-
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische
Stellvorrichtung insbesondere für
Schalt- Steuer- oder Regelventile in Verbrennungskraftmaschinen,
die im wesentlichen aus einem Wickelkörper auf dem eine Spule angeordnet
ist, einem Joch, einem Rückschlußblech,
einem Kern und einem Anker besteht, der in Wirkverbindung mit einem
Stellglied steht und bei Bestromung der Spule gegen eine Federkraft
auf einer Mittelachse verschiebbar ist.
-
Elektromagnetische Stellvorrichtungen,
insbesondere für
Elektromagnetventile, sind allgemein bekannt und werden in einer
Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Sie bestehen aus einer Spule
und einem magnetischen Eisenkreis, der aus einem Joch, einem Rückschlußblech sowie
einem Kern und einem Anker aufgebaut ist. Bei Bestromung der Spule
entsteht induktiv ein elektromagnetisches Feld, dessen Feldlinien
vom Anker über
das Rückschlußblech und
das die Spule umgebende Joch in den Kern weisen. Von dort treten
die Feldlinien über
einen Arbeitsluftspalt wieder in den Anker, wodurch sich zwischen
Anker und Kern eine elektromagnetische Kraft bildet, welche den
Anker zum Kern zieht. Zwischen Kern und Anker wird häufig eine
Schraubenfeder vorgespannt eingebaut, welche durch ihre Vorspannung
eine Kraft erzeugt, die entgegen der von der Spule erzeugten elektromagnetischen
Kraft wirkt. Je nach Größe des Stromflusses
durch die Spule entsteht somit eine resultierende Kraft, aus der
Summe der Federkraft und der entstehenden elektromagnetischen Kraft,
die jeweils einer bestimmten Stellung des Ankers bzw. eines mit
dem Anker verbundenen Stellgliedes entspricht. Der zumeist zylindrisch
geformte Anker wird dabei auf seiner äußeren Mantelfläche in einer
Buchse, die im Inneren des Wickelkörpers angeordnet ist, geführt. In
den meisten Anwendungen, insbesondere im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen
werden schmierungsfreie Elektromagnetven tile verwendet, weswegen
die zur Lagerung verwendeten Buchsen aus entsprechend gleitendem Material
hergestellt werden.
-
Nachteilig an einer solchen Ausführung ist, daß eine relativ
große
Führungslänge für den Anker benötigt wird,
um ein Kippen zu vermeiden. Dementsprechend wird der Anker über eine
Länge von
etwa dem 1,5- bis 2-fachen seines Führungsdurchmessers geführt. Dennoch
ist ein leichtes Kippen des Ankers auch bei genauester Führung nicht
zu vermeiden. Des weiteren besteht keine direkte Verbindung zwischen
der Führungsbuchse
und dem Kern, wodurch das freie, in den Kern der Stellvorrichtung
ragende Ende zumeist schlecht gegenüber dem Kern zentriert ist.
Aus dieser fehlenden Zentrierung und dem leichten Kippen des Ankers
resultieren hohe Querkräfte,
die wiederum Reibungskräfte
verursachen, welche der verfügbaren
Magnetkraft entgegenwirken. Des weiteren erhöht sich der Verschleiß, so daß die mögliche Lebensdauer
sinkt. Bei Verwendung einer derartig aufgebauten elektromagnetischen
Stellvorrichtung als Ventil ist des weiteren häufig ein Abheben des Stellgliedes
bzw. Verschlußkörpers unter
Schwingbelastung zu beobachten.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine elektromagnetische Stellvorrichtung zu schaffen, bei der die
Führung
des Ankers so ausgeführt
ist, daß geringe
Reibungskräfte
und somit ein geringerer Verschleiß entsteht, was eine höhere Lebensdauer
zur Folge hätte.
Des weiteren soll zur Verhinderung der Querkräfte bei Kippen des Ankers die
Auslenkung seines freien Endes reduziert werden und der Anker zentriert
zum Kern angebracht sein. Zusätzlich
soll die Resistenz gegen Abheben des Verschlußkörpers bei Schwingbelastungen
erhöht
werden. Eine weitere Aufgabe liegt in einer gewünschten Kostenreduzierung,
insbesondere durch eine Verringerung des Bauvolumens und des Gewichtes
des Ventils.
-
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß der
Anker auf einem Dorn gelagert ist, der fest mit dem Kern der Stellvorrichtung verbunden
ist. Hierdurch sinkt der Führungsdurchmesser
gegenüber
einer außen
liegenden Führung, so
daß der
Anker kürzer
ausgeführt
werden kann. Dadurch wird die Masse der beweglichen Teile reduziert
und eine Verbesserung bezüglich
der Dauerhaltbarkeit und des Abhebeverhaltens eines Verschlußkörpers verbessert.
Gleichzeitig wird die Dynamik der Stellvorrichtung gewährleistet.
Auch die verwendete Spule kann nicht zuletzt durch die reduzierten
Reibungskräfte
verkleinert werden, wodurch Bauvolumen und Gewicht und daraus resultierend
die Kosten für
eine solche erfindungsgemäße Stellvorrichtung sinken.
-
Erfindungsgemäß wird der Anker über den Dorn über seine
gesamte Länge
geführt,
wodurch bei Kippen des Ankers die Auslenkung seines freien endes
deutlich reduziert wird. Während
bei einer außen liegenden
Führung
die Führungslänge etwa
das 1,5 bis 2-fache des Führungsdurchmessers
betragen muß und
die Länge
des Ankers sich aus der Summe der Führungslänge und der Hublänge ergibt,
muß die Länge des
Ankers bei innenliegender Führung
lediglich das 1,5- bis 2-fache dieses kleineren Führungsdurchmessers
betragen, was eine deutliche Größen- und
Kostenreduzierung zur Folge hat.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist
der Dorn auf der Mittenachse der Stellvorrichtung angeordnet, wodurch
eine Zentrierung des Ankers gegenüber dem Kern gewährleistet
wird. Dadurch werden die Querkräfte,
die Reibungskräfte
verursachen, und somit die verfügbare
Magnetkraft der Stellvorrichtung reduzieren, deutlich minimiert
und somit die Lebensdauer des Ventils erhöht.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung weist der hohlzylindrische Anker an seiner innen liegenden
Mantelfläche
eine Gleitbuchse auf, mit der er fest verbunden ist. Durch diese
Anordnung der Gleitbuchse kann der Anker schmierungsfrei auf einer
innen liegenden Ankerführung
gelagert werden, wodurch die Stellvorrichtung über viele Schaltspiele hinweg
bei großen
Höhen steuern
kann, da die Reibungskräfte
wiederum minimiert werden und somit ein sehr geringer Verschleiß auftritt.
Durch diese Verringerung der Reibungskräfte ist es des weiteren möglich, das
Ventil mit einer kleineren Spule aufzubauen und es somit kleiner,
leichter und kostengünstiger
herzustellen.
-
Die Verbindung des Ankers mit der
Gleitbuchse kann als Preßsitz
ausgeführt
sein, wodurch eine kostengünstige
und zuverlässige
Bauweise ohne zusätzliche
Bauteile genutzt wird.
-
In einer weiterführenden Ausführungsform weist
das Stellglied eine Durchgangsöffnung
auf, die eine fluidische Verbindung zwischen einem durch das Stellglied
verschlossenen Kanal und einem Bauvolumen herstellt, welches durch
eine Membrane, die mit dem Stellglied verbunden ist, verschlossen
ist, wobei die freie Fläche
der Membrane etwa der Querschnittsfläche des Kanals entspricht.
Hierdurch wird gewährleistet,
daß der
auf das Stellglied wirkende Druck etwa dem auf die Membran wirkenden
Druck entspricht, allerdings in entgegen gesetzter Richtung. Hierdurch
wird gewährleistet,
daß auf
das Stellglied in der Summe der resultierenden Kräfte lediglich
die Federkraft und die elektromagnetische Kraft einwirken, so daß eine Regelung
des Ventils vereinfacht wird.
-
Durch diese erfindungsgemäßen Ausführungen
wird somit eine elektromagnetische Stellvorrichtung geschaffen,
bei der Kosten, Gewicht und Bauvolumen sinken, ein angesteuertes
Ventil bis zu 80 % resistenter gegen Abheben des Verschlußkörpers unter
Schwingbelastung wird und des weiteren durch Reduzierung des Kippens
und den durch diese Anordnung erfolgenden Hystereseabbau die entstehenden
Reibungskräfte
minimiert werden und somit einen deutlich geringerer Verschleiß entsteht,
der zu einer längeren
Lebensdauer führt.
-
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt
und wird nachfolgend beschrieben.
-
Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße elektromagnetische
Stellvorrichtung in Form eines Ventils in geschnittener Darstellung
in Seitenansicht.
-
Die dargestellte elektromagnetische
Stellvorrichtung besteht aus einem Gehäuse 1 in dem eine Spule
und ein magnetischer Eisenkreis angeordnet sind. Die Spule besteht
aus einem Wickelkörper 2 auf dem
die Wicklung 3 der Spule angeordnet ist. Der Wickelkörper 2 weist
eine hohlzylindrische Form auf und wird an seiner äußeren Mantelfläche zumindest teilweise
von einem Joch 4 umgeben. Dieses Joch 4 sowie
ein im Inneren des hohlzylindrischen Wickelkörpers angeordneter Kern 5 sowie
ein Anker 6 und ein Rückschlußblech 7 bilden
den magnetischen Kreis. Der wiederum hohlzylindrisch ausgeführte Kern 5 nimmt
in seinem Innern einen Dorn 8 auf, der die Funktion einer
Führungsstange
erfüllt.
Die Verbindung des Kerns 5 mit dem Dorn 8 wird über eine Preßpassung
hergestellt. Das entgegengesetzte freie Ende des Dorns 8 ragt
aus dem Wickelkörper 2 hinaus
und dient dem Anker 6 als Führung. Zwischen dem hohlzylindrischen
Anker 6 und dem Dorn 8 befindet sich eine Gleitbuchse 9,
die über
eine Preßpassung
mit dem Anker 6 verbunden ist, so daß der Anker 6 mit
der Gleitbuchse 9 entlang einer Mittenachse X-X auf dem
Dorn 8 verschiebbar angeordnet ist. Der magnetische Kreis
zwischen dem Joch 4 und dem Anker 6 wird durch
das Rückschlußblech 7 geschlossen.
Auf dem zwischen dem Kern 5 und dem Anker 6 freiliegende
Teil der Führungsstange 8 ist
die Führungsstange 8 umschließend eine
Druckfeder 10 angeordnet, welche vorgespannt zwischen dem
Kern 5 und dem Anker 6 bzw. der Gleitbuchse 9 angebracht wird
und somit eine Kraft auf den Anker 6 ausübt, die vom
feststehenden Kern weg gerichtet ist. Der Anker 6 wiederum
ist mit einem Stellglied 11 verbunden, welches hier als
Verschlußkörper für einen
Kanal 12 dient. Zum dichten Verschließen des Kanals 12 weist dieses
Stellglied 11 ein an seinem äußeren Umfang angebrachtes Dichtelement 13 auf.
Des weiteren befindet sich im zum Kanal 12 gelegenen Boden
des Stellgliedes 11 eine Durchtrittsöffnung 14, die eine fluidische
Verbindung zwischen dem Kanal 12 und einem Hohlvolumen 15 herstellt.
Dieses Hohlvolumen 15 wird durch eine Membran 16 gegen
den Außenraum
verschlossen. Diese Membran 16 ist fest mit dem Stellglied 11 und
dem Gehäuse 1 verbunden. Wird
nun der Kanal 12 durch das Stellglied 11 verschlossen,
so wirkt eine Kraft vom Fluid im Kanal 12 auf die den Kanal 12 verschließende Fläche des Stellgliedes 11,
die in Richtung des Stellgliedes 11 weist. Durch die fluidische
Verbindung zum Hohlvolumen 15 wirkt die gleiche Kraft auch
auf die Membrane 16, allerdings in entgegen gesetzter Richtung.
Die Größe der wirksamen
Membranfläche
wird nun so ausgelegt, daß sie
der Querschnittsfläche
des Kanals 12 entspricht, so daß der auf das Stellglied 11 wirkende
Differenzdruck gleich 0 ist und lediglich die Summe der Kraft der
Feder 10 und der elektromagnetisch induzierten Kraft die
Stellung des Stellgliedes 11 bestimmen.
-
Wird nun also die Wicklung 3 mit
Strom versorgt, so entsteht induktiv ein elektromagnetisches Feld,
wobei die Feldlinien vom Anker 6 über das Rückschlußblech 7 das Joch 4 und
den Kern 5 wiederum in Richtung des Ankers 6 weisen.
Die hierdurch entstehende elektromagnetische Kraft zieht den Anker 6 zum
Kern 5 entgegen der wirksamen Federkraft. Hierdurch wird
der Anker 6 entlang der Mittenachse in Richtung des Kerns
bewegt und somit auch das Stellglied 11 von seinem Sitz
gehoben.
-
Wird die Bestromung der Spule wieder
ausgeschaltet, ist lediglich die Federkraft wirksam und der Anker
wird wieder entlang der Mittenachse auf dem Dorn 8 in seine
ursprüngliche
Stellung zurück bewegt.
-
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung liegt eine
Konstruktion vor, durch die die Lebensdauer einer elektromagnetischen
Stellvorrichtung durch geringeren Verschleiß erhöht wird und gleichzeitig Herstellungskosten
eingespart und der benötigte
Bauraum minimiert wird.
-
Veränderungen bezüglich der
Form der einzelnen Bauteile bzw. der Einsatz einer solchen elektromagnetischen
Stellvorrichtung nicht als Ventil, sondern in anderen Funktionen
sind ebenfalls Bestandteil dieser Erfindung.