DE19839884B4

DE19839884B4 - Elektromagnet, insbesondere Proportionalmagnet zur Betätigung eines hydraulischen Ventils

Info

Publication number: DE19839884B4
Application number: DE19839884A
Authority: DE
Inventors: Eduard Dipl.-Ing. Golovatai-Schmidt; Martin Dipl.-Ing. Steigerwald; Jens Dipl.-Ing. Schäfer
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: US6313726B1; DE19839884A1

Abstract

Elektromagnet, insbesondere Proportionalmagnet zur Betätigung eines hydraulischen Ventils, welches innerhalb eines Hydrauliksystems einer Vorrichtung zur Variierung der Ventilsteuerzeiten einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, bestehend aus zumindest einer von einem hohlzylindrischen Spulenkörper (2) getragenen Spulenwicklung (3), deren Spulenkörper (2) umfangsseitig von einem hohlzylindrischen Magnetgehäuse (4) umschlossen sowie stirnseitig von zwei axial zueinander beabstandeten Polschuhen (5, 6) begrenzt wird, und aus einem in dem als Ankerraum (7) ausgebildeten Hohlzylinder des Spulenkörpers (2) angeordneten sowie axial beweglichen, zylindrischen Magnetanker (8), welcher in drehlängsbeweglichen Axialführungen reibungsarm gelagert ist und dessen elektromagnetisch erzeugte Axialbewegungen über eine in axialer Verlängerung mit diesem verbundene Stößelstange (10) entgegen der Kraft einer Feder auf einen hydraulischen Ventilkolben übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß als drehlängsbewegliche Axialführungen des Magnetankers (8) mindestens ein zugleich als Antiklebemittel des Magnetankers (8) ausgebildeter, laufhülsenloser Linearkugelkäfig mit einer Anzahl umfangsverteilter Kugeln vorgesehen ist, wobei die Außenmantelfläche (9) des Magnetankers (8) und/oder die Mantelfläche (11) der Stößelstange...

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1, und sie ist insbesondere vorteilhaft für Proportionalmagneten zur Betätigung eines innerhalb eines Hydrauliksystems einer Vorrichtung zur Variierung der Ventilsteuerzeiten einer Brennkraftmaschine angeordneten hydraulischen Ventils geeignet.

Ein derartiger Proportional- oder auch Stellmagnet ist gattungsbildend aus der DE-OS 22 55 272 vorbekannt. Dieser Stellmagnet besteht im wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Spulenkörper und einer von diesem getragenen Spulenwicklung, die zusammen umfangsseitig von einem hohlzylindrischen Magnetgehäuse umschlossen werden. Stirnseitig wird der Spulenkörper von zwei axial zueinander beabstandeten Polschuhen begrenzt, wobei der eine Polschuh einteilig mit dem Magnetgehäuse ausgebildet ist. Darüber hinaus weist der Stellmagnet einen axial beweglichen zylindrischen Magnetanker auf, der in dem als Ankerraum ausgebildeten Hohlzylinder des Spulenkörpers angeordnet ist und dessen elektromagnetisch erzeugte Axialbewegungen über eine mit dem Magnetanker verbundene Stößelstange entgegen der Kraft einer Druckfeder auf einen hydraulischen Ventilkolben übertragbar sind. Dieser Magnetanker ist in drehlängsbeweglichen Axialführungen reibungsarm gelagert, damit dieser einen gleichmäßigen Luftspalt zwischen seiner Mantelfläche und dem Spulenkörper aufweist und somit die mit zunehmender Exzentrizität des Magnetankers erheblich zunehmenden Radialkräfte auf den Magnetanker auf ein Minimum reduziert werden. Die drehlängsbeweglichen Axialführungen sind dabei als zwei in die Polschuhe des Stellmagneten eingepreßte Axialkugellager ausgebildet, in denen die Enden der einerseits verlängert ausgebildeten und den Magnetanker axial durchdringenden Stößelstange gelagert sind. Diese Axialkugellager weisen jeweils einen in ihrem Inneren axial beweglichen Kugelkäfig mit einer Anzahl gleichmäßig umfangsverteilter Kugeln auf, deren innere Lauffläche durch die Mantelfläche der Stößelstange und deren äußere Lauffläche durch die Innenmantelfläche der jeweiligen Lagerlaufhülse gebildet werden. In diesen Axialkugellagern gelagert ist der Magnetanker zwischen den Polschuhen des Stellmagneten axial beweglich, wobei zur Vermeidung des Aufsetzens des Magnetankers auf die Polschuhe bzw. zur Vermeidung des damit verbundenen plötzlichen Anstieges der Axialkraft auf den Magnetanker dieser stirnseitig mit sogenannten Antiklebescheiben aus einem nichtferromagnetischen Material ausgebildet ist.

Nachteilig bei diesem bekannten Stellmagneten ist es, daß die an sich ein sehr gutes Reibverhalten aufweisenden Axialkugellager zur drehlängsbeweglichen Axialführung des Magnetankers durch ihre aufwendige Konstruktion, bestehend aus Laufhülse, Kugelkäfig und Kugelsatz, relativ kostenaufwendig sind und durch deren ebenfalls relativ aufwendige Montage somit die Gesamtherstellungskosten eines derart ausgebildeten Stellmagneten unverhältnismäßig erhöhen. Darüber hinaus weisen die zumeist als Tiefziehteile ausgebildeten Laufhülsen derartiger Axialkugellager grundsätzlich eine aus verfahrensbedingten Differenzen ihrer Materialstärke resultierende Konzentrizität ihrer Innenmantelflächen auf, so daß die beabsichtigte zentrische Lagerung des Magnetankers nur selten exakt erreichbar ist und nach wie vor unerwünschte Radialkräfte auf den Magnetanker wirken können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagneten, insbesondere Proportionalmagneten zur Betätigung eines hydraulischen Ventils, zu konzipieren, dessen Magnetanker eine reibungsarme drehlängsbewegliche Axialführung aufweist, welche kostengünstig und einfach ausgebildet ist und in jedem Fall eine exakt zentrische Lagerung des Magnetankers gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Elektromagneten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, daß als drehlängsbewegliche Axialführung des Magnetankers mindestens ein zugleich als Antiklebemittel des Magnetankers ausgebildeter, laufhülsenloser Linearkugelkäfig mit einer Anzahl umfangsverteilter Kugeln vorgesehen ist, wobei die Außenmantelfläche des Magnetankers und/oder die Mantelfläche der Stößelstange als innere Lauffläche der Kugeln und die Innenmantelfläche eines oder mehrerer der den Ankerraum des Spulenkörpers begrenzenden Bauteile als äußere Lauffläche der Kugeln ausgebildet ist.

In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagneten werden die drehlängsbeweglichen Axialführungen des Magnetankers dabei bevorzugt durch zwei voneinander beabstandete Linearkugelkäfige gebildet, die aus einem Kunststoff oder aus einem nichtferromagnetischen Material bestehen und mit zumindest zwei umlaufenden Kugelreihen mit gleichmäßig umfangsverteilten Kugeln ausgebildet sind. Diese Linearkugelkäfige sind gegenüber den Stirnseiten des Magnetankers direkt auf der bevorzugt verlängert ausgebildeten und den Magnetanker axial durchdringenden Stößelstange angeordnet, so daß die Mantelfläche der im übrigen auch aus zwei Teilen herstellbaren Stößelstange jeweils als innere Lauffläche der Kugeln der Linearkugelkäfige ausgebildet ist. Die mit den äußeren Laufflächen der Kugeln der Linearkugelkäfige ausgebildeten und den Ankerraum des Spulenkörpers begrenzenden Bauteile werden bei dieser Ausführungsform durch die Polschuhe des Proportionalmagneten gebildet, die bevorzugt aus jeweils einer Polplatte und jeweils einem sich axial von dieser weg in den Ankerraum des Spulenkörpers erstreckenden hohlzylindrischen Polkern bestehen, wobei die Polkerne jeweils einen größeren Hohlzylinder und einen kleineren Hohlzylinder aufweisen und die Innenmantelflächen der kleineren Hohlzylinder der Polkerne jeweils als äußere Laufflächen der Linearkugelkäfige ausgebildet sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, die den Magnetanker wenigstens in seinen Endbereichen aufnehmenden größeren Hohlzylinder der Polkerne beider Polschuhe bevorzugt mit einem stufenförmigen Übergang zu den kleineren Hohlzylindern der Polkerne beider Polschuhe auszubilden und die Übergänge als axiale Hubbegrenzungen des Magnetankers zu nutzen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung dieser ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagneten wird es noch vorgeschlagen, in den Hubendstellungen des Magnetankers zwischen dessen Stirnseiten und den Übergängen zu den kleineren Hohlzylindern der Polkerne einen jeweils ankerseitig an die Linearkugelkäfige angeformten Ringbund anzuordnen. Dieser aus dem gleichen Material wie die Linearkugelkäfige bestehende Ringbund ist als Antiklebemittel des Magnetankers ausgebildet und integriert somit die in der Vermeidung des direkten Aufsetzens des Magnetankers auf die Übergänge in den Polschuhen bestehende Funktion einer ansonsten gesondert anzuordnenden Antiklebescheibe in kostengünstiger Weise in die beiden Linearkugelkäfige.

Hinsichtlich der verwendeten Materialien hat es sich gezeigt, daß eine be vorzugt aus einem nichtferromagnetischen Material bestehende Stößelstange eine ausreichende Festigkeit hat, um der bei Verwendung der vorgeschlagenen Linearkugelkäfige auftretenden Kugelkontaktpressung auf deren als innere Lauffläche der Kugeln ausgebildete Mantelfläche verformungsfrei zu widerstehen. Die Kugelkontaktpressung auf die als äußere Lauffläche der Kugeln ausgebildete Mantelfläche der kleineren Hohlzylinder der Polschuhe ist dabei durch günstigere Schmiegungsverhältnisse geringer als bei der Stößelstange, so daß auch die Härte der aus einem Weicheisen oder aus einem niedriglegierten Stahl bestehenden Polschuhe ausreichend ist, um auftretende Axialkräfte aufzunehmen. Um jedoch eine kostenminimierte Herstellung der Polschuhe des erfindungsgemäßen Elektromagneten zu ermöglichen, wird es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Polschuhe bevorzugt als Weicheisen-Fließpreßteile auszubilden, deren durch das Umformen herabgesetzte ferromagnetische Eigenschaften durch Rekristallisationsglühen wieder hergestellt werden. Fakultativ ist es darüber hinaus noch möglich, eine eventuell nachlassende Materialfestigkeit zumindest an den Innenmantelflächen der kleineren Hohlzylinder der Polschuhe durch eine zusätzliche Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Nitrieren oder durch eine GX-Beschichtung, derart auszugleichen, daß diese eine für Kugellaufflächen geeignete erhöhte Festigkeit aufweisen. Die Beeinträchtigung des Magnetfeldes durch eine derartige Beschichtung ist dabei nachgewiesenermaßen vernachlässigbar.

In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagneten werden die drehlängsbeweglichen Axialführungen des Magnetankers dagegen bevorzugt nur aus einem wenigstens zwei axial zueinander beabstandete Kugelreihen aufweisenden und aus einem Kunststoff oder aus einem nichtferromagnetischen Material bestehenden Linearkugelkäfig gebildet, der auf einem als innere Lauffläche der Kugeln des Linearkugelkäfigs ausgebildeten sowie durchmesserverringerten Abschnitt der Mantelfläche des Magnetankers angeordnet ist. Der Abstand der Kugelreihen ist dabei bevorzugt derart gewählt, daß sich ein optimaler Abstützeffekt sowohl bei axialer Verschiebung als auch bei Verkippung des Magnetankers ergibt. Als kostenmi nimierte Variante ist es hierbei auch möglich, einen gleichartig angeordneten Linearkugelkäfig mit nur einer Kugelreihe sowie einem axial zu dieser beabstandeten Gleitlagerabschnitt auszubilden, so daß der durchmesserverringerte Abschnitt des Magnetankers nicht nur als innere Lauffläche der Kugeln sondern auch als innere Gleitfläche des Gleitlagerabschnittes des Linearkugelkäfigs ausgebildet ist.

In zweckmäßiger Weiterbildung dieser zweiten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Elektromagnet im Vergleich zur ersten Ausführungsform einen geringfügig geänderten Aufbau dahingehend auf, daß der eine Polschuh des Proportionalmagneten wieder bevorzugt aus einer Polplatte und einem sich von dieser weg in den Ankerraum des Spulenkörpers erstreckenden hohlzylindrischen Polkern besteht, während der andere Polschuh lediglich durch eine ringförmige Polplatte gebildet wird. Diese ringförmige Polplatte wird dann von einem den gesamten Ankerraum auskleidenden Druckrohr durchdrungen, welches in diesem Fall das den Ankerraum des Spulenkörpers begrenzende Bauteil bildet, dessen Innenmantelfläche als äußere Lauffläche der Kugeln des Linearkugelkäfigs sowie gegebenenfalls als äußere Gleitfläche des Gleitlagerabschnittes ausgebildet ist. Das Druckrohr ist dabei zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses aus einem nichtferromagnetischen Material ausgebildet und weist bevorzugt ebenso wie der durchmesserverringerte Abschnitt der Mantelfläche des Magnetankers zur Gewährleistung der Dauerfestigkeit bezüglich der Flächenpressung der Kugeln auf deren innere und äußere Laufflächen eine durch zusätzliche Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise durch Nitrieren oder durch eine GX-Beschichtung, erhöhte bzw. für Kugellaufflächen geeignete Festigkeit auf.

Die gleichzeitige Funktion des Linearkugelkäfigs als Antiklebemittel des Magnetankers wird bei der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagneten dadurch erzielt, daß der durchmesserverringerte Abschnitt der Mantelfläche des Magnetankers, der zur übrigen Mantelfläche des Magnetankers bevorzugt einen stufenförmigen Absatz bildet, eine größere axiale Erstreckung als der Linearkugelkäfig aufweist und in einer der End stellungen des Magnetankers mit seiner mit der Stößelstange verbundenen Stirnseite in eine Aufsenkung eintaucht, die am ankerseitigen Ende einer zur Durchführung der Stößelstange durch den einen Polschuh des Elektromagneten vorgesehenen Durchgangsbohrung angeordnet ist. Der Linearkugelkäfig auf dem Magnetanker stützt sich dabei in der einen, bevorzugt bestromten Endstellung des Magnetankers einerseits gegen den stufenförmigen Absatz am Magnetanker und andererseits gegen die ankerseitige Stirnfläche des Polkerns des einen Polschuhs ab, so daß er als Antiklebe-Distanzhalter wirkt, mit dem ein Aufsetzen des Magnetankers in der Aufsenkung der Durchgangsbohrung für die Stößelstange in dem einen Polschuh vermieden wird. In der anderen, bevorzugt unbestromten Endstellung des Magnetankers, in welche der Magnetanker durch die Hilfsenergie einer Druck- oder Zugfeder geschoben wird, liegt der Magnetanker an der Innenstirnseite des den Ankerraum auskleidenden nichtferromagnetischen Druckrohres an.

Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung bei einem Elektromagneten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auch derart gelöst werden, daß als drehlängsbewegliche Axialführungen des Magnetankers mindestens zwei aus einem Kunststoff oder aus einem nichtferromagnetischen Material bestehende und wenigstens zwei axial voneinander beabstandete Kugeln aufweisende, laufhülsenlose Kugelkäfigleisten vorgesehen sind, die innerhalb von radial einander gegenüberliegenden Axialnuten in der Außenmantelfläche des Magnetankers angeordnet sind, wobei die Grundfläche jeder Axialnut als innere Lauffläche der Kugeln und die Innenmantelfläche eines der den Ankerraum des Spulenkörpers begrenzenden Bauteile als äußere Lauffläche der Kugeln der Kugelkäfigleisten ausgebildet ist

Ebenso wie bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform besteht auch bei dieser Ausführungsform der eine Polschuh des Elektromagneten bevorzugt aus einer Polplatte und einem sich axial von dieser weg in den Ankerraum des Spulenkörpers erstreckenden hohlzylindrischen Polkern, während der andere Polschuh durch eine ringförmige Polplatte gebildet wird, die wiederum von einem den gesamten Ankerraum auskleidenden und mit seiner Innenmantelfläche die äußere Lauffläche der Kugeln der Kugelkäfigleisten bildenden Druckrohr durchdrungen wird. Dieses Druckrohr besteht dabei wieder zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses aus einem nichtferromagnetischen Material und weist bevorzugt ebenso wie die Axialnuten in der Mantelfläche des Magnetankers zur Gewährleistung der Dauerfestigkeit bezüglich der Flächenpressung der Kugeln eine durch zusätzliche Oberflächenbehandlung erhöhte bzw. für Kugellaufflächen geeignete Festigkeit auf.

In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagneten weist der Magnetanker an seiner mit der Stößelstange verbundenen einen Stirnseite zusätzlich einen durchmesserverringerten Abschnitt auf, mit dem er, ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, in der einen, bevorzugt bestromten Endstellung des Magnetankers in eine Aufsenkung eintaucht, die am ankerseitigen Ende einer zur Durchführung der Stößelstange durch den einen Polschuh des Elektromagneten vorgesehenen Durchgangsbohrung angeordnet ist. Eine an den durchmesserverringerten Abschnitt des Magnetankers angesetzte Antiklebescheibe verhindert dabei in an sich bekannter Weise ein direktes Aufsetzen des Magnetankers in der Aufsenkung der Stößelstangen-Durchgangsbohrung und den damit verbundenen plötzlichen Anstieg der Axialkraft des Magnetankers.

Als zweckmäßige Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung wird es schließlich noch vorgeschlagen, die einzelnen Kugelkäfigleisten bevorzugt als Leistenpaket auszubilden, indem diese durch einen Haltebügel miteinander verbunden sind. Dieser Haltebügel ist in der anderen, bevorzugt unbestromten Endstellung des Magnetankers in einer Quernut in dessen anderer Stirnseite versenkt angeordnet, um die Hublänge des Magnetankers nicht nachteilig einzuschränken.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Elektromagnet, insbesondere Proportionalmagnet zur Betätigung eines hydraulischen Ventils, weist somit in allen beschriebenen Ausführungsformen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Elektromagneten mit drehlängsbeweglich geführten Magnetankern den Vorteil auf, daß dessen drehlängsbewegliche Axialführungen durch die Verwendung bloßer Linearkugelkäfige bzw. Kugelkäfigleisten ohne Laufhülsen konstruktiv sehr einfach ausgebildet und somit sowie durch die mögliche Herstellung dieser Linearkugelkäfige bzw. Kugelkäfigleisten aus einem Kunststoff vor allem sehr kostengünstig herstellbar sind. Dadurch und durch die ebenfalls sehr einfache Montierbarkeit dieser Linearkugelkäfige bzw. Kugelkäfigleisten erhöhen sich die Gesamtherstellungskosten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten gegenüber solchen ohne drehlängsbeweglich geführten Magnetankern nur unwesentlich. Gleichzeitig hat das „Weglassen" der Laufhülsen der Linearkugelkäfige bzw. der Kugelkäfigleisten den positiven technischen Effekt, daß die, wie eingangs des beschreibenden Teils dargelegt, aus der Konzentrizität der Innenmantelflächen von Lagerlaufhülsen resultierenden Radialkräfte auf den Magnetanker nicht mehr auftreten können und somit in jedem Fall eine exakt zentrische Lagerung des Magnetankers gewährleistet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in unbestromter Stellung des Magnetankers;
2 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in bestromter Stellung des Magnetankers;
3 die drehlängsbeweglichen Axialführungen der ersten Ausfüh rungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in vergrößerter Einzeldarstellung;
4 die Polschuhe der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in quergeschnittener Einzeldarstellung;
5 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in unbestromter Stellung des Magnetankers;
6 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in bestromter Stellung des Magnetankers;
7 einen Querschnitt durch eine Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in bestromter Stellung des Magnetankers;
8 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in unbestromter Stellung des Magnetankers;
9 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in bestromter Stellung des Magnetankers;
10 die drehlängsbeweglichen Axialführungen der dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten in Einzeldarstellung.
Aus den 1, 5 und 8 geht deutlich ein Elektromagnet 1 hervor, mit dem ein nicht näher dargestelltes hydraulisches Ventil innerhalb eines Hydrauliksystems einer Vorrichtung zur Variierung der Ventilsteuerzeiten einer Brennkraftmaschine betätigt werden kann. Dieser Elektromagnet 1 besteht in bekannter Weise aus einem hohlzylindrischen Spulenkörper 2 und einer von diesem getragenen Spulenwicklung 3, die zusammen umfangsseitig von einem hohlzylindrischen Magnetgehäuse 4 umschlossen werden. Stirnseitig wird der Spulenkörper jeweils von zwei axial zueinander beabstandeten Polschuhen 5, 6 begrenzt, über welche das bei Bestromung der Spulenwicklung 3 erzeugte Magnetfeld in den als Ankerraum 7 ausgebildeten Hohlzylinder des Spulenkörpers 2 geleitet wird. In diesem Ankerraum 7 ist ein axial beweglicher, zylindrischer Magnetanker 8 angeordnet, welcher in drehlängsbeweglichen Axialführungen reibungsarm gelagert ist und dessen elektromagnetisch erzeugte Axialbewegungen über eine in axialer Verlängerung mit diesen verbundene, nichtferromagnetische Stößelstange 10 entgegen der Kraft einer ebenfalls nicht dargestellten Druckfeder auf einen hydraulischen Ventilkolben übertragbar sind.
Bei den in den 1 und 2 sowie 5 bis 7 gezeigten Elektromagneten 1 ist darüber hinaus erkennbar, daß die drehlängsbeweglichen Axialführungen des Magnetankers 8 erfindungsgemäß durch mindestens einen laufhülsenlosen Linearkugelkäfig mit einer Anzahl gleichmäßig umfangsverteilter Kugeln gebildet werden, der zugleich als Antiklebemittel des Magnetankers 8 zur Vermeidung des direkten Kontaktes des Magnetankers 8 mit den Polschuhen 5, 6 ausgebildet ist.
Der in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform ist dabei entnehmbar, daß die drehlängsbeweglichen Axialführungen des Magnetankers 8 im konkreten Fall durch zwei voneinander beabstandete Linearkugelkäfige 12, 13 gebildet werden, die aus einem Kunststoff bestehen und, wie in 3 angedeutet, jeweils zwei umlaufende Kugelreihen 14, 15 aufweisen. Diese Linearkugelkäfige 12, 13 sind gegenüber den Stirnseiten 16, 17 des Magnetankers 8 direkt auf der den Magnetanker 8 axial durchdringenden, verlängerten Stößelstange 10 angeordnet, so daß die Mantelfläche 11 der Stößelstange 10 jeweils als innere Lauffläche der Kugeln 18 der Linearkugelkäfige 12, 13 ausgebildet ist.
Die in 4 abgebildeten Polschuhe 5, 6 der ersten Ausführungsform des Elektromagneten 1 bestehen darüber hinaus aus jeweils einer Polplatte 19, 20 und jeweils einem hohlzylindrischen Polkern 21, 22, der sich jeweils axial von der Polplatte 19, 20 weg erstreckt und in den Ankerraum 7 des Spulenkörpers 2 hineinragt. Diese Polkerne 21, 22 weisen dabei jeweils einen größeren Hohlzylinder 25, 26, der die Endbereiche des Magnetankers 8 aufnimmt, und einen kleineren Hohlzylinder 29, 30, deren Innenmantelflächen 23, 24 jeweils als äußere Laufflächen der Kugeln 18 der Linearkugelkäfige 12, 13 ausgebildet sind, auf. Außerdem weisen die größeren Hohlzylinder 25, 26 der Polkerne 21, 22 jeweils stufenförmige Übergänge 27, 28 zu den kleineren Hohlzylindern 29, 30 der Polkerne 21, 22 auf, die als axiale Hubbegrenzungen des Magnetankers 8 ausgebildet sind. In den Hubendstellungen des Magnetankers 8 ist dann zwischen den Stirnseiten 16, 17 des Magnetankers 8 und den Übergängen 27, 28 zu den kleineren Hohlzylindern 29, 30 der Polkerne 21, 22 ein jeweils ankerseitig an die Linearkugelkäfige 12, 13 angeformter und als Antiklebemittel des Magnetankers 8 ausgebildeter Ringbund 31, 32 der in 3 dargestellten Art angeordnet, mit dem ein Aufsetzen des Magnetankers 8 auf die Übergänge 27, 28 in den Polschuhen 5, 6 vermeidbar ist. Vorteilhafterweise sind die Polschuhe 5, 6 zudem als kostengünstige Weicheisen-Fließpreßteile ausgebildet, wobei die Festigkeit der als Kugellaufflächen ausgebildeten Innenmantelflächen 23, 24 der kleineren Hohlzylinder 29, 30 ihrer Polkerne 21, 22 zusätzlich durch Nitrieren erhöht wird.
Aus der in den 5 und 6 gezeigten zweiten Ausführungsform des im wesentlichen den gleichen Grundaufbau aufweisenden Elektromagneten 1 geht hervor, daß die drehlängsbeweglichen Axialführungen des Magnetan kers 8 im Unterschied zur ersten Ausführungsform nur durch einen, ebenfalls aus einem Kunststoff bestehenden Linearkugelkäfig 33 gebildet werden, der zwei axial zueinander beabstandete Kugelreihen 34, 35 aufweist und auf einem als innere Lauffläche seiner Kugeln 36 ausgebildeten sowie durchmesserverringerten Abschnitt 37 der Außenmantelfläche 9 des Magnetankers 8 angeordnet ist. Als kostenminimierte Variante zu dieser zweiten Ausführungsform ist zusätzlich in 7 dargestellt, daß die drehlängsbeweglichen Axialführungen des Magnetankers 8 auch durch einen aus Kunststoff bestehenden Linearkugelkäfig 38 ausgebildet sein können, der nur eine Kugelreihe 34 und einen axial zu dieser beabstandeten Gleitlagerabschnitt 39 aufweist sowie in gleicher Weise auf einem durchmesserverringerten Abschnitt 37 des Magnetankers 8, welcher in diesem Fall zugleich die innere Lauffläche der Kugeln 36 und die innere Gleitfläche des Gleitlagerabschnittes 39 des Linearkugelkäfigs 38 bildet, angeordnet ist.
Als weiterer Unterschied der zweiten Ausführungsform zur ersten Ausführungsform ist in den 5 bis 7 zu sehen, daß der eine Polschuh 5 des Elektromagneten 1 aus einer Polplatte 19 und einem sich axial von dieser Polplatte 19 weg in den Ankerraum 7 des Spulenkörpers 2 erstreckenden, hohlzylindrischen Polkern 21 besteht, während der andere Polschuh 6 lediglich durch eine ringförmige Polplatte 20 gebildet wird. Diese Polplatte 20 wird dabei durch ein den gesamten Ankerraum 7 des Spulenkörpers 2 auskleidendes, nichtferromagnetisches Druckrohr 40 durchdrungen, dessen durch zusätzliches Oberflächennitrieren festigkeitserhöhte Innenmantelfläche 41 als äußere Lauffläche der Kugeln 36 des Linearkugelkäfigs 33 sowie gegebenenfalls als äußere Gleitfläche des Gleitlagerabschnittes 39 des Linearkugelkäfigs 38 ausgebildet ist.
Weiterhin ist aus den 5 bis 7 erkennbar, daß der einen umlaufenden Absatz 42 bildende durchmesserverringerte Abschnitt 37 des Magnetankers 8 eine größere axiale Erstreckung als der Linearkugelkäfig 33 oder 38 aufweist und in der in den 6 und 7 gezeigten bestromten Endstellung des Magnetankers 8 mit seiner mit der Stößelstange 10 verbundenen Stirn seite 16 in eine Aufsenkung 43 eintaucht, die am ankerseitigen Ende einer zur Durchführung der Stößelstange 10 durch den einen Polschuh 5 des Elektromagneten 1 vorgesehenen Durchgangsbohrung 44 angeordnet ist. In dieser bestromten Endstellung des Magnetankers 8 stützt sich der Linearkugelkäfig 33 oder 38 einerseits gegen den Absatz 42 am Magnetanker 8 und andererseits gegen die ankerseitige Stirnfläche 45 des Polkerns 21 des einen Polschuhs 5 ab, so daß er als ein als Antiklebemittel des Magnetankers 8 ausgebildeter Distanzhalter wirkt, mit welchem ein Aufsetzen des Magnetankers 8 in der Aufsenkung 43 der Stößelstangen-Durchgangsbohrung 44 des einen Polschuhs 5 vermeidbar ist.
Die in den 8 bis 10 dargestellte dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagneten 1 weist im wesentlichen den gleichen Grundaufbau wie die beschriebene zweite Ausführungsform auf, unterscheidet sich aber dadurch, daß als drehlängsbewegliche Axialführungen des Magnetankers 8 zwei aus einem Kunststoff bestehende, laufhülsenlose Kugelkäfigleisten 46, 47 vorgesehen sind, die jeweils zwei voneinander beabstandete Kugeln 48, 49 aufweisen und nicht mit der Doppelfunktion des Antiklebemittels des Magnetankers 8 ausgebildet sind. Diese Kugelkäfigleisten 46, 47 sind, wie in 10 deutlich zu sehen ist, innerhalb von radial einander gegenüberliegenden Axialnuten 50, 51 in der Außenmantelfläche 52 des Magnetankers 8 angeordnet, wobei die Grundfläche 53, 54 jeder Axialnut 50, 51 als innere Lauffläche der Kugeln 48, 49 ausgebildet ist. Die äußere Lauffläche der Kugeln 48, 49 der Kugelkäfigleisten 46, 47 wird wieder durch die oberflächenbehandelte Innenmantelfläche 59 eines den gesamten Ankerraum 7 des Spulenkörpers 2 ausgleitenden Druckrohres 58 gebildet, wobei die Polschuhe 5, 6 des Elektromagneten 1, deckungsgleich zur zweiten Ausführungsform, aus einer Polplatte 55 und einem sich axial von dieser Polplatte 5 weg in den Ankerraum 7 des Spulenkörpers 2 erstreckenden hohlzylindrischen Polkern 56 bzw. aus einer von dem Druckrohr 58 durchdrungenen Polplatte 57 bestehen.
Der Magnetanker 8 des Elektromagneten 1 weist bei dieser dritten Ausfüh rungsform an seiner mit der Stößelstange 10 verbundenen Stirnseite 60 nur einen relativ kurzen durchmesserverringerten Abschnitt 61 auf, der in der in 9 gezeigten bestromten Endstellung des Magnetankers 8 in eine am deutlichsten in 8 erkennbare Aufsenkung 62 eintaucht, die wieder am ankerseitigen Ende einer zur Durchführung der Stößelstange 10 durch den einen Polschuh 5 vorgesehenen Durchgangsbohrung 63 angeordnet ist. Eine an den durchmesserverringerten Abschnitt 61 des Magnetankers 8 angesetzte Antiklebescheibe 64 verhindert dabei ein direktes Aufsetzen des Magnetankers 8 in der Aufsenkung 62 der Stößelstangen-Durchgangsbohrung 63.
In 10 ist schließlich noch zu sehen, daß die Kugelkäfigleisten 46, 47 durch einen Haltebügel 65 zu einem kostengünstig herstellbaren Leistenpaket miteinander verbunden sind. Dieser Haltebügel 65 ist in der in 8 dargestellten unbestromten Endstellung des Magnetankers 8 in einer Quernut 66 in dessen anderer Stirnseite 67 versenkt angeordnet, um die Hublänge des Magnetankers 8 nicht zu verkürzen.

1: Elektromagnet
2: Spulenkörper
3: Spulenwicklung
4: Magnetgehäuse
5: Polschuh
6: Polschuh
7: Ankerraum
8: Magnetanker
9: Außenmantelfläche
10: Stößelstange
11: Mantelfläche
12: Linearkugelkäfig
13: Linearkugelkäfig
14: Kugelreihe
15: Kugelreihe
16: Stirnseite
17: Stirnseite
18: Kugeln
19: Polplatte
20: Polplatte
21: Polkern
22: Polkern
23: Innenmantelfläche
24: Innenmantelfläche
25: Hohlzylinder
26: Hohlzylinder
27: Übergang
28: Übergang
29: kleiner Hohlzylinder
30: kleiner Hohlzylinder
31: Ringbund
32: Ringbund
33: Linearkugelkäfig
34: Kugelreihe
35: Kugelreihe
36: Kugeln
37: durchmesserverringerter
: Abschnitt
38: Linearkugelkäfig
39: Gleitlagerabschnitt
40: Druckrohr
41: Innenmantelfläche
42: Absatz
43: Aufsenkung
44: Durchgangsbohrung
45: Stirnfläche
46: Kugelkäfigleiste
47: Kugelkäfigleiste
48: Kugel
49: Kugel
50: Axialnut
51: Axialnut
52: Außenmantelfläche
53: Grundfläche
54: Grundfläche
55: Polplatte
56: Polkern
57: Polplatte
58: Druckrohr
59: Innenmantelfläche
60: Stirnseite
61: durchmesserverringerter
: Abschnitt
62: Aufsenkung
63: Durchgangsbohrung
64: Antiklebescheibe
65: Haltebügel
66: Quernut
67: Stirnseite

Claims

Elektromagnet, insbesondere Proportionalmagnet zur Betätigung eines hydraulischen Ventils, welches innerhalb eines Hydrauliksystems einer Vorrichtung zur Variierung der Ventilsteuerzeiten einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, bestehend aus zumindest einer von einem hohlzylindrischen Spulenkörper (2) getragenen Spulenwicklung (3), deren Spulenkörper (2) umfangsseitig von einem hohlzylindrischen Magnetgehäuse (4) umschlossen sowie stirnseitig von zwei axial zueinander beabstandeten Polschuhen (5, 6) begrenzt wird, und aus einem in dem als Ankerraum (7) ausgebildeten Hohlzylinder des Spulenkörpers (2) angeordneten sowie axial beweglichen, zylindrischen Magnetanker (8), welcher in drehlängsbeweglichen Axialführungen reibungsarm gelagert ist und dessen elektromagnetisch erzeugte Axialbewegungen über eine in axialer Verlängerung mit diesem verbundene Stößelstange (10) entgegen der Kraft einer Feder auf einen hydraulischen Ventilkolben übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß als drehlängsbewegliche Axialführungen des Magnetankers (8) mindestens ein zugleich als Antiklebemittel des Magnetankers (8) ausgebildeter, laufhülsenloser Linearkugelkäfig mit einer Anzahl umfangsverteilter Kugeln vorgesehen ist, wobei die Außenmantelfläche (9) des Magnetankers (8) und/oder die Mantelfläche (11) der Stößelstange (10) als innere Lauffläche der Kugeln und die Innenmantelfläche eines oder mehrerer der den Ankerraum (7) des Spulenkörpers (2) begrenzenden Bauteile als äußere Lauffläche der Kugeln ausgebildet ist.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehlängsbeweglichen Axialführungen des Magnetankers (8) bevorzugt durch zwei voneinander beabstandete Linearkugelkäfige (12, 13) gebildet werden, die aus einem Kunststoff oder aus einem nichtferromagnetischen Material bestehen und zumindest jeweils zwei umlaufende Kugelreihen (14, 15) mit einer Anzahl gleichmäßig umfangsverteilter Kugeln (18) aufweisen.
Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearkugelkäfige (12, 13) gegenüber den Stirnseiten (16, 17) des Magnetankers (8) direkt auf der bevorzugt verlängert ausgebildeten und den Magnetanker (8) axial durchdringenden Stößelstange (10) angeordnet sind, wobei die Mantelfläche (11) der Stößelstange (10) jeweils als innere Lauffläche der Kugeln (18) der Linearkugelkäfige (12, 13) ausgebildet ist.
Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (5, 6) des Elektromagneten (1) bevorzugt aus jeweils einer Polplatte (19, 20) und jeweils einem sich axial von dieser weg in den Ankerraum (7) des Spulenkörpers (2) erstreckenden hohlzylindrischen Polkern (21, 22) bestehen, wobei die Polkerne (21, 22) jeweils einen größeren Hohlzylinder (25, 26) und einen kleineren Hohlzylinder (29, 30) aufweisen und die Innenmantelflächen (23, 24) der kleineren Hohlzylinder (29, 30) jeweils als äußere Laufflächen der Kugeln (18) der Linearkugelkäfige (12, 13) ausgebildet sind.
Elektromagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Magnetanker (8) wenigstens in seinen Endbereichen aufnehmenden größeren Hohlzylinder (25, 26) der Polkerne (21, 22) beider Polschuhe (5, 6) bevorzugt jeweils einen stufenförmigen Übergang (27, 28) zu den kleineren Hohlzylindern (29, 30) der Polkerne (21, 22) beider Polschuhe (5, 6) aufweisen und die Übergänge (27, 28) als axiale Hubbegrenzungen des Magnetankers (8) ausgebildet sind.
Elektromagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hubendstellungen des Magnetankers (8) zwischen den Stirnseiten (16, 17) des Magnetankers (8) und den Übergängen (27, 28) zu den kleineren Hohlzylindern (29, 30) der Polkerne (21, 22) ein jeweils ankerseitig an die Linearkugelkäfige (12, 13) angeformter und als Antiklebemittel des Magnetankers (8) ausgebildeter Ringbund (31, 32) angeordnet ist, mit dem ein Aufsetzen des Magnetankers (8) auf die Übergänge (27, 28) in den Polschuhen (5, 6) vermeidbar ist.
Elektromagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (5, 6) bevorzugt als Weicheisen-Fließpreßteile ausgebildet sind, deren ferromagnetische Eigenschaften durch Rekristallisationglühen wiederherstellbar sind, wobei zumindest die Innenmantelflächen (23, 24) der kleineren Hohlzylinder (29, 30) ihrer Polkerne (21, 22) durch eine zusätzliche Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Nitrieren oder durch eine GX-Beschichtung, eine für Kugellaufflächen geeignete erhöhte Festigkeit aufweisen.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehlängsbeweglichen Axialführungen des Magnetankers (8) bevorzugt nur durch einen wahlweise wenigstens zwei axial zueinander beabstandete Kugelreihen (34, 35) oder wenigstens eine Kugelreihe (34) und einen axial zu dieser beabstandeten Gleitlagerabschnitt (39) aufweisenden sowie aus einem Kunststoff oder aus einem nichtferromagnetischen Material bestehenden Linearkugelkäfig (33 oder 38) gebildet werden, der auf einem als innere Lauffläche der Kugeln (36) des Linearkugelkäfigs (33) bzw. auf einem zugleich als innere Lauffläche der Kugeln (36) und als innere Gleitfläche des Gleitlagerabschnittes (39) des Linearkugelkäfigs (38) ausgebildeten sowie durchmesserverringerten Abschnitt (37) der Außenmantelfläche (9) des Magnetankers (8) angeordnet ist.
Elektromagnet nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Polschuh (5) des Elektromagneten (1) bevorzugt aus einer Polplatte (19) und einem sich axial von dieser weg in den Ankerraum (7) des Spulenkörpers (2) erstreckenden hohlzylindrischen Polkern (21) besteht und der andere Polschuh (6) lediglich durch eine ringförmige Polplatte (20) gebildet wird, wobei der Ankerraum (7) durch ein nichtferromagnetisches Druckrohr (40) ausgekleidet ist, dessen Innenmantelfläche (41) als äußere Lauffläche der Kugeln (36) des Linearkugelkäfigs (33) bzw. als äußere Lauffläche der Kugeln (36) und als äußere Gleitfläche des Gleitlagerabschnittes (39) des Linearkugelkäfigs (38) ausgebildet ist.
Elektromagnet nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bevorzugt einen umlaufenden Absatz (42) bildende durchmesserverringerte Abschnitt (37) des Magnetankers (8) eine größere axiale Erstrekkung als der Linearkugelkäfig (33 oder 38) aufweist und in einer der Endstellungen des Magnetankers (8) mit seiner mit der Stößelstange (10) verbundenen Stirnseite (16) in eine Aufsenkung (43) einer axialen Stößelstangen-Durchgangsbohrung (44) des einen Polschuhs (5) des Elektromagneten (1) eintauchend angeordnet ist.
Elektromagnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der in der einen Endstellung des Magnetankers (8) sich einerseits gegen den Absatz (42) am Magnetanker (8) und andererseits gegen die ankerseitige Stirnfläche (45) des Polkerns (21) des einen Polschuhs (5) abstützend angeordnete Linearkugelkäfig (33 oder 38) zugleich als Antiklebe-Distanzhalter des Magnetankers (8) ausgebildet ist, mit welchem ein Aufsetzen des Magnetankers (8) in der Aufsenkung (43) der Stößelstangen-Durchgangsbohrung (44) des einen Polschuhs (5) vermeidbar ist.
Elektromagnet nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß als drehlängsbewegliche Axialführungen des Magnetankers (8) mindestens zwei aus einem Kunststoff oder aus einem nichtferromagnetischen Material bestehende und wenigstens zwei axial voneinander beabstandete Kugeln (48, 49) aufweisende, laufhülsenlose Kugelkäfigleisten (46, 47) vorgesehen sind, die innerhalb von radial einander gegenüberliegenden Axialnuten (50, 51) in der Außenmantelfläche (52) des Magnetankers (8) angeordnet sind, wobei die Grundfläche (53, 54) jeder Axialnut (50, 51) als innere Lauffläche der Kugeln (48, 49) und die Innenmantelfläche eines der den Ankerraum (7) des Spulenkörpers (2) begrenzenden Bauteile als äußere Lauffläche der Kugeln (48, 49) der Kugelkäfigleisten (46, 47) ausgebildet ist.
Elektromagnet nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Polschuh (5) des Elektromagneten (1) bevorzugt aus einer Polplatte (55) und einem sich axial von dieser weg in den Ankerraum (7) des Spulenkörpers (2) erstreckenden hohlzylindrischen Polkern (56) besteht und der andere Polschuh (6) lediglich durch eine ringförmige Polplatte (57) gebildet wird, wobei der Ankerraum (7) durch ein nichtferromagnetisches Druckrohr (58) ausgekleidet ist, dessen Innenmantelfläche (59) als äußere Lauffläche der Kugeln (48, 49) der Kugelkäfigleisten (46, 47) ausgebildet ist.
Elektromagnet nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker (8) an seiner mit der Stößelstange (10) verbundenen einen Stirnseite (60) bevorzugt einen durchmesserverringerten Abschnitt (61) aufweist, der in der einen Endstellung des Magnetankers (8) in eine Aufsenkung (62) einer axialen Stößelstangen-Durchgangsbohrung (63) des einen Polschuhs (5) des Elektromagneten (1) eintauchend angeordnet ist, wobei durch eine an den durchmesserverringerten Abschnitt (61) angesetzte Antiklebescheibe (64) ein direktes Aufsetzen des Magnetankers (8) in der Aufsenkung (62) der Stößelstangen-Durchgangsbohrung (63) vermeidbar ist.
Elektromagnet nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkäfigleisten (46, 47) bevorzugt durch einen Haltebügel (65), der in der anderen Endstellung des Magnetankers (8) in einer Quernut (66) in dessen anderer Stirnseite (67) versenkt angeordnet ist, zu einem Leistenpaket miteinander verbunden sind.