DE102021133226A1

DE102021133226A1 - Elektromagnetischer Aktuator

Info

Publication number: DE102021133226A1
Application number: DE102021133226.5A
Authority: DE
Inventors: Friedbert Röther; Ralf Wörner; Benjamin Jensen
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023111028A1; KR20240118836A; CN118402026A; EP4449458A1

Abstract

Ei elektromagnetischer Aktuator umfasst eine Spulenanordnung mit mindestens einem Spulenkern und einer umfangsmäßig um den Spulenkern angeordneten Spule, ein Gehäuse mit einem magnetischen Material und einem rotationssymmetrischen Aufnahmeraum, in dem die Spulenanordnung wenigstens teilweise aufgenommen ist, und einen bewegbaren magnetischen Ankerkörper als bewegbares Aktuatorelement, der durch ein von der Spulenanordnung erzeugtes Magnetfeld bewegbar ist, wobei der Ankerkörper mittels eines Lagers in Relation zum Gehäuse einseitig gelagert ist und entlang einer Lagerdrehachse von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist. Der Ankerkörper ist scheibenartig ausgebildet und weist eine symmetrische Form in Bezug auf eine in Scheibenebene liegende Symmetrieachse quer zur Lagerdrehachse auf, wobei der Ankerkörper eine erste größte Erstreckung zwischen gegenüberliegenden Enden des Ankerkörpers in Richtung der Symmetrieachse und eine zweite größte Erstreckung zwischen gegenüberliegenden Enden des Ankerkörpers in Richtung der Lagerdrehachse aufweist, die kürzer ist als die erste größte Erstreckung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit einer Spulenanordnung mit mindestens einem Spulenkern und einer umfangsmäßig um den Spulenkern angeordneten Spule, einem Gehäuse mit einem magnetischen Material und mit einem bewegbaren magnetischen Ankerkörper als bewegbares Aktuatorelement, der durch ein von der Spulenanordnung erzeugtes Magnetfeld bewegbar ist, wobei der Ankerkörper mittels eines Lagers in Relation zum Gehäuse einseitig gelagert ist und um eine Lagerdrehachse von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist,
Derartige elektromagnetische Aktuatoren sind beispielsweise in Form von elektromagnetischen Schalt- oder Ventilvorrichtungen, wie etwa in Form eines elektromagnetischen Relais oder Magnetventils bekannt. Magnetventile, etwa in Form von Kippankerventilen, finden beispielsweise Verwendung als Steuerventil zur Druckregelung von Luft, etwa in einem Fahrzeug, wie beispielsweise in einem Nutzfahrzeug oder Bus zur Personenbeförderung. Beispielsweise umfasst ein Bremssystem für ein Fahrzeug mit einem elektronischen Betriebsbremssystem zumindest ein Steuerventil zur Druckregelung.
Ein elektromagnetischer Aktuator der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus DE 10 2016 105 532 A1 in Form eines Kippankerventils bekannt. Der elektromagnetische Aktuator verfügt über eine Spulenanordnung und einen bewegbaren magnetischen Ankerkörper.
Es sind darüber hinaus weitere Bauarten von Magnetventilen bekannt, wie beispielsweise in DE 10 2014 115 207 A1 , DE 10 2018 123 997 A1 , oder DE 10 2014 115 206 B3 beschrieben.
Bei der Verwendung eines beispielsweise zylindrischen Gehäuses, das zum Magnetkreis gehört, besteht die Gefahr, dass toleranzbedingt der Ankerkörper außermittig positioniert ist. Dies kann zu einer hohen Querkraft führen, die am Ankerkörper seitlich angreift. Damit wird eine Lagerstelle, über die der Ankerkörper gelagert ist, zusätzlich belastet und die Magnetkraft in Arbeitsrichtung reduziert, was einerseits den Verschleiß erhöhen und andererseits die Effizienz reduzieren kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktuator der eingangs genannten Art anzugeben, der eine bessere Haltbarkeit und eine größere Effizienz ermöglicht.
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator der eingangs genannten Art gemäß den beigefügten Patentansprüchen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Insbesondere betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung einen elektromagnetischen Aktuator mit einer Spulenanordnung mit mindestens einem Spulenkern und einer umfangsmäßig um den Spulenkern angeordneten Spule, einem Gehäuse mit einem magnetischen Material und einem rotationssymmetrischen Aufnahmeraum, in dem die Spulenanordnung wenigstens teilweise aufgenommen ist, und einem bewegbaren magnetischen Ankerkörper als bewegbares Aktuatorelement, der durch ein von der Spulenanordnung erzeugtes Magnetfeld bewegbar ist. Der Ankerkörper ist mittels eines Lagers in Relation zum Gehäuse einseitig gelagert und um eine Lagerdrehachse von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar. Der Ankerkörper ist scheibenartig ausgebildet und weist eine symmetrische Form in Bezug auf eine in Scheibenebene liegende Symmetrieachse quer zur Lagerdrehachse auf. Der Ankerkörper weist eine erste größte Erstreckung zwischen gegenüberliegenden Enden des Ankerkörpers in Richtung der Symmetrieachse und eine zweite größte Erstreckung zwischen gegenüberliegenden Enden des Ankerkörpers in Richtung der Lagerdrehachse auf, die kürzer ist als die erste größte Erstreckung.
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuator ermöglicht, dass der Ankerkörper sicher und leichtgängig in dem elektromagnetischen Aktuator bewegbar ist, denn die Ausgestaltung des Ankerkörpers erlaubt eine größere Toleranz einer Position des Ankerkörpers im Gehäuse. Insbesondere können einerseits bei der Herstellung der einzelnen Bauteile wirtschaftlichere Herstellungsverfahren eingesetzt werden und andererseits der elektromagnetische Aktuator, beispielsweise ein Magnetventil für Nutzfahrzeuganwendungen, robuster und zuverlässiger bezüglich des Verschleißes der Ankerlagerung ausgeführt werden. Weiterhin kann eine Querkraft des durch den Luftspalt wirkenden Magnetfeldes in einer unerwünschten Richtung reduziert und das Magnetfeld in der gewünschten Funktionsrichtung verstärkt werden. Ferner ermöglicht der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuator eine größere Robustheit bezüglich Fertigungstoleranzen, ohne negative Einflüsse auf Magnetkraft und Herstellungskosten.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist die Symmetrieachse senkrecht zur Lagerdrehachse angeordnet. Dies erlaubt eine gleichmäßige Lagerkraftverteilung des Ankerkörpers in Bezug zu der Lagerdrehachse. Dies ermöglicht, dass die Belastung auf das Lager gleichmäßiger erfolgt, wodurch der elektromagnetische Aktuator eine verbesserte Haltbarkeit aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators sind die erste größte Erstreckung ein erster Durchmesser und die zweite größte Erstreckung ein zweiter Durchmesser des Ankerkörpers. Diese Form ermöglicht einen definiert ausgestalteten und vergleichsweise einfach herzustellenden Ankerkörper zur verbesserten Positionierung und Verringerung von Querkräften unter Toleranzbedingungen.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators sind die erste größte Erstreckung ein größter Durchmesser und die zweite größte Erstreckung ein kürzester Durchmesser des Ankerkörpers. Hierdurch erhält der Ankerkörper eine eher längliche gerundete, z.B. eiförmige oder elliptische Form, welche eine Ausrichtung des Ankerkörpers im Aufnahmeraum des Gehäuses und des auf den Ankerkörper wirkenden Magnetfeldes im Ankerkörper unter Toleranzbedingungen verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators weist der Ankerkörper in der Scheibenebene eine konvexe, insbesondere ovale Außenkontur auf. Eine solche Außenkontur ermöglicht, dass selbst bei einer Schrägstellung des Ankerkörpers quer zur Lagerdrehachse der Luftspalt zwischen dem Gehäuse und einer Außenseite am Umfang des Ankerkörpers ausreichend gegeben ist. Durch eine solche geometrische Form des Ankerkörpers kann der magnetische Fluss verstärkt in eine bevorzugte Richtung gelenkt werden, so dass er am längsten Hebelarm verstärkt ist und sich damit die auf den Ankerkörper wirkende Magnetkraft bei einer Verringerung von Querkräften erhöht.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators weist der Ankerkörper in Richtung der Symmetrieachse zwei erste einander gegenüberliegende Bereiche mit einer jeweiligen runden Außenkontur und in Richtung der Lagerdrehachse zwei zweite einander gegenüberliegende Bereiche mit einer jeweiligen gegenüber den ersten Bereichen abgeflachten Außenkontur auf. Dies ermöglicht ebenfalls eine verbesserte Positionierung des Ankerkörpers und eine Verringerung von Querkräften unter Toleranzbedingungen.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators weisen die zwei ersten einander gegenüberliegenden Bereiche eine jeweilige kreisrunde Außenkontur auf. Die zwei ersten einander gegenüberliegenden Bereiche ermöglichen somit einen weitgehend konstanten Luftspalt zwischen dem Ankerkörper und dem Gehäuse nahe dem Lager bzw. dem gegenüberliegenden Ende des Ankerkörpers.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist die jeweilige abgeflachte Außenkontur tonnenförmig ausgebildet. Mit tonnenförmig ist insbesondere gemeint, dass die Kontur gegenüber einem Kreisbogen abgeflacht ist, und insbesondere unterschiedliche Radien aufweisen kann, wobei ein Mittelteil der abgeflachten Außenkontur einen größeren Radius aufweist als an den Mittelteil angrenzende Endteile der abgeflachten Außenkontur. Die Endteile der abgeflachten Außenkontur schließen die abgeflachte Außenkontur beispielsweise an eine jeweilige kreisrunde Außenkontur an.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist der Aufnahmeraum des Gehäuses zylindrisch ausgebildet. Dies ermöglicht zusammen mit dem Ankerkörper eine gute Positionierung unter Toleranzbedingungen und eine vereinfachte Herstellung.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist bei einer symmetrischen Ausrichtung des Ankerkörpers in Bezug auf den Aufnahmeraum des Gehäuses in der Scheibenebene ein Luftspalt in Richtung der Symmetrieachse zwischen dem Ankerkörper an einer Position der ersten größten Erstreckung und einem nächstliegenden Teil des Gehäuses kleiner als ein Luftspalt in Richtung der Lagerdrehachse zwischen dem Ankerkörper an einer Position der zweiten größten Erstreckung und einem demgegenüber nächstliegenden Teil des Gehäuses. Durch den unterschiedlich breiten Luftspalt wird der magnetische Fluss positiv abgelenkt, so dass sich der magnetische Fluss am längsten Hebelarm verstärkt und damit die Magnetkraft am Ankerkörper steigt.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators weist der Spulenkern einen rotationssymmetrischen Bereich mit einer Symmetrieachse auf, in dem der Spulenkern umfangsmäßig von der Spule umgeben ist, wobei das Lager radial versetzt zu der Symmetrieachse des Spulenkerns angeordnet ist und der Ankerkörper sich radial über den Spulenkern erstreckt. Dies ermöglicht eine präzise Bewegung des einseitig gelagerten Ankerkörpers, da dieser sich größtenteils, insbesondere vollständig im erzeugten Magnetfeld bewegen kann. Die Positionierung des Lagers ermöglicht eine vorteilhafte einseitige Lagerung des Ankerkörpers. Auf diese Weise kann ein robuster und verlässlicher elektromagnetischer Aktuator unter Toleranzbedingungen und reduzierten Querkräften geschaffen werden.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist der elektromagnetische Aktuator als elektromagnetische Schalt- oder Ventilvorrichtung mit dem Ankerkörper als Schalt- bzw. Ventilelement ausgebildet, insbesondere als ein elektromechanisches Relais oder Magnetventil.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist der elektromagnetische Aktuator als ein Kippankerventil ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform des elektromagnetischen Aktuators ist der elektromagnetische Aktuator als ein Magnetventil für ein Druckregelmodul eines Fahrzeugs ausgebildet.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können nebeneinander oder auch in beliebiger Kombination miteinander angewandt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1A, 1B schematische Querschnittsdarstellungen eines beispielhaften Kippankerventils, bei dem ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Aktuator dem Grundsatz nach zur Anwendung kommen kann,
2 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften bekannten Ankerkörpers zur Verwendung in einem beispielhaften Kippankerventil gemäß 1;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ankerkörpers in einem Gehäuse einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators entlang der Scheibenebene des Ankerkörpers in einer im Gehäuse ausgerichteten Position;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung des Ankerkörpers in dem Gehäuse einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators entlang der Scheibenebene des Ankerkörpers, wobei der Ankerkörper in einer verschwenkten Position unter Toleranzbedingungen dargestellt ist.

1 zeigt anhand von 1A und 1B eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils 100, bei dem ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Aktuator 105 mit einem Ankerkörper 115, wie in den 3 und 4 dargestellt, dem Grundsatz nach zur Anwendung kommen kann. Dabei soll 1 einen beispielhaften, praxisgemäßen Einsatz eines elektromagnetischen Aktuators anhand eines Kippankerventils verdeutlichen. 2 zeigt demgegenüber einen beispielhaften Ankerkörper 115, welcher aus der DE 10 2016 105 532 A1 bekannt ist. Anhand von 2 lässt sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ankerkörpers 115 verständlicher veranschaulichen. Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Ankerkörpers 115 ist dabei in 3 und 4 gemäß eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt und kann vom Fachmann im Grundsatz ohne Weiteres auf ein Kippankerventil gemäß 1 übertragen werden. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass dem Fachmann die grundlegende Funktionsweise von elektromagnetischen Vorrichtungen, wie Schalt- oder Ventilvorrichtungen mit einem durch ein Magnetfeld bewegbaren Ankerkörper als Schalt- bzw. Ventilelement bekannt ist.
Gleiche, gleichwirkende oder einander entsprechende Komponenten sind in 1-4 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bei dem Kippankerventil 100 kann es sich dem Grundprinzip nach um ein Ausführungsbeispiel eines in DE 10 2016 105 532 A1 gezeigten Kippankerventils 100 handeln. Dabei kann es sich in einer Variante um ein in der dortigen 1 mit dem Bezugszeichen 100 versehenes Magnetventil handeln. Es sind jedoch auch andere Ausführungsbeispiele denkbar, etwa in Zusammenhang mit Magnetventilen wie in den anderen oben genannten Druckschriften beschrieben. Diesbezügliche Ausgestaltungen eines in DE 10 2016 105 532 A1 beschriebenen Magnetventils und deren Komponenten sowie deren Verwendung sind durch Bezugnahme auch Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung.
1A zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Kippankerventil 100, bei dem sich der Ankerkörper in der ersten Position befindet. Das Kippankerventil 100 weist ein Spulenelement 110, einen Ankerkörper (oder kurz Anker) 115, eine Feder 120, ein Dichtelement 125 sowie eine Deckschale 130 auf. Dabei umfasst das Spulenelement 110, das mit seinen Hauptkomponenten Spule, Spulenkern und Spulenkörper rotationssymmetrisch ausgebildet ist, zumindest einen zylindrischen Spulenkern 135, der eine Symmetrieachse 137 aufweist, einen umfangsmäßig um den Spulenkern 135 angeordneten Spulenkörper 128, sowie eine umfangsmäßig um den Spulenkörper 128 angeordnete Spule 140 mit einem Paket aus Spulenwicklungen (nicht explizit dargestellt). Eine Stirnseite des Ankers 115 ist mittels eines Lagers 145 in Relation zu dem Gehäuse 170 gelagert. Der Ankerkörper 115 ist zwischen einer ersten Position 147 und einer zweiten Position 149 bewegbar. Dabei ist der Ankerkörper 115 ausgebildet, bei einem Aktivieren der Spule 140 von der ersten Position 147 in eine zweite (angezogene) Position 149 bewegt zu werden. Bei aktivierter Spule 140 kann der Ankerkörper 115 in der zweiten Position 149 gehalten werden. Auf der dem Spulenelement 110 abgewandten Seite des Ankers 115 ist weiterhin das Dichtelement 125 angeordnet. In der Deckschale 130 ist ein Ventilsitz 150 mit einem Ausgang 155 und ein Eingang 157 für ein Fluid 158 ausgebildet. Dabei ist der Ausgang 155 mittels des Dichtelements 125 fluiddicht verschließbar, wenn der Ankerkörper 115 in der ersten Position 147 angeordnet ist. Das Dichtelement 125 kann hierbei ferner auch als Dämpferelement wirken, um ein Aufprallen des Ankers 115 auf den Ventilsitz 150 zu verhindern. Das Dichtelement 125 kann hierbei durch ein Vulkanisieren auf dem Ankerkörper 115 oder einem Trägerelement befestigt sein. Denkbar ist ferner, dass ein Winkel beim Auftreffen des Ankers 115 bzw. Dichtelementes 125 auf dem Ventilsitz 150 durch eine schräge Düse oder ein schräg ausgeformtes Dichtelement 125 oder einen gekrümmten Ankerkörper 115 erzeugt wird. Eine solche Düse, die in der 1A nicht explizit dargestellt ist, braucht nicht zwangsläufig in das Kippankerventil 100 integriert sein, sondern kann auch von externen Gehäuseteilen bereitgestellt werden.
Denkbar ist ferner, dass der Ventilsitz 150 in dem Spulenelement 110 angeordnet ist, was jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 1A nicht explizit dargestellt ist. In diesem Fall wäre dann ein Betätiger von Vorteil, der eine Freigabe des Ausgangs durch den Ankerkörper 115 vermittelt.
Der Ankerkörper 115 weist in diesem Ausführungsbeispiel mindestens eine zumindest teilweise runde Erhebung 160 in einem Lagerabschnitt 162 auf, wobei die Erhebung 160 in eine Ausnehmung 165 oder Öffnung eingreift, die z.B. in einem der Erhebung 160 gegenüberliegenden Abschnitt des Gehäuses 170 oder des Spulenkörpers 128 des Kippankerventils 100 angeordnet ist. Hierdurch kann der Ankerkörper 115 in der Ausnehmung bei einer Bewegung von der ersten Position 147 in die zweite Position 149 nach einem Einschalten eines Stromflusses durch die Spule 140 gleiten und wird zugleich an einer fixen Position in dem Gehäuse 170 bzw. in Bezug zu der Deckschale 130 gehalten. Die Ausnehmung ist trapezförmig ausgestaltet, sodass eine möglichst geringe Reibung beim Gleiten der Erhebung über die Fläche der Ausnehmung 165 verursacht wird. Die Ausnehmung 165 kann beispielsweise aus Kunststoffmaterial gefertigt sein.
Die Feder 120 ist in diesem Beispiel als Blattfeder ausgebildet und im Lagerabschnitt auf einer der Spule 140 gegenüberliegenden Seite des Ankers 115 angeordnet. Die Feder 120 dient hierbei zum spielfreien Andrücken der beispielsweise im Ankerkörper 115 eingepressten Lagerkugel(n) in die (beispielsweise trapezförmige) Gegenschale bzw. Ausnehmung 165 im Gehäuse 170 des Spulenelementes 110. Der Ankerkörper 115 kann durch die Feder 120 fixiert werden, sodass der Ankerkörper 115 durch die Feder 120 in einer vorbestimmten Position gehalten wird. Dies bietet den Vorteil, dass eine konstante Vorspannkraft auf den Ankerkörper 115 ausgeübt werden kann, und die von der Feder 120 auf den Ankerkörper 115 ausgeübte Kraft möglichst nahe an einem an der Lagerdrehachse liegenden Kraftangriffspunkt auf den Ankerkörper 115 eingeleitet werden kann.
Alternativ kann auch der Ankerkörper 115 an dem Spulenelement 110 eingehängt werden. In diesem Fall könnte dann die Feder 120, die beispielsweise als Blattfeder ausgestaltet ist, entfallen.
1B zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Kippankerventil 100, bei dem sich der Ankerkörper 115 in der zweiten Position 149 befindet. In diesem Fall ist ein Strom durch die Spule 140 eingeschaltet und der Ankerkörper 115 angezogen, sodass sich ein durch die Feldlinien 180 dargestelltes Magnetfeld aufbaut. Bei einem Ausschalten des Stroms durch die Spule 140 kann beispielsweise durch die Schwerkraft oder eine Federkraft einer dargestellten Rückstellfeder 195 der Ankerkörper 115 in die erste Position 147 zurückfallen.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften bekannten Ankerkörpers 115 zur Verwendung in dem Kippankerventil 100. Der Ankerkörper 115 ist hier als Plattenanker ausgebildet. Der Ankerkörper 115 weist neben dem Dichtelement 125 zwei eingepresste Kugeln als Erhebungen 160, 160a auf, die in einer Richtung angeordnet sind, die eine Lagerdrehachse A des Ankerkörpers 115 bei der Drehung nach einem Einschalten des Stroms durch die Spule 140 bildet. Das bedeutet, dass die Erhebungen 160 und 160a auf bzw. entlang der Lagerdrehachse A angeordnet sind. Die Erhebungen 160, 160a formen einen Teil einer Lagerungsanordnung, um den Ankerkörper 115 an einer Stirnseite des Spulenelements 110 anzuordnen. Zentral auf dem Ankerkörper 115 ist ein Federbefestigungsabschnitt 196 ausgebildet, der mit der Rückstellfeder 195 zusammenwirkt und ein Abrutschen der Rückstellfeder 195 von dem Ankerkörper 115 verhindert. Über den Federbefestigungsabschnitt 196 kann der Ankerkörper 115 mittels der Rückstellfeder 195 in die erste Position vorgespannt werden, um das Ventil zu schließen, wenn die Spule 140 nicht bestromt ist.
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ankerkörpers 115 in einem Gehäuse 170 entlang der Scheibenebene des Ankerkörpers gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators 105. Der Ankerkörper 115 in 3 ist in einem rotationssymmetrischen, insbesondere zylindrischen Aufnahmeraum 171 des ebenfalls vorzugsweise zylindrischen Gehäuses 170 so angeordnet, dass zwischen einem Umfang des Ankerkörpers 115 und einer Innenseite 172 des Gehäuses 170 ein umlaufender Luftspalt ausgebildet ist. Der Ankerkörper 115 ist scheibenartig bzw. plattenartig ausgebildet und weist eine symmetrische (hier insbesondere achsensymmetrische) Form in Bezug auf eine in Scheibenebene liegende Symmetrieachse S auf. Mit scheibenartig bzw. plattenartig ist insbesondere gemeint, dass der Ankerkörper 115 eine Dicke (in Richtung senkrecht zur Scheibenebene) aufweist, die geringer ist als eine Erstreckung in Scheibenebene des Ankerkörpers 115. Der Ankerkörper 115 ist, wie anhand von 1 beispielhaft beschrieben, mittels eines Lagers 145 in Relation zum Gehäuse 170 einseitig gelagert und entlang einer Lagerdrehachse A zwischen der ersten Position 147 und der zweiten Position 149 bewegbar. Das Lager 145 ist beispielhaft nahe eines Endes, insbesondere eines ersten Endes 116 des Ankerkörpers 115 angeordnet. Die Lagerdrehachse A ist quer, insbesondere senkrecht, zu der Symmetrieachse S und wie die Symmetrieachse S parallel zu der Scheibenebene ausgerichtet. Das Lager ist bespielhaft durch zwei entlang der Lagerdrehachse A angeordnete und beabstandete Lagerabschnitte 161 und 161a gebildet (beispielsweise in Form von Vertiefungen im Ankerkörper, die in 3 angedeutet sind), die ein Drehen des Ankerkörpers 115 um die Lagerdrehachse A erlauben. Die Lagerabschnitte 161 und 161a können nach verschiedenen Gesichtspunkten ausgebildet sein, z.B. als Vertiefungen oder als Erhebungen, wie z.B. in 2 anhand der Erhebungen 160, 160a dargestellt. Es kann eine Vielzahl von Lagerarten verwendet werden.
Die Lagerabschnitte 161 und 161a sind in einem radial äußeren Bereich des Ankerkörpers 115 angeordnet bezogen auf einen zentralen Punkt M, hier ein Schnittpunkt einer zentralen Achse in Normalrichtung des Ankerkörpers 115 mit der Scheibenebene. Das bedeutet, dass die Lagerdrehachse A ebenfalls in einem radial äußeren Bereich des Ankerkörpers 115 angeordnet ist. Im eingebauten Zustand des Ankerkörpers 115 ist der zentrale Punkt M in etwa fluchtend mit der Symmetrieachse 137 des Spulenkerns 135 angeordnet. Im eingebauten Zustand erstreckt sich der Ankerkörper 115 bezogen auf die Symmetrieachse 137 radial über den Spulenkern 135.
Der Ankerkörper 115 ist in Relation zum Gehäuse 170 einseitig gelagert, so dass ein Großteil des Ankerkörpers 115 einen Hebelarm ausbildet, an dem eine magnetische Kraft erzeugt durch ein Magnetfeld der Spulenanordnung angreifen kann, um den Ankerkörper 115 in die zweite Position 149 zu bewegen. Der Hebelarm erstreckt sich im wesentlichen von der Lagerdrehachse A zu einem von der Lagerdrehachse A entfernt liegenden zweiten Ende 117 des Ankerkörpers 115. Die einseitige Lagerung des Ankerkörpers bedeutet, dass die Lagerung vorzugsweise an einem stirnseitigen Ende oder in einem Bereich zwischen einem stirnseitigen Ende und einem zentralen Punkt des Ankerkörpers angeordnet ist.
Der Ankerkörper 115 weist eine erste größte Erstreckung D1 in Richtung der Symmetrieachse S auf, hier zwischen dem ersten Ende 116 und dem zweiten Ende 117. Die größte Erstreckung D1 entspricht insbesondere dem größten Durchmesser des Ankerkörpers 115. Ferner weist der Ankerkörper 115 eine zweite größte Erstreckung D2 zwischen einem dritten Ende 118 und einem vierten Ende 119 in Richtung der Lagerdrehachse A auf. Die zweite größte Erstreckung D2 ist kürzer als die erste größte Erstreckung D1. Die zweite größte Erstreckung D2 entspricht insbesondere dem kleinsten Durchmesser des Ankerkörpers 115.
Im Ankerkörper 115 weist die erste größte Erstreckung D1 einen ersten, insbesondere größten Durchmesser und die zweite größte Erstreckung D2 einen zweiten, insbesondere kleinsten Durchmesser auf. Das bedeutet, dass der Ankerkörper 115 eine konvexe, insbesondere ovale Außenkontur aufweist. Insbesondere weist der Ankerkörper 115 in dieser Ausführungsform eine ebene rundliche konvexe Außenkontur in Scheibenebene auf. Der Ankerkörper 115 weist in Richtung der Symmetrieachse S zwei erste einander gegenüberliegende Bereiche 115a mit einer jeweiligen runden (z.B. kreisrunden) Außenkontur K auf. Das erste Ende 116 und das zweite Ende 117 des Ankerkörpers 115 liegen in den entsprechenden Bereichen 115a. Der Ankerkörper 115 weist in Richtung der Lagerdrehachse A zwei zweite einander gegenüberliegende Bereiche 115b auf. Die zweiten einander gegenüberliegenden Bereiche 115b weisen eine gegenüber den ersten Bereichen 115a flachere bzw. abgeflachte Außenkontur F auf.
Die hier kreisrunde Außenkontur K weist beispielsweise einen Radius r1 auf, ausgehend von der zentralen Achse des Ankerkörpers 115, der etwas geringer als ein Innenradius des Gehäuseaufnahmeraums 171 ist, so dass zwischen den ersten Bereichen 115a und der Innenseite des Gehäuseaufnahmeraums 171 ein Luftspalt 191 verbleibt.
Die hier tonnenförmige Außenkontur F weist einen größeren Radius r2 bzw. r3 auf als der Radius r1. Ein Bemessungspunkt P1 für den Radius r2 liegt mit Bezug auf 3 zwischen der zentralen Achse und dem rechten zweiten Bereich 115b. Ein Bemessungspunkt P2 für den Radius r3 liegt mit Bezug auf 3 zwischen der zentralen Achse und dem gegenüberliegenden zweiten Bereich 115b.
Eine tonnenförmig ausgeführte Kontur beinhaltet im Sinne dieser Offenbarung insbesondere, dass wenigstens eine Kontur oder Teilkontur vorhanden ist, die eine gerundete oder gewölbte, insbesondere nach außen gewölbte (konvexe) Form, insbesondere eine von einer Kreisbogenform abweichende Form hat. Es ist dabei mehr der gewölbte bzw. gerundete, insbesondere von einer Kreisbogenform abweichende, die Scheibenform verschmälernde Aspekt von Bedeutung, ohne dass es etwa auf eine exakte Tonnenform im mathematischen Sinne ankommt, die aber auch spezifische Vorteile hinsichtlich der Positionierung unter Toleranzbedingungen haben kann. Damit sollen auch z.B. elliptische, eiförmige oder andere länglich gerundete oder gekrümmte Konturen von diesem Begriff mit eingeschlossen sein. Auch können teilweise oder abschnittsweise gerade Konturen in Konturbereichen vorgesehen sein, die sich zwischen gerundeten Konturbereichen befinden.
Da die Außenkontur F gegenüber der Außenkontur K flacher ausgebildet ist, ist bei einer symmetrischen Ausrichtung des Ankerkörpers 115 in Bezug auf den Aufnahmeraum 171 des Gehäuses 170 in der Scheibenebene ein Luftspalt 191 in Richtung der Symmetrieachse S zwischen dem Ankerkörper 115 an einer Position der ersten größten Erstreckung D1 und einem nächstliegenden Teil des Gehäuses 170 kleiner als ein Luftspalt 192 in Richtung der Lagerdrehachse A zwischen dem Ankerkörper 115 an einer Position der zweiten größten Erstreckung D2 und einem demgegenüber nächstliegenden Teil des Gehäuses 170.
In 4 ist der Ankerkörper 115 in einer ausgelenkten, insbesondere in einer unter Toleranzbedingungen verschwenkten Position gezeigt, beispielsweise in der zweiten angezogenen Position 149 der 1, beispielsweise unter Einfluss der Magnetkraft. 4 zeigt eine beispielhafte Position des Ankerkörpers 115, etwa wenn ein Magnetfeld durch die Spulenanordnung erzeugt wird. Bei der Herstellung des Aktuators und/oder infolge von Toleranzen an den Abmessungen der Bauteile kann es vorkommen, dass toleranzbedingt der Ankerkörper 115 außermittig positioniert ist. Zum Beispiel durch Toleranzen bei dem Lager 145, Toleranzen bei der Ausgestaltung des Ankerkörpers 115 und/oder auch Toleranzen am Gehäuse 170. Dies kann dazu führen, dass vergleichsweise hohe Querkräfte auftreten, die am Ankerkörper 115 in Richtung der Lagerdrehachse A wirken und somit das Lager 145 zusätzlich belasten und die Magnetkraft in Arbeitsrichtung reduzieren. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Ankerkörpers 115 kann ein reduzierter, vorzugsweise minimaler Luftspalt 191 in Richtung der Symmetrieachse S ausgebildet werden, auch wenn der Ankerkörper 115 sich in Richtung der Lagerdrehachse verschwenkt und außermittig in Richtung eines Teils des Gehäuses 170 bewegt, in 4 zum Beispiel an einen linken Teil des Gehäuses 170. Durch den nach wie vor relativ kleinen Luftspalt beidseits des Ankerkörpers 115 in Richtung der Symmetrieachse S wird der magnetische Fluss aber weiterhin positiv in Arbeitsrichtung gelenkt, insbesondere in Richtung des längsten Hebelarms.
In 4 ist der Ankerkörper 115 sowohl radial zu der Symmetrieachse 137 versetzt als auch im Gehäuse 170 verdreht. Hiermit ist verdeutlicht, dass der Ankerkörper 115 durch das Magnetfeld nicht nur linear verschoben, sondern auch um die Symmetrieachse 137 des Spulenkerns 135 verdreht werden kann. Das bedeutet, dass die Lagerabschnitte 161 und 161 a nicht nur entlang der Lagerdrehachse A belastet werden, sondern auch teilweise entlang der Symmetrieachse S.
Der Luftspalt zwischen Anker und Gehäuse kann insbesondere in Abhängigkeit von möglichem Verschleiß der Lagerung sowie Bauteiltoleranzen beidseitig (in Richtung der Symmetrieachse S) reduziert werden. Beispielsweise wird in Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens eine toleranzabhängige, senkrecht zur Lagerdrehachse stehende Drehachse (Symmetrieachse) definiert. Um diese Achse kann theoretisch der Ankerkörper auf eine maximale Toleranz gedreht und mittels eines definierten Mindestluftspalts die Außenkontur des Ankers erzeugt werden. Somit ergibt sich eine runde Scheibenform mit seitlichen, tonnenförmigen Abflachungen bezogen auf den ursprünglichen Durchmesser. Damit wird eine größere Robustheit bezüglich Verschleiß und Fertigungstoleranzen erzielt, weitgehend ohne negative Einflüsse auf Magnetkraft und Herstellungskosten.
Bezugszeichenliste

100: Kippankerventil
105: elektromagnetischer Aktuator
110: Spulenelement
115: Ankerkörper
115a: erster Bereiche
115b: zweite Bereiche
116: erstes Ende
117: zweites Ende
118: drittes Ende
119: viertes Ende
120: Feder
125: Dichtelement
128: Spulenkörper
130: Deckschale
135: Spulenkern
137: Symmetrieachse
140: Spule
145: Lager
147: erste Position
149: zweite Position
150: Ventilsitz
155: Ausgang
157: Eingang
158: Fluid
160, 160a: Erhebung
161, 161a: Lagerabschnitt
162: Lagerabschnitt
165: Ausnehmung
170: Gehäuse
171: Aufnahmeraum
172: Innenseite
180: Magnetfeld
191: Luftspalt
192: Luftspalt
195: Rückstellfeder
196: Federbefestigungsabschnitt
A: Lagerdrehachse
D1: Erstreckung/Durchmesser
D2: Erstreckung/Druchmesser
F: abgeflachte Außenkontur
K: kreisrunde Außenkontur
S: Symmetrieachse
M: zentraler Punkt
P1: Bemessungspunkt
P2: Bemessungspunkt
r1: Radius
r2: Radius
r3: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016105532 A1 [0003, 0025, 0027]
DE 102014115207 A1 [0004]
DE 102018123997 A1 [0004]
DE 102014115206 B3 [0004]

Claims

Elektromagnetischer Aktuator (105), aufweisend: eine Spulenanordnung (135, 140) mit mindestens einem Spulenkern (135) und einer umfangsmäßig um den Spulenkern (135) angeordneten Spule (140); ein Gehäuse (170) mit einem magnetischen Material und einem rotationssymmetrischen Aufnahmeraum (171), in dem die Spulenanordnung (135, 140) wenigstens teilweise aufgenommen ist, einen bewegbaren magnetischen Ankerkörper (115) als bewegbares Aktuatorelement, der durch ein von der Spulenanordnung (135, 140) erzeugtes Magnetfeld (180) bewegbar ist, wobei der Ankerkörper (115) mittels eines Lagers (145) in Relation zum Gehäuse (170) einseitig gelagert ist und um eine Lagerdrehachse (A) von einer ersten Position (147) in eine zweite Position (149) bewegbar ist, wobei der Ankerkörper (115) scheibenartig ausgebildet ist und eine symmetrische Form in Bezug auf eine in Scheibenebene liegende Symmetrieachse (S) quer zur Lagerdrehachse (A) aufweist, wobei der Ankerkörper (115) eine erste größte Erstreckung (D1) zwischen gegenüberliegenden Enden des Ankerkörpers (115) in Richtung der Symmetrieachse (S) und eine zweite größte Erstreckung (D2) zwischen gegenüberliegenden Enden des Ankerkörpers (115) in Richtung der Lagerdrehachse (A) aufweist, die kürzer ist als die erste größte Erstreckung (D1).
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach Anspruch 1, bei dem die Symmetrieachse (S) senkrecht zur Lagerdrehachse (A) angeordnet ist.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste größte Erstreckung ein erster Durchmesser (D1) und die zweite größte Erstreckung ein zweiter Durchmesser (D2) des Ankerkörpers (115) sind.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste größte Erstreckung ein größter Durchmesser (D1) und die zweite größte Erstreckung ein kürzester Durchmesser (D2) des Ankerkörpers (115) sind.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Ankerkörper (115) in der Scheibenebene eine konvexe, insbesondere ovale Außenkontur aufweist.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Ankerkörper (115) in Richtung der Symmetrieachse (S) zwei erste einander gegenüberliegende Bereiche (115a) mit einer jeweiligen runden Außenkontur (K) und in Richtung der Lagerachse (A) zwei zweite einander gegenüberliegende Bereiche (115b) mit einer jeweiligen gegenüber den ersten Bereichen (115a) abgeflachten Außenkontur (F) aufweist.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach Anspruch 6, bei dem die zwei ersten einander gegenüberliegenden Bereiche (115a) eine jeweilige kreisrunde Außenkontur (K) aufweisen.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die jeweilige abgeflachte Außenkontur (F) tonnenförmig ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Aufnahmeraum (171) des Gehäuses (170) zylindrisch ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem bei einer symmetrischen Ausrichtung des Ankerkörpers (115) in Bezug auf den Aufnahmeraum (171) des Gehäuses (170) in der Scheibenebene ein Luftspalt (191) in Richtung der Symmetrieachse (S) zwischen dem Ankerkörper (115) an einer Position der ersten größten Erstreckung (D1) und einem nächstliegenden Teil des Gehäuses (170) kleiner ist als ein Luftspalt (192) in Richtung der Lagerdrehachse (A) zwischen dem Ankerkörper (115) an einer Position der zweiten größten Erstreckung (D2) und einem nächstliegenden Teil des Gehäuses (170).
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Spulenkern (135) einen rotationssymmetrischen Bereich mit einer Symmetrieachse (137) aufweist, in dem der Spulenkern (135) umfangsmäßig von der Spule (140) umgeben ist, und das Lager (145) radial versetzt zu der Symmetrieachse (137) des Spulenkerns (135) angeordnet ist und der Ankerkörper (115) sich radial über den Spulenkern (135) erstreckt.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der elektromagnetische Aktuator (105) als elektromagnetische Schalt- oder Ventilvorrichtung (100) mit dem Ankerkörper (115) als Schalt- bzw. Ventilelement ausgebildet ist, insbesondere als ein elektromechanisches Relais oder Magnetventil (100) ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der elektromagnetische Aktuator als ein Kippankerventil (100) ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Aktuator (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der elektromagnetische Aktuator (105) als ein Magnetventil (100) für ein Druckregelmodul eines Fahrzeugs ausgebildet ist.