DE3615744A1 - Elektromagnetische schaltvorrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektromagnetischen Schalt­ vorrichtung zum Erzeugen schneller Schaltvorgänge nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 21 39 405 ist eine elektro­ magnetische Schaltvorrichtung bekannt, bei der ein Anker einen flach ausgebildeten Dauermagneten enthält, der aus in elastischem Kunststoff gebundenem feinverteilten Dauermagnetmaterial besteht. Diese An­ ordnung weist den Vorteil auf, daß durch die Elastizität des An­ kermagneten beim Schließen des Ankers der Stoß aufgefangen wird. Aus einem Ausführungsbeispiel ist es weiterhin bekannt, zwischen dem En­ de eines Polschuhs des Elektromagneten und einer Seitenfläche des anderen Polschuhs einen Hilfsmagneten anzuordnen. Der Hilfsmagnet reduziert den Einfluß des in einem Luftspalt vorhandenen Streu­ feldes. Die angegebene Schaltvorrichtung ist nicht für das Erzeugen schneller Stellvorgänge vorgesehen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat demgegenüber den Vorteil, daß sehr schnelle Stellvorgänge erzeugt werden können. Die beiden Pol­ schuhe eines Elektromagneten sind derart zusammengeführt, daß die Stirnflächen der beiden Polschuhe einen inneren Luftspalt begrenzen. In diesem Luftspalt ist ein Permanentmagnet angeordnet, dessen Nord- und Südpol an jeweils eine Stirnfläche angrenzt. Gegenüber dem Permanentmagneten befindet sich ein frei beweglicher Anker, der bei eingeschaltetem Elektromagneten angezogen wird. In diesem Betriebs­ zustand verstärkt der Permanentmagnet das auf den Anker wirkende magnetische Feld des Elektromagneten. Beim Ausschaltvorgang des Elektromagneten unterstützt der Permanentmagnet den Abbau des Magnet­ feldes. Dadurch ergibt sich eine Verkürzung des Schaltvorgangs.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Vor­ richtung möglich. Eine kurze Schaltzeit ist insbesondere bei elek­ tromagnetisch betätigten Ventilen erforderlich, die als Kraft­ stoffeinspritzventile einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind. Eine präzise Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge und des Ein­ spritzzeitpunktes ermöglichen eine Verbrauchs- und gleichzeitig eine Schadstoffemissionsreduzierung.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein magnetisches Feld in einer als Schnittbild ge­ zeigten elektromagnetischen Schaltvorrichtung bei ausgeschaltetem Elektromagneten und

Fig. 2 zeigt ein Magnetfeld einer als Schnitt­ bild gezeigten elektromagnetischen Schaltvorrichtung bei einge­ schaltetem Elektromagneten.

Die beiden Polschuhe 10, 11 eines in Fig. 1 gezeigten Elektro­ magneten 12 begrenzen mit ihren Stirnflächen 13, 14 einen inneren Luftspalt 15. Mit 16 ist die Wicklung des Elektromagneten 12 be­ zeichnet. Zwischen den beiden Stirnflächen 13, 14 der beiden Pol­ schuhe 10, 11 ist ein Permanentmagnet 17 an Stelle des inneren Luft­ spaltes 15 angeordnet. Dem Permanentmagneten 17 gegenüber befindet sich ein Anker 18, der in einem äußeren Luftspalt 19 beweglich ist. Die beiden Anschlüsse 20 der Wicklung 16 des Elektromagneten 12 sind über einen Schalter 21 mit einer Energiequelle 22 verbindbar. In Fig. 1 ist der Schalter 21 in seiner geöffneten Stellung gezeich­ net. Mit 23 ist ein in den Polschuhen 10, 11 des Elektromagneten 12 und im Permanentmagneten 17 verlaufendes Magnetfeld des Permanent­ magneten 17 bezeichnet.

In Fig. 2 ist die geschlossene Stellung des Schalters 21 gezeigt. Der Elektromagnet 12 hat den Anker 18 in den Luftspalt 19 gezogen. Mit 24 (strichpunktierte Linie) ist ein vom Elektromagneten 12 er­ zeugtes, in den beiden Polschuhen 10, 11 verlaufendes, Magnetfeld be­ zeichnet. Das Magnetfeld 23 des Permanentmagneten 17 verläuft im Be­ reich der Stirnflächen 13, 14 der Polschuhe 10, 11 und im Anker 18.

Die elektromagnetische Schaltvorrichtungen gemäß den Fig. 1 und 2 arbeitet folgendermaßen:

Der im inneren Luftspalt 15 zwischen den beiden Stirnflächen 13, 14 der beiden Polschuhe 10, 11 des Elektromagneten 12 angeordnete Per­ manentmagnet 17 ist so polarisiert, daß sein Nord- und Südpol an je­ weils eine Stirnfläche 13, 14 angrenzt. Der energetisch günstigste Zustand ist gegeben, wenn das Magnetfeld 23 des Permanentmagneten 17 vollständig in dem magnetischen Kreis, bestehend aus Permanentmagnet 17 und den beiden Polschuhen 10, 11 geführt wird. Ein Streufeld im äußeren Luftspalt 19 ist vernachlässigbar gering. Auf den Anker 18 wirkt deshalb keine Kraft. Die in Fig. 1 eingezeichnete Feldorien­ tierung kann willkürlich gewählt werden.

Dieser Feldverlauf bleibt so lange erhalten, bis der Elektromagnet 12 eingeschaltet wird. Die Anschlüsse 20 der Wicklung 16 des Elek­ tromagneten 12 werden mit dem Schalter 21 an die Energiequelle 22 geschaltet. Die Energiequelle 22 muß einen Gleichstrom im Elektro­ magneten 12 hervorrufen, der ein Feld 24 des Elektromagneten 12 zur Folge hat, das entgegen dem Feld 23 des Permanentmagneten 17 gerich­ tet ist. Das in den Polschuhen 10, 11 ansteigende magnetische Feld 24 des Elektromagneten 12 hat zur Folge, daß das Feld 23 des Perma­ nentmagneten 17 in den äußeren Luftspalt 19 verdrängt wird. Auch das magnetische Feld 24 des Elektromagneten 12 wird aus energetischen Gründen in den äußeren Luftspalt 19 abgedrängt. Das im äußeren Luft­ spalt 19 resultierende Magnetfeld durchdringt auch den beweglichen Anker 18, auf den daraufhin eine Anzugskraft wirkt. Der Anker 18 wird solange angezogen, bis der äußere Luftspalt 19 einen Minimal­ wert aufweist. Das kraftverursachende Magnetfeld setzt sich zusammen aus dem Magnetfeld 24 des Elektromagneten 12 und das, nunmehr im Anker 18 verlaufende, Magnetfeld 23 des Permanentmagneten 17. Die geometrischen Abmessungen des Ankers 18 sind zweckmäßigerweise so bemessen, daß im angezogenen Zustand der Permanentmagnet 17 und ein bestimmter Teil der beiden Polschuhe 10, 11 überdeckt sind. Die gemeinsame Fläche des Ankers 18 mit jeweils den Polschuhen 10, 11 sollte keine Querschnittsverengung für das magnetische Feld dar­ stellen, um Sättigungseffekte zu vermeiden.

Nachdem der Schalter 21 zum Ausschalten des Elektromagneten 12 ge­ öffnet wird, beginnt der Abbau des Magnetfeldes 24 des Elektromag­ neten 12. Der Abbauvorgang wird beaufschlagt durch das entgegen­ wirkende Magnetfeld 23 des Permanentmagneten 17. Ein schneller Mag­ netfeldabbau hat zur Folge, daß die auf den Anker 18 ausgeübte Kraft ebenfalls rasch nachläßt. Eine rückstellende Kraft, die beispiels­ weise von einer Rückstellfeder aufgebracht wird, bewegt den Anker 18 in seine in Fig. 1 gezeigten Ausgangsposition zurück.

Der Permanentmagnet 17 unterstützt im Einschaltvorgang des Elektro­ magneten 12 den Kraftaufbau durch sein zusätzliches Magnetfeld 23 und im Ausschaltvorgang den Abbau des Magnetfeldes 24 des Elektro­ magneten 12. Mit der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schalt­ vorrichtung werden demzufolge kürzere Schaltzeiten als bisher er­ reicht.

Kurze Schaltzeiten sind beispielsweise wichtig bei elektromagnetisch betätigten Kraftstoffeinspritzventilen für Brennkraftmaschinen. Ein präzises Festlegen des Kraftstoffeinspritzbeginns und der Kraft­ stoffeinspritzdauer ermöglichen eine Reduzierung des Kraftstoff­ verbrauchs und reduzieren gleichzeitig die entstehende Abgasemis­ sion. Der Anker 18 betätigt beispielsweise über ein nicht darge­ stelltes mechanisches Verbindungselement das Kraftstoffein­ spritzventil. Vorzugsweise wird jedoch der Anker 18 selbst als Ven­ tilteller ausgebildet, um geringstmögliche Massen zu erhalten. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung läßt sich in bekannten rotations­ symetrischen Ventilen verwenden, wobei der Permanentmagnet 17 als Ringmagnet ausgebildet ist.

Der Permanentmagnet 17 trägt zu einer Reduzierung des elektrischen Ansteueraufwandes für den Elektromagneten 12 bei, da die vom Elek­ tromagneten 12 geforderte Kraft reduziert werden kann. Eine Redu­ zierung des Ansteueraufwandes wirkt sich kostengünstig aus, weil in praktischen Aufbauten der Schalter 21 als elektronisches Schalt­ element ausgeführt ist.

Claims (4)

1. Elektromagnetische Schaltvorrichtung zum Erzeugen schneller Schaltvorgänge, mit wenigstens einem Magnetkreis, bestehend aus einem Elektromagneten, dessen Polschuhe derart zusammengeführt sind, daß die Stirnflächen der beiden Polschuhe einen inneren Luftspalt begrenzen, und mit wenigstens einem in einem äußeren Luftspalt be­ weglichen Anker, der dem inneren Luftspalt benachbart angeordnet ist und der mit dem Magnetkreis magnetisch zusammenwirkt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Bereich des inneren Luftspaltes (15) zwischen den Stirnflächen (13, 14) der Polschuhe (10, 11) ein Permanentmagnet (17) vorgesehen ist, dessen Nord- und Südpol an jeweils eine Stirn­ fläche (13, 14) angrenzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (18) so bemessen ist, daß er in dem Betriebszustand, in wel­ chem der Anker (18) vom Magnetkreis angezogen ist, den Permanent­ magneten (17) und die beiden Polschuhe (10, 11) wenigstens teilweise überdeckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Ver­ wendung als Teil eines elektromagnetisch betätigbaren Ventiles.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Ver­ wendung als Teil eines elektromagnetisch betätigbaren Kraftstoff­ einspritzventiles für eine Brennkraftmaschine.