EP3399529B1 - Elektromagnetische stellvorrichtung - Google Patents
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- EP3399529B1 EP3399529B1 EP18180022.8A EP18180022A EP3399529B1 EP 3399529 B1 EP3399529 B1 EP 3399529B1 EP 18180022 A EP18180022 A EP 18180022A EP 3399529 B1 EP3399529 B1 EP 3399529B1
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Definitions
- the present invention relates to an electromagnetic actuating device according to the preamble of the main claim.
- Such a device is, for example, a solenoid valve device from the DE 198 48 919 A1 known.
- a solenoid valve device from the DE 198 48 919 A1 known.
- an armature unit guided radially symmetrically in the coil interior opens and closes or closes a valve seat for the fluid to be controlled.
- the armature unit (which generally has a cylindrical armature body) moves along the axial direction relative to a stationary core unit, which is part of the magnetic circuit and, through its design, influences the movement behavior, in particular a magnetic armature force of the armature unit.
- a stationary core unit which is part of the magnetic circuit and, through its design, influences the movement behavior, in particular a magnetic armature force of the armature unit.
- the prior art device for influencing the movement behavior or force curve of the armature movement in the transition area between the (movable) armature unit and the (stationary) core unit shows a so-called control cone area (control area), which extends along the axial direction in an area of the Armature stroke (namely the area immediately after the armature unit is released from the core unit) influences the magnetic flux in the magnetic circuit between the armature unit, core unit and the other magnetic circuit elements involved.
- control area control cone area
- this control area control cone area
- the movement behavior of the armature unit, in particular a course of the magnetic force along the movement stroke (movement stroke path) can be specifically influenced, for example, strengthening or weakening it comparatively or selectively.
- the axial overlap of the armature unit and control unit in the control area which is assumed to be known, also has potential disadvantages, in particular with regard to the wear and life characteristics of electromagnetic actuating devices designed in this way.
- This (in the case of radially symmetrical arrangements radial) magnetic force component causes disadvantageous magnetic transverse forces which have a disadvantageous effect in practice or in particular in connection with frequent movement cycles or long operating times.
- Such an anchor unit in the manner of a diametrical two-point support at respective inner positions of the anchor guide), which is at an angle in the scope of the clearance fit, initially leads to the core unit and anchor unit (and therefore the profile sections forming the control area) no longer exactly aligned, thus resulting in radial air gaps of different sizes in the circumferential direction (more precisely: sections of a circumferential air gap).
- the consequence is a premature failure, especially in systems with a control cone area that are optimized in terms of size and energy consumption, especially if the anchor unit is provided with sliding coatings made of PTFE or MoS 2 in an otherwise known manner and no (but again complex) slide film for guiding the anchor is used.
- the object of the present invention is therefore to improve a generic electromagnetic actuating device with regard to its operating and wear behavior, in particular disadvantageous transverse or
- control area control cone area
- the control area between the armature unit and the core unit is configured by designing the (magnetically) flux-effective cross sections of the first or second profile section such that, in the usual operating current causing the armature unit to move, the Flow and force compensation in the manner of a regulatory effect is achieved.
- the profile sections are designed in such a way that, in the event of tilting or deflection in a first region of the associated (radial) air gap, the increased transverse force (normal force) is compensated for by an associated magnetic flux (corresponding to the shortened air gap) Flooding) a magnetic resistance increases in this area.
- the profile sections are designed with regard to their flow-effective material cross-section so that in a correspondingly tilted state of the armature unit in the (radial) narrow area of the air gap, the resulting increased flooding leads to saturation, thus resulting in a flux-effective magnetic resistance, which then occurs leads to the magnetic flow being displaced or shifted to other areas of the air gap (back).
- This then has an effect which directly reduces the disadvantageous normal or transverse force, with the advantageous consequence of lower friction, correspondingly lower energy consumption and reduced wear.
- the principle according to the invention leads to the fact that the usual, movement-typical operating currents for the coil unit there is an effective shift of the shear force-promoting magnetic flux from the area of the shortest air gap to other areas, since the magnetic saturation effect - correspondingly compensatory - offers a higher magnetic resistance.
- the principle according to the invention can thus be realized by suitable configuration of the profile sections, which are then adapted to a flooding to be expected in typical operating conditions, in such a way that they specifically one with a radially opposite minimized air gap experienced magnetic flux resistance increase through magnetic saturation.
- first or second profile section a tooth or cam shape in longitudinal section with suitably conical inclination angles which, in the case of the advantageous radially symmetrical design, accordingly form as an annular projection (or interact with an appropriately adapted annular groove).
- a design as a so-called inner cone has proven to be particularly advantageous.
- a narrow cone ring (as a second profile section) of the core unit which tends to become magnetically saturated due to its flow-effective cross-sectional design, dips into an internal ring shoulder (cone shoulder) at the front end of the anchor unit. Due to the narrow cone-shaped ring heel, the associated anchor section reacts sensitively to changes in the magnetic flux and generates compensating (uprighting) magnetic forces according to the above-described mechanism of action, which counteract the disadvantageous anchor inclination.
- the present invention advantageously reduces disadvantageous friction between the armature unit and armature guide, so that energy and magnetic force are optimized, and wear is counteracted.
- the present invention is thus advantageously suitable, for example, for realizing valve devices, more preferably pneumatic valve devices, but is not restricted to this field of application. Rather, the advantage of the present invention can be used favorably in all forms of realization of electromagnetic actuating devices, in which - due to the design or the play - a tilting or deflecting of the armature unit in an armature guide causes disadvantageous friction or wear and is used anyway to influence the magnetic force curve Profile elements in the control area (control cone area) can be dimensioned and used to implement the compensation behavior advantageous according to the invention.
- Fig. 3 illustrates the application context of the present invention; shown is a structurally otherwise known 2/2-way valve which is used in the motor vehicle sector and is provided with a cone control in the interaction between the anchor unit and the cone unit.
- FIG Fig. 3 which is to be considered as belonging to the present invention with its features in the application context outside the control range, a housing 10 which carries a stationary winding 14 held on a coil carrier 12.
- an anchor unit 20 along a longitudinal axis 18 of movement guided, which has a cylindrical outer contour, is supported against the force of a compression spring 22 in the axial direction from a stationary core region 24 and, opposite the core region 24, has a valve rubber insert 26 which is used to close a valve seat 28 in response to an axial Movement of the armature unit 20 is formed.
- the valve effect occurs between a supply connection 30 and a working connection 32.
- the armature unit 20 is provided on the shell side in an otherwise known manner by means of a PTFE or MoS 2 sliding coating; there is no slide film for storing the anchor unit.
- the armature unit 20 moves along the longitudinal movement axis 18 in the vertical direction (Z in Fig. 3 ).
- the directions X, Y orthogonal to this axis are drawn accordingly.
- a control area (control cone area) in the magnetic transition between the core unit 24 and the sectionally hollow cylindrical armature unit 20 is in the enlarged, half longitudinal sectional view of FIG Fig. 1 illustrates, whereby, in the direct comparison, the embodiment of Fig. 4 shows a control area which is not optimized and advantageous in the sense of the invention.
- the core region has an annular projection 34, which extends from the engagement-side end face of the core unit 24, which is provided inwards relative to an inner ring shoulder 36 of the associated engagement-side end region of the anchor unit 20 in the direction of the axis 18.
- This control area in the state of the armature unit tilted to the right (or clockwise), clarified in this regard, is both the outward flank of the annular projection 34 and the inward flank of the annular groove 36, relative to the longitudinal axis 18, by a cone angle of approximately 8 ° inclined ( Within the scope of the invention, angles between 3 ° and 40 °, preferably between 5 ° and 20 °, more preferably between 7 ° and 15 °, have proven to be favorable and preferred). In the context of the invention, these cone angles are also configured identically, so that when the anchor unit is in a central position (ie untilted, in contrast to the illustration of FIG Fig. 2 ) the flank angles match.
- the one-piece, annular and conical projection 34 is now designed such that saturation then occurs in the event of a typical operating current through the coil unit 12, 14 (or a flooding thereby occurring in the transition region to the armature unit, in particular in the vertical air gap 40) occurs when this air gap (40 'in Fig. 2 ) becomes very narrow in the left-hand area, as a result of which the magnetic flux in this area and through the associated section of the projection 34 increases, which means that, due to the comparatively narrow ring diameter, the saturation takes place primarily here.
- this then advantageously leads to the fact that, for example in the (radially) opposite, right-hand area, a magnetic flooding increases over the air gap area 40 ′′ there, due to the saturation in the left-hand area of the annular projection 34, magnetic flux is displaced or displaced outside of this area.
- the ring projection 34 which is designed here specifically to bring about saturation, forms the basis for a regulating or compensating system with regard to that as a profile section of the core unit lateral forces to be overcome or mitigated according to the task.
- the present invention is not limited to the specific embodiment shown, rather there are numerous ways and possibilities within the scope of the present invention of the control area by suitable profiling of the form cone-side and the anchor-side end section.
- the contour of the Fig. 2 (The ring protrusion on the core side is located radially on the inside) can be reversed, just as there can be a profiling on the armature side (or on both sides) that is optimized for fast magnetic saturation.
- an outer circumferential ring shoulder 50 on the outer jacket side has proven to be advantageous, since this additionally reduced disadvantageous friction on the surrounding anchor guide.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
- Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise als Elektromagnet-Ventilvorrichtung aus der
DE 198 48 919 A1 bekannt. Als Reaktion auf das Bestromen einer (stationären) Spuleneinheit bewegt sich eine radialsymmetrisch im Spuleninneren geführte Ankereinheit und öffnet bzw. verschließt einen Ventilsitz für das zu steuernde Fluid. - Entlang der axialen Richtung bewegt sich dabei die (i.w. einen zylindrischen Ankerkörper aufweisende) Ankereinheit relativ zu einer stationären Kerneinheit, welche Teil des magnetischen Kreises ist und durch seine Ausgestaltung das Bewegungsverhalten, insbesondere eine magnetische Ankerkraft der Ankereinheit, beeinflusst. Konkret zeigt die zum Stand der Technik genannte Vorrichtung zur Beeinflussung des Bewegungsverhaltens bzw. Kraftverlaufs der Ankerbewegung im Übergangsbereich zwischen der (bewegbaren) Ankereinheit und der (stationären) Kerneinheit einen sogenannten Steuerkonus-Bereich (Steuerbereich), welcher entlang der axialen Richtung in einem Bereich des Ankerhubes (nämlich dem Bereich unmittelbar nach dem Lösen der Ankereinheit von der Kerneinheit) den Magnetfluss im magnetischen Kreis zwischen Ankereinheit, Kerneinheit und den weiteren beteiligten magnetischen Kreiselementen beeinflusst.
- Der aus der
DE 198 48 919 A1 bekannte Steuerkonus, hier in Form eines endseitig an der Ankerstirnfläche umlaufenden, nach außen abgeflachten Ringabsatzes und einer entsprechenden (radial) inneren Einformung auf Seite der Kerneinheit, bewirkt hier etwa eine Anhebung der Magnetkraft des Ankers in dem beschriebenen Start-Hub-Bereich: Durch die gezeigte Überlappung zwischen Ankereinheit und Kernbereich reduziert sich die notwendige magnetische Durchflutung von Kern und Anker durch Bestromung der Wicklung, relativ zu einem sogenannten Flachkonus, nämlich einer Ausgestaltung des Übergangs zwischen Ankereinheit und Kerneinheit ohne axiale Überlappung bzw. Verkürzung des Arbeitsluftspalts. Entsprechend werden die magnetischen Feldlinien des Magnetflusses über die axiale Überlappung vorrangig geschlossen, mithin die Magnetkraft in diesem Ankerstart-Hubbereich gezielt erhöht. - Durch geeignete Ausgestaltung dieses Steuerbereichs (Steuerkonus-Bereichs), etwa eine Vorgabe einer effektiven axialen Überlappung, lässt sich so das Bewegungsverhalten der Ankereinheit, insbesondere ein Verlauf der Magnetkraft entlang des Bewegungshubes (Bewegungshubwegs) gezielt beeinflussen, etwa vergleichsmäßigen oder punktuell verstärken oder abschwächen.
- Allerdings bringt die als bekannt vorauszusetzende axiale Überlappung von Ankereinheit und Steuereinheit im Steuerbereich auch potentielle Nachteile, insbesondere im Hinblick auf die Verschleiß- bzw. Lebensdauereigenschaften von derart ausgestalteten elektromagnetischen Stellvorrichtungen. So entsteht nämlich durch die axiale Überlappung der den Steuerbereich ausbildenden Profilabschnitte auf Anker- bzw. Kernseite, neben dem für die Ankerbewegung wichtigen axialen magnetischen Flussverlauf, auch eine Radialkomponente (bzw. Normalkomponente zur axialen Richtung) des magnetischen Flussverlaufs, durch den zwischen einander gegenüberstehenden Wänden der Profilabschnitte gebildeten Luftspalt. Dieser (bei radialsymmetrischen Anordnungen radiale) Magnetkraftanteil bewirkt nachteilige magnetische Querkräfte, welche sich in der Praxis bzw. insbesondere im Zusammenhang mit häufigen Bewegungszyklen bzw. langen Betriebszeiten nachteilig auswirken. So würde zwar, bei exakter fluchtender Ausrichtung von Anker und Kern zueinander, die jeweilige durch den radialen Magnetkraftanteil erzeugte Querkraft im Zentrum aufgehoben werden und so eine Kompensation bewirken. In der Fertigungs- und Betriebspraxis lässt sich dies jedoch nicht erreichen. Vielmehr ist der Effekt zu beobachten, dass die (notwendigerweise mit einem radialen Spiel gelagerte) Ankereinheit innerhalb einer umgebenden Führung (im Rahmen des vorhandenen Spiels) zum Verkippen neigt, wobei ein derartiger Effekt etwa zusätzlich verstärkt wird durch nicht ganz mittig an die Ankereinheit angreifende Druckfedern oder dergleichen Einflüsse, ferner spielen Fertigungstoleranzen und andere Effekte eine Rolle.
- Eine derartige, im Rahmen der Spielpassung schräg in der Ankerführung stehende Ankereinheit (in der Art einer diametralen Zwei-Punkt-Auflage an jeweiligen Innenpositionen der Ankerführung) führt dann zunächst dazu, dass Kerneinheit und Ankereinheit (und mithin die den Steuerbereich ausbildenden Profilabschnitte) nicht mehr exakt fluchten, sich damit in Umfangsrichtung verschieden große radiale Luftspalte (genauer: Abschnitte eines umlaufenden Luftspalts) einstellen.
- Bei Bestromung der Spuleneinheit und dadurch bewirkter magnetischer Durchflutung im Steuerbereich entstehen in den verschieden breiten Luftspaltpositionen entsprechend ungleich hohe magnetische Querkräfte: Kleine radiale Luftspalte erzeugen relativ hohe magnetische Querkräfte, entsprechend große radiale Luftspaltabschnitte kleine magnetische Querkräfte. Diese kompensieren sich dann in radialer Richtung nicht mehr, so dass eine resultierende (radiale) Querkraft in Richtung des kleinsten Luftspalts entsteht.
- Dies wirkt auf die (mit Spiel gelagerte) Ankereinheit als Normalkraft und erzeugt entsprechend den Reibwerten des tribologischen Systems aus Ankereinheit (bzw. einer auf der Ankereinheit vorgesehenen Anker-Gleitbeschichtung) sowie der Ankerführung nachteilige Haft- und Gleitreibkräfte.
- Diese wirken sich zunächst negativ auf die Kräftebilanz des Magneten aus und führen zu einem (unnötig) vergrößerten Magnetkraftbedarf, mithin größerem Magnetbauraum.
- Bei elektromagnetischen Schaltvorrichtungen mit hoher Lebensdaueranforderung (typischerweise mehr als 100 Millionen Schaltzyklen) erzeugen die beschriebenen hohen magnetischen Querkräfte (Normalkräfte) zusätzlich eine nachteilig hohe Flächenpressung auf die Reibpartner und beschleunigen dadurch deren tribologischen Verschleiß. Besonders gravierend ist dies etwa bei Pneumatik-Stellanwendungen (wie etwa einem Pneumatikventil), da hier keine Schmierung od. dgl. verschleißmindernd wirken kann.
- Konsequenz ist gerade bei in der Baugröße sowie im Energieverbrauch optimierten Systemen mit Steuerkonus-Bereich ein vorzeitiges Ausfallen, insbesondere wenn die Ankereinheit in ansonsten bekannter Weise mit Gleitbeschichtungen aus PTFE oder MoS2 versehen ist und keine (selbst aber wiederum aufwändige) Gleitfolie zur Führung des Ankers verwendet wird.
- Ferner ist aus dem Stand der Technik auch die
US 2009/0051471 A1 bekannt, die eine elektromagnetische Stellvorrichtung offenbart, wobei eine in Reaktion auf die Bestromung von einer stationären Spuleneinheit bewegbare Ankereinheit eine Stößelführung umfasst. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung im Hinblick auf ihr Betriebs- sowie Verschleißverhalten zu verbessern, insbesondere nachteilige Quer- bzw.
- Normalkräfte, die ein Verkippen der Ankereinheit befördern, zu vermindern, und so im Rahmen der einen axial überlappenden Steuerbereich aufweisenden Systeme günstiges magnetisches Bewegungsverhalten und Energieoptimierung mit Schutz gegen unerwünschten Verschleiß durch nachteilige Reibung zu kombinieren.
- Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; unabhängiger Schutz im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird durch die Verwendung nach dem Patentanspruch 8 sowie das Verfahren nach dem Anspruch 9 beansprucht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist der Steuerbereich (Steuerkonus-Bereich) zwischen der Ankereinheit und der Kerneinheit durch Ausgestaltung der (magnetisch) flusswirksamen Querschnitte des ersten bzw. zweiten Profilabschnitts so eingerichtet, dass bei dem üblichen, das Bewegen der Ankereinheit bewirkenden Betriebsstrom für die Spuleneinheit eine Fluss- und Kraftkompensation in der Art einer Regelungswirkung erreicht wird. Genauer gesagt sind erfindungsgemäß die Profilabschnitte so ausgestaltet, dass im Fall eines Verkippens bzw. einer Auslenkung in einem ersten Bereich des zugehörigen (radialen) Luftspalts die erhöhte Querkraft (Normalkraft) dadurch kompensiert wird, dass für einen zugehörigen, entsprechend dem verkürzten Luftspalt erhöhten magnetischen Fluss (Durchflutung) ein magnetischer Widerstand in diesem Bereich ansteigt. Typischerweise sind dabei die Profilabschnitte im Hinblick auf ihren flusswirksamen Materialquerschnitt so ausgestaltet, dass es in einem entsprechend verkippten Zustand der Ankereinheit im (radialen) Schmalbereich des Luftspalts durch die dort entstehende erhöhte Durchflutung zu einer Sättigung kommt, somit ein flusswirksamer magnetischer Widerstand entsteht, welcher dann dazu führt, dass die magnetische Durchflutung in andere Bereiche des Luftspalts (zurück) verdrängt bzw. verlagert wird. Dies hat dann einen unmittelbar die nachteilige Normal- bzw. Querkraft reduzierende Wirkung, mit der vorteilhaften Folge geringerer Reibung, entsprechend geringeren Energieverbrauchs und verminderten Verschleißes.
- Im Rahmen der bevorzugt einzusetzenden radialsymmetrischen Systeme (d.h. eine Ankereinheit ist innerhalb einer diese umgebenden Spuleneinheit geführt, wobei stirnseitig Ankereinheit sowie Kerneinheit die jeweiligen Profilabschnitte in Form von umlaufenden Erhöhungen bzw. Vertiefungen ausbilden) führt das erfindungsgemäße Prinzip dazu, dass bei den üblichen, bewegungstypischen Betriebsströmen für die Spuleneinheit eine wirksame Verlagerung des Querkraft-fördernden Magnetflusses aus dem Bereich des kürzesten Luftspalts in andere Bereiche erfolgt, da die magnetische Sättigungswirkung - entsprechend kompensatorisch - einen höheren magnetischen Widerstand anbietet.
- Damit lässt sich das erfindungsgemäße Prinzip durch geeignete Ausgestaltung der Profilabschnitte realisieren, welche dann, angepasst an eine in typischen Betriebszuständen zu erwartende Durchflutung, so ausgestaltet werden, dass diese bei radial gegenüberstehendem minimiertem Luftspalt gezielt eine magnetische Fluss-Widerstandserhöhung durch magnetische Sättigung erfahren.
- Damit bietet es sich an, dem ersten bzw. zweiten Profilabschnitt längsschnittlich eine Zahn- bzw. Nockenform mit geeignet konischen Neigungswinkeln zu geben, welche bei der vorteilhaften radialsymmetrischen Ausbildung entsprechend als Ringvorsprung entstehen (bzw. mit einer entsprechend angepassten Ringnut zusammenwirken). Hier ist dann entsprechend einem jeweiligen Erfordernis zu optimieren, wobei etwa flache Konuswinkel den Vorteil inhärent niedrigerer Querkräfte besitzen, gleichzeitig jedoch damit auch ein wirksamer axialer Überdeckungsbereich kleiner wird.
- Generell ist es zudem vorteilhaft, jeweilige Konuswinkel von relativ zur Mittelachse geneigt vorgesehenen Wandabschnitten der Profilabschnitte so auszugestalten, dass diese (bezogen auf eine unverkippte bzw. nicht ausgelenkte Mittelstellung der Ankereinheit) zueinander parallel verlaufen, also denselben Winkel aufweisen (bzw., im Rahmen von Fertigungstoleranzen, einen Maximalwinkel von typischerweise 5° als Differenz nicht überschreiten).
- Besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführung als sogenannter Innenkonus herausgestellt. Ein schmaler Konusring (als zweiter Profilabschnitt) der Kerneinheit, welcher durch seine flusswirksame Querschnittsgestaltung tendenziell bei geringerer magnetischer Durchflutung in die magnetische Sättigung geht, taucht in einen innenliegenden Ringabsatz (Konusabsatz) am stirnseitigen Ende der Ankereinheit ein. Durch den schmalen konusförmigen Ringabsatz reagiert der zugehörige Ankerabschnitt sensibel auf Änderungen in der magnetischen Durchflutung und erzeugt gemäß dem vorbeschriebenen Wirkmechanismus kompensierende (aufrichtende) Magnetkräfte, welche der nachteiligen Ankerschrägstellung entgegenwirken.
- Im Ergebnis wird durch die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise nachteilige Reibung zwischen Ankereinheit und Ankerführung reduziert, damit Energie- und Magnetkraft optimiert, und Verschleiß entgegengewirkt.
- Insbesondere ist es für die praktische Realisierung vorteilhaft, mit (herkömmlichen) PTFE oder MoS2 - Gleitbeschichtungen hohe Lebensdaueranforderungen an elektromagnetische Stellvorrichtungen, etwa Ventilvorrichtungen, zu realisieren, welche den Bereich von 100 Millionen Schaltzyklen oder mehr erreichen, ohne dass es gesonderter, zusätzlich aufwändiger Maßnahmen bedarf. So ist es insbesondere im Rahmen der Erfindung vorteilhaft und weiterbildungsgemäß nützlich, dass die (zylindrische) Ankereinheit mantelseitig nicht in einer Gleitfolie zum Realisieren einer sogenannten Gleitfolien-Lagerung geführt werden muss. Nicht nur wird der zusätzliche bauteiletechnische und fertigungstechnische Aufwand vermindert (das Verwenden einer derartigen Gleitfolie erzeugt auch in der Montage zusätzlichen Aufwand), auch wird wirksam vermieden, dass durch eine Gleitfolie (bzw. die Dicke derselben) der parasitäre Luftspalt im Jochbereich der Magnetvorrichtung unnötig vergrößert wird, was wiederum den Nachteil eines schlechteren magnetischen Wirkungsgrades hätte.
- Damit eignet sich die vorliegende Erfindung in günstiger Weise etwa zur Realisierung von Ventilvorrichtungen, weiter bevorzugt Pneumatik-Ventilvorrichtungen, ist jedoch nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt. Vielmehr lässt sich der Vorteil der vorliegenden Erfindung günstig bei sämtlichen Realisierungsformen von elektromagnetischen Stellvorrichtungen nutzen, bei welchen - konstruktions- bzw. spielbedingt - ein Verkippen bzw. Auslenken der Ankereinheit in einer Ankerführung nachteilige Reibung bzw. Verschleiß bewirkt und ohnehin zur Beeinflussung des magnetischen Kraftverlaufs verwendete Profilelemente im Steuerbereich (Steuerkonus-Bereich) zur Realisierung des erfindungsgemäß vorteilhaften Kompensationsverhaltens dimensioniert und eingesetzt werden können.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Figuren; diese zeigen in
- Fig. 1:
- einen schematischen hälftigen Längsschnitt durch die wesentlichen magnetischen Funktionskomponenten der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einer ersten Realisierungsform der Erfindung;
- Fig. 2:
- eine Detailansicht des Steuerbereichs mit den einander gegenüberstehenden Profilabschnitten der Ankereinheit bzw. der Kerneinheit sowie eingezeichneten Messpunkten für eine Simulation;
- Fig. 3:
- eine Längsschnittansicht durch ein 2/2-Wegeventil, realisiert durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung zum Verdeutlichen des Einsatzkontexts der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 4:
- eine hälftige Längsschnittansicht analog
Fig. 1 zum Verdeutlichen einer gegenüber der Realisierung derFig. 1 nachteiligen Ausgestaltung der Profilabschnitte des Steuerbereichs und - Fig. 5:
- ein Vergleichsdiagramm in Form einer Kraft-Weg-Kennlinie des Ausführungsbeispiels der
Fig. 1 relativ zum Vergleichsbeispiel derFig. 4 . - Die
Fig. 3 verdeutlicht den Anwendungskontext der vorliegenden Erfindung; gezeigt ist ein strukturell ansonsten bekanntes 2/2-Wegeventil, welches Einsatz im Kraftfahrzeugbereich findet und im Zusammenwirken zwischen Ankereinheit und Konuseinheit mit einer Konussteuerung versehen ist. - Genauer gesagt zeigt das Ausführungsbeispiel der
Fig. 3 , welches mit seinen Merkmalen im Anwendungskontext außerhalb des Steuerbereichs als zur vorliegenden Erfindung gehörig offenbart gelten soll, ein Gehäuse 10, welches eine auf einem Spulenträger 12 gehaltene stationäre Wicklung 14 trägt. Innerhalb der hohlzylindrischen, ein Ankerführungsrohr 16 aufnehmenden Anordnung ist entlang einer Bewegungslängsachse 18 eine Ankereinheit 20 geführt, welche eine zylindrische Außenkontur aufweist, gegen die Kraft einer Druckfeder 22 sich von einem stationären Kernbereich 24 in axialer Richtung abstützt und, dem Kernbereich 24 entgegengesetzt, einen Ventil-Gummieinsatz 26 aufweist, welcher zum Verschließen eines Ventilsitzes 28, als Reaktion auf eine axiale Bewegung der Ankereinheit 20, ausgebildet ist. Die Ventilwirkung entsteht zwischen einem Versorgungsanschluss 30 und einem Arbeitsanschluss 32. Die Ankereinheit 20 ist in ansonsten bekannter Weise mantelseitig mittels einer PTFE oder MoS2 - Gleitbeschichtung versehen; eine Gleitfolie zur Lagerung der Ankereinheit existiert nicht. - Als Reaktion auf eine Bestromung der Wicklung 14 bewegt sich die Ankereinheit 20 entlang der Bewegungslängsachse 18 in vertikaler Richtung (Z in
Fig. 3 ). Die zu dieser Achse orthogonalen Richtungen X, Y sind entsprechend eingezeichnet. - Ein Steuerbereich (Steuerkonus-Bereich) im magnetischen Übergang zwischen der Kerneinheit 24 und der abschnittsweise hohlzylindrischen Ankereinheit 20 ist in der vergrößerten, hälftigen Längsschnittansicht der
Fig. 1 verdeutlicht, wobei, in der unmittelbaren Gegenüberstellung, das Ausführungsbeispiel derFig. 4 einen nicht im Sinne der Erfindung optimierten und vorteilhaften Steuerbereich zeigt. - Konkret weist in der bevorzugten Ausgestaltung der
Fig. 1 der Kernbereich einen Ringvorsprung 34, sich von der eingriffsseitigen Stirnfläche der Kerneinheit 24 erstreckend, auf, welcher, relativ zu einem innenliegenden Ringabsatz 36 des zugehörigen eingriffsseitigen Endbereichs der Ankereinheit 20 in Richtung auf die Achse 18 einwärts vorgesehen ist. - Wie die Ausschnittsvergrößerung der
Fig. 2 dieses Steuerbereichs, in nach rechts (bzw. im Uhrzeigersinn) verkipptem Zustand der Ankereinheit, diesbezüglich verdeutlicht, ist sowohl die auswärtige Flanke des Ringvorsprungs 34, als auch die inwärtige Flanke der Ringnut 36, relativ zur Längsachse 18, um einen Konuswinkel von ca. 8° geneigt (wobei sich im Rahmen der Erfindung Winkel zwischen 3° und 40°, bevorzugt zwischen 5° und 20°, weiter bevorzugt zwischen 7° und 15°, als günstig und bevorzugt erwiesen haben). Im Rahmen der Erfindung sind zudem diese Konuswinkel gleich ausgestaltet, so dass bei einer mittigen Position der Ankereinheit (d.h. unverkippt, im Gegensatz zur Darstellung derFig. 2 ) die Flankenwinkel übereinstimmen. - Erfindungsgemäß vorteilhaft ist nunmehr der einstückig ansitzende, ring- und konusförmige Vorsprung 34 so ausgestaltet, dass bei einem typischen Betriebsstrom durch die Spuleneinheit 12, 14 (bzw. einer dadurch im Übergangsbereich zur Ankereinheit, insbesondere im vertikalen Luftspalt 40 auftretenden Durchflutung), eine Sättigung dann eintritt, wenn dieser Luftspalt (40' in
Fig. 2 ) im linksseitigen Bereich sehr schmal wird, dadurch die magnetische Durchflutung in diesem Bereich und durch den zugehörigen Abschnitt des Vorsprungs 34 ansteigt, womit dann, aufgrund des vergleichsweise schmalen Ringdurchmessers, hier die Sättigung vorrangig erfolgt. Dies führt dann erfindungsgemäß vorteilhaft dazu, dass etwa im (radial) gegenüberliegenden, rechtsseitigen Bereich eine magnetische Durchflutung über den dortigen Luftspaltbereich 40" zunimmt, durch die Sättigung im linksseitigen Bereich des Ringsvorsprungs 34 magnetischer Fluss außerhalb dieses Bereichs verlagert bzw. verdrängt wird. - Das Ergebnis ist eine kompensierende Kraftwirkung entlang eines Pfeils 42 (
Fig. 2 ), entsprechend eine ein Aufrichten bzw. das Verkippen zurückführende Kraftkomponente in Querrichtung (Normalrichtung) zur Längsachse 18. Insoweit bildet der hier speziell zum Herbeiführen der Sättigung ausgestaltete Ringvorsprung 34 als Profilabschnitt der Kerneinheit die Basis für ein regelndes bzw. kompensierendes System im Hinblick auf die aufgabengemäß zu überwindenden bzw. abzumildernden Querkräfte. Dagegen verdeutlicht das Vergleichsbeispiel derFig. 4 , mit einem kernseitigen Profilabschnitt 44 und einem zugehörigen ankerseitigen Ringabsatz 46, dass - bedingt durch einen größeren flusswirksamen Querschnitt des Abschnitts 44 - bei Betriebsbedingungen (typischer Betriebsstrom für die Spuleneinheit) keine Sättigung im Abschnitt 44 auftritt, mithin eine magnetische Flusskonzentration im Vertikal-Luftspalt zwischen den Abschnitten 44, 46 im kleinsten verkippten Abstand auftritt und auch in dieser Stellung stabil steht. Nachteilige starke Reibkräfte sind hier die Folge.Es verdeutlicht die nachfolgende Tabelle 1 Variante Luftspalt zwischen Anker und Kern [mm] Kraft X-Achse [N] Kraft Y-Achse [N] Kraft Z-Achse [N] Fig. 4 0,15 -1,18 0,00 50,27 Fig. 1 0,71 0,05 62,40 Fig. 4 0,8 -1,94 -0,05 36,80 Fig. 1 -0,63 -0,03 42,65 - Im Zusammenhang mit der
Fig. 5 als Kraft-Weg-Kennlinie der Gegenüberstellung derFig. 1, Fig. 4 , wie sich wirksam die nachteilige Querkraft reduzieren lässt; die Messwerte der Tabelle 1 entstammen dabei einer dreidimensionalen Simulation mit Ankerschrägstellung anhand der Positionen A bis H inFig. 2 . Es zeigt sich, dass sich (bei Ankerschrägstellung in Richtung der X-Achse) eine Reduzierung der Ankerquerkraft von ca. 30% bzw. eine aufrichtende Magnetkraft (positives Vorzeichen) erreichen lässt, und zwar sowohl bei einem kurzen, als auch relativ langen Ankerhub (0,15 mm bzw. 0,8 mm), in unmittelbaren Vergleich der Konusausgestaltungen derFig. 1 relativ zum Vergleichsbeispiel derFig. 4 . - Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigte konkrete Ausgestaltung beschränkt, vielmehr gibt es zahlreiche Wege und Möglichkeiten, im Rahmen der vorliegenden Erfindung den Steuerbereich durch geeignete Profilierung des konusseitigen sowie des ankerseitigen Endabschnitts auszubilden. Dabei kann etwa die Kontur der
Fig. 2 (Ringvorsprung auf Kernseite liegt radial innen) umgekehrt werden, genauso wie eine entsprechend zur schnellen magnetischen Sättigung optimierte Profilierung auf Ankerseite (oder beidseits) vorhanden sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel derFig. 1, Fig. 2 hat sich zudem ein endseitig-mantelseitiger, außen umlaufender Ringabsatz 50 als vorteilhaft herausgestellt, da sich durch diesen zusätzlich eine nachteilige Reibung an der umgebenden Ankerführung reduzieren ließ.
Claims (8)
- Elektromagnetische Stellvorrichtung mit
einer relativ zu einer stationären Kerneinheit (24) und als Reaktion auf eine Bestromung einer Spuleneinheit (14) mit einem Betriebsstrom in einer axialen Richtung (18) um einen Bewegungshub bewegbaren Ankereinheit (20),
die axial einends mit der Kerneinheit (24) magnetisch über einen zumindest teilweise entlang des Bewegungshubes axial überlappenden Steuerbereich zusammenwirkt,
der als Abschnitt der Ankereinheit (20) einen ersten Profilabschnitt (34, 44) und als Abschnitt der Kerneinheit (24) einen zweiten Profilabschnitt (36, 46) mit einem zwischen diesen gebildeten, eine Ausdehnung senkrecht zur axialen Richtung ausbildenden Luftspalt (40) aufweist, wobei,
ein für einen über den Luftspalt fließenden Magnetfluss der Bestromung mit dem Betriebsstrom flusswirksamer Querschnitt des ersten und des zweiten Profilabschnitts so ausgestaltet ist, dass als Reaktion auf eine durch ein Verkippen und/oder Auslenken der Ankereinheit (20) aus der axialen Richtung bewirkte Verkürzung der Luftspaltausdehnung ein magnetischer Flusswiderstand des ersten und/oder zweiten Profilabschnitts im Bereich der Verkürzung durch magnetische Sättigung ansteigt, und eine dem Verkippen bzw. Auslenken entgegengerichtete Kraft auf die Ankereinheit wirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die einen zylindrischen Ankerkörper aufweisende Ankereinheit keine Stößelführung oder Stößellagerung aufweist und mantelseitig ohne Folienmittel, insbesondere ohne eine Gleitfolie, gelagert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ankereinheit und die Kerneinheit radialsymmetrisch um eine entlang der axialen Richtung verlaufende Mittelachse ausgebildet sind und der erste und/oder der zweite Profilabschnitt bevorzugt einstückig aus einem Anker- bzw. Kernkörper ansitzen und radial umlaufend ausgebildet sind,
wobei der radial zwischen dem ersten und dem zweiten Profilabschnitt umlaufende Luftspalt durch das Verkippen bzw. Auslenken die Verkürzung in einem ersten Luftspaltbereich und eine Erweiterung in einem, bezogen auf die Mittelachse, gegenüberliegenden Luftspaltbereich erfährt. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und/oder der zweite Profilabschnitt längsschnittlich eine Zahn- und/oder Nockenform aufweisen, die bei radialsymmetrischer Ausbildung der Anker- und der Kerneinheit als axialer Ringvorsprung ausgebildet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Profilabschnitt den Luftspalt durch konusförmig zur axialen Richtung geneigte Wandabschnitte begrenzen. - Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Konuswinkel der Wandabschnitte des ersten bzw. des zweiten Profilabschnitts so ausgebildet ist, dass bei unverkippter bzw. nicht ausgelenkter Mittelstellung der Ankereinheit die Wandabschnitte zueinander parallel verlaufen und/oder ein zwischen den Wandabschnitten gebildeter Winkel < 5°, bevorzugt kleiner < 3°, beträgt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ankereinheit zum Ausbilden des ersten Profilabschnitts einen konusförmigen, innenliegenden Ringabsatz aufweist und mantelseitig in Richtung auf die Kerneinheit einen umlaufenden weiteren Ringabsatz ausbildet. - Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Realisieren einer Ventilvorrichtung, insbesondere Pneumatik-Ventilvorrichtung, bei welcher durch die Bewegung der Ankereinheit ein Fluidfluss gesteuert wird.
- Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch die Schritte:- Bestromen der Spuleneinheit zum Bewirken einer Bewegung der Ankereinheit in der axialen Richtung,- Bewirken einer dem Verkippen bzw. Auslenken aus der axialen Richtung entgegen wirkenden Kraft, insbesondere Querkraft oder Normalkraft, auf die Ankereinheit, bei einer axialen Überlappung zwischen Ankereinheit und Kerneinheit im Steuerbereich.
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