DE102020109117A1

DE102020109117A1 - Haftoptimierte Ankerbaugruppe sowie elektromagnetische Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102020109117A1
Application number: DE102020109117.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Bölling; Patrick Moll
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2021-10-07
Also published as: EP4127422A1; WO2021198218A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ankerbaugruppe (2) für eine elektromagnetische Stellvorrichtung (1), die eine in einem Gehäuse (4) angeordnete Spulenvorrichtung (5) mit einer auf einem Kern (6) angeordneten Spule (7) aufweist, wobei die Ankerbaugruppe (2) eine Führungsstange (8) mit zumindest einer an einem axialen Ende zur Aufnahme im Gehäuse (4) gegenüberliegend der Spulenvorrichtung (5) angeordneten Ankereinrichtung (3) aufweist, wobei die Ankereinrichtung (3) eine Scheibenanordnung mit einer Permanentmagnetscheibe (9) zwischen einer Kopf- (10) und einer Basisscheibe (11) aufweist, wobei die Scheibenanordnung so ausgeführt ist, dass bei einem Zusammenwirken mit der Stellvorrichtung (1) zumindest in einer Endstellung der Stellvorrichtung (1) ein Ankerraum (16) zu einer gegenüberliegenden Kernfläche (15) ausgebildet ist, wobei in der Stirnfläche der Basis- (17) oder Kopfscheibe (28) zumindest eine Aussparung (18) ausgebildet ist, um eine schmiermittelbedingte Haftwirkung zwischen zumindest einer Stirnfläche (17, 28) und der Kernfläche (15) zu reduzieren. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch die zumindest eine Aussparung (18) zumindest eine Scheibenstirnfläche (17, 28) in radialer Richtung bis zum Umfangsrand zumindest eine kontinuierlich und/oder stufenweise abflachende Kontur aufweist, wobei die zumindest eine Aussparung (18) in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise ausgebildet ist und das Volumen der Aussparung (18) 8 % bis 25 %, bevorzugt 12 % bis 20 %, des Volumens einer planparallelen Scheibe, bevorzugt ohne Loch und mit identischer maximaler Scheibenstärke, entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ankerbaugruppe einer elektromagnetischen Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Stellvorrichtung zur Verwendung einer derartigen Ankerbaugruppe gemäß dem Anspruch 10.
Gattungsgemäße Ankerbaugruppen werden häufig als Linearaktor bzw. Hubmagnet für eine Stellbewegung in einer elektromagnetischen Stellvorrichtung verwendet und finden Anwendung in allgemeinen Schaltvorrichtungen, wie Ventilvorrichtungen oder Nockenwellenstellvorrichtungen in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges.
Die Ankerbaugruppe besteht wesentlich aus einem Stellelement, üblicherweise ein zylinderförmiger Stößel, und einer scheibenförmigen Ankereinrichtung, wobei das Stellelement zugleich als Führungsstange, auch Ankerstange genannt, der Ankereinrichtung dient und die Lochscheiben, hier als Scheiben benannt, der Ankereinrichtung an einem axialen Ende der Führungsstange angeordnet sind. In Verwendung mit einer Stellvorrichtung ist die Ankerbaugruppe so angeordnet, dass das Stellelement durch ein Gehäuse geführt wird und die Ankereinrichtung im Gehäuse mit einer der dem Stellelement gegenüberliegenden Spulenvorrichtung zusammenwirkt. In einer alternativen Ausführung der Stellvorrichtung wird die Ankerbaugruppe zum Zusammenwirken so angeordnet, dass das Stellelement durch die Spulenvorrichtung hindurchgeführt wird und die Ankereinrichtung in Richtung der Stellseite mit der Spulenvorrichtung zusammenwirkt.
Im Betrieb der Stellvorrichtung wird ein Spulenstrom in die Spulenvorrichtung eingeleitet, auch Bestromung genannt, und durch ein Zusammenwirken mit den magnetischen Scheiben der Ankereinrichtung eine axiale Stellbewegung, auch Hub genannt, der Führungsstange ermöglicht. Die Scheibenanordnung der Ankereinrichtung besteht aus einer permanentmagnetischen Scheibe und zwei magnetisch leitenden, auch Polscheiben oder Kopf- und Basisscheibe genannten Scheiben, die mit der Führungsstange üblicherweise mit einem Schweißverfahren verbunden sind und die permanentmagnetische Scheibe mittig aufnehmen, wobei die dem Ende der Führungsstange nächstliegende Polscheibe als Kopfscheibe und die zweite Polscheibe als Basisscheibe benannt wird. Bei einem Zusammenwirken mit der Stellvorrichtung ist je nach Einbauausführung der Ankerbaugruppe entweder die Kopf- oder die Basisscheibe der Spulenvorrichtung zugewandt.
Für das Zusammenwirken mit einer Stellvorrichtung dienen die Polscheiben der Leitung des magnetischen Flusses und werden in der Auslegung so dimensioniert, dass eine für einen gewünschten Stellvorgang spezifische Magnetkraft-Hub-Kennlinie realisiert wird. Die Auslegung wird so optimiert, dass im Betrieb eine magnetische Sättigung vermieden wird und gleichzeitig mögliche Anforderungen hinsichtlich einer hohen Stellgeschwindigkeit, einem kleinen Bauraum und einem geringen Energieverbrauch eingehalten werden.
Um die maximale magnetische Haltekraft zwischen der Ankereinrichtung und der Spulenvorrichtung einzustellen, wird die Kopfscheibe mit einem bestimmten Abstand zu der Stirnfläche der Führungsstange angeordnet, und/oder eine Distanzscheibe vor die Basisscheibe angeordnet, sodass ein begrenzender Mindesthub eingestellt und ein sogenanntes magnetisches Kleben oder ein Anschlagen verhindert wird. Aus diesem Grund ist die Führungsstange üblicherweise aus einem nicht-magnetischen Edelstahl und die Distanzscheibe üblicherweise aus einem nicht-magnetischen Edelstahl oder Kunststoff gefertigt. Bei einem Zusammenwirken mit der in einer Endstellung befindlichen Stellvorrichtung bildet sich ein unmittelbarer Kontaktbereich zwischen der Kernoberfläche und der gegenüberliegenden Stirnfläche der Führungsstange oder der Stirnfläche der Distanzscheibe und ein Ankerraum, definiert durch den Mindesthub, zwischen der Kernoberfläche und zumindest einer der äußeren Stirnflächen der Scheibenanordnung aus.
Wie in der Druckschrift DE 20 2011 001 412 U1 der Anmelderin beschrieben, kann im Betrieb der elektromagnetischen Stellvorrichtung eine schmiermittelbedingte Haftkraft im Kontaktbereich zwischen der Stirnfläche der Führungsstange und der Kernoberfläche ausgebildet werden. Die Haftkraft tritt insbesondere bei Nockenwellenstellvorrichtungen für die Verwendung in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges auf, wenn im Betrieb ein Motoröl als Schmiermittel verwendet wird. Diese schmiermittelbedingte Haftkraft erhöht die Haltekraft der Stellvorrichtung in der Endstellung, beeinflusst damit die Stellzeit der Vorrichtung und schränkt so den Anwendungsbereich ein, zum Beispiel für die Nockenwellenverstellung bei hohen Drehzahlen. Aus der Druckschrift ist außerdem bekannt, dass die schmiermittelbedingte Haftkraft im Kontaktbereich durch Vertiefungen in der Stirnfläche des Stellelements/Führungsstange oder durch Vertiefungen in der Kernoberfläche reduziert werden können.
Wird die Stellvorrichtung jedoch in einem Temperaturbereich von etwa unter 0 °C eingesetzt, kann die Viskosität des Schmiermittels ansteigen und so die schmiermittelbedingte Haftwirkung weiter verstärken. Für solch hochviskoses Schmiermittel kann der gesamte Ankerraum in einer Endstellung der Stellvorrichtung ausgefüllt werden und nicht nur die Stirnfläche der Führungsstange, sondern auch zumindest eine Stirnfläche der Scheibenanordnung benetzen. Durch dieses großflächige Benetzen wirken sich auf die Stirnfläche der Führungsstange begrenzte Vertiefungen gemäß der DE 20 2011 001 412 U1 oder Querschlitze gemäß der EP 1 913 605 B1 und DE 101 19 291 A1 nur geringfügig reduzierend auf die schmiermittelbedingte Haftwirkung aus. Vertiefungen über die gesamte Kernoberfläche, wie in der Druckschrift DE 20 2011 001 412 U1 aufgeführt, können eine Reduzierung der schmiermittelbedingten Haftkraft erwirken, allerdings hat sich in Versuchen herausgestellt, dass Vertiefungen in der Kernoberfläche den Verlauf des magnetischen Flusses verändern und teilweise einen magnetischen Sättigungsbereich entstehen lassen. Dadurch wird die Magnetkraft-Hub-Kennlinie einer bestromten sowie unbestromten elektromagnetischen Stellvorrichtung stark beeinflusst, sodass die Stellvorrichtung hinsichtlich ihrer Funktionsweise neu ausgelegt werden muss.
Ausgehend vom vorangehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ankerbaugruppe für eine elektromagnetische Stellvorrichtung vorzuschlagen, die bei Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Probleme eine schmiermittelbedingte Haftkraft minimiert und gleichzeitig im Zusammenwirken mit einer bestromten sowie unbestromten Stellvorrichtung keine negativen Veränderungen in der Magnetkraft-Hub-Kennlinie aufweist, insbesondere keine Veränderungen in der unbestromten Haftkraft sowie der bestromten Abstoßkraft zwischen der Ankereinrichtung und der Spulenvorrichtung.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die erfindungsgemäße Ankerbaugruppe so ausgebildet, dass in der Stirnfläche der Basis- oder Kopfscheibe zumindest eine Aussparung ausgebildet ist, um eine schmiermittelbedingte Haftwirkung zwischen der Stirnfläche der Basis- oder Kopfscheibe und mit der in einer Endstellung der Stellvorrichtung zusammenwirkenden Kernfläche zu reduzieren, wobei die Scheibenstirnfläche in radialer Richtung bis zum Umfangsrand eine kontinuierlich und/oder stufenweise abflachende, insbesondere verjüngende oder zuspitzende, Kontur aufweist, wobei die zumindest eine Aussparung in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise ausgebildet ist und das Volumen der Aussparung 8 % bis 25 %, bevorzugt 12 % bis 20 %, des Volumens einer bevorzugt planparallelen Scheibe, bevorzugt ohne Loch und mit identischer maximaler Scheibenstärke, entspricht.
Durch die erfindungsgemäß abflachende Kontur der Scheibenstirnfläche reduzieren sich die parallel zueinander liegenden Flächen der Scheibenanordnung und des im Zusammenwirken mit der Stellvorrichtung gegenüberliegenden Kerns, gleichzeitig vergrößert sich das in der Endstellung der Stellvorrichtung befindliche Volumen des Ankerraums und der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Flächen wird vergrößert. Ein Schmiermittelfilm im Ankerraum weist üblicherweise eine funktionsgemäße stark benetzende Eigenschaft auf und zeigt eine gute Adhäsion gegenüber den mit dem Film in Kontakt befindlichen Stirnflächen. Durch die erfindungsgemäße radial abflachende Stirnflächenkontur der Scheibe verringert sich vorteilhafterweise die Adhäsionsfläche sowie der Schmiermittelfilmquerschnitt mit größer werdenden Abstand in axialer Richtung. Das keilförmige Aufweiten des Ankerraums lässt eine stark konkave, ebenfalls keilförmige Außenkontur des Schmiermittelfilms entstehen und begünstigt so ein Aufreißen am Umfangsrand. Des Weiteren verringert sich die kleinste Querschnittsfläche des Schmiermittelfilms und der Schmiermittelfilm kann mit einem geringeren Kraftaufwand separiert werden. So kann überraschenderweise mit der erfindungsgemäßen abflachenden Kontur der Scheibenstirnfläche die Haftwirkung im Vergleich zu den im Stand der Technik aufgeführten Ausführungen mit Schlitzen oder Vertiefungen in der Stirnfläche der Führungsstange reduziert werden.
Grundsätzlich kann die Aussparung so ausgeführt werden, dass zumindest eine linear, konkav, konvex oder stufenweise abflachende Stirnflächenkontur ausgebildet ist, wobei die unterschiedlichen Konturen kombiniert werden können und über radiale Teilstücke verlaufen können. Auch ist es möglich einen radialen Abstand zwischen dem Beginn der Aussparung und der Scheibenmitte vorzusehen, sodass die Aussparung eine Randfase ausbildet. Erfindungsgemäß kann ebenfalls vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung mehrere Aussparungen abschnittsweise ausgebildet sind und nicht abgeflachte Bereiche der Scheibenstirnfläche als Stege und/oder Kreissektoren verbleiben. Auch wäre es denkbar, dass die Kontur in Umfangsrichtung variiert, so dass zum Beispiel eine zumindest teilweise gewölbte Scheibenstirnfläche ausgebildet ist. Dabei hat die Erfindung erkannt, dass eine bevorzugte Ausführung eine möglichst steil abflachende Stirnfläche und einen möglichst großen Ankerraum aufweisen sollte, um die schmiermittelbedingte Haftwirkung zu reduzieren.
Unerwarteter Weise hat sich in Versuchen herausgestellt, dass zusätzlich zu der Reduktion der Haftwirkung die Aussparung so dimensioniert werden kann, dass die Magnetkraft-Hub-Kennlinie der mit einer bestromten sowie unbestromten Stellvorrichtung zusammenwirkenden Ankerbaugruppe im Vergleich zu der Kennlinie, die ohne das Ausbilden der Aussparung, beispielsweise bei der Verwendung einer Scheibe mit einer konstanten Stärke oder mit einer planparallelen Oberfläche, entstehen würde, unbeeinflusst bleibt.
Dabei hat sich eine linear abflachende Kontur der Scheibenstirnfläche mit einer bevorzugt kegelförmig ausgebildeten Scheibe oder eine Scheibe mit einer umlaufend ausgebildeten Randfase als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere hat sich bei der linear abflachenden Stirnfläche einer Kopfscheibe mit einem Außendurchmesser von 15,2 mm und einer Scheibendicke von 1 mm eine Querschnittsfläche der Aussparung von etwa 7 % des Gesamtquerschnitts einer planparallelen Scheibe als vorteilhaft erwiesen, wobei die Aussparung mit einem radialen Abstand von der Scheibenmitte von 4 mm eingebracht ist und eine umlaufende Randfase ausbildet. Dabei beträgt der Steigungswinkel der abgeflachten Kontur der Scheibe bezogen auf eine planparallele Oberfläche 4,8° und die Scheibendicke am Umfangsrand 0,7 mm. So hat die Erfindung erkannt, dass eine abflachende Scheibenstirnfläche mit einem Aussparungsvolumen von 8 % bis 25 %, bevorzugt 12 % bis 20 %, des Volumens einer planparallelen Scheibe, bevorzugt ohne Loch und mit identischer maximaler Scheibenstärke, keine unerwünschte Auswirkung auf die Magnetkraft-Hub-Kennlinie einer mit der erfindungsgemäßen Ankerbaugruppe zusammenwirkenden bestromten sowie unbestromten Stellvorrichtung ausbildet. So tritt im Vergleich zu einer Vertiefung in der Kernseite keine Beeinflussung des magnetischen Flusses auf, und damit wird die Funktion einer mit der erfindungsgemäßen Ankerbaugruppe zusammenwirkenden Stellvorrichtung nicht beeinflusst.
Alternativ kann die Scheibenstirnfläche mit einer konkaven Kontur abgeflacht werden. Dabei kann durch einen teilweise höheren Steigungswinkel im Vergleich zu einer linear abflachenden Kontur ein Aufreißen und eine Separierung des Schmiermittelfilms begünstigt und so die Haftwirkung reduziert werden.
In einer weiteren alternativen Ausführung kann die Scheibenstirnfläche mit einer konvexen Kontur abgeflacht werden. Dabei kann durch einen teilweise höheren Steigungswinkel, insbesondere im radial äußeren Bereich der Scheibe, im Vergleich zu einer linear abflachenden Kontur ein Aufreißen und eine Separierung des Schmiermittelfilms begünstigt und so die Haftwirkung reduziert werden, wobei insbesondere eine konvex abflachende Kontur mit einem steilen Abflachungswinkel am Umfangsrand bevorzugt wird, falls das Schmiermittel den gesamten Ankerraum befüllt.
Auch kann alternativ vorgesehen sein, dass eine Scheibenstirnfläche eine stufenweise abflachende, die Scheibendicke stufenweise reduzierende Kontur aufweist, wobei die Stufenhöhen und -breiten so ausgebildet sind, dass die Stufenkontur bevorzugt einer kontinuierlich abflachenden Stufensteigung folgt, und die Kontur zumindest eine, bevorzugt mehrere Stufen umfasst, um möglichst den magnetischen Fluss nicht zu beeinflussen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung einer der vorangegangenen Ausführungen können zumindest zwei der bereits genannten Konturvarianten kombiniert werden. So kann beispielsweise eine der genannten abflachenden Stirnflächenkonturen am Umfangsrand mit einer konvex abflachenden Kontur kombiniert werden, um insbesondere das Aufreißen des Schmiermittelfilms am Umfangsrand zu begünstigen.
Bei den genannten Ausführungsformen der Aussparung sollte eine minimale Scheibendicke die mechanische Stabilität der Scheibenstruktur und die Leitung des magnetischen Flusses gewährleisten, wobei zumindest eine minimale Scheibendicke von 40 % bis 80 %, bevorzugt 70 %, im Vergleich zu einer planparallelen Scheibe, bevorzugt ohne Loch und mit identischer maximaler Scheibenstärke, verbleiben sollte. Für die Ausführung mit einer steil konvexen Stirnflächenkontur am Umfangsrand kann die minimale Scheibendicke lokal weiter reduziert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es möglich einen radialen Abstand zwischen der Scheibenmitte und dem Beginn einer Randfase ausbildenden Aussparung vorzusehen, sodass bei einem Zusammenwirken mit der Stellvorrichtung ein zu der Kernfläche paralleler Scheibenabschnitt ausgebildet ist. Mit dieser Ausführung kann im Vergleich zu einer kegelförmigen Scheibe der Steigungswinkel, zumindest bei einer linear abflachenden Kontur, bei gleichbleibender Aussparungsfläche oder Aussparungsvolumen vergrößert werden. Ein größerer Steigungswinkel kann das Aufreißen des Schmiermittelfilms am Umfangsrand begünstigen.
Ferner ist es in einer vorteilhaften Weiterbildung denkbar, dass zusätzlich zu der durch die Aussparung abgeflachten Scheibenstirnfläche zumindest eine weitere lokal begrenzte Aussparung auf der Stirnfläche der Scheibe eingebracht wird. Diese lokale Aussparung kann als Bohrung, Nut oder Ringnut eingebracht werden, um die Haftwirkung zusätzlich zu verringern.
Durch eine der genannten erfindungsgemäßen Ankerbaugruppen kann die Haftwirkung ohne aufwendige Neuauslegungen der elektromagnetischen Eigenschaften der Stellvorrichtung reduziert werden. So können aufwendige Entwicklungsverfahren bezüglich einer Neuauslegung der Magnetkraft-Hub-Kennlinie, zum Beispiel durch Änderungen in den Bauteildimensionen, umgangen werden. Auch müssen bereits ausgereifte und serienreife Herstellungsprozesse nicht neu ausgelegt werden. Mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Ankerbaugruppe können erstmals bestehende Serienbauteile einer Stellvorrichtung durch eine kleine konstruktive Anpassung der Ankerbaugruppe oder der Scheibenanordnung einfach verbessert werden, oder es können in bereits hergestellten Stellvorrichtungen die Ankerbaugruppe oder die Scheibenanordnung einfach nachgerüstet werden.
In der Herstellung zeigt die erfindungsgemäße Ankerbaugruppe ebenfalls Vorteile. So lässt sich eine abgeflachte Stirnflächenkontur der im Stanzverfahren hergestellten Scheiben der Ankereinrichtung mit einem Prägewerkzeug einbringen. Im Vergleich zu den im Stand der Technik üblichen fräsenden oder drehenden Verfahren an der Führungsstange oder dem Kern, lassen sich die erfindungsgemäßen Änderungen in der Scheibenanordnung kostengünstig und in großer Stückzahl ausführen. Ferner kann die stufenweise abflachende Ausführungsform der Stirnflächenkontur herstellungsbedingte Vorteile bringen, indem die Kopf- oder Basisscheibe aus mehreren axial nacheinander und im Durchmesser aufsteigenden Scheiben ausgebildet ist, und so eine abtragende oder umformende Bearbeitung umgangen werden kann.
In Bezug auf den Einsatzbereich einer mit einer Stellvorrichtung zusammenwirkenden Ankerbaugruppe, ermöglicht die erfindungsgemäße vorteilhafte Reduktion der Haftwirkung die Verwendung von hochviskosen Schmiermitteln, insbesondere Schmiermittel für Verbrennungsmotoren im Einsatz bei Temperaturen unter 0 °C.
Weiterhin wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung gelöst, die nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgebaut ist, eine schmiermittelbedingte Haftwirkung reduziert und die zudem eine Ankerbaugruppe gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst.
Wie bereits anfangs erwähnt, kann die Ankerbaugruppe mit zwei Ausführungsformen einer Stellvorrichtung zusammenwirken.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Stellvorrichtung wird die Ankerbaugruppe in der Stellvorrichtung so angeordnet, dass das Stellelement durch ein Gehäuse geführt wird und die Kopfscheibe der Ankereinrichtung im Gehäuse der Spulenvorrichtung gegenüberliegt. Dabei kann die Kopfscheibe mit einem bestimmten Abstand zu der Stirnfläche der Führungsstange angeordnet werden, sodass ein begrenzender Mindesthub eingestellt und ein sogenanntes magnetisches Kleben oder ein Anschlagen verhindert wird. Aus diesem Grund ist die Führungsstange üblicherweise aus einem nicht-magnetischen Edelstahl gefertigt. In einer Endstellung der Stellvorrichtung bildet sich ein unmittelbarer Kontaktbereich zwischen der Kernoberfläche und der gegenüberliegenden Stirnfläche der Führungsstange und ein Ankerraum, definiert durch den Mindesthub, zwischen der Kernoberfläche und der gegenüberliegenden Stirnfläche der Kopfscheibe aus. Alternativ wäre es möglich, dass durch eine Prägung der Kopfscheibe eine Kontur erzeugt wird, welche die Kernfläche direkt berührt und einen Ankerraum ausbildet, aber so klein ist, dass sich eine magnetische Trennung ergibt und/oder das magnetische Kleben vermieden wird. Weiterhin wäre es anstelle der Prägung möglich, dass Stifte in der Stirnfläche der Kopfscheibe angeordnet sind, die ebenfalls so klein sind, dass sich eine magnetische Trennung ergibt und/oder ein magnetisches Kleben vermieden wird.
In einer zweiten Ausführungsform der Stellvorrichtung wird die Ankerbaugruppe so angeordnet, dass das Stellelement durch die Spulenvorrichtung hindurchgeführt wird und die Basisscheibe der Ankereinrichtung im Gehäuse der Spulenvorrichtung gegenüberliegt. Dabei kann eine Distanzscheibe vor die Basisscheibe angeordnet werden, sodass ein begrenzender Mindesthub eingestellt und ein sogenanntes magnetisches Kleben oder ein Anschlagen verhindert wird. Aus diesem Grund ist die Distanzscheibe üblicherweise aus einem nicht-magnetischen Edelstahl oder Kunststoff gefertigt. Bei einem Zusammenwirken mit der in einer Endstellung befindlichen Stellvorrichtung bildet sich ein unmittelbarer Kontaktbereich zwischen der Kernoberfläche und der Stirnfläche der Distanzscheibe und ein Ankerraum, definiert durch den Mindesthub, zwischen der Kernoberfläche und der Stirnfläche der Basisscheibe aus. Alternativ wäre es möglich, dass durch eine Prägung der Basisscheibe eine Kontur aufgestellt wird, welche die Kernfläche direkt berührt und einen Ankerraum ausbildet, aber so klein ist, dass sich eine magnetische Trennung ergibt und/oder das magnetische Kleben vermieden wird. Weiterhin wäre es anstelle der Prägung möglich, dass Stifte in der Stirnfläche der Basisscheibe angeordnet sind, die ebenfalls so klein sind, dass sich eine magnetische Trennung und/oder ein magnetisches Kleben vermieden wird.
In einer Weiterbildung kann die Stelleinrichtung zwei oder mehr Spulenvorrichtungen umfassen, die mit je einer Ankerbaugruppe zusammenwirken. Dabei können beide Ausführungen der Stellvorrichtung vorgesehen werden. Bevorzugt wirkt die Ankerbaugruppe in dieser Ausgestaltungsform mit einem separaten Stellelement zur Durchdringung einer Gehäusewand zusammen. Die jeweiligen Stellelemente können dabei bevorzugt exzentrisch zu den Ankerbaugruppen angeordnet sein.
Nachfolgend werden Details und Ausführungsformen der Erfindung anhand von lediglich schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:

1: eine schematische Schnittansicht einer Stellvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
2(a): eine schematische Schnittansicht einer Endseite einer erfindungsgemäßen Ankerbaugruppe im Zusammenwirken mit einem Kernbereich einer Stellvorrichtung;
2(b): eine schematische axiale Draufsicht auf die Stirnfläche der erfindungsgemäßen Ankerbaugruppe gemäß 2a;
2(c): eine schematische Schnittansicht gemäß 2a mit Illustration des durch einen Schmiermittelfilm befüllten Ankerraums;
3(a): eine schematische Schnittansicht einer Endseite einer erfindungsgemäßen Ankerbaugruppe gemäß 2a mit einer linear abgeflachten Scheibenstirnfläche;
3(b): eine schematische Schnittansicht gemäß 3a mit einer konkav abgeflachten Scheibenstirnfläche;
3(c): eine schematische Schnittansicht gemäß 3a mit einer konvex abgeflachten Scheibenstirnfläche;
3(d): eine schematische Schnittansicht gemäß 3a mit einer stufenweise abgeflachten Scheibenstirnfläche;
4: eine schematische Schnittansicht einer Stellvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung 1 die mit einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ankerbaugruppe 2 zusammenwirkt. In 1 weist die Stellvorrichtung 1 eine in einem Gehäuse 4 angeordnete Spulenvorrichtung 5 mit einer auf einem Kern/Spulenkern 6 angeordneten Spule/Wickelspule 7 auf, wobei die Ankerbaugruppe 2 eine Führungsstange 8 mit einer an einem axialen Ende zur Aufnahme im Gehäuse 4 gegenüberliegend der Spulenvorrichtung 5 angeordneten Ankereinrichtung 3 aufweist, wobei die Ankereinrichtung 3 eine Scheibenanordnung mit einer Permanentmagnetscheibe 9 aufweist, die zwischen einer magnetisch leitenden Kopfscheibe 10 und einer magnetisch leitenden Basisscheibe 11 aufgenommen ist. Infolge einer Bestromung der in einem Gehäuse 4 angeordneten Spulenvorrichtung 5 an einen Kern 6, der mit einer auf einem Spulenträger 12 angeordneten Spule 7 versehen ist, abgestoßen wird und somit eine eindeutige axiale Position der Ankerbaugruppe 2 definiert, wobei eine Endstellung der Stellvorrichtung dargestellt ist. Zur Kopplung mit einer durch die Ankerbaugruppe 2 zu betätigenden weiteren Vorrichtung, wie etwa eine Ventilvorrichtung oder eine Nockenwellenvorrichtung in einem Verbrennungsmotor, ist ein Ende der Führungsstange 8 als Stellelement 13 durch das Gehäuse 4 geführt.
2a zeigt eine detaillierte Schnittansicht der erfindungsgemäßen Ankerbaugruppe 2 im Zusammenwirken mit einem Kern 6 einer in 1 aufgeführten Stellvorrichtung 1. Die Ankereinrichtung 3 mit Kopfscheibe 10, Permanentmagnetscheibe 9 und Basisscheibe 11 befindet sich in einer Endstellung der Stellvorrichtung 1, in der die Stirnfläche der Führungsstange 14 in Kontakt mit der Kernoberfläche 15 steht. Hierbei ist die Scheibenanordnung so ausgeführt, dass bevorzugt kein direkter Kontakt, sondern ein Ankerraum 16 zu der gegenüberliegenden äußeren Kernfläche 15 ausgebildet ist, indem die Stirnflächen der Kopfscheibe 17 und der Führungsstange 14 einen axialen Abstand zueinander aufweisen, um ein magnetisches Haften oder Anschlagen zu vermeiden. Um eine schmiermittelbedingte Haftwirkung zwischen der Stirnfläche der Kopfscheibe 17 und der Kernfläche 15 in der Endstellung zu reduzieren, bildet eine Aussparung 18 eine in radialer Richtung bis zum Umfangsrand linear abgeflachte Kontur 19 der Kopfscheibenstirnfläche 17 aus. In der dargestellten bevorzugten Stirnfläche der Kopfscheibe 17 verbleibt eine planparallele Stirnflächenkontur 20 mit einem bestimmten radialen Abstand zwischen der Scheibenmitte M und dem Beginn der Aussparung 18. Die Aussparung 18 ist als Querschnittsflächenreduktion von einer planparallelen Scheibe definiert, die als strichlinierte Kontur dargestellt ist, und verläuft in Umfangsrichtung, sodass die erfindungsgemäße Kopfscheibe 10 eine Scheibe mit einer zumindest abschnittsweise umlaufenden Randfase ausbildet. Das abgetragene Volumen der Aussparung 18 beträgt in dieser bevorzugten Darstellung 12 % des Volumens einer planparallelen Kopfscheibe, bevorzugt ohne Loch und mit identischer maximaler Scheibenstärke. Die Aussparung 18 ist weiterhin so dimensioniert, dass eine minimale Scheibendicke von bevorzugt 70 % im Vergleich zu einer planparallelen Scheibe verbleibt.
Alternativ wäre es möglich, dass ein magnetisches Haften zwischen der Kopfscheibe 17 und der Kernfläche 15 vermieden wird, indem durch eine Prägung der Kopfscheibe 17 eine Kontur aufgestellt wird, welche die Kernfläche 15 direkt berührt, aber so klein ist, dass sich eine magnetische Trennung ergibt. In einer weiteren alternativen Ausführung könnten Stifte in der Stirnfläche der Kopfscheibe 17 angeordnet sein, die ebenfalls so klein sind, dass sich eine magnetische Trennung ergibt. Das heißt, dass in diesen alternativen Ausführungen ein axialer Abstand zwischen den Stirnflächen der Kopfscheibe 17 und der Führungsstange 14 nicht notwendig ist.
2b zeigt eine Draufsicht auf die Stirnfläche der in 2a dargestellten erfindungsgemäßen Ankerbaugruppe 2. In Kombination mit der Schnittansicht in der 2a wird hier die durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Aussparung 18 ausbildende Randfase der Kopfscheibe 10 verdeutlicht. Erfindungsgemäß kann ebenfalls vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung mehrere Aussparungen abschnittsweise ausgebildet sind und nicht abgeflachte Bereiche als Stege und/oder Kreissektoren verbleiben. Auch wäre es denkbar, dass die Kontur in Umfangsrichtung variiert, sodass zum Beispiel eine zumindest teilweise gewölbte Oberfläche ausgebildet ist.
In 2c wird ein Schmiermittelfilm 21 im Ankerraum 16 illustriert, wobei durch die linear abgeflachte Kontur 19 der Kopfscheibenstirnfläche eine konkave, kerbförmige Kontur der Schmiermittelmantelfläche 22 ausbildet. Wie in 2c recht intuitiv erkennbar ist, kann durch die Gestaltung der Kontur 19 ein von radial außen nach radial innen gerichtetes Aufreißen des Schmiermittelfilms begünstigt werden. Dabei kann in erfindungsgemäßer Weise ohne Einbußen oder Veränderungen der Kraft-Hub-Kennlinie gegenüber einer planparallelen Kontur mit identischer maximaler Scheibenstärke gerade bei niedrigen Temperaturen ein zuverlässiger, schneller und sicherer Betrieb der Stellvorrichtung ermöglicht werden.
3a bis 3d zeigen Schnittansichten der bereits in 2 aufgeführten Ankereinrichtung 3 mit verschiedenen Ausführungsformen der abgeflachten Kontur der Kopfscheibenstirnfläche 17.
In 3a ist eine linear abgeflachte Kontur 19 der Scheibenstirnfläche 17 gezeigt, die sich über die gesamte Kopfscheibenstirnfläche erstreckt und so eine kegelförmige Kopfscheibe ausbildet.
Eine konkav 23 und eine konvex 24 abflachende Scheibenstirnflächenkontur sind entsprechend in 3b und 3c aufgeführt. Im Vergleich zu der linearen abflachenden Kontur kann in diesen Ausführungen der Steigungswinkel der Kontur bei gleichbleibender Aussparungsquerschnittsfläche in Teilabschnitten vergrößert werden, um so ein Aufreißen des Schmiermittelfilms weiter zu begünstig. Für eine am Umfangsrand steil abflachende konvexe Kontur 24 in 3b kann die minimale Scheibendicke lokal am Umfangsrand weiter reduziert werden, ohne den magnetischen Fluss zu beeinflussen.
Eine stufenweise abflachende Kontur 25 der Scheibenstirnfläche 17 in 3d zeigt Stufenhöhen und -breiten die so ausgebildet sind, dass die Stufenkontur 25 bevorzugt einer linear abflachenden Stufensteigung 26 (strichlinierte Darstellung) folgt, sowie eine mehrstufige Kontur ausbildet. In einer weiteren Ausführung der Stirnflächenkontur, hier nicht gezeigt, können zumindest zwei verschiedene Abflachungsvarianten kombiniert werden. So kann zum Beispiel eine linear abflachende Stirnflächenkontur 19 mit einer am Umfangsrand konvexen Kontur 24 kombiniert werden. Des Weiteren ist es möglich zumindest eine lokale Vertiefung in der Scheibenstirnfläche durch Bohrungen, Nuten oder Ringnuten vorzusehen, um die Haftwirkung weiter zu reduzieren.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform zu der in 1 dargestellten Stellvorrichtung 1. Bei der hier gezeigten Stellvorrichtung 1 liegt die Basisscheibe 11 der Ankereinrichtung 3 der Spulenvorrichtung 5 gegenüber und eine axiale Durchdringung 27 der Spulenvorrichtung 5 nimmt die Führungsstange 8 auf. In dieser Ausführungsform ist die Aussparung 18 in der Stirnfläche der Basisscheibe 28 eingebracht und der Ankerraum 16 wird über eine nicht-magnetische Distanzscheibe 29 ausgebildet. Alternativ wäre es möglich, dass durch eine Prägung der Basisscheibe 28 eine Kontur aufgestellt ist, welche die Kernfläche 15 direkt berührt und einen Ankerraum 16 anstelle der nicht-magnetischen Distanzscheibe 29 ausbildet, der dann aber so klein ist, dass sich eine magnetische Trennung ergibt. Weiterhin wäre es denkbar, dass anstelle der Prägung Stifte in der Stirnfläche der Basisscheibe 28 angeordnet sind, die ebenfalls so klein sind, dass sich eine magnetische Trennung ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Elektromagnetische Stellvorrichtung
2: Ankerbaugruppe
3: Ankereinrichtung mit Scheibenanordnung
4: Gehäuse
5: Spulenvorrichtung
6: Kern
7: Spule
8: Führungsstange
9: Permanentmagnetscheibe
10: Kopfscheibe
11: Basisscheibe
12: Spulenträger
13: Stößelende/Stellelement
14: Stirnfläche der Führungsstange
15: Kernoberfläche im Kontaktbereich
16: Ankerraum in einer Endstellung
17: Stirnfläche der Kopfscheibe
18: Aussparung
19: Linear abflachende Kontur
20: Ebener Bereich der Scheibenfläche
21: Schmiermittelfilm
22: Mantelfläche des Schmiermittelfilms
23: Konkav abflachende Kontur
24: Konvex abflachende Kontur
25: Stufenweise abflachende Kontur
26: Stufensteigung
27: Axiale Durchdringung
28: Stirnfläche der Basisscheibe
29: nicht-magnetische Distanzscheibe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202011001412 U1 [0007, 0008]
EP 1913605 B1 [0008]
DE 10119291 A1 [0008]

Claims

Ankerbaugruppe (2) für eine elektromagnetische Stellvorrichtung (1), die eine in einem Gehäuse (4) angeordnete Spulenvorrichtung (5) mit einer auf einem Kern (6) angeordneten Spule (7) aufweist, wobei die Ankerbaugruppe (2) eine Führungsstange (8) mit zumindest einer an einem axialen Ende zur Aufnahme im Gehäuse (4) gegenüberliegend der Spulenvorrichtung (5) angeordneten Ankereinrichtung (3) aufweist, wobei die Ankereinrichtung (3) eine Scheibenanordnung mit einer Permanentmagnetscheibe (9) aufweist, die zwischen einer magnetisch leitenden Kopfscheibe (10) und einer magnetisch leitenden Basisscheibe (11) aufgenommen ist, wobei die Scheibenanordnung so ausgeführt ist, dass bei einem Zusammenwirken mit der Stellvorrichtung (1) zumindest in einer Endstellung der Stellvorrichtung (1) ein Ankerraum (16) zu einer gegenüberliegenden Kernfläche (15) ausgebildet ist, wobei in der Stirnfläche der Basis- (17) oder Kopfscheibe (28) zumindest eine Aussparung (18) ausgebildet ist, um eine schmiermittelbedingte Haftwirkung zwischen der Stirnfläche der Basis- (17) oder Kopfscheibe (28) und mit der in einer Endstellung der Stellvorrichtung zusammenwirkenden Kernfläche (15) zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zumindest eine Aussparung (18) zumindest eine Scheibenstirnfläche (17, 28) in radialer Richtung bis zum Umfangsrand zumindest eine kontinuierlich und/oder stufenweise abflachende Kontur aufweist, wobei die zumindest eine Aussparung (18) in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise ausgebildet ist und das Volumen der zumindest einen Aussparung (18) 8 % bis 25 %, bevorzugt 12 % bis 20 %, des Volumens einer planparallelen Scheibe, bevorzugt ohne Loch und mit identischer maximaler Scheibenstärke, entspricht.
Ankerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Scheibenstirnfläche (17, 28) zumindest teilweise eine linear abflachende Kontur (19) aufweist, sodass bevorzugt eine kegelförmige Scheibe oder eine Scheibe mit einer zumindest abschnittsweise umlaufenden Randfase ausgebildet ist.
Ankerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Scheibenstirnfläche (17, 28) zumindest teilweise eine konkav abflachende Kontur (23) aufweist.
Ankerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Scheibenstirnfläche (17, 28) zumindest teilweise eine konvex abflachende Kontur (24) aufweist.
Ankerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Scheibenstirnfläche (17, 28) zumindest teilweise eine stufenweise abflachende, die Scheibendicke stufenweise reduzierende Kontur (25) aufweist, wobei die Stufenhöhen und -breiten so ausgebildet sind, dass die Stufenkontur (25) bevorzugt einer kontinuierlich abflachenden Stufensteigung folgt, und die Kontur zumindest eine, bevorzugt mehrere Stufen umfasst.
Ankerbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur zumindest einer Scheibenstirnfläche (17, 28) zumindest teilweise eine Kombination von linear (19), konkav (23), konvex (24) oder stufenweise (25) abflachenden Abschnitten ausbildet.
Ankerbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine minimale Scheibendicke von 40 % bis 80 %, bevorzugt 70 %, im Vergleich zu einer planparallelen Scheibe, bevorzugt mit identischer maximaler Scheibenstärke, verbleibt.
Ankerbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Abstand zwischen der Scheibenmitte und dem Beginn einer Randfase ausbildenden Aussparung aufweist, sodass bei einem Zusammenwirken mit der Stellvorrichtung ein zu der Kernfläche (15) paralleler Scheibenabschnitt (20) ausgebildet ist.
Ankerbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Aussparung (18), zumindest eine lokale Vertiefung in zumindest einer Scheibenstirnfläche (17, 28) ausgebildet ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung gekennzeichnet durch zumindest eine Ankerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Stellvorrichtung zumindest eine in einem Gehäuse (4) angeordnete Spulenvorrichtung (5) mit einer auf einem Kern (6) angeordneten Spule (7) aufweist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfscheibe (10) der Spulenvorrichtung (5) gegenüberliegt und ein am axialen Ende der Führungsstange (8), der Scheibenanordnung (3) gegenüberliegend und die Wand des Gehäuses (4) durchdringendes Stellelement (13) ausgebildet, wobei die Aussparung (18) bevorzugt in der Stirnfläche der Kopfscheibe (10) ausgebildet ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisscheibe (11) der Spulenvorrichtung (5) gegenüberliegt und eine axiale Durchdringung (27) der Spulenvorrichtung (5) die Führungsstange (8) aufnimmt, wobei die Aussparung (18) bevorzugt in der Stirnfläche der Basisscheibe (11) ausgebildet ist.
Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (4) zumindest zwei Spulenvorrichtungen (5) und zumindest zwei Ankerbaugruppen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet sind.