EP3747031B1 - Umgeformter magnetkern für einen elektromagnetischen aktuator und verfahren zur herstellung - Google Patents

Umgeformter magnetkern für einen elektromagnetischen aktuator und verfahren zur herstellung Download PDF

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EP3747031B1
EP3747031B1 EP19700374.2A EP19700374A EP3747031B1 EP 3747031 B1 EP3747031 B1 EP 3747031B1 EP 19700374 A EP19700374 A EP 19700374A EP 3747031 B1 EP3747031 B1 EP 3747031B1
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EP
European Patent Office
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core
wall segments
base segment
segment
inner core
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EP19700374.2A
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Johannes KNUST
Olaf Josef
Guido Bayard
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Federal Mogul Valvetrain GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic core and a method for manufacturing a magnetic core for an electromagnetic actuator.
  • Electromagnetic actuators based on the principle of a spring-mass oscillator are used for camshaftless valve drives (or valve drives).
  • the linear actuators used for this purpose usually consist essentially of a magnet armature, which is moved between two electromagnets, and two cylindrical compression springs connected to the armature (more precisely a shaft of the armature) or the valve. If one of the electromagnets is energized, the system is deflected to the corresponding pole face and the associated valve is brought into the closed or open position.
  • one compression spring is always fully loaded while the other spring is only partially tensioned. In this way, the kinetic energy of the armature is stored as potential energy in the tensioned springs in the end positions.
  • the power is switched off, the system swings to the other side.
  • the current is switched off, eddy currents are generated in the magnet core (iron core) of the electromagnet, which means that the magnet armature continues to stick to the magnet core for a short time. This sticking time is undesirable because it limits the maximum speed and makes regulation more difficult.
  • Segmented magnetic cores are used to reduce eddy currents. For this purpose, very fine slots are made in the magnetic cores, which lead to the Eddy currents are reduced. This reduces the power consumption and the sticking time of the electromagnetic actuators.
  • the slots must be very fine, since as little surface or volume of the magnet core as possible should be lost in order to maintain the performance of the magnet.
  • the magnetic cores are currently made of solid material by machining. Machining is very complex and leads to a high unit price for the magnetic cores. In particular, the final process step of eroding the slots is time-consuming and costly. Another disadvantage of machining is the poor material efficiency. Due to the high material price of the alloys used, e.g. cobalt-iron alloys with a cobalt content of up to 50%, machining is particularly uneconomical.
  • JPS 556818 A discloses a method of making a magnetic core comprising stamping a preform having radially extending projections and bending the projections to form a cup-shaped body which is pushed into an opening to further compress the projections.
  • DE 102016104304 A1 and DE 102013017259 A1 each disclose a solenoid valve comprising a magnetic core consisting of a U-shaped outer magnetic flux guide and a cylindrical inner core.
  • the object is achieved by a method for producing a magnetic core for an electromagnetic actuator for an electromagnetic valve drive according to claim 1 and a magnetic core produced therewith according to claim 13.
  • a core blank is punched from a soft magnetic sheet, ie a sheet made from a soft magnetic material.
  • a core blank 2 is in Fig. 1 shown in a plan view.
  • the punched core blank 2 comprises a base segment 4 with an opening 8 and several (at least two) wall segments 6 (only one of which is provided with a reference symbol in the figure as an example) which, starting from an outer edge of the base segment 4, extend outwards - ie from Ground segment away - extend.
  • the punched opening 8 forms a through opening through the floor segment; one edge of the opening is correspondingly an inner edge of the bottom segment.
  • the opening 8 is preferably arranged centrally in the floor segment 4.
  • the core blank 1 can optionally comprise a likewise punched opening for a later power line feed for a magnetic coil used in the completed electromagnetic actuator; ie, a solenoid power supply line opening 12.
  • the floor segment 4 in Fig. 1 approximately in the form of a circular ring disc.
  • other shapes are also possible, for example an oval shape, triangular, square, pentagonal, or more generally n-angular.
  • the shape is determined in particular by the desired shape of the magnetic core.
  • the floor segment 4 in FIG Fig. 1 eight wall segments 6, which are regularly arranged around the outer edge or circumference of the floor segment, so that there is an angle ⁇ of 45 ° between two adjacent wall segments 6.
  • the core blank in the example of the figure is thus star-shaped.
  • the core blank preferably comprises at least 4, more preferably 4 to 20, most preferably 8 to 16 wall segments. Also is a non-regular arrangement of the Wall segments 6 along the outer edge of the floor segment 4 are conceivable.
  • the wall segments 8 in the figure essentially have a rectangular shape (i.e. the shape of a rectangle) with a width measured along the outer edge of the bottom segment 4 and a length measured outwardly perpendicular thereto.
  • Essentially a rectangular shape means here that the width remains the same as the distance from the floor segment increases, i.e. parallel side edges in the longitudinal direction, but the shape of the other two side edges of the rectangle can deviate slightly from the exact rectangular shape, e.g. to the shape of the outer edge to be adapted to the floor segment.
  • the wall segments all have the same width; however, different widths are also possible.
  • the lengths of the wall segments are also preferably the same, i.e.
  • the wall segments extend the same distance from the floor segment; different lengths are also conceivable here. It is also possible to deviate from the preferred rectangular shape of the wall segments; E.g. a parallelogram shape or a stepped shape (several rectangles staggered in a row) is possible. The later course of the magnetic field lines is particularly important here.
  • the sum of the widths of the wall segments 6 is preferably essentially the same as the length of the outer edge of the floor segment 4, i.e. the circumference of the floor segment. This leads to the fact that after the reshaping step described below, in which the wall segments 6 are bent in a direction essentially perpendicular to the floor segment 4, narrow gaps remain between the wall segments which prevent eddy currents. “Essentially” here means that the sum of the widths of the wall segments is equal to or slightly smaller than the circumference of the floor segment.
  • the difference between the circumference of the floor segment minus the sum of the widths of the wall segments is N times d, where N is the number of wall segments and d is a predetermined minimum distance in the range from 0.05 mm to 0.3 mm, more preferably 0.1 mm to 0.2 mm.
  • N is the number of wall segments
  • d is a predetermined minimum distance in the range from 0.05 mm to 0.3 mm, more preferably 0.1 mm to 0.2 mm.
  • the design of the forming step is also decisive here.
  • the sheet metal used consists of a soft magnetic material, ie one Ferromagnetic material with a low (less than approx. 1000 A / m) coercive field strength, which can be magnetized relatively easily.
  • a cobalt-iron alloy is preferably used.
  • Other possible materials are, for example, soft iron or a nickel-iron alloy.
  • small holes can also be provided in the corners where the two wall segments meet. As will be described further below, these holes can also serve to continue the slots formed between the wall segments (after reshaping) in the floor segment.
  • Figures 2A, 2B and 2C represent sectional views of the core blank 2 or magnetic core 1 during further process steps.
  • Figure 2A shows the core blank 2, which comprises the bottom segment 4 with the opening 8 and the wall segments 6, after punching in a sectional view (for example a section along the horizontal dash-dotted line in FIG Fig. 1 ).
  • the floor segment 2 for example, has a greater thickness than the wall segments 6.
  • embossing is to be understood here as a forming process that enables a thickness structuring of a flat metal component, such as pressing, extrusion, drawing, which may also be accompanied by a change in the dimensions of the metal component in directions perpendicular to the thickness.
  • the method can include stamping of the soft magnetic sheet metal before stamping or stamping of the core blank after stamping.
  • the blank can, for example, first be punched from a thicker sheet metal and then the wall segments can be lengthened and reduced in their thickness through the stamping step in order to obtain the final core blank.
  • a thickness structuring can be impressed on the core blank by embossing in order, for example, to achieve greater thicknesses in areas with a higher magnetic field strength.
  • the "thickness" (of the core blank) is defined as the dimension perpendicular to the plane formed by the base segment, which corresponds to the plane formed by the original sheet metal.
  • FIG. 2B shows the magnetic core 1 after this reshaping.
  • “Essentially perpendicular” is to be understood here to mean that there may be small deviations from the 90 ° angle, ie the angle should be between 80 ° and 100 °, preferably between 85 ° and 95 °. More generally, larger angles, for example between 70 ° and 110 °, are also conceivable. In particular, this also depends on the shape of the magnetic core that is ultimately desired.
  • the forming takes place in a forming machine by means of a suitable tool, so that an outer wall (formed by the bent wall segments) of the magnetic core is generated.
  • the core blank can be pressed into a corresponding counter-shape (a cup-shaped negative shape) by a punch, the dimensions (e.g. the diameter) of the punch roughly corresponding to the dimensions of the bottom segment or being slightly smaller and the larger dimensions of the counter-shape being the correspond to the desired dimensions of the magnetic core to be produced, so that the wall segments are bent over when the punch is pressed into the counter-mold.
  • the slots introduced by means of erosion in the prior art are already contained in the outer wall of the magnet core.
  • the sum of the widths of the wall segments 6 should be smaller than an outer circumference of the magnetic core after the deformation, so that slots are always obtained.
  • the distance (measured in the circumferential direction, i.e. in the direction of the outer edge of the floor segment) between two wall segments after the deformation is in the range between 0.05 mm and 0.3 mm, preferably between 0.1 mm and 0.2 mm. This distance corresponds to a width of the slots.
  • Narrow slots are thus obtained, which on the one hand only slightly impair the magnetic properties or performance of the magnetic core and on the other hand prevent eddy currents in the circumferential direction.
  • There is no need to erode slots which saves time and money in production and enables cycle times to be reduced. At the same time, there is less material required because the core is not machined from solid material.
  • an inner core 10 (a type of dome) is attached to the floor segment 4.
  • Figure 2C shows the magnetic core 1 after this optional attachment of the inner core 10.
  • the inner core 10 extends in the same direction in which the wall segments 6 are also bent; the corresponding side of the bottom segment 4 is also referred to as the top of the bottom segment.
  • the inner core 10 consists of a soft magnetic material, a cobalt-iron alloy, a nickel-iron alloy or soft iron preferably also being used here.
  • the windings of a magnetic coil to be attached (cf. Fig. 4 ) run around the inner core 10 and within the outer wall formed by the bent wall segments 6.
  • the inner core 10 has a through hole which is aligned with the opening of the bottom segment 4; an armature shaft (or possibly a valve stem) is passed through here for later use in a valve train (cf. Fig. 4 ).
  • the inner core can already have a tubular shape before it is attached to the floor segment 4, ie the through hole is present from the start.
  • tubular shape means a general tubular body, not necessarily a circular tube, although the latter is preferred.
  • a cylindrical inner core can first be attached to the floor segment 4 and then the through hole can be made through the inner core in the direction perpendicular to the floor segment.
  • Cylinder is to be understood here as a general cylinder, ie a body that is created by parallel displacement of a not necessarily circular base area along a direction perpendicular to the base area.
  • the cylindrical inner core is attached to this base area on the floor segment, so that the opening of the floor segment is covered.
  • the through hole is then made, for example by drilling, so that it runs through the opening.
  • An inner core which has a circular shape or a circular cylinder in a plan view (the base area is therefore a circle) is preferred. More generally, the base area can be an oval, triangle, rectangle, n-corner, etc. The same applies to the through hole through the inner core, which, however, is preferably circular, corresponding to the shape of a typical anchor shaft (possibly valve stem).
  • the inner core 10 is attached or attached to the floor segment 4, for example, by friction welding, laser beam welding or electron beam welding.
  • the combination of this joining process with the previous forming process leads to significantly improved material efficiency compared to machining.
  • the slots required to minimize the power consumption are already contained in the reshaped core due to the shape of the blank.
  • An edge of the opening of the bottom segment 4 can be adapted to the shape and dimensions of an outer edge of the inner core, so that the inner core can be inserted flush into the opening and fastened there (for example by one of the above welding processes), as in Figure 2C shown.
  • the inner core can be larger than the opening in the floor segment and can be fastened to a surface on the upper side of the floor segment, friction welding being preferred here.
  • dimensions parallel to the bottom segment (eg a diameter) of the through hole of the inner core correspond to corresponding dimensions of the opening of the bottom segment, so that the opening of the bottom segment and the through hole of the inner core merge into one another steplessly.
  • the edge of the opening of the bottom segment and the inner core have mutually complementary circumferential steps which are set into one another when they are attached.
  • the inner core 10 can also be dispensed with. However, such an arrangement without an inner core 10 does not fall under the scope of protection of the present invention.
  • the anchor shaft possibly valve stem
  • the anchor shaft is then only passed through the opening 8 of the base segment 4.
  • the design with an inner core is preferred, since this leads to an improvement in the magnetic properties of an electromagnet manufactured with the magnetic core.
  • the method can include one or more heat treatments (eg tempering) of the magnetic core, for example tempering at a suitable temperature.
  • tempering can be used to set the magnetic Properties of the material used will be helpful. The heat treatment is therefore carried out after the forming step and, if an inner core is attached, after the inner core has been attached.
  • FIGs 3A and 3B show perspective views of the magnetic core 1 after reshaping the core blank or without the inner core ( Figure 3A ) and after attaching the inner core 10 ( Figure 3B ).
  • the slots 22 shown as lines between the wall segments 6 can be seen in both figures.
  • the magnetic core 1 thus has an outer wall with slots 22, which is formed by the bent wall segments 6.
  • a lateral edge of the bottom segment 4 is also visible, which here, for example, does not have any slots.
  • the inner core 10 which is shown in FIG Figure 3B has no slots, is provided with slots on the outside, which are inserted using a method known to the person skilled in the art, for example erosion.
  • a magnetic coil can be introduced which runs around the opening and which, in the case of an attached inner core, runs between the inner core and the wall.
  • Fig. 4 shows a section of a valve train that uses an electromagnetic actuator with two electromagnets, each of which uses a magnetic core.
  • the electromagnets of the electromagnetic actuator each comprise the magnetic core 1 and a magnetic coil 14, which are located in the annular space of the respective magnetic core is arranged.
  • An armature shaft 18 of a ferromagnetic (magnetic) armature 16 is guided through the openings in the magnetic cores 1.
  • a valve which is only partially shown, is arranged below the armature shaft 18 (in the figure), with a valve stem 24 of the valve being in the extension of the armature shaft 18.
  • the valve head not shown, would be located below the figure.
  • the anchor shaft 18 is connected to the anchor 16, that is to say fastened to it or manufactured in one piece with it.
  • the system is supported by two (compression) springs 20 so as to vibrate, one compression spring acting on the upper end of the armature shaft 18 and the other acting on the valve stem 24.
  • the valve stem forms the armature stem at the same time, in which case the valve stem extends through the actuator, the armature 16 is connected to the valve stem and both compression springs act on the valve stem.
  • one of the electromagnets of the electromagnetic actuator is switched on, that is, current flows through the respective magnetic coil 14, the armature 16 and the armature shaft 18 connected to it become attracted by this and therefore actuated the valve.
  • the figures represent a particularly preferred embodiment that has rotational symmetry. That is, the floor segment and the opening in the floor segment are circular and the wall segments all have the same shape and are regularly arranged around the floor segment.
  • the inner core also has the shape of a hollow circular cylinder.
  • the wall segments correspondingly form an annular outer wall after reshaping, which is connected to the inner core by the base segment in the form of an annular disk.
  • the method can also be carried out with other shapes and configurations and the magnetic core produced can thus be adapted to specified requirements, such as a specified external shape.
  • the floor segment can be rectangular with a round opening; After the deformation, a cuboid is obtained that is open on one side.
  • a corresponding inner core can also have an outer cuboid shape with a round through hole.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetkern und ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns für einen elektromagnetischen Aktuator.
    • Stand der Technik
  • Für nockenwellenlose Ventiltriebe (bzw. Ventilantriebe) werden elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt, die auf dem Prinzip eines Feder-Masse-Schwingers beruhen. Üblicherweise bestehen die hierfür verwendeten Aktuatoren mit linearem Aufbau im Wesentlichen aus einem Magnetanker, der zwischen zwei Elektromagneten bewegt wird, und zwei mit dem Anker (genauer einem Schaft des Ankers) bzw. dem Ventil verbundenen, zylindrischen Druckfedern. Wird einer der Elektromagneten bestromt, so wird das System zur entsprechenden Polfläche ausgelenkt und das dazugehörige Ventil in die geschlossene bzw. geöffnete Stellung gebracht.
  • Je nach Position ist hierbei immer eine Druckfeder voll belastet während die andere Feder nur teilweise gespannt ist. Somit wird in den Endlagen die kinetische Energie des Magnetankers als potenzielle Energie in den gespannten Federn gespeichert. Nach Abschalten des Stroms schwingt das System zur jeweils anderen Seite. Durch das Abschalten des Stroms entstehen im Magnetkern (Eisenkern) des Elektromagneten Wirbelströme, welche dazu führen, dass der Magnetanker eine kurze Zeit weiterhin am Magnetkern klebt. Diese Klebzeit ist unerwünscht, da Sie die maximale Drehzahl begrenzt und die Regelung erschwert.
  • Um die Wirbelströme zu reduzieren werden segmentierte Magnetkerne eingesetzt. Dazu werden in die Magnetkerne sehr feine Schlitze eingebracht, die dazu führen, dass die Wirbelströme reduziert werden. Die Leistungsaufnahme und die Klebzeit der elektromagnetischen Aktuatoren verringern sich dadurch. Die Schlitze müssen sehr fein sein, da möglichst wenig Oberfläche bzw. Volumen des Magnetkerns verloren gehen soll, um die Leistungsfähigkeit des Magneten zu erhalten.
  • Aktuell werden die Magnetkerne aus Vollmaterial spanend hergestellt. Die spanende Bearbeitung ist sehr aufwendig und führt zu einem hohen Stückpreis der Magnetkerne. Insbesondere der abschließende Prozessschritt des Erodierens der Schlitze ist zeitaufwendig und kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil der spanenden Bearbeitung ist, die schlechte Materialeffizienz. Bedingt durch den hohen Materialpreis der verwendeten Legierungen, z.B. Kobalt-Eisen-Legierungen mit einem Kobaltanteil von bis zu 50%, ist eine spanende Bearbeitung besonders unwirtschaftlich.
  • JPS 556818 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns umfassend Stanzen einer Vorform mit sich radial erstreckenden Vorsprüngen und Biegen der Vorsprünge, so dass ein tassenförmiger Körper gebildet wird, der in eine Öffnung gedrückt wird, um die Vorsprünge weiter zusammenzudrücken. DE 102016104304 A1 und DE 102013017259 A1 offenbaren jeweils ein Magnetventil umfassend einen Magnetkern, der aus einer U-förmigen äußeren Magnetflussführung und einem zylindrischen inneren Kern besteht.
  • Es besteht also Bedarf an einem weniger aufwendigen Herstellungsverfahren, welches die vorgenannten Probleme behebt, d.h. welches weniger zeitaufwendig und kostenintensiv ist und welches einen geringeren Materialverbrauch aufweist.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns für einen elektromagnetischen Aktuator für einen elektromagnetischen Ventiltrieb gemäß Anspruch 1 und einen damit hergestellten Magnetkern gemäß Anspruch 13.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren genauer beschrieben, wobei
    • Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kernrohling nach dem Stanzen und vor dem Umformen zeigt;
    • Fig. 2A eine Schnittansicht des Kernrohlings nach dem Stanzen und vor dem Umformen zeigt;
    • Fig. 2B eine Schnittansicht nach dem Umformen des Kernrohlings zeigt;
    • Fig. 2C eine Schnittansicht nach dem Anbringen des Innenkerns zeigt;
    • Fig. 3A eine perspektivische Ansicht nach dem Umformen des Kernrohlings zeigt;
    • Fig. 3B eine perspektivische Ansicht nach dem Anbringen des Innenkerns zeigt; und
    • Fig. 4 eine Ansicht eines elektromagnetischen Ventiltriebs zeigt.
  • Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Es ist zudem eine Bezugszeichenliste angegeben, die für alle Figuren gültig ist. Die in den Figuren dargestellten Ausführungen sind lediglich schematisch und stellen nicht notwendigerweise die tatsächlichen Größenverhältnisse dar.
    • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Zunächst wird ein Kernrohling aus einem weichmagnetischen Blech, d.h. einem Blech aus einem weichmagnetischen Material, gestanzt. Ein solcher Kernrohling 2 ist in Fig. 1 in einer Draufsicht dargestellt. Der gestanzte Kernrohling 2 umfasst ein Bodensegment 4 mit einer Öffnung 8 und mehrere (mindestens zwei) Wandsegmente 6 (von denen in der Figur beispielhaft lediglich eines mit einem Bezugszeichen versehen ist), die sich ausgehend von einem Außenrand des Bodensegments 4 nach außen - d.h. vom Bodensegment weg - erstrecken. Die gestanzte Öffnung 8 bildet eine Durchgangsöffnung durch das Bodensegment; ein Rand der Öffnung ist entsprechend ein Innenrand des Bodensgments. Bevorzugt ist die Öffnung 8 mittig in dem Bodensegment 4 angeordnet. Weiterhin kann der Kernrohling 1 optional eine ebenfalls gestanzte Öffnung für eine spätere Stromleitungszuführung für eine im fertiggestellten elektromagnetischen Aktuator verwendete Magnetspule umfassen; d.h. eine Magnetspulen-Stromversorgungsleitung-Öffnung 12.
  • Beispielhaft weist das Bodensegment 4 in Fig. 1 in etwa die Form einer Kreisringscheibe auf. Abweichend davon sind auch andere Formen möglich, z.B. eine ovale Form, dreieckig, viereckig, fünfeckig, oder allgemeiner n-eckig. Selbiges gilt für die Form der Öffnung, deren Form auch von der Form des Bodensegments verschieden sein kann. Die Form wird insbesondere durch die gewünschte Form des Magnetkerns mitbestimmt.
  • Ebenso beispielhaft umfasst das Bodensegment 4 in Fig. 1 acht Wandsegmente 6, die regelmäßig um den Außenrand bzw. Umfang des Bodensegments angeordnet sind, so dass zwischen zwei benachbarten Wandsegmenten 6 jeweils ein Winkel α von 45° besteht. Insgesamt ist der Kernrohling im Beispiel der Figur also sternförmig. Im Allgemeinen umfasst der Kernrohling bevorzugt mindestens 4, weiter bevorzugt 4 bis 20, am meisten bevorzugt 8 bis 16, Wandsegmente. Auch ist eine nicht regelmäßige Anordnung der Wandsegmente 6 entlang des Außenrandes des Bodensegments 4 denkbar.
  • Die Wandsegmente 8 weisen in der Figur (die eine bevorzugte Ausführungsform zeigt) im Wesentlichen eine Rechteckform (d.h. die Form eines Rechtecks) mit einer entlang des Außenrandes des Bodensegments 4 gemessenen Breite und einer senkrecht dazu, nach außen gemessenen Länge auf. "Im Wesentlichen eine Rechteckform" heißt hier, dass die Breite mit zunehmenden Abstand vom Bodensegment gleich bleibt, also parallele Seitenkanten in Längsrichtung, jedoch die Form der beiden anderen Seitenkanten des Rechtecks geringfügig von der exakten Rechteckform abweichen können, um z.B. an die Form des Außenrandes des Bodensegments angepasst zu sein. Bevorzugt (wie dargestellt) weisen die Wandsegmente alle die gleiche Breite auf; es sind jedoch auch unterschiedliche Breiten möglich. Auch die Längen der Wandsegmente sind bevorzugt gleich, d.h. in Richtung nach außen erstrecken sich die Wandsegmente gleich weit vom Bodensegment aus; wobei auch hier unterschiedliche Längen denkbar sind. Ebenso ist es möglich von der bevorzugten Rechteckform der Wandsegmente abzuweichen; z.B. ist eine Parallelogramm-Form oder eine gestufte Form (mehrere Rechtecke versetzt aneinandergereiht) möglich. Hier ist insbesondere der spätere Verlauf der Magnetfeldlinien zu beachten.
  • Die Summe der Breiten der Wandsegmente 6 gleicht bevorzugt im Wesentlichen der Länge des Außenrandes des Bodensegments 4, d.h. dem Umfang des Bodensegments. Dies führt dazu, dass nach dem weiter unten beschriebenen Umformschritt, bei dem die Wandsegmente 6 in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zum Bodensegment 4 umgebogen werden, zwischen den Wandsegmenten schmale Spalte verbleiben, die Wirbelströme unterbinden. "Im Wesentlichen" heißt hier also, dass die Summe der Breiten der Wandsegmente gleich oder etwas kleiner als der Umfang des Bodensegments ist. Z.B. beträgt die Differenz von Umfang des Bodensegments minus Summe der Breiten der Wandsegmente N mal d, wobei N die Anzahl der Wandsegmente ist und d ein vorgegebener Mindestabstand im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm, weiter bevorzugt von 0,1 mm bis 0,2 mm, ist. Hier ist insbesondere auch die Ausgestaltung des Umformschrittes maßgeblich.
  • Das verwendete Blech besteht aus einem weichmagnetischen Material, d.h. einem ferromagnetischen Material mit geringer (kleiner als ca. 1000 A/m) Koerzitivfeldstärke, welches sich relativ leicht magnetisieren lässt. Bevorzugt findet eine Kobalt-Eisen-Legierung Verwendung. Weitere mögliche Materialien sind z.B. Weicheisen oder eine Nickel-Eisen-Legierung.
  • Um das spätere Umformen zu erleichtern können weiterhin kleine Löcher in den Ecken, an den zwei Wandsegmente aufeinandertreffen vorgesehen sein. Wie weiter unten beschrieben wird können diese Löcher auch dazu dienen, die zwischen den Wandsegmenten (nach dem Umformen) gebildeten Schlitze in dem Bodensegment fortzusetzen.
  • Fig. 2A, Fig. 2B und Fig. 2C stellen Schnittansichten des Kernrohlings 2 bzw. Magnetkerns 1 während weiterer Verfahrensschritte dar.
  • Fig. 2A zeigt den Kernrohling 2, der das Bodensegment 4 mit der Öffnung 8 und die Wandsegmente 6 umfasst, nach dem Stanzen in einer Schnittansicht (z.B. ein Schnitt entlang der waagrechten Strichpunktlinie in Fig. 1). Zusätzlich ist hier zu erkennen, dass das Bodensegment 2 beispielhaft eine größere Dicke als die Wandsegmente 6 aufweist. Dies wird durch einen zusätzlichen optionalen Prägeschritt erreicht. Unter Prägen ist hier ein Umformverfahren zu verstehen, welches eine Dickenstrukturierung eines flachen Metallbauteils ermöglicht, wie z.B. Pressen, Fließpressen Ziehen, womit möglicherweise auch eine Änderung der Abmessungen es Metallbauteils in Richtungen senkrecht zur Dicke einhergeht. Insbesondere kann das Verfahren Prägen des weichmagnetischen Bleches vor dem Stanzen oder Prägen des Kernrohlings nach dem Stanzen umfassen. In letzterem Fall kann der Rohling z.B. zunächst aus einem dickeren Blech gestanzt werden und anschließend können durch den Prägeschritt die Wandsegmente verlängert und in ihren Dicken reduziert werden, um den letztendlichen Kernrohling zu erhalten. Allgemeiner kann durch Prägen dem Kernrohling eine Dickenstrukturierung eingeprägt werden, um z.B. größere Dicken in Bereichen mit höherer Magnetfeldstärke zu erreichen. Als "Dicke" (des Kernrohlings) ist die Abmessung senkrecht zu der durch die von dem Bodensegment gebildete Ebene, die mit der durch das ursprüngliche Blech gebildeten Ebene übereinstimmt, definiert.
  • Nach dem Schritt des Ausstanzens und gegebenenfalls Prägens erfolgt ein Umformschritt, bei dem die mehreren Wandsegmente 6 in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der durch das Bodensegment 4 gebildeten, bzw. definierten, Ebene umgebogen werden. Fig. 2B zeigt den Magnetkern 1 nach diesem Umformen. "Im Wesentlichen senkrecht" ist hier so zu verstehen, dass es zu kleinen Abweichungen vom 90° Winkel kommen kann, d.h. der Winkel sollte zwischen 80° und 100°, bevorzugt zwischen 85° und 95°, liegen. Allgemeiner sind auch größere Winkel, etwa zwischen 70° und 110°, denkbar. Dies ist insbesondere auch von der letztendlich gewünschten Form des Magnetkerns abhängig.
  • Das Umformen erfolgt in einer Umformmaschine mittels eines geeigneten Werkzeugs, so dass eine äußere Wand (gebildet durch die umgebogenen Wandsegmente) des Magnetkerns erzeugt wird. Z.B. kann der Kernrohling durch einen Stempel in eine entsprechende Gegenform (eine topfförmige Negativ-Form) gedrückt werden, wobei die Abmessungen (z.B. der Durchmesser) des Stempels in etwa den Abmessungen des Bodensegments entsprechen oder etwas kleiner sind und wobei die größeren Abmessungen der Gegenform den gewünschten Abmessungen des herzustellenden Magnetkerns entsprechen, so dass beim Hineindrücken des Stempels in die Gegenform die Wandsegmente umgebogen werden.
  • Durch das Umbiegen sind die im Stand der Technik mittels Erodieren eingebrachten Schlitze bereits in der äußeren Wand des Magnetkerns enthalten. Die Summe der Breiten der Wandsegmente 6 sollte nach dem Umformen kleiner als ein Außenumfang des Magnetkerns sein, damit in jedem Fall Schlitze erhalten werden. Weiterhin liegt der Abstand (gemessen in Umfangrichtung, also in Richtung des Außenrandes des Bodensegments) zwischen jeweils zwei Wandsegmenten nach dem Umformen im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,3 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,2 mm. Dieser Abstand entspricht einer Breite der Schlitze. Somit werden schmale Schlitze erhalten, die einerseits die magnetischen Eigenschaften bzw. Leistungsfähigkeit des Magnetkerns nur wenig beeinträchtigen und andererseits Wirbelströme in Umfangrichtung unterbinden. Auf ein Erodieren von Schlitzen kann also verzichtet werden, was zu einer Zeit- und Kostenersparnis in der Fertigung führt und einer Verringerung der Taktzeiten ermöglicht. Gleichzeitig wird weniger Material benötigt, da der Kern nicht aus Vollmaterial spanend hergestellt wird.
  • Weiter wird ein Innenkern 10 (ein Art Dom) am Bodensegment 4 angebracht. Fig. 2C zeigt den Magnetkern 1 nach diesem optionalen Anbringen des Innenkerns 10. Der Innenkern 10 erstreckt sich in die gleiche Richtung, in die auch die Wandsegmente 6 gebogen sind; die entsprechende Seite des Bodensegments 4 wird auch als Oberseite des Bodensegments bezeichnet. Der Innenkern 10 besteht aus einem weichmagnetischen Material, wobei auch hier bevorzugt eine Kobalt-Eisen-Legierung, eine Nickel-Eisen-Legierung oder Weicheisen verwendet wird. Die Wicklungen einer anzubringenden Magnetspule (vgl. Fig. 4) verlaufen um den Innenkern 10 herum und innerhalb der durch die umgebogenen Wandsegmente 6 gebildeten äußeren Wand.
  • Der Innenkern 10 weist ein Durchgangsloch auf, das mit der Öffnung des Bodensegments 4 fluchtet; hier wird bei der späteren Verwendung in einem Ventiltrieb ein Ankerschaft (oder evtl. ein Ventilstamm) hindurchgeführt (vgl. Fig. 4). Der Innenkern kann bereits vor dem Anbringen am Bodensegment 4 eine Röhrenform aufweisen, d.h. das Durchgangsloch ist von vornherein vorhanden. Unter "Röhrenform" ist hier ein allgemeiner röhrenförmiger Körper zu verstehen, nicht unbedingt eine kreisförmige Röhre, letztere ist allerdings bevorzugt. Alternativ kann zunächst ein zylindrischer Innenkern am Bodensegment 4 angebracht werden und anschließend das Durchgangsloch durch den Innenkern in Richtung senkrecht zum Bodensegment eingebracht werden. Unter "Zylinder" ist hier ein allgemeiner Zylinder zu verstehen, d.h. ein Körper der durch Parallelverschieben einer nicht notwendigerweise kreisförmigen Grundfläche entlang einer Richtung senkrecht zur Grundfläche entsteht. Der zylinderförmige Innenkern wird an dieser Grundfläche am Bodensegment angebracht, so dass die Öffnung des Bodensegments überdeckt wird. Anschließend wird das Durchgangsloch z.B. durch Bohren eingebracht, so dass dieses durch die Öffnung verläuft. Bevorzugt ist ein Innenkern, der in einer Draufsicht eine Kreisform aufweist bzw. ein Kreiszylinder (die Grundfläche ist also ein Kreis). Allgemeiner kann die Grundfläche ein Oval, Dreieck, Rechteck, n-Eck, usw. sein. Selbiges gilt für das Durchgangsloch durch den Innenkern, die jedoch bevorzugt kreisrund ist, entsprechend der Form eines typischen Ankerschafts (evtl. Ventilstamms).
  • Das Anbringen bzw. Anfügen des Innenkerns 10 am Bodensegment 4 erfolgt beispielsweise durch Reibschweißen, Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen. Die Kombination dieses Fügeprozesses mit dem vorhergehenden Umformprozess führt zu einer deutlich verbesserten Materialeffizienz im Vergleich zu einer spanenden Bearbeitung. Die zu Minimierung der Leistungsaufnahme erforderlichen Schlitze sind durch die Rohlingsform bereits in dem umgeformten Kern enthalten.
  • Ein Rand der Öffnung des Bodensegments 4 kann an die Form und Abmessungen eines Außenrandes des Innenkerns angepasst sein, so dass der Innenkern bündig in die Öffnung eingesetzt und dort befestigt (z.B. durch eines der obigen Schweißverfahren) werden kann, wie in Fig. 2C dargestellt. Alternativ (nicht dargestellt) kann der Innenkern größer als die Öffnung im Bodensegment sein und an einer Fläche an der Oberseite des Bodensegments befestigt werden, wobei hier Reibschweißen bevorzugt wird. In letzterem Fall stimmen bevorzugt Abmessungen parallel zum Bodensegment (z.B. ein Durchmesser) des Durchgangslochs des Innenkerns mit entsprechenden Abmessungen der Öffnung des Bodensegments überein, so dass die Öffnung des Bodensegments und das Durchgangsloch des Innenkerns stufenlos ineinander übergehen. Weiterhin ist es möglich, dass der Rand der Öffnung des Bodensegments und der Innenkern zueinander komplementäre umlaufende Stufen aufweisen, die beim Anbringen ineinander gesetzt werden.
  • Es sei noch angemerkt, dass auf den Innenkern 10 auch verzichtet werden kann. Eine derartige Anordnung ohne Innenkern 10 fällt jedoch nicht unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Der Ankerschaft (evtl. Ventilstamm) wird dann nur durch die Öffnung 8 des Bodensegments 4 geführt. Allerdings wird die Ausführung mit Innenkern bevorzugt, da dies zu einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften eines mit dem Magnetkern hergestellten Elektromagneten führt.
  • Weiter kann das Verfahren eine oder mehrere Wärmebehandlungen (z.B. Anlassen) des Magnetkerns umfassen, beispielsweise ein Temperieren bei geeigneter Temperatur. Damit kann einer Gefügeänderung aufgrund des Umformens entgegengewirkt und Spannungen abgebaut werden. Weiterhin kann ein Temperieren zum Einstellen der magnetischen Eigenschaften des verwendeten Materials hilfreich sein. Die Wärmebehandlung erfolgt also nach dem Schritt des Umformens und, falls ein Innenkern angebracht wird, nach dem Anbringen des Innenkerns.
  • Fig. 3A und Fig. 3B zeigen perspektivische Ansichten des Magnetkerns 1 nach dem Umformen des Kernrohlings bzw. ohne Innenkern (Fig. 3A) und nach dem Anbringen des Innenkerns 10 (Fig. 3B). In beiden Figuren sind die als Linien dargestellten Schlitze 22 zwischen den Wandsegmenten 6 zu erkennen. Der Magnetkern 1 weist also eine äußere Wand mit Schlitzen 22 auf, welche durch die umgebogenen Wandsegmente 6 gebildet wird. Ebenso ist ein seitlicher Rand des Bodensegments 4 sichtbar, welches hier beispielhaft keine Schlitze aufweist. Abweichend davon ist es möglich, auch das Bodensegment 4 mit Schlitzen zu versehen, welche die Schlitze zwischen den Wandsegmenten am Boden fortsetzen. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass beim Stanzen entsprechende Bereiche mit ausgestanzt werden; vgl. Fig. 1, wo entsprechend kleine Löcher an den Ecken, an denen Wandsegmente aufeinandertreffen, vorgesehen sind. Ebenso ist es denkbar, dass der Innenkern 10, der in Fig. 3B keine Schlitze aufweist, mit Schlitzen an der Außenseite versehen ist, die mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren eingefügt werden, z.B. Erodieren. In den Raum entlang der Innenseite der durch die umgebogenen Wandsegmente gebildeten äußeren Wand kann eine Magnetspule eingebracht werden, die um die Öffnung verläuft und die im Falle eines angebrachten Innenkerns zwischen Innenkern und Wand verläuft.
  • Fig. 4 stellt einen Ausschnitt aus einem Ventiltrieb, der einen elektromagnetischen Aktuator mit zwei Elektromagneten verwendet, bei denen jeweils ein Magnetkern zum Einsatz kommt, dar. Die Elektromagnete des elektromagnetischen Aktuators umfassen jeweils den Magnetkern 1 und eine Magnetspule 14, die in dem ringförmigen Raum des jeweiligen Magnetkerns angeordnet ist. Durch die Öffnungen der Magnetkerne 1 ist ein Ankerschaft 18 eines ferromagnetischen (Magnet-)Ankers 16 geführt. Ein nur teilweise dargestelltes Ventil ist (in der Figur) unterhalb des Ankerschafts 18 angeordnet, wobei sich ein Ventilstamm 24 des Ventils in Verlängerung des Ankerschafts 18 befindet. Der nicht dargestellte Ventilkopf würde sich unterhalb der Figur befinden. Der Ankerschaft 18 ist mit dem Anker 16 verbunden, also an diesem befestigt oder einstückig mit diesem gefertigt. Das System ist durch zwei (Druck-)Federn 20 schwingfähig gelagert, wobei eine Druckfeder am oberen Ende des Ankerschafts 18 wirkt und die andere am Ventilstamm 24. (Prinzipiell ist es auch möglich, dass der Ventilstamm gleichzeitig den Ankerschaft bildet, in diesem Fall erstreckt sich der Ventilstamm durch den Aktuator hindurch, der Anker 16 ist mit dem Ventilstamm verbunden und beide Druckfedern wirken am Ventilstamm.) Wird einer der Elektromagnete des elektromagnetischen Aktuators angeschaltet, d.h. fließt Strom durch die jeweilige Magnetspule 14, so wird der Anker 16 und der damit verbundene Ankerschaft 18 von diesem angezogen und mithin das Ventil betätigt.
  • Abschließend sei noch angemerkt, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsform darstellen, die eine Rotationssymmetrie aufweist. D.h. das Bodensegment und die Öffnung im Bodensegment sind kreisrund und die Wandsegmente weisen alle die gleiche Form auf und sind regelmäßig um das Bodensegment angeordnet. Ebenso hat der Innenkern die Form eines hohlen Kreiszylinders. Die Wandsegmente bilden entsprechend nach dem Umformen eine kreisringförmige äußere Wand, die durch das Bodensegment in Form einer Kreisringscheibe mit dem Innenkern verbunden ist. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass das Verfahren auch mit anderen Formen und Ausgestaltungen ausgeführt werden kann und der hergestellte Magnetkern so an vorgegebene Anforderung, wie etwa eine vorgegeben äußere Form, angepasst werden kann. Dabei ist es möglich die vorstehend in dieser Anmeldung beschriebenen Formen für Bodensegment, Öffnung im Bodensegment, Wandsegmente und gegebenenfalls Innenkern zu kombinieren. Beispielsweise kann das Bodensegment rechteckig mit einer runden Öffnung sein; nach dem Umformen wird dann ein an einer Seite offener Quader erhalten. Ein entsprechender Innenkern kann ebenfalls eine äußere Quaderform mit einem runden Durchloch aufweisen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Magnetkern
    2
    Kernrohling
    4
    Bodensegment
    6
    Wandsegment
    8
    Öffnung im Bodensegment
    10
    Innenkern
    12
    Magnetspulen-Stromversorgungsleitung-Öffnung
    14
    Magnetspule
    16
    Anker
    18
    Ankerschaft
    20
    Feder
    22
    Schlitz
    24
    Ventilstamm

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns (1) für einen elektromagnetischen Aktuator für einen elektromagnetischen Ventiltrieb, umfassend
    Stanzen eines Kernrohlings (2) aus einem weichmagnetischen Blech, wobei der Kernrohling (2) umfasst:
    ein Bodensegment (4) mit einer Öffnung (8) und
    mehrere Wandsegmente (6), die sich von einem Außenrand des Bodensegments (4) nach außen erstrecken;
    Umformen des Kernrohlings (2), wobei die mehreren Wandsegmente (6) in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Bodensegment (4) umgebogen werden, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei Wandsegmenten (6) nach dem Umformen im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,3 mm liegt; und
    Anbringen eines röhrenförmigen weichmagnetischen Innenkerns (10) an dem Bodensegment (4), oder Anbringen eines zylindrischen weichmagnetischen Innenkerns (10) an dem Bodensegment (4) und Einbringen eines sich senkrecht zu dem Bodensegment (4) erstreckenden Durchgangslochs durch den Innenkern (10).
  2. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Anbringen des Innenkerns (10) mittels Reibschweißen, Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen erfolgt.
  3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Prägen des weichmagnetischen Blechs vor dem Schritt des Stanzens oder ein Prägen des Kernrohlings (2) nach dem Schritt des Stanzens.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei durch das Prägen dem Kernrohling eine Dickenstrukturierung eingeprägt wird, so dass das Bodensegment (4) eine größere Dicke aufweist als die Wandsegmente (6).
  5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kernrohling (2) mindestens 4 Wandsegmente (6), bevorzugt 8 bis 16 Wandsegmente (8), umfasst.
  6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wandsegmente (6) im Wesentlichen die Form eines Rechtecks aufweisen.
  7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Summe von Breiten der Wandsegmente (6) nach dem Umformen kleiner als ein Außenumfang des Magnetkerns (1) ist.
  8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei Wandsegmenten (6) nach dem Umformen im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,2 mm liegt.
  9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die Wandsegmente (6) vom Bodensegment (4) aus gleich weit in Richtung nach außen erstrecken.
  10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Wärmebehandlung des Magnetkerns (1) nach dem Umformen des Kernrohlings (2).
  11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bodensegment (4) die Form einer Kreisringscheibe aufweist.
  12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Stanzen weiterhin ein Stanzen einer Magnetspulen-Stromversorgungsleltung-Offnung (12) in den Kernrohling umfasst.
  13. Magnetkern (1) für einen elektromagnetischen Aktuator für einen elektromagnetischen Ventiltrieb, umfassend ein Bodensegment (4) mit einer Offnung, eine außere wand mit Schlitzen (22) und einen am Bodensegment angebrachten weichmagnetischen innenkern (10) mit emem Durchgangsloch, das mit der Offnung des Bodensegments flucntet, wobei der Magnetkern (1) mit emem verfahren gemaß einem der Ansprüche 1-12 hergestellt ist, wobei eine Breite der Schlitze (22) im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,3 mm liegt.
  14. Magnetkern (1) gemäß Anspruch 13, wobei eine Breite der Schlitze (22) im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,2 mm liegt.
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