EP2257954B1

EP2257954B1 - Elektromagnetische stellvorrichtung

Info

Publication number: EP2257954B1
Application number: EP09767941A
Authority: EP
Inventors: Thomas Schiepp; Jörg BÜRSSNER
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: US20110266475A1; US8939431B2; CN102265356A; WO2010075909A1; EP2257954A1; DE202008017033U1; ATE540414T1; CN102265356B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Eine derartige, etwa aus dem Deutschen Gebrauchsmuster 20 2006 011 905 der Anmelderin bekannte Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und offenbart einen (geeignet mit einem Stellpartner zusammenwirkenden) Ankerstößelabschnitt als axiale Fortsetzung eines Ankers, wobei der Anker mit einer stationären Kerneinheit sowie einer stationären Spuleneinheit so zusammenwirkt, dass als Reaktion auf das Bestromen der Spuleneinheit (Spulenvorrichtung) eine Ankerbewegung in einer axialen Richtung erfolgt.
Eine besondere Herausforderung, gerade im Zusammenhang mit einer Anwendung der gattungsgemäßen Technologie auf Ventile oder dergleichen Schaltaggregate, liegt darin, mit Beginn des Schaltvorgangs (d.h. mit Beginn der Bestromung) ein schnelles Ansprechen und eine hohe magnetische Stellkraft zu erreichen, sodass entsprechend geringe Totzeiten und eine hohe Dynamik der Vorrichtung erreichbar sind. Sogenannte Flachanker-Systeme ermöglichen üblicherweise große Kräfte, haben jedoch den Nachteil vergleichsweise kurzer nutzbarer Ankerhübe.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, etwa mittels sogenannter Einzugsanker einen wirksamen Hub eines Ankers deutlich zu erhöhen, allerdings hat ein derartiger Ansatz den Nachteil, dass -- insbesondere unmittelbar nach dem Bestromen -- nur eine vergleichsweise geringe Magnetkraft erzeugt wird und dementsprechend nur ein langsames Ansprechen erreichbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowohl im Hinblick auf ein Kraft- und Dynamikverhalten unmittelbar nach dem Bestromen zu verbessern, als auch einen wirksamen Hub zu vergrößern.
Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
So ist es zunächst erfindungsgemäß vorgesehen, die Kerneinheit in der axialen Richtung mehrteilig auszubilden, und zwar einem stationären Kernabschnitt einen axial beweglichen Kernabschnitt so zuzuordnen, dass zwischen diesen Abschnitten ein Kernspalt besteht, welcher Teil des magnetischen Kreises ist und zur zusätzlichen Krafterzeugung unmittelbar nach der Bestromung beitragen kann. Ferner sind der bewegliche Kernabschnitt und der Anker so mittels der erfindungsgemäßen Mitnehmermittel verbunden, dass als Reaktion auf die Bestromung und ein dadurch bewirktes Schließen des Kernspalts der bewegliche Kernabschnitt eine in der axialen Richtung wirkende Antriebskraft auf den Anker ausübt und so Dynamikverhalten und Kraftentwicklung unmittelbar nach der Bestromung (genauer: nach dem Beginn der Bestromung) optimiert; sobald dann der Kernspalt geschlossen ist, bewegt sich der Anker in ansonsten bekannter Weise in der Art eines Einzugsankers weiter in der axialen Richtung.
Diese Vorgehensweise bewirkt damit vorteilhaft, dass in der für das Ansprechverhalten und die Dynamik kritische Phase unmittelbar nach der Bestromung (genauer: dem Aktivieren der Bestromung) eine hohe Kraft auf den Anker wirkt, welche diesen in der axialen Richtung antreibt, wobei diese Kraft einerseits in der gattungsgemäß bekannten Weise durch magnetischen Feldlinienfluss zwischen Anker und Kerneinheit bewirkt wird, insbesondere jedoch auch eine Unterstützung erfährt durch den zwischen dem beweglichen und dem stationären Kernabschnitt gebildeten Kernspalt, welcher beim durch das Bestromen bewirkten Schließen den vorteilhaften Krafteintrag auf den Anker ausübt.
Weiterbildungsgemäß besonders bevorzugt ist es, die Mitnehmermittel am (im Durchmesser gegenüber einem breiteren Ankerkörperabschnitt verringerten) Ankerstößelabschnitt vorzusehen, weiter bevorzugt in einem Übergangs- bzw. Durchtrittsbereich des Ankerstößelabschnitts durch einen weiter bevorzugt becherförmigen beweglichen Kernabschnitt: Auf diese Weise lässt sich besonders geeignet, etwa durch das Vorsehen von treppen- und/oder rampenförmiger Mitnehmermitteln, die Kraftübertragung auf den Anker bewirken, darüber hinaus sind Herstellung und Montage drastisch vereinfacht: So ist es im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung vorgesehen, den Ankerstößelabschnitt mit einem (ein- oder mehrstückigen) Ringabsatz zu versehen, welcher mit einem entsprechenden Mitnehmer-Partner, etwa am beweglichen Kernabschnitt, mitnehmend zusammenwirkt, sodass die zwischen beweglichem und stationärem Kernabschnitt erzeugte, ein Schließen des Kernspalts bewirkende Kraft wirksam auf den Anker übertragen wird. Ergänzend oder alternativ scheint etwa eine konische oder andere geometrische Ausgestaltung dieses Mitnehmerabschnitts möglich und sinnvoll.
Darüber hinaus ist es von Weiterbildungen der Erfindung umfasst, die konstruktive Realisierung der elektromagnetischen Stellvorrichtung an nahezu beliebige Einsatzzwecke anzupassen und geeignet konstruktiv weiterzubilden, etwa in Form einer hub-begrenzenden Führung des Ankers mittels eines Ankerführungsrohres. Auch ist es von der Erfindung umfasst, den Gedanken der Erfindung eines geteilten und teilbeweglichen Kerns zur Kraftunterstützung zu übertragen bzw. zu ergänzen durch einen entsprechend konfigurierten Jochabschnitt, welcher gleichermaßen eine Ankerbewegung fördert bzw. eine Kraftbeaufschlagung des Ankers ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

Fig. 1:: einen schematischen Längsschnitt durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2:: eine Darstellung analog Fig. 1 zur Verdeutlichung des magnetischen Kraftflusses bei der Bestromung (nach dem Beginn der Bestromung);
Fig. 3:: eine Detailansicht zur Verdeutlichung der mechanischen Kraftübertragung zwischen dem Anker und der zweigeteilten Kerneinheit mit diese verbindenden Mitnehmermitteln;
Fig. 4, Fig. 5:: zwei Prinzipdarstellungen für weitere Varianten zur Ausbildung der Geometrie der Mitnehmermittel Fig. 6: mittels Koni (Fig. 4) bzw. mehrstufiger Ringabsätze (Fig. 5); ein Kraft-/Wegdiagramm zur Verdeutlichung des durch die Erfindung realisierten starken Kraftanstiegs beim Ansprechen bzw. unmittelbar nach dem Bestromen;
Fig. 7 - Fig. 11:: eine Abfolge von fünf zeitlich aufeinanderfolgenden Bewegungszuständen nach dem Bestromen der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis Fig. 3;
Fig. 12 - Fig. 14:: eine Darstellung analog Fig. 7 bis 11 zur Verdeutlichung der Funktionsweise und konstruktiven Realisierung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 - Fig. 17:: eine Darstellung analog Fig. 7 bis 11 zur Verdeutlichung der konstruktiven Realisierung und Funktionsweise einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Fig. 18 - Fig. 20:: eine Darstellung analog Fig. 7 bis 11 zur Verdeutlichung der konstruktiven Realisierung und Funktionsweise einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische bzw. unmittelbar äquivalente Funktionskomponenten, sofern keine anderen Erläuterungen gegeben werden.
So zeigt die schematische Längsschnittsansicht der Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der elektromagnetischen Stellvorrichtung der gezeigten ersten Ausführungsform: Innerhalb eines aus einer jochseitigen Gehäuseplatte 10, einer kernseitigen Gehäuseplatte 12 und einem zylindrischen Gehäusemantel 14 gebildeten Gehäuses ist eine stationäre Spuleneinheit 16 vorgesehen, welche in nicht gezeigter und in ansonsten bekannter Weise zur Bestromung beschaltet ist. Die Vorrichtung besitzt ferner eine zweigeteilte Kerneinheit bestehend aus einem stationären Kernabschnitt 18 und einem in der axialen Richtung (Strichpunktlinie 20) beweglichen Kerneinheit 22. Durch die Kerneinheit 18, 22 geführt ist ein Ankerstößelabschnitt 24, welcher sich in der axialen Richtung von einem im Durchmesser verbreiterten Ankerkörperabschnitt 26 erstreckt.
Ankerstößelabschnitt 24 und beweglicher Kernabschnitt 22 sind zudem verbunden mittels jeweiliger, einen Anschlag bildender Ringabsätze 28 (Fig. 3, für den Stößelabschnitt 24) bzw. 30 (für den beweglichen Kernabschnitt) und bilden eine Mitnehmereinheit (Mitnehmermittel), angedeutet durch die gestrichelte Umrandung 32 in Fig. 3, aus. Insbesondere die Fig. 3 verdeutlicht auch den in der axialen Richtung zwischen den Einheiten 22 und 18 gebildeten Kernspalt 34.
Unter Bezug auf die Fig. 7 bis 11 wird die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 3 erläutert, wobei Fig. 2 den magnetischen Feldlinienverlauf durch die im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Komponenten nach dem Bestromen erläutert: Das Anlegen des elektrischen Signals an die Spuleneinheit 16 erzeugt einen magnetischen Feldverlauf entsprechend der Pfeilschaaren 34 und 36 durch das umgebende Gehäuse aus magnetisch leitendem Material, gleichzeitig findet ein magnetischer Fluss statt vom Ankerkörperabschnitt 26 in den Stößelabschnitt 24 und von dort in den stationären Kernabschnitt 18, zusätzlich auch unmittelbar über den Ankerkörperabschnitt 26 in den beweglichen Kernabschnitt 22 (über einen dazwischen gebildeten, schmalen Luftspalt) und dann über den Kernspalt 34 in den stationären Kernabschnitt 28. Gerade dieser zweite Feldverlauf führt dazu, dass eine hohe Kraft auf den beweglichen Kernabschnitt 24 wirkt, um den Spalt 34 zu schließen. Diese Kraft wird mithilfe des Kraftschlusses der Absätze 30, 28 (Mitnehmermittel 32) übertragen auf den Ankerstößelabschnitt 24 und damit den gesamten Anker, sodass in dieser Frühphase der Bestromung (kurz nach der Bestromung bzw. im Einschalten der Bestromung) bereits eine hohe Kraft (und entsprechend ein schnelles Ansprechen) erreicht ist. Dies ist im linksseitigen Bereich der Fig. 6 verdeutlicht. Entsprechend führt diese Kraft zu einem Schließen des Spalts 34 (Fig. 8, wobei Fig. 7 insoweit der Ausgangssituation der Fig. 3 entspricht), und nach dem Schließen des Spalts bewegt sich der Anker weiter in der Art eines herkömmlichen Einzugsankers (mit einteiligem Kern), vergleiche Fig. 9, bis endseitige Anschlagpositionen (Fig. 10 bzw. Fig. 11) erreicht werden.
Bemerkenswert ist bei dieser Realisierungsform, dass -- untypisch für einen Einzugsanker -- bereits unmittelbar nach dem Aktivieren der Bestromung ein sehr hoher Krafteintrag auf den Anker mit entsprechender Auswirkung auf Ansprech- und Dynamikverhalten erreicht ist.
Die Fig. 4 und 5 verdeutlichen Varianten zur gestuften Ausbildung der Mitnehmermittel 32: So verdeutlicht die Fig. 4 anstelle der Stufen 30 (für den beweglichen Kernabschnitt) bzw. 28 (für den Stößelabschnitt) ein miteinander wirkendes Paar von Koni 28a, 30a, welche analog der Ringabsatzform der Fig. 3 als Ringkoni ausgebildet sind und in der gezeigten Weise als Mitnehmer wirken, die das Schließen des Kernspalts bewirkende Kraft auf den Anker übertragen.
Entsprechend enthält die in Fig. 5 skizzierte Realisierung der Mitnehmermittel ein aufeinander bezogenes, mehrfach abgestuftes Paar von Ringabsätzen 28b bzw. 30b.
Die Fig. 12 bis 20 verdeutlichen weitere Modifikationen der Erfindung: So zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Fig. 12 bis 14 die Ergänzung und/oder das Ersetzen des Prinzips der Fig. 1 bis 11 durch eine geeignet mit dem Anker gekoppelte, bewegliche Jochplatte 40, welche zum Schließen eines kraftunterstützenden Spalts 42 bei Bestromung angesteuert wird und mit dem vorbeschriebenen Prinzip eine Kraftunterstützung auf den Anker ausübt.
Entsprechendes gilt für die modifizierte bewegbare Jochplatte 40a gemäß Ausführungsbeispiel der Fig. 15 bis 17: Hier ist gezeigt, wie die bewegbare Jochplatte 40a unmittelbar auf einen Ringabsatz 44 des Ankers 26 greift.
Dagegen ist die Jochplatte 40b im Ausführungsbeispiel der Fig. 18 bis 20 gehalten zwischen einem Ankerabsatz 46 zur Kraftübertragung auf den Anker und einem gehäuseseitigem Absatz 48 zur Hubbegrenzung der Jochplatte 40b.

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung mit
einem einen langgestreckten Ankerstößelabschnitt (24) sowie einen diesen axial fortsetzenden Ankerkörperabschnitt (26) aufweisenden Anker,
der zum magnetischen Zusammenwirken mit einer Kerneinheit (18,22) sowie durch Bestromung einer stationär vorgesehenen Spulenvorrichtung (16) relativ zu dieser bewegbar ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kerneinheit so ausgebildet ist, dass sie zumindest abschnittsweise den Ankerstößelabschnitt (24) sowie den gegenüber dem Ankerstößelabschnitt im Durchmesser verbreiterten Ankerkörperabschnitt (26) umgibt,
die Kerneinheit in der axialen Richtung mehrteilig mit einem stationären Kernabschnitt (18), einem axial beweglichen Kernabschnitt (22) und einem veränderlichen Kernspalt (34) zwischen dem stationären und dem beweglichen Kernabschnitt ausgebildet ist
und der bewegliche Kernabschnitt und der Anker so ausgebildet und über Mitnehmermittel (32) verbunden sind, dass als Reaktion auf die Bestromung eine ein Schließen des Kernspalt bewirkende Bewegung des beweglichen Kernabschnitts sowie ein Antreiben des Ankers in der axialen Richtung über die Mitnehmermittel erfolgt, und sobald dann der Kernspalt geschlossen ist, der Anker sich weiter in der axialen Richtung bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmermittel (32) am Ankerstößelabschnitt vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmermittel einen mantelseitig am Anker vorgesehenen Absatz (28), insbesondere Ringabsatz, aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringabsatz (28b) mehrstufig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmermittel einen mantelseitig am Anker vorgesehen Konusabschnitt (28a), insbesondere Ringkonus, aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Kernabschnitt (22) becherförmig ausgebildet und mit einem zum Hindurchführen des Stößelabschnitts (24) ausgebildeten axialen Durchbruch versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Kernabschnitt im äußeren Mantelbereich eine Konusform, insbesondere Ringkonusform, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmermittel (32) am beweglichen Kernabschnitt in einem zum Durchführen des Ankerstößelabschnitts vorgesehenen Durchbruchsbereich ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmermittel am beweglichen Kernabschnitt ringabsatz (30)- oder ringkonusförmig ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker in einem einen Ankerhub begrenzenden Ankerführungsrohr geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein magnetisch mit dem Anker zusammenwirkendes, einen beweglichen Jochabschnitt (40,40a, 40b) aufweisendes Joch, welches so ausgebildet ist, dass es als Reaktion auf die Bestromung das Antreiben des Ankers mechanisch unterstützt.