DE102017008549A1

DE102017008549A1 - Elektromagnet

Info

Publication number: DE102017008549A1
Application number: DE102017008549.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Erhard
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: DE102017008549B4

Abstract

Aufgabe: Ein Elektromagnet soll eine einteilige Führung des Ankers mit hoher Genauigkeit bieten, wobei ein guter Übergang des Magnetflusses von der Jochscheibe auf den Anker und eine geringe Kurzschlusswirkung um den axialen Luftspalt herum gefordert sind.
Lösung: Der Magnetpol (2) des Elektromagneten weist eine Verlängerung (7) auf, die den Anker (6) lagert und den Magnetfluss von der Jochscheibe (4) zum Anker (6) leitet, wobei in der Umgebung des axialen Luftspalts (8) zwischen der Stirnfläche (9) des Ankers (6) und der Konusfläche (10) des Magnetpols (2) die Verlängerung (7) eine Mehrzahl von Durchbrüchen (11) aufweist, die hinsichtlich ihrer Querschnittsfläche mehr als die Hälfte des Querschnitts der Verlängerung (7) ausmachen. Anwendung: Schalt- oder Regelmagnete zur Betätigung von Ventilen, Dosierpumpen oder Kupplungen, aber auch andere bekannte Anwendungen von Elektromagneten sind nicht ausgeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs
Stand der Technik:
Elektromagnete mit axial beweglichem Anker sind bekannt, insbesondere sind auch den Ankerraum abdichtende Elektromagnete bekannt, bei denen der Anker in einem Röhrchen geführt ist.
Derartige Röhrchen werden vorzugsweise zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses aus austenitischem Stahl hergestellt.
Ebenfalls bekannt ist die Abdichtung des Ankerraums durch ein Polrohr mit eingelötetem Zwischenteil aus magnetisch wenig leitendem Material, zum Beispiel aus Austenit oder Messing.
Bekannt ist auch eine einteilige Ausführung der Ankerlagerung mit ferritischem Polrohr, das in der Umgebung des Luftspalts einen erheblich verminderten Außendurchmesser aufweist.
Schließlich ist es aus der Druckschrift DE 10 2015 011 238 A1 bekannt, den Zwischenraums zwischen Magnetpol und Joch mit Kunststoff zu füllen.
Aufgabe:
Es soll ein Elektromagnet beschrieben werden, der eine einteilige Führung des Ankers mit hoher Genauigkeit bietet, wobei ein guter Übergang des Magnetflusses von der Jochscheibe auf den Anker und eine geringe Kurzschlusswirkung um den axialen Luftspalt herum gefordert sind.
Lösung:
Die Aufgaben werden durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Elektromagnet enthält mindestens eine Magnetspule, einen Magnetpol, ein Gehäuse, eine Jochscheibe und einen Anker.
Dabei bilden der Magnetpol, das Gehäuse und die Jochscheibe den magnetischen Stator, und der axial bewegliche Anker vervollständigt den Magnetkreis.
Der Magnetpol aus einem Material mit hoher magnetischer Leitfähigkeit weist eine Verlängerung auf, die den Anker lagert und die Weiterleitung des Magnetflusses von der Jochscheibe zum Anker verbessert.
In der Umgebung des axialen Luftspalts zwischen der Stirnfläche des Ankers und der Konusfläche des Magnetpols weist die Verlängerung des Magnetpols eine Mehrzahl von Durchbrüchen auf, die hinsichtlich ihrer Querschnittsfläche mehr als die Hälfte des Querschnitts der Verlängerung ausmachen, vorzugsweise mehr als drei Viertel der genannten Querschnittsfläche, weiter vorzugsweise mehr als 85% der genannten Querschnittsfläche.
Die Durchbrüche vermindern die magnetische Leitfähigkeit in der betreffenden Zone der Verlängerung erheblich, dadurch wird die magnetische Kurzschlusswirkung der Verlängerung über den axialen Luftspalt begrenzt.
Vorteilhafterweise ist radial zwischen der Verlängerung oder dem Röhrchen und dem Anker eine Gleitfolie aus einem Kunststoff mit sehr geringem Reibungsbeiwert, zum Beispiel aus PTFE, angeordnet.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die Verlängerung von einem Röhrchen umfasst, dass den Bewegungsraum des Ankers zur Umgebung des Elektromagneten hin abdichtet.
In einer ersten Ausführung ist der äußere Durchmesser der Verlängerung des Magnetpols mit dem äußeren Durchmesser des Magnetpols bündig ausgeführt, wobei der Anker vorzugsweise einen Absatz aufweist, der passend zu dem Durchmesserunterschied zwischen dem inneren Durchmesser der Verlängerung und dem inneren Durchmesser des Magnetpols ausgeführt ist.
In einer zweiten Ausführung ist der innere Durchmesser der Verlängerung des Magnetpols mit dem inneren Durchmesser des Magnetpols bündig ausgeführt, wobei der Anker in der Zone des Zusammenwirkens mit dem Magnetpol ungestuft ausgeführt ist.
Vorteilhafterweise weist die Verlängerung in der Zone, in der sie von Durchbrüchen durchbrochen ist, eine Mehrzahl von Stegen auf.
Die Durchbrüche und die Stege sind vorzugsweise so gestaltet, dass sie sich kostengünstig herstellen lassen. Beispielsweise sind die Stege jeweils von vier Flächen begrenzt, nämlich von einer inneren und einer äußeren Teilzylinderfläche und von zwei ebenen Flächen, wobei die inneren Teilzylinderflächen größer sind als die äußeren Teilzylinderflächen.
Vorzugsweise ist die Jochscheibe radial durch die Verlängerung des Magnetpols nahezu spielfrei geführt, wobei zwischen der Jochscheibe und dem Gehäuse ein ausreichend großes radiales Spiel vorgesehen ist, das die Form- und Lagetoleranzen der beteiligten Bauteile ausgleicht.
Alternativ dazu berührt bei einer radialen Führung der Jochscheibe durch die Verlängerung des Magnetpols und das Röhrchen die Jochscheibe das Gehäuse zunächst nur axial und ist stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden, wobei die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Jochscheibe erst nach dem Fügen der Jochscheibe auf die Verlängerung und das Röhrchen hergestellt worden ist.
Vorteilhafterweise weisen die Durchbrüche an ihren dem Magnetpol zugewandten Ende eine von der Rechteckform abweichende Form auf, die wegen der relativen örtlichen Vergrößerung des Materialquerschnitts der Stege die Kraftkennlinie des Magneten $F = f (l,s),$

mit der Kraft F, dem Strom I und dem Hub s,
entsprechend einer Auslegungsvorgabe beeinflussen.
Der Querschnitt ist an dem genannten Ende relativ zu dem mittleren Querschnitt vergrößert, wobei als mittlerer Querschnitt der Querschnitt in der Mitte der Länge der Stege gelten soll.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Form der Durchbrüche an ihren dem Magnetpol zugewandten Ende so gestaltet, dass wegen der relativen Vergrößerung des Materialquerschnitts der Stege die Kennlinie des Elektromagneten so beeinflusst wird, dass die Kraft des Elektromagneten in dem Wegabschnitt, der dem Magnetpol zugewandt ist, von dem Hub des Ankers soweit wie möglich unabhängig ist, wobei die genannte Vergrößerung der Stege durch Versuche oder Simulationen ermittelt wird.
Es können auch andere vorteilhafte Verläufe der Magnetkraft durch die Gestaltung des Übergangs von den Stegen zu dem Magnetpol eingestellt werden, beispielsweise ein linear ansteigender oder ein linear abfallender Verlauf.
Anwendung:
Die beschriebenen Ausführungen von Elektromagneten werden als Schalt- oder Regelmagnete zur Betätigung von Ventilen, Dosierpumpen oder Kupplungen verwendet, aber auch andere Anwendungen sind nicht ausgeschlossen.
Bilder und beispielhafte Ausführung:
1 zeigt in einem Schnittbild mit zwei Detailbildern einen erfindungsgemäßen Elektromagneten in einer ersten Ausführung mit einer Magnetspule (1), einem Magnetpol (2), einem Gehäuse (3), einer Jochscheibe (4), und einem Anker (6).
Der Magnetpol (2) weist eine Verlängerung (7) auf, die den Anker (6) lagert und den Magnetfluss von der Jochscheibe (4) zum Anker (6) leitet.
Dabei enthält die Verlängerung (7) in der Umgebung des axialen Luftspalts (8) zwischen der Stirnfläche (9) des Ankers (6) und der Konusfläche (10) des Magnetpols (2) eine Mehrzahl von Durchbrüchen (11), die hinsichtlich ihrer Querschnittsfläche mehr als die Hälfte des Querschnitts der Verlängerung (7) ausmachen.
Radial zwischen dem Anker (6) und der Verlängerung (7) ist eine Gleitfolie (12) angeordnet.
Zur Abdichtung des Ankerraums wird die Verlängerung (7) vorteilhafterweise von einem Röhrchen (5) umschlossen.
In einer bevorzugten Ausführung gemäß 1 ist der äußere Durchmesser der Verlängerung (7) des Magnetpols (2) mit dem äußeren Durchmesser (13) des Magnetpols (2) bündig ausgeführt, wobei der Anker (6) vorzugsweise einen Absatz (15) aufweist, passend zu dem Durchmesserunterschied zwischen dem inneren Durchmesser der Verlängerung und dem inneren Durchmesser des Magnetpols.
In einer anderen Ausführung gemäß 2 ist der innere Durchmesser der Verlängerung (7) des Magnetpols (2) mit dem inneren Durchmesser (14) des Magnetpols (2) bündig ausgeführt, wobei der Anker in der Zone des Zusammenwirkens mit dem Magnetpol (2) ungestuft ausgeführt ist.
Die Verlängerung (7) weist vorzugsweise in der Zone, in der sie von Durchbrüchen (11) durchbrochen ist, eine Mehrzahl von Stegen (16) auf. Weiter vorzugsweise sind die Stege (16) jeweils von mindestens vier Flächen begrenzt, nämlich von einer inneren und einer äußeren Teilzylinderfläche (17, 18) und von zwei ebenen Flächen (19, 20).
Die Jochscheibe (4) wird vorteilhafterweise radial durch die Verlängerung (7) des Magnetpols (2) geführt, wobei zwischen der Jochscheibe (4) und dem Gehäuse (3) ein für den Ausgleich der Toleranzen ausreichendes radiales Spiel (21) vorgesehen ist.
In einer anderen nicht dargestellten Ausführung wird die Jochscheibe (4) auch radial durch die Verlängerung (7) des Magnetpols (2) und, soweit vorgesehen, das Röhrchen (5) geführt, aber die Jochscheibe (4) berührt das Gehäuse (3) zunächst nur axial und ist stoffschlüssig mit dem Gehäuse (3) verbunden, wobei die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Gehäuse (3) und der Jochscheibe (4) erst nach dem Fügen der Jochscheibe (4) auf die Verlängerung (7) und das Röhrchen (5) hergestellt worden ist.
Die Durchbrüche (11) weisen vorteilhafterweise an ihren dem Magnetpol (2) zugewandten Ende eine von der Rechteckform abweichende Form auf, mit der die Kraftkennlinie des Elektromagneten beeinflusst wird.
Bezugszeichenliste

1.: Magnetspule
2.: Magnetpol
3.: Gehäuse
4.: Jochscheibe
5.: Röhrchen
6.: Anker
7.: Verlängerung
8.: Luftspalt
9.: Stirnfläche
10.: Konusfläche
11.: Durchbruch
12.: Gleitfolie
13.: Äußerer Durchmesser
14.: Innerer Durchmesser
15.: Absatz
16.: Steg
17.: Teilzylinderfläche
18.: Teilzylinderfläche
19.: Ebene Fläche
20.: Ebene Fläche
21.: Radiales Spiel

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

DE 102015011238 A1 [0002]

Claims

Elektromagnet mit mindestens einer Magnetspule (1), einem Magnetpol (2), einem Gehäuse (3), einer Jochscheibe (4), und einem Anker (6) dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetpol (2) eine Verlängerung (7) aufweist, die den Anker (6) lagert und den Magnetfluss von der Jochscheibe (4) zum Anker (6) leitet, wobei in der Umgebung eines axialen Luftspalts (8) zwischen einer Stirnfläche (9) oder einem Absatz (15) des Ankers (6) und einer Konusfläche (10) des Magnetpols (2) die Verlängerung (7) eine Mehrzahl von Durchbrüchen (11) aufweist, die hinsichtlich ihrer Querschnittsfläche mehr als die Hälfte des Querschnitts der Verlängerung (7) ausmachen.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass radial zwischen dem Anker (6) und der Verlängerung (7) eine Gleitfolie (12) angeordnet ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (7) von einem den Bewegungsraum des Ankers (6) abdichtenden Röhrchen (5) umfasst ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser der Verlängerung (7) des Magnetpols (2) mit dem äußeren Durchmesser (13) des Magnetpols (2) bündig ausgeführt ist..
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Durchmesser der Verlängerung (7) des Magnetpols (2) mit dem inneren Durchmesser (14) des Magnetpols (2) bündig ausgeführt ist, wobei der Anker in der Zone des Zusammenwirkens mit dem Magnetpol (2) ungestuft ausgeführt ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (7) in der Zone, in der sie von Durchbrüchen (11) durchbrochen ist, eine Mehrzahl von Stegen (16) aufweist.
Elektromagnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (16) jeweils von mindestens vier Flächen begrenzt sind, nämlich von einer inneren und einer äußeren Teilzylinderfläche (17, 18) und von zwei ebenen Flächen (19, 20).
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Jochscheibe (4) radial durch die Verlängerung (7) des Magnetpols (2) geführt ist, wobei zwischen der Jochscheibe (4) und dem Gehäuse (3) ein für den Ausgleich der Toleranzen ausreichendes radiales Spiel (21) vorgesehen ist.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Jochscheibe (4) radial durch die Verlängerung (7) des Magnetpols (2) und das Röhrchen (5) geführt ist, wobei die Jochscheibe (4) stoffschlüssig mit dem Gehäuse (3) verbunden ist, und wobei die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Gehäuse (3) und der Jochscheibe (4) erst nach dem Fügen der Jochscheibe (4) auf die Verlängerung (7) und das Röhrchen (5) hergestellt worden ist.
Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (11) an ihren dem Magnetpol (2) zugewandten Ende eine von der Rechteckform abweichende Form aufweisen, die wegen der relativen Vergrößerung des Materialquerschnitts der Stege (16) zusätzlich zur Form des Magnetpols (2) die Kraftkennlinie des Elektromagneten $F = f (l,s),$
mit der Kraft F, dem Strom I und dem Hub s, entsprechend einer auf Versuchs- oder Simulationsergebnissen beruhenden Auslegungsvorgabe beeinflusst.
Elektromagnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Formen der Durchbrüche (11) an ihren dem Magnetpol (2) zugewandten Ende wegen der relativen Vergrößerung des Materialquerschnitts der Stege (16) die Kennlinie des Elektromagneten so beeinflussen, dass die Kraft des Elektromagneten in dem Wegabschnitt des Ankers (6), der dem Magnetpol (2) zugewandt ist, von dem Hub des Ankers (6) soweit wie möglich unabhängig ist, wobei die genannte Vergrößerung der Stege (16) durch Versuche oder Simulationen ermittelt wird.
Elektromagnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Formen der Durchbrüche (11) an ihren dem Magnetpol (2) zugewandten Ende wegen der relativen Vergrößerung des Materialquerschnitts der Stege (16) die Kennlinie des Elektromagneten so beeinflussen, dass die Kraft des Elektromagneten in dem Wegabschnitt des Ankers (6), der dem Magnetpol (2) zugewandt ist, von dem Hub des Ankers (6) entsprechend einer vorgegebenen Steigung linear abhängig ist, wobei dazu die genannte Vergrößerung der Stege (16) durch Versuche oder Simulationen ermittelt wird.