EP2572362B1

EP2572362B1 - Elektromagnet

Info

Publication number: EP2572362B1
Application number: EP11711456.1A
Authority: EP
Inventors: Patrik Fuchs
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: US8653921B2; DE102010021175A1; JP2013526780A; US20130069745A1; EP2572362A1; WO2011144272A1; JP5792803B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet, insbesondere Schaltmagnet, mit einer auf einem Spulenkörper befindlichen Erregerwicklung und einem ein Teil des magnetischen Rückschlusses bildenden Polstück, wobei innerhalb des Spulenkörpers ein Polkern und ein axial beweglicher Magnetkolben vorgesehen sind, das Polstück an dem dem Polkern entgegengesetzten Bereich eine Durchgangsöffnung für den Magnetkolben bildet und dieser für seine Bewegung in einer Führung des Polkerns gelagert ist, wobei das Polstück ein den Spulenkörper an seinem axialen Ende zumindest teilweise übergreifendes Flanschteil und ein sich von diesem axial erstreckendes Büchsenteil aufweist, das innerhalb des Spulenkörpers einen einen Längenabschnitt des Magnetkolbens übergreifenden Hohlzylinder bildet, zwischen dessen Innenwand und dem Umfang des Magnetkolbens ein parasitärer Luftspalt gebildet ist.
Ein Elektromagnet dieser Art ist aus dem Dokument EP 1 818 951 B1 bekannt. Für die Betriebseigenschaften derartiger Magnete ist der magnetische Rückschluss zwischen Polstück und Magnetkolben von großer Bedeutung. Die Eigenschaft dieses Rückschlusses hängt von der Gestaltung des zwischen Magnetkolben und Polstück befindlichen Luftspaltes ab. Allgemein führt ein geringer Luftspalt zwischen Magnetkolben und Polstück zu einer Erhöhung der Magnetkraft über Hub. In dem genannten Dokument sind hinsichtlich der Gestaltung des Luftspaltes mehrere Lösungen aufgezeigt, die sämtliche auf Maßnahmen der Formgebung des Magnetkolbens an dessen der Durchgangsöffnung am Polstück benachbarten Ende basieren. Dabei handelt es sich um Verjüngungen am Endabschnitt des Kolbens oder um eine Verkürzung des Kolbens derart, dass dessen Endfläche die Durchgangsöffnung nicht völlig durchgreift.
Die DE 44 36 616 A1 beschreibt einen Hubmagnet mit einem eine Spule aufnehmenden und ein magnetisches Joch bildenden Gehäuse. Mit dem Gehäuse ist eine zentrische Lagerachse verbunden, auf der ein Anker axial verstellbar gelagert ist. Ferner weist der Hubmagnet eine Polplatte auf, die durch eine Öffnung in das Gehäuse eingesetzt ist und einen koaxial zur Lagerachse in das Gehäuse ragenden Ansatz hat, der den Anker mit einem den Polluftspalt bildenden Abstand konzentrisch umgibt. Der Anker ist mit Hilfe von Wälzlagern auf der Lagerachse gelagert, so dass der Hubmagnet aufwändig herzustellen ist. Das Polstück ist über eine gerundete Stützfläche im Gehäuse gelagert. Dies ermöglicht eine nachträgliche Ausrichtung des Polstücks gegenüber dem Anker. Aufgrund der Wälzlager ist die Lagerung des Ankers mit einem gewissen Spiel auch und gerade in radialer Richtung behaftet. Insgesamt ermöglicht die Lehre dieses Dokuments eine genaue konzentrische Ausrichtung des Polstücks relativ zur Lagerachse, nicht aber eine besondere Minimierung des Polluftspalts. Vielmehr muss ein erheblicher Polluftspalt vorgesehen werden, um eine nachträgliche Justierung des Polstücks überhaupt erst möglich zu machen.
Bei den bekannten Lösungen lässt das Betriebsverhalten zu wünschen übrig. Im Hinblick hierauf liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagnet zur Verfügung zu stellen, der sich durch eine vergleichsweise verbesserte Magnetkraft-Hub-Kennlinie auszeichnet.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch einen Elektromagnet gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 ist der Magnetkolben auf einer Führungshülse in einer Gleitpassung gelagert.
Ein die Betriebseigenschaften des Elektromagneten maßgeblich bestimmender parasitärer Luftspalt ist in der Weise gebildet , dass das Polstück, anschließend an ein das axiale Ende des Spulenkörpers teilweise übergreifendes Flanschteil ein Büchsenteil bildet, das sich in Form eines Hohlzylinders in den Spulenkörper erstreckt und einen Längenabschnitt des Magnetkolbens übergreift, wobei zwischen der Innenwand des Hohlzylinders und dem Umfang des Kolbens ein parasitärer Luftspalt ausgebildet ist. Durch Wahl des Unterschiedes zwischen Innendurchmesser des Hohlzylinders des Büchsenteiles und Außendurchmesser des Kolbens lässt sich die Spaltweite auf einen optimalen Wert einstellen. Im Unterschied zu den dem Stand der Technik entsprechenden Lösungen ergibt sich bei Kolbenbewegungen keinerlei Veränderungen der Spaltgeometrie, so dass eine optimale Kraft-Hub-Kennlinie realisierbar ist.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist die Koaxialität der Gleitpassung zum Hohlzylinder des Polstückes derart eng toleriert, dass der Magnetkolben bei einer Weite des parasitären Luftspaltes von weniger als 0,1 mm vom Hohlzylinder berührungsfrei bleibt. Eine Berührung zwischen Magnetkolben und Polstück würde durch Reibung zu einer erhöhten Hysterese in der Magnetkraft-Hub-Kennlinie führen und muss daher unbedingt vermieden werden. Dank der erfindungsgemäß vorgesehenen, eng tolerierten Koaxialität der Führung im Polkern und der Führungshülse eröffnet sich die Möglichkeit, die Weite des parasitären Luftspaltes zu minimieren, ohne die Gefahr einer Berührung in Kauf nehmen zu müssen.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Anordnung so getroffen sein, dass ein zweites Polstück, das als Gleichteil des ersten Polstückes ausgebildet ist, an dem der Durchgangsöffnung entgegengesetzten Bereich angeordnet ist und mit seinem Büchsenteil den Festsitz für den im Hohlzylinder gelagerten Polkern bildet. Der Einsatz von zwei baugleichen Polstücken eröffnet die Möglichkeit, den Einzelteilepreis durch die doppelte Stückzahl zu minimieren, so dass das Endprodukt in kostengünstiger Weise herstellbar ist.
Hinsichtlich der Gestaltung des weiteren magnetischen Rückschlusses kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass ein die Wicklung zumindest teilweise umgebender magnetischer Rückführmantel einen magnetischen Rückschluss zum Flanschteil des betreffenden Polstückes bildet. Derartige Ausführungsbeispiele zeichnen sich durch eine bei geringer Baugröße vergleichsweise hohe Magnetkraft aus.
Eine besonders rationelle Herstellung ermöglichen Ausführungsbeispiele, bei denen Spulenkörper, Polstück und Rückführmantel zur Bildung einer festen Einheit durch eine Kunststoff-Umspritzmasse umspritzt sind, die ein einheitliches Gehäuse bildet. '
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt des Ausführungsbeispieles, wobei eine im Gehäuse befindliche, mittels eines Betätigungsstößels des Elektromagneten betätigbare Ventilanordnung der einfachen Darstellung wegen weggelassen ist;
Fig. 2: eine der Fig. 1 ähnliche Schnittdarstellung, wobei der Zustand der Herstellung des Gehäuses durch Umspritzen des Spulenkörpers, jedoch vor dem Einbau von Polkern und Magnetkolben dargestellt ist, und
Fig. 3: eine vergrößerte Teilschnittdarstellung lediglich des dem Magnetkolben benachbarten Bezirks von Fig. 1.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Beispieles erläutert, bei dem der Elektromagnet innerhalb eines Gehäuses 1 das Betätigungselement für eine Ventileinrichtung bildet, die im Gehäuse 1 in einer Ventilkammer 3 angeordnet ist, die in der Zeichnung weggelassen ist, weil die Ventileinrichtung nicht Teil der Erfindung bildet. Das Gehäuse 1 ist aus einer Kunststoff-Umspritzmasse 5 einteilig ausgebildet, mit der der Spulenkörper 7 sowie die weiteren Komponenten des Elektromagneten umspritzt sind.
Um beim Umspritzen eine gasdichte Verbindung zwischen Umspritzmasse und Spulenkörper zu gewährleisten, sind, wie in der vergrößerten Darstellung von Fig. 3 deutlicher erkennbar ist, am Spulenkörper 7 Zacken 9 gebildet, die beim Umspritzvorgang sogenannte Abschmelzkanten bilden. Die auf dem Spulenkörper 7 befindliche Erregerwicklung 11 ist in der bei derartigen Elektromagneten üblichen Weise von einem ein Teil des magnetischen Rückschlusses bildenden Rückführmantel 13 umgeben, der, ebenso wie zur Bestromung der Wicklung 11 dienende Flachstecker 15 in die Umspritzmasse 5 eingebettet ist.
An dem der Ventilkammer 3 zugewandten Bereich befindet sich innerhalb des Spulenkörpers 7 ein fest angeordneter Polkern 17, relativ zu dem im Inneren des Spulenkörpers 7 ein Magnetkolben 19 axial beweglich angeordnet ist. In der Darstellung von Fig. 1 und 3 ist der Magnetkolben 19 in der Position seines an den Polkern 17 angenäherten Hubendes dargestellt, bei dem sich eine mit dem Magnetkolben 19 zusammenwirkende Führungshülse 21, in der ein nicht näher dargestellter Betätigungsstößel aufnehmbar ist, der für die Steuerung der nicht gezeigten Ventileinrichtung vorgesehen ist, in ihrer in der Zeichnung am weitesten links gelegenen Stellung befindet. Wenn es sich um einen sogenannten "drückenden" Elektromagneten handelt, entspricht diese Kolbenstellung dem voll bestromten Zustand der Erregerwicklung 11, anderenfalls ist der Magnetkolben 19 durch Bestromen aus der gezeigten Endposition nach rechts bewegbar.
Für die Fortsetzung des magnetischen Rückschlusses vom Rückführmantel 13 ins Innere des Spulenkörpers 7 sind als Gleichteile ausgebildete Polstücke 23 vorgesehen, von denen ein erstes Polstück 23 im Bereich des Magnetkolbens 19 eine Durchgangsöffnung 25 bildet, innerhalb deren der Magnetkolben 19 bewegbar ist. Jedes der Polstücke 23 weist ein Flanschteil 27 auf, das das zugewandte axiale Ende des Spulenkörpers 7 so übergreift, dass es sich bis in die Nähe des Rückführmantels 13 erstreckt. Vom Flanschteil 27 erstreckt sich ein Büchsenteil 29 ins Innere des Spulenkörpers 7. Das Büchsenteil 29 bildet einen Hohlzylinder, der sich bei dem ersten Polstück 23 über einen Längenabschnitt des Kolbens 19 und beim zweiten Polstück 23 über einen Längenabschnitt des Polkernes 17 erstreckt. In diesem Längenabschnitt des zweiten Polstückes 23 ist der Polkern 17 durch Festsitz festgelegt. Die Innenwand des Hohlzylinders am ersten Polstück 23 befindet sich vom Umfang des Magnetkolbens 19 jedoch in einem kleinen parasitären Luftspalt 30 bildenden Abstand, wobei die Spaltweite weniger als 0,1mm beträgt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Magnetkolbens 19 und dem Innendurchmesser des Hohlzylinders des Büchsenteiles 29 beispielsweise 0,07mm.
Eine derart minimierte Spaltweite, ohne dass hierbei die Gefahr einer Berührung des Magnetkolbens 19 besteht, was zu einer erhöhten Hysterese und damit zu einer Betriebsstörung führen würde, ist bei der Erfindung dadurch auf sichere Weise realisierbar, dass der Magnetkolben 19 mit seiner Führungshülse 21 in einer eng tolerierten Gleitpassung am Polkern 17 verschiebbar gelagert ist und dass eine eng tolerierte Koaxialität der Hohlzylinder beider Büchsenteile 29 der Polstücke 23 eingehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass bei dem Umspritzprozess, bei dem die in Fig. 2 gezeigte Fertigungsstufe erreicht wird, in dem in Fig. 2 noch offenen Innenraum des Spulenkörpers 7 ein kalibrierter Umspritzdorn (nicht dargestellt) zum Einsatz gebracht wird, wodurch die Koaxialität zwischen den Hohlzylindern der Büchsenteile 29 beider Polstücke 23 kleiner als 0,07mm gehalten werden kann. Dergestalt ist auch eine insgesamt druckdichte Anordnung für den Magneten als Ganzes erreicht. Wie des weiteren die Fig. 1 und 3 zeigen, ist zwischen dem Außenumfang der Führungshülse 21 und dem zugewandten Innenumfang des Magnetkolbens 19 noch eine zylindrische Führungsbuchse eingesetzt, die jedoch, wie dargestellt, nicht völlig bis zum Boden des Magnetkolbens 19 fortgeführt ist. Ferner ist die Führungsbuchse über eine absatzartige Verringerung des Durchmessers im Magnetkolben 19 gehalten, die in Blickrichtung auf die Figuren nach rechts gesehen in den Boden des Magnetkolbens 19 übergeht an dem sich die Führungshülse 21 abstützt.

Claims

Elektromagnet, insbesondere Schaltmagnet, mit einer auf einem Spulenkörper (7) befindlichen Erregerwicklung (11) und einem ein Teil des magnetischen Rückschlusses bildenden Polstück (23), wobei innerhalb des Spulenkörpers (7) ein Polkern (17) und ein axial beweglicher Magnetkolben (19) vorgesehen sind, das Polstück (23) an dem dem Polkern (17) entgegengesetzten Bereich eine Durchgangsöffnung (25) für den Magnetkolben (19) bildet und dieser für seine Bewegung in seiner Führung des Polkernes (17) gelagert ist, wobei das Polstück (23) ein den Spulenkörper (7) an seinem axialen Ende zumindest teilweise übergreifendes Flanschteil (27) und ein sich von diesem axial erstreckendes Büchsenteil (29) aufweist, das innerhalb des Spulenkörpers (7) einen einen Längenabschnitt des Magnetkolbens (19) übergreifenden Hohlzylinder bildet, zwischen dessen Innenwand und dem Umfang des Magnetkolbens (19) ein parasitärer Luftspalt (30) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkolben (19) auf einer Führungshülse (21) in einer Gleitpassung gelagert ist.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koaxialität der Gleitpassung zum Hohlzylinder des Polstückes (23) derart eng toleriert ist, dass der Magnetkolben (19) bei einer Weite des parasitären Luftspaltes (30) von weniger als 0,1 mm vom Hohlzylinder berührungsfrei bleibt.
Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Polstück (23), das als Gleichteil des ersten Polstückes (23) ausgebildet ist, an dem der Durchgangsöffnung (25) entgegengesetzten Bereich angeordnet ist und mit seinem Büchsenteil (29) den Festsitz für den im Hohlzylinder gelagerten Polkern (17) bildet.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Wicklung (11) zumindest teilweise umgebender magnetischer Rückführmantel (13) einen magnetischen Rückschluss zum Flanschteil (27) des betreffenden Polstückes (23) bildet.
Elektromagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenkörper (7), Polstück (23) und Rückführmantel (13) zur Bildung einer festen Einheit durch eine Kunststoff-Umspritzmasse (5) umspritzt sind, die ein einheitliches Gehäuse (1) bildet.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsstößel (21) des Magnetkolbens (19) über eine Bestandteil der Gleitpassung als Führungshülse (21) bildende Führungsbahn (31) am Polkern (17) gelagert ist.