Bezeichnung : Verfahren zur Herstellung eines wirbelstrom- armen Ankers für einen elektromagnetischen Aktuator Beschreibung Ein elektromagnetischer Aktuator wird für eine Reihe von Ein- satzfällen durch wenigstens einen bestrombaren Elektromagne- ten gebildet, dessen Polfläche mit Abstand ein Anker zugeord- net ist, der über eine Rückstellfeder in einer ersten Schalt- stellung gehalten wird und bei Bestromung des Elektromagneten gegen die Kraft der Rückstellfeder an der Polfläche des Elek- tromagneten zur Anlage gebracht wird. Beim Stromlossetzen des Elektromagneten wird der Anker wieder in die erste Schalt- stellung durch die Rückstellkraft der Rückstellfeder zurück- bewegt. Mit dem Anker ist das zu betätigende Stellelement verbunden, so daß der Anker gleichzeitig einen Teil des Stel- lelementes bildet.

Darüber hinaus sind elektromagnetische Aktuatoren bekannt, die zwei mit ihren Polflächen gegeneinander gerichtete und mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagneten aufweisen, zwischen denen der mit dem Stellelement verbundene Anker ge- gen die Kraft von Rückstellfedern bei entsprechender Bestrom- ung der Elektromagneten hin und her bewegt wird. Derartige Aktuatoren werden beispielsweise zur Betätigung von Gaswech- selventilen an Kolbenbrennkraftmaschinen eingesetzt. Hierbei wird über den Anker das Gaswechselventil in der ersten Schaltstellung durch den einen der beiden Elektromagneten in Schließstellung und nach Abschalten des Haltestroms und Ein- schalten des Fangstroms beim anderen Elektromagneten das Gas- wechselventil in Öffnungsstellung gehalten. Das bedeutet, daß ein Gaswechselventil beispielsweise bei einer Viertakt- Kolbenbrennkraftmaschine abhängig von der Kurbelwellendreh- zahl mit einer sehr hohen Schalthäufigkeit betätigt wird. Da trotz der hohen Schaltfrequenzen die sehr kurzen Schaltzeiten sehr genau eingehalten werden müssen, ist es von entscheiden-

der Bedeutung, daß der Anker wirbelstromarm ausgebildet ist, damit er sich beispielsweise beim Abschalten des Haltestroms sehr schnell von der Polfläche lösen kann.

Da die Ankerplatte einerseits weichmagnetische Eigenschaften aufweisen muß, andererseits die Ankerplatte mit einem Füh- rungsbolzen verbunden ist, der verschleißarm sein muß und dementsprechend bevorzugt aus einem vergütbaren Stahlmaterial hergestellt sein sollte, ist es nicht möglich, den Anker, d. h. Ankerplatte und Führungsbolzen aus nur einem Material herzustellen, wenn optimale Ergebnisse gefordert werden. Dem- entsprechend ist bereits vorgeschlagen worden, mit einem Füh- rungsbolzen aus Stahl eine aus einer Vielzahl von Blechen zu- sammengesetzte Ankerplatte zu verbinden, um so die von ge- blechten Jochkörpern von Transformatoren oder auch von Elek- tromagneten bekannte geringe Wirbelstrombildung bei derartig geblechten Jochköpern auszunutzen. Ein Problem stellt hierbei die hohe mechanische Beanspruchung der Ankerplatte dar, die sich jeweils beim Auftreffen auf die Polfläche eines Elektro- magneten ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wirbelstrom- armen Anker zu schaffen, der sowohl den mechanischen als auch den elektrischen Anforderungen genügt.

Zur Herstellung eines Ankers zur Verwendung als Stellelement in einem elektromagnetischen Aktuator, der eine mit einem Führungsbolzen verbundene Ankerplatte aufweist, wird nach der Erfindung ein Verfahren vorgesehen, bei dem als Rohteil an den aus einem vergütbaren Stahlmaterial hergestellten Füh- rungsbolzen als Ankerplatte ein Grünling aus einem sinterba- ren Pulver angepreßt wird, anschließend das Rohteil erhitzt, gesintert und danach abgekühlt wird. Zweckmäßig wird ein sin- terbares Pulver verwendet, bei dem die Partikel aus ferro- megnatischem Material trotz der Sinterung weitgehend gegen- einander elektrisch isoliert sind. Dies kann durch Beimi- schung von sinterbaren, elektrisch nicht-leitenden Pulveran-

teilen, bevorzugt aber durch Pulver bewirkt werden, bei denen die ferromagnetischen und/oder elektrisch leifähigen Pulver- partikel mit einer sinterbaren"Umhüllung"aus elektrisch nicht-leitenden Materialien versehen sind. Somit wird in der fertig gesinterten Ankerplatte die Entstehung von Wirbelströ- men im Vergleich zu einem weichmagnetischen Vollmetall ver- mindert. Mit diesem Verfahren ist es möglich, einerseits eine massive Ankerplatte herzustellen, die andererseits durch eine entsprechende Zusammensetzung des sinterbaren Sinterpulvers nur eine geringe Neigung zur Ausbildung von Wirbelströmen beim Ummagnetisieren aufweist.

Das Herstellungsverfahren bietet in einer Ausgestaltung noch einen weiteren Vorteil, wenn das Rohteil mit fertig gesinter- ter Ankerplatte von der Sintertemperatur rasch bis in den Be- reich der Raumtemperatur abgekühlt und danach wenigstens ein- mal auf die Vergütungstemperatur des Stahlwerkstoffs erhitzt, über eine vorgebbare Zeit auf dieser Temperatur gehalten und dann vollständig abgekühlt wird. Bei dieser Verfahrensweise wird mit Vorteil ausgenutzt, daß die Sintertemperatur für die hier in Frage kommenden Sinterpulver erheblich über der Härte und Anlaßtemperatur für einen vergütbaren Werkstoff liegt, so daß nach Abschluß des Sintervorgangs die weitere Wärmebehand- lung praktisch in einer Hitze durchgeführt werden kann. Ohne Beeinträchtigung auf das Gefüge der gesinterten Ankerplatte kann bei dem anschließenden Vergüten die Temperaturführung bei der Erhitzung so vorgenommen werden, daß hierbei auch die Gefügeumwandlungen in dem vergütbaren Stahlwerkstoff Rück- sicht genommen wird. So kann es je nach der Art des vergütba- ren Stahlwerkstoffes zweckmäßig sein, stufenweise zu erhitzen und hierbei während einer Temperaturzwischenstufe die Tempe- ratur auf einer vorgegebenen Temperaturhöhe zu halten, um hier die Gefügeausbildung im Stahlwerkstoff einwandfrei ab- laufen zu lassen. Eine derartige Haltezeit kann je nach Stahlwerkstoff über mehrere Minuten dauern. Eine Beeinträch- tigung der Gefügeausbildung der gesinterten Ankerplatte er- gibt sich hierbei nicht.

In zweckmäßiger Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß zur Verbindung der Ankerplatte mit dem Führungsbolzen wenig- stens ein mit dem Führungsbolzen verbundener radial ausge- richteter Verbindungsansatz mit dem sinterbaren Sinterpulver umpreßt wird. Damit ergibt sich eine formschlüssige Verbin- dung zwischen Führungsbolzen und Ankerplatte. Die Ankerplatte kann je nach Ausführung des Aktuators senkrecht zur Achse des Führungsbolzens eingerichtet sein, wie es beispielsweise für die eingangs beschriebenen Aktuatoren zur Betätigung eines Gaswechselventils erforderlich ist. Der Verbindungsansatz kann aber auch flügelartig radial, d. h. parallel zur Achse des Führungsbolzen verlaufend ausgerichtet sein, wie dies beispielsweise für einen Aktuator zur Erzeugung einer Dreh- bzw. Schwenkbewegung erforderlich ist, bei dem die Ankerplat- te nicht in Längsrichtung der Achse des Führungsbolzens hin und her bewegt wird sondern um die Achse des Führungsbolzens drehend hin und her verschwenkt wird.

In weiterer erfinderischer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß der radial bis in die Ankerplatte hineinrei- chende, vorzugsweise dünne stegförmige Verbindungsansatz mit Durchbrechungen versehen ist, durch die das Sinterpulver hin- durchgepreßt wird. Hierdurch wird erreicht, daß der stegför- mige Verbindungsansatz nicht nur auf seiner Außenseite vom Sinterpulver umschlossen wird sondern über die Durchbrechun- gen auch Zwischenbereiche des Verbindungsansatzes vom Sinter- pulver und dementsprechend auch vom fertig gesinterten Mate- rial durchsetzt sind. Die Durchbrechungen können beispiels- weise in Form von geschlossenen oder auch seitlich offenen Löchern bzw. Ausstanzungen gebildet werden. Da der Verbin- dungsansatz bei stoffschlüssiger Verbindung mit dem Führungs- bolzen aus vergütetem Stahlwerkstoff die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Ankerplatte beeinflusst, soll- te dieser nur soviel"Masse"aufweisen, wie aus Gründen der Festigkeit unbedingt erforderlich ist. Die Ausnehmungen ver- größern hierbei die"Strompfade"für entsprechende Wirbel-

ströme und tragen zur Reduzierung der Wirbelstromeinflüsse bei.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Verbindungsansatz ein hül- senförmiges Mittelteil aus Vollmetall aufweist, das nach dem Ansintern der Ankerplatte mit dem Führungsbolzen vorzugsweise durch Hartlöten verbunden wird. Damit ist die Möglichkeit ge- geben, für den Verbindungsansatz mit seinem hülsenförmigen Mittelteil ebenfalls ein weichmagnetisches Material oder ei- nem nicht-magnetisierbaren und/oder elektrisch schlecht lei- tendem Material mit entsprechenden Festigkeits-und Leitei- genschaften auszuwählen, so daß nur der"nackte"Führungsbol- zen aus einem vergütbaren Stahlwerkstoff und damit aus einem "hartmagnetischen"Werkstoff besteht. Damit wird vermieden, daß über den Verbindungsansatz in der Ankerplatte die Entste- hung von Wirbelströmen begünstigt wird, was bei einer stoff- schlüssigen Verbindung mit dem Führungsbolzen der Fall wäre.

Die gewünschte Reduzierung der Wirbelstrombildung wird somit eingehalten.

Ein wirbelstromarmer Anker als Stellelement für einen elek- tromagnetischen Aktuator mit einem Führungsbolzen aus einem vergüteten Stahlmaterial, der mit einer aus einem in seiner Zusammensetzung ferromagnetische Materialien enthaltendes Pulver gesinterten Ankerplatte verbunden ist, insbesondere wenn er nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 her- gestellt ist, stellt ebenfalls eine Erfindung dar.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ankers ist vorgesehen, daß der Führungsbolzen mit wenigstens einem radial ausgerich- teten, im wesentlichen flächigen Verbindungsansatz versehen ist, der vom Material der Ankerplatte umschlossen ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorge- sehen, daß der flächige Verbindungsansatz mit Ausnehmungen

versehen ist, die vom Material der Ankerplatte durchsetzt sind.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Verbindungsan- satz stoffschlüssig mit dem Führungsbolzen verbunden sein, während bei einer anderen Ausgestaltung der Verbindungsansatz eine Verbindungshülse aufweist, die einen Teilbereich des Führungsbolzens umschließt und mit diesem vorzugsweise durch eine Hartlötung verbunden ist.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus- führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 im Axialschnitt einen Anker für Aktuator zur Erzeu- gung einer Hin-und Herbewegung, Fig. 2 im Axialschnitt einen Anker für einen Aktuator zur Erzeugung einer Schwenkbewegung, Fig. 3 einen Schnitt gem. der Linie III-III in Fig. 1, Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform eines Ankers gem.

Fig. l.

Die Schnittdarstellung in Fig. 1 zeigt einen Anker 1, der im wesentlichen aus einem Führungsbolzen 2 und einer damit fest verbundenen Ankerplatte 3 besteht. Der Anker wird in einem Aktuator verwendet, bei dem durch eine entsprechende Anord- nung der Elektromagneten eine Hin-und Herbewegung in Rich- tung der Längsachse 5 des Führungsbolzens 2 (Pfeile 4) er- folgt.

Wie aus der Schnittdarstellung ersichtlich, weist der Füh- rungsbolzen 2 an einem Ende einen stegförmigen Ansatz 6 bei- spielsweise in Form eines kreisförmigen Kragens auf, der vom Material der Ankerplatte 3 umschlossen ist. Der stegförmige Ansatz 6 ist mit einer Vielzahl von hier nur schematisch dar-

gestellten Durchbrechungen 7 versehen, die beispielsweise in der in Fig. 3 dargestellten Weise angeordnet sein können. Der stegförmige Ansatz 6 kann auch durch radial ausgerichtete Ar- me oder Finger gebildet werden, so daß das Material der An- kerplatte diese vollständig umschließt. Die Zwischenräume zwischen den Armen stellen Durchbrechungen im Sinne der Er- findung dar. Form, Größe und Kontur der Durchbrechungen 7 bzw. der diese begrenzenden Teile des Stegmaterials kann be- liebig gestaltet werden, wenn nur die Bedingungen für Festig- keit und Wirbelstromverhalten eingehalten werden.

Zur Herstellung eines derartigen Ankers wird zunächst ein Rohteil hergestellt. Hierbei wird an den aus einem vergütba- ren Stahlmaterial hergestellten Führungsbolzen 2 die Anker- platte 3 als sogenannter Grünling aus einem sinterbaren Pul- ver angepreßt, das ferromagnetisches Material enthält. Durch den Preßvorgang erhält die Ankerplatte ihre gewünschten Ab- messungen, wobei ein Teil des Pulvers durch die Durchbrechun- gen 7 hindurchgepreßt wird und somit auch trotz der verhält- nismäßig weiten Erstreckung des stegförmigen Ansatzes 6 in das Material der Ankerplatte hinein auch im Bereich unmittel- bar in der Nähe des Führungsbolzens eine durchgehende Verbin- dung des Sintermaterials zu beiden Seiten des stegförmigen Ansatzes 6 geschaffen ist. Alle Kanten und Übergänge des stegförmigen Ansatzes 6, die vom Material der Ankerplatte 3 umschlossen werden, müssen gut gerundet sein, um Kerbwirkun- gen zu vermeiden, die bei der mechanischen Beanspruchung des Ankers zu Rissen führen könnten.

Das so hergestellte Rohteil wird anschließend auf Sintertem- peratur erhitzt und nach dem Fertigsintern der Ankerplatte wieder abgekühlt. Das Rohteil kann entweder vollständig abge- kühlt werden oder aber noch"in einer Hitze"wenigstens ein- mal auf die Vergütungstemperatur des für den Führungsbolzen 2 verwendeten Stahlwerkstoffs erhitzt und über eine vorgebbare Zeit auf dieser Temperatur gehalten werden und danach voll- ständig abgekühlt werden. Da die Vergütungstemperatur für den

Stahlwerkstoff deutlich unter der Sintertemperatur für das Material der Ankerplatte 3 liegt, erfolgt hierdurch keine Be- einträchtigung des Materials der Ankerplatte.

Da das zur Herstellung der Ankerplatte 3 zu verwendende Sin- termaterial aufgrund seiner durch die weitgehende elektrische Isolation der einzelnen metallischen Partikel zueinander durch die übrigen Bestandteile oder durch ihre isolierende Umhüllung bedingten spezifischen Eigenschaften geringere Fe- stigkeitswerte aufweist als normale Eisensinterpulver, be- wirkt der stegförmige Verbindungsansatz 6 eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Ankerplatte im Sinne einer Armie- rung des Sintermaterials. Das bedingt aber, daß der Verbin- dungsansatz 6 sich relativ weit in radialer Richtung in das Material der Ankerplatte 3 hinein erstreckt. Bei dem darge- stellten Ausführungsbeispiel entspricht der Durchmesser des Verbindungsansatzes 6 etwa dem halben Durchmesser der Anker- platte 3.

In Abwandlung des Verfahrens ist es auch möglich, für die An- kerplatte zunächst einen vorgepreßten Teilgrünling herzustel- len, der nur eine Seite des Verbindungsansatzes überdeckt.

Dieser Teilgrünling wird zusammen mit dem Verbindungansatz in die Preßform eingelegt, die dann entweder mit Sinterpulver oder einem weiteren Teilgrünling belegt wird. Nach dem Ver- pressen werden die beiden Teile der Ankerplatte durch den Sintervorgang zu einem homogenen Formteil zusammengesintert.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform für einen Aktuator zur Er- zeugung einer Schwenkbewegung um die Achse 5.1 des Führungs- bolzens 2.1 dargestellt (Pfeil 4.1). Gestaltung und Herstel- lungsverfahren entsprechen im übrigen der vorstehenden Be- schreibung zu Fig. 1 und Fig. 3, so daß hierauf verwiesen werden kann.

In Fig. 1 und Fig. 3 wurde ein Anker mit kreisförmiger Anker- platte 3 dargestellt. In einer Vielzahl von Anwendungsfällen

werden jedoch Aktuatoren mit Ankern eingesetzt, die eine qua- dratische oder rechteckige Kontur aufweisen. Bei diesen Aus- führungsformen ist auch die Kontur des Verbindungsansatzes 6 entsprechend an die Außenkontur der Ankerplatte 3 angepaßt.

In Fig. 4 ist eine Abwandlung zur Ausführungsform nach Fig. 1 dargestellt. Der Grundaufbau und auch das Herstellungsverfah- ren entsprechen im wesentlichen den Erläuterungen zu Fig. 1 und Fig. 3. Die Besonderheit der Ausführungsform gem. Fig. 4 besteht jedoch darin, daß der Verbindungsansatz 6.1 nicht mehr stoffschlüssig mit dem Führungsbolzen 2.2 verbunden ist.

Bei dieser Ausführungsform weist der Verbindungsansatz 6.1 ein hülsenförmiges Mittelteil 8 auf. Der Verbindungsansatz 6.1 mit seinem hülsenförmigen Mittelteil 8 ist hierbei ein- stückig hergestellt und nach dem anhand von Fig. 1 beschrie- benen Verfahren mit dem Sintermaterial der Ankerplatte 3 um- preßt, die dann fertig gesintert ist.

Die so gewonnene, durch den angesinterten Verbindungsansatz 6.1 armierte Ankerplatte 3, die weitgehend aus einem Material besteht, das beim Ummagnetisieren die Entstehung von Wirbel- strömen behindert, wird anschließend mit dem Führungsbolzen 2.2, beispielsweise durch Hartlöten, verbunden. Für einen derartigen Verbindungsansatz 6.1 mit Mittelteil 8 kann ein Vollmaterial aber auch ein Sintermaterial verwendet werden.

Die Verwendung eines Sintermaterials bietet den Vorteil, daß hier durch eine entsprechende Zusammensetzung des Sinterpul- vers in erster Linie auf die gewünschte Festigkeit abgestellt werden kann, andererseits auch die Vermeidung der Wirbel- strombildung berücksichtigt werden kann, was bei einem weichmagnetischem Vollmaterial nicht möglich ist. Bei einem weichmagnetischen Vollmaterial bleibt nur die Möglichkeit, die Wirbelstrombildung durch eine entsprechende Gestaltung der Geometrie des Verbindungsansatzes zu vermindern.

Für die Herstellung der Ankerplatte wird zweckmäßigerweise ein sinterbares Sinterpulver eingesetzt, das im wesentlichen eine Mischung aus Eisenpulver, und nichtleitenden organischen Pulverkomponenten, beispielweise keramische Pulver, aufweist.