DE60026219T2

DE60026219T2 - Elektromagnetspulenanordnung mit C-förmigem Rahmen hoher Flussdichte und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE60026219T2
Application number: DE60026219T
Authority: DE
Inventors: Daniel John Auburn Hills Osterhart; Charles Abraham Durand Detweiler; Robert Dean Davisburg Keller
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: EP1107266A2; DE60026219D1; EP1107266B1; ES2258437T3; US6219903B1; EP1107266A3; ATE319170T1

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft elektromagnetische Aktuatoren oder Elektromagnete mit einem Anker, der zur Bewegung in einer Spulenwicklung durch elektromagnetische Kräfte eingerichtet ist, die bei einem Stromfluss durch die Spulenwicklung erzeugt werden. Elektromagnete dieser Art haben bei der Betätigung elektrisch betätigter Ventile weite Verbreitung gefunden.
Bei Elektromagnetaktuatoren und insbesondere durch einen Elektromagneten betätigten Ventilen, die zur Steuerung einer Fluidströmung eingesetzt werden und verhältnismäßig sehr geringe Herstellungskosten erfordern, ist es bislang Praxis gewesen, einen im Wesentlichen C-förmigen Polrahmen oder Flusssammler bzw. ein Flussleitelement vorzusehen, um eine Magnetflussschleife um die Spule herum zu schaffen, die gewöhnlich über Luftspalten durch den Anker vervollständigt wird. C-förmige Flussleitelemente dieser Art sind z.B. in der JP-A 08306526 und in der WO-A 9951901 beschrieben. Es hat sich jedoch als äußerst schwierig erwiesen, einen einfachen kostengünstigen Weg zur Vervollständigung der Flussschleife bereitzustellen und das C-förmige Flussleitelement in der Spulenwicklung in einer Weise zu befestigen, die robust ist und eine minimale Anzahl von Teilen in der Anordnung erfordert und die dennoch die gewünschte Flussübertragung erzielt. Das Problem ist besonders schwerwiegend in Elektromagnetaktuatoren, die dazu vorgesehen sind, gemeinsam mit einem Fluidsteuerungsventil verwendet zu werden, in dem der Anker in einer derartigen Wirkverbindung steht, dass er ein bewegliches Ventilelement oder Absperrorgan bewegt. Außerdem ist festgestellt worden, dass es schwierig ist, bei der Großserienmassen produktion das Ventilabsperrorgan mit dem Ventilkörper und dem Anker und den Spulenelementen in einer Weise zusammenzubauen, die für Niederspannungsanwendungen in der Automobiltechnik nicht unerschwinglich teuer ist.
In Automobilanwendungen erfordert die verhältnismäßig niedrige Spannung, wie sie von der Spannungsquelle verfügbar ist, eine hohe Anzahl von Windungen der Spulenwicklung bei dem zur Verfügung stehenden Strom, um die erforderlichen elektromagnetischen Kräfte zu erzeugen, um eine Ankerbewegung zur Ventilbetätigung entgegen den auf das Ventilabsperrorgan einwirkenden Kräften des Fluidversorgungsdrucks zu bewirken. Diese Schwierigkeit beim Entwurf von Elektromagneten für derartige Anwendungen ist ferner dann erhöht, wenn über den Luftspalten zwischen dem Flussleitelement und dem Anker ein schlechter Flusstransfer existiert, was die Folge des minimierten Flächeninhalts an dem Flussspalt ist, der auf den mehrstückigen Aufbau der Polrahmen- und Wicklungsanordnung zurückzuführen ist. Es ist somit erwünscht, den Magnetflusstransfer in einer Niederspannungs-Elektromagnetaktuatoranordnung insbesondere für ein Fluidventil zu verbessern und die Anzahl von Teilen sowie die Herstellungskosten auf ein Minimum zu reduzieren und dennoch eine Anordnung zu schaffen, die robust und für die Kraftfahrzeugmotorumgebung sowie die Getriebeaktuatorbetriebsumgebung geeignet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen 1, 2 bzw. 8, 9 definiert ist, ergibt ein durch einen Elektromagneten betätigtes Ventil mit einem C-förmigen Polrahmen oder Flussleitelement, der bzw. das eine hohe Flussübertragung über den Luftspalten zu dem Anker aufweist und einen C-Rahmen verwendet, der durch Ausstanzen aus einem einzelnen Blechrohling erzeugt wird. Der C-Rahmen für die Elektromagnetventilanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist wenigstens ein Ende der Enden der C-Form auf, das um eine Achse, die durch die Enden hindurch verläuft, und um einen Fortsatz, der über den Flansch der Wicklungsspule hinweg vorragt, gewunden bzw. umgelegt ist, um die Spule und die Wicklung an dem C-Rahmen zu sichern.
In einer Ausführungsform ist ein Ende des C-Rahmens mit einer Öffnung versehen, um unmittelbar über einem Wicklungsspulenflansch aufgenommen zu werden, während das dem einen Ende gegenüberliegende Ende des C-Rahmens sich über einem Fortsatz des anderen Wicklungsspulenflansches windet. In anderen Ausführungsformen sind beide Enden des C-Rahmens jeweils über einem Fortsatz eines der Spulenflansche gewunden bzw. umgelegt.
Der Ventilkörper ist einstückig mit einem Ende der Spule ausgebildet; und der Anker kann ausgehend von dem gegenüberliegenden Ende der Spule von dem Ventilkörper durch den Spulenhohlraum hindurch montiert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine einfache robuste und kostengünstige Art und Weise zur Herstellung einer elektromagnetbetätigten Ventilanordnung, die insbesondere für Niederspannungs-Niederstrom-Anwendungen geeignet ist, beispielsweise für diejenigen Anwendungen, die bei Steuerungsaktuatoren für Motoren und Getriebe in der Großserienmassenproduktion von Kraftfahrzeugen vorkommen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine ebene Ansicht der Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinien 2-2 nach 1;
3 zeigt eine Explosionsansicht der Ventilanordnung nach 1;
4 zeigt eine Seitenansicht des Flusssammlers gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine von der rechten Seite aus betrachtete Draufsicht auf den Flusssammler nach 4;
6 zeigt eine ebene Ansicht des flachen Rohlings, von dem aus der Flusssammler nach 4 hergestellt wird;
7 zeigt eine auf die Kante gerichtete Seitenansicht des Rohlings nach 6;
8 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Flusssammlers gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Flusssammlers gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt eine linke Stirnansicht der Ausführungsform nach 9;
11 zeigt eine rechte Stirnansicht der Ausführungsform nach 9; und
12 zeigt eine axonometrische Ansicht der Ausführungsform nach 9.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf 1 bis 3 ist die Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein bei 10 angezeigt und enthält eine Ventilkörper- und Spule-Untergruppe, die allgemein bei 12 angezeigt ist und die die Spule 14 enthält, die zwei voneinander beabstandete, sich radial nach außen erstreckende Flansche 16, 18 mit von diesen axial nach außen vorragenden Endabschnitten aufweist, die mit den Bezugszeichen 20, 22 bezeichnet sind, wobei der Endabschnitt 20 den Ventilkörper aufweist. Der Endflansch 16 weist elektrische Verbindungsanschlüsse 24, 26 auf, die darin montiert sind, und kann einen zwischen diesen angeschlossenen Widerstand 28 enthalten.
An der Spule 14 ist eine Wicklung angeordnet, die vorzugsweise durch Wickeln einer Spulenwicklung 30 gebildet ist, die durch mehrere Windungen eines leitfähigen Materials, beispielsweise eines feinen Kupfermagnetdrahts, gebildet ist. Der Ventilkörper 20 weist einen in seinem Ende ausgebildeten Ventilkanal 32 auf, um den herum ein ringförmiger Ventilsitz 34 ausgebildet ist, der mit einem beweglichen Ventilelement oder Absperrorgan 36 in Berührung kommt, das an dem Ende des Ankers 38 vorgesehen ist; und es versteht sich, dass das Ventilglied 36 gegen den Ventilsitz schließt, um eine Strömung zwischen dem Kanal 32 und einem Kanal 40 des Ventils zu steuern, von denen ein beliebiger einen Einlass oder einen Auslass bilden kann, abhängig davon, ob das Ventil zur Steuerung einer Strömung mit positivem Druck oder subatmosphärischem Druck an dem Einlass von diesem verwendet wird.
Ein stationäres Polstück oder Flussleitelement bzw. Flusssammler 42 ist in der hohlen Mitte der Spule vorgesehen und bildet gemeinsam mit dem Ende des Ankers 38 einen in 2 mit dem Bezugszeichen T bezeichneten Luftspalt, wenn sich das Ventil in dem entregten Zustand befindet, d.h. wenn ein Nullstrom durch die Spule 30 fließt.
Bezugnehmend auf 3, 4 und 5 ist ein Polrahmen oder Flussleitelement 44 mit einer im Wesentlichen C-förmigen Gestalt veranschaulicht, wobei die Enden der C-Form nach außen gebogen und nach oben gewunden sind, um darin jeweils die Enden 20, 22 der Spule aufzunehmen, wobei die Enden der C-Form in 4 und 5 jeweils mit dem Bezugszeichen 46, 48 bezeichnet sind.
Bezugnehmend auf 1 und 2 sind die Enden 46, 48 des C-Rahmens 44 über den Enden 20 bzw. 22 der Spule gewunden oder geformt, wie dies in den 1 und 2 mit durchgezogener Linie und in 5 mit gestrichelter Linie veranschaulicht ist. Unter Bezugnahme auf 6 und 7 versteht es sich, dass der C-Rahmen 44 aus einem flachen Rohling erzeugt werden kann, wie er veranschaulicht und mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist. Falls gewünscht, kann die Spule mit einer inneren Führungsmuffe oder -buchse 52 aus nicht magnetischem Material versehen sein, um den Anker verschiebbar zu führen.
Bezugnehmend auf 8 ist eine modifizierte Einrichtung oder Ausführungsform des C-Rahmens oder Flussleitelementes 144 veranschaulicht, der bzw. das, wie es allgemein verständlich ist, ebenfalls aus einem einzelnen Rohling eines flachen Blechvorrats erzeugt werden kann.
Indem nun in erster Linie auf die 9 bis 12 Bezug genommen wird, ist eine weitere Ausführungsform des C-Rahmens, der aus einem einzelnen Rohling aus Blech ausgebildet ist, bei 244 veranschaulicht, wobei der C-Rahmen zu einer im Wesentlichen U-förmigen Gestalt unter Ausbildung von zwei Armen gegabelt ist, die mit den Bezugszeichen 248, 250 bezeichnet und dazu eingerichtet sind, über eine Spulenflanschverlängerung, beispielsweise den Fortsatz 20 der Ausführungsform nach 2, gewunden bzw. geschlungen zu werden.
Die vorliegende Erfindung ergibt somit einen einzigartigen und neuen Elektromagnetaktuator sowie eine einzigartige und neue Ventilanordnung mit dem die Spulenwicklung umgebenden Polrahmen, der aus einem einzelnen einheitlichen flachen Rohling aus Blech ausgebildet ist, wobei seine Enden über den Fortsätzen der Spule gewunden bzw. geschlungen sind, um eine vergrößerte Oberfläche für den Magnetflusstransfer zu dem Anker zu schaffen und auch um eine steife Anordnung sowie reduzierte Herstellungskosten zu erzielen.
Obwohl die Erfindung vorstehend mit Bezug auf die veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass an der Erfindung Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können und diese lediglich durch die folgenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Elektromagnetanordnung, die aufweist: (a) eine Spule (14) mit einer Anzahl Windungen eines darauf gewickelten Leiters; (b) einen Anker (38), der zu einer Bewegung bezüglich des aufgewickelten Leiters beim Durchfluss eines elektrischen Stroms durch den Leiter eingerichtet ist; und (c) ein Magnetflussleitelement (44), das aus einem magnetisch permeablen Material besteht, wobei das Flussleitelement eine im Wesentlichen C-förmige Gestalt mit wenigstens einem gegabelten und über ein Endteil (20; 22) der Spule verformten Ende (46; 48) aufweist und wobei ein Endteil der Spule, das diesem einen Endteil gegenüberliegt, auf einen dem einen Ende gegenüberliegenden Ende des Flussleitelementes aufgenommen ist, wodurch das Flussleitelement an der Spule und um die Spulenwicklung (30) herum befestigt ist.
Elektromagnetanordnung, die aufweist: (a) eine Spule (14) mit einer Anzahl Windungen eines darauf gewickelten Leiters; (b) einen Anker (38), der zu einer Bewegung bezüglich des aufgewickelten Leiters beim Durchfluss eines elektrischen Stroms durch den Leiter eingerichtet ist; und (c) ein Magnetflussleitelement (144), das aus einem magnetisch permeablen Material besteht, wobei das Flussleitelement eine im Wesentlichen C-förmige Gestalt mit zwei über Endteile (20, 22) der Spule verformten Enden aufweist, wodurch das Flussleitelement an der Spule und um die Wicklung (30) herum befestigt ist.
Elektromagnetanordnung nach Anspruch 1, bei der die Spule vorragende zylindrische Teile (20, 22) kleineren Durchmessers aufweist, wobei beide Enden (46, 48) des Flussleitelements (44) gegabelt und jeweils über eines der zylindrischen Teile geformt sind.
Elektromagnetanordnung nach Anspruch 1, bei der die Spule ein Ventilkörperteil (20) enthält, das axial über das verformte Ende des Flussleitelementes vorragt, wobei das Ventilkörperteil (20) eine Fluidventilkammer mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass (32, 40) und ein in der Kammer beweglich angeordnetes Ventilglied (36) aufweist, um den Durchstrom zwischen dem Einlass und dem Auslass zu steuern, wobei der Anker (38) in einer solchen Wirkverbindung steht, dass er eine Bewegung des Ventilglieds bewirken kann.
Elektromagnetanordnung nach Anspruch 1, bei der das Flussleitelement (44) aus einem einzigen Rohling (50) aus Blech ausgebildet ist.
Elektromagnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die verformten Enden (46, 48) des Flussleitelementes jeweils eine halbzylindrische Gestalt aufweisen.
Elektromagnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Flussleitelement (44) aus einem einzigen Rohling aus Blech mit einer Dicke von etwa einem (1) Millimeter ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten, beinhaltend: (a) Bereitstellen einer Spule mit einem Paar voneinander beabstandeter Flansche (16, 18) und Ausbilden von Teilen (20, 22), die von den Flanschen axial vorragen; (b) Aufwickeln einer Spulenwicklung (30) auf die Spule zwischen den voneinander beabstandeten Flanschen; (c) Ausbilden eines im Wesentlichen C-förmigen Streifens aus magnetisch permeablem Material und gabelförmiges Ausbilden eines Endes (46; 48) der C-Form; (d) Verformen des einen gegabelten Endes um den axial vorragenden Teil (20; 22) der Spule und Festlegen des C-förmigen Rahmens an dieser um die Spulenwicklung herum und (e) Anordnen eines Ankers (38) in der Spule zur Bewegung bei einem Stromfluss in der Spulenwicklung.
Verfahren zum Herstellen eines Elektromagneten, beinhaltend: (a) Bereitstellen einer Spule mit einem Paar voneinander beabstandeter Flansche (16, 18) und Ausbildung von axial von den Flanschen vorragenden Teilen (20, 22); (b) Aufwickeln einer Spulenwicklung (30) auf die Spule zwischen den beabstandeten Flanschen; (c) Ausbilden eines im Wesentlichen C-förmigen Streifens aus magnetisch permeablem Material, wobei die C-Form zwei Enden aufweist; (d) Verformen der genannten Enden über die axial vorragenden Teile (20, 22) der Spule herum und Festlegen des C-förmigen Rahmens um die Spulenwicklung herum an diesem; und (e) Anordnen eines Ankers (38) in der Spule zur Bewegung bei einem Stromfluss in der Spulenwicklung.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Schritt des Ausbildens eines C-förmigen Streifens das Herstellen eines Rohlings (50) aus Blech beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, das außerdem das gabelförmige Ausbilden und Verformen beider Enden des Streifens (50) jeweils um einen der axial vorstehenden Teile (20, 22) der Spule (14) beinhaltet.