Magnetventile am Limit: Innovative Eisen-Kobalt

Berichte zur Energie- und Verfahrenstechnik, Heft 11.1, Hrsg. A. Leipertz, 2011; ISBN: 3-931901-72-6
Sitzung 8: Einspritzung
Magnetventile am Limit: Innovative Eisen-Kobalt-Werkstoffe
eröffnen neue Möglichkeiten
Innovative Iron-Cobalt-Alloys open up new Opportunities for Solenoid
Valves
Dr. W. Pieper, Dr. N. Volbers und Dr. J. Gerster
Vacuumschmelze GmbH & CO. KG, Hanau
Kurzfassung/Abstract
Neu entwickelte weichmagnetische Eisen-Kobalt-Werkstoffe ermöglichen die
Realisierung von Magnetventilen mit hohen Kräften und kurzen Schaltzeiten. Ein hoher
elektrischer Widerstand eines weichmagnetischen Aktorwerkstoffs unterdrückt beim
Schaltvorgang Wirbelströme und ermöglicht damit einen schnelleren Kraftaufbau und
ebenso einen schnellen Kraftabbau. VACOFLUX® 18 HR ist ein neuer Werkstoff mit
gegenüber Standard Eisen-Silizium-Werkstoffen deutlich erhöhtem Widerstand und
einer durch einen Co-Gehalt von 18 % hohen magnetischen Sättigungsinduktion. In
FEM-Simulationen eines einfachen Aktors zeigt sich ein wesentlich schnellerer
Kraftanstieg, der auf kürzere realisierbare Schaltzeiten hinweist.
Bei der Einspritzung von Benzin oder Gas sind für Aktorkomponenten, die mit dem
Kraftstoff in Berührung kommen, Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit zu
berücksichtigen. Daher werden in diesen Anwendungen Cr-haltige Stähle, meist 12 %oder 18 %-Cr-Stähle eingesetzt. Der hohe Cr-Anteil führt zu einer erheblichen
Absenkung der magnetischen Sättigungsinduktion dieser Werkstoffe. Beim
korrosionsbeständigen Eisen-Kobalt-Chrom-Werkstoff VACOFLUX® 9CR kann durch
die höhere Sättigung von B(400 A/cm)=1,85T nach FEM-Simulationen die
Maximalkraft und auch der Kraftanstieg in einem Aktor gegenüber Cr-Stählen deutlich
verbessert werden.
1. Einleitung
Die Optimierung von Aktoren zur Kraftstoffeinspritzung ist ein wesentlicher Beitrag
zur Verbesserung der Performance von Verbrennungsmotoren. Abgasreduzierung und
Verbrauchsminimierung sind dabei wichtige Ziele. Seit mit dem Piezo-Aktor eine
Alternative zum magnetisch betätigten Ventil besteht, ist der Innovationsdruck auch bei
Magnetventilen gestiegen. Vor allem eine Verringerung der Schaltzeiten und des
Bauvolumens werden gefordert. Dies lässt sich durch eine Verbesserung des
Aktordesigns und die Verwendung verbesserter Werkstoffe realisieren.
Durch die Verwendung eines weichmagnetischen Eisen-Kobalt-Werkstoffs konnte
bereits vor 10 Jahren die Performance von Dieseleinspritzsystemen deutlich verbessert
werden. Eine gegenüber Standard-Ventilstählen höhere magnetische Sättigung
ermöglichte deutlich höhere Kräfte im Ventil bei gleichem Bauvolumen. Eisen-KobaltLegierungen sind die weichmagnetischen Werkstoffe mit der höchsten magnetischen
Sättigungsinduktion aller auf dem Markt verfügbaren Werkstoffe. Der magnetisch
optimale Werkstoff mit 49%Co - 49%Fe und 2%V hat aufgrund der hohen
Rohstoffkosten von Kobalt einen deutlichen Nachteil in preissensitiven Anwendungen.
Durch die Reduzierung des Kobaltgehaltes auf 17 % mit dem Werkstoff
Sitzung 8: Einspritzung
VACOFLUX® 17 konnten die Kosten des Werkstoffs deutlich reduziert werden, was
einen Einsatz in Magnetventilen in Dieseleinspritzsystemen ermöglichte.
2. Optimierter weichmagnetischer Werkstoff für die Dieseleinspritzung
50
100
45
90
40
80
35
70
30
60
25
50
Vacoflux 18 HR
20
Strom I
15
30
Vacoflux 17
10
20
49%Co Fe
5
40
Kraft auf den Anker in N
Strom in A
Ein hoher elektrischer Widerstand eines weichmagnetischen Aktorwerkstoffs
unterdrückt beim Schaltvorgang Wirbelströme und ermöglicht damit einen schnelleren
Kraftaufbau im Aktor. Ebenso wird der oft noch kritischere Kraftabbau dadurch
beschleunigt. VACOFLUX® 18 HR ist ein neuer Werkstoff [1] mit einem gegenüber
3%-Silizium-Eisen deutlich erhöhten Widerstand von 0,65µm und einer durch einen
Co-Gehalt von 18% hohen Sättigung (Tab. 2). In FEM-Simulationen zeigt sich ein im
Vergleich zum Referenzwerkstoff 3% Silizium-Eisen deutlich schnellerer Kraftanstieg,
der auf niedrigere realisierbare Schaltzeiten hinweist (Abb.1).
10
3%Si Fe
0
0
0
0,05
0,1
0,15
Zeit in ms
0,2
0,25
Abbildung 1: FEM-Simulation des Kraftanstiegs in einem magnetischen Aktor für
unterschiedliche weichmagnetische Werkstoffe, Abmessungen des Anker-Topf-Systems:
Eisenweg lFe=3,35 cm, Luftspalt x=0,02 cm, effektive Permeabiliät µeff = 168 ,
Windungszahl der Bewicklung N=28, Strom I=40A, [1]
3. Optimierter korrosionsbeständiger weichmagnetischer Werkstoff für
die Benzineinspritzung
Bei der Einspritzung von Benzin oder Gas sind für Aktorkomponenten, die mit dem
Kraftstoff in Berührung kommen, Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit zu
berücksichtigen. Daher werden in diesen Anwendungen üblicherweise Cr-haltige
Stähle, meist 12%- oder 18%-Cr-Stähle eingesetzt. Der hohe Cr-Anteil führt zu einer
erheblichen Absenkung der magnetischen Sättigung dieser Werkstoffe. Mit dem
korrosionsbeständigen Eisen-Kobalt-Werkstoff VACOFLUX® 9 CR (Tab.2) kann nach
Simulationen die Maximalkraft und auch der Kraftanstieg gegenüber Cr-Stählen
verbessert werden [2].
Da die Korrosionsbeständigkeit stark vom korrodierenden Medium abhängt wurde
zunächst als Referenz das elektrochemische Potential verschiedener Legierungen in
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Sitzung 8: Einspritzung
synthetischem Meerwasser gegen eine Ag/AgCl-Elektrode (nach 25 min) bestimmt. Die
auf eine Wasserstoff-Elektrode umgerechneten Werte sind in Tabelle 1 dargestellt. Das
elektrochemische Potential einer 13% Cr Legierung steigt demnach mit von 0 auf 9%
wachsendem Co-Gehalt an.
Werkstoff
Potenzial gegen H2
Galvanisch Nickel
13% Cr + 9% Co
13% Cr + 6% Co
13% Cr + 3% Co
13% Cr + 0% Co
Kupfer
VACOFLUX® 17
Aluminium
+50,9 mV
+7,3 mV
-8,7 mV
-11,1 mV
-13,4 mV
-47,9 mV
-305,9 mV
-522,1 mV
Tabelle 1: Elektrochemisches Potential einer 13% CrFe Legierung mit Zulegierungen
von 0 bis 9% Co gegen eine Wasserstoffelektrode und an bekannten Werkstoffen
gemessene Referenzwerte
VACOFLUX 9CR
V2A-Stahl
Abbildung 3: Blanke Oberflächen der Materialproben VACOFLUX® 9 CR und
Referenz V2A-Stahl nach 96h Salzsprühtest, (Ausgangszustand beider Proben: nach
Glühung überdrehte Oberfläche)
Nach einem über 96 Stunden durchgeführten Salzsprühtest zeigte ein Probenstab aus
VACOFLUX® 9 CR eine blanke Oberfläche mit einem einzelnen Rostpunkt an einer
Kontaktstelle zur Halterung. Eine Referenzprobe aus V2A-Stahl zeigt abgesehen von
leichter punktueller Rotrostbildung auf einer Seite ebenfalls eine weitgehend blanke
Oberfläche. Die Proben in Abbildung 3 wurden nach einer Glühung von 10h bei 800°C
unter H2-Atmosphäre nochmals überdreht. Dies entspricht dem Zustand eines als
Drehteil gefertigten Ankers für ein Magnetventil.
4. Zusammenfassung
Die Sättigung eines weichmagnetischen Werksstoffs begrenzt beim Einsatz in einem
magnetischen Aktor wie einem Magnetventil die maximale realisierbare Kraft, während
der elektrische Widerstand die realisierbaren Schaltzeiten beeinflusst. Abb. 2 zeigt
einen Überblick über die Eigenschaften von weichmagnetischen Eisen-Kobalt
Aktorwerkstoffen sowie Referenzwerkstoffen. Bei der Werkstoffoptimierung werden
eine hohe Sättigung und ein hoher elektrischer Widerstand angestrebt.
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Sitzung 8: Einspritzung
Sättigungspolarisation J s in T
2,4
50% CoFe: Vacoflux® 50
2,3
17% CoFe: Vacoflux® 17
2,2
Iron
2,1
Vacoflux® 18 HR
3% SiFe
Trafoperm N3
2,0
1,9
Vacoflux® 9CR
Optimierung
1,8
1,7
Chromstähle
FeCr12
1,6
1,5
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Elektrischer Widerstand r in µm
0,6
0,7
0,8
Abbildung 2: Magnetische Sättigung und elektrischer Widerstand von verschiedenen
hochsättigenden Eisen-Kobalt-Werkstoffen und Standard-Werkstoffen als Referenz
Tabelle 2 zeigt eine Übersicht über magnetische Kenngrößen, den elektrischen
Widerstand und die Streckgrenze im geglühten Zustand für den seit 10 Jahren bei der
Dieseleinspritzung etablierten Werkstoff VACOLUX® 17 und die neuen Werkstoffe
VACOFLUX® 18 HR und VACOFLUX ® 9 CR (korrosionsbeständig).
Während VACOFLUX® 18 HR bereits in Serienprodukten eingesetzt wird, ist der seit
2010 marktverfügbare Werkstoff VACOFLUX® 9CR in verschiedenen Anwendungen
in der Bemusterungsphase.
Material
VACOFLUX® 17
VACOFLUX® 18 HR
VACOFLUX® 9 CR
B(400A/cm)
in T
2,24
2,11
1,85
Hc
in A/cm
1,35
1,7
1,5
Widerstand r
in µm
0,41
0,65
0,79
Streckgrenze
in MPa
250
400
290
Tabelle 2: Überblick über die Eigenschaften von Eisen-Kobalt-Werkstoffen für
Magnetventile
5. Referenzliste
[1]
W. Pieper, J. Gerster:
High resistivity and high saturation iron-cobalt-alloy for fast switching high
force magnetic actuators, Actuator 2008, 11th International Conference on New
Actuators, 09.-11.06.2008, Bremen
[2]
W. Pieper, J. Gerster:
Soft magnetic iron-cobalt-chromium-alloy with improved corrosion resistance
for fast switching high force magnetic actuators in fuel injection applications,
Actuator 2010, 12th International Conference on New Actuators, 14.-16.06.2010,
Bremen
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