B E S C H R E I B U N G Elektromagnet und Verfahren zum Montieren eines
Elektromagneten
Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit einem Anker, welcher translatorisch in einem Führungselement verschiebbar angeordnet ist, einem Kern und einer Spule. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montieren eines Elektromagneten.
Elektromagneten, insbesondere solche, die zur Betätigung von Ventilen eingesetzt werden sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Dabei wird die durch eine Bestromung einer Spule erzeugte magnetische Anziehungskraft genutzt, um einen Anker in Richtung eines Kerns zu ziehen, wobei durch den Kern, den Anker, einen Joch und gegebenenfalls vorhandene magnetische Rückschlusselemente ein magnetischer Kreis geschlossen wird.
Ein derartiger Elektromagnet wird beispielsweise in der EP 2 966 329 Al offenbart. Das Elektromagnet weist ein Gehäuse auf, in welchem ein Spulenträger mit einer aufgewickelten Spule angeordnet ist, wobei an den axialen Enden des Spulenträgers jeweils ein Rückschlusselement vorgesehen ist. Der Spulenträger umgibt radial einen Führungstopf, in welchem ein translatorischer bewegender Anker und ein eingepresster Kern angeordnet sind.
Nachteilig an einem derartigen Elektromagneten ist, dass der Elektromagnet relativ viele Einzelkomponenten aufweist, welche einzeln montiert werden müssen und viele einzelne Montageschritte erfordern.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Elektromagneten mit einer reduzierten Anzahl an Einzelkomponenten zur Verfügung zu stellen und die Montage eines derartigen Elektromagneten zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch einen Elektromagneten mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass eine Vormontagebaugruppe vorgesehen ist, welche das Führungselement und die Spule umfasst, wobei der Kern einen axial erstreckenden Ringvorsprung aufweist, in welchen die Vormontagebaugruppe eingesteckt ist, kann die Montage des Elektromagneten vereinfacht werden. Als Träger der Vormontagebaugruppe dient das metallische Führungselement, wobei in einem Vormontageschritt an dem Führungselement die Spule mit ihrem Spulenträger befestigt wird. Damit wird die Vormontagebaugruppe auf eine einfache und kostengünstige Weise montiert. Im Endmontageschritt wird die Vormontagebaugruppe mit dem Kern verbunden. Hierzu weist der Kern einen Ringvorsprung auf, in welchen die Vormontagebaugruppe eingesteckt wird und am Ringvorsprung befestigt wird.
Durch eine derartige Ausgestaltung des Elektromagneten werden der Herstellungsaufwand und der Montageaufwand reduziert.
Außerdem wird die Anzahl der Einzelkomponenten des Elektromagneten reduziert, indem der Ringvorsprung des Kerns einen großen Teil der Montagebaugruppe radial umgibt und dadurch den größten Teil des Gehäuses des Elektromagneten bildet.
Vorzugsweise umfasst die Vormontagebaugruppe einen Deckel und einen mit der Spule elektrisch verbundenen Stecker, wobei der Deckel am Führungselement befestigt, beispielsweise verklebt, ist. Der Deckel bildet gemeinsam mit dem Ringvorsprung des Kerns das Gehäuse des Elektromagneten, wobei kein separates Gehäuse erforderlich ist. Dadurch
können der Montageaufwand und der Herstellungsaufwand reduziert werden, wobei kein separates Gehäuse hergestellt und montiert werden muss. Vorzugsweise ist der Stecker einstückig mit dem Deckel ausgeführt, wodurch der Herstellungsaufwand reduziert wird. Der Deckel bildet gemeinsam mit dem Ringvorsprung des Kerns das Gehäuse des Elektromagneten, wobei kein separates Gehäuse erforderlich ist. Dadurch können der Montageaufwand und der Herstellungsaufwand reduziert werden, wobei kein separates Gehäuse hergestellt und montiert werden muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vormontagebaugruppe den Anker auf. Vorzugsweise umfasst die Vormontagebaugruppe eine Feder, wobei die Feder zwischen dem Deckel und dem Anker angeordnet ist. Dadurch wird die Montage des Elektromagnets nochmals vereinfacht.
Vorzugsweise weist die Innenumfangsfläche des Ringvorsprungs einen Ringabsatz auf, wobei das Führungselement axial an dem Ringabsatz anliegt. Die Vormontagebaugruppe ist über das Führungselement an dem Ringvorsprung des Kerns befestigt, wobei der Ringvorsprung an seinem der Vormontagebaugruppe zugewandten Ende den Ringabsatz aufweist, an welchem das Führungselement axial anliegt. Dadurch wird die Montage der Vormontagebaugruppe vereinfacht, indem die Endlage der Vormontagebaugruppe durch den Ringabsatz vordefiniert ist, wobei die Vormontagebaugruppe soweit in den Ringvorsprung eingesteckt werden muss bis das Führungselement gegen den Ringabsatz anliegt. Eine Falschmontage kann dadurch verhindert werden. Alternativ kann die Montage der Vormontagebaugruppe mit Hilfe einer Kraft-Weg- Überwachung erfolgen, wobei als Referenz der Einpresstiefe eine obere Kante des Ringvorsprungs des Kerns dient.
Vorzugsweise ist die Vormontagebaugruppe in allen um eine Axialsachse verdrehten Positionen in den Kern einsteckbar. Die mit dem Ringvorsprung des Kerns verbindbare Komponente, beispielsweise der radiale Befestigungsvorsprung des Führungselements, und der Ringvorsprung des Kerns weisen eine rotationssymmetrische Kontur auf, so dass die Vormontagebaugruppe in einer beliebigen Drehposition in den Ringvorsprung eingesteckt und mit dem Ringvorsprung verbunden werden kann. Dadurch kann der radial ausgerichtete Stecker bedarfsgerecht, an die Einbauposition angepasst in Drehrichtung ausgerichtet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Führungselement eine Hülse und einen von der Außenumfangsfläche der Hü Ise radial erstreckenden Befestigungsvorsprung auf, wobei der Befestigungsvorsprung am Ringvorsprung des Kerns befestigt ist. Die Hülse dient mit ihrer Innenumfangsfläche der Führung des axial beweglichen Ankers und mit ihrer Außenumfangsfläche der Aufnahme der Spule, wobei die Spule an einem ersten axialen Ende der Hülse auf das Führungselement aufgesteckt ist. Der radial erstreckende Befestigungsvorsprung dient zum einen als axialer Anschlag für die axial aufgesteckte Spule und zum anderen zur Befestigung der Vormontagebaugruppe an dem Ringvorsprung des Kerns. Dabei überragt der radiale Befestigungsvorsprung des Führungselements die Spule radial und ist mit dem die Spule radial überragenden Abschnitt an dem Ringvorsprung des Kerns befestigt. Damit wird die
Vormontagebaugruppe ausschließlich durch das Führungselement an dem Kern befestigt.
Vorzugsweise weist das Führungselement an seiner Führungsfläche und/oder der Anker an seiner dem Führungselement radial zugewandten Außenumfangsfläche eine Nickel-Beschichtung oder Zink-Nickel- Beschichtung auf. Dadurch wird die Reibung zwischen der Führungsfläche des Führungselements und der Außenumfangsfläche des Ankers während einer Verstellbewegung des Ankers reduziert.
Vorzugsweise ist der Deckel formschlüssig und/oder über eine Klebeverbindung mit dem Führungselement befestigt, wodurch die Befestigung des Deckels am Führungselement vereinfacht wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Führungselement formschlüssig mit dem Deckel befestigt, wobei das Führungselement einen axial zum Deckel erstreckenden Vorsprung aufweist und der Deckel einen zum Führungselement axial erstreckenden Vorsprung aufweist, wobei die Vorsprünge miteinander verrastet sind. Dadurch kann die Befestigung des Deckels am Führungselement vereinfacht werden, wobei die Montage des Deckels am Führungselement ausschließlich durch ein Einstecken oder ein Aufstecken des am Deckel vorgesehenen Vorsprungs in oder auf den an dem Führungselement vorgesehenen Vorsprung erfolgt. Im endmontierten Zustand des Elektromagneten bildet der Ringvorsprung des Kerns und der Deckel im Wesentlichen das Gehäuse des Elektromagneten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Kern einen mittleren, zylindrischen Abschnitt, den Ringvorsprung und einen zwischen dem zylindrischen Abschnitt und dem Ringvorsprung angeordneten Verbindungsabschnitt auf, wobei der Verbindungsabschnitt mit dem Strömungsgehäuse verpresst, verschraubt und/oder verklebt ist. Bei einer Verschraubung des Verbindungsabschnitts liegt der Kern über den Verbindungsabschnitt an dem Strömungsgehäuse flächig an und weist mehrere Durchgangsbohrungen auf, durch welche die Schrauben durchgesteckt werden. Das Strömungsgehäuse weist mehrere, zu den Durchgangsbohrungen korrespondierende Gewindebohrungen auf, in welche die Schrauben eingeschraubt werden. Die Durchgangsbohrungen sind bei demontierter Vormontagebaugruppe über die ringförmige Aussparung zugänglich. Durch eine derartige Ausgestaltung des Kerns kann der Kern bauraumsparend dem Strömungsgehäuse verschraubt werden. Beim Verkleben des Verbindungsabschnitts mit dem Strömungsgehäuse wird der Kern auf das Strömungsgehäuse aufgesetzt, wobei zuvor eine Klebeschicht auf eine Verbindungsfläche am Strömungsgehäuse oder am Kern appliziert wird. Beim Verpressen wird der Kern auf einen
Axialvorsprung des Strömungsgehäuses aufgeschoben und dabei eine Pressverbindung hergestellt.
Vorzugsweise weist das Strömungsgehäuse an der dem Kern zugewandten Seite ein Zentrierelement auf, welches in eine an dem Kern vorgesehene Zentrieröffnung eingreift. Dadurch kann die Montage des Kerns an dem Strömungsgehäuse vereinfacht werden, wobei der Kern durch das Einstecken des Zentrierelements in die am Kern vorgesehene Öffnung radial vorpositioniert wird und anschließend verschraubt wird. Alternativ können das Zentrierelement am Kern und die dazugehörige Öffnung am Strömungsgehäuse ausgebildet werden. Das Zentrierelement dient bei der Verpressung des Kerns am Strömungsgehäuse als Axialvorsprung, welcher mit einer Außenfläche eine Pressverbindung mit einer Innenfläche der Zentrieröffnung bildet.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Montieren eines Elektromagneten nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gelöst, wobei das Führungselement und die Spule und der Anker, der Stecker, der Deckel und/oder die Feder zu einer Vormontagebaugruppe montiert werden, wobei die Vormontagebaugruppe anschließend in den axial erstreckenden Ringvorsprung des Kerns eingesteckt wird. In anderen Worten weist die Vormontagebaugruppe zwingenderweise das Führungselement und die Spule auf, wobei der Anker, der Stecker, der Deckel und die Feder in unterschiedlichen Ausführungen optional in der Vormontagebaugruppe enthalten sein können. So kann die Vormontagebaugruppe beispielsweise das Führungselement, die Spule, den Deckel und den Stecker aufweisen. Anderenfalls kann die Vormontagebaugruppe das Führungselement, die Spule, den Anker und die Feder aufweisen. Dadurch wird die Montage des Elektromagneten vereinfacht.
Vorzugsweise wird der Kern mit einem Strömungsgehäuse verschraubt, verpresst und/oder verklebt. Dadurch kann eine über die Lebensdauer
zuverlässige Verbindung des Kerns an einer angrenzenden Komponente, insbesondere am Strömungsgehäuse, hergestellt werden.
Vorzugsweise wird die Vormontagebaugruppe über eine Klebeverbindung oder eine Pressverbindung am Kern befestigt, wodurch eine zuverlässige Verbindung zwischen der Vormontagebaugruppe und dem Kern hergestellt werden kann. Bei der Befestigung der Vormontagebaugruppe über eine Pressverbindung wirkt ein Presswerkzeug auf eine axiale Kontaktfläche der Vormontagebaugruppe ein, wobei die zur Verfügung stehende axiale Kontaktfläche sich über einen Winkelbereich von mindestens 270° erstreckt. Durch die nahezu über die gesamte Fläche erstreckende Kontaktfläche kann eine falsche Montage, beispielsweise verursacht durch eine einseitige Belastung, und dadurch eine Beschädigung einer
Komponente des Elektromagneten verhindert werden.
Es wird ein Elektromagnet bereitgestellt, welcher eine reduzierte Anzahl an Einzelkomponenten aufweist und welcher einfacher und kostengünstiger montiert werden kann. Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Elektromagneten sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Elektromagneten, und
Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführung eines erfindungsgemäßen Elektromagneten.
Der erfindungsgemäße Elektromagnet 10 umfasst eine Spule 12, welche auf einen Spulenträger 14 gewickelt ist, einen Anker 16, einen Kern 20 und ein Führungselement 70.
Der Kern 20 ist einstückig ausgeführt und weist einen zylindrischen, mittleren Abschnitt 22, einen axial erstreckenden Ringvorsprung 24 und einen Verbindungsabschnitt 26 auf, wobei der Ringvorsprung 24 koaxial zum mittleren, zylindrischen Abschnitt 22 angeordnet ist und der Verbindungsabschnitt 26 sich ausgehend vom mittleren Abschnitt 22 radial bis zum Ringvorsprung 24 erstreckt. Der mittlere, zylindrische Abschnitt 22, der Verbindungsabschnitt 26 und der Ringvorsprung 24 begrenzen einen kreisringförmigen Raum 28, in welchem der Spulenträger 14 mit der darauf aufgewickelten Spule 12 angeordnet ist. Der Spulenträger 14 und die Spule 12 sind abschnittsweise radial zwischen dem mittleren, zylindrischen Abschnitt 22 und dem Ringvorsprung 24 angeordnet, so dass die Spule 12 und der Spulenträger 14 den mittleren, zylindrischen Abschnitt 22 des Kerns 20 radial umgeben und der Ringvorsprung 24 radial an die Spule 12 angrenzt.
Der Kern 20 liegt mit einer an einem Axialende vorgesehenen Anlagefläche 30 an einem Strömungsgehäuse 32 an und ist mit diesem verbschraubt. Zur Verschraubung sind im Verbindungsabschnitt 26 mehrere, axial erstreckende Durchgangsbohrungen 40 vorgesehen und das Strömungsgehäuse 32 weist mehrere zu den Durchgangsbohrungen 40 korrespondierende Gewindebohrungen 42 auf, wobei jeweils eine Schraube 44 durch die Durchgangsöffnung 40 durchgesteckt ist und in die an dem Strömungsgehäuse 32 ausgebildete Gewindebohrung 42 eingeschraubt ist. Zur Vereinfachung der Verschraubung weist das Strömungsgehäuse 32 ein axial erstreckendes, kreisringförmiges Zentrierelement 46 auf, welches in eine dazu korrespondierende Aussparung 48 an dem Kern 20 eingreift.
Beim Befestigen des Kerns 20 am Strömungsgehäuse 32 wird das Zentrierelement 46 in die Aussparung 48 gesteckt, wodurch der Kern 20 in radialer Richtung vorpositioniert wird. Anschließend wird der Kern 20 derart mittels eines Hilfswerkzeugs in Umfangsrichtung vorpositioniert, bis die Durchgangsbohrungen 40 sich mit den entsprechenden Gewindebohrungen 42 überlagern und die Schrauben 44 eingeschraubt werden können.
Der zylindrische, mittlere Abschnitt 22 weist an der Anlagefläche 30 eine axial erstreckende Sacklochbohrung 50 auf, welche die Aussparung 48 bildet und in welche ein Ventilkörper 52 eingreift. Der Ventilkörper 52 ist durch eine als Schraubenfeder ausgeführte Feder 54 in Richtung des Ankers 16 axial vorgespannt und erstreckt sich durch einen am Boden der Sacklochbohrung 50 ausgebildeten Durchbruch 56, wobei der Ventilkörper 52 mit der zum Anker 16 zugewandten Stirnfläche am Anker 16 axial anliegt.
An einem der Anlagefläche 30 entgegengesetzten Ende des zylindrischen, mittleren Abschnitts 22 des Kerns 20 ist der Anker 16 axial beweglich angeordnet, wobei der Anker 16 durch ein Führungselement 70 translatorisch geführt wird.
Das Führungselement 70 umfasst eine Hülse 72, welche koaxial zum axial beweglichen Anker 16 angeordnet ist, und einen radial von einer Außenumfangsfläche der Hülse 72 erstreckenden Befestigungsvorsprung 74. An der Innenfläche der Hü Ise 72 und an der Außenfläche des Ankers 16 ist jeweils eine Nickel-Beschichtung vorgesehen, wodurch die Reibung zwischen den beiden Flächen während einer Translationsbewegung des Ankers 16 reduziert wird. An dem dem Kern 20 axial abgewandten Ende des Führungselements 70 ist ein Deckel 80 befestigt. H i e rf ü r weist das Führungselement 70 einen zum Deckel 80 axial erstreckenden ringförmigen Vorsprung 76 auf und der Deckel 80 weist einen zum Führungselement 70 axial erstreckenden ringförmigen Vorsprung 82 auf, wobei der am Deckel 80 vorgesehene Vorsprung 82 auf den am Führungselement 70 vorgesehenen Vorsprung 76 aufgesteckt ist und über Rastelemente 84 verrastet ist. Zwischen dem Deckel 80 und dem Anker 16 ist eine Druckfeder 86 angeordnet, so dass der Anker 16 in Richtung des Ventilkörpers 52 und entgegen der Federkraft der Feder 54 durch die Druckfeder 86 axial belastet wird.
Bei Nichtbestromung des Elektromagneten 10 wird der Ventilkörper 52 und der Anker 16 durch die Federn 54, 86 in einer ersten Stellung gehalten, wobei die Federkraft der Feder 54 höher als die Federkraft der Feder 86 ist. Bei Bestromung der Spule 12 entsteht ein Magnetfeld, welches durch den zylindrischen, mittleren Abschnitt 22 des Kerns 20, den Verbindungsabschnitt 26 des Kerns 20, den Ringvorsprung 24 des Kerns 20, das Führungselement 70 und durch den Anker 16 verläuft. Dieses Magnetfeld bewirkt eine auf den Anker 16 wirkende Magnetkraft, wobei die Summe aus der auf den Anker 16 wirkende Magnetkraft und der Federkraft der Feder 86 die Federkraft der Feder 54 übersteigt, wodurch der Anker 16 und der Ventilkörper 52 in eine zweite Stellung verschoben werden.
Erfindungsgemäß bilden der Spulenträger 14, die Spule 12, das Führungselement 70, der Anker 16 und der Deckel 80 mit dem Stecker 18 eine Vormontagebaugruppe 90, wobei die Vormontagebaugruppe 90 in den Ringvorsprung 24 des Kerns 20 eingesteckt wird.
Als Träger der Vormontagebaugruppe 90 dient das Führungselement 70, wobei der Deckel 80 und der Spulenträger 14 an den entgegengesetzten Axialenden des Führungselements 70 an dem Führungselement 70 befestigt werden. Der Anker 16 ist in dem Führungselement 70 angeordnet und der Stecker 18 ist einstückig mit dem Deckel 80 hergestellt.
Bei der Montage des Elektromagnets 10 wird im ersten Schritt der Kern 20 an dem Strömungsgehäuse 32 verschraubt. Dabei wird der Kern 20 auf das Strömungsgehäuse 32 derart aufgelegt, dass das an dem Strömungsgehäuse 32 vorgesehene Zentrierelement 46 in die dazu korrespondierende Öffnung 48 am Kern 20 angeordnet ist. Anschließend wird der Kern 20 mittels einer Flilfsvorrichtung in Rotationsrichtung gedreht, bis die Durchgangsöffnungen 40 sich mit den Gewindebohrungen 42 überlagern. Danach werden die Schrauben 44 über den kreisförmigen Raum 28 durch die jeweilige Durchgangsbohrung 40 gesteckt und in die Gewindebohrungen 42 eingeschraubt.
Anschließend an die Befestigung des Kerns 20 wird die vormontierte Vormontagebaugruppe 90 am Kern 20 befestigt. Dabei wird die Vormontagebaugruppe 90 axial in einen durch den Ringvorsprung 24 radial begrenzten Raum eingesteckt, wobei die Spule 12 und der Spulenträger 14 auf den mittleren, zylindrischen Abschnitt 22 des Kerns 20 aufgeschoben wird. Die Befestigung erfolgt durch den radial erstreckenden Befestigungsvorsprung 74 des Führungselements 70, wobei die Vormontagebaugruppe 90 soweit in den Ringvorsprung 24 des Kerns 20 eingesteckt wird bis der Befestigungsvorsprung 74 an einem Ringabsatz 25 des Ringvorsprungs 24 axial anliegt. Außerdem liegt der
Befestigungsvorsprung 74 über seine Außenumfangsfläche an der Innenumfangsfläche des Ringvorsprungs 24 des Kerns 20 verpresst an, wobei der Außendurchmesser des Befestigungsvorsprungs 74 geringfügig größer als der Innendurchmesser des Ringvorsprungs 24 im Bereich des Ringabsatzes 25 ausgeführt ist. Damit ist die Vormontagebaugruppe 90 über eine Pressverbindung zwischen dem Führungselement 70 und dem Ringvorsprung 24 am Kern 20 befestigt. Alternativ können der Ringvorsprung 24 und das Führungselement 70 miteinander verklebt sein.
Die Außenumfangsfläche des Befestigungsvorsprungs 74 und die Innenumfangsfläche des Ringvorsprungs 24 weisen einen kreisrunden Querschnitt auf, wodurch die Vormontagebaugruppe 90 in allen um die Axialachse 17 verdrehten Positionen in den Kern 20 montiert werden kann.
Die in Figur 2 gezeigten, zweiten Ausführung des Elektromagneten 10 unterscheidet sich ausschließlich durch eine alternative Befestigung des Kerns 20 am Strömungsgehäuse 32, wobei der Kern 20 über das Zentrierelement 46 und die Aussparung 48 am Strömungsgehäuse 32 verpresst wird und über die axiale Anlagefläche 30 mit dem Strömungsgehäuse 32 verklebt wird. Zwischen der Anlagefläche 30 und dem Strömungsgehäuse 32 ist eine Klebeschicht 100 vorgesehen.
Damit wird ein Elektromagnet 10 geschaffen, welcher eine reduzierte Anzahl an Einzelkomponenten aufweist und welcher einfach und kostengünstig montiert werden kann. Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereiches des Hauptanspruchs möglich sind. Es könnten beispielsweise der Kern 20, der Anker 16 oder das Führungselement 70 anders ausgeführt sein.