Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten zur Erzeugung ei- ner linearen Bewegung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einen gattungsgemäßen Elektromagneten beschreibt die EP 1288 481 B1, wonach eine Ankerbaugruppe einen Hauptanker und eine Ankerplatte aufweist, wobei im unbestromten Zustand einer Er- regerspule des Elektromagneten die Ankerplatte vom Hauptanker unter Ausbildung eines Luftspaltes beabstandet gelagert ist. Die Ankerplatte ist mit einer in einem Magnetkern verschiebbar gelagerten Hülse verbunden. Die Ankerplatte wird von dieser Hülse im unbestromten Zustand der Erregerspule in einer An- fangsstellung gehalten, so dass bei einer Strombeaufschlagung der Erregerspule zunächst der Hauptanker unter Überwindung des Luftspalts zur Ankerplatte bewegt wird und anschließend der Hauptanker mit anliegender Ankerplatte, also die gesamte An- kerbaugruppe zusammen mit der Hülse in Richtung des Magnet- kerns bewegt wird.

Bei diesem bekannten Elektromagneten ist ein Ventilstellglied ausgehend von dem Hauptanker durch die Hülse geführt und wirkt mit einem Abgasrückführventil zusammen, welches ein in einem Ventilgehäuse angeordnetes Ventilschließglied aufweist, wel- ches seinerseits mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Eine an dem Ventilgehäuse sich abstützende Rückstellfeder ist gegen- über einem Kopplungsstück vorgespannt, welches die Hülse des Elektromagneten mit dem Ventilschließglied verbindet. Damit wirkt die Rückstellfeder auf das Kopplungsstück, auf die Hül- se, auf das Ventilschließglied und das Ventilstellglied, die dadurch in die Ausgangsstellung zurück bewegt werden. Somit wirkt bei diesem bekannten Elektromagneten dessen Ven- tilstellglied nicht direkt mit dem Ventilschließglied des Ab- gasrückführventils zusammen, sondern indirekt über die Hülse und das Kopplungsstück, welches mit der Rückstellfeder einen elastischen Kraftschluss bildet. Diese hohe Anzahl von Kompo- nenten ist nachteilig und führt zu hohen Herstellkosten.

Ferner ist es bekannt, Proportionalmagnete oder mittels Elekt- romagneten angetriebene Proportionalventile mit einer Ausfall- sicherungsfunktion (Failsafe-Funktion) auszustatten, um im Fall einer Fehlfunktion, insbesondere bei einem Stromausfall einen Notbetrieb sicherzustellen, bei welchem der Ankerstößel in eine definierte Stellung gebracht wird oder eine vordefi- nierte Kraft erzeugt wird, um bspw. bei einem Ventil eine de- finierte Durchströmung einzustellen oder eine Durchströmung zu unterbrechen. So wird zur Realisierung einer solchen Ausfall- sicherungsfunktion eine vorgespannte Feder als sogenannte Failsafe-Feder eingesetzt, gegen die der elektromagnetische Antrieb anarbeiten muss und daher in nachteiliger Weise zu ei- nem hohen Energieverbrauch führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbes- serten Elektromagneten der eingangs genannten Art mit einem einfachen Aufbau anzugeben, welcher insbesondere eine Ausfall- sicherungsfunktion aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromagneten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein solcher Elektromagnet zur Erzeugung einer linearen Bewe- gung umfasst:

- ein hohlzylindrisches Gehäuse,

- eine in dem Gehäuse angeordnete Erregerspule, - ein gegenüber dem Gehäuse feststehender Polkern, und

- eine in der Erregerspule zentrisch gelagerte Ankerbaugruppe mit einem gegenüber dem Gehäuse verschiebbaren Hauptanker und einer gegenüber dem Gehäuse verschiebbaren Ankerscheibe, wobei

- im unbestromten Zustand der Erregerspule zwischen dem Haupt- anker und der Ankerscheibe ein Luftspalt ausgebildet ist und im bestromten Zustand der Erregerspule der Hauptanker und die Ankerscheibe aneinander anliegen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ankerbaugruppe ein elastisches Element aufweist, mit dessen Vorspannkraft im bestromten Zustand der Erregerspule ein elastischer Kraft- schluss zwischen dem Hauptanker und der Ankerscheibe derart herstellbar ist, dass bei einem Unterschreiten der Vorspann- kraft durch eine von der bestromten Erregerspule in der Anker- baugruppe bewirkten Magnetkraft die Ankerscheibe unter Erzeu- gung des Luftspalts gegen den Polkern bewegbar ist.

Durch die Integration eines vorzugsweise als Failsafe-Feder ausgebildeten elastischen Elements in die Ankerbaugruppe ist es möglich, dass mit der Bestromung der Erregerspule, insbe- sondere mit einer kurzzeitigen und hohen Strombeaufschlagung sich die Ankerscheibe und der Hauptanker unter Überwindung ei- nes Luftspalts gegenseitig anziehen, wodurch die Failsafe- Feder gespannt und somit im Vergleich der Vorspannkraft im un- bestromten Zustand der Erregerspule eine etwas höhere Vor- spannkraft als elastischer Kraftschluss erzeugt wird. Erst wenn die Stromstärke unter einen minimalen Wert sinkt, bei welchem die mit der Bestromung der Erregerspule in der Anker- baugruppe erzeugte Magnetkraft unter die Vorspannkraft der Failsafe-Feder sinkt, wird die Ankerscheibe aufgrund der Vor- spannkraft unter Ausbildung des Luftspalts gegen den Polkern bewegt. Befindet sich in dieser Konstellation der Hauptanker nicht in seiner Ruhestellung, wird auch dieser in diese Ruhe- stellung bewegt.

Der Vorteil einer solchen Anordnung einer 2-teiligen Ankerbau- gruppe mit integrierter Failsafe-Feder besteht darin, dass der Zustand der an dem Hauptanker anliegenden Ankerscheibe mit ei- ner solchen Stromstärke stabil haltbar ist, die im Vergleich zu derjenigen Stromstärke, um die Failsafe-Feder unter Über- windung des Luftspaltes vorzuspannen, kleiner ist. Die Ursache hierfür ist in dem durch den Luftspalt erzeugten magnetischen Widerstand zu sehen, welcher mit einer höheren Stromstärke zu überwinden ist, um anschließend, also bei an dem an dem Haupt- anker anliegenden Ankerscheibe, die Magnetkraft in der Anker- baugruppe in einem weiten Strombereich zwischen den genannten Stromstärken zu variieren. Damit wirkt bei an dem Hauptanker anliegenden Ankerscheibe die Ankerbaugruppe wie ein einteili- ger Anker. Damit lässt sich der erfindungsgemäße Elektromagnet als Aktuator energieeffizient Betreiben.

Vorzugsweise ist das elastische Element derart ausgebildet, dass bei einer unbestromten Erregerspule mittels des elasti- schen Elementes eine definierte Vorspannkraft erzeugbar ist, wenn die Ankerscheibe unter Ausbildung des Luftspaltes an den Polkern anliegt.

Damit wirkt bei einer unbestromten Erregerspule, bspw. bei ei- nem Ausfall der Stromversorgung des Elektromagneten nur das elastische Element mit einer definierten Federvorspannung und einer definierten Federrate über die an dem Polkern anliegen- den Ankerscheibe nach außen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass - die Ankerscheibe einen Führungsbolzen aufweist, - der Hauptanker eine Sacklochbohrung zur verschieblichen Auf- nahme des Führungsbolzens aufweist, und

- das elastische Element in der Sacklochbohrung angeordnet ist, welches sich einerseits gegen einen Bohrungsgrund der Sacklochbohrung und andererseits gegen den Führungsbolzen ab- stützt.

Eine solche Ankerbaugruppe stellt einen einfachen mechanischen Aufbau dar, der kostengünstig realisierbar und äußerst funkti- onssicher ist.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer weiteren bevor- zugten Ausgestaltung der Erfindung der Polkern eine Führungs- buchse zur verschieblichen Aufnahme eines Ankerstößels auf- weist und der Ankerstößel kraftschlüssig mit der Ankerscheibe verbunden ist. Somit wird eine Ankerbaugruppe, einschließlich eines Ankerstößels mit nur wenigen Komponenten geschaffen.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass der Hauptanker verschiebbar in einem topfförmigen Flussleitrohr mit einem Bo- den angeordnet ist. Dies reduziert die Montagekomplexität des Elektromagneten.

Schließlich ist das elastische Element durch eine Druckfeder kostengünstig realisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführ- lich beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Elektro- magneten gemäß der Erfindung in einem unbestromten Zustand, Figur 2 eine schematische Darstellung des Elektromagneten ge- mäß Figur 1 in einem bestromten Zustand, und

Figur 3 ein Hub-Kraft-Diagramm zur Erläuterung der Funktions- weise des Elektromagneten gemäß den Figuren 1 und 2.

Der als Aktuator einsetzbare Elektromagnet 1 gemäß den Figuren 1 und 2 ist als Proportionalmagnet ausgeführt und umfasst fol- gende Komponenten:

- ein hohlzylindrisches Gehäuse 2 mit einer topfförmigen Geo- metrie,

- eine in dem Gehäuse 2 angeordnete Erregerspule 3,

- eine zentrisch bzgl. der Erregerspule 3 in einem topfförmi- gen Flussleitrohr 6 angeordnete Ankerbaugruppe 5, die einen gegenüber dem Flussleitrohr 6 und damit auch gegenüber dem Ge- häuse 2 verschiebbaren Hauptanker 5.1 aus magnetischem Materi- al und eine gegenüber dem Hauptanker 5.1 verschiebbare Anker- scheibe 5.2 aus magnetischem Material umfasst, wobei die An- kerscheibe 5.2 zentrisch mit einem nicht magnetischen Füh- rungsbolzen 5.20 verbunden ist, welcher verschiebbar in eine Sacklochbohrung 5.10 des Hauptankers 5.1 ragt,

- ein als Druckfeder 5.40 ausgeführtes elastisches Element 5.4, welches als Failsafe-Feder in der Sacklochbohrung 5.10 angeordnet ist, wobei sich die Druckfeder 5.40 einerseits an dem Bohrungsgrund 5.11 der Sacklochbohrung 5.10 und anderer- seits an dem Führungsbolzen 5.20 der Ankerscheibe 5.2 ab- stützt,

- eine Rückschlussplatte 7, mit welcher das Flussleitrohr 6 im Bereich von dessen Boden 6.1 zentrisch in dem Gehäuse 2 gehal- ten wird, wobei der Durchmesser der Rückschlussplatte 7 dem Innendurchmesser des Gehäuses 2 entspricht,

- ein mit dem Gehäuse 2 kraftschlüssig oder formschlüssig ver- bundener Polkern 4 mit einer zentrisch angeordneten Führungs- buchse 4.1, durch die ein schematisch dargestellter Ankerstö- ßel 5.5 geführt und mit der Ankerscheibe 5.2 kraftschlüssig verbunden ist, wobei der Ankerstößel 5.5 als Stellglied zur Betätigung eines Stellgliedes, bspw. eines Ventils dient,

- eine auf dem Boden 6.1 des Flussleitrohrs 6 angeordnete An- tiklebscheibe 8.1, und

- eine zwischen der Führungsbuchse 4.1 des Polkerns 4 und der Ankerscheibe 5.2 angeordnete weitere Antiklebscheibe 8.2.

Bei dem Elektromagneten 1 gemäß den Figuren 1 und 2 kann der Ankerstößel 5.5 entfallen, wenn die Stellkraft des Elektromag- neten 1 direkt an der Ankerscheibe 5.2 oder dem Führungsbolzen 5.20 abgenommen wird.

Weitere Details des Elektromagneten 1, wie bspw. elektrische Anschlussleitungen für die Erregerspule 3 sind der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Auch eine Folienla- gerung des Hauptankers 5.1 und der Ankerscheibe 5.2 in dem Flussleitrohr 6 mittels einer Gleitfolie ist in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt.

Die Figuren 1 und 2 zeigen den Elektromagneten 1 in jeweils unterschiedlichen Betriebszuständen, die nachfolgend erläutert werden.

Ein unbestromter Zustand des Elektromagneten 1 ist in Figur 1 dargestellt. In diesem Zustand wirkt kein Magnetfeld in der Ankerbaugruppe 5, sondern lediglich eine Vorspannkraft mit ei- nem ersten Wert F _Feder,1 der in der Sacklochbohrung 5.10 angeord- neten und vorgespannten Druckfeder 5.40. Aufgrund dieser Vor- spannkraft F _Feder,1 wird die Ankerscheibe 5.2 unter Ausbildung eines Luftspaltes 5.3 zwischen derselben und dem Hauptanker 5.1 an die an der Führungsbuchse 4.1 des Polkerns 4 anliegen- den Antiklebscheibe 8.2 gegen eine auf den Ankerstößel 5.5 wirkende äußere Kraft F _außen gedrückt. Der Hauptanker 5.1 befin- det sich in diesem unbestromten Zustand in einer Ruhestellung I, in welchem der Hauptanker 5.1 über die Antiklebscheibe 8.1 am Boden 6.1 des Flussleitrohrs 6 anliegt.

In dieser Position wird die Ankerscheibe 5.2 durch die vorge- spannte Druckfeder 5.40 an den Polkern 4 gegen die äußere Kraft F _außen gedrückt und damit eine Ausfallsicherungsfunktion (Failsafe-Funktion) realisiert, d. h. der Ventilstößel 5.5 wird in eine definierte Position als Notfallposition entspre- chend der Figur 1 gebracht. Hierbei wirkt die Druckfeder 5.40 allein mit ihrer definierten Federvorspannung und definierten Federrate.

Durch eine Strombeaufschlagung, bspw. ausgeführt als Impuls- bestromung mit einem hohen Stromwert I _max entsteht ein in Figur 2 dargestellter Magnetkreis M, so dass sich der Hauptanker 5.1 und die Ankerscheibe 5.2 mit einer Magnetkraft F _M gegenseitig anziehen, bis die Ankerscheibe 5.2 und der Hauptanker 5.1 un- ter Überwindung des Luftspaltes 5.3 gegen die Vorspannkraft der Druckfeder 5.40 vollständig aneinander liegen, wobei die Vorspannkraft der Druckfeder 5.40 sich auf einen zweiten Wert F _Feder,2 erhöht. Damit ist die Failsafe-Funktion abgeschaltet bzw. „überbrückt".

Liegen die Ankerscheibe 5.2 und der Hauptanker 5.1 ohne Luft- spalt aneinander, genügt ein gegenüber dem Stromwert I _max klei- nerer Stromwert I (I ≤ I _max ) um die als Failsafe-Feder wirkende Druckfeder 5.40 im gespannten Zustand bei an dem Hauptanker 5.1 anliegenden Ankerscheibe 5.2 zu halten. In diesem Zustand wirkt der Hauptanker 5.1 mit der anliegenden Ankerscheibe 5.2 wie ein einteiliger Anker, an welchem eine Magnetkraft F _Magnet angreift. In Abhängigkeit der Differenz des Wertes dieser Mag- netkraft F _Magnet und der gegen diese Magnetkraft F _Magnet gerichte- ten äußeren Kraft F _außen wird die Ankergruppe 5 ausgehend von der Ruhestellung I des Hauptankers 5.1 in Richtung des Pol- kerns 4 bewegt.

Der Wert dieser Magnetkraft F _Magnet ist in einem weiten Strombe- reich zwischen dem Stromwert I _max und einem minimalen Stromwert Imin variierbar, wie dies in Figur 3 dargestellt ist.

Der Parameter der in dem Hub-Kraft-Diagramm dargestellten Kur- venschar ist der Strom I der Erregerspule 3. Daraus ist er- kennbar, dass die Failsafe-Funktion abgeschaltet bleibt, so- lange der Strom I der Erregerspule einen Wert zwischen I _max und I _min einnimmt.

Sinkt der Stromwert I unter den minimalen Stromwert I _min (I < I _min ), sinkt die zwischen dem Hauptanker 5.1 und der anliegen- den Ankerscheibe 5.2 wirkende Magnetkraft F _M unter den zweiten Wert F _Feder,2 der Vorspannkraft der Druckfeder 5.40, wodurch der Hauptanker 5.1 und die Ankerscheibe 5.2 unter Ausbildung des Luftspaltes 5.3 getrennt werden. Es entsteht wieder der Zu- stand des Elektromagneten 1 gemäß Figur 1, d. h. die Druckfe- der 5.40 ist wieder als Failsafe-Feder wirksam und damit die Failsafe-Funktion eingeschaltet.

Die Federvorspannung der als Failsafe-Feder eingesetzten Druckfeder 5.40 kann bspw. auf einen mittleren Wert zwischen der mit dem minimalen Stromwert I _min erzeugten Magnetkraft und der mit dem maximalen Stromwert I _max eingestellt werden. Wird in diesem Fall eine zum Hauptanker 5.1 in Reihe geschaltete Feder eingesetzt, wäre die Stellkraft des Elektromagneten 1 im bestreikten Zustand immer größer als die Kraft der Druckfeder 5.40.

Bezugszeichenliste

1 Elektromagnet

2 Gehäuse

3 Erregerspule

4 Polkern

4.1 Führungsbuchse des Polkerns 4

5 Ankerbaugruppe

5.1 Hauptanker der Ankerbaugruppe 5

5.10 Sacklochbohrung des Hauptankers 5.1

5.11 Bohrungsgrund der Sacklochbohrung 5.10

5.2 Ankerscheibe der Ankerbaugruppe 5

5.20 Führungsbolzen der Ankerscheibe 5.2

5.3 Luftspalt

5.4 elastisches Element

5.40 Druckfeder

5.5 Ankerstößel

6 Flussleitrohr

6.1 Boden des Flussleitrohrs 6

7 Rückschlussplatte

8.1 Antiklebscheibe

8.2 Antiklebscheibe

F _außen äußere auf den Ankerstößel 5.5, auf die Ankerscheibe 5.2 oder den Führungsbolzen 5.20 wirkende Kraft F _Feder,1 Federkraft der Druckfeder 5.40 F _Feder,2 Federkraft der Druckfeder 5.40

F _M Magnetkraft zwischen Hauptanker 5.1 und Ankerscheibe 5.2

F _Magnet Magnetkraft auf die Ankerbaugruppe 5 I Ruhestellung des Hauptankers 5.1

M Magnetkreis