WO2002071421A2 - Aktuator - Google Patents

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Wolfgang Schulz
Christian Lorenz
Matthias Brendle
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1607—Armatures entering the winding

Definitions

  • Electrical actuators for valves or relays have at least three iron parts in a magnetic circuit, a magnet armature and a two-part magnetic yoke, which consists of a magnetic pot and a magnetic core.
  • the actuator according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that an actuator can be manufactured in a simple manner, which consists of only two iron parts in the magnetic circuit, and which also achieves a consistently high magnetic force over a long distance.
  • the force-displacement curve of two different magnet types is used.
  • the actuator is a simple and inexpensive construction, which is particularly advantageous with regard to the number of components as well as the required manufacturing accuracy and the machining processes.
  • the yoke element has a sufficiently large proportional radial area.
  • a sleeve is arranged in a coil.
  • the sleeve pressed into the coil combines the securing and centering of a coil in the yoke element and limits with high accuracy a radial distance between the armature and the magnetic yoke, which effectively limits the magnetic forces in the radial direction over the entire armature stroke. It is also used for magnetic insulation.
  • a drawn sleeve enables a high surface quality combined with good sliding properties and high strength at low manufacturing costs.
  • the anchor is advantageously a hollow cylinder which is advantageously produced as a stamped and bent part.
  • beads are embossed on the outer circumferential surface of the armature and can be calibrated by cold forming in order to achieve a specific geometry / tolerance.
  • the actuator can be used advantageously for a valve if a sealing plug is arranged in the armature, which seals in each case one opening in a three-way channel.
  • Figure 1 shows a magnetic yoke, a sleeve, a
  • Anchor and a sealing plug as parts of an actuator according to the invention
  • FIG. 2 shows a coil on a coil former
  • FIG. 3a shows an axial cross section through an actuator according to the invention in a first end point
  • Figure 4 shows the use of the actuator according to the invention in a valve. Description of the embodiment
  • FIG. 1 shows parts of an actuator 1 according to the invention (FIGS. 3a, 3b).
  • the actuator 1 consists at least of a magnetic yoke element 3, which is produced, for example, as a stamped and bent part and, for example, consists of a single piece.
  • the yoke element 3 has a first surface 21 and a second surface 24, which are arranged parallel to one another and run perpendicular to an axial direction 18.
  • the yoke element 3 also has, for example, a first, second, third side surface 27, 28, 29, which connect the first and second surface 21, 24. For example, there is a gap 30 between each of the side surfaces 27, 28, 29.
  • the first surface 21 has, for example, an indentation 38, which extends outwards in a ring shape in the axial direction 18.
  • An armature 9 is arranged in the sleeve 6 in the assembled state of the actuator 1 (FIG. 3a) and can be displaced in this sleeve 6 in the axial direction 18 between two end points.
  • the armature 9 is, for example, a hollow cylinder and is manufactured, for example, as a stamped and bent part.
  • FIG. 2 shows a coil 45 which is wound on a bobbin 48. Electrical connections 51 are also arranged on the coil body 48, through which the coil 45 can be electrically energized from the outside.
  • the coil 45 is inserted laterally through the gap 30 between the first side surface 27 and the third side surface 29 into the yoke element 3 of FIG. 1, a coil opening 46 then being aligned with the openings 32 and 35 of the yoke element 3 (FIG. 3a ).
  • FIG. 3a shows an actuator 1 according to the invention in axial cross section with its armature 9 in a first end position.
  • the sleeve 5 lies tightly against the yoke element 3 and the coil 45 or the coil body 48.
  • the coil 45 is energized in this position, so that a spring (not shown) of a valve, which acts on the armature 9, is tensioned.
  • the indentation 38 is formed, which forms a sufficiently large radial area so that a magnetic resistance between the radial area of the yoke element 3 and the armature 9 is low.
  • the force-travel (stroke) curve of the armature 9 is therefore predominantly determined by a first end 63 of the inference element 3 lying on the second surface 24.
  • the armature 9 is arranged completely in the sleeve 6 and rests on a stop surface 54 of the yoke element 3, which extends in a radial direction 72 beyond the sleeve 6, i.e. the opening 35 of the second surface 24 has a smaller inner diameter than the opening 32 of the first surface 21.
  • the stop surface 54 extends perpendicular to the axial direction 18.
  • the magnetic flux largely runs through an end face at the first end 63 57 of the armature 9 and the stop surface 54, since this is the shortest distance from the yoke element 3.
  • the distance from the yoke element 3 in the radial direction 72 is greater due to the sleeve.
  • the magnetic flux course is indicated by arrows 60.
  • Figure 3b shows the armature 9 in a second end position.
  • the magnetic force is smaller than the spring restoring force, the armature 9 being displaced by one stroke in comparison to the position according to FIG. 3a and protruding from the sleeve 6 at the end 66, for example.
  • This takes place, for example, in that a spring (not shown) of a valve acts on the armature 9, which is more relaxed in this position than in the first end position according to FIG. 3a.
  • the sleeve 6 can also be designed such that the armature 9 is arranged completely in the sleeve 6 despite a movement.
  • the magnetic flux profile 60 at the first end 63 of the yoke element 3 differs in this position from that of FIG. 3a.
  • the magnetic flux profile 60 begins at the end face 57 of the armature 9 and then extends over a radial proportional surface 69 of the magnetic yoke element 3, since this profile has the lowest magnetic resistance.
  • the magnetic flux profile 60 is curved here. This magnetic flux profile corresponds to that of a proportional magnet and leads to its characteristic force-stroke profile.
  • the magnetic flux gradient has a particularly high axial component here. This behavior of the magnetic flux profile 60 in both end positions enables high armature tightening forces over the entire stroke range.
  • An actuator with either a proportional magnet or a stub anchor according to the prior art does not do a sufficiently high job in an end position.
  • An actuator according to the prior art has an end surface 75, which is shown here in broken lines.
  • the end surface 75 lies approximately at the same axial height 18 as one end of the coil 45 or the coil body 46 in the region of its second end position.
  • the actuator 1 according to the invention has on the
  • Inference element 3 has an offset 90, for example of height h ', which projects beyond second surface 24.
  • a distance between the end surface 75 and the stop surface 54 of the yoke element 3 in the axial direction 18 corresponds approximately to the maximum stroke h of the armature 9.
  • the height h ′′ corresponds approximately to the distance h, but can also be smaller or larger.
  • the radial surface 69 is first generated by this distance h, which enables the proportional behavior of the armature in one position. A consistently high magnetic force is achieved over the entire stroke and a flat magnetic force stroke curve is achieved.
  • FIG. 4 shows an application example of the actuator 1 according to the invention as a 3/2-way valve.
  • the sealing plug 15 of the actuator 1 according to the invention is arranged, for example, in a three-port duct 78 with a first, second and third duct opening 81, 84, 87.
  • the sealing plug 15 can be moved back and forth in the axial direction 18 and optionally closes the first channel opening 81 or the second channel opening 84, so that either a connection is made from the channel opening 81 to the channel opening 87 or a connection from the second channel opening 84 to the third channel opening 87.

Abstract

Ein Aktuator nach dem Stand der Technik hat einen Eisenkreis, der aus drei Teilen besteht. Ausserdem ist ein Ankerhub mit gleichbleibend hoher Magnetkraft über weite Hübe nur sehr aufwendig realisierbar. Ein erfindungsgemässer Aktuator (1) hat zwei Teile im Eisenkreis und weist eine einfache Konstruktion auf. Ein Rückschlusselement (3) hat einen Versatz (90), der den magnetischen Flussverlauf (60) je nach Position eines Ankers (9) so beeinflusst, dass über den gesamten Hub eine gleichbleibend hohe Magnetkraft erreicht ist und so ein flacher Magnetkraft-Hub-Verlauf erzielt wird.

Description

Aktuator
Stand der Technik
Elektrische Aktuatoren für Ventile oder Relais besitzen mindestens drei Eisenteile in einem magnetischen Kreis, einen Magnetanker und einen zweiteiligen magnetischen Rückschluss, der aus einem Magnettopf und einem Magnetkern besteht .
Die Möglichkeit, das Arbeitsvermögen des Magneten durch Anpassung der Magnetkennlinie an den geforderten Kraft-Weg- Verlauf des jeweiligen Ventils oder Relais besser nutzen zu können, zieht bei konventionellen Magneten aufwendige Anker- /Ankergegenstückgeometrien sowie hohe Anforderungen an Genauigkeit und Toleranzen nach sich.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemässe Aktuator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise ein Aktuator herstellbar ist, der nur aus zwei Eisenteilen im magnetischen Kreis besteht, und der auch über einen weiten Wegverlauf eine gleichbleibend hohe Magnetkraft erreicht. Es wird dabei der Kraft-Weg- Verlauf zweier verschiedener Magnettypen ausgenutzt. Ausserdem stellt der Aktuator eine einfache und kostengünstige Konstruktion dar, was insbesondere hinsichtlich der Bauteileanzahl sowie der erforderlichen Fertigungsgenauigkeit und der Bearbeitungsprozesse von Vorteil ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 genannten Aktuators möglich.
Um den magnetischen Widerstand zwischen einem Rückschlusselement und einem ersten Ende von einem Anker möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, dass das Rückschlusselement eine hinreichend grosse proportionale Radialfläche aufweist.
Es ist vorteilhaft, wenn in einer Spule eine Hülse angeordnet ist . Die in der Spule eingepresste Hülse vereinigt die Sicherung und Zentrierung einer Spule im Rückschlusselement und begrenzt mit hoher Genauigkeit einen radialen Abstand zwischen dem Anker und dem magnetischen Ruckschluss, wodurch die Magnetkräfte in radialer Richtung über den gesamten Ankerhub wirkungsvoll begrenzt sind. Ausserdem dient sie zur magnetischen Isolierung. Eine gezogene Hülse ermöglicht eine hohe Oberflächengüte verbunden mit guten Gleiteigenschaften und hoher Festigkeit bei geringen Fertigungskosten.
Es ist vorteilhaft, das Rückschlusselement als Stanz-Biege- Teil herzustellen, weil dies ein einfaches und kostengünstiges Herstellungserfahren für das Rückschlusselement ist. Der Anker ist vorteilhafterweise ein Hohlzylinder, der auf vorteilhafte Weise als Stanz-Biege-Teil hergestellt ist. Zur Erreichung eines für eine Lagerung massgeblichen Aussendurchmessers des Ankers ist es vorteilhaft, wenn auf der äusseren Mantelfläche des Ankers Sicken eingeprägt sind, die durch Kaltumformung kalibrierbar sind, um eine bestimmte Geometrie/Toleranz zu erreichen.
Der Aktuator kann auf vorteilhafte Weise für ein Ventil verwendet werden, wenn in dem Anker ein Dichtstopfen angeordnet ist, der in einem Dreiwegekanal jeweils eine Öffnung abdichtet.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Es zeigen
Figur 1 einen magnetischen Ruckschluss, eine Hülse, einen
Anker und einen Dichtstopfen als Teile eines erfindungsgemässen Aktuators,
Figur 2 eine Spule auf einem Spulenkörper,
Figur 3a einen axialen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Aktuator in einem ersten Endpunkt, Figur
3b einen erfindungsgemässen Aktuator in einem zweiten
Endpunkt , und
Figur 4 die Verwendung des erfindungsgemässen Aktuators in einem Ventil . Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt Teile eines erfindungsgemässen Aktuators 1 (Figur 3a, 3b) . Der Aktuator 1 besteht zumindest aus einem magnetischen Rückschlusselement 3, das beispielsweise als Stanz-Biege-Teil hergestellt wird und bspw. aus einem einzigen Stück besteht.
Das Rückschlusselement 3 hat eine erste Oberfläche 21 und eine zweite Oberfläche 24, die parallel zueinander angeordnet sind und senkrecht zu einer Axialrichtung 18 verlaufen. Das Rückschlusselement 3 weist weiterhin bspw. eine erste, zweite, dritte Seitenfläche 27, 28, 29 auf, die die erste und zweite Oberfläche 21, 24 verbinden. Zwischen den Seitenflächen 27, 28, 29 besteht bspw. jeweils eine Lücke 30.
Die erste Oberfläche 21 weist bspw. einen Einzug 38 auf, der sich ringförmig in Axialrichtung 18 nach aussen erstreckt. Eine Hülse 6, die beispielsweise hohlzylindrisch ausgeführt ist und an beiden axialen Enden beispielsweise offen ist, kann durch eine erste Öffnung 32 an der ersten Oberfläche 21 und durch eine zweite Öffnung 35 der zweiten Oberflächen 24 in das Rückschlusselement 3 eingeführt werden. Ein Anker 9 ist im zusammengebauten Zustand des Aktuators 1 (Fig. 3a) in der Hülse 6 angeordnet und ist in dieser Hülse 6 in Axialrichtung 18 zwischen zwei Endpunkten verschiebbar. Der Anker 9 ist beispielsweise ein Hohlzylinder und wird beispielsweise als Stanz-Biege-Teil hergestellt. Oft muss bei dem Anker 9 noch ein Aussendurchmesser angepasst werden, so dass er in der Hülse 6 gut verschiebbar ist. Deshalb weist der Anker 9 beispielsweise auf einer äusseren Mantelfläche 41 nach aussen eingeprägte Sicken 12 auf, die abtragend bzw. umformend kalibriert werden können, um einen bestimmten Aussendurchmesser herzustellen. In dem hohlzylindrischen Anker 9 kann ein Dichtstopfen 15 befestigt sein. Figur 2 zeigt eine Spule 45, die auf einem Spulenkörper 48 aufgewickelt ist. An dem Spulenkörper 48 sind ausserdem elektrische Anschlüsse 51 angeordnet, durch die die Spule 45 von aussen elektrisch bestromt werden kann. Die Spule 45 wird bspw. seitlich durch die Lücke 30 zwischen der ersten Seitenfläche 27 und der dritten Seitenfläche 29 in das Rückschlusselement 3 der Figur 1 eingeführt, wobei dann eine Spulenöffnung 46 zu den Öffnungen 32 und 35 des Rückschlusselements 3 ausgerichtet ist (Fig. 3a) .
Figur 3a zeigt einen erfindungsgemässen Aktuator 1 im axialen Querschnitt in mit seinem Anker 9 einer ersten Endlage. Die Hülse 5 liegt dicht an dem Rückschlusselement 3 und der Spule 45 bzw. dem Spulenkörper 48 an. Die Spule 45 ist in dieser Position bestromt, so dass eine Feder (nicht gezeigt) eines Ventils, die am Anker 9 angreift gespannt wird.
An einem zweiten Ende 66 des Rückschlusselements 3 ist der Einzug 38 ausgebildet, der eine hinreichend grosse Radialfläche bildet, so dass ein magnetischer Widerstand zwischen der Radialfläche des Rückschlusselements 3 und dem Anker 9 gering ist. Die Kraft-Weg (Hub) -Kurve des Ankers 9 wird deshalb vorwiegend durch ein an der zweiten Oberfläche 24 liegendes erstes Ende 63 des Rückschlusselements 3 bestimm .
Der Anker 9 ist vollständig in der Hülse 6 angeordnet und liegt auf einer Anschlagsfläche 54 des Rückschlusselements 3 auf, die sich in einer Radialrichtung 72 über die Hülse 6 hinaus erstreckt, d.h. die Öffnung 35 der zweiten Oberfläche 24 hat einen kleineren Innendurchmesser als die Öffnung 32 der ersten Oberfläche 21. Die Anschlagsfläche 54 verläuft senkrecht zur Axialrichtung 18.
In dieser ersten Endlage verläuft der magnetische Fluss grösstenteils an dem ersten Ende 63 durch eine Stirnfläche 57 des Ankers 9 und der Anschlagsfläche 54, da dies der kürzeste Abstand zum Rückschlusselement 3 ist. Der Abstand zum Rückschlusselement 3 in radialer Richtung 72 ist durch die Hülse grösser. Der magnetische Flussverlauf ist durch Pfeile 60 gekennzeichnet.
In dieser Position erhält man den für Stumpfankermagnete typischen hyperbolischen Hubkraftverlauf über den Ankerhub. Dieser sorgt für hohe Haltekräfte bzw. gewährleistet die bei Umsehaltventilen notwendige Verdopplung der Magnetkraft in der bestromten Ankerendlage.
Figur 3b zeigt den Anker 9 in einer zweiten Endlage. Dabei ist die Magnetkraft kleiner als die Federrückstellkraft, wobei der Anker 9 im Vergleich zur Position gemäss Figur 3a um einen Hub verschoben ist und beispielsweise aus der Hülse 6 am Ende 66 herausragt. Dies erfolgt bspw. dadurch, dass an dem Anker 9 eine Feder (nicht gezeigt) eines Ventils angreift, die in dieser Position entspannter als in der ersten Endlage gemäss Figur 3a ist. Die Hülse 6 kann auch so ausgebildet sein, dass der Anker 9 trotz einer Bewegung komplett in der Hülse 6 angeordnet ist. Der magnetische Flussverlauf 60 an dem ersten Ende 63 des Rückschlusselements 3 unterscheidet sich aber in dieser Position von dem der Figur 3a. Der magnetische Flussverlauf 60 beginnt an der Stirnfläche 57 des Ankers 9 und verläuft dann aber über eine radiale Proportionalfläche 69 des magnetischen Rückschlusselements 3, da dieser Verlauf den geringsten magnetischen Widerstand aufweist. Der magnetische Flussverlauf 60 ist hier gekrümmt. Dieser magnetische Flussverlauf entspricht dem eines Proportionalmagneten und führt zu dessen charakterischem Kraft-Hub-Verlauf. Der Magnetflussgradient hat hier eine besonders hohe Axialkomponente . Durch dieses Verhalten des magnetischen Flussverlaufs 60 in beiden Endpositionen sind hohe Ankeranzugskräfte über den gesamten Hubbereich möglich. Ein Aktuator mit entweder einem Proportionalmagneten oder einem Stumpfanker nach dem Stand der Technik leistet in einer Endposition keine ausreichend hohe Arbeit.
Ein Aktuator nach dem Stand der Technik hat eine Endfläche 75, die hier gestrichelt dargestellt ist. Die Endfläche 75 liegt ungefähr auf gleicher axialer Höhe 18 wie ein Ende der Spule 45 oder des Spulenkörpers 46 im Bereich seiner zweiten Endlage .
Der erfindungsgemässe Aktuator 1 hat an dem
Rückschlusselement 3 einen Versatz 90 bspw. der Höhe h' , der über die zweite Oberfläche 24 hinausragt . Ein Abstand zwischen der Endfläche 75 und der Anschlagsfläche 54 des Rückschlusselements 3 in Axialrichtung 18 entspricht etwa dem Maximalhub h des Ankers 9. Die Höhe h" entspricht etwa dem Abstand h, kann aber auch kleiner oder grösser sein.
Durch diesen Abstand h wird erst die radiale Fläche 69 erzeugt, die das proportionale Verhalten des Ankers in einer Position ermöglicht. So wird über den gesamten Hub eine gleichbleibend hohe Magnetkraft erreicht und ein flacher Magnetkraft-Hub-Verlauf erzielt wird.
Figur 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemässen Aktuators 1 als 3/2-Wegeventil . Der Dichtstopfen 15 des erfindungsgemässen Aktuators 1 ist beispielsweise in einem Dreianschlußkanal 78 mit einer ersten, zweiten und dritten Kanalöffnung 81, 84, 87 angeordnet. Der Dichtstopfen 15 kann in Axialrichtung 18 hin und her bewegt werden und verschliesst wahlweise die erste Kanalöffnung 81 oder die zweite Kanalöffnung 84, so dass entweder eine Verbindung von der Kanalöffnung 81 zur Kanalöffnung 87 hergestellt ist oder eine Verbindung von der zweiten Kanalöffnung 84 zur dritten Kanalöffnung 87.

Claims

Ansprüche
1. Aktuator, insbesondere für ein Ventil oder ein Relais, zumindest bestehend aus einer elektrischen Spule, einem magnetischen Rückschlusselement für die Spule, einem Anker, der zumindest teilweise in der Spule angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Anker (9) zwischen zwei Endlagen in einer
Axialrichtung (18) bewegbar ist, dass der magnetische Flussverlauf in einer ersten Endlage von dem Anker (9) hauptsächlich durch eine Fläche an einem ersten Ende (63) des Rückschlusselements (3) verläuft, auf der die Axialrichtung (18) senkrecht steht und dass der magnetische Flussverlauf in einer zweiten Endlage von dem Anker (9) hauptsächlich durch eine Fläche an dem ersten Ende (63) des Rückschlusselements (3) verläuft, die zu der Axialrichtung (18) parallel verläuft.
2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Anker (9) eine Stirnfläche (57) hat, und dass das Rückschlusselement (3) an einem ersten Ende (63) eine hinreichend grosse proportionale Radialfläche (69) aufweist, auf die die Stirnfläche (57) ausgerichtet ist, so dass ein magnetischer Widerstand zwischen der proportionalen
Radialfläche (69) und der Stirnfläche (57) möglichst gering ist.
3. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rückschlusselement (3) an einem zweiten Ende (66) einen Einzug (38) hat.
4. Aktuator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
in der Spule (45) eine Hülse (6) angeordnet ist.
5. Aktuator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
das Rückschlusselement (3) ein Stanz/Biegeteil ist.
6. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anker (9) ein Hohlzylinder ist.
7. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anker (9) ein Stanzbiegeteil ist,
8. Aktuator nach Anspruch 1 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Anker (9) Sicken (12) auf der äusseren Mantelfläche (41) hat.
9. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Anker (9) ein Dichtstopfen (15) angeordnet ist,
10. Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Aktuator (1) ein Dreianschlußkanal (78) mit drei Öffnungen (81, 84, 87) angeordnet ist, und dass der Dichtstopfen (15) in jeder Endlage des Ankers (9) jeweils eine Öffnung (81,84) des Dreianschlußkanals (78) abdichtet .
11. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rückschlusselement (3) für den Anker (9) in Axialrichtung eine Anschlagfläche (54) aufweist.
12. Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
sich der Anker (9) und das Rückschlusselement (3) teilweise in Radialrichtung (18) gegenüberstehen, wenn der Anker (9) auf der Anschlagfläche (54) aufliegt.
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