Als Stellmagnet ausgebildeter Hubmagnet

Abstract

 Ein als Stellmagnet ausgebildeter Hubmagnet, der insbesondere für die Leerlaufregelung von Verbrennungskraftstoffmotoren verwendet wird, weist ein magnetisierbares Jock mit mindestens einem äußeren Polschuh auf, der einen annähernd zylindrischen Anker umfaßt. Um den Anker koaxial zu dem Polschuh zu zentrieren, ist der Anker derart radial magnetisiert, daß die Zylinderwandfläche des Ankers gleichsinnig wie die ihr zugewandte Polfläche des äußeren Polschuhs polarisiert ist. Zur Verstärkung der Zentrierung ist weiter konzentrisch zu dem Außenpolschuh ein Innenpolschuh vorgesehen, der von dem als zylindrische Hülse ausgebildeten Anker umfaßt wird. Diese zylindrische Hülse ist derart radial magnetisiert, daß eine innere Zylinderwandfläche der Hülse gleichsinnig wie die äußere zylindrische Polfläche des Innenpolschuhs polarisiert ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen als Stellmagnet ausgebildeten Hubmagneten, insbesondere für die Leerlaufregelung von Verbrennungskraftstoffmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Derartige Hubmagnete werden eingesetzt, um ein Bypassventil für eine Leerlaufregulierung von Verbrennungskraftstoffmotoren in Kraftfahrzeugen zu betätigen. Hierzu ist es erwünscht, daß der Stellmagnet möglichst proportional einem Stellstrom entgegen der Kraft einer Rückstellfeder positioniert wird, um eine dynamisch möglichst stabile Regelung bei kleiner Regelabweichung zu erzielen. - Ein bekannter Stellmagnet weist eine von einem ferromagnetischen Körper praktisch vollständig umschlossene Spule auf, in deren Längsachse ein koaxial angeordneter ferromagnetischer Anker verschiebbar ist. Der Anker ist mittels einer Schubstange in dem ferromagnetischen Körper gelagert, die durch zwei gegenüberliegende Stirnseiten des Körpers hindurchreicht. In dem Körper ist im Bereich dessen Stirnseite ein Polschuh ausgeformt, der ein Ende des Ankers zumindest teilweise umfaßt. An der gegenüberliegenden Stirnseite befindet sich innen ein kegelstumpfförmiger Polschuh, dem ein ähnlich kegelstumpfförmig geformtes Ende des'Anker gegenübersteht. Durch die inhomogene Feldlinienverteilung im Bereich der Polschuhe, hier insbesondere des kegelstumpfförmigen Polschuhes versucht die Spule, wenn sie mit einem Stellstrom beaufschlagt wird, den Anker in das Spuleninnere auf den kegelstumpfförmigen Polschuh entgegen der Kraft der Rückstellfeder zu ziehen. Der Anker aus ferromagnetischem Material wird hier ausschließlich durch die Spule magnetisiert. Die dadurch hervorgerufene Polarisierung an den Flächen des Ankers, die den Polschuhen gegenüberstehen, ist dabei der Polarsierung der Polschuhflächen entgegengesetzt, so daß sich die Flächenelemente des Polschuhs und des Ankers gegenseitig anziehen. Dies bedeutet, daß im Falle einer nur gering förmigen Exzentrität oder Unsymmetrie, d.h. bei einem etwas ungleichförmigen Abstand der Flächenelemente im Bereich des Luftspalts zwischen dem Polschuh und der zugewandten Fläche des Ankers der Anker radial am stärksten zu der Stelle des Polschuhs hin^gezogen wird, der ihr bereits am nächsten steht. Dies würde - ein genügend großes radiales Spiel vorausgesetzt - bewirken, daß der Anker an dieser Stelle radial an dem Polschuh zur Anlage gelangt. Auch ohne eine so große Toleranz in der Lagerbemessung hat aber die exzentrisch wir-. kende resultierende Magnetkraft eine Lagerreibung zur Folge, die sich in einer mechanischen Hysterese bei einer Verstellung des Ankers äußert. Dadurch ist die Feinfühligkeit der Hubmagnetenbetätigung begrenzt.

[0003] n Man kann daran deken, die Herstellungstoleranzen des Hubmagneten, insbesondere der Lagerung des Ankers, eng zu wählen oder eine besondere Aufhängung des Ankers vorzusehen, die im wesentlichen keine radiale Bewegung zuläßt, um eine größere Exzentrizität und damit resultierende axiale Kraft zu vermeiden. Dies erhöht aber den Herstellungsaufwand und kann - im Falle einer radial weitgehend gefesselten Lagerung des Ankers - zur Folge haben, daß auch dessen Bewegung in Richtung der Längsachse stark begrenzt ist.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen als Stellmagnet ausgebildeten Hubmagneten der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß der Stellmagnet über einen größeren Verstellweg in Richtung der Längsachse feinfühlig und mit geringer mechanischer Hysterese ansteuerbar ist, um sowohl bei steigendem als auch bei fallendem Stellstrom eine möglichst proportionale Wegverstellung zu bewirken.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

[0006] Durch die danach vorgesehene radiale Magnetisierung des Ankers in der Weise, daß die Zylinderwandfläche des Ankers gleichsinnig wie die ihr zugewandte Polfläche des äußeren Polschuhs polarisiert ist, versuchen sich die einander zugewandten Flächenelemente des Ankers und des Polschuhs abzustoßen. Da diese in Richtung auf die Symmetrie-Achse orientierten Kräfte mit wachsender Nähe der gegenüberstehenden Flächenelemente zunehmen, wird durch sie eine zentrierende Kraft auf den Anker ausgeübt. Der Anker bedürfte daher insoweit keiner radialen Führung. Diese braucht im wesentlichen nur noch zur Sicherung der Ausrichtung des Ankers infolge von Massenkräften vorgesehen zu sein. - Vorzugsweise sind der Anker und der Polschuh so ausgebildet, daß eine lange Überdeckung in Richtung der Längsachse erzielt wird. Dies führt zu einer weitgehend-konstanten Kraft über den Hub des Hubmagneten. Die voranstehend als gleichsinnig angegebene Polarisierung der einander zugewandten Flächenelemente der Polfläche und des Ankers stellt sich ein, wenn die Spule des Hubmagneten mit dem Stellstrom beaufschlagt wird. In diesem Falle wird also der Anker mit wachsendem Stellstrom stärker aus dem Bereich der Polflächen herausgedrückt. Ohne Stellstrom wird hingegen die Polfläche durch den dauermagnetischen Anker polarisiert, so daß die einander gegenüberstehenden Flächenelemente sich anziehen. Um die Bewegungsrichtung des Ankers vorzugeben, wenn die Spule mit einem Stellstrom beaufschlagt wird, ist ein Ende des Ankers nicht ganz vollständig von dem Polschuh eingeschlossen.

[0007] Wesentliche Vorteile des voranstehenden Hubmagneten bestehen also darin, daß er ohne nennenswerte Lagerreibung und mechanische Hysterese exakt entsprechend dem Stellstrom positionierbar ist, daß dabei ein verhältnismäßig großer Hub möglich ist, daß sich dieser Hubmagnet ohne aufwendige Lager fertigungsgünstig herstellen läßt.

[0008] Der voranstehend genannte Vorteil einer selbsttätigen Zentrierung des Ankers wird weiter durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 erheblich gefördert. Da der als zylindrische Hülse ausgebildete Anker mit radialer Magnetisierung eine innere Zylinderwandfläche und eine äußere Zylinderwandfläche aufweist, von denen jede mit einem Polschuh zusammenwirkt, kann die zentrierende Kraft annähernd verdoppelt werden. Durch die Zentrierung stellen sich Luftspalte annähernd gleicher Starke über den Umfang gesehen, sowohl zwischen der inneren Zylinderwandfläche der Hülse und der äußeren zylindrischen Polfläche des Innenpolschuhs als auch zwischen der äußeren Zylinderwandfläche der Hülse und der inneren zylindrischen Polfläche des Außenpolschuhs ein.

[0009] Zweckmäßigerweise besteht der Anker aus einem radial magnetisierten Dauermagneten. Dadurch entfällt ein entsprechende Elektromagnet, dessen Herstellung verhältnismäßig aufwendig wäre und der außerdem Hilfsenergie erfordert.

[0010] In Weiterbildung der Hubmagneten ist der als Hülse ausgebildete Anker an einem Ende eines Magnetträgers aus nicht-magnetisierbarem Material, beispielsweise-Aluminium, angebracht. Der Magnetträger ist seinerseits konzentrisch zu dem Außenpolschuh und ggfs. Innenpolschuh gelagert. - Diese Ausbildung ist herstellungsgünstig, da der Magnetträger, dessen Form komplizierter als diejenige des ringförmigen Ankers sein kann, sich fertigungsgünstig aus leichtbearbeitbarem Material herstellen läßt. Insbesondere kann der Magnetträger auch zwei Lager zur axial verschiebbaren Lagerung des Ankers aufnehmen. Diese Lager können vorteilhaft reibungsarm als Kugellager ausgebildet sein, durch die eine Gleitachse hindurchreicht, die koaxial in dem Innenpolschuh befestigt ist. Der Magnetträger kann zum weitgehenden Abschluß der Lagerstel len als stirnseitig nach außen abgeschlossener Zylinder geformt sein.

[0011] Zwei Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand einer Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform mit durchlaufendem äußeren Polschuh in einem Längsschnitt und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit-eingezogenem äußerem Polschuh, ebenfalls im Längsschnitt.

[0012] In Fig. 1 ist mit 1 ein um die Längsachse 2 rotations-symmetrischer Körper bezeichnet, der aus ferromagnetischem Materia besteht. Hierzu kommt insbesondere MagnetreinEisen in Betracht.

[0013] Der Körper 1 umfaßt im wesentlichen einen zylindrischen Innenpolschuh 3, einen annähernd als Hohlzylinder geformten Außenpolschuh 4 sowie einediese Teile verbindendes Joch 5.

[0014] Im Bereich des Jochs 5 ist eine Spule 6 angeordnet.

[0015] Oberhalb der Spule ist ein als Ring geformter Anker 7 verschiebbar. Der Anker besteht aus einem radial dauermagnetisierten Dauermagneten, dessen Polarisierung an der äußeren und inneren Polfläche mit N, bzw. S bezeichnet ist. Der Anker ist als Hülse bzw. als Hohlzylinder geformt. Sein Innendurchmesser ist etwas größer als der Außendurchmesser des Innenpolschuhs 3 und sein Außendurchmesser ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des Außenpolschuhs 4, so daß ringförmige Luftspalte 8 bzw. 9 gebildet werden.

[0016] Der Außenpolschuh weist eine konusförmige Erweiterung 10 auf, die einen oberen Teil 11 des Ankers umgibt.

[0017] An seiner oberen Stirnseite ist der Anker mit einem außen umgekehrt konusförmigen Magnetträger 12 fest verbunden. Der Magnetträger ist innen mit gleichem Durchmesser wie der Anker zylindrisch geformt und weist eine innere Stirnseite 13 auf, die einen Anschlag an einer Stirnseite.14 des Polschuhs bildet. Durch eine Bohrung 15 des Magnetträgers reicht eine in den Innenpolschuh eingelassene Führungsachse 16.

[0018] Wenn die Spule 6 stromlos ist, wird der Körper 1 ausschließlich durch den als Dauermagneten ausgebildeten Anker magnetisiert und es stellt sich eine Polarisierung an dem Außenpolschuh entgegen den in Fig. 1 dargestellten Symbolen ein, so daß die Polarisierungen der einander zugewandten Flächenelemente des Außenpolschuhs und der Zylinderwand des Ankers entgegengesetzt sind. Der Anker wird damit in das Innere des Außenpolschuhs eingezogen, bis die Stirnseite 13 des Magnetträgers auf der Stirnseite 14 des Innenpolschuhs aufliegt.

[0019] Wenn ein Stellstrom in die Spule 6 eingespeist wird, bleibt die Polarisierung des Ankers 7 erhalten, während der Außenpolschuh und der Innenpolschuh die in der Zeichnung angedeuteten Polarisierungen annehmen, die zu denen der zugewandten Flächen des Ankers in dem Sinne gleichgerichtet sind, daß sich die zugewandten Flächen abstoßen. Dadurch wird der Anker zu der Längsachse 2 zentriert. Das heißt, die Luftspalte 8 und 9 stellen sich so ein, daß deren Weite über den Umfang betrachtet konstant ist. Durch diese Ausrichtung ist der Magnetträger gegenüber der Führungsachse 16 unverkantet und wird nicht an die Führungsachse angedrückt. Die Reibung zwischen der Führungsachse und dem Magnetträger ist also minimal. Durch den _Stellstrom und die geschilderte Magnetisierung des Außenpolschuhs wird unter Berücksichtigung der konusförmigen Erweiterung 10 des Außenpolschuhs bewirkt, daß der Anker nach oben aus dem Außenpolschuh herausgedrückt wird. Diese Bewegung ist wegen der Reibungsarmut der Lagerung bzw. Führung mechanisch hysteresefrei, d.h. bei einer Verringerung des Stellstroms bewegt sich der Anker in dem gleichen Maße nach innen, wie er nach einer entsprechenden Stromzunahme nach außen gedrückt wurde.

[0020] Die Ausführungsform nach Fig. 2 arbeitet nach dem gleichen Prinzip und vergleichbaren Polarisierungen wie die Ausführungsform nach Fig. l. Die Ausführungsform 2 weist folgende Besonderheiten auf:

Der Innenpolschuh 17 läuft nach unten in einen scheibenförmigen Boden 18 aus, der mit dem Körper 19 verschraubt werden kann.

[0021] Der Körper 19 besteht im wesentlichen aus einem Hohlzylinder 20 größeren Umfanges und verjüngt sich zu einem Hohlzylinder 21 kleineren Umfanges, der den Außenpolschuh darstellt.

[0022] Der Innenpolschuh 17 und der Körper 19 bestehen aus Magnetreineisen.

[0023] Auf den Innenpolschuh ist ein Spulenkörper 22 mit einer Wicklung 23 aufgebracht.

[0024] Im oberen Bereich des Innenflansches und über diesen abstehend ist ein Anker 24 aus radial magnetisiertem dauermagnetischem Material verschiebbar gelagert. Infolge dieser Konfiguration kann der Anker außen von dem Außenpolschuh 21 vollständig eingeschlossen sein.

[0025] Der Anker 24 wird von einem Magnetträger 25 aus Aluminium getragen. Der Magnetträger ist als Hohlzylinder weitgehend geschlossen ausgebildet. In seinem Innenraume sind zwei in Richtung der Längsachse 26 zueinander beabstandete Lagerbuchsen 27, 28 angeordnet. Durch die Lagerbuchsen reicht eine Führungsachse 29 hindurch, die auch als Gleitachse bezeichnet wird.

[0026] Die Magnetisierungsverhältnisse sind die gleichen wie zu Figur 1 besprochen. Wenn demgemäß die Spule- 22, 23 nicht mit dem Stellstrom beaufschlagt wird, ist der Anker 24 soweit wie möglich in den Innenpolschuh 17 eingezogen, bis die innere Stirnseite 30 des Magnetträgers an der Führungsachse anstößt. Wenn die Spule jedoch mit dem Stellstrom beaufschlagt wird, stellt sich eine solche Magnetisierung des _Außenpol- | schuhs 21 ein, daß der Anker nach oben weggedrückt wird und dabei gleichzeitig von dem Außenpolschuh und dem Innenpolschuh abgestoßen wird, so daß er sich zu der Längsachse 26 zentriert. Es erfolgt also auch hier eine reibungsarme Hubbewegung, die wegen der beiden im Abstand zueinander angeordneten Lager 31, 32 besonders hysteresefrei ist.

Ansprüche

1. Als Stellmagnet ausgebildeter Hubmagnet, insbesondere für die Leerlaufregelung von Verbrennungskraftstoffmotoren, mit einem durch eine Spule magnetisierbaren Joch, das wenigstens einen zylindrischen äußeren Polschuh mit einer innen zylindrischen Polfläche aufweist, sowie mit einem annähernd zylindrischen Anker aus ferromagnetischem Material, der von dem äußeren Polschuh eingeschlossen ist und gegenüber diesem in Längsachsen-Richtung verschiebbar ist,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Anker (7 bzw. 24) derart radial magnetisiert ist, daß die Zylinderwandfläche des Ankers gleichsinnig wie die ihr zugewandte Polfläche des äußeren Polschuhs (4 bzw.21) .polarisiert ist.

2. Hubmagnet nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß das Joch (5 bzw. 18) koaxial zu dem Außenpolschuh (4 bzw. 21) einen Innenpolschuh (3 bzw 17) mit einer außen zylindrischen Polfläche aufweist, daß der .als zylindrische Hülse ausgebildete Anker (7 bzw. 24) koaxial zwischen dem Außenpolschuh (4 bzw. 21) und dem Innenpolschuh (3 bzw. 17) unter Freilassung je eines Luftspalts (8 bzw.9) angeordnet ist und in Längsachsenrichtung (2 bzw. 26) zu dem Außenpolschuh und dem Innenpolschuh verschiebbar ist und daß die zylindrische Hülse derart radial magnetisiert ist, daß eine innere Zylinderwandfläche der Hülse gleichsinnig wie die äußere zylindrische Polfläche des Innenpolschuhs (3 bzw.17) polarisiert ist.

3. Hubmagnet nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekenzeichnet,
daß der Anker (7 bzw. 24) aus einem Dauermagneten bestent.

4. Hubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der als Hülse ausgebildete Anker (3 bzw. 24) an einem Ende eines Magnetträgers (12 bzw. 25) aus nicht magnetisierbarem Material angebracht ist, der konzentrisch zu dem Außenpolschuh (4 bzw. 21) und ggfs. Innenpolschuh (3 bzw. 17) gelagert ist.

Zeichnung