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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Schaltventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Schnell schaltende Magnetventile zum Einsatz im automobiles Bereich sind vom Markt bekannt. Dort werden unter anderem hohe Arbeitsfrequenzen sowie kurze Ein- und Ausschaltzeiten gefordert. Dazu wird üblicherweise ein Aufbau von elektromagnetischen Schaltventilen mit jeweils einem Anker und einem Ankergegenstück mit ebenen Polflächen realisiert. Solche Schaltventile weisen zwei Endstellungen auf, wobei der Verbund aus Anker und einem ihm zugeordneten Ventilelement mit einer vergleichsweisen hohen Anschlaggeschwindigkeit gegen eine solche Endstellung auftrifft. Dies ist mit einer entsprechend hohen mechanischen Beanspruchung sowie der Entstehung von Schaltgeräuschen verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein elektromagnetisches Schaltventil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Das erfindungsgemäße elektromagnetische Schaltventil weist den Vorteil einer geringeren Anschlaggeschwindigkeit auf. Dadurch ergeben sich Vorteile bezüglich der Geräuschentwicklung und der mechanischen Dauerfestigkeit. Zudem wird die Anzugs- und Abfallverzögerung in der Summe vermindert und das Schaltverhalten somit verbessert.
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Elektromagnetische Ventile umfassen wenigstens zwei Gruppen: Erstens die so genannten Proportional-Ventile, bei denen mittels elektromagnetischer Betätigung ein Durchlassquerschnitt des Ventils stufenlos oder in kleinen Stufen veränderbar ist. Zweitens die so genannten Schaltventile, bei welchen ein Ventilelement bzw. ein Anker mindestens zwei diskrete Positionen, meist Endlagen einnehmen kann. Bedingt durch die grundsätzlich verschiedenen Aufgaben sind auch die Anforderungen an die jeweiligen Funktionselemente sehr unterschiedlich. Bei Schaltventilen wird zum einen eine kurze Schaltzeit gefordert und zum andern soll das Auftreffen des Ventilelements bzw. des Ankers an einem Anschlag möglichst gedämpft erfolgen, so dass die Dauerfestigkeit des Schaltventils nicht leidet und die Geräuschentwicklung minimiert wird. Die Anforderungen an die Schaltzeit einerseits und das Anschlagverhalten andererseits sind im allgemeinen gegensätzlich.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, die Geometrie des Ankers und seines Ankergegenstücks anzupassen. Dazu weisen der Anker und/oder das Ankergegenstück einen Übergreifabschnitt auf. Damit wird erreicht, dass, wenn der Abstand zwischen dem Anker und dem Ankergegenstück einen bestimmten Wert unterschreitet, das eine das jeweils andere Teil axial übergreifen kann. Dabei kann der Anker über das Ankergegenstück greifen oder das Ankergegenstück kann über den Anker greifen. Auch Mischformen mit nahezu beliebigen Konturen des Übergreifabschnitts sind möglich. Als Folge weist der magnetische Fluss im Anker, im Ankergegenstück und in einem zwischen diesen gebildeten Volumen in fast jeder Phase der Ankerstellung eine radiale Komponente auf. Diese hängt von den Geometrien der beteiligten Elemente und von der Magnetisierungskennlinie der verwendeten ferromagnetischen Materialien ab, und auch von der aktuellen Relativlage von Anker und Ankergegenstück.
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Zum einen bewirkt der Übergreifabschnitt, dass dann, wenn der Anker aus seiner dem Ankergegenstück entfernten ersten Endlage in Richtung des Ankergegenstücks beschleunigt wird, schon vergleichsweise früh eine merkliche axiale Komponente des magnetischen Flusses auftritt. Diese axiale Komponente des magnetischen Flusses kann den Anker mit einer Kraft in Richtung des Ankergegenstücks beaufschlagen. Der Anker läuft damit bei einer Bestromung vergleichsweise früh los, was die Schaltzeit verkürzt. Dagegen heben sich die durch die radiale Komponente des magnetischen Flusses verursachten Kräfte bei einer vorausgesetzten radialen Symmetrie des elektromagnetischen Schaltventils allseitig auf. Zum anderen wirkt sich der Übergreifabschnitt besonders aus, wenn der Anker in die Nähe des Ankergegenstücks und damit seiner zweiten Endlage kommt. Dabei wird die radiale Komponente des magnetischen Flusses zunehmend stärker und entsprechend vermindert sich dessen axiale Komponente. Daraus folgt, dass der Anker in der Nähe der zweiten Endlage nicht mehr so stark beschleunigt wird, und mit einer entsprechend verminderten Anschlaggeschwindigkeit an einem Anschlag beziehungsweise dem Ankergegenstück auftrifft.
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Das elektromagnetische Schaltventil arbeitet besser, wenn die Übergreifabschnitte des Ankers und des Ankergegenstücks mindestens teilweise zueinander invers beziehungsweise komplementär geformt sind. Damit können die Eigenschaften des Übergreifabschnitts vorteilhaft auf den Anker und das Ankergegenstück aufgeteilt werden.
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Eine Ausgestaltung des elektromagnetischen Schaltventils sieht vor, dass der Übergreifabschnitt mindestens an einem Teil mindestens eine vorzugsweise umlaufende Stufe oder mindestens einen vorzugsweise umlaufenden und sich axial erstreckenden Steg umfasst. Eine solche Geometrie ist besonders einfach und genau herstellbar. Dadurch wird das elektromagnetische Schaltventil verbilligt.
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Die Erfindung ist besonders vielseitig anzuwenden, wenn der Steg in axialer Richtung eine veränderliche Dicke aufweist. Auf diese Weise kann der magnetische Fluss über einen weiten axialen Bewegungsbereich des Ankers vielfältig verändert werden. Somit kann durch eine entsprechende Geometrie der Übergreifabschnitte von Anker und Ankergegenstück eine jeweilige Aufgabe des elektromagnetischen Schaltventils besonders gut erfüllt werden.
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Ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Übergreifabschnitt mindestens bereichsweise zu einer axialen Richtung des Ankers schräg beziehungsweise konisch ist. Dadurch kann der magnetische Fluss in dem aus dem Anker und dem Ankergegenstück gebildeten magnetischen Kreis gleichmäßiger geführt werden. Insbesondere werden hohe lokale Flussdichten vermieden. Ebenso verläuft die Änderung des magnetischen Flusses bei einer axialen Ankerbewegung gleichmäßiger.
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Ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Anker und das Ankergegenstück eine im Wesentlichen radiale Symmetrie aufweisen. Eine solche Geometrie ist nicht nur besonders geeignet zum Aufbau eines elektromagnetischen Schaltventils, sondern ermöglicht es auch, dass die durch die radialen Komponenten des magnetischen Flusses bewirkten Kräfte ebenfalls radial von allen Seiten auf den Anker bzw. das Ankergegenstück einwirken und sich somit kompensieren. Auf diese Weise werden vorteilhaft unerwünschte radiale Kräfte vermieden.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen Schnitt durch einen Bereich einer ersten Ausführungsform eines elektromagnetischen Schaltventils;
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2 ein Diagramm einer Ankerbewegung über der Zeit;
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3 ein Diagramm einer Ankerkraft über einem Spalt;
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4 einen Schnitt durch einen Bereich einer zweiten Ausführungsform des elektromagnetischen Schaltventils;
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5 eine Darstellung ähnlich zu 4 einer dritten Ausführungsform des elektromagnetischen Schaltventils;
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6 eine Darstellung ähnlich zu 4 einer vierten Ausführungsform des elektromagnetischen Schaltventils; und
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7 eine Darstellung ähnlich zu 4 einer fünften Ausführungsform des elektromagnetischen Schaltventils.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein vereinfachtes Schema eines Bereichs eines elektromagnetischen Schaltventils 10. Dargestellt sind ein Gehäuseabschnitt 12, welcher im unteren Bereich der Zeichnung ein Ankergegenstück 14 umfasst, ein beweglicher Anker 16, ein mit dem Anker 16 starr verbundenes Ventilelement 18, eine Magnetspule 20 sowie eine Symmetrielinie 22. Vorliegend sind die Elemente des elektromagnetischen Schaltventils 10 radial symmetrisch um die Symmetrielinie 22 geformt (”Topfmagnet”). Die Zeichnung der 1 gibt nur die eine Hälfte einer Schnittdarstellung wieder. In der gezeigten axialen Stellung des Ankers 16 ist zwischen dem Anker 16 und dem Ankergegenstück 14 ein Spalt 24 ausgebildet. Ein zweiter Spalt 25 (links in der Zeichnung) ergänzt den magnetischen Kreis und ist nur der Vollständigkeit halber dargestellt. Der Anker 16 befindet sich in seiner ersten und von dem Ankergegenstück 14 entfernten Endlage.
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Man erkennt, dass am Ankergegenstück 14 ein Übergreifabschnitt 26 in Form eines radial umlaufenden Steges 27 gebildet ist. Der Steg 27 erstreckt sich in axialer Richtung und bildet vorliegend eine Stufenform. Der stirnseitige Abschnitt des Ankergegenstücks 14 weist entsprechend eine hohlzylindrische Form auf. Ein Abstand 28 zwischen dem Steg 27 und dem Anker 16 ist kleiner als der Spalt 24. Dadurch wird der magnetische Fluss mittels des Stegs 27 bereits in der ersten Endlage dichter an den Anker 16 heran geführt, wobei der magnetische Fluss eine radiale und eine axiale Komponente aufweist (nicht dargestellt). Die axiale Komponente ist – im Vergleich zu einer Ausführung ohne den Übergreifabschnitt 26 bzw. den Steg 27 – beträchtlich, so dass bei einer Bestromung der Magnetspule 20 eine vergleichsweise große Kraft auf den Anker in der Zeichnung nach rechts wirken kann. Dadurch erfährt der Anker 16 eine entsprechend frühzeitige Beschleunigung in Richtung auf das Ankergegenstück 14. Die axiale Bewegung des Ankers 16 wird durch einen Doppelpfeil 30 veranschaulicht.
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Wenn sich bei einer Bestromung der Magnetspule 20 der Abstand 28 bzw. der Spalt 24 stetig verkleinert, dann kann die radiale Komponente des magnetischen Flusses im Vergleich zu der axialen Komponente stärker zunehmen. Dadurch wird ein Teil des magnetischen Flusses sozusagen durch einen magnetischen Nebenschluss radial umgelenkt und schwächt die axiale Komponente entsprechend. Auf diese Weise wird auch die auf den Anker 16 einwirkende axiale Kraft vermindert. Dadurch wird die Aufschlaggeschwindigkeit reduziert und die Geräuschentwicklung gedämpft.
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Weiterhin ist zu erkennen, dass die Geometrie des Übergreifabschnitts 26 so gewählt ist, dass der Anker 16 in seiner zweiten, dem Ankergegenstück 14 benachbarten Endlage einen sehr kleinen Spalt 24 ausbilden kann, wobei der magnetische Kreis im Wesentlichen geschlossen ist (nicht dargestellt). Durch den kleinen und im Idealfall verschwindend kleinen Spalt 24 kann also eine genügende magnetische Kraft in der Endlage bereit gestellt werden. Wenn der Strom durch die Magnetspule 20 abgeschaltet wird, dann kann wegen des Übergreifabschnitts 26 die bestehende Magnetkraft schneller abgebaut werden. Dadurch kann der Anker 16 durch eine (nicht dargestellte) Feder in Richtung der in der 1 gezeigten ersten Endlage schneller beschleunigt werden, so dass die Abfallzeit des elektromagnetischen Schaltventils entsprechend kleiner ist.
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2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Ankerbewegung. Dargestellt ist ein Koordinatensystem mit einer Zeitachse ”t” als Abszisse, und einem Ankerhub 31 auf der Ordinate. Ein Ankerhub 31 von null entspricht der ersten Endlage des Ankers 16. Eine gestrichelte Kurve 32 charakterisiert eine Ankerbewegung nach dem Stand der Technik. Eine durchgezogene Kurve 34 charakterisiert eine Ankerbewegung des erfindungsgemäßen Schaltventils 10. Eine Strecke 36 kennzeichnet einen zeitlichen Bereich einer Ansteuerung der Magnetspule 20. Eine Strecke 38 kennzeichnet eine Anzugszeit des Ankers 16. Eine Strecke 40 kennzeichnet eine Abfallzeit des Ankers 16.
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Mit Beginn der Ansteuerung findet aufgrund elektrischer und mechanischer Effekte zunächst noch keine Bewegung des Ankers 16 statt. Dies ist erst ab einem Zeitpunkt 42 der Fall, wobei der Anker 16 des elektromagnetischen Schaltventils 10 beschleunigt. In etwa zu dem Zeitpunkt 43, an welchem der Anker 16 seine zweite Endlage erreicht, wird die Bestromung der Magnetspule 20 abgeschaltet. Der Anschlag an der zweiten Endlage kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Anker 16 auf das Ankergegenstück 14 aufprallt. Ausgehend vom Aufprall des Ankers 16 an seinem Anschlag bleibt der Anker 16 eine Zeitlang in dieser Stellung, obwohl die Ansteuerung der Magnetspule 20 abgeschaltet wurde. Erst zu einem Zeitpunkt 44 beginnt der Anker sichtbar abzufallen. Der Anker 16 fällt wieder auf seine erste Endlage (Ruhesitz) zurück.
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Man erkennt, dass zu Beginn der Ankerbewegung im Zeitpunkt 42 die erfindungsgemäße Ausführung im Vergleich zum Stand der Technik schneller beschleunigt, aber vor dem Erreichen des Ankeranschlags die Geschwindigkeit abnimmt. Entsprechend ist die Aufschlaggeschwindigkeit des Ankers 16 geringer. Beim Abfallen des Ankers 16 zu dem Zeitpunkt 44 ist der Unterschied zum Stand der Technik sogar größer. Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht also einen frühzeitigen Abfall des Ankers 16, ohne diesen stärker zu beschleunigen. Das bedeutet, dass das elektromagnetische Schaltventil 10 wegen der erkennbar kleineren Verzugszeit insgesamt schneller abfällt, ohne dass die Aufschlaggeschwindigkeit bei einem Rückprallen des Ankers 16 auf seinen Ruhesitz größer würde.
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3 zeigt eine Kennlinie einer axialen Magnetkraft F aufgetragen über einem Abstand δ. Der Abstand δ entspricht im Wesentlichen dem Spalt 24 aus der 1. Die Koordinaten der Kennlinie von 3 sind nicht skaliert und geben lediglich einen allgemeinen qualitativen Zusammenhang wieder. Es ergibt sich, dass die magnetische Kraft F näherungsweise umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands δ ist. Im Detail ist der dargestellte Verlauf der Kennlinie merklich abhängig vom Vorhandensein bzw. der Ausgestaltung des Übergreifabschnitts 26. Dies ist in der 3 jedoch nicht näher erläutert.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Ankers 16 und des Ankergegenstücks 14. Vorliegend weisen der Anker 16 eine Stufe 48 und das Ankergegenstück 14 eine Stufe 50 auf. Dabei sind die Stufen 48 und 50 im Wesentlichen zueinander invers beziehungsweise komplementär geformt. Der Übergreifabschnitt 26 bildet sich aus dem Zusammenwirken der beiden Stufen 48 und 50. Ähnlich zur 1 ist die Ausführung nach der 4 rotationssymmetrisch um eine Symmetrielinie 22 angeordnet. Ein Gehäuseabschnitt 12 oder ein Ventilelement 18 sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schaltventils 10. Vorliegend weisen in der dargestellten Schnittansicht der Anker 16 eine Schräge 52, und das Ankergegenstück 14 eine Schräge 54 auf. Die Schrägen 52 und 54 bilden zusammen den Übergreifabschnitt 26. Eine Symmetrielinie 22 kennzeichnet ebenfalls eine Rotationsachse der Anordnung. Damit führen die Schrägen 52 und 54 in der rotationssymmetrischen Ausführung zu einer insgesamt konischen Geometrie.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schaltventils 10. Vorliegend ist der Anker 16 flach ausgeführt nach dem Stand der Technik. Das Ankergegenstück 14 weist dagegen einen Steg 56 auf, welcher radial außen abgeschrägt ist. Der magnetisch wirksame Querschnitt des Steges 56 wird also in Richtung des Ankers 16 kleiner. Im Verlauf einer Annäherung des Ankers 16 an das Ankergegenstück 14 setzt die magnetische Wirkung des Übergreifabschnitts 26 daher vergleichsweise sanft ein.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schaltventils 10. Vorliegend weisen der Anker 16 und das Ankergegenstück 14 Stege 58.1, 58.2 und 58.3 beziehungsweise Ausnehmungen 60.1 und 60.2 auf. Dabei sind die stirnseitigen Abschnitte des Ankers 16 und des Ankergegenstücks 14 so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen zueinander invers beziehungsweise komplementär geformt sind. Insbesondere kann der Steg 58.1 des Ankers 16 in die Ausnehmung 60.2 des Ankergegenstücks 14 eintauchen. Entsprechend der vorliegend vergleichsweise komplizierten Geometrie kann der Übergreifabschnitt 26 besonders differenziert wirken. Ebenfalls ist die 7 rotationssymmetrisch um eine Symmetrielinie 22 ausgeführt.
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Es versteht sich, dass die vorliegenden 1 bis 7 lediglich Beispiele zur Darstellung eines Übergreifabschnitts 26 zwischen einem Anker 16 und einem Ankergegenstück 14 sind. Daraus sind weitere Möglichkeiten auf eine einfache Weise ableitbar oder zu kombinieren, um die Geometrie des Ankers 16 und des Ankergegenstücks 14 vielfältig auszuführen.