DE102006024841A1 - Elktromagnetische Stellvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer relativ zu einem stationären Kern durch Bestromung einer Spulenvorrichtung entlang einer Längsachse bewegbaren Ankereinheit, die zum Ausbilden oder Bestimmen eines Fluidströmungskanals eingerichtet ist, wobei die Ankereinheit einends einen axial langgestreckten, zylindrischen Abschnitt aufweist, an dem sich ein ringnutförmiger Abschnitt verminderten Außendurchmessers in der Richtung der Längsachse anschließt, wobei sich der Fluidströmungskanal in den ringnutförmigen Abschnitt erstreckt, wobei durch den langgestreckten zylindrischen Abschnitt der Fluidströmungskanal in der Art eines schräg zur Längsachse verlaufend ausgerichteten Durchgangskanals, insbesondere Durchgangsbohrung, so verläuft, dass eine stirnseitige erste Öffnung und/oder eine gegenüberliegende zweite Öffnung des Durchgangskanals außerhalb der zylindrischen Außenwand des langgestreckten Abschnitts vorgesehen sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Ankereinheit nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 10.
• Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und beispielsweise im Zusammenhang mit der DE 20 2005 012 297 der Anmelderin, dort vor allem im Zusammenhang in den 6 und 7, erläutert. Genauer gesagt wird bei derartigen, als gattungsbildend vorausgesetzten Vorrichtungen in ansonsten bekannter Weise eine Ankereinheit durch Bestromung einer diese umgebenden Spule bewegt, um mittels der Bewegung der Ankereinheit einen Fluidfluss zu steuern. Typische Anwendungen sind etwa Hydraulik- oder Pneumatikventile, und für diese wiederum Einsatzumgebungen in der Fahrzeugindustrie.
• Die 8 (querschnittlich eine bekannte Ankereinheit) und 9 (Perspektivansicht der Ankereinheit gemäß 6) verdeutlichen eine derartige, als bekannt vorausgesetzte Ankereinheit. Ein Ankerkörper 10 aus geeignetem magnetischem Material weist im Umfangsbereich zwei langgestreckte Entlüftungsnuten 12 auf, welche dem beschriebenen Fluidfluss dienen. Zu Dichtungszwecken und aus Gewichtsgründen ist zudem die beschriebene Ankereinheit im Innenraum mit jeweils einem durchvulkanisierten Elastomer gefüllt, welches in jeweiligen Stirnbereichen des Ankerkörpers 10 breite Dichtungsbereiche 16 bzw. 18 ausbildet. Im bestimmungsgemäßen Betrieb dieser gezeigten Ankereinheit innerhalb einer elektromagnetischen Stellvorrichtung würde dann, geeignet durch Bewegung der Ankereinheit beeinflusst, ein Fluidfluss durch die Kanäle 12 stattfinden.
• Allerdings ist eine derartige Vorrichtung aus verschiedenen Gründen nachteilig, insbesondere im Hinblick auf die (unter Großserien-Gesichtspunkten wichtige) einfache und automatisierte Fertigbarkeit. So ist etwa bei der als gattungsbildend herangezogenen Vorrichtung eine (voll-) automatisierte Komplettankerproduktion schwierig zu gewährleisten, da die gezeigte Technologie ein Glattschleifen erfordert. Ferner führt das Fertigen der gezeigten Anordnung mit den bekannten Fluidführungskanälen (Entlüftungsnuten) 12 zu Gratbildung, welche wiederum aufwendiges Nacharbeiten notwendig macht.
• Die gezeigten Nuten haben zudem magnetische Nachteile (durch die dadurch bewirkte Unterbrechung bzw. Aufweitung des Luftspalts in Umfangsrichtung treten magnetische Verluste und damit potentiell eine Verringerung der erzielbaren magnetischen Kraft auf), die gezeigte Nutenkontur ist im Dauerbetrieb verschleißanfällig und (mechanisch mit diesem Nachteil zusammenhängend) erzeugt eine nachteilige Reibung bei Bewegung in der stationären Kerneinheit.
• Schließlich bewirkt die gezeigte, als gattungsbildend bekannt vorausgesetzte Nutengeometrie zur Realisierung der Fluidströmungskanäle noch ein nachteiliges Kippen des Ankers relativ zur umgebenden Führung, so dass auch insoweit Optimierungspotential besteht.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs im Hinblick auf ihre Fertigungseigen schaften, magnetischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern, insbesondere die automatisierte Fertigkeit zu optimieren, die erreichbare magnetische Kraft zu erhöhen, dabei Reibung sowie Verschleiß am Anker zu vermindern.
• Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch die Ankereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird der (einfach oder paarweise vorliegende) im Mantelbereich des langgestreckten Abschnitts des Ankers gebildete, längsnutförmige Fluidführungskanal ersetzt durch eine schräge bzw. geneigt zur Längsachse im langgestreckten Abschnitt des Ankers vorgesehene, bevorzugt in der Art einer Durchgangsbohrung realisierte Kanalstruktur als Durchgangskanal, wobei erfindungsgemäß zumindest eine, bevorzugt die jeweiligen Öffnungen dieses Durchgangskanals außerhalb der zylindrischen Außenwand des langgestreckten Abschnitts ausgebildet sind, mit anderen Worten, so münden, dass sie den für den Luftspalt (unter damit die magnetische Krafterzeugung) wichtigen Außenmantel nicht nachteilig tangieren, ferner damit weniger Reibung und entsprechend weniger Verschleiß dadurch erzeugen, dass die Öffnungsränder nach innen versetzt sind. Auch kann es dadurch, dass die vollflächige Zylinder-Außenfläche unbeeinträchtigt erhalten bleibt, nicht mehr zu nachteiligem, durch die bekannten außenliegenden Schlitze bewirktem Abkippen des Ankers kommen.
• Ein weiterer, für die Fertigung wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt zudem darin, dass bei bevorzugter Realisierung des erfindungsgemäßen Durchgangskanals als Durchgangsbohrung diese beidseits einfach zu entgraten ist, nicht zuletzt als diese, durch ihre Stellung schräg geneigt zur Längsachse durch den Anker, einen einfachen und ungehinderten Werkzeugansatz von beiden Seiten, insbesondere auch im Bereich des ringnutförmigen Abschnitts des Ankers, ermöglicht.
• Damit ermöglicht also das Vorsehen einer (bzw., weiterbildungsgemäß beansprucht, mehrerer, gleichwohl untereinander nicht verbundener) Bohrung(en) im aus massivem Metallmaterial hergestellten Ankerkörper, dass mit günstigen mechanischen, magnetischen und Herstellungseigenschaften eine optimierte Ankereinheit herstellbar ist.
• Weiterbildungsgemäß hat es sich dabei als besonders bevorzugt herausgestellt, zumindest im Bereich der einen Öffnung des Durchgangskanals (bevorzugt: Durchgangsbohrung), bevorzugt auf beiden Seiten, jeweils konusförmige, geeignet geneigte Flächenabschnitte so vorzusehen, dass eine Mittellinie durch eine jeweilige (bevorzugt kreisförmige) Öffnung radial in der Fläche eines solchen konusförmigen Abschnitts liegt und senkrecht zur Längsachse des Durchgangskanals (Durchgangsbohrung) verläuft. In der axialen Schnittansicht durch die Ankereinheit führt dies dann zu einer Flächengeometrie, bei welcher die Längsachse durch den Durchgangskanal typischerweise um einen Winkel von 15° bis 30° zur Längsachse der Ankereinheit geneigt ist, die jeweiligen Öffnungen des Durchgangskanals, bevorzugt rechtwinkelig zu dessen Längsachse, dann Winkel von 75° bis 60° zur Längsachse der Ankereinheit bilden und, weiter bevorzugt, die Ebenen durch beide Öffnungen des Durchgangskanals zueinander parallel verlaufen.
• Zur Optimierung der magnetischen Struktur sind weiterbildungsgemäß diese konusförmigen Flächen (einerseits die im Stirnbereich liegende, konusförmige Fläche, andererseits die konusförmige Fläche, die gleichermaßen eine Wand des langgestreckten, zylindrischen Abschnitts, als auch eine Wand des ringnutförmigen Abschnitts ausbildet) jeweils radial so ausgestaltet, dass die radiale Erstreckung in etwa an den Öffnungs- bzw. Bohrungsdurchmesser angepasst ist.
• Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Vorsehen eines geneigt verlaufenden Durchgangskanals beschränkt, vielmehr liegt es im Rahmen der Erfindung, auch zwei oder mehr, windschief zueinander ausgerichtete und bevorzugt geometrisch-umfangsmäßig und im Umfang verteilt anzuordnende Durchgangskanäle (bevorzugt: Durchgangsbohrungen) vorzusehen. Vorteilhaft sind diese strömungsmäßig voneinander entkoppelt und stehen windschief zueinander.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
• 1: eine seitliche, schematische Schnittansicht der elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform zur Ausbildung eines Pneumatikventils;
• 2: eine Perspektivansicht der Ankereinheit gemäß der Anordnung in 1;
• 3: einen Längsschnitt durch die Ankereinheit gemäß 2;
• 4: einen Längsschnitt analog der Darstellung der 3 einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• 5 bis 7: verschiedene Ansichten mit schematisch gezeigtem Verlauf eines Paares von Durchgangskanälen in einer Ankereinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
• 8, 9: Darstellungen einer aus dem Stand der Technik bekannten Ankereinheit.
• In den 1 bis 3 verdeutlicht das Bezugszeichen 20 eine Ankereinheit, welche prinzipiell denselben technischen Einsatzzweck erfüllt wie die anhand der 8 bzw. 9 beschriebene Vorrichtung aus dem Stand der Technik. Genauer gesagt, verdeutlicht die Schnittansicht der 1 die Anordnung einer solchen Ankereinheit 20 innerhalb einer (als Pneumatikventil realisierten) elektromagnetischen Stellvorrichtung, welche, axial der Ankereinheit gegenüberliegend, einen eine mittige Bohrung 22 aufweisenden Kern 24, eine die Ankereinheit mantelseitig umschließende, eine Wicklung tragende Spuleneinheit 26 sowie einen eine weitere Bohrung 28 aufweisenden Jochabschnitt 30 aufweist. Die beidends stirnseitig aus einem Gummimaterial gebildeten Dichtungselemente 32, 34 aufweisende, auf einem massiven Metallmaterial gebildete Ankereinheit 20 ist gegen die Rückstellkraft einer in einem Ringnutbereich 36 der Ankereinheit 20 wirkenden Spiralfeder 38 zum Verschließen der Bohrung 28 vorgespannt.
• Wie insbesondere die Darstellungen der 2 und 3 erkennen lassen, weist die Ankereinheit 20 einen langgestreckten zylindrischen Abschnitt 40 auf, welcher an den (beidseits konische Wände 42, 44 aufweisenden) Ringnutabschnitt 36 anschließt. Im bodenseitigen Bereich der Ankereinheit anschließend an die Ringnut 36 erweitert sich der Körper der Ankereinheit wiederum zu einem Fußabschnitt 46, welcher dann das Dichtungselement 34 eingebettet trägt.
• Analog zur Wand 44 des ringnutförmigen Abschnittes 36, welcher gleichermaßen den zylindrischen Abschnitt 40 begrenzt und in der Art einer konischen Ringfläche ausgebildet ist, weist der den Fußabschnitt 46 gegenüberliegende Stirnbereich des zylindrischen Abschnittes 40 eine konus förmige Ringfläche 48 im Stirnbereich auf. Wie insbesondere die Schnittansicht der 3 günstig erkennen lässt, ist, aufeinander ausgerichtet, eine querschnittliche Neigung der Flächen 44 bzw. 48 so ausgebildet, dass diese einen Winkel von ca. 60° bezogen auf die Längsachse 50 durch die Ankereinheit abbildet.
• Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich nun eine schräge Durchgangsbohrung 52 von der konusförmigen Ringfläche 48 zur konusförmigen Ringfläche 44, die im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 so ausgestaltet ist, dass eine jeweilige Öffnungsweite der Bohrung 52 der Breite der konusförmigen Ringflächen 48 bzw. 44 entspricht. Auf diese Weise ist gemäß der Erfindung sichergestellt, dass die außenliegende Mantelfläche des zylindrischen Bereiches 40 von der Bohrung 52 unbeeinträchtigt bleibt, mit der vorteilhaften Wirkung, dass im Hinblick auf die elektromechanischen bzw. Bewegungseigenschaften die Ankereinheit einen (durchgehend kleineren, gleichmäßigeren Luftspalt) verbesserten Wirkungsgrad zeigt, gleichzeitig eine Kippneigung, bezogen auf die Achse 50, drastisch vermindert und auch der Verschleiss reduziert werden kann. Gleichzeitig verdeutlicht insbesondere 3 günstige herstellungstechnische Eigenschaften: Sowohl die Positionierung der oberen Öffnung der Bohrung 32 im Bereich der Fläche 48, als auch die Positionierung der unteren (zweiten) Öffnung im Bereich der Fläche 44 in der Ringnut, ermöglichen das einfache Ansetzen von Entgratwerkzeugen, so dass nicht nur die Bohrung 52 mit geringem Aufwand und für die Großserienfertigung günstig hergestellt werden kann, sondern auch das Oberflächenfinish einfach und vollautomatisiert realisiert werden kann.
• Die 1 verdeutlicht die Funktionsweise des Strömungskanals 52 in der gezeigten elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel: Ausgehend von der gezeigten unteren Anschlagsposition (die Richtung 34 verschließt die untere Bohrung 28, während die obere Richtung 32 die obere Bohrung 22 freilegt, so dass ein Fluidstrom von der Bohrung 22 über den Fluidströmungskanal 52 und die Ringnut 36 zu einem Ein- bzw. Auslass 56 gelangen kann) wird durch Bestromung der Spulenvorrichtung 26 die Ankereinheit 20 in eine obere Anschlagsposition versetzt; hier verschließt dann die obere Dichtung 32 die Bohrung 22, während die untere Dichtung 34 die untere Bohrung 28 freigibt, so dass die Fluidströmung von der Bohrung 28 zum Ein- bzw. Auslass 56 ermöglicht ist.
• Die 4 verdeutlicht eine Variante der ersten Ausführungsform gemäß 1 bis 3: Hier weist die gezeigte Ankereinheit 58 einen langgestreckten zylindrischen Abschnitt 60 auf, welcher, bis auf den oberen Stirnbereich, der Darstellung der 3 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht (insoweit bleiben Bezugszeichen mit derselben Ausbildung bzw. Funktionalität erhalten). Lediglich im oberen Stirnbereich zeigt das Ausführungsbeispiel der 4 keinen konusförmig umlaufenden Flächenbereich, sondern ist im Querschnitt rechtwinkelig-absatzförmig. Entsprechend tritt hier die schräge Durchgangsbohrung als Fluidströmungskanal 62 im Bereich des Übergangsbereichs zwischen (planer) Stirnfläche 64 und Mantelfläche des Abschnittes 60 heraus (während sie im gegenüberliegenden Bereich nach wie vor im Bereich einer konischen Ringfläche des Ringnutabschnitts 36 austritt), so dass im oberen stirnseitigen Bereich zwar eine geringfügige, stirnseitige Beeinträchtigung der zylindrischen Außenwand auftritt, diese jedoch, etwa verglichen mit der Ausführungsform aus dem Stand der Technik gemäß 8, 9, praktisch nicht signifikant in Erscheinung tritt und, durch die gegenüber der Ausführungsform der 1 bis 3 verlängerte, d.h. weiter in Richtung der oberen Stirnseite 64 hochgezogene äußere Zylinderwand, andere geometrische bzw. magnetische Vorteile ermöglicht.
• Eine weitere, nicht gezeigte Variante dieser Ausführungsform sieht vor, dass analog 4 die untere Öffnung der Bohrung 62 nach wie vor im Bereich des Ringnutabschnitts 62 austritt, während die gegenüberliegende Öffnung nicht, wie in 4 gezeigt, im Übergangsbereich zwischen Stirnfläche 64 und Mantelfläche 60 liegt, sondern ausschließlich aus der Stirnfläche 64 heraustritt, wiederum also die Mantelfläche 60 unberührt und unbeeinträchtigt lässt. In der Weiterführung des Ausführungsbeispiels der 4 würde dies erreichbar sein, wenn die Bohrung 62 als Fluidströmungskanal stärker gegenüber der Längsachse geneigt ist.
• Die 5 bis 7 verdeutlichen gemäß einer weiteren Ausführungsform, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Strömungskanal nicht lediglich auf eine Durchgangsbohrung beschränkt ist, sondern wie in den verschiedenen Darstellungen der 5 bis 7 gezeigt, etwa auch aus zwei, jeweils zur Mittelachse geneigten, sich in einer ersten Seitenansicht der 6 in der Projektion schneidenden, jedoch voneinander beabstandeten Form (vgl. die um 90° gegenüber der 6 gedrehte Ansicht der 5) beabstandet verlaufen, so dass ein jeweiliger Fluidfluss voneinander getrennt bleibt. Genauer gesagt sind die Öffnungen der beiden gezeigten Durchgangsbohrungen so an den jeweiligen konischen Ringflächen 48 bzw. 44 angeordnet, dass sie je weils eine Ringbreite ausfüllen und, in der gezeigten windschiefen Art, optimal und geometrisch verteilt voneinander beabstandet sind. Es bietet sich eine Anordnung der in 5 bis 7 gezeigten Art (oder gar das Vorsehen noch weiterer, selbst wiederum untereinander entkoppelter Durchgangsbohrungen) etwa für den Fall an, dass aus strömungstechnischen Gründen ein Strömungsvolumen durch den Strömungskanal erhöht werden muss und etwa das Vorsehen der einzigen Durchgangsbohrung der 1 bis 3 dafür nicht ausreicht.
• Die vorliegende Erfindung ist auf die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, so bietet es sich insbesondere auch an, andere geometrische Realisierungsformen, Ausgestaltungen des Fluidströmungskanals (dieser muss nicht notwendigerweise eine Bohrung sein) oder von dessen Öffnungsgeometrien vorzusehen. Auch wenn sich die vorliegende Erfindung besonders günstig zur Realisierung von Hydraulik- bzw. Pneumatikventilen im Fahrzeugbereich handelt, ist auch die erfindungsgemäße Verwendung hierauf nicht beschränkt.

Claims (10)

1. Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer relativ zu einem stationären Kern (24) durch Bestromung einer Spulenvorrichtung (26) entlang einer Längsachse (50) bewegbaren Ankereinheit (20), die zum Ausbilden oder Bestimmen eines Fluidströmungskanals (52; 66, 68) eingerichtet ist, wobei die Ankereinheit einends einen axial langgestreckten, zylindrischen Abschnitt (40) aufweist, an dem sich ein ringnutförmiger Abschnitt (36) verminderten Außendurchmessers in der Richtung der Längsachse anschließt, wobei sich der Fluidströmungskanal (52; 66, 68) in den ringnutförmigen Abschnitt erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass durch den langgestreckten zylindrischen Abschnitt der Fluidströmungskanal in der Art eines schräg zur Längsachse verlaufend ausgerichteten Durchgangskanals, insbesondere Durchgangsbohrung, so verläuft, dass eine stirnseitige erste Öffnung und/oder eine gegenüberliegende zweite Öffnung des Durchgangskanals außerhalb der zylindrischen Außenwand des langgestreckten Abschnitts vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidströmungskanal als Durchgangsbohrung in dem aus einem massiven Metallmaterial gebildeten langgestreckten, zylindrischen Abschnitt ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der langgestreckte, zylindrische Abschnitt in einem stirnseitigen Endbereich eine konus förmig umlaufende Fläche (48), insbesondere Ringfläche, ausbildet, in welcher die erste Öffnung gebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die konusförmige Fläche in einem Winkel zwischen 50° und 80°, insbesondere zwischen 60° und 70°, bezogen auf die Längsachse, geneigt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Breite der konusförmigen Fläche (48) einer Öffnungsweite der ersten Öffnung, insbesondere einem Öffnungsdurchmesser des hohlzylindrischen Durchgangskanals, entspricht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein den langgestreckten zylindrischen Abschnitt begrenzender Wandbereich (44) des ringnutförmigen Abschnitts konusförmig ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandbereich eine radiale Breite aufweist, die der Öffnungsweite der zweiten Öffnung des Durchgangskanals entspricht, insbesondere dem Innendurchmesser des hohlzylindrisch ausgebildeten Durchgangskanals.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidströmungskanal eine Mehrzahl von Durchgangskanälen (66, 68) aufweist, wobei jeweilige Längsachsen der bevorzugt als jeweilige Durchgangsbohrungen ausgebildeten Durchgangskanälen jeweils geneigt zur Längsachse und zueinander windschief verlaufen.
9. Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Realisierung eines pneumatischen Ventils, insbesondere zur Verwendung in und/oder mit Nutzfahrzeugen.
10. Ankereinheit, insbesondere zur Verwendung in einer elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ankereinheit (20) einends einen axial langgestreckten, zylindrischen Abschnitt (40) aufweist, an den sich ein ringnutförmiger Abschnitt (36) verminderten Außendurchmessers anschließt und im Bereich des langgestreckten, zylindrischen Abschnitts ein Fluidströmungskanal (52) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidströmungskanal durch den langgestreckten zylindrischen Abschnitt in der Art eines schräg zu einer Anker-Längsachse (50) verlaufenden Durchgangskanals, insbesondere Durchgangsbohrung, so verläuft, dass eine stirnseitige erste Öffnung sowie eine gegenüberliegende zweite Öffnung des Durchgangskanals jeweils außerhalb der zylindrischen Außenwand des langgestreckten Abschnitts ausgebildet sind.