-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Polrohr für einen elektromagnetischen Aktuator, einen elektromagnetischen Aktuator und ein Verfahren zum Herstellen eines Polrohrs für einen elektromagnetischen Aktuator.
-
Stand der Technik
-
Es ist bekannt, bei elektromagnetischen Aktuatoren ein nicht magnetisierbares Material in ein Polrohr einzubringen. Durch das eingebrachte, nicht magnetisierbare Material kann ein Magnetfeld einer elektrischen Spule derart beeinflusst werden, dass eine Kraft auf einen Anker einwirkt, welcher zumindest abschnittsweise von dem Polrohr umgeben sein kann.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polrohr für einen elektromagnetischen Aktuator. Das Polrohr kann zwischen einer elektrischen Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds und einem elektromagnetisch betätigbaren Anker, auf welchen das von der elektrischen Spule erzeugte Magnetfeld eine magnetische Kraft ausüben kann, anordbar sein. Bei der ausübbaren magnetischen Kraft kann es sich um eine Hubkraft oder Stellkraft zum Bewegen des elektromagnetisch betätigbaren Ankers handeln.
-
Das Polrohr kann als eine Aufnahme, eine Lagerung und/oder eine Einhausung für einen elektromagnetisch betätigbaren Anker ausgebildet sein. Das Polrohr kann ein magnetisierbares Material aufweisen, wodurch das Polrohr als ein magnetischer Leiter ausgebildet sein kann. Das Polrohr kann daher grundsätzlich jedes bekannte, magnetisierbare Metall, beispielsweise Eisen, aufweisen.
-
Gemäß der Erfindung weist das Polrohr einen Rohrabschnitt zum Führen eines elektromagnetisch betätigbaren Ankers auf, wobei der Rohrabschnitt einen magnetischen Widerstandsbereich zum Beeinflussen eines magnetischen Flusses aufweist.
-
Der Rohrabschnitt des Polrohrs kann einen Hohlraum zum zumindest abschnittsweisen Aufnehmen und beweglichen Führen des elektromagnetisch betätigbaren Ankers aufweisen. Der elektromagnetisch betätigbare Anker ist durch einen magnetischen Wirkungskreis eines Magnetfelds einer elektrischen Spule in dem Hohlraum in Bewegung versetzbar. Mit anderen Worten kann der Rohrabschnitt des Polrohrs einen Ankerraum für den elektromagnetisch betätigbaren Anker aufspannen, durch welchen ein Pfad des magnetischen Flusses zum Betätigen des elektromagnetisch betätigbaren Ankers verlaufen kann.
-
Der magnetische Widerstandsbereich kann einen magnetischen Fluss beziehungsweise einen magnetischen Kreis durch den Bereich des Polrohrs, welcher als der magnetische Widerstandsbereich ausgebildet ist, zumindest abschwächen oder unterbrechen. Der magnetische Widerstandsbereich kann daneben einen magnetischen Fluss beziehungsweise einen magnetischen Kreis durch den Bereich des Polrohrs, welcher nicht als der magnetische Widerstandsbereich ausgebildet ist beziehungsweise welcher als magnetisch leitender Bereich des Rohrabschnitts ausgebildet ist, verstärken.
-
Der magnetische Widerstandsbereich kann eine magnetische Barriere, eine magnetische Unterbrechung oder eine magnetische Trennung in dem magnetisch leitfähigen Polrohr ausbilden. Bei dem magnetischen Widerstandsbereich kann es sich ferner um einen magnetischen Isolator handeln, welcher einen magnetischen Fluss durch den Bereich des Rohrabschnitts, welcher den magnetischen Widerstandsbereich bildet, im Wesentlich in Gänze blockieren kann.
-
Der magnetische Widerstandsbereich des Rohrabschnitts kann in und/oder auf dem Rohrabschnitt des Polrohrs angeordnet sein. Der magnetische Widerstandsbereich des Rohrabschnitts kann derart angeordnet und geometrisch ausgebildet sein, dass ein Pfad des magnetischen Flusses in Richtung des elektromagnetisch betätigbaren Ankers ablenkbar ist. Ein magnetischer Fluss kann somit derart verändert werden, dass ein Pfad des magnetischen Flusses durch magnetisch leitende Bereiche des Rohrabschnitts und durch den elektromagnetisch betätigbaren Anker geführt werden kann. Der elektromagnetisch betätigbare Anker kann auch ein magnetisierbares beziehungsweise ein magnetisch leitfähiges Material aufweisen. Der Rohrabschnitt des Polrohrs und der elektromagnetisch betätigbare Anker können ferner dasselbe Material aufweisen. Der magnetische Widerstandsbereich kann den magnetischen Fluss mit anderen Worten ins Innere des Rohrabschnitts, in dem sich der elektromagnetisch betätigbare Anker befinden kann, umlenken. Eine durch ein magnetisches Kraftfeld einer elektrischen Spule erzeugbare magnetische Kraft kann somit gezielt auf einen elektromagnetisch betätigbaren Anker in dem Polrohr einwirken.
-
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Härten eines Materials, neben den mechanischen Materialeigenschaften auch dessen magnetische Materialeigenschaften verändert werden können. Er wurde erkannt, dass gehärtetes Material eine verminderte Magnetisierbarkeit beziehungsweise magnetische Leitfähigkeit im Vergleich zu demselben nicht gehärteten Material aufweisen kann. Durch ein lokales Härten eines Materials kann somit dessen Magnetisierbarkeit beziehungsweise dessen magnetische Leitfähigkeit lokal verringert werden. Daneben kann durch ein Materialhärten grundsätzlich eine Materialstabilität beziehungsweise eine Materialfestigkeit lokal erhöht werden.
-
Gemäß der Erfindung weist der magnetische Widerstandsbereich des Rohrabschnitts ein gehärtetes Material auf. Der magnetische Widerstandsbereich kann magnetisierbares Material aufweisen, dessen magnetische Leitfähigkeit durch Härten vermindert worden ist. Ein Härten des Materials des magnetischen Widerstandsbereichs kann bezüglich des Rohrabschnitts in situ und/oder ex situ durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann das gehärtete Material des magnetischen Widerstandsbereichs dem Rohrabschnitt in einem gehärteten Zustand hinzugefügt werden und/oder in dem Rohrabschnitt in einen gehärteten Zustand versetzt werden. Bei dem gehärteten Material kann es sich um induktiv gehärtetes Material und/oder lasergehärtetes Material handeln. Das gehärtete Material weist einen höheren Härtegrad als das Material des Rohrabschnitts außerhalb des magnetischen Widerstandsbereichs auf. Da das gehärtete Material eine geringere magnetische Leitfähigkeit als das Material des Rohrabschnitts außerhalb des magnetischen Widerstandsbereich aufweist, kann ein Pfad eines magnetischen Flusses außerhalb des magnetischen Widerstandsbereich verlaufen und dabei in Richtung des elektromagnetisch betätigbaren Ankers ins Innere des Rohrabschnitts ablenkbar sein.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Polrohrs weist der magnetische Widerstandsbereich des Rohrabschnitts partiell gehärtetes Material des Rohrabschnitts des Polrohrs auf. Mit anderen Worten wird der magnetische Widerstandsbereich durch bereichsweise gehärtetes Material des Rohrabschnitts gebildet. Nach dieser Ausführungsform muss somit kein gehärtetes Material in den Rohrabschnitt eingebracht werden. Das Material des Rohrabschnitts kann vielmehr selbst gehärtet werden um den magnetischen Widerstandsbereich auszubilden.
-
Nach dieser Ausführungsform kann der Rohrabschnitt des Polrohrs, welcher den magnetischen Widerstandsbereich aufweist, einstückig ausgebildet sein. Der magnetische Widerstandsbereich kann daher dasselbe Material wie der Bereich des Rohrabschnitts außerhalb des magnetischen Widerstandsbereichs aufweisen, wobei sich die Bereiche lediglich in ihrem Materialhärtegrad unterscheiden können. Das Polrohr kann somit aus einem einzigen Material gefertigt sein, welches partiell im Bereich des magnetischen Widerstandsbereichs gehärtet ist. Ein Materialübergang zwischen dem magnetischen Widerstandsbereich und dem restlichen Rohrabschnitt kann daher obsolet sein.
-
Bei dem Polrohr kann somit ein magnetischer Widerstandsbereich ohne ein zusätzliches Anbringen von Material an oder in dem Rohrabschnitt ausgebildet sein. Damit einhergehend wurde erkannt, dass der Aufwand zum Herstellen eines Polrohrs durch ein gezieltes Härten von Teilbereichen des Polrohrs in vorteilhafter Weise reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass die Stabilität eines partiell gehärteten Polrohrs im Gegensatz zu einem Polrohr mit zusätzlich verwendetem Material höher sein kann. Ein partiell gehärtetes Polrohr kann keine Materialübergänge aufweisen, welche die Stabilität beeinträchtigen können. Vielmehr kann die Stabilität eines Polrohrs durch ein partielles Härten sogar lokal erhöht werden.
-
Das Polrohr kann einen Führungsabschnitt zum Führen eines mit dem elektromagnetisch betätigbaren Anker verbundenen Übertragungselements zum peripheren Übertragen einer auf den elektromagnetisch betätigbaren Anker durch den magnetischen Fluss wirkenden Kraft aufweisen. Der Führungsabschnitt kann benachbart zu dem Rohrabschnitt zwischen der elektrischen Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds und dem elektromagnetisch betätigbaren Anker anordbar sein. Ein von dem Führungsabschnitt des Polrohrs gebildeter Hohlraum zum zumindest abschnittsweisen Aufnehmen des Übertragungselements kann einen geringeren Innendurchmesser aufweisen als ein von dem Rohabschnitt gebildeter Innendurchmesser. Der magnetische Widerstandsbereich kann benachbart zu einem zwischen dem Führungsabschnitt und dem Rohrabschnitt gebildeten Übergangsbereich in dem Rohrabschnitt angeordnet sein.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Polrohrs sind der Rohrabschnitt und der Führungsabschnitt des Polrohrs einstückig ausgebildet. Somit kann das Polrohr zumindest in diesen Abschnitten aus einem einzigen Material, welches im Bereich des magnetischen Widerstandsbereichs gehärtet ist, hergestellt sein.
-
Der magnetische Widerstandsbereich kann sich ausgehend von einer Außenoberfläche des Rohrabschnitts in diesen erstrecken. Der magnetische Widerstandsbereich kann bündig zu einer Außenoberfläche des Rohrabschnitts angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der magnetische Widerstandsbereich bündig zu einer Innenoberfläche des Rohrabschnitts angeordnet sein. Der magnetische Widerstandsbereich kann auch einen bezüglich der Außenoberfläche und/oder der Innenoberfläche des Rohrabschnitts erhabenen Bereich ausbilden. Alternativ oder zusätzlich kann der magnetische Widerstandsbereich einen bezüglich der Außenoberfläche und/oder der Innenoberfläche des Rohrabschnitts vertieften Bereich ausbilden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Polrohrs umläuft der magnetische Widerstandsbereich des Rohrabschnitts eine Rohraußenfläche des Rohrabschnitts ringförmig. Alternativ oder zusätzlich kann der magnetische Widerstandsbereich eine Rohrinnenfläche ringförmig umlaufen. Eine durch den magnetischen Widerstandsbereich verlaufende Ebene kann den Rohrabschnitt des Polrohrs zudem senkrecht schneiden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Polrohrs verjüngt sich der magnetische Widerstandsbereich des Rohrabschnitts von einer Rohraußenfläche des Rohrabschnitts zu einer Rohrinnenfläche des Rohrabschnitts. Mit anderen Worten kann der magnetische Widerstandsbereich eine radiale Konizität aufweisen. Der magnetische Widerstandsbereich kann ferner als konischer Ring ausgebildet sein, welcher eine sich nach innen verjüngende Konizität aufweist.
-
Eine Verjüngung beziehungsweise Konizität des magnetische Widerstandsbereichs kann zwei axial geneigte Übergangsbereiche zwischen gehärtetem und nicht gehärtetem Material des Rohrabschnitts aufweisen. Dadurch kann der magnetische Widerstandsbereich eine Konusgeometrie aufweisen, welche für ein Ablenken des magnetischen Flusses ins Innere des Rohrabschnitts und somit für eine magnetische Kraftübertragung auf den magnetisch betätigbaren Anker günstig beziehungsweise erforderlich sein kann. Die beiden Übergangsbereiche können hierfür im Wesentlichen symmetrische axiale Neigungen oder auch verschiedene axiale Neigungen aufweisen. Die Verjüngung kann alternativ auch nur einen axial geneigten Übergangsbereich aufweisen.
-
Beschriebene Geometrien des magnetischen Widerstandsbereich beziehungsweise Härtegeometrien des magnetischen Widerstandsbereichs können im Rahmen von Härtungstoleranzen beim Härten des Materials, welches den magnetischen Widerstandsbereich ausbildet, von den beschriebenen idealen Formen abweichen.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen elektromagnetischen Aktuator mit einer elektrischen Spule zum Erzeugen eines magnetischen Flusses, einem elektromagnetisch betätigbaren Anker und einem Polrohr, welches nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen ausgebildet ist. Der elektromagnetische Aktuator kann auch als elektromagnetischer Aktor fungieren. Die stromdurchflossene Spule des elektromagnetischen Aktuators kann ein magnetisches Feld zum magnetischen Anregen und relativen Bewegen des elektromagnetisch betätigbaren Ankers mittels einer Magnetkraft bezüglich des Polrohrs erzeugen.
-
Das Polrohr kann an einem Spulengehäuse der elektrischen Spule befestigt sein. Die elektrische Spule kann das Polrohr beziehungsweise den Rohrabschnitt des Polrohrs abschnittsweise umgeben. Der magnetische Widerstandsbereich des Polrohrs kann von der elektrischen Spule umgeben sein. Die elektrische Spule kann von dem Spulengehäuse und von dem Polrohr umgeben sein, wobei das Spulengehäuse und das Polrohr an axial gegenüberliegen Bereichen miteinander verbunden sein können.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist der magnetische Widerstandsbereich des Rohrabschnitts des Polrohrs derart ausgebildet, dass er eine Tauchstufe des elektromagnetisch betätigbaren Ankers in dem Polrohr im Betrieb des elektromagnetischen Aktuators beeinflusst. Bei der Tauchstufe des Polrohrs kann es sich um einen Versatz zwischen einem Endbereich des Rohrabschnitts und einem Endbereich des elektromagnetisch betätigbaren Ankers handeln. Mit anderen Worten kann die Tauchstufe einer Eintauchtiefe des elektromagnetisch betätigbaren Ankers in dem Rohrabschnitt oder einem Abstand zwischen dem Führungsabschnitt des Polrohrs und dem Endbereich des elektromagnetisch betätigbaren Ankers entsprechen.
-
Die Tauchstufe des elektromagnetisch betätigten Ankers kann eine Kennlinie des elektromagnetischen Aktuators beziehungsweise des elektromagnetisch betätigbaren Ankers bestimmen. Die Tauchstufe kann sich in Abhängigkeit der elektromagnetischen Betätigung des Ankers in einem Betrieb des elektromagnetischen Aktuators einstellen. Durch das Vorsehen des gehärteten magnetischen Widerstandsbereichs in dem Polrohrmaterial kann eine derartige kennlinienbestimmende Tauchstufe modelliert werden. Dabei kann eine konstante magnetische Kraft über eine Bewegung des elektromagnetisch betätigbaren Ankers beziehungsweise über einen Ankerhub in dem Betrieb des elektromagnetischen Aktuators wirken.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators weist ein Lagerungsbereich des Rohrabschnitts zum verschiebbaren Lagern des elektromagnetisch betätigbaren Ankers in dem Rohrabschnitt ein gehärtetes Material auf. Ein derartiger Lagerungsbereich kann auf der Innenoberfläche des Rohrabschnitts des Polrohrs ausgebildet sein. Der Lagerungsbereich kann hierfür als ein erhabener Bereich auf der Innenoberfläche des Rohrabschnitts ausgebildet sein. Der Lagerungsbereich und der magnetische Widerstandsbereich können ineinander übergehen oder voneinander beabstandet sein.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Herstellen eines Polrohrs für einen elektromagnetischen Aktuator. Das Verfahren weist ein Anordnen eines gehärteten Materials an einem Polrohr zum Ausbilden eines magnetischen Widerstandsbereichs auf. Das gehärtete Material kann an dem Rohrabschnitt des Polrohrs angeordnet werden. Das Anordnen des gehärteten Materials kann ein partielles Härten des Materials des Polrohr aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann ein gehärtetes Material an oder in dem Polrohr angebracht werden.
-
Der Erfindung liegt hierfür die Erkenntnis zugrunde, dass der Aufwand zum Herstellen eines Polrohrs durch ein gezieltes Härten von Teilbereichen des Polrohrs in vorteilhafter Weise reduziert werden kann. Ein zusätzliches Einlegen und/oder Verlöten eines Rohrzwischenstücks aus einem nicht magnetisierbaren Material zum Bilden eines magnetischen Widerstands im magnetischen Wirkungskreis eines elektromagnetischen Aktuators kann so vermieden werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist das Anordnen des gehärteten Materials ein partielles Induktionshärten von Material des Rohrabschnitts des Polrohrs auf. Bei dem partiellen Induktionshärten kann ein Bereich des Rohrabschnitts auf eine erforderliche Härtetemperatur erhitzt werden. Durch das Erhitzen des Materials in einem ausgewählten Härtebereich des Rohrabschnitts kann dieser Bereich gehärtet werden. Nach einem derartigen Aufheizen kann der gehärtete Bereich abgeschreckt werden.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator und ein Polrohr gemäß einer jeweiligen Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zum Herstellen einen Polrohrs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
-
In 1 ist schematisch ein elektromagnetischer Aktuator 100 und ein Polrohr 10 in einem axialen Längsschnitt gezeigt.
-
Der elektromagnetische Aktuator 100 weist eine elektrische Spule 30, ein Spulengehäuse 32, das Polrohr 10, einen elektromagnetisch betätigbaren Anker 20 und ein Übertragungselement 22 auf. Die elektrische Spule 30 ist teilweise von dem Spulengehäuse 32 eingehaust, wobei das Spulengehäuse 32 die elektrische Spule 30 radial außen und beidseitig axial umgibt. Das Polrohr 10 ist an dem Spulengehäuse 32 angeordnet und umgibt die elektrische Spule 30 radial innen. Der elektromagnetisch betätigbare Anker 20 ist in dem Polrohr 10 in einem Rohrabschnitt 12 des Polrohrs 10 teilweise aufgenommen. Das an dem elektromagnetisch betätigbaren Anker 20 angeordnete Übertragungselement 22 ist teilweise in einem Führungsabschnitt 14 des Polrohrs 10 angeordnet. Sowohl der elektromagnetisch betätigbare Anker 20 als auch das Übertragungselement 22 ragen axial aus dem Polrohr 10 an entgegengesetzten Endbereichen des Polrohrs 10 heraus. Zwischen dem elektromagnetisch betätigbaren Anker 20 und dem Führungsabschnitt 14 des Polrohrs 10 ist eine Tauchstufe 15 ausgebildet.
-
In dem Polrohr 10 ist ein magnetischer Widerstandsbereich 13 als ein sich nach innen verjüngender konischer Ring ausgebildet. Die Konizität des schematisch in einem Längsschnitt dargestellten elektromagnetischen Aktuators 100 beziehungsweise Polrohrs 10 ist kegelstumpfartig. Eine dem Führungsabschnitt 14 des Polrohrs 10 zugewandte Neigung der Konizität ist dabei mit einer geringeren Steigung ausgebildet als eine zu dieser Neigung gegenüberliegende, dem elektromagnetisch betätigbaren Anker 20 zugewandte Neigung der Konizität. Der Kegelstumpf des magnetischen Widerstandsbereichs 13 ragt nicht bis zu einer Rohrinnenfläche 18 des Rohrabschnitts 12. Der magnetische Widerstandsbereich 13 ist zudem bündig zu einer Rohraußenfläche 16 des Polrohrs 10 ausgebildet. Der magnetische Widerstandsbereich 13 des Polrohrs 10 wird durch einen gehärteten Materialbereich des Polrohrs 10 gebildet. Der magnetische Widerstandsbereich 13 weist somit dasselbe Material wie der Rohrabschnitt 12 und der Führungsabschnitt 14 auf, welcher einstückig als das Polrohr 10 ausgebildet sind.
-
Die beschriebenen Komponenten des elektromagnetischen Aktuators 100 und des Polrohrs 10 sind rotationssymmetrisch um eine Längsachse 11 des elektromagnetisch betätigbaren Ankers 20 und des Übertragungselements 22 angeordnet. Der elektromagnetisch betätigbare Anker 20 und das Übertragungselement 22 sind koaxial in dem Polrohr 10 angeordnet.
-
In 2 sind Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Polrohrs 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer zeitlichen Abfolge dargestellt. In einem Schritt SO wird das Polrohr 10 mit seinem Rohrabschnitt 12 und seinem Führungsabschnitt 14, wie in 1 gezeigt, hergestellt. Die beiden Abschnitte 12, 14 können hierfür beispielsweise aus einem einstückigen Fertigungsteil aus magnetisierbarem Material ausgefräst werden. In einem weiteren Schritt S1 wird der in 1 gezeigte magnetische Widerstandsbereich 13 durch partielles Induktionshärten in dem Rohrabschnitt 12 des Polrohrs 10 ausgebildet. Dabei wird der Rohrabschnitt 12 in dem auszubildenden magnetischen Widerstandsbereich 13 lokal erhitzt und wieder abgekühlt. Die magnetische Leitfähigkeit des magnetisierbaren Materials des Polrohrs 10 wird dabei in dem magnetischen Widerstandsbereich 13 verringert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Polrohr
- 11
- Längsachse
- 12
- Rohrabschnitt
- 13
- magnetischer Widerstandsbereich
- 14
- Führungsabschnitt
- 15
- Tauchstufe
- 16
- Rohraußenfläche
- 18
- Rohrinnenfläche
- 20
- elektromagnetisch betätigbarer Anker
- 22
- Übertragungselement
- 30
- Spule
- 32
- Spulengehäuse
- 100
- elektromagnetischer Aktuator
- SO
- Polrohrfertigung
- S1
- partielles Induktionshärten
