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Dokumentenidentifikation DE19936581C1 26.10.2000
Titel Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei dem als Vergußmasse für die Erregerspule ein Metall bzw. eine Metallegierung verwendet wird
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Graf, Werner, Dipl.-Ing., 90482 Nürnberg, DE;
Gramann, Matthias, Dipl.-Ing., 91233 Neunkirchen, DE;
Thiel, Wolfgang, 85095 Denkendorf, DE;
Wiedemann, Werner, Dipl.-Ing., 91074 Herzogenaurach, DE;
Wilczek, Rudolf, Dipl.-Ing., 90518 Altdorf, DE
DE-Anmeldedatum 03.08.1999
DE-Aktenzeichen 19936581
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse H01F 41/04
IPC-Nebenklasse H01F 7/08   F16K 31/06   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, bei dem zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zwischen den Erregerspulen und den Spulenfenster als Vergußmasse ein Metall und/oder eine Metallegierung eingebracht wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Magnetjoch mit einem Spulenfenster und einer im Spulenfenster durch eine Vergußmasse fixierten Erregerspule bestehen, wie es z. B. aus der DE 197 27 414 A1 bekannt ist.

Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht im wesentlichen aus dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, die durch mindestens ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander getrennt sind. Dieses Bauteil kann beispielsweise durch ein Gehäuseteil gebildet werden. Zwischen den Elektromagneten, dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, befindet sich die aus einem ferromagnetischen Material bestehende Ankerplatte, die durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagneten oder der Erregerspule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Das Magnetjoch des Öffnermagneten weist eine Durchführung für einen Ventilstößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselventil überträgt.

Der Aktor kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß die Aktorfeder auf der dem Gaswechselventil entgegengesetzten Seite des Aktors an der Außenseite des Schließermagneten angeordnet ist. Dazu ist in Verlängerung des Ventilstößels ein einen Aktorfederteller aufweisender Federstößel angeordnet, der in einer Durchführung im Magnetjoch des Schließermagneten gelagert ist. Das Magnetjoch des Schließermagneten weist eine die Durchführung des Federstößels umgebende, eine Wandung bildende Ausformung auf, in der ein Innengewinde eingearbeitet ist. In das Innengewinde der Wandung ist ein Schraubdeckel eingeschraubt, der zusammen mit der Wandung einen Hohlraum bildet, in dem die auf dem Aktorfederteller aufliegende Aktorfeder angeordnet ist.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nockenwellen, mittels einer Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brennkraftmaschine montiert, werden der Ventilschaft des Gaswechselventils, der Ventilstößel und der Federstößel des Aktors gegeneinander gepreßt. Durch Verdrehen des Schraubdeckels kann die Vorspannung der Aktorfeder verändert werden, wodurch die Ruhelage der Ankerplatte einstellbar ist. In der Ruhelage der funktionellen Einheit sollte sich die Ankerplatte in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet befinden, wobei die Ventilfeder und die Aktorfeder vorgespannt sind. Der Ventilteller des Gaswechselventils befindet sich dabei in der Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Gaswechselventil geschlossen ist, und der Position, in der das Gaswechselventil maximal geöffnet ist.

In den Spulenfenstern der Magnetjoche der Elektromagnete sind die Erregerspulen mittels einer Vergußmasse fixiert. Diese Vergußmasse besteht in der Regel aus einem Kunststoff, beispielsweise einem zwei Komponenten Werkstoff, der in flüssiger Form in das Spulenfenster gegeben wird. Nach dem Einsetzen der Erregerspule in das Spulenfenster wird die Vergußmasse in einem thermischen Aushärteverfahren verfestigt. Um den Füllgrad der Vergußmasse zu erhöhen kann dieser Prozeß im Vakuum durchgeführt werden.

Der Nachteil auf Kunststoff basierender Vergußmassen besteht in der geringen Wärmeleitfähigkeit, durch welche die in den Erregerspulen entstehende Wärme nicht in ausreichender Weise abgeführt werden kann, und durch den die Aktoren Schaden leiden können. Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit werden einem Kunststoff üblicher Weise metallische Partikel zugesetzt, wodurch sich die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes jedoch nicht im erforderlichen Maß verbessert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Magnetjoch mit einem Spulenfenster und einer im Spulenfenster durch eine Vergußmasse fixierten Erregerspule bestehen, anzugeben, bei dem die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Erregerspule und dem Spulenfensters des Magnetjoches verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach die Vergußmasse ein Metall und/oder eine Metallegierung ist.

Dabei besteht die Möglichkeit das Metall und/oder die Metallegierung in flüssigem Zustand in das Spulenfenster einzubringen. Da der Wicklungsdraht der Erregerspulen eine Isolierung aufweist, ist dabei zu beachten, daß die Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metallegierung unterhalb der Temperatur ist, bei der die Isolierung des Wicklungsdrahtes in irgend einer Weise degradieren kann.

Die andere Möglichkeit besteht darin, das Metall und/oder die Metallegierung in fester Form in das Spulenfenster einzubringen.

Die Erregerspule kann beispielsweise von dem Metall und/oder der Metallegierung umgeben und in das Spulenfenster eingepreßt werden.

Das Umgeben der Erregerspule mit dem Metall und/oder der Metallegierung erfolgt beispielsweise, indem die Erregerspule mit dem als Folie oder als Blech vorgefertigten Material der Metall und/oder der Metallegierung eingewickelt wird. Alternativ kann die Erregerspule in einem separaten Arbeitsschritt mit dem Material der Metall und/oder Metallegierung umgossen werden. Das Metall oder die Metallegierung sollte dabei so gewählt werden, daß eine zumindest geringfügige Kaltverformung des Metalls und/oder der Metallegierung möglich ist, ohne den Wicklungsdraht der Erregerspule zu beschädigen. Insbesondere darf die Kaltverformung des Metalls und/oder der Metallegierung beim Einpressen der mit dem Metall und/oder der Metallegierung umgebenen Erregerspule in das Spulenfenster den Wicklungsdraht nicht beschädigen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erregerspule von keilförmig ausgearbeiteten Formstücken des Metalls und/oder der Metallegierung im Spulenfenster eingeklemmt wird.

Die keilförmig ausgearbeiteten Formstücke des Metalls und/oder der Metallegierung können dabei von einer am Magnetjoch befestigten Abdeckung fixiert werden.

Dabei ist vorgesehen, daß die Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metallegierung höher als die maximale Betriebstemperatur des Aktors ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalls und/oder der Metallegierung an den der Erregerspule und des Spulenfensters angepaßt wird.

Durch den erfindungsgemäßen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung wird die in der Erregerspule anfallende Wärme zuverlässig über die aus einem Metall und/oder einer Metallegierung bestehenden Vergußmasse an das Magnetjoch abgeführt, wodurch Schäden an den Aktoren vermieden werden.

Im folgenden wird ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einer aus einem Metall und/oder einer Metallegierung bestehende Vergußmasse anhand von drei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit vier Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung,

Fig. 2 die schematische Darstellung des Magnetjochs eines Elektromagneten, bei dem die Metallegierung in flüssiger Form in das Spulenfenster eingebracht ist.

Fig. 3 die schematische Darstellung des Magnetjochs eines Elektromagneten, bei dem die Metallegierung fest, in der Form von Blechen in das Spulenfenster eingebracht ist.

Fig. 4 die schematische Darstellung des Magnetjochs eines Elektromagneten, bei dem die Metallegierung ebenfalls fest, in der Form von Keilen in das Spulenfenster eingebracht ist.

In Fig. 1 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung dargestellt, der im wesentlichen aus zwei Elektromagneten, dem Öffnermagnet 3 und dem Schließermagnet 2 besteht. Die Elektromagneten bestehen jeweils aus dem Magnetjoch 2.1, 3.1 mit dem Spulenfenster 2.2, 3.2 und der im Spulenfenster 2.2, 3.2 eingesetzten Erregerspule 2.3, 3.3 Zur thermischen Anbindung der Erregerspulen 2.3, 3.3 an das Magnetjoch 2.1, 3.1 ist in das Spulenfenster 2.2, 3.2 eine Vergußmasse 9 eingebracht, die aus einem Metall oder einer Metallegierung besteht. Die Elektromagneten werden durch zwei aus einem nicht ferromagnetischen Material gefertigte Distanzstücke 4 voneinander getrennt. Zwischen den Distanzstücken 4 oszilliert die Ankerplatte 5, an der der Ventilstößel 6.1 befestigt ist, der die auf die Ankerplatte 5 einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Magnetjoch 3.1 des Öffnermagneten 3 auf ein Gaswechselventil überträgt.

In der Verlängerung des Ventilstößels 6.1 liegt auf der Ankerplatte 5 ein Federstößel 7.1 auf, der in einer Durchführung im Magnetjoch 2.1 des Schließermagneten 2 gelagert ist, und der die auf die Ankerplatte 5 einwirkenden Kräfte auf die Aktorfeder 7.2 überträgt. Dazu ist an dem der Ankerplatte 5 entgegengesetzten Ende des Federstößels 7.1 ein Aktorfederteller 7.3 ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder 7.2 aufliegt, und über den die Aktorfeder 7.2 den Federstößel 7.1 gegen die Ankerplatte 5 preßt. Auf der Seite des Aktorfedertellers 7.3 ist an dem Federstößel 7.1 ein nicht dargestellter Magnetfeldgeber angebracht, der Teil einer Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Ankerplatte 5 ist.

Die Aktorfeder 7.2 befindet sich in einer radialsymmetrisch um die Durchführung des Federstößels 7.1 ausgebildeten, eine Wandung bildende Ausformung des Magnetjochs 2.1 des Schließermagneten 2. Die Wandung weist auf der Innenseite ein Gewinde auf, in das ein Schraubdeckel 8 eingeschraubt ist. Mittels des Schraubdeckels 8 kann die Vorspannung der Aktorfeder 7.2 verändert werden.

In der Fig. 2 ist das Magnetjoch 3.1 des Öffnermagneten 3 dargestellt, bei dem die Erregerspule 3.3 in das Spulenfenster 3.2 eingesetzt ist. Als Vergußmasse 9 ist eine Metallegierung, eine Zinn-Blei-Legierung verwendet worden, die im flüssigen Zustand in das Spulenfenster 3.2 eingebracht wurde. Die Zinn-Blei-Legierung schmilzt in einem Temperaturbereich von 200-210°Celsius. Bei diesen Temperaturen besteht beim Vergießen der Erregerspule 3.3 in dem Spulenfenster 3.2 mit der Zinn- Blei-Legierung für die Isolierung des Wicklungsdrahtes der Erregerspule 3.3 nicht die Gefahr einer Degradation. Zudem ist bei dieser Temperatur gewährleistet, daß die Festigkeit der Vergußmasse 9 beim Betrieb des Aktors, bei dem Temperaturen von typisch 160° Celsius erreicht werden, nicht abnimmt. Zur Vermeidung von Gasblasen in der Zinn-Blei-Legierung und an der Oberfläche der Erregerspule 3.3kann das Vergießen der Erregerspule 3.3 im Spulenfenster 3.2 im Vakuum und/oder durch die Verwendung elastomechanischer Schwingungen erfolgen. Die Zinn-Blei-Legierung ist dabei so gewählt, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zinn-Blei-Legierung mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Magnetjochs genau übereinstimmt.

In der Fig. 3 ist das Magnetjoch 3.1 des Öffnermagneten 3 dargestellt, bei dem die als Vergußmasse 9 verwendete Metallegierung in fester Form als Blech in das Spulenfenster 3.2 eingebracht ist. Dazu wird die Erregerspule 3.3 in das Blech der Metallegierung eingelegt, eingepreßt oder eingegossen. Die Metallegierung ist dabei so gewählt, daß eine Kaltverformung der Metallegierung ohne Beschädigung der Erregerspule 3.3 möglich ist. Eine Kaltverformung der Metallegierung erfolgt gegebenenfalls beim Umgeben der Erregerspule 3.3 mit der Metallegierung sowie beim Einsetzen der mit der Metallegierung umgebenen Erregerspule 3.3 in das Spulenfenster 3.2. Das Einsetzen der mit der Metallegierung umgebenen Erregerspule 3.3 erfolgt durch einen Preßvorgang. Gegebenenfalls wird die das Spulenfenster 3.2 aufweisende Oberfläche des Magnetjochs 2.1, 3.1 und das die Erregerspule 3.3 umgebende Blech der Metallegierung nach dem Preßvorgang plan geschliffen.

In der Fig. 4 ist das Magnetjoch 3.1 des Öffnermagneten 3 dargestellt, bei dem als Vergußmasse 9 ein Metall und eine Metallegierung in fester Form in das Spulenfenster 3.2 eingebracht ist. Das Metall und die Metallegierung sind jeweils als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Wandstärke sich in Höhe des Hohlzylinders linear ändert. Die thermische Anbindung der Erregerspule 3.3 erfolgt dabei, indem beide geringfügig unterschiedliche Außendurchmesser aufweisende Hohlzylinder im Spulenfenster 3.2 entsprechend dreieckigen Keilen gegeneinander verspannt werden und dabei die Erregerspule 3.3 im Spulenfenster 3.2 verspannen. Dabei ist der äußere Hohlzylinder 9.2 mit dem größeren Außendurchmesser aus dem Metall des Magnetjochs 3.1 gefertigt und zwischen dem Magnetjoch 3.1 und dem inneren Hohlzylinder 9.1 mit dem kleineren Außendurchmesser plaziert, wodurch der äußere Hohlzylinder 9.2 zur Magnetkraft des Elektromagneten beiträgt. Der innere Hohlzylinder 9.1 ist aus dem gleichen Material gefertigt, aus dem das Blech der Fig. 3 gefertigt ist, das eine Kaltverformung zuläßt ohne die Erregerspule 3.3 zu beschädigen. Der innere Hohlzylinder 9.1 ist zwischen dem äußeren Hohlzylinder 9.2 und der Erregerspule 3.3 plaziert. Bei der Montage des Magnetjochs 3.1 werden zuerst der innere Hohlzylinder 9.1 und die Erregerspule 3.3 in das Spulenfenster 3.2 eingesetzt. Anschließend wird der äußere Hohlzylinder 9.2 zwischen den inneren Hohlzylinder 9.1 und die Wandung des Spulenfensters 3.2 gepreßt.

Um ein Ablösen der gegeneinander verspannten Hohlzylinder 9.1, 9.2 zu vermeiden, wird das Spulenfenster 3.2 von einem beide Hohlzylinder 9.1, 9.2 fixierenden Deckel 10 abgedeckt. Zur Befestigung des Deckeis 10 sind in dem Magnetjoch 3.1 am Rand des Spulenfensters 3.2 umlaufende Nuten ausgebildet, in die der Deckel 10 einhakt und einrastet. Dieser Deckel 10 kann vorteilhaft aus einem Material gefertigt werden, beispielsweise aus einem Federstahl, das Fertigungstoleranzen kompensieren kann.

Durch das Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, bei dem die Erregerspulen 2.3, 3.3 durch eine aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehenden Vergußmasse 9 in den Spulenfenstern 2.2, 3.2 fixiert werden, wird die in den Erregerspulen 2.3, 3.3 anfallende Wärme zuverlässig abgeführt, wodurch Schäden an den Aktoren vermieden werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Magnetjoch (2.1, 3.1) mit einem Spulenfenster (2.2, 3.2) und einer im Spulenfenster (2.2, 3.2) durch eine Vergußmasse (9) fixierten Erregerspule (2.3, 3.3) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergußmasse (9) ein Metall und/oder eine Metallegierung verwendet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall und/oder die Metallegierung im flüssigen Zustand in das Spulenfenster (2.2, 3.2) eingebracht wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsdraht der Erregerspule (2.3, 3.3) mit einer Isolierung versehen wird, und daß die Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metallegierung so gewählt wird, daß sie geringer ist als die Temperatur, bei der die Isolierung des Wicklungsdrahtes degradiert.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall und/oder die Metallegierung in fester Form in das Spulenfenster (2.2, 3.2) eingebracht wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (2.3, 3.3) von dem Metall und/oder der Metallegierung umgeben und in das Spulenfenster (2.2, 3.2) eingepreßt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (2.3, 3.3) von keilförmig ausgearbeiteten Formstücken des Metalls und/oder der Metallegierung im Spulenfenster (2.2, 3.2) eingeklemmt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmig ausgearbeiteten Formstücke des Metalls und/oder der Metallegierung von einer am Magnetjoch (2.1, 3.1) befestigten Abdeckung fixiert wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metallegierung höher gewählt wird als die maximale Betriebstemperatur des Aktors.
  9. 9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalls und/oder der Metallegierung an den der Erregerspule (2.3, 3.3) und des Spulenfensters (2.2, 3.2) angepaßt wird.






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