ELEKTROMAGNETISCHE SCHALTVORRICHTUNG

Elektromagnetische Schaltvorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung zum Erzeugen schneller Schaltvorgänge nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 21 39 405 ist eine elektromagnetische Schaltvorrichtung bekannt, bei der ein Anker einen flach ausgebildeten Dauermagneten enthält, der aus in elastischem Kunstoff gebundenem feinverteilten Dauermagnetmaterial besteht. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß durch die Elastizität des Ankermagneten beim Schließen des Ankers der Stoß aufgefangen wird. Aus einem Ausführungsbeispiel ist es weiterhin bekannt, zwischen dem Ende eines Polschuhs des Elektromagneten und einer Seitenfläche des anderen Polschuhs einen Hilfsmagneten anzuordnen. Der Hilfsmagnet reduziert den Einfluß des in einem Luftspalt vorhandenen Streufeldes. Die angegebene Schaltvorrichtung ist nicht für das Erzeugen schneller Stellvorgänge vorgesehen. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat demgegenüber den Vorteil, daß sehr schnelle Stellvorgänge erzeugt werden können. Die beiden Polschuhe eines Elektromagneten sind derart zusammengeführt, daß die Stirnflächen der beiden Polschuhe einen inneren Luftspalt begrenzen. In disem Luftspalt ist ein Permanentmagnet angeordnet, dessen Nord- und Südpol an jeweils eine Stirnfläche angrenzt. Gegenüber dem Permanentmagneten befindet sich ein frei beweglicher Anker, der bei eingeschaltetem Elektromagneten angezogen wird . In diesem Betriebszustand verstärkt der Permanentmagnet das auf den Anker wirkende magnetische Feld des Elektromagneten. Beim Ausschaltvorgang des Elektromagneten unterstützt der Permanentmagnet den Abbau des Magnetfeldes. Dadurch ergibt sich eine Verkürzung des Schaltvorgangs.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Eine kurze Schaltzeit ist insbesondere bei elektromagnetisch betätigten Ventilen erforderlich, die als Kraftstoffeinspritzventile einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind. Eine präzise Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge und des Einspritzzeitpunktes ermöglichen eine Verbrauchs- und gleichzeitig eine Schadstoffemissionsreduzierung.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgeaäßen Vorrichtung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Zeichnung

Figur 1 zeigt ein magnetisches Feld in einer als Schnittbild gezeigten elektromagnetischen Schaltvorrichtung bei ausgeschaltetem Elektromagneten und Figur 2 zeigt ein Magnetfeld einer als Schnittbild gezeigten elektromagnetischen Schaltvorrichtung bei eingeschaltetem Elektromagneten.

Die beiden Polschuhe 10, 11 eines in Figur 1 gezeigten Elektromagneten 12 begrenzen mit ihren Stirnflächen 13, 14 einen inneren Luftspalt 15. Mit 16 ist die Wicklung des Elektromagneten 12 bezeichnet. Zwischen den beiden Stirnflächen 13. 14 der beiden Polschuhe 10, 11 ist ein Permanentmagnet 17 an Stelle des inneren Luftspaltes 15 angeordnet. Dem Permanentmagneten 17 gegenüber befindet sich ein Anker 18, der in einem äußeren Luftspalt 19 beweglich ist. Die beiden Anschlüsse 20 der Wicklung 16 des Elektromagneten 12 sind über einen Schalter 21 mit einer Energiequelle 22 verbindbar. In Figur 1 ist der Schalter 21 in seiner geöffneten Stellung gezeichnet. Mit 23 ist ein in den Polschuhen 10, 11 des Elektromagneten 12 und im Permanentmagneten 17 verlaufendes Magnetfeld des Permanentmagneten 17 bezeichnet.

In Figur 2 ist die geschlossene Stellung des Schalters 21 gezeigt. Der Elektromagnet 12 hat den Anker 18 in den Luftspalt 19 gezogen. Mit 24 (strichpunktierte Linie) ist ein vom Elektromagneten 12 erzeugtes, in den beiden Polschuhen 10, 11 verlaufendes, Magnetfeld bezeichnet. Das Magnetfeld 23 des Permanentmagneten 17 verläuft im Bereich der Stirnflächen 13, 14 der Polschuhe 10, 11 und im Anker 18.

Die elektromagnetische Schaltvorrichtungen gemäß den Figuren 1 und 2 arbeitet folgendermaßen: Der im inneren Luftspalt 15 zwischen den beiden Stirnflächen 13, 14 der beiden Polschuhe 10, 11 des Elektromagneten 12 angeordnete Permanentmagnet 17 ist so polarisiert, daß sein Nord- und Südpol an jeweils eine Stirnfläche 13, 14 angrenzt. Der energetisch günstigste Zustand ist gegeben, wenn das Magnetfeld 23 des Permanentmagneten 17 vollständig in dem magnetischen Kreis, bestehend aus Permanentmagnet 17 und den beiden Polschuhen 10, 11, geführt wird. Ein Streufeld im äußeren Luftspalt 19 ist vernachlässigbar gering. Auf den Anker 18 wirkt deshalb keine Kraft. Die in Figur 1 eingezeichnete Feldorientϊerung kann willkürlich gewählt werden.

Dieser Feldverlauf bleibt so lange erhalten, bis der Elektromagnet 12 eingeschaltet wird. Die Anschlüsse 20 der Wicklung 16 des Elektromagneten 12 werden mit dem Schalter 21 an die Energiequelle 22 geschaltet. Die Energiequelle 22 muß einen Gleichstrom im Elektromagneten 12 hervorrufen, der ein Feld 24 des Elektromagneten 12 zur Folge hat, das entgegen dem Feld 23 des Permanentmagneten 17 gerichtet ist. Das in den Polschuhen 10, 11 ansteigende magnetische Feld 24 des Elektromagneten 12 hat zur Folge, daß das Feld 23 des Permanentmagneten 17 in den äußeren Luftspalt 19 verdrängt wird. Auch das magnetische Feld 24 des Elektromagneten 12 wird aus energetischen Gründen in den äußeren Luftspalt 19 abgedrängt. Das im äußeren Luftspalt 19 resultierende Magnetfeld durchdringt auch den beweglichen Anker 18, auf den daraufhin eine Anzugskraft wirkt. Der Anker 18 wird solange angezogen, bis der äußere Luftspalt 19 einen Minimalwert aufweist. Das kraftverursachende Magnetfeld setzt sich zusammen aus dem Magnetfeld 24 des Elektromagneten 12 und das, nunmehr im Anker 18 verlaufende, Magnetfeld 23 des Permanentmagneten 17. Die geometrischen Abmessungen des Ankers 18 sind zweckmäßigerweise so bemessen, daß im angezogenen Zustand der Permanentmagnet 17 und ein bestimmter Teil der beiden Polschuhe 10, 11 überdeckt sind. Die gemeinsame Fläche des Ankers 18 mit jeweils den Polschuhen 10, 11 sollte keine Querschnittsverengung für das magnetische Feld darstellen, um Sättigungseffekte zu vermeiden.

Nachdem der Schalter 21 zum Ausschalten des Elektromagneten 12 geöffnet wird, beginnt der Abbau des Magnetfeldes 24 des Elektromagneten 12. Der Abbauvorgang wird beschleunigt durch das entgegenwirkende Magnetfeld 23 des Permanentmagneten 17. Ein schneller Magnetfeldabbau hat zur Folge, daß die auf den Anker 18 ausgeübte Kraft ebenfalls rasch nachläßt. Eine rückstellende Kraft, die beispielsweise von einer Rückstellfeder aufgebracht wird, bewegt den Anker 18 in seine in Figur 1 gezeigten Ausgangsposition zurück.

Der Permanentmagnet 17 unterstützt im Einschaltvorgang des Elektromagneten 12 den Kraftaufbau durch sein zusätzliches Magnetfeld 23 und im Ausschaltvorgang den Abbau des Magnetfeldes 24 des Elektromagneten 12. Mit der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltvorrichtung werden demzufolge kürzere Schaltzeiten als bisher erreicht.

Kurze Schaltzeiten sind beispielsweise wichtig bei elektromagnetisch betätigten Kraftstoffeinspritzventilen für Brennkraftmaschinen. Ein präzises Festlegen des Kraftstoffeinspritzbeginns und der Kraftstoffeinspritzdauer ermöglichen eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und reduzieren gleichzeitig die entstehende Abgasemission. Der Anker 18 betätigt beispielsweise über ein nicht dargestelltes mechanisches Verbindungselement das Kraftstoffeinspritzventil. Vorzugsweise wird jedoch der Anker 18 selbst als Ventiltellsr ausgebildet, um geringstmögliche Massen zu erhalten. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung läßt sich in bekannten rotationssymetrischen Ventilen verwenden, wobei der Permanentmagnet 17 als Ringmagnet ausgebildet ist. Der Permanentmagnet 17 trägt zu einer Reduzierung des elektrischen Ansteueraufwandes für den Elektromagneten 12 bei, da die vom Elektromagneten 12 geforderte Kraft reduziert werden kann. Eine Reduzierung des Ansteueraufwandes wirkt sich kostengünstig aus, weil in praktischen Aufbauten der Schalter 21 als elektronisches Schalteleraent ausgeführt ist.