DE3921151A1

DE3921151A1 - Magnetsystem

Info

Publication number: DE3921151A1
Application number: DE3921151A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Graner; Hans Dipl Ing Kubach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1991-01-10
Also published as: GB2233501B; GB2233501A; JPH0336706A; GB9013911D0; US5188336A; FR2649244A1; FR2649244B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein freifliegender Anker mit Ventilkörper hat bei Magnetventilen den Vorteil fehlender bewegter Masse für die Lagerführungen, höhe rer Eigenfrequenz durch kompakteren Bau, damit bessere hydraulische Dämpfung beim Anschlag mit niedrigerem Verschleiß. Die durch den kompakten Bau reduzierte Panscharbeit des Ankers minimiert die hy draulischen Schwingungen und die Linearitätsfehler. Probleme der Kraftstoffzufuhr durch die Lager entfallen. Lagerklemmen ist elimi niert. Kosten werden gesenkt. Ein freifliegender Anker erfordert wegen der größeren Flugbahntoleranzen Minimierung der Störkräfte und der bewegten Massen.

Es gibt bereits Magnetventile, bei denen der Permanentmagnet als Platte ausgebildet ist und die magnetischen Kraftlinien des Perma nentmagneten und der Spule des Eleketromagneten gegensinnig verlau fen und bei denen der Anker als Ventilkörper ausgebildet ist und sich in Richtung zur Seite des niedrigen Druckes hin öffnet; siehe hierzu die DE-OS 32 37 532. Jedoch kann hier bei höherer Spannung und Schalten der Endstufe der Elektronik der Anzug des Ankers nicht verhindert werden. Man hat deshalb auch bereits vorgeschla gen, einen zweiten Permanentmagnet vorzusehen. Bei einer anderen bekannten Einrichtung, nämlich dem Kameraverschluß gemäß der US-PS 42 40 055, ist es zwar möglich, der Anforderung nach niedriger Mas se, hohem magnetischen Wirkungsgrad, niedriger Magnetleiterquer schnitte, stabiler Achslage und Abgleichbarkeit zu erfüllen, jedoch läßt sich die Umkehr des Magnetfeldes bei variabler Speisespannung nicht systematisch verhindern und überdies ist dieser Kameraver schluß wegen des dreiteiligen Ankers teuer und die nichtkreissymme trische Anordnung ergibt Fertigungstoleranzen mit unerwünschten Störkräften. Auch kann der Anzug bei höherer Spannung nicht gut verhindert werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Magnetventil mit den kennzeichnenden Merkma len des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß die Um polung des Hauptfeldes verhindert werden kann, und zwar ohne künst liche Anhebung des Streuflusses.

Die durch die Unteransprüche angeführten Maßnahmen sind vorteilhaf te Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angege benen Merkmale.

Zeichnung

Die Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen Schnitt durch das Magnetsy stem, und zwar für drei verschiedene Möglichkeiten seiner Ausbil dung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Zeichnung dargestellte Kraftstoffeinspritzventil für eine Kraftstoffeinspritzanlage dient beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff in das Saugrohr von gemischverdichteten, fremdgezün deten Brennkraftmaschinen. Gemäß Fig. 1 ist in einem ferromagneti schen Anker 2 ein Permanentmagnet 1 eingebettet. Diesem Permanent magnet 1 liegt unter anderem ein Rohr 3 aus ferromagnetischem Mate rial gegenüber, das den Kern eines Elektromagneten bildet, der Wicklungen 17 aufweist. Der Magnetkreis dieses Elektromagneten wird durch die ferromagnetischen Teile eines Rohres 3, einer Deckplatte 4 und eines Mantels 5 geschlossen. Die Bohrung 6 des Rohres 3 setzt sich fort in einer weiteren Bohrung im Permantenmagnet 1 und in den Anker 2. Die Bohrung 6 kann somit als Zufuhr des Kraftstoffes die nen, wobei der Kraftstoff über einige radiale Bohrungen 7 im Anker 2 zum Dichtsitz 8 gelangt, wobei der genau definierte Hub des An kers 2 die Zumessung des Kraftstoffes zwischen Dichtsitz 8 und Ven tilkörper 24 bestimmt. Die Anlagefläche 9 in der Bodenplatte 10 kann als Kegel oder auch als Drehfläche aus Kreisbögen mit dem Mittel punkt M ausgebildet sein. Wenn die Arbeitsflächen des Ankers 2 z.B. als Kugelkalotten ausgeführt werden, die auch als Kegel angenähert werden können, so werden die radialen Magnetkräfte abgebaut. Bei ge öffnetem Ventil wird der Kraftstoffilm mit zur Verwirbelung geeigne tem Winkel auf eine abgewinkelte Kante 11 der Anlagefläche 9 des Ventilkörpers 24 gelenkt, wobei dann die eigentliche Zerstäubung stattfindet.

Die Bodenplatte 10 ist druckdicht in den Mantel 5 eingesetzt. Die mit dem Dichtsitz 8 und der Anlagefläche 9 zusammenwirkende Anschlag fläche 12 des Ventilkörpers 24, der Anschlag 13 des Ankers 2 und der Luftspalt 14 zwischen dem mit dem Permanentmagnet 1 versehenen Anker 2 und dem Rohr 3 sind als Kugelsegmente, beispielsweise mit dem Mit telpunkt M, ausgebildet. Zur Leitung des vom Hub verdrängten Kraft stoffes sind Schlitze 15 und ein Ringkanal 16 in der Bodenplatte 10 um den Anker 2 vorgesehen.

Wie man der Zeichnung entnehmen kann, sind die Wicklungen 17 auf einem Spulenkörper 18 angeordnet und ein Wickeldraht 19 ist mit einem Steckerstift 20 verschweißt. Fließt ein Strom I< I_an durch die Wicklung 17, so zieht der Permanentmagnet 1 mit dem als Eisen rückschluß dienenden Anker 2 nach oben und das Ventil sperrt. Wird die Wicklung mit einem Strom I< I_ab im richtigen Sinn erregt, so wird das anziehende, achsparallele Hauptfeld reduziert und am Um fang des Permanentmagneten 1 entsteht von einem Streufeld eine ab stoßende Kraft, d.h. das Ventil öffnet durch den Druck des eintre tenden Kraftstoffes. Wird der Strom I = I_ab, so wird das anziehen de Hauptfeld weiter reduziert, es entsteht aber bei I< I_ab eine Um polung des Hauptfeldes mit fälschlichem Anzug. Gleichzeitig wird jedoch die abstoßende Kraft des Streufeldes weiter verstärkt. Durch Anhebung des Streuflusses mit D»x kann der bei großem I wieder auftretende Anzug reduziert werden.

Die Umpolung des Hauptfeldes kann nun völlig verhindert werden, wenn man die Pfade I und II des Permanentmagnetflusses geeignet ge staltet, indem man einen Ring 21 aus ferromagnetischem Material einsetzt, der dann praktisch einen Teil des Mantels 5 und des Roh res 3 im Bereich des Ankers 2 kurzschließt. Kann der Ring 21 vor der Sättigung mit Φ_Imax genau die Hälfte des Flusses des permanent magnetischen Ankers aufnehmen, so ergibt sich Φ_Imax= Φ_IImax und der Pfad II ist entsprechend auf die Hälfte des Permanentflusses zu di mensionieren. Wird nun dem Φ_II mit dem elektrischen Strom ein Fluß -2Φ_IImax entgegengeschaltet, so wird der Luftspaltfluß 0 und die Kraft des Hauptfeldes wird ebenfalls 0. Eine weitere Erhöhung des Flusses über 2Φ_IImax kann verhindert werden, wenn dieser Pfad bei ±-Φ_IImax sättigt. Die Umpolung des Hauptfeldes wird also verhindert, auch ohne daß der Streufluß künstlich abgehoben wird. Mit I ist der magnetische Fluß des Permanentmagneten 1 und mit II der magne tische Fluß des Elektromagneten bezeichnet.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß durch Abschwächen der Magnet kraft des Permanentmagneten 1 die Anzugzeit des Magneten verlängert und die Abfallszeit verkürzt werden kann. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit des dynamischen Abgleiches.

Die Mantelfläche 25 des Ankers 2 kann auch in das Innere des Per manentmagneten 1 gelegt werden, indem der Durchmesser des Perma nentmagneten 1 entsprechend vergrößert wird. Der Permanentmagnet 1 steht dann also dem Außenpol, das Weicheisen dem Innenpol gegen über.

Die Fig. 2 entspricht der Fig. 1, jedoch ist hier der Permanentmag net 1 in den ruhenden Systemteil gelegt. Damit entfällt die ohne hin geringe Abstoßung des Ankers 2 bei eingeschaltetem Strom I völlig. Die Umkehr des Feldes kann jedoch über das Verhältnis Φ_I : Φ_II wiederum durch Sättigung von Φ_IImax beliebig beeinflußt werden. Damit ist man auf die Abstoßung nicht mehr angewiesen, durch Abstimmung des Ferromagnetismus des Ringes 21 für den hydrau lischen Druck kann Φ_IImax = Φ_I (einschließlich des Streuflusses) gemacht werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der nicht durch Streuung schon festgelegte Teil von Φ_I durch magnetische Sättigung stabilisiert wird. Die Verhinderung der Feldumkehr ist auch für kürzeste Anzugszeit bei I→0 wichtig, weil der Feldhub über der Zeit dann niedriger ist. Am inneren Pol ist der Luftspalt 14 er weitert, um einen Weg für den verdrängten Kraftstoff zu schaffen. Wie man der Fig. 2 entnehmen kann, begrenzt hier der Ring 21 den radialen Umfang des Permanentmagneten 1 zum Mantel 5 und der Mag netkreis des Permanentmagneten kann relativ klein gehalten werden.

In Fig. 3, die ebenfalls der Fig. 1 entspricht, ist der ruhende Per manentmagnet 1 eben und am Außenpol 23 angeordnet. Hier ist neben dem Ring 21 noch zusätzlich ein ferromagnetischer Ring 22 mit ho her Sättigungsinduktion zur Konzentration der niedrigen Feldstärke im Permanentmagneten 1 besonders sinnvoll. Die Spalte 15 zur Wei terleitung des Kraftstoffes ist im Ring 22 besonders einfach unter zubringen.

Der Anker 2 nach Fig. 2 ist leichter als der von Fig. 1, weil der be wegte Permanentmagnet 1 entfällt. Fig. 3 ermöglicht bei gleicher Kraft einen noch leichteren und kompakteren Anker 2, da der Fluß im Ankerbereich noch mehr konzentriert und die Pfadlänge durch den Ring 22 gekürzt werden kann. Die Masse des Ankers 2 kann wegen der kurzen Magnetpfade kleiner als beim Stand der Technik sein. Die Kraft pro Flächeneinheit ist ja proportional zum Quadrat der Fluß dichte. Der Ring 22 schützt den Permanentmagneten auch vor Korro sion.

In Fig. 3 kann eine besonders große Fläche des Permanentmagneten 1 gewählt werden, womit der magnetische Spannungsabfall für den Fluß des Elektromgneten gesenkt werden kann. Ferner ist der Permanent magnet 1 eben. Der Streufluß Φ_III des Elektromagneten auf Pfad III von Fig. 2 und 3 steigt wegen des prinzipiell längeren Luftspaltes etwas an; ein Nachteil, der allerdings durch die dadurch bedingte kürzere Magnetpfadlänge im Anker 2 und damit kleinere Masse kompen siert wird. Bei Sättigung im ortsfesten Teil des Pfades I wird der Streufluß Φ_III nicht im gleichen Maße erhöht, sondern Fluß Φ_I ent lastet erwünscht den ortsfesten Teil des Pfades II von 50% des Magnetflusses.

Der Anker 2 bei den Fig. 2 und 3 ist einteilig. Die Befestigungs probleme des Permanentmagneten auf dem aufschlagenden System ent fallen.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist der Anker 2 kreissymetrisch und es ist somit eine präzise konzentrische Herstellung und Montage der Teile zueinander gegeben und unerwünschte Radialkräfte sind mini miert. Zur Bewegung des Ankers 2 ist auch keine Feder mehr nötig und damit werden auch Störkräfte abgebaut. Auch bei Ausfall des elektrischen Stromes wird das Ventil gesperrt, da der Permanentmag net 1 den Anker 2 stromlos anzieht und mit Einschalten des elektri schen Stromes abschaltet. Die Minimierung der Ankermasse gestattet es, die schaltbaren Flächenkräfte des Magneten zu maximieren. An dererseits kann auch die Leistung der Ansteuerung des Magnetsystems niedrig gehalten werden, wodurch Kosten der Elektronik und Verlust leistung im Ventil gesenkt werden, d.h., die mit dem Elektromagnet verkettete Energie und dementsprechend der magnetische Spannungs abfall des Hauptflusses ist auf das Hubvolumen mit hohem spezifi schen magnetischen Widerstand im einseitigen Kraftsinn konzentrier bar.

Claims

1. Magnetsystem für ein nach außen öffnendes Magnetventil mit einer Wicklung (17), einem den Ventilkörper tragenden Anker (2) und einem zur Wicklung (17) symmetrisch angeordneten Permanentmagnet (1), wo bei die geschlossenen Magnetkreise von Elektromagnet und Permanent magnet (1) sich teilweise überlappen (Magnetkreis I, Magnetkreis II), insbesondere für Kraftstoffeinspritzventile, dadurch gekennzeichnet, daß dem Permanentmagnet (1) im Magnetkreis des Elektromagneten ein Ring (21) aus ferromagnetischem Material zugeordnet ist, der die Hälfte des Flusses (I) des Permanentmagneten (1) aufnimmt, und der Magnetkreis für den Elektromagneten auf die Hälfte des Permanent flusses dimensioniert ist.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (2) kreissymmetrisch ist.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) in den Anker (2) eingearbeitet ist.

4. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anzugszeit des Magneten verlängert und die Abfalls zeit verkürzt wird durch Abschwächen des Permanentmagneten (1).

5. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Magnetkreis durch ein zentrales Rohr (3), eine radial verlaufende Deckplatte (4), einen axial außen verlaufenden Mantel (5) sowie einen Außenpol vom Mantel (5) zum Anker (2) geschlossen ist.

6. Magnetsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bohrung (6) im Rohr sich im Permanentmagnet (1) fortsetzt und sich in den Anker (2) erstreckt.

7. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anker (2) sich ins Innere des Permanentmagneten (1) erstreckt.

8. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) fest mit dem Rohr (3) verbunden ist und dem Anker (2) gegenüberliegt.

9. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) unterhalb der Wicklung (17) und dem Außenpol gegenüber angeordnet ist.

10. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (21) den Permanentmagnet (1) nach außen begrenzt.

11. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Kontakt mit dem Permanentmagnet (1) ein weiterer Ring (22) aus ferromagnetischem Material steht.