Titel

Magnetspule, Kraftfahrzeugbauteil mit Magnetspule sowie Verwendung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine aus einem Spulendraht gewickel- te Magnetspule, insbesondere für ein Kraftfahrzeugbauteil, wie einen Kraftstoff-Injektor, ein Magnetventil oder einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Kraftfahrzeugbauteil mit einer Magnetspule gemäß Anspruch 8 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 10.

Aus der DE 10 2006 058 073 Al ist ein Magnetventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt. Dieses umfasst einen elektromagnetischen Aktuator mit einer aus einem Spulendraht gewickelten Magnetspule. Der Spulendraht weist eine kreisrund konturierte Querschnittsfläche auf und ist mit einer, üblicherweise im Nass-Lackierverfahren aufgebrachten, Isolierung versehen. Der Kupferfüllfaktor (Wicklungsdichte) bekannter Magnetspulen für den Kraftfahrzeugbereich liegt bei etwa 63%, was sich nachteilig auf den Bauraumbe- darf sowie die maximal erzielbare Leistungsdichte auswirkt.

Aus der japanischen Unterhaltungsindustrie sind isolierte Spulendrähte (Wicklungsdrähte) mit rechteckförmigem Querschnitt bekannt. Diese haben ein Breite-/Dicke-Verhältnis von typischerweise zwei bis fünf und sind mit Isolationswandstärken von unter lOμm aufweisenden Isolationsschichten versehen, wobei die Isolationsschichten typischerweise durch elektrostatische Verfahren aufgebracht werden. Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich des Bauraumbedarfs optimierte Magnetspule, insbesondere für ein Kraftfahrzeugbauteil, anzugeben. Bevorzugt sollen mit der Magnetspule große Leistungsdichten realisierbar sein. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Kraftfahrzeugbauteil, wie einen Kraftstoff-Injektor, ein Magnetventil oder einen Sensor mit einer entsprechend optimierten Magnetspule bereitzustellen .

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Magnetspule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 10 gelöst. Hinsichtlich des Kraftfahrzeugbauteils wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen .

Die Erfindung hat erkannt, dass große Spulendrahtfüllfakto- ren (Wicklungsdichten) , insbesondere Kupferfüllfaktoren, nicht mit kreisrund konturierten Spulendrähten realisierbar sind. Ferner hat die Erfindung erkannt, dass auch recht- eckig konturierte Spulendrähte nicht zu optimalen Spulendrahtfüllfaktoren führen, da zumindest in Bereichen der Wicklungslagenübergänge unausgefüllte Bereiche resultieren, die mit zunehmender Drahtbreite aufgrund der dann zwangs- läufig zunehmenden Wicklungssteigung größer werden. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Herstellung einer Magnetspule, insbesondere für den Kraftfahrzeugsektor Spulendrähte (Wicklungsdrähte) mit einem quadratischen Quer- schnitt einzusetzen, wodurch unausgefüllte Zwickel vermieden und unausgefüllte Bereiche bei den Wicklungslagenübergänge minimiert werden. Zudem haben quadratische Spulendrähte grundsätzlich ein günstigeres Volumen- Oberflächenverhältnis als rechteckige Spulendrähte und da- mit bei gleicher Isolationswandstärke einen geringeren Bedarf an Isolationswerkstoff. Dies kommt der Forderung nach einem großen Spulendrahtfüllfaktor ebenfalls entgegen. Eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Magnetspule eignet sich insbesondere für die moderne Diesel- Einspritztechnik mit steigenden Anforderungen an Verbrauch, Cθ ₂ -Emission sowie Partikelemission. Diesen Anforderungen werden nur hochdynamische Kraftstoff-Injektoren mit kurzen Schaltzeiten zur Realisierung einer Multipoint-Einspritzung gerecht, mit denen zudem hohe Magnetkräfte zur Beherrschung der zunehmenden Dieseldrücke realisierbar sind. Ganz wesentlich dabei ist die Minimierung des benötigten Bauraums, die mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten im Querschnitt quadratisch konturierten Spulendraht realisierbar ist. Eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebil- dete Magnetspule kann mit einer äußerst kompakten elektrischen Wicklung mit hohem Spulendrahtfüllfaktor, insbesondere Kupferfüllfaktor, ausreichend großem Drahtquerschnitt sowie geringer Windungszahl realisiert werden. Bevorzugt wird die Kantenlänge des Spulendrahtes so gewählt, dass dieser optimal an das Wicklungsfenster angepasst ist und die Wicklungen dieses, zumindest näherungsweise, vollständig ausfüllen. In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Spulendraht mit einer Isolationsschicht versehen ist, die durch ein elektrostatisches Verfahren aufgebracht ist. Hierdurch können sehr gleichmäßige Isolationsschichten mit Schichtdicken von 10μm oder weniger erreicht werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Spulendraht auf einem Spulenträger, vorzugsweise aus Kunststoff, aufgewickelt ist, wobei der Spulendraht besonders bevorzugt mit einer, insbesondere als Finalumspritzung

(Schutzschicht aus Kunststoff) ausgebildeten, vorzugsweise dünnwandigen, Umhüllung versehen wird, bevorzugt um den

Spulendraht vor korrosiven Medien, wie beispielsweise

Kraftstoff, optimal zu schützen. Dabei ist es besonders be- vorzugt, wenn die Umhüllung eine Wanddicke von weniger als 200μm, vorzugsweise von weniger als 175μm, ganz bevorzugt von um die 150μm oder geringer, aufweist. Dies kann besonders gut durch den Einsatz hoch fließfähiger Thermoplaste (beispielsweise modifiziertes Polyphenylensulfid - Handels- name Ryton R4 oder Xtel XK 2340) erreicht werden. Durch den Einsatz hoch fließfähiger Thermoplaste können der notwendige Prozessdruck und die notwendige Prozesstemperatur zur Realisierung der Finalumspritzung so weit gesenkt werden, dass eine thermische und/oder mechanische Schädigung des Spulendrahtes und/oder ein Verschieben der Spulendrähte der obersten Wicklung vermieden werden. Auch ist es denkbar, die Umhüllung durch Vergießen mit Reaktionsharz zu realisieren .

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Spulendrahtfüllfaktor, insbesondere der Kupferfüllfaktor, größer als 70%, vorzugsweise größer als 80%, ganz besonders bevorzugt größer als 90% ist. Optimale Leistungsdichten können mit einem Spulendraht erzielt werden, der innerhalb der Isolationsschicht einen im Querschnitt quadratisch konturierten Kupferkern aufweist.

Die Erfindung führt auch auf ein Kraftfahrzeugbauteil mit mindestens einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetspule. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Kraftfahrzeugbauteil um einen Kraftstoff-Injektor bzw. um ein Magnetventil, insbesondere ein Steuerventil (Servo- ventil) des Kraftstoff-Injektors. Dieses kann durch das Vorsehen einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetspule mit einem minimalen Bauraumbedarf realisiert werden. Zudem sind hohe Leistungsdichten und damit hohe Magnetkräfte realisierbar. Ferner kann es sich bei dem Kraftfahrzeugbauteil beispielsweise um ein Magnetventil, beispielsweise um ein ABS- und/oder Fahrdynamikventil oder um ein Hydraulikventil handeln. Auch ist der Einsatz einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetspule in dynamischen elektromagnetischen Sensoren, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich realisierbar.

Darüber hinaus führt die Erfindung auf die Verwendung eines quadratisch konturierten, insbesondere einen Kupferkern aufweisenden Drahtes zum Wickeln einer Magnetspule, insbe- sondere für eine Kraftfahrzeuganwendung. Bevorzugt wird die Magnetspule in einen Kraftstoff-Injektor, ein Magnetventil oder einen elektromagnetischen Sensor integriert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Fig. 1 in einer schematischen, ausschnittsweisen Dar- Stellung einen Kraftstoff-Injektor mit einem eine

Magnetspule aufweisenden Steuerventil (Servoven- til) , und

Fig. 2 eine geschnittene Darstellung einer Magnetspulen- wicklung sowie eine vergrößerte Darstellung des

Querschnitts des Spulendrahts der Spulenwicklung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein Kraftstoff-Injektor 1 (hier Common-Rail-Injektor) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine gezeigt. Der Kraftstoff-Injektor 1 umfasst ein zwischen einer Schließstellung und einer den Kraftstofffluss in den Brennraum freigebenden Öffnungsstellung verstellbares Ein- spritzventilelement 2, das einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein kann. Mit seinem in der Zeichnungsebene oberen Ende ist das Einspritzventilelement 2 in einem hülsenförmi- gen Abschnitt 3 einer Drosselplatte 4 geführt und begrenzt mit seiner in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite 5 eine innerhalb des hülsenförmigen Abschnittes 3 ausgebildete Steuerkammer 6. Die Steuerkammer 6 ist über eine Zulaufdrossel 7 dauerhaft hydraulisch mit einem im Wesentlichen unter Raildruck stehenden Druckraum 8 des Kraftstoff-Injektors 1 verbunden. Aus der Steuerkammer 6 mündet eine Ablaufdrossel 9 aus, die die Steuerkammer 6 mit einer Ventilkammer 10 verbindet, die radial außen von einem hülsenförmigen Steuerventilelement 11 eines Steuerventils 12 (Servoventil) begrenzt wird. Mit Hilfe des Steuerventils 12 ist die Ventilkammer 10 und damit die Steuerkammer 6 hydraulisch mit einem auf Nieder- druck liegenden Niederdruckbereich 13 des Kraftstoff- Injektors 1 verbunden, der über einen nicht gezeigten Rücklaufanschluss an einen ebenfalls nicht gezeigten Vorratsbehälter angeschlossen ist. Die Ventilkammer 10 wird in axialer Richtung nach oben von einem Druckstift 14 begrenzt, der von in der Zeichnungsebene oben in eine zentrische Bohrung 15 des Steuerventilelementes 11 hineinragt.

Zum axialen Verstellen des Steuerventilelementes 11 ist ein elektromagnetischer Aktuator 16 vorgesehen, der eine auf einem Spulenträger 17 angeordnete Magnetspule 18 umfasst.

Bei Bestromung der Magnetspule 18 wird eine einstückig mit dem Steuerventilelement 11 ausgebildete Ankerplatte 19 in der Zeichnungsebene nach oben in Richtung des elektromagne- tischen Aktuators 16 verstellt, wodurch der Kraftstofffluss aus der Steuerkammer 6 in den Niederdruckbereich 13 und von dort aus zum Rücklaufanschluss freigegeben wird. Die Durchflussquerschnitte der Ablaufdrossel 9 und der Zulaufdrossel 7 sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass bei geöff- netem Steuerventil 12 ein Nettoabfluss von Kraftstoff aus der Steuerkammer 6 resultiert, mit der Folge eines rapiden Druckabfalls, der wiederum für eine in Öffnungsrichtung des Einspritzventilelementes 2 wirkende hydraulische Öffnungs- kraft sorgt, sodass das Einspritzventilelement 2 von seinem nicht gezeigten Einspritzventilelementsitz abhebt.

Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung der Magnetspule 18 unterbrochen, wodurch das Steuerventilelement 11 mit Hilfe einer Schließfeder 20 wieder auf seinen an der Drosselplatte 4 ausgebildeten Steuerventilsitz 21 verstellt wird. Der über die Zulaufdrossel 7 nachströmende Kraftstoff sorgt für einen Druckanstieg in der Steuerkammer 6 und damit für eine Schließbewegung des Einspritzventilelementes 2.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist die Magnetspule 18 von einem gewickelten Spulendraht 22 gebildet, der eine im Quer- schnitt quadratische Umfangskontur aufweist. Hierdurch kann ein hoher Spulendrahtfüllfaktor innerhalb einer im Spulenträger 17 ausgebildeten Umfangsnut 23 (Wicklungsfenster) erzielt werden. Zu erkennen ist, dass die Umfangsnut 23 radial außen von einer sich in axialer Richtung erstrecken- den, ringförmigen Finalumspritzung 24 (dünnwandige Umhüllung) in radialer Richtung verschlossen ist. Diese verhindert einen unmittelbaren Kontakt des Spulendrahtes 22 mit Kraftstoff. Die Wanddicke der Finalumspritzung 24 in radialer Richtung beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 150μm. Mit Radialabstand zu der Finalumspritzung 24 ist eine innere, die Umfangsnut 23 begrenzende Umfangswand 25 des Spulenträgers 17 zu erkennen. Die Wanddicke dieser Umfangswand 25 beträgt ebenfalls etwa 150μm.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine Magnetspule 18 gezeigt. Zu erkennen ist die durch Wickeln eines Spulendrahtes 22 gebildete Spulenwicklung. Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die Wicklungen des Spulendrahtes 22 passgenau aneinan- der anliegen, sodass ein hoher Spulendrahtfüllfaktor erzielt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Breite B der Magnetspule 18 etwa 2,0mm und deren Höhe H etwa 1,2mm. Aus der Detaildarstellung in der Zeichnungsebe- ne gemäß Fig. 2 rechts oben ergibt sich die Querschnittskontur eines Spulendrahtes 22. Zu erkennen ist ein quadratisch konturierter Kupferkern 26, der von einer umfangsge- schlossenen Isolationsschicht 27 umgeben ist. Die Isolationsschicht 27 kann in einem elektrostatischen Verfahren aufgebracht werden.

Die Seitenlänge 1 des Kupferkerns 26 beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 0,187mm und die Seitenlänge L des gesamten Spulendrahtes 22 etwa 0,20mm. Somit beträgt die Wandstärke der Isolationsschicht 27 etwa 0,013mm.