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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor mit einer Magnetbaugruppe, die mindestens zwei Komponenten umfasst, von denen eine Komponente unter Ausübung einer Kraft relativ zu der anderen Komponente bewegbar ist, wenn eine Magnetspule der Magnetbaugruppe mit einem elektrischen Strom bestromt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetbaugruppe für einen derartigen elektromagnetischen Aktor.
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Stand der Technik
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 102 44 527 A1 offenbart ein Proportional-Druckregelventil zur Regelung eines Druckniveaus in einem Hydraulikkreis mit einer Ankerstange als Verbindung zwischen einem im Hydraulikkreis angeordneten Steuerelement und einem in einem Gehäuse befindlichen Proportional-Magneten, welcher aus einem Magnetkern, einem Magnetanker und einer Magnetspule besteht, wobei die Magnetspule und der Magnetkern fest mit dem Gehäuse verbunden sind und im Innenraum der Magnetspule der Magnetkern durch eine innerhalb eines Spaltes zwischen dem Magnetanker und dem Magnetkern bestehende Magnetkraft axial zwischen zwei Endpositionen hin- und her bewegbar ist und der Magnetkern teilweise in den Innenraum der Magnetspule hinein ragt und dabei konzentrisch und axial verschieblich um die mit dem Magnetanker eines Endes fest verbundene Ankerstange angeordnet ist und die Bewegung des Magnetankers eine Betätigung des Steuerelements zur Folge hat, wobei der Proportional-Magnet einen zweiten einstellbaren Spalt zur Regelung der Magnetkraft aufweist. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 102 55 414 A1 offenbart ein Proportional-Druckregelventil zur Regelung des Druckniveaus in einem Hydraulikkreis, insbesondere in einem Hydraulikkreis eines Fahrzeuggetriebes, mit einer Stößelstange als Verbindung zwischen einem im Hydraulikkreis angeordneten Steuerelement und einem in einem Gehäuse befindlichen Proportional-Magneten, welcher einen Magnetkern, einen Magnetanker und eine Magnetspule umfasst, wobei die Magnetspule und der Magnetkern fest mit dem Gehäuse verbunden sind und der Magnetkern eine Magnetsteuerkante aufweist und der Magnetanker durch eine Magnetkraft axial zwischen zwei Endpositionen hin- und her bewegbar ist, was eine Betätigung des Steuerelements zur Folge hat, und wobei ein größtmöglicher, magnetisch wirksamer Spalt zwischen den Stirnseiten des Magnetkerns und des Magnetankers einstellbar ist, wobei zumindest ein Teil des Magnetankers relativ zur Ankerstange in Abhängigkeit vom Magnetfluss bewegbar angeordnet ist, so dass ein gegenüber dem Spalt vergrößerter Spalt und/oder ein zusätzlicher zweiter Spalt entsteht. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2013 213 712 A1 offenbart einen elektromagnetischen Aktor, insbesondere zur Betätigung eines Fluidventils, mit zumindest einer Magnetspule, einem mittels der Magnetspule in einem Ankerraum magnetisch verschiebbaren Anker, der mindestens eine erste und eine zweite Verjüngung aufweist, mit einem Magnetjoch, welches zumindest aufweist: eine erste Tauchstufe, in die die erste Verjüngung des Ankers bei einer Verschiebung des Ankers in eine Betätigungsrichtung eintaucht, und eine zweite Tauchstufe, in die die zweite Verjüngung des Ankers bei einer Verschiebung des Ankers in die Betätigungseinrichtung eintaucht, wobei die erste Tauchstufe von einer ersten Stirnseite der Magnetspule aus in den Ankerraum hineinragt und mit der ersten Verjüngung des Ankers bei einer Bestromung der Magnetspule zur Erzeugung einer Stellkraft des Aktors zusammenwirkt und die zweite Tauchstufe von einer zweiten Stirnseite der Magnetspule aus in den Ankerraum hineinragt und mit der zweiten Verjüngung des Ankers bei der Bestromung der Magnetspule zur Erzeugung der Stellkraft des Aktors zusammenwirkt, wobei eine maximale radiale Außenabmessung des Ankers im Bereich der zweiten Verjüngung kleiner ist, als eine minimale radiale Innenabmessung der zweiten Tauchstufe.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, im Betrieb eines elektromagnetischen Aktors mit einer Magnetbaugruppe, die mindestens zwei Komponenten umfasst, von denen eine Komponente unter Ausübung einer Kraft relativ zu der anderen Komponente bewegbar ist, wenn eine Magnetspule der Magnetbaugruppe mit einem elektrischen Strom bestromt wird, auf einfache Art und Weise eine gewünschte Kraft-Strom-Kennlinie zu realisieren.
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Die Aufgabe ist bei einem elektromagnetischen Aktor mit einer Magnetbaugruppe, die mindestens zwei Komponenten umfasst, von denen eine Komponente unter Ausübung einer Kraft relativ zu der anderen Komponente bewegbar ist, wenn eine Magnetspule der Magnetbaugruppe mit einem elektrischen Strom bestromt wird, dadurch gelöst, dass mindestens eine der Komponenten aus mindestens zwei unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien gebildet ist, um eine gewünschte Kraft-Strom-Kennlinie zu realisieren. Die Erfindung ermöglicht nahezu eine beliebige Formung der Kraft-Strom-Kennlinie bei elektromagnetischen Aktoren. Elektromagnetische Aktoren, wie Magnetventile, werden unter anderem eingesetzt, um Schalt- und Stetigventile zu betätigen. Während Schaltventile diskret schalten, das heißt auf und zu, erlauben Stetigventile einen stetigen Übergang zwischen den Stellungen. Stetigventile kommen unter anderem zur Druckregelung in hydraulischen Kreisen zum Einsatz, zum Beispiel in Hydraulikkreisen von Fahrzeuggetrieben. Für den Einsatz von elektromagnetischen Aktoren oder Aktuatoren bei Stetigventilen ist in der Regel ein proportionales Verhalten zwischen dem Anregungsstrom und der Magnetkraft gewünscht, wobei dieser Zusammenhang möglichst unabhängig von der aktuellen Ankerposition sein sollte. Es gibt nun aber Anwendungen, bei denen statt einem proportionalen Verhalten zwischen dem Strom und der Kraft ein progressives Verhalten gewünscht ist, zum Beispiel in der Druckregelung. Bei üblichen Proportional-Druckregelventilen wird der gewünschte Druck proportional zum Anregungsstrom des elektromagnetischen Aktors geregelt. Eine zugehörige Druck-Strom-Kennlinie ist deshalb linear mit einer einheitlichen geraden Steigung über den gesamten Regelbereich. Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass der zugehörige elektromagnetische Aktor eine ebenfalls proportionale Kraft-Strom-Kennlinie aufweist. Allerdings ist es in manchen Situationen gewünscht beziehungsweise vorteilhaft, bei kleinen Drücken feiner regeln zu können und erst bei höheren Drücken die volle Aussteuerung zu erreichen. Das heißt, bei kleinen Drücken/Strömen sollte die Geradensteigung der Druck-Strom-Kennlinie kleiner sein als bei höheren Drücken/Strömen. Der aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 213 712 A1 bekannte elektromagnetische Aktor ist mit einem angepassten Fluidventil kombiniert. Bei dieser bekannten Lösung wird eine progressive Druck-Strom-Kennlinie durch die Kombination aus dem elektromagnetischen Aktor und dem Fluidventil realisiert. Ein Fluidventil mit einer progressiven Kennlinie ist beispielsweise der eingangs gewürdigten deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 55 414 A1 entnehmbar. Zur Erzeugung der progressiven Kennlinie verfügt der dort vorgesehene elektromagnetische Aktor, der zur Betätigung des Ventils dient, über einen zweigeteilten Magnetanker, wobei die Ankerteile mittels einer Feder auseinander gedrückt werden. Durch die vielen Einzelteile des Magnetankers ergibt sich ein aufwendiger Zusammenbau des elektromagnetischen Aktors und damit des Fluidventils. Im Rahmen der in der ebenfalls eingangs gewürdigten deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 44 527 A1 beschriebenen Lösung wird zusätzlich über einen zweiten Spalt eine gezielte Magnetfeldschwächung erreicht. Der zweite Spalt wird durch die Verwendung eines Magnetkerns realisiert, welcher aus wenigstens zwei Teilen besteht, wobei ein erster Teil fest mit dem Gehäuse verbunden und konzentrisch und axial verschiebbar um die mit dem Magnetanker fest verbundene Ankerstange angeordnet ist. Der zweite Teil des Magnetkerns ist koaxial, konzentrisch und axial verschiebbar um die Ankerstange angeordnet und im Gegensatz zum ersten Teil beweglich ausgebildet, so dass eine Verstellung des Spaltes zwischen den beiden Magnetkernteilen möglich ist. Dies bedeutet, dass der von der Spaltweite abhängige magnetische Widerstand regelbar ist, so dass der Gradient der Druck-Strom-Kennlinie, insbesondere bei geringen Stromwerten kleiner als bei vergleichbaren bekannten Lösungen, jedoch nicht optimal ist. Durch die Erfindung wird eine einfache Realisierung einer insbesondere progressiven Kraft-Strom-Kennlinie bei einem elektromagnetischen Aktor ermöglicht, die auch außerhalb einer Druckregelung angewendet werden kann.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Aktors ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein qualitativ besseres weichmagnetisches Material mit mindestens einem qualitativ schlechteren weichmagnetischen Material kombiniert ist, um die gewünschte Kraft-Strom-Kennlinie zu realisieren. Die unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien haben verschiedene Permeabilitäten. Als Permeabilität wird das Verhältnis der magnetischen Flussdichte B zur magnetischen Feldstärke H bezeichnet. Durch eine geschickte Auswahl der weichmagnetischen Materialien kann die Kraft-Strom-Kennlinie des elektromagnetischen Aktors vorteilhaft derart geformt werden, dass sie statt eines proportionalen einen progressiven Verlauf hat. Durch entsprechende Auswahl und Anordnung der weichmagnetischen Materialien können aber auch andere gewünschte Verläufe der Kraft-Strom-Kennlinie realisiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Aktors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Strom-Kennlinie einen progressiven Verlauf aufweist. Die Kraft-Strom-Kennlinie steigt, zum Beispiel bis zu einer mittleren Stromstärke, weniger steil an. Bei höheren Stromstärken steigt die Kraft-Strom-Kennlinie dann deutlich steiler an.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Aktors ist dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbare Komponente der Magnetbaugruppe ein Anker ist, der in Richtung einer Rotationssymmetrieachse der Magnetbaugruppe bewegbar ist. Die Magnetbaugruppe des elektromagnetischen Aktors ist vorteilhaft rotationssymmetrisch ausgeführt. Der Anker ist zum Beispiel als Drehteil ausgeführt. Der Anker kann aber auch auf andere Art und Weise hergestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Aktors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anker zwei axiale Abschnitte umfasst, die aus den unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien gebildet sind. Der Anker hat zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. Durch die Kombination der mindestens zwei unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien in dem Anker kann die gewünschte Wirkung auf einfache Art und Weise erzielt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Aktors ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse, ein Polrohr und/oder ein Polstück des elektromagnetischen Aktors aus den mindestens zwei unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien gebildet sind/ist. Dabei werden bewusst fertigungstechnische Probleme in Kauf genommen, weil herkömmliche Fertigungsverfahren mit den mindestens zwei unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien nicht oder nur bedingt einsetzbar sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Aktors ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Aktor ein Magnetventil ist. Bei dem Magnetventil handelt es sich vorzugsweise um ein Stetigventil.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Magnetbaugruppe, insbesondere eine Komponente, einen Anker, ein Polrohr, ein Polstück und/oder ein Gehäuse, für einen vorab beschriebenen elektromagnetischen Aktor. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Herstellen einer Magnetbaugruppe für einen vorab beschriebenen elektromagnetischen Aktor alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass in mindestens einer Komponente der Magnetbaugruppe mindestens ein qualitativ besseres weichmagnetisches Material mit mindestens einem qualitativ schlechteren weichmagnetischen Material kombiniert wird, um die gewünschte Kraft-Strom-Kennlinie zu realisieren.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente in einem additiven Fertigungsverfahren aus den unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien gebildet wird. Das additive Fertigungsverfahren wird auch als dreidimensionales Drucken bezeichnet. Dabei wird von einem dreidimensionalen CAD-Modell der Komponente ausgegangen. Die unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien liegen zum Beispiel in Form eines Pulvers, insbesondere eines Sinterpulvers, vor. Das Pulver, insbesondere Sinterpulver, wird zum Beispiel schichtweise oder punktuell erhitzt, zum Beispiel mit Hilfe eines Laserstrahls. So können auf einfache Art und Weise komplizierte Geometrien dargestellt werden, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren, insbesondere spanenden Fertigungsverfahren, wie Drehen, nicht oder nicht ohne weiteres realisierbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines elektromagnetischen Aktors;
- 2 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem die magnetischen Flussdichten B von zwei unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien dargestellt sind, die zur Realisierung einer gewünschten Kraft-Strom-Kennlinie im Betrieb des elektromagnetischen Aktors aus 1 verwendet werden; und
- 3 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem die gewünschte Kraft-Strom-Kennlinie dargestellt ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein elektromagnetischer Aktor 1 mit einer Magnetbaugruppe 2 vereinfacht im Längsschnitt dargestellt. Die Magnetbaugruppe 2 umfasst eine feststehende Komponente 3 und eine bewegbare Komponente 4, die relativ zu der feststehenden Komponente 3 bewegbar ist.
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Bei dem elektromagnetischen Aktor 1 handelt es sich zum Beispiel um ein Magnetventil mit einem Gehäuse 5. Das Gehäuse 5 ist mit einem Polrohr 6 und einem Polstück 7 kombiniert.
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Das Magnetventil umfasst des Weiteren einen Anker 8, der die bewegbare Komponente 4 des elektromagnetischen Aktors 1 darstellt. Das Gehäuse 5, das Polrohr 6 und das Polstück 7 stellen die feststehende Komponente 3 des elektromagnetischen Aktors 1 dar.
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Der als Magnetventil ausgeführte elektromagnetische Aktor 1 umfasst des Weiteren eine Magnetspule 9. Wenn die Magnetspule 9 bestromt wird, dann bewegt sich der Anker 8 in Richtung einer Rotationssymmetrieachse 10.
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In 2 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 21 und einer y-Achse 22 dargestellt. Auf der x-Achse 21 ist die magnetische Feldstärke H in Ampere pro Meter aufgetragen. Auf der y-Achse 22 ist die magnetische Flussdichte B in Tesla aufgetragen. Mit 11 ist die magnetische Flussdichte B eines qualitativ besseren weichmagnetischen Materials bezeichnet. Mit 12 ist die magnetische Flussdichte B eines qualitativ schlechteren weichmagnetischen Materials bezeichnet.
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In 1 sieht man, dass das Gehäuse 5 des elektromagnetischen Aktors 1 in einem in 1 linken oberen Eckbereich aus dem qualitativ besseren weichmagnetischen Material 11 gebildet ist. In einem in 1 oben rechts angeordneten Eckbereich ist das Gehäuse 5 des elektromagnetischen Aktors 1 aus dem qualitativ schlechteren weichmagnetischen Material 12 gebildet.
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Darüber hinaus sind das Polrohr 6, das Polstück 7 und der Anker 8, wie man in 1 sieht, ebenfalls jeweils aus den beiden unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien 11, 12 gebildet. Durch die Kombination der beiden unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien 11, 12 kann im Betrieb des elektromagnetischen Aktors 1 auf einfache Art und Weise eine gewünschte Kraft-Strom-Kennlinie realisiert werden.
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In 3 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 31 und einer y-Achse 32 dargestellt. Auf der x-Achse 31 ist ein Strom I in Ampere aufgetragen. Auf der y-Achse 32 ist eine Kraft beziehungsweise Magnetkraft F in Newton aufgetragen. Mit 33 ist eine idealisierte Kraft-Strom-Kennlinie bezeichnet.
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Die idealisierte Kraft-Strom-Kennlinie 33 umfasst einen linearen Abschnitt 34 und einen linearen Abschnitt 35. Der lineare Abschnitt 34 hat eine geringere Steigung als der lineare Abschnitt 35 der idealisierten Kraft-Strom-Kennlinie 33. Mit 36 ist in 3 ein realer Verlauf der gewünschten Kraft-Strom-Kennlinie im Betrieb des elektromagnetischen Aktors 1 aus 1 bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10244527 A1 [0002, 0004]
- DE 10255414 A1 [0002, 0004]
- DE 102013213712 A1 [0002, 0004]
