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Die Erfindung betrifft ein Ankerelement
für einen
elektromagnetischen Aktuator mit wenigstens einem eine Polfläche aufweisenden
Elektromagneten, das einen Führungsbolzen
und eine mit dem Führungsbolzen
verbundene Ankerplatte aufweist.
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Ein elektromagnetischer Aktuator
der vorstehend bezeichneten Art wird für eine Reihe von Einsatzfällen durch
wenigstens einen bestrombaren Elektromagneten gebildet, dessen Polfläche mit
Abstand zur Ankerplatte des Ankerelements zugeordnet ist, das über wenigstens
eine Rückstellfeder
in einer ersten Schaltstellung gehalten wird und bei Bestromung
des Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder an der Polfläche des
Elektromagneten zur Anlage gebracht wird. Beim Stromlossetzen des Elektromagneten
wird das Ankerelement wieder in die erste Schaltstellung durch die
Rückstellkraft
der Rückstellfeder
zurückbewegt,
so daß ein
mit dem Ankerelement in Verbindung stehendes Stellelement entsprechend
geschaltet werden kann.
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Darüber hinaus sind elektromagnetische
Aktuatoren bekannt, die zwei mit ihren Polflächen gegeneinander gerichtete
und mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagneten aufweisen,
zwischen denen das mit dem Stellelement in Verbindung stehende Ankerelement
gegen die Kraft von Rückstellfedern
bei entsprechender Bestromung der Elektromagneten hin- und herbewegt
wird. Derartige Aktuatoren werden beispielsweise zur Betätigung von
Gaswechselventilen an Kolbenbrennkraftmaschinen eingesetzt. Hierbei
wird über
das Ankerelement das Gaswechselventil in der ersten Schaltstellung
durch den einen der beiden Elektromagneten in Schließstellung
und nach Abschalten des Haltestroms und Einschalten des Fangstroms
vom anderen Elektromagneten in Öffnungsstellung
gehalten. Das bedeutet, daß ein
Gaswechselventil an einer Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine abhängig von
der Kurbelwellendrehung mit einer sehr hohen Schalthäufigkeit
betätigt
wird. Da trotz der hohen Schaltfrequenzen die sehr kurzen Schaltzeiten
sehr genau eingehalten werden müssen,
ist es von entscheidender Bedeutung, daß das Ankerelement wirbelstromarm
ausgebildet ist, damit es sich beispielsweise beim Abschalten des
Haltestroms sehr schnell von der Polfläche lösen kann.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, ein gegenüber
den bisher bekannten Konzeptionen verbessertes Ankerelement zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Ankerelement für
einen elektromagnetischen Aktuator mit wenigstens einem eine Polfläche aufweisenden
Elektromagneten, das einen Führungsbolzen
und eine mit dem Führungsbolzen
verbundene Ankerplatte aufweist, die zumindest teilweise aus einem
weichmagnetischen Material besteht, das durch eine mit ferromagnetischen
Partikeln gefüllte
Matrix aus einem elektrisch nicht leitenden Kunststoff gebildet
wird. Dadurch, daß die
ferro-magnetischen Partikel in eine Matrix aus einem elektrisch nicht
leitenden Kunststoff eingebettet sind, besteht selbst bei einer
hohen Füllung
der Matrix mit ferro-magnetischen Partikeln zwischen den einzelnen Partikeln
kein oder nur zwischen einer geringen Anzahl von Partikeln ein unmittelbarer
elektrisch leitender Kontakt. Hierdurch ist gewährleistet, daß unter dem
Einfluß der
wechselnden Feldstärken
des Magnetfeldes, insbesondere durch die plötzliche Abnahme der Feldstärke beim
Abschalten des Haltestroms, aber auch beim Anwachsen des Magnetfeldes
beim Einschalten des Fangstroms praktisch keine störenden Wirbelströme in der
Ankerplatte auftreten können.
Ein wesentlicher Vorteil einer derartigen Ankerplatte besteht außerdem in
einer deutlichen Minderung des Plattengewichts gegenüber herkömmlichen,
aus metallischen Werkstoffen bestehenden Ankerplatten, so daß beim Abschalten
des Haltestroms durch die Rückstellfeder
auf das Ankerelement eine höhere
Beschleunigungskraft und damit auch höhere Bewegungsgeschwindigkeiten
beim Schaltvorgang bewirkt werden können oder aber gegenüber herkömmlichen
metallischen Ankerplatten weichere Rückstellfedern eingesetzt werden
können.
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Die ferro-magnetischen Partikel können als feines
Pulver in den die Kunststoffmatrix bildenden Kunststoff eingebracht
werden, wobei Korngrößen im Bereich
von 1/100 mm bis in den Bereich von etwa 1 bis 2 mm eingesetzt werden
können.
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Zweckmäßig bestehen die ferro-magnetischen
Partikel aus einem weichmagnetischen Material.
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Die Partikel müssen nicht notwendigerweise eine
Kugelform oder eine kugelähnliche
Form aufweisen, sondern können
auch eine irreguläre
Form aufweisen, beispielsweise in einer Form, wie sie beispielsweise
als sogenannte spratzige Pulver aus der Sintermetallurgie bekannt
sind. Derartige irreguläre Formen
können
eine günstige
mechanische Einbindung der Partikel in die Kunststoffmatrix bewirken.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß die
Ankerplatte als Ganzes aus dem mit ferro-magnetischen Partikeln
gefüllten
Kunststoff besteht. Da üblicherweise
der Führungsbolzen
im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit
gegen mechanischen Verschleiß aus
einem Stahlwerkstoff hergestellt ist, muß in diesem Fall die Ankerplatte
formschlüssig
nach Art einer Nietung mit dem Führungsbolzen
verbunden werden.
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Das Ankerelement mit Ankerplatte
und Führungsbolzen
kann bei einer den gestellten Anforderungen genügenden mechanischen Festigkeit
einstückig
stoffschlüssig
aus dem mit ferromagnetischen Partikeln gefüllten Kunststoff bestehen.
Dadurch ergibt sich eine weitere Gewichtsverminderung und eine Reduzierung
der zu bewegenden Masse. Der Führungsbolzen
ist zweckmäßig in seinem
Führungsbereich
mit einer verschleißfe sten
Hülse,
beispielsweise an einem nicht-magnetischen und/oder elektrisch-nicht-
oder schlecht-leitenden Metall versehen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß der
Führungsbolzen
mit zumindest teilweise radial ausgerichteten Versteifungselementen versehen
ist, die mit dem aus den mit ferro-magnetischen Partikeln gefüllten Kunststoffmaterial
verbunden sind. Durch die Anordnung derartiger Versteifungselemente,
die aus einem metallischen Werkstoff bestehen können, der jedoch vorzugsweise elektrisch
schlecht leitende Eigenschaften aufweisen sollte, wird für die Ankerplatte
eine Armierung bewirkt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Versteifungselemente,
wenn sie beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen,
mit dem Führungsbolzen
durch Löten,
Schrumpfen oder ähnliche Verbindungstechniken
verbunden werden können.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung
sind die Versteifungselemente in das Kunststoffmaterial eingebettet.
Dies kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß der mit
den Versteifungselementen versehene Führungsbolzen in eine Form eingelegt
wird, in die dann das Kunststoffmaterial die Versteifungselemente
umschließend
eingeformt wird.
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Die Kunststoffmatrix besteht zweckmäßigerweise
aus einem unter Druck formbaren und/oder verdichtbaren Kunststoff,
so daß ein
mit den ferro-magnetischen Partikeln vermischtes Kunststoffpulver
in eine entsprechende Form eingefüllt und unter Druck verformt
werden kann. Bei entsprechender Kunststoffwahl kann zusätzlich zu
der Druckverformung auch noch eine Aushärtung durch die Zufuhr von
Energie, beispielsweise in Form von Wärme oder auch Strahlung, vorgenommen
werden, die die endgültige
Vernetzung des Kunststoffmaterials bewirkt. Um ein Entmischen eines
mit den ferro-magnetischen Partikeln versetzten Kunststoffmaterials
beim Formen der Ankerplatte zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein,
dieser Mischung durch die Zugabe eines Formhilfsmittels und/oder
eines Lösungsmittels,
das sich entweder verflüchtet
oder als Reaktionskomponente für
den Kunststoff benötigt
wird, zumindest eine pastenförmige
Konsistenz zu geben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß zumindest
die den Polflächen
des Elektromagneten zugekehrten Flächenbereiche der Ankerplatte
mit einer metallischen Abdeckung versehen sind, die beispielsweise
aus einem ferromagnetischen, vorzugsweise einem weichmagnetischen Material
bestehen.
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Weitere Merkmale und Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Ansprüchen
und in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Die Zeichnungen zeigen:
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1 einen
elektromagnetischen Aktuator mit einem Elektromagneten und einem
Ankerelement, teilweise im Schnitt;
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2 eine
weitere Ausführungsform
eines Aktuators, teilweise im Schnitt;
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3 das
Ankerelement des Aktuators gemäß 2 in einer perspektivischen
Ansicht;
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4 eine
Abwandlung des Ankerelements gemäß 3;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Ankerelements;
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6 das
Ankerelement im Schnitt gemäß der Linie
VI-VI in 5;
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7 ein
vollständig
aus Kunststoff bestehendes Ankerelement.
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In 1 ist
ein elektromagnetischer Aktuator dargestellt mit einem Elektromagneten 1,
der einen geblechten Jochkörper 2 aufweist,
der auf seiner eine Polfläche 3 bildenden
Seite mit quer zur Erstreckung der Blechung verlaufenden Nuten 4 versehen
ist. In die Nuten 4 ist eine im wesentlichen ringförmige Spule 5 eingelegt.
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Der Jochkörper 2 ist mit einer
Führungsbohrung 6 versehen,
in der ein Führungsbolzen 7 hin- und
herbewegbar gehalten ist. Der Führungsbolzen 7 ist
an seinem der Polfläche 3 zugeordneten
Ende mit einem plattenförmigen
Ankerelement 8 verbunden. Das dem Ankerelement 8 abgekehrte
Ende 7.1 des Führungsbolzens 7 stützt sich
auf einer Rückstellfeder 9 ab,
die das Ankerelement 8 in einer ersten Schaltstellung hält. Bei
Bestromung der Spule 5 wird das Ankerelement 8 durch
das sich aufbauende Magnetfeld an der Polfläche 3 zur Anlage gebracht
und hierdurch die zweite Schaltstellung bewirkt. Ein mit dem Ende 7.1 des
Führungsbolzens 7 in
Verbindung stehendes Stellelement wird somit entsprechend aus seiner
ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bewegt.
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Die Ankerplatte 8 besteht
erfindungsgemäß aus einem
weichmagnetischen Material, das durch eine mit ferro-magnetischen
Partikeln gefüllte
Matrix aus einem elektrisch nicht leitenden Kunststoff gebildet
wird. Die Ankerplatte 8 ist bei dieser Ausführungsform
mit einer Mittelbohrung versehen und formschlüssig über einen Befestigungszapfen 10 mit dem
Führungsbolzen 7 fest
verbunden.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform mit zwei Elektromagneten,
deren Polflächen 3.1 und 3.2 einander
zugekehrt sind, ist der Führungsbolzen 7 mit
radial ausgerichteten Versteifungselementen 11 verbunden,
die in das die ferromagnetischen Partikel enthaltende Kunststoffmaterial
der Ankerplatte 8 eingebettet sind. Die Versteifungselemente 11 können hierbei,
wie aus der perspektivischen Ansicht gemäß 3 ersichtlich, als armförmige Stege ausgebildet
sein, so daß auch
in den Versteifungselementen 11 die Ausbildung von Wirbelströmen praktisch
unterbunden ist – selbst
dann, wenn diese aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem
Metall, bestehen.
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Wie 2 erkennen
läßt, ist
die radiale Erstreckung der Versteifungselemente 11 zweckmäßigerweise
so vorgesehen, daß sie
im wesentlichen quer zur Erstreckung der Polflächen 3 des Jochkörpers 2 ausgerichtet
sind.
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Durch die Einbettung der Versteifungselemente 11 in
den Kunststoff ergibt sich ferner eine bessere Verteilung der beim
Auftreffen der Ankerplatte 8 auf die Polflächen 3 wirksam
werdenden mechanischen Beanspruchung.
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In 4 ist
eine Abwandlung der Ausführungsform
gemäß 2/3 dargestellt, bei der zumindest auf
der den Polflächen 3 zugekehrten
Seite der Ankerplatte 8 eine Schutzabdeckung 12 beispielsweise
aus einem Metallblech vorgesehen ist. Die Schutzabdeckung 12 kann
hierbei beispielsweise die gesamte untere Fläche der Ankerplatte 8 überdecken und über entsprechende
in den Kunststoff der Ankerplatte 8 eingebettete randseitige
Ansätze 12.1 mit dieser
fest verbunden sein. Die Schutzabdeckung 12 kann auch aus
einem weichmagnetischen Material bestehen, da aufgrund der geringen
Wandstärke
die Wirbelstrombildung noch von vernachlässigbarem Einfluß ist.
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5 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung in Form einer Explosionsdarstellung
eine abgewandelte weitere Ausführungsform.
Diese besteht wiederum im wesentlichen aus dem Führungsbolzen 7 und
einer Ankerplatte 8. Die Ankerplatte 8 weist ein mit
dem Führungsbolzen 7 fest
verbundenes rahmenförmiges
Versteifungselement 11 auf, das durch Plattenelemente 8.1 aus
dem mit ferro-magnetischen Partikeln versehenen Kunststoff ausgefüllt ist.
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Wie aus 5 ersichtlich, ist der Führungsbolzen 7 mit
dem Rahmenelement über
einen Quersteg 11.1 fest verbunden, der seinerseits mit
einem umlaufenden Randsteg 11.2 in Verbindung steht. Das
Rahmenelement 11 umfaßt
die beiden Plattenelemente 8.1 formschlüssig.
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Wie der in 6 wiedergegebene Schnitt entlang der
Linie VI-VI in 5 zeigt,
können
die Plattenelemente 8.1 in den vom Rahmenelement 4 umschlossenen
Bereich eingepreßt
sein, wobei auf den nach innen weisenden Flächenbereichen des Rahmenelements 11 entsprechende
linien- oder buckelförmige
Erhöhungen 14 vorgesehen
sind, die die Plattenteile 8.1 formschlüssig im Rahmenelement 11 fixieren.
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Auch bei dieser Ausführungsform
kann, wie aus 5 ersichtlich,
jeweils die den Polflächen
des Elektromagneten zugekehrten Flächenbereiche der Ankerplatte 8 mit
einer dünnen
Abdeckung 15, beispielsweise aus einem weichmagnetischen
Metallblech, abgedeckt sein. Diese Abdeckung 15 kann durch
Klebung mit der Abdeckplatte und/oder durch randseitigen, die Kanten
des rahmenförmigen
Versteifungselements 13 umgreifenden Formschluß befestigt
sein.
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Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der
Quersteg 11.1 in Richtung des zwischen den Polschenkeln
verlaufenden Magnetflusses.
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Als Ausführungsbeispiele wurden Ankerplatten
mit rechteckiger Umfangskontur dargestellt und beschrieben. Die
erfindungsgemäße Lösung läßt sich
jedoch auch für
Ankerformen einsetzen, die eine quadratische, polygonale, kreisförmige oder
beliebige andere Umfangskontur aufweisen.
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Sowohl bei den in 2 und 3 dargestellten armförmigen Versteifungselementen 11 als
auch bei der Ausführungsform
gemäß der in 5 dargestellten rahmenförmig ausgebildeten
Versteifungselemente 13 ist es möglich, diese statt aus einem weichmagnetischen
Reineisen aus einem weichmagnetisches Material enthaltenden metallurgischen
Sinterpulver herzustellen. Zweckmäßig wird hierzu ein sinterbares
Pulver verwendet, bei dem die Partikel aus dem weichmagnetischen
Material trotz der Sinterung im wesentlichen gegeneinander elektrisch
isoliert sind. Dies kann durch Beimischung von sinterbaren, elektrisch
nicht leitenden Pulveranteilen bewirkt werden. Damit wird auch in
den Versteifungselementen gegenüber
einer Ausführung
in Reineisen die Entstehung von Wirbelströmen im Vergleich zu einem weichmagnetischen
Vollmetall vermindert.
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In 7 ist
eine Ausführungsform
für ein
Ankerelement dargestellt, das einstückig stoffschlüssig aus
dem mit ferromagnetischen Partikeln gefüllten Kunststoffmaterial besteht.
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Die Ankerplatte 8 und der
Führungsbolzen 7 sind
in einem Arbeitsgang geformt.
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Im Führungsbereich 16 ist
der Führungsbolzen 7 mit
einer verschleißfesten
Hülse 16,
beispielsweise aus Metall vorgesehen. In diesem Bereich braucht
keine Rücksicht
auf eine etwaige Wirbelstrombildung genommen zu werden.
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Auch hierbei können Versteifungselemente aus
einem anderen Werkstoff in die Ankerplatte 8 und/oder in
den Führungsbolzen 7 eingeformt
sein.
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An der Kontaktstelle mit einem Stellelement oder
dem Federbolzen 9.1 in 2 kann
ein entsprechender "Schuh" als Verschleißschutz
vorgesehen sein.