen ist, der gegenüber dem übrigen Grundkörper 2 eine geringere Dichte besitzt. Beispielsweise kann der Grundkörper 2 im Bereich 4 eine poröse oder gitterartige Struktur aufweisen, die eine Vielzahl von Hohlräumen ausbildet. Durch den Bereich 4 wird demnach ebenfalls die Masse des Magnetankers 1 reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011088132 A1 [0004]
