Elektromagneteinheit und eines Magnetgehäuses für eine solche Elektromagneteinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromagneteinheit für ein Magnetventil, mit einer Magnetspule und einem die Magnetspule umgebenden ferroma- gnetischen Kreis, der ein feststehendes Magnetgehäuse und einen beweglichen Magnetanker umfaßt. Des weiteren, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektromagneteinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetgehäuses für eine solche Elektromagneteinheit.

Elektromagnetisch angetriebene Ventile haben eine Magnetspule, einen Magnetanker zum Öffnen und Schließen des Ventils und ein Magnetgehäuse. Bei einfachen Bauformen besteht das Magnetgehäuse aus einem U-förmig gebogenen massiven Blechteil. Diese Bauformen sind vorzugsweise für eine Gleichstromansteuerung geeignet. Bei einer Wechselstromansteuerung erzeugen diese Bauformen große Wirbelstromverluste. Unter Beachtung der zulässigen Erwärmung steht damit weniger wirksame Leistung und somit weniger Magnetkraft zur Verfügung. Ferner ist beispielsweise aus der gattungsgemäßen DE 198 60 631 Al bekannt, das Magnetgehäuse einstückig aus einem Blechstreifen herzustellen, der zuerst ausgestanzt und nachfolgend gerollt bzw. gebogen wird. Die Möglichkeiten der Formgestaltung sind hier jedoch eingeschränkt.

Andere wechselstrombetriebene Magnetventile sind zur Vermeidung von Wirbelströmen mit Magnetgehäusen aus gesintertem Ferritmaterial ausgestattet.

Diese sind zwar auch zum Betrieb mit Gleichspannung geeignet, jedoch werden aus Kostengründen zwei Ventilausführungen gefertigt. Für das Magnetgehäuse eines gleichstrombetriebenes Ventil kommt im Gegensatz zu einem wechselstrombetriebenen Ventil kein teures Spezialmaterial wie gesintertes Ferrit zum Einsatz, sondern preiswertes Stahlblech.

Die Erfindung schafft eine Elektromagneteinheit für ein Magnetventil, bei der das Magnetgehäuse aus einem Deckel, einem Mantel und einem Boden in Form von mehrschichtigen Transformatorblechteilen zusammengesetzt ist. Ein Vorteil ist die günstige Form des Magnetgehäuses, da es die Magnetspule umschließt. Außerdem lassen sich dünne Blechschichten ohne großen Aufwand paßgenau formen, und der elektrische Widerstand an den Schichtgrenzen reicht bereits aus, um Wirbelstromeffekte auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Somit ist aus Kostengründen eine Fertigung von zwei Ventilausführungen für Gleichstrom und Wechselstrom nicht mehr notwendig.

Transformatorbleche eignen sich deshalb besonders gut, weil sie neben den geeigneten magnetischen Eigenschaften eine geringe Dicke von einigen Zehntelmillimetern aufweisen. Ferner sind Transformatorbleche ein industrielles Massenprodukt und entsprechend preiswert einsetzbar. Sie sind außerdem auch mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung erhältlich, was für eine noch bessere Reduzierung der Wirbelströme von Vorteil ist.

In einer Ausführungsform sind die Transformatorblechteile gestanzt und bedarfsweise gebogen. Da die verwendeten Blechteile eine geringe Dicke aufweisen, sind diese Bearbeitungsschritte einfach und kostengünstig durchführbar.

Die Transformatorblechteile weisen mehrere Schichten auf, wobei es möglich ist, daß diese Schichten miteinander verbunden sind. Dies erhöht die Stabilität der

Transformatorblechteile und reduziert die Spaltbreite zwischen den einzelnen

Schichten. Geeignete Verbindungsverfahren sind beispielsweise Paketieren,

Kleben oder Nieten.

Der Boden und/oder der Deckel können eine zentrale Öffnung aufweisen. Dadurch ist ein einfaches Zusammensetzen der Elektromagneteinheit möglich, indem beispielsweise der Anker, der Ankergegenpol und/oder ein Kernführungsrohr einfach axial eingeschoben werden.

In dieser Ausführungsform ist vorzugsweise im Deckel und/oder im Boden ein von der zentralen Öffnung bis zum Außenumfang durchgehender radialer Schlitz

vorgesehen. Dieser Schlitz reduziert ein Auftreten von Wirbelströmen in Umfangsrichtung des Deckels bzw. des Bodens.

Der Boden und/oder der Deckel können im zusammengesetzten Zustand mit dem Mantel verstemmt sein. Dies ist eine besonders preiswerte und zuverlässige Art der Befestigung. Vor der Verbindung der Blechteile kann die Magnetspule problemlos in den Mantel eingeführt werden, so daß durch das Verstemmen sehr einfach eine vormontierte Baugruppe aus dem Boden, dem Deckel, dem Mantel und der Magnetspule geschaffen wird.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Mantel des Magnetgehäuses wenigstens einen Durchbruch auf, und die Magnetspule ist vergossen, umpreßt oder umspritzt. Über diesen Durchbruch wird eine flüssige Kunststoffmasse in das

Magnetgehäuse eingeleitet, so daß die Magnetspule eine Kunststoffeinbettung erhält. Nach dem Aushärten der Kunststoffmasse sind mögliche Spalte oder

Hohlräume verschlossen und die Blechteile des Magnetgehäuses sowie die Magnetspule sind so fixiert, daß ein Auftreten von Klappergeräuschen im

Ventilbetrieb nicht mehr möglich ist.

Der Mantel kann eine geringere Dicke aufweisen als der Boden, wobei der Boden auch eine größere Dicke aufweisen kann als der Deckel. Damit werden erhöhte Magnetwiderstände, die vor allem am Boden durch das unmagnetische Kernfuhrungsrohr und den Luftspalt zum beweglichen Magnetanker auftreten, durch größere Blechteildicken kompensiert. Infolge des Mehrschichtaufbaus der Blechteile kann die Blechteildicke über die Schichtanzahl sehr leicht variiert werden. Die geschichteten Blechteile von Deckel, Mantel und Boden können sich in der Dicke und Eigenschaft der Einzelbleche, z.B. isoliert oder nicht isoliert, unterscheiden.

In einer Ausfuhrungsform umfaßt der Deckel ein inneres Deckelteil und ein äußeres Deckelteil, wobei die Außenkontur des inneren Deckelteils komplementär zur Innenkontur des äußeren Deckelteils ist, so daß sich die Deckelteile formschlüssig zusammensetzen lassen. Als Deckelteil wird hierbei nicht ein einzelnes

Transformatorblech des Deckels bezeichnet, sondern ein aus mehreren Transformatorblechen aufgebautes Blechpaket. Dieser Aufbau aus zwei Deckelteilen bietet den Vorteil, daß das mit vergleichsweise höherem Aufwand herzustellende, innere Deckelteil auch bei unterschiedlichen Deckelgrößen baugleich eingesetzt werden kann und die notwendige Anpassung durch das mit geringerem Aufwand herstellbare, äußere Deckelteil erfolgt. Durch die formschlüssige Verbindung wirkt der aus innerem und äußerem Deckelteil zusammengesetzte Deckel im wesentlichen wie ein einteiliger (aber aus mehreren Blechschichten aufgebauter) Deckel, so daß der Magnetfluß in Deckelebene nicht beeinträchtigt ist.

Vorzugsweise ist das äußere Deckelteil U-förmig ausgebildet. Somit ist der

Schutzleiteranschluß des inneren Deckelteils, der im wesentlichen für den erhöhten Herstellungsaufwand des inneren Deckelteils verantwortlich ist, bei allen Ausführungsgrößen des Deckels gut zugänglich.

Ferner kann der Deckel ein Abdeckteil aufweisen, das die zusammengesetzten Deckelteile abdeckt. Mit diesem Abdeckteil wird bei größeren Deckeln zum einen die Blechteildicke des Blechpakets erhöht, zum anderen ist die Grundfläche des Deckels nicht über seine gesamte Dicke durch eine Fuge zwischen dem inneren und dem äußeren Deckelteil getrennt. Beides trägt zu einer Reduzierung des Magnetwiderstands bei.

Des weiteren umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines

Magnetgehäuses einer Elektromagneteinheit für ein Magnetventil, mit folgenden Schritten:

A) Stanzen von Blechen aus ferromagnetischem Material;

B) Schichten der Bleche zu Blechpaketen, die als Mantel, Boden oder Deckel bzw. Deckelteil eines Magnetgehäuses der Elektromagneteinheit verwendet werden;

C) Zusammensetzen des Magnetgehäuses durch Herstellen einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Deckel und dem Mantel sowie dem Boden und dem Mantel.

Durch dieses Verfahren wird ein Magnetgehäuse für eine Elektromagneteinheit, die sowohl für eine Gleichstromansteuerung als auch für eine Wechselstromansteuerung geeignet ist, einfach und kostengünstig hergestellt.

In einigen Ausführungsformen wird der Deckel vor dem Zusammensetzen des Magnetgehäuses aus einem inneren Deckelteil und einem äußeren Deckelteil zusammengesetzt, wobei die Außenkontur des inneren Deckelteils komplementär zur Innenkontur des äußeren Deckelteils ist. Bevorzugt werden die Deckelteile dann formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden. Die Formschlußverbindung, aber auch eine mögliche Reibschlußverbindung senkrecht zur Deckelebene sorgen für einen ungehinderten Magnetfluß in Deckelebene und sind einfach herzustellen. Die Deckelteile mit den komplementären Konturen werden vorzugsweise gestanzt, der Kraftschluß kann z.B. über eine Preßpassung zwischen den Deckelteilen erreicht werden. Die Schenkel des U-förmigen Deckelteils können beim formschlüssigen Verbinden mit dem inneren Deckelteil etwas auseinander- gedrückt und verformt werden, so daß sie nach der Verbindung das innere Deckelteil festklemmen und eine Relativbewegung zwischen den Deckelteilen senkrecht zur Deckelebene verhindern.

Nach dem Zusammensetzen des inneren und äußeren Deckelteils kann zusätzlich ein Abdeckteil am inneren und/oder äußeren Deckelteil angebracht werden. Durch ein solches Abdeckteil, das genau wie das innere und äußere Deckelteil aus Transformatorblechen aufgebaut ist, kann mit zunehmender Deckelfläche auch die Deckeldicke sehr einfach angepaßt, d.h. vergrößert werden. Das Abdeckteil wird beispielsweise mit dem inneren und/oder äußeren Deckelteil verstemmt.

Ferner umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer

Elektromagneteinheit für ein Magnetventil, welches folgende Schritte aufweist:

A) Stanzen von Blechen aus ferromagnetischem Material;

B) Schichten der Bleche zu Blechpaketen, die als Mantel, Boden oder Deckel bzw. Deckelteil eines Magnetgehäuses der Elektromagneteinheit verwendet werden;

C) Formen des Mantels, so daß er eine Magnetspule wenigstens teilweise umgeben kann;

D) Einsetzen der Magnetspule in den Mantel;

E) Zusammensetzen des Magnetgehäuses durch Herstellen einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Deckel und dem Mantel sowie dem Boden und dem Mantel.

In einer Verfahrensvariante beginnt das Zusammensetzen des Magnetgehäuses bereits vor dem Einsetzen der Magnetspule in den Mantel, indem bereits eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Boden und dem Mantel oder dem Deckel und dem Mantel hergestellt wird. Dementsprechend entfällt dieser Teilschritt in Schritt E.

Durch dieses Verfahren werden das Magnetgehäuse und die Magnetspule gleich als vormontierte Einheit hergestellt, wobei sich die Magnetspule geschützt im Inneren der vormontierten Einheit befindet. Nach Anbringen eines festen Ankergegenpols sowie eines Kernführungsrohres mit beweglichem Magnetanker ist die Elektromagneteinheit fertiggestellt.

Vorzugsweise wird nach dem Zusammensetzen des Magnetgehäuses eine flüssige Kunststoffmasse durch einen im Magnetgehäuse vorgesehenen Durchbruch in das zusammengesetzte Magnetgehäuse eingeleitet, um die Magnetspule einzubetten. Der Durchbruch wird vor oder nach dem Schichten der Bleche z.B. durch Stanzen hergestellt. Nach dem Einleiten und Erhärten der Kunststoffmasse sind die Blechteile des Magnetgehäuses sowie die Magnetspule fixiert, so daß keine Klappergeräusche auftreten können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfuhrungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:

- Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine Elektromagneteinheit; und

- Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Deckels, eines Bodens und eines

Mantels einer erfindungsgemäßen Elektromagneteinheit;

- Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines inneren Deckelteils und eines äußeren Deckelteils;

- Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Deckels für eine erfmdungs- gemäße Elektromagneteinheit, der aus dem inneren und dem äußeren Deckelteil nach Figur 3 zusammengesetzt ist;

- Figur 5 eine perspektivische Explosionsansicht eines Magnetgehäuses für eine erfindungsgemäße Elektromagneteinheit, mit einem mehrteiligen Deckel.

Die Figur 1 zeigt eine Elektromagneteinheit zur Betätigung eines Magnet- ventils, mit einer Magnetspule 10, die eine Spulenachse A festlegt und deren Bewicklung von einem Spulenkörper 12 aufgenommen ist. Ferner ist ein ferroma- gnetischer Kreis dargestellt, der in Figur 1 ein feststehendes Magnetgehäuse, einen beweglichen Magnetanker 14 und einen feststehenden Ankergegenpol 16 umfaßt. Das Magnetgehäuse weist im vorliegenden Fall einen Deckel 18, einen Boden 20 und einen Mantel 22 auf. Darüber hinaus ist ein unmagnetisches Kernführungsrohr 24 vorgesehen, das sich im Innern der Magnetspule 10 zwischen dem Spulenkörper 12 und dem Magnetanker 14 bzw. dem Ankergegenpol 16 erstreckt. Die Stromversorgung der Magnetspule 10 erfolgt über axial herausgeführte Anschlüsse 26, die ebenfalls schematisch dargestellt sind.

Bei stromlos geschalteter Magnetspule 10 wird der Magnetanker 14 im allgemeinen durch eine Feder (nicht gezeigt) so beaufschlagt, daß sich das Magnetventil in einer gewünschten Stellung (geöffnet oder geschlossen) befindet. Bei einer Bestromung der Magnetspule 10 entsteht im Innern der Magnetspule ein

axial ausgerichtetes Magnetfeld. Der Magnetanker 14, der Ankergegenpol 16 und das Magnetgehäuse (im Einzelnen der Deckel 18, der Boden 20 und der Mantel 22) bilden einen ferromagnetischen Kreis aus, der für die Kraft auf den Magnetanker 14 maßgebend ist. Zwischen dem Magnetanker 14 und dem Ankergegenpol 16 besteht ein axialer Luftspalt 28, so daß der Magnetanker 14 zum Ankergegenpol 16 hingezogen wird. Die axiale Ausdehnung des Luftspalts 28 ist gleichbedeutend mit einem Antriebshub des Magnetventils.

Die Figur 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Magnetgehäuses, bestehend aus dem Deckel 18, dem Boden 20 und dem Mantel 22. Es ist zu erkennen, daß die Blechteile des Magnetgehäuses mehrschichtig aus Transformatorblech aufgebaut sind. Der Deckel 18 und der Boden 20 weisen dabei in axialer Richtung, der Mantel 22 in radialer Richtung mehrere Schichten auf. Die Orientierung der Blechpakete, d.h. also die axiale Schichtung für den Deckel 18 und den Boden 20 sowie die radiale Schichtung des Mantels 22, ist entsprechend dem Verlauf der magnetischen Feldlinien gewählt, wobei die senkrecht zu den magnetischen Feldlinien verlaufenden Wirbelstrombahnen jedoch an den Schichtgrenzen unterbrochen werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen die einzelnen Schichten aus Transformatorblech, welches eine Dicke von ungefähr lmm aufweist und mit einem elektrisch isolierenden Überzug beschichtet sein kann. In der Regel reicht jedoch eine bloße Schichtung von nicht isolierten Transformatorblechen aus, um infolge des erhöhten elektrischen Widerstands an den Schichtgrenzen die Wirbelströme weitgehend zu eliminieren. In der Figur 2 sind exemplarisch einige Schichten für die einzelnen Gehäusebauteile eingezeichnet, die aber lediglich einen Mehrschichtaufbau symbolisieren sollen. Bei Schichtdicken von 1-1, 2mm umfassen die einzelnen Bauteile vorzugsweise 2 bis 9 Schichten. Zur Erhöhung der Stabilität und Reduzierung der Spalte können die Schichten der Bauteile verbunden werden, z.B. durch Paketieren, Kleben oder Nieten.

Die Blechteile des Magnetgehäuses können durch eine Bemessung der Schichtanzahl sehr einfach in ihrer Dicke variiert werden. In der Regel weist

beispielsweise der Boden 20 mehr Schichten auf, als der Deckel 18 oder der Mantel 22, um im Bereich des Bodens 20 den erhöhten Magnetwiderstand durch das unmagnetische Kernführungsrohr 24 und den Luftspalt zwischen dem Kernfuhrungsrohr 24 und dem beweglichen Magnetanker 14 wenigstens teilweise zu kompensieren.

Am Deckel 18 und am Boden 20 sind Ausnehmungen 30 vorgesehen, in die Laschen 32 des Mantels 22 eingeführt werden können. Eine Verbindung des Deckels 18 mit dem Mantel 22 bzw. des Bodens 20 mit dem Mantel 22 erfolgt durch Zusammensetzen der Teile und ein Verstemmen der Laschen 32. Die Magnetspule 10 kann vor dem Zusammenbau des Magnetgehäuses problemlos axial eingesetzt werden und ist nach dem Verstemmen der Laschen 32 im Inneren des Magnetgehäuses eingeschlossen. Gemäß einer anderen Ausführung ist der Deckel 18 bzw. der Boden 20 mit dem Mantel 22 verschweißt oder verschraubt.

Die Figur 2 zeigt im Mantel 22 mehrere Durchbrüche 36, durch die nach dem Einsetzen der Magnetspule 10 und dem Zusammensetzen des Magnetgehäuses eine flüssige Kunststoffmasse eingeleitet wird, um die Magnetspule 10 einzubetten und zu fixieren. Umspritzen, Umpressen oder Vergießen stellen dabei gängige Verfahren zum Einbetten der Magnetspule 10 dar. Die Durchbrüche 36 sind vorzugsweise dort vorgesehen, wo die Wirkung des ferromagnetischen Kreises am wenigsten beeinträchtigt wird. Selbstverständlich kann auch der Deckel 18 oder der Boden 20 Durchbrüche zu diesem Zweck aufweisen.

Der Deckel 18 und der Boden 20 weisen jeweils eine zentrale Öffnung auf, in die das Kernführungsrohr 24 mit dem Magnetanker 14 bzw. der Ankergegenpol 16 eingeführt werden kann. Ferner weisen der Deckel 18 und der Boden 20 jeweils einen von der zentralen Öffnung zum Außenumfang durchgehenden radialen Schlitz 34 auf, der eine Bildung von Wirbelströmen in Umfangsrichtung des Deckels 18 bzw. des Bodens 20 vermindert.

Abhängig von der jeweiligen Baureihe des Magnetventils können die einzelnen Blechteile des Magnetgehäuses Besonderheiten aufweisen. So ist in Figur 2

der im wesentlichen kreisrunde Deckel 18 entlang einer Kreissehne abgeschnitten, um die axiale Herausfuhrung der Anschlüsse 26 der Magnetspule 10 zu erleichtern. Die Ausdehnung des Mantels 22 in Umfangsrichtung hängt im wesentlichen von der Ventilbaureihe ab und muß lediglich einen ausreichenden magnetischen Fluß gewährleisten. Vorzugsweise umgibt der mehrschichtige Mantel 22 jedoch wenigstens die Hälfte der Magnetspule 10 und umschließt sie im Extremfall ganz, wobei zumindest ein axial verlaufender Schlitz vorgesehen sein sollte, um ein Auftreten von Wirbelströmen in Umfangsrichtung zu reduzieren.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ein inneres Deckelteil 38 und ein äußeres, U- förmiges Deckelteil 40, bzw. einen aus diesen Deckelteilen 38, 40 zusammengesetzten Deckel 18. Der Einfachheit halber ist im Folgenden nur von einem Deckel 18 oder von Deckelteilen 38, 40 die Rede, wobei selbstverständlich auch der Boden 20 mehrteilig, aus entsprechenden Bodenteilen, zusammengesetzt sein kann.

Das Verfahren zur Herstellung des mehrteiligen Deckels 18 wird nun anhand der Figuren 3 und 4 erläutert. Zunächst werden das innere und äußere Deckelteil 38, 40 analog zum Boden 20 und Mantel 22 hergestellt, indem ferromagnetische Transformatorbleche gestanzt, geschichtet und in Verbund gebracht werden, wobei die Außenkontur des inneren Deckelteils 38 komplementär zur Innenkontur des äußeren Deckelteils 40 ist. Zur Ausbildung eines Schutzleiteranschlusses 42 auf einer Seite des inneren Deckelteils 38 sind über die Höhe des Deckels 18 einzelne Transformatorbleche ausgespart und andere mit Vorsprüngen versehen, so daß sich eine komplexe Kontur ergibt, deren Herstellung mit erhöhten Werkzeugkosten verbunden ist. Aufgrund dieses größeren Herstellungsaufwands wird das innere Deckelteil 38 mit dem Schutzleiteranschluß 42 in allen Ausführungen baugleich verwendet. Bei kleinen Magnetgehäusen bildet das innere Deckelteil 38 den gesamten Deckel 18, wohingegen bei größeren Magnetgehäusen das einfach zu fertigende, U-förmige, äußere Deckelteil 40 form- und/oder kraftschlüssig mit dem inneren Deckelteil 38 verbunden wird. Die Ausnehmungen 30 des inneren Deckelteils 38 dienen dann nicht der Verbindung

mit dem Mantel 22 (vgl. Figur 2), sondern der formschlüssigen Verbindung mit entsprechenden Vorsprüngen 44 des äußeren Deckelteils 40. Zur besseren form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung der Deckelteile 38, 40 können noch zusätzliche zusammenwirkende Nuten und Vorsprünge vorgesehen sein, die in Figur 4 gestrichelt dargestellt sind.

In Figur 5 ist eine Explosionsansicht eines Magnetgehäuses mit einem mehrteiligen Deckel 18 zu sehen. Um für größere Deckel 18 auch die Blechteildicke des Deckels 18 anpassen zu können, ist ein Abdeckteil 46 vorgesehen, wobei dieses Abdeckteil 46 die Deckelteile 38, 40 abdeckt, d.h. die Grundfläche des Abdeckteils 46 entspricht der Grundfläche aus zusammengesetztem inneren und äußeren Deckelteil 38, 40. Mit den im Vergleich zu Figur 2 etwas längeren Laschen 32 des Mantels 22 werden in diesem Fall der Mantel 22, das äußere Deckelteil 40 und das Abdeckteil 46 miteinander verstemmt. Darüber hinaus kann das Abdeckteil 46 auch mit dem inneren Deckelteil 38 fest verbunden sein. Zur Verminderung von Wirbelströmen in Umfangsrichtung des Deckels 18 ist auch im Abdeckteil 46 ein radialer Schlitz 34 vorgesehen.