EP3014635B1

EP3014635B1 - Elektromagnetische betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: EP3014635B1
Application number: EP14733993.1A
Authority: EP
Inventors: Andreas Bereschka
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-14
Publication date: 2022-04-27
Anticipated expiration: 2034-06-14
Also published as: WO2014206537A1; US9941042B2; DE102013010833A1; EP3014635A1; US20160118174A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, insbesondere Proportionalmagnet oder Schaltmagnet, mit einem Magnetanker, der in einem von einer Spulenwicklung zumindest teilweise umgebenen Polrohr axial bewegbar geführt ist, an das sich über einen eine magnetische Entkopplung bildenden Trennbereich ein Polkern anschließt, wobei bei Bestromung der Spulenwicklung am Anker eine Magnetkraft wirkt, die diesen innerhalb eines Hubraums in Richtung auf den Polkern zu bewegen sucht.
Derartige elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen, die man in der Fachsprache auch als Proportionalmagnete oder Schaltmagnete bezeichnet, sind auf dem Markt in einer Vielzahl von Ausführungsformen frei erhältlich. Eine insbesondere für eine Ventilbetätigung vorgesehene Betätigungsvorrichtung dieser Art ist beispielsweise in der DE 10 2008 061 414 A1 beschrieben. Bei derartigen Vorrichtungen führt der Magnetanker bei elektrischer Erregung der zugehörigen Spulenwicklung eine Hubbewegung im Polrohr aus. Entfällt die Bestromung der Spulenwicklung, wird regelmäßig über eine Rückstellkraft der Magnetanker in eine Ausgangsposition rückgestellt. In den meisten Fällen wirkt die Rückstellkraft auf den Magnetanker über ein mit dem Anker verbundenes Betätigungsteil, das beispielsweise stangenartig ausgebildet ist und sich durch den Polkern hindurch erstreckt und einen betreffenden Betätigungsvorgang auslöst, beispielsweise bei einem von außen angeschlossenen Ventil zur Steuerung von Fluidströmen. Je nach Anwendungsfall ist ein spezielles, bestimmtes Ansprechverhalten der Betätigungsvorrichtung erforderlich. Genauer gesagt, ist für betreffende Schalt- oder Steuerfunktionen ein bestimmter Verlauf der Magnetkraft-Hubweg-Kennlinie erforderlich. Für den Verlauf dieser F-s-Kennlinie ist insbesondere die Geometrie des Polrohres in dem Übergangsbereich zwischen dem magnetischen Trennbereich und dem Polkern bestimmend. Für den Hersteller derartiger Betätigungsvorrichtungen bedeutet dies, dass er nach Bedarf, d.h. abhängig davon, ob ein Kunde einen ansteigenden Kennlinienverlauf, eine etwa waagerechte Kennlinie, oder einen abfallenden Kennlinienverlauf wünscht, unterschiedliche Polrohrsysteme herstellen und anbieten muss. Insbesondere bei kleinen, an einen Kundenwunsch angepassten Stückzahlen führt dies zu erhöhten Herstellungskosten.
Die EP 1 953 773 A2 beschreibt eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, insbesondere einen Proportionalmagneten oder einen Schaltmagneten, mit einem Magnetanker, der in einem von einer Spulenwicklung zumindest teilweise umgebenen Polrohr axial bewegbar geführt ist, an das sich über einen eine magnetische Entkopplung bildenden Trennbereich ein Polkern anschließt, wobei bei Bestromung der Spulenwicklung am Anker eine Magnetkraft wirkt, die diesen innerhalb eines Hubraums in Richtung auf den Polkern zu bewegen sucht, wobei ankerseitig eine Polscheibe zwischen den Permanentmagneten des Ankers und dem Polkern eingebracht ist, wobei der sich an den Trennbereich des Polrohres anschließende Teil des Hubraums durch eine Vertiefung im Polkern gebildet ist, die die vom Polrohr gebildete Führung des Ankers fortsetzt und am Trennbereich in einem eine Kante bildenden Rand endet. Die Polscheibe ist in Form einer Ringscheibe fest auf einer Hubstange angeordnet.
Weitere elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen gehen aus der DE 37 34 037 C1 , der DE 103 27 209 B3 , der DE 10 2004 017 089 A1 , der US 2009/0314977 A1 und der EP 2 254 130 A2 her DE3734037 C1 offenbart eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, vor. wobei eine ferromagnetische Ringscheibe zwischen dem Anker und dem Polkern eingebracht ist, wobei diese Ringscheibe an einer Hubstange fest angebracht ist. Der Anker bewegt sich einerseits relativ zur Hubstange zwischen der Ringscheibe und einem Anschlag, andererseits mit der Ringscheibe und der Hubstange mehr oder weniger stark gegen eine Rückstellfeder von einem Ventilsitz abhebend weg.
Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die universellere Einzatzmöglichkeiten bietet und daher eine rationelle Fertigung ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch Kombination aus einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung und ferromagnetischen Ringscheiben unterschiedlicher axialer Dicke gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Gemäß Anspruch 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass die Kombination mit Einlagen in Form von Ringscheiben unterschiedlicher axialer Dicke vorgesehen ist und dass eine der Einlagen an die Bodenfläche der Vertiefung des Polkerns angelegt ist. Dadurch lässt sich der axiale Abstand zwischen der ferromagnetischen Einlage und dem als magnetische Steuerkante wirkenden Rand des Polkerns auf eine gewünschte Länge, bei der ein gewünschter Kennlinienverlauf der F-s-Kennlinie gegeben ist, einstellen.
Es ist ferner vorgesehen, dass für eine gewünschte Verkürzung der axialen Länge des zwischen dem magnetischen Trennbereich am Polrohr und dem Polkern befindlichen Abschnitts des Hubraums mindestens eine Einlage aus ferromagnetischem Material vorgegebener axialer Dicke zwischen den Anker und den Polkern eingebracht ist. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, für das Polrohr-Polkern-System eine Standardgröße herzustellen und dann, je nach Bedarf, durch Einbringen eines ferromagnetischen Zusatzelements die Länge des für den Kennlinienverlauf bestimmenden Hubraums, der als Hubweg des Ankers zwischen dem magnetischen Trennbereich und dem Polkern zur Verfügung steht, derart einzustellen, dass ein für den Einsatzzweck optimaler Verlauf der Kraft-Hub-Kennlinie gegeben ist.
Vorzugsweise ist die Einlage an der Bodenfläche der Vertiefung festgelegt ist.
In vorteilhafter Weise kann die Anordnung so getroffen sein, dass der Anker ein stangenartiges Betätigungsteil aufweist und dass als Einlage eine das Betätigungsteil umgebende, ferromagnetische Ringscheibe gewählter Dicke vorgesehen ist.
Für optimale Funktionssicherheit kann in an sich bekannter Weise zwischen der ferromagnetischen Ringscheibe und dem Anker eine Antiklebscheibe angeordnet sein.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen an dem vom Polkern abgewandten Ende des Polrohres ein Endkörper angebracht ist, der für den Anker eine Hubwegbegrenzung bildet, lassen sich durch entsprechende Dimensionierung des Endkörpers bei in einer Standardgröße hergestellten Polrohren je nach Wunsch und Bedarf unterschiedliche Längen für den dem Anker zur Verfügung stehenden Gesamthubweg realisieren.
Die ferromagnetische Ringscheibe kann am Polkern durch Kleben oder Löten oder durch eine Materialverformung festgelegt sein, etwa durch eine Verstemmung am Außenrand, oder durch Verstemmen in einer in der Bodenfläche des Polkerns gebildeten Ringnut.
Alternativ kann die ferromagnetische Ringscheibe mittels einer ihren Umfangsrand einfassenden Hülse festgelegt sein, die außenseitig an einer Innenfläche am Polrohr oder Polkern festgelegt ist.
Ferner kann die ferromagnetische Ringscheibe mittels einer zwischen deren Umfangsrand und der Fläche des Polkerns gebildeten Schweißstelle festgelegt sein.
Bei abgewandelten Ausführungsbeispielen kann die Anordnung so getroffen sein, dass die ferromagnetische Ringscheibe an der vom Anker abgewandten Seite einen koaxialen, hülsenartigen Fortsatz besitzt, der durch Presspassung in einer Bohrung des Polkerns gesichert ist, die vom stangenartigen Betätigungsteil des Ankers durchgriffen ist.
Gemäß Anspruch 11 wird die Verwendung der Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 10 beansprucht.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt einer Betätigungsvorrichtung reiner Kombination gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Auswahl ferromagnetischer Ringscheiben unterschiedlicher Dicke gesondert dargestellt ist;
Fig. 1A: einen stark vergrößerten Ausschnitt des in Fig. 1 mit A bezeichneten Bereichs;
Fig. 2: eine der Fig. 1A entsprechende Darstellung mit zugeordneter Darstellung der resultierenden Kennlinienverläufe ohne bzw. mit eingesetzter ferromagnetischer Ringscheibe;
Fig. 3: eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, wobei eine ferromagnetische Ringscheibe mit einer gegenüber Fig. 2 größeren Dicke eingelegt ist;
Fig. 4: einen Teillängsschnitt, in dem ein Teil des Magnetankers mit Betätigungsteil sowie der Übergangsbereich zwischen Polrohr und Polkern gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt ist;
Fig. 5 bis 9: der Fig. 4 entsprechende Teillängsschnitte fünf weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung; und
Fig. 10: einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels der Betätigungsvorrichtung in Form eines Kompaktmagneten.

In Fig. 1, die ein Ausführungsbeispiel der Betätigungsvorrichtung der erfindungsgemässen Kombination im Längsschnitt zeigt, ist eine zugehörige Spulenwicklung weggelassen, die in an sich bekannter Weise auf dem mit 2 bezeichneten Polrohr angeordnet und für Betätigungsvorgänge bestrombar ist. Im Polrohr 2 ist ein Magnetanker 4 axial bewegbar geführt, an dessen einem Ende ein koaxiales, stangenartiges Betätigungsteil 6 befestigt ist. Dieses erstreckt sich durch eine Durchgangsbohrung 8 in einem Polkern 10 hindurch, so dass das freie Ende 12 des Betätigungsteils 6 an einem endseitigen Anschlussteil 14 des Polkerns 10 für einen Betätigungsvorgang zugänglich ist. Eine zu betätigende, mit dem Anschlussteil 14 verbundene Einrichtung, beispielsweise in Form eines Ventils, ist in Fig. 1 nicht gezeigt.
Das in Fig. 1 gezeigte Beispiel ist als sog. "drückender Magnet" ausgelegt, wobei die dargestellte axiale Position dem voll bestromten Erregungszustand der (nicht gezeigten) Spulenwicklung entspricht und der Anker 4 über das Betätigungsteil 6 eine Druckkraft als Betätigungskraft erzeugt. Eine den Anker 4 bei Beendigung der Bestromung in Fig. 1 nach rechts zurückführende Rückstelleinrichtung, beispielsweise in Form einer Rückstellfeder, ist in Fig. 1 nicht gezeigt, da eine derartige Einrichtung dem Stand der Technik entsprechend ausgebildet sein kann. Um die Länge des durch eine Rückstellkraft bewirkten Rückhubes des Kolbens 4 zu begrenzen, ist am in Fig. 1 rechtsseitig gelegenen Ende des Polrohres 2 mittels einer Einbördelung 16 ein Endkörper 18 festgelegt. Durch entsprechende Dimensionierung des Endkörpers 18 lässt sich der für den Rückhub vorgesehene Hubweg auf eine gewünschte Länge einstellen. Das Polrohr 2 ist mit dem Polkern 10 über eine Schweißstelle 20 verbunden, die in an sich bekannter Weise einen eine magnetische Entkopplung bewirkenden Trennbereich bildet. Die an der Innenseite des Polrohres 2 gebildete Führung für den Anker 4 setzt sich über den durch die Schweißstelle 20 gebildeten Trennbereich hinaus in einer Vertiefung 22 fort, die im Polkern 10 kreiszylindrisch ausgebildet ist und eine in einer Radialebene liegende Bodenfläche 24 besitzt. An der Schweißstelle 20 endet die Vertiefung 22 in einer Kante 26, die einen die Führungsfläche des Ankers 4 umgebenden, zugespitzten Rand bildet.
Bei der Darstellung von Fig. 1 ist an die Bodenfläche 24 in der Vertiefung 22 des Polkerns 10 eine ferromagnetische Ringscheibe 28 aus einem ferritischen Material eingelegt, die von dem stangenartigen Betätigungsteil 6 durchgriffen ist. Zwischen der Ringscheibe 28 und dem Ende des Ankers 4 ist eine Antiklebscheibe 30 üblicher Art angeordnet. Die in eingelegtem Zustand gezeigte Ringscheibe 28 weist eine verhältnismäßig geringe axiale Dicke auf. Die Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Auswahl eingelegter Ringscheiben 28 unterschiedlicher axialer Dicke. Die Dicke der jeweils eingelegten Ringscheibe 28 führt zu einer entsprechenden Verkürzung der axialen Länge des Hubraums, der für den Anker 4 bei der Bewegung in Richtung auf den Polkern 10 zur Verfügung steht. Die Modifizierung des Hubraums in dem kritischen Hubwegbereich, der sich an den magnetischen Trennbereich der Schweißstelle 20 anschließt, beeinflusst die Magnetkraft-Hubweg-Kennlinie, wie an Beispielen in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist.
Von den Fig. 2 und 3 zeigt Fig. 2 ein Beispiel mit einer eingelegten Ringscheibe 28 geringerer Dicke, während Fig. 3 ein Beispiel mit einer Ringscheibe 28 größerer Dicke zeigt. Beim Beispiel von Fig. 2 sind in einem bezifferten F-s-Diagramm der Kennlinienverlauf ohne eingelegte Ringscheibe 28 mit 32 und mit einer eingelegten Ringscheibe 28 einer Stärke von 0,7 mm mit 34 bezeichnet. Wie ersichtlich ergibt sich bei eingelegter Ringscheibe 28 über einen hauptsächlich zu nutzenden Standardhubweg zwischen etwa 1,5 mm und 2,5 mm ein im Wesentlichen waagerechter Kennlinienverlauf, während die Kennlinie 32 demgegenüber hier abfallend ist. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel mit einer eingelegten Ringscheibe 28 mit einer Dicke von 1,3 mm ergibt sich ein stärkerer Kraftanstieg zu einer höheren Maximalkraft bei kleinerem Hubweg, siehe Kennlinie 34. Man hat es daher in der Hand, bei Herstellung eines Polrohr-Polkern-Systems in einer Standardgröße einen gewählten Verlauf der F-s-Kennlinie zu realisieren, je nachdem, ob keine ferromagnetische Ringscheibe 28 eingelegt oder eine Ringscheibe 28 vorgegebener Dicke eingelegt ist. Bei gleicher Standardgröße ist außerdem die Hublänge des Rückhubes durch Wahl der Abmessungen des betreffenden Endkörpers 18 festgelegt.
Die Fig. 4 bis 9 zeigen weitere Ausführungsbeispiele mit einer Auswahl möglicher Arten des Einbaus einer Ringscheibe 28. So ist beim Beispiel von Fig. 4 die Befestigung der Ringscheibe 28 an der Bodenfläche 24 des Polkerns 10 durch Ankleben oder Hartlöten vorgesehen. Beim Beispiel von Fig. 5 ist eine Verbindung mittels mechanischer Verformung durch eine Außenverstemmung der Ringscheibe 28 bei 36 gegen die Innenwand der Vertiefung 22 vorgesehen. Fig. 6 zeigt die Festlegung der Ringscheibe 28 mittels einer Hülse 38, die an der Innenseite von Polrohr 2 und Vertiefung 22 die Führungsfläche für den Anker 4 bildet.
Beim Beispiel von Fig. 7 ist eine an der Ringscheibe 28 ausgebildete Schweißgeometrie 40 als Verbindungsmittel vorgesehen, während beim Beispiel von Fig. 8 wiederum eine mechanische Verformung vorgesehen ist, indem die Ringscheibe 28 in eine in die Bodenfläche 24 eingearbeitete Ringnut 42 hinein verstemmt ist. Schließlich zeigt die Fig. 9 ein Beispiel, bei dem eine speziell geformte Ringscheibe 28 an der vom Anker 4 abgewandten Seite einen koaxialen, hülsenartigen Fortsatz 44 besitzt, der durch Presspassung in der Bohrung 8 des Polkerns 10 gesichert ist.
Die Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Erfindung bei einem sog. Kompaktmagneten realisiert ist. Im Unterschied zu der Bauform, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Polkern 10 im Verhältnis zu seinem Durchmesser kürzer ausgebildet und weist an dem das Anschlussteil 14 aufweisenden Ende eine flanschartige, radiale Erweiterung 48 auf. Der Endkörper 18 bildet den geschlossenen Boden eines topfartigen Gehäuses 50, das sich bis zur Erweiterung 48 des Polkerns 10 erstreckt, die das offene Ende des Topfes verschließt. Zwischen dem Endkörper 18 und der Erweiterung 48 des Polkerns 10 umgibt das Gehäuse 50 die Spulenwicklung 52, die ihrerseits einen Großteil des Polrohres 2 und des Polkerns 10 umgibt. Bei dem in Fig. 10 gezeigten Kompaktmagneten ist der Verlauf der F-s-Kennlinie gleichermaßen durch Wahl eingebrachter ferromagnetischer Ringscheiben 28 beeinflusst.

Claims

Kombination aus einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung, insbesondere einem Proportional magneten oder einem Schaltmagneten, und ferromagnetischen Ringscheiben (28) unterschiedlicher axialer Dicke, wobei die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung einen Magnetanker (4) aufweist, der in einem von einer Spulenwicklung (52) der Betätigungsvorrichtung zumindest teilweise umgebenen Polrohr (2) der Betätigungsvorrichtung axial bewegbar geführt ist, an das sich über einen eine magnetische Entkopplung bildenden Trennbereich (20) ein Polkern (10) der Betätigungsvorrichtung anschließt, wobei bei Bestromung der Spulenwicklung (52) am Anker (4) eine Magnetkraft wirkt, die diesen innerhalb eines Hubraums in Richtung auf den Polkern (10) zu bewegen sucht, wobei für eine gewünschte Verkürzung der axialen Länge des Hubraumes mindestens eine Einlage (28) aus ferromagnetischem Material vorgegebener axialer Dicke in Form einer der ferromagnetischen Ringscheiben (28) zwischen dem Anker (4) und dem Polkern (10) eingebracht ist, wobei jede der Ringscheiben (28) je nach gewünschter Verkürzung als solche Einlage verwendbar ist, wobei der sich an den Trennbereich (20) des Polrohres (2) anschließende Teil des Hubraums durch eine Vertiefung (22) im Polkern (10) gebildet ist, die die vom Polrohr (2) gebildete Führung des Ankers (4) fortsetzt und am Trennbereich (20) in einem eine Kante (26) bildenden Rand endet, wobei (28) (28) an die Bodenfläche (24) der Vertiefung (22) des Polkerns (10) angelegt ist.
Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (28) an der Bodenfläche (24) der Vertiefung (22) festgelegt ist.
Kombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) ein stangenartiges Betätigungsteil (6) aufweist und die Einlage in Form der Ringscheibe (28) das Betätigungsteil (6) umgibt.
Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ferromagnetischen Ringscheibe (28) und dem Anker (4) eine Antiklebscheibe (30) angeordnet ist.
Kombination nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem vom Polkern (10) abgewandten Ende des Polrohres (2) ein Endkörper (18) angebracht ist, der für den Anker (4) eine Hubwegbegrenzung bildet.
Kombination nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Ringscheibe (28) am Polkern (10) durch Kleben oder Löten festgelegt ist.
Kombination nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Ringscheibe (28) durch Verstemmen (36, 42) am Polkern (10) festgelegt ist.
Kombination nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Ringscheibe (28) mittels einer ihren Umfangsrand einfassenden Hülse (38) festgelegt ist, die außenseitig an einer Innenfläche am Polrohr (2) und am Polkern (10) festgelegt ist.
Kombination nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Ringscheibe (28) mittels einer zwischen deren Umfangsrand und der Bodenfläche (24) des Polkerns (10) gebildeten Schweißstelle (40) festgelegt ist.
Kombination nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4-9, sofern abhängig von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Ringscheibe (28) an der vom Anker (4) abgewandten Seite einen koaxialen, hülsenartigen Fortsatz (44) besitzt, der durch Presspassung in einer Bohrung (8) des Polkerns (10) gesichert ist, die vom stangenartigen Betätigungsteil (6) des Ankers (4) durchgriffen ist.
Verwendung der Kombination nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Ringscheiben als die Einlage an die Bodenfläche (24) der Vertiefung (22) des Polkerns (10) angelegt wird, um den axialen Abstand zwischen der ferromagnetischen Einlage und dem als magnetische Steuerkante wirkenden Rand des Polkerns auf eine gewünschte Länge einzustellen, bei der ein gewünschter Kennlinienverlauf der Magnetkraft-Hubweg-Kennlinie gegeben ist.