DE19857700A1 - Elektromagnet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromagneten und insbesondere einen Elektromagneten mit einem Permanentmagnet-Anker.

Derartige Elektromagneten sind bekannt. Sie können zum Steuern des Luft- und/oder Kraftstoffstromes innerhalb einer Kraftstoffanlage verwendet werden. Ein Beispiel hierfür zeigt die US 5,611,312.

Ein am Ende des Anker vorgesehenes elastomeres Verschlußstück, der gegen einen Ventilsitz verformbar ist, um einen Kanal zu verschließen, kann unmittelbar an dem Ende des Permanentmagnet-Ankers angegossen werden, um den zugehöri­ gen Kanal abzudichten, wenn sich der Elektromagnet in seiner Schließstellung be­ findet, und auch um die Aufprallenergie zu absorbieren, wenn das Ende des Elek­ tromagneten auf den Ventilsitz auftrifft. Bei herkömmlichen Gießverfahren ist eine relativ hohe Gießform-Klemmkraft erforderlich, um das elastomere Ende an dem Anker anzugießen, und diese hohe Kraft kann das spröde magnetische Material des Ankers verformen oder sogar aufbrechen. Bei einer Verringerung der Klemmkraft kommt es zu einer relativ großen Gießnaht an dem elastomeren Ende, was einen zusätzlichen Herstellungsschrift erfordert, der üblicherweise manuell durchgeführt wird, um die zu große Gußnaht zu entfernen. Dieser zusätzliche Verfahrensschrift ist entsprechend kostspielig.

Ein weiterer Nachteil eines Permanentmagnet-Ankers ist die eingeschränkte Reichweite bzw. das eingeschränkte Ausmaß, um die bzw. das der Anker aus dem Spulen des Elektromagneten hervorragen kann. Bei einem Elektromagneten mit ei­ nem Permanentmagnet-Anker gibt es eine sehr enge Beziehung zwischen der vor­ gegebenen Spulenkonfiguration und dem Volumen des magnetischen Materials im Anker in der Weise, daß das Betriebsverhalten des Elektromagneten beeinträchtigt wird, wenn ein signifikanter Abschnitt des Ankers über die Spulen des Elektroma­ gneten hinausragt.

Durch die vorliegende Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Elektromagnet mit einem Permanentmagnet-Anker geschaffen werden, bei dem das elastische Verschlußstück des Ankers mittels herkömmlicher Gießtechniken hergestellt werden kann. Eine Verformung bzw. ein Bruch des Mate­ rials des Ankers soll vermieden werden. Ferner soll ermöglicht werden, daß das Verschlußstück sich von der Spule des Elektromagneten ausreichend weg erstreckt.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromagneten ist ein getrenntes elastisches Verschlußstück an einem Einsatz aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität befestigt, der seinerseits am Ende des Ankers durch die magnetische Anziehung zwischen Einsatz und Anker mit hoher Festigkeit gehalten wird. Das Magnetfeld des Ankers hält den Anker und den Einsatz als Einheit zusammen, und zwar selbst bei extremer Beschleunigung und Verzögerung des Ankers. Der Einsatz ist relativ klein im Vergleich zum Anker, und der zusätzlich vorgesehene Einsatz des Elektromagneten hat keine nennenswerte Beeinträchtigung des Betriebsverhal­ tens des Elektromagneten zur Folge. Der Einsatz besteht vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Metall wie z. B. Eisen, Nickel, Kobalt, Stahl oder rostfreier Stahl. Vorzugsweise besteht das Verschlußstück aus einem polymeren Material und insbesondere einem Elastomer, so daß das Verschlußstück mittels herkömmlicher Gießtechniken unmittelbar an dem Einsatz angegossen werden kann, um das Angie­ ßen des Verschlußstückes am Einsatz zu erleichtern.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Einsatz eine ebene kreisförmige Scheibe mit zwei ebenen Seiten, von denen die eine Seite am Anker anliegt und die andere Seite das Verschlußstück aufnimmt. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel besitzt der Einsatz eines zylindrische Seitenwand, um die sich das Verschlußstück erstreckt. Um den Oberflächenbereich der Anlage zwischen dem Einsatz des zwei­ ten Ausführungsbeispiels und dem Anker zu erhöhen, ist der Einsatz mit einem ra­ dial verlaufenden Flansch versehen, der eine ebene Stirnseite hat, die an dem Anker angreifen kann. Die Seitenwand des Einsatzes erstreckt sich von dem Anker weg, was das freie Ende des Verschlußstückes zum Anker beabstandet, so daß der Elek­ tromagnet dazu verwendet werden kann, den Strom durch einen Kanal zu steuern, der mit Abstand zu den Spulen des Elektromagneten verläuft.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Elektromagnet ist zuverlässig, dauerfest, relativ einfach im Aufbau und in der Herstellung und hat eine lange Lebensdauer.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Membranvergasers mit einem Elektro­ magneten;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Elektromagneten in seiner Öffnungsstel­ lung;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Elektromagneten in seiner Schließstel­ lung;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Elektromagneten in seiner Schließstellung.

Fig. 1 zeigt einen Membranvergaser 12 mit einem Elektromagneten 10, der zur Steuerung des Luft- und Kraftstoffgemisches im Vergaser verwendet wird. Der Elektromagnet 10 besitzt eine Ankeranordnung 14 mit einem Ende in Form eines unmagnetischen Verschlußstückes 16, das mit einem Einsatz 18 in Form einer fer­ romagnetischen Scheibe 18 verbunden ist. Die Scheibe 18 wird an dem Anker 20 durch die magnetische Anziehung zwischen dem Anker 20 und der Scheibe 18 ge­ halten. Das unmagnetische Verschlußstück 16 besteht vorzugsweise aus einem ela­ stomeren Material, das durch Spritzgießen oder in anderer Weise an der Scheibe 18 dauerhaft befestigt und gegen einen einen Kanal 24 umgebenden Ventilsitz 22 ver­ formbar ist, um für eine Abdichtung zu sorgen, wenn das Verschlußstück 16 an dem Sitz 22 anliegt, um die Strömung durch den Kanal 24 zu steuern.

Der Vergaser 12 besitzt ein Gehäuse 26 mit einem Venturi-Kanal 27, in dem sich ein herkömmliches Drosselventil (nicht gezeigt) befindet. Das Drosselventil ist aus seiner normalen Leerlaufstellung in eine weit offene Stellung drehbar. Kraftstoff wird einer Hauptdüse 28 aus einer Dosierkammer 30 zugeführt, die sich am Boden des Gehäuses 26 befindet. Die Oberseite einer Membran 32 begrenzt die Dosier­ kammer 30, und ihre gegenüberliegende Seite begrenzt eine Luftkammer 34, die über eine Öffnung 36 in einer Deckplatte 38 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Ein Einlaßventil 40 ist mit der Membran 32 durch einen Hebelarm 42 verbun­ den, der auf einem Zapfen 44 drehbar gelagert ist und von einer Feder 45 vorge­ spannt wird. Die der Hauptdüse 28 zugeführte Kraftstoffmenge kann innerhalb vor­ gegebener Grenzen von einem Hochgeschwindigkeits-Gemisch-Nadelventil 46 selbsttätig eingestellt werden, dessen Nadel in einen Kanal 48 des Gehäuses 26 ein­ geschraubt ist. Das freie Ende der Nadel des Nadelventils 46 steuert den Kraft­ stoffstrom durch eine Öffnung 50, die auf ihrer stromaufwärtigen Seite mit der Do­ sierkammer 30 über einen (nicht gezeigten) Kanal und auf ihrer stromabwärtigen Seite mit einem zweiten Kanal 52 in Verbindung steht. Der zweite Kanal 52 ist mit der Hauptdüse 28 über einen Gehäusekanal (nicht gezeigt) verbunden, der zu einer Ventilkammer 58 führt, in welcher das Verschlußstück 16 angeordnet ist und wel­ che bei Betätigung des Elektromagneten 10 bewegbar ist, um die Ventilkammer 58 über den Kanal 24 am Sitz 22 mit der Hauptdüse 28 zu verbinden.

Der Elektromagnet 10 weist ein allgemein zylindrisches äußeres Gehäuse 60 auf, das einen Elektromagnet-Körper 62 umgibt und den unteren Abschnitt des Kör­ pers 62 verschließt. Der Anker 22 befindet sich in einer zylindrischen Bohrung 64, die in dem Körper 62 gebildet ist. Zwei ringförmige Hohlräume 66, 68, die teilweise zwischen dem Körper 62 und dem Gehäuse 60 gebildet sind, nehmen jeweils eine ringförmige Spulenwicklung 70, 72 des Elektromagneten 10 auf. Eine Wand 74 des Vergaser-Gehäuses 26 verschließt das untere Ende des Elektromagneten 10. Elektri­ sche Klemmen 76 sitzen in komplementären Öffnungen 78, die in einer oberen Wand 80 des Vergaser-Gehäuses 26 vorgesehen sind. Ein O-Ring 82 umgibt das untere Ende des Gehäuses 60 benachbart zu dem Vergaser-Gehäuse 26, um eine Leckage von Kraftstoff zwischen dem Gehäuse 60 und dem Körper 26 zu verhin­ dern.

Die aus dem Verschlußstück 16 und der Scheibe 18 bestehende Untereinheit ist am Anker 20 durch die magnetische Anziehung zwischen ihnen befestigt. Die relativ kleine Scheibe 18 aus magnetisch hochpermeablem Material beeinträchtigt das Betriebsverhalten des Elektromagneten 10 nicht nennenswert. Die Scheibe 18 besteht vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material wie z. B. Eisen, Nickel oder rostfreiem Stahl und hat eine ausreichende magnetische Kraft, welche eine Bewegung der Scheibe 18 relativ zum Anker 20 selbst bei extremen Beschleuni­ gungen, Verzögerungen und Geschwindigkeit des Ankers 20 bei Betrieb des Elek­ tromagneten 10 verhindert. Die Scheibe 18 kann aus einem hochmagnetischen Ma­ terial einschließlich verschiedener Stahl- und Eisenverbindungen hergestellt sein und besteht vorzugsweise aus einem rostfreien Stahl wie z. B. 430-Stahl, um ein Rosten bzw. eine Oxidation der Scheibe 18 in der Umgebung von Kohlenwasser­ stoffkraftstoffen zu verhindern. Das Verschlußstück 16 besteht vorzugsweise aus einem polymeren Material und insbesondere einem elastomeren Material, das für eine einwandfreie Abdichtung sorgt, wenn das Verschlußstück 16 an dem Ventilsitz 22 anliegt. Derzeit bevorzugte Materialien für das Verschlußstück 16 umfassen je­ des beliebige nichtmagnetische Material, insbesondere elastomere, thermoplastische Kunststoffe und thermisch aushärtbare Kunststoffe wie z. B. DELKIN, Nylon, Sili­ con, synthetischer Gummi und verschiedene andere Elastomere und Kunststoffe, die hochresistent gegenüber Kohlenwasserstoffkraftstoffen sind.

Im Betrieb wird den Klemmen 76 des Elektromagneten 10 wahlweise elektri­ scher Strom zugeführt, um die Drahtspulen 70, 72 in den Hohlräumen 66, 68 zu be­ stromen. Wenn die Spulen 70, 72 stromlos sind, befindet sich der Anker 20 in einer ersten Stellung innerhalb der Bohrung 64, und wenn die Spulen 70, 72 bestromt werden, wird der Anker 20 von dem durch die Spulen 70, 72 erzeugten elektroma­ gnetischen Feld in eine zweite Stellung in der Bohrung 64 bewegt. Wenn anschlie­ ßend die Stromzufuhr unterbrochen oder beendet wird, kehrt der Anker 20 in seine erste Stellung zurück. Statt dessen kann ein Strom einer Polarität den Spulen 70, 72 zugeführt werden, um den Anker 20 in eine zweite Stellung in der Bohrung 64 zu bewegen, und ein Strom entgegengesetzter Polarität kann zugeführt werden, um den Anker 20 schneller in seine erste Stellung zurückzubewegen. Mittels dieser Ver­ stellbewegungen des Ankers 20 kann der Elektromagnet 10 dazu benutzt werden, die Strömung durch den Kanal 24 über das Verschlußstück 16 zu steuern, das mit dem Anker 20 funktionsmäßig verbunden und in Anlage mit dem Sitz 22 bewegbar ist. Genauer gesagt liegt das Verschlußstück 16 in der ersten Stellung des Ankers 20 an dem Sitz 22 an, um den Kanal 24 zu verschließen. Wenn sich der Anker 20 in seiner zweiten Stellung befindet, ist das Verschlußstück 16 von dem Sitz 22 abge­ hoben, um den Kanal zu öffnen. Gegebenenfalls kann der Öffnungsgrad des Elek­ tromagnetventils eine Funktion der Größe des den Spulen zugeführten Stroms sein, um die Durchflußrate durch das Ventil zu ändern.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel besitzt der Elektromagnet 100 einen magnetischen Einsatz 102 mit einer zylindrischen Seiten­ wand 104 und einem radial verlaufenden Flansch 106 benachbart zum oberen Ende der Seitenwand 104. Die Ankeranordnung 14' besitzt ein abgewandeltes polymeres Verschlußstück 108, das vorzugsweise um die Seitenwand 104 herum gegossen ist, wodurch ein längliches Verschlußstück mit einem zum Anker 20 axial beabstande­ ten entfernten Ende 110 gebildet wird. Dies bietet die Möglichkeit, daß der Elek­ tromagnet 100 die Strömung durch einen Kanal 112 steuert, der zu dem Körper 62 des Elektromagneten etwas beabstandet ist, während der Anker 20 innerhalb der Spulen des Körpers 62 verbleibt, um eine Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens des Elektromagneten 100 zu vermeiden. Der Elektromagnet 100 des zweiten Aus­ führungsbeispiels arbeitet praktisch in der gleichen Weise wie der Elektromagnet 10 des ersten Ausführungsbeispiels, und somit wird seine Funktionsweise nicht weiter beschrieben. Erwähnt werden soll jedoch noch, daß bei diesem Ausführungsbeispiel der Einsatz 102 und das Verschlußstück 108 eine Untereinheit bilden.

Aufgrund des flexiblen Verschlußstückes 16, 108, das an dem magnetischen Einsatz 18 bzw. 102 angegossen wird, können die Verschlußstück-Einsatz-Unter­ einheiten mittels herkömmlicher Gießtechniken hergestellt werden, ohne daß der Anker 20 beschädigt oder zu große Gußnähte entfernt werden müssen. Die Unter­ einheiten lassen sich daher in Serienproduktion bei relativ niedrigen Kosten herstel­ len. Wenn der Einsatz 102 wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 aus­ gebildet ist, kann das Verschlußstück 108 so verlängert werden, daß es in einem zu dem Körper 62 des Elektromagneten beabstandeten Kanal 112 seine Funktion aus­ übt, während der Anker 20 innerhalb der Spulen 70, 72 in dem Körper 62 verbleibt. Das flexible Verschlußstück 16, 18 sorgt für eine einwandfreie Abdichtung des Ka­ nals 24, 112 und absorbiert die Stöße bzw. Kräfte, die auftreten, wenn das Ver­ schlußstück 16, 108 an dem Sitz 22 anschlägt, um die Rückprallneigung des Ver­ schlußstückes 16, 108 zu verringern und eine Beschädigung des Verschlußstückes 16, 108 sowie des Sitzes 22 zu vermeiden.

Claims (15)

1. Elektromagnet mit:
einem Körper (62), in dem ein Hohlraum (64) gebildet ist,
einem Permanentmagnet-Anker (20), der in dem Hohlraum (64) gleitend ge­ lagert ist, um zwischen zwei Stellungen verstellt werden zu können,
einer elektrischen Spule (70, 72), die von dem Körper (62) getragen wird und den Anker (20) umgibt,
einem getrennten Einsatz (18; 102) aus magnetisch hochpermeablem Mate­ rial, der mit dem Anker (20) allein durch die magnetische Anziehung zwischen ih­ nen verbunden ist, und
einem Verschlußstück (16; 108) aus unmagnetischem flexiblen und elasti­ schen polymeren Material, das mit dem Einsatz (18; 102) haftend verbunden ist,
wobei bei Bestromung der Spule (70, 72) das resultierende elektromagneti­ sche Feld den Anker (20) aus seiner ersten Stellung in Richtung auf seine zweite Stellung bewegt und bei Entregung der Spule oder einer Umkehrung der Polarität des der Spule zugeführten Stromes der Anker in seine erste Stellung zurückkehrt, wobei das Schlußstück (16; 108) dem Anker (20) durch den Einsatz (18; 102) so zugeordnet ist, daß es sich zusammen mit dem Anker (20) bewegt.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ schlußstück (16; 108) aus mindestens einem der folgenden Materialien gebildet ist: Nylon, Acetyl-, Silicon- und Synthesegummi-Polymer.

3. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (16; 108) an dem Einsatz (18; 102) angegossen ist.

4. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verschlußstück (16; 108) durch Spritzgießen an dem Einsatz (18; 102) angebracht ist.

5. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (18; 102) aus rostfreiem Stahl besteht.

6. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (18) eine ebene Scheibe ist, deren eine Seite am An­ ker (20) anliegt und deren andere Seite das Verschlußstück (16) aufnimmt.

7. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einsatz (102) eine zylindrische Seitenwand (104) hat und das Ver­ schlußstück (108) zumindest teilweise die Seitenwand (104) umgibt.

8. Elektromagnet nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (102) einen radial verlaufenden Flansch (106) mit einer ebenen Stirnfläche hat, die an dem Anker (20) anliegt, um den am Anker (20) anliegenden Flächenbereich des Einsatzes (102) zu vergrößern.

9. Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagnet-Ankers, insbesondere für einen Elektromagneten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgen­ den Schritten:

• a) Bereitstellen eines Körpers,
• c) Bereitstellen einer Spule, die von dem Körper getragen wird und den An­ ker umgibt,
• d) Bereitstellen eines getrennten Einsatzes aus magnetisch hochpermeablem Material,
• e) Bereitstellen eines Verschlußstückes aus unmagnetischem, flexiblem und elastischem polymerem Material,
• f) Herstellen einer Einsatz-Verschlußstück-Untereinheit durch eine Haftver­ bindung zwischen dem Verschlußstück und einem Teil des Einsatzes und
• g) Positionieren der Einsatz-Verschlußstück-Untereinheit am Anker so, daß die Einsatz-Verschlußstück-Untereinheit allein durch die magnetische Anziehung zwischen dem Einsatz und dem Anker an dem Anker gehalten wird, um sich ge­ meinsam mit dem Anker zu bewegen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatz- Verschlußstück-Untereinheit dadurch hergestellt wird, daß das Verschlußstück an dem Einsatz angegossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatz-Verschlußstück-Untereinheit dadurch hergestellt wird, daß das Verschluß­ stück auf den Einsatz spritzgegossen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (18) eine ebene Scheibe ist, deren eine Seite am Anker (20) anliegt und deren andere Seite das Verschlußstück (16) aufnimmt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (102) eine zylindrische Seitenwand (104) hat und das Verschluß­ stück (108) zumindest teilweise die Seitenwand (104) umgibt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (102) einen radial verlaufenden Flansch (106) mit einer ebenen Stirnfläche hat, die an dem Anker (20) anliegt, um den am Anker (20) anliegenden Flächenbereich des Einsatzes (102) zu vergrößern.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (18; 102) aus rostfreiem Stahl besteht.