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Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator mit einem Polrohr, welches innerhalb einer Magnetspule angeordnet ist. Zudem umfasst der Linearaktuator einen Ankerraum, welcher zumindest teilweise von dem Polrohr umschlossen ist, und einen Anker, welcher in dem Ankerraum in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist.
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Ein Linearaktuator ist grundsätzlich eine Vorrichtung, die eine Last auf einer geraden Linie bewegt. Linearaktuatoren werden in unter anderem in Magnetventilen zum Betätigen von Nockenwellenverstellern eingesetzt. Derartige Linearaktuatoren sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt.
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Aus
DE 10 2015 102 066 A1 ist beispielsweise ein Zentralaktuator insbesondere für ein Magnetventil eines Schwenkmotornockenwellenverstellers bekannt. Der Zentralaktuator umfasst ein Gehäuse, das den Zentralaktuator umschließt, ein Polrohr und einen Polkern, welche innerhalb mindestens einer ein Magnetfeld erzeugenden Spule angeordnet sind, sowie einen Betätigungsstößel, der an einem Anker angeordnet ist, welcher in einem Ankerraum in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt ist. Dabei ist ein Abschlusselement zum Verschließen des Ankerraums vorgesehen ist, welches wenigstens einen Polkerneinsatz mit einer zentralen Bohrung und eine in der zentralen Bohrung des Polkerneinsatzes angeordnete Lagerbuchse umfasst, wobei der Betätigungsstößel in der Lagerbuchse axial verschiebbar gelagert ist und wobei das Abschlusselement ferner einen Abschlussdeckel umfasst und als vormontierbare Einheit vorgesehen ist.
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Als weiteres Beispiel ist aus
EP 0 322 985 B1 ein elektromagnetisch betätige Ventilvorrichtung bekannt, in der eine elektromagnetische Anordnung vorgesehen ist. Diese umfasst ein inneres Joch, eine Kolbenführung, die gegenüber dem inneren Joch angeordnet ist, einen Kolben, der bewegbar in einem zwischen dem inneren Joch und der Kolbenführung ausgeformten Raum angeordnet ist. Zudem umfasst die Anordnung einen Spulenrahmen, der zur Umfassung des inneren Jochs und die Kolbenführung angeordnet ist, eine Wicklung, die um den Spulenrahmen gewickelt ist und ein äußeres Joch, das zur Umfassung der Wicklung angeordnet ist. Dabei besteht der Spulenrahmen aus polymerartigem Material und ist an das innere Joch und die Kolbenführung als einheitliche Struktur durch Spritzgießen angehaftet.
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Solche Linearaktuatoren sind kompliziert in der Herstellung und weisen einen relativ hohen Verschleiß von Anker und/oder Ankerstange auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen eingangs genannten Linearaktuator baulich und funktional zu verbessern und dabei zumindest einen der zuvor genannten Nachteile zu überwinden.
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Gemäß einem Aspekt wird die Aufgabe durch einen Linearaktuator für ein Magnetventil eines Nockenwellenverstellers gelöst. Der Linearaktuator umfasst ein Polrohr, welches innerhalb einer Magnetspule angeordnet ist, einen Ankerraum, welcher zumindest teilweise von dem Polrohr umschlossen ist, und einen Anker mit einer Ankerstange, welcher in dem Ankerraum in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. Dabei ist der Anker mittels der Ankerstange einseitig in einem Stangenlager gelagert, wobei ein Spaltmaß S zwischen dem Anker und dem Polrohr in jedem Arbeitszustand des Linearaktuators größer null ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und nebengeordneten Ansprüchen angegeben.
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Der verbesserte Linearaktuator bringt den Vorteil mit sich, dass die einseitige Lagerung bzw. Stangenlagerung die Herstellung des Linearaktuators erheblich vereinfacht. Dies liegt in erster Linie daran, dass mittels der einseitigen Lagerung eine zweite Stangenlagerung und/oder eine Bauchlagerung des Ankers entfällt. Bauchlagerung bedeutet, dass der Anker mit seiner Außenwandung an einer Innenwandung des Polrohrs anliegt. Eine solche Bauchlagerung ist jedoch in dem erfindungsgemäßen Linearaktuator ausgeschlossen, da das Spaltmaß zwischen Anker und Polrohr in jedem Arbeitszustand des Linearaktuators größer null ist. Somit sind auch keine zusätzlichen Bauteile, wie eine Hülse, und/oder eine Beschichtung des Ankers, zum Beispiel mit Nickel und/oder Phosphor, notwendig. Dies bringt eine zusätzliche Einsparung von Aufwand und Kosten bei der Herstellung des Linearaktuators. Vorzugsweise befindet sich zwischen Anker und Polrohr ein Luftspalt, da eine nicht vorhandene Reibung nicht mittels Öl reduziert werden muss. Dies spart weitere Kosten. Aufgrund einer ausbleibenden Reibung zwischen Anker und Polrohr, sowie aufgrund einer ausbleibenden Reibung innerhalb einer zweiten Stangenlagerung, welche der ersten Stangenlagerung gegenüberliegend angeordnet wäre, wird zudem ein Verschleiß des Linearaktuators erheblich reduziert, und dessen Lebensdauer somit deutlich erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein maximales Spaltmaß Smax zwischen dem Anker und dem Polrohr maximal viermal so groß, bevorzugt maximal dreimal und besonders bevorzugt maximal zweimal so groß, wie ein minimales Spaltmaß Smin zwischen dem Anker und dem Polrohr. Ein Verhältnis zwischen Smin und Smax ist also 1:X, wobei X maximal 4, bevorzugt maximal 3 und besonders bevorzugt maximal 2 ist. Dieses Verhältnis, welches hier auch als Spaltmaßverhältnis bezeichnet wird, ist ein Maß dafür, wie stark der Anker bezogen auf ein angestrebtes Spaltmaß S von seiner Sollposition abweicht. Dabei gilt stets Smin ≤ S ≤ Smax. Im Idealzustand eines exakt mittig im Polrohr gelagerten Ankers beträgt das Spaltmaßverhältnis 1:1, wobei Smin = Smax ist.
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Mittels der Festlegung einer maximalen Abweichung zwischen Smin und Smax wird gewährleistet, dass der Anker ausreichend mittig bzw. an jeder Stelle seiner Außenwandung ausreichend von der Innenwandung des Polrohrs beabstandet angeordnet ist. Dadurch wird vermieden, dass der Anker dem Polrohr so nahe kommt, dass der Anker mittels einer Magnetkraft an die Innenwandung des Polrohrs herangezogen wird und diese berührt. Dies würde zu einem Klebeeffekt zwischen Anker und Polrohr führen, welcher mittels der festgelegten maximalen Abweichung zwischen Smin und Smax verhindert wird.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform beträgt das Spaltmaß S weniger als 200 µm, bevorzugt weniger als 150 µm und besonders bevorzugt weniger als 100 µm. Dadurch wird ein Abstand zwischen Anker und Polrohr minimiert. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass Wirkungsgrad des Linearaktuators maximiert wird. So reicht beispielsweise eine Speisung der Spule mit 0,8 A aus, um eine Ankerkraft von 10 N zu erzeugen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ankerstange aus einem Hartmetall hergestellt. Dabei handelt es sich um ein Material mit besonders hohem E-Modul, Härte und hohem Wärmeleitungskoeffizient, üblicherweise Wolframcarbid-Kobalt-Hartmetall. Hartmetall ist deutlich härter als reine Metalle, Legierungen und gehärteter Stahl. Eine Herstellung der Ankerstange aus Hartmetall führt zu einer besonders hohen Verschleißfestigkeit bzw. Verschleißbeständigkeit der Ankerstange. Dadurch wird die Lebensdauer der Ankerstange als besonders stark beanspruchtes Bauteil innerhalb des Linearaktuators deutlich erhöht. Gleichzeitig führt das Hartmetall zu einer besonders hohen Steifigkeit der Ankerstange, wodurch eine zu große Verformung und somit eine zu große Abweichung zwischen Smin und Smax verhindert wird.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft weist die Ankerstange einen Durchmesser von 4 mm bis 6 mm, bevorzugt von 4,5 mm bis 5,5 mm und besonders bevorzugt von 5 mm auf. Eine Ankerstange dieser Baugröße zeichnet sich durch eine ausreichend hohe Festigkeit bei geringem Verbrauch von Bauraum aus und ist somit besonders gut für Linearaktuatoren in Magnetventilen geeignet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt ein Spiel zwischen der Ankerstange und dem Stangenlager 4 µm bis 12 µm, bevorzugt 5 µm bis 10 µm und besonders bevorzugt 7 µm. Um ein solch geringes Spiel zu gewährleisten, muss das Stangenlager eine sehr hohe Maßgenauigkeit aufweisen. Hier ist ein Grundtoleranzgrad bzw. ISO-Toleranzgrad IT4, vorzugsweise IT3, nach DIN ISO 286 als besonderes Qualitätsmerkmal zu erfüllen. Demnach gilt für ein angestrebtes Nennmaß bzw. einen zu erzielenden Durchmesser des Stangenlagers im Bereich zwischen 3 mm und 10 mm für IT4 eine Grundtoleranz von 4 µm und für IT3 eine Grundtoleranz von 2,5 µm. Dabei ist zu beachten, dass das Nennmaß nur in positiver Richtung um die besagte Grundtoleranz abweichen darf, also das Stangenlager auf keinen Fall schmaler als das Nennmaß sein darf.
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Die genannten Grundtoleranzen sind zusätzlich in einer weiteren Ausführungsform beansprucht, wonach der Innendurchmesser des Stangenlagers maximal 4 µm größer als sein angestrebtes Nennmaß ist. Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Innendurchmesser des Stangenlagers maximal 2,5 µm größer als sein angestrebtes Nennmaß. Für beide genannten Ausführungsformen gilt gleichermaßen, dass der Innendurchmesser keinesfalls kleiner als das angestrebte Nennmaß sein darf. Aufgrund dieser genau festgelegten Toleranzen ist eine sehr exakte Lagerung der Ankerstange in dem Stangenlager möglich. Die Qualität des Linearaktuators, unter anderem bezüglich des bereits ausgeführten Spaltmaßverhältnisses zwischen Anker und Polrohr, wird dadurch deutlich gesteigert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Lagertiefe T des Stangenlagers derart gewählt, das das Spaltmaß S größer null in jedem Arbeitszustand des Linearaktuators mittels dieser Lagertiefe T gewährleistet ist. Je größer die Lagertiefe T ist, umso geringer ist eine Abweichung des Ankers von seiner idealen mittigen Anordnung innerhalb des Polrohrs. Dies liegt daran, dass diese Abweichung von dem Spiel des Stangenlagers abhängig ist, wobei sich das Spiel mit zunehmender Lagertiefe T immer weniger auf die Anordnung des Ankers auswirkt. Dadurch kann mittels einer entsprechenden Festlegung der Lagertiefe T sichergestellt werden, dass der Anker die Innenwandung des Polrohrs in keinem Arbeitszustand des Linearaktuators berührt, das Spaltmaß S also immer größer null ist. Die Lagertiefe T ist somit eine wichtige Stellschraube für die Qualität des Linearaktuators.
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Darauf aufbauend entspricht die Lagertiefe T zumindest dem 1-fachen, vorzugsweise zumindest dem 1,2-fachen, des Durchmessers D der Ankerstange. Bei einem Verhältnis T < D wirkt unter Umständen ein starkes Kippmoment im Stangenlager, wodurch eine Bewegungsfähigkeit bzw. axiale Verschiebbarkeit der Ankerstange und somit des Ankers eingeschränkt werden könnte. Das festgelegte Mindestverhältnis zwischen Lagertiefe T und Durchmesser D stellt die Bewegungsfähigkeit des Ankers sicher.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Linearaktuators in einer beispielhaften Ausführungsform,
- 2 das Detail II aus 1, und
- 3 den Schnitt III-III aus 2 in einer schematischen Darstellung.
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Die 1 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Linearaktuators 1 in einer beispielhaften Ausführungsform. Dabei umfasst der Linearaktuator 1 ein Gehäuse 2 und eine Magnetspule 3, welche in einen Spulenrahmen 4 eingefasst ist. Die Magnetspule 3 umschließt teilweise einen Polkern 5 und ein Polrohr 6, die gemeinsam mit einem Stangenlager 7 und einem Teil des Gehäuses 2 einen Ankerraum 8 umschließen. Dabei ist das Stangenlager 7 von dem Polkern 5 eingefasst. In dem Ankerraum 8 ist ein axial verschiebbarer Anker 9 angeordnet, welcher mittels einer Ankerstange 10 einseitig in dem Stangenlager 7 gelagert ist. Weitere hier dargestellte Komponenten haben für die Erfindung eine untergeordnete Bedeutung und werden daher nicht bezeichnet und/oder ausgeführt.
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Bei einer Betätigung des Linearaktuators 1 mittels eines Stromflusses durch die Magnetspule 3 wird der Anker 9 in axialer Richtung durch den Ankerraum 8 und somit auch durch das Polrohr 6 bewegt. Dabei wird der Anker 9 von der in dem Stangenlager 7 gelagerten Ankerstange 10 geführt. Der Anker 9 bzw. dessen Außenwandung 11 ist in jedem Arbeitszustand des Linearaktuators 1 von einer Innenwandung 12 des Polrohrs 6 beabstandet - hier noch nicht sichtbar. Dafür sorgen die Ankerstange 10 und das Stangenlager 7 mittels ihrer festgelegten Merkmale, welche in der Beschreibung zu 2 näher ausgeführt werden.
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In der 2 ist ein Detail II des erfindungsgemäße Linearaktuators 1 vergrößert dargestellt. Das Detail umfasst einen Teil des Gehäuses 2, den Polkern 5, das Polrohr 6, das Stangenlager 7, den Ankerraum 8, den Anker 9 und die Ankerstange 10. In dieser vergrößerten Darstellung ist erkennbar, dass zwischen der Außenwandung 11 des Ankers und der Innenwandung 12 des Polrohrs 6 ein Abstand mit einem Spaltmaß S vorliegt. Dabei ist das Spaltmaß S immer bzw. in jedem Arbeitszustand des Linearaktuators 1 größer null. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt das Spaltmaß weniger als 150 µm, wodurch der Linearaktuator 1 einen überdurchschnittlichen Wirkungsgrad bezüglich Magnetspulenstrom und Ankerkraft aufweist.
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Die Ankerstange 10 ist aus einem Hartmetall, hier speziell aus Wolframcarbid-Kobalt-Hartmetall, hergestellt und weist einen Durchmesser D von 5 mm auf. Das Stangenlager 7 ist mit einer Lagertiefe T ausgebildet, welche größer als D ist. Ein Spiel zwischen der Ankerstange 10 und dem Stangenlager 7 beträgt hier 7 µm - hier nicht maßstabsgetreu dargestellt. Ein solch geringes Spiel wird dadurch gewährleistet, dass das Stangenlager eine Maßgenauigkeit aufweist, welche mindestens den ISO-Toleranzgrad IT4 nach DIN ISO 286 erfüllt. Dies ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gegeben.
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Die 3 zeigt einen Querschnitt des Details III aus 2 in einer schematischen und stark vereinfachten Darstellung. Die Größenverhältnisse der gezeigten Komponenten weichen hier deutlich von denen in 2 ab, sind jedoch bewusst so gewählt worden, um das Spaltmaß S in seinen verschiedenen Ausbildungen zu verdeutlichen. Dargestellt in 3 sind das Polrohr 6, der Ankerraum 8 und der Anker 9. Dabei ist der Anker 9 vereinfacht mit einem durchgehenden Kreis und in einer idealen Position bzw. mittigen Anordnung innerhalb des Polrohrs 6 veranschaulicht. Das Spaltmaß S zwischen der Außenwandung 11 des in der idealen Position befindlichen Ankers 9 und der Innenwandung 12 des Polrohrs 6 ist im gesamten Ankerraum 8 gleich. Die mittige Anordnung des Ankers 9 soll durch die Punkt-Strich-Linien, welche sich in einer Achse 13 des Pohlrohrs 6 schneiden, verdeutlich werden.
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Zudem ist ein Anker 9' vereinfacht mit einem gestrichelten Kreis dargestellt. Dabei handelt es sich um den Anker 9 in einer maximalen Abweichung von der idealen Position. Für den Anker 9' variiert das Spaltmaß S nun zwischen seiner Außenwandung 11' und der Innenwandung 12 des Polrohrs 6. Dabei ist das Spaltmaß S von einem minimalen Spaltmaß Smin und einem maximalen Spaltmaß Smax begrenzt. Für diese Ausführungsform des Linearaktuators gilt die Festlegung, dass Smax maximal viermal so groß ist wie Smin, kurz Smax ≤ 4 x Smin. Dadurch wird verhindert, dass der Anker 9 der Innenwandung 12 des Polrohrs 12 zu nahe kommt oder die Innenwandung 12 sogar berührt.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015102066 A1 [0003]
- EP 0322985 B1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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