DE10203765A1

DE10203765A1 - Elektromagnetisches Mehrwegeventil mit einer kontaktfreien elektrischen Leistungsübertragung

Info

Publication number: DE10203765A1
Application number: DE10203765A
Authority: DE
Inventors: Norbert Fortmann; Thomas Liesenhoff; Ernst-August Meyer; Wolfgang Brandes
Original assignee: Rexroth Mecman GmbH
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: DE10203765B4

Abstract

Elektromagnetisches Mehrwegeventil (1) mit mindestens einem in einem Ventilgehäuse (12) untergebrachten Schaltelement (3) zum Schalten eines Druckmittelflusses zwischen mehreren äußeren Druckmittelanschlüssen (4), wobei für eine Betätigung des Schaltelements (3) mindestens ein Elektromagnet (2) vorgesehen ist, dessen Spulenanschlüsse über elektrische Anschlussmittel bestrombar sind, die nach Art einer transformatorischen Energieübertragung ausgebildet sind, wobei der Elektromagnet (2) an mindestens einem im Ventilgehäuse (12) untergebrachten Sekundärteil (11) einer Transformatoranordnung angeschlossen ist, dessen Primärteil (7) außerhalb des Ventilgehäuses (12) angeordnet ist, um eine kontaktlose Betriebsspannungs- und Ansteuersignalübertragung zu erzielen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Mehrwegeventil mit mindestens einem in einem Ventilgehäuse untergebrachten Schaltelement zum Schalten eines Druckmittelflusses zwischen mehreren äußeren Druckmittelanschlüssen, wobei für eine Betätigung des Schaltelements mindestens ein Elektromagnet vorgesehen ist, dessen Spulenanschlüsse über elektrische Anschlussmittel bestrombar sind.
Eine Betätigung von Mehrwegeventilen mittels Elektromagneten hat sich in der Praxis wegen der einfachen elektrischen Zuführung des Ansteuersignals über eine Drahtleitung durchgesetzt. Mehrwegeventile können daneben auch manuell mechanisch oder über einen Steuerdruck mittels einer Steuerdruckleitung betätigt werden. Bei den die vorliegende Erfindung betreffenden elektromagnetischen Mehrwegeventilen kann die Betätigung des Schaltelements zum Einen direkt über einen mit dem Schaltelement mechanisch gekoppelten bewegbaren Anker erfolgen; zum Anderen kann das Schaltelement auch über eine allgemein bekannte fluidische Vorsteuerung betätigt werden, wobei ein elektromagnetisches Pilotventil zur Beaufschlagung der Vorsteuerung mit einem Steuerdruck dient. Die vorliegende Erfindung ist bei beiden Ansteuerkonzepten eines elektromagnetischen Mehrwegeventils anwendbar.
Ein gattungsgemäßes elektromagnetisches Mehrwegeventil ist aus dem Produktkatalog "Know-how in Pneumatics" (Rexroth Mecman GmbH, Drucknummer 000 10 006 01, Ausgabe 1998, Seite 15.66) bekannt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse, dessen innenliegendes Schaltelement über eine Vorsteuerung mittels oben am Ventilgehäuse angebrachter Pilotventile betätigt wird. Es sind hier mehrere elektromagnetische Mehrwegeventile zu einer Ventileinheit aneinandergereiht. Die Druckmittelversorgung erfolgt über einen gemeinsamen Druckmittelverteiler, der zu diesem Zwecke von längsverlaufenden Druckmittelkanälen durchzogen ist. Von hieraus führen einzelne Querkanäle zu den Druckmittelanschlüssen an der Montagefläche jedes Mehrwegeventils.
Die elektrische Ansteuerung der Mehrwegeventile erfolgt von einer übergeordneten Steuereinheit aus über ein entsprechendes Signalkabel. Das Signalkabel kann sowohl eine Busleitung darstellen (Bus-Version) als auch im Sinne des Prinzips einer parallelen Verdrahtung einer Anzahl von Einzelleitungen umfassen, welche der Anzahl der anzusteuernden elektrischen Spulenanschlüsse entspricht (z. B. Version 32). Bei der Ansteuerung über eine Busleitung erfolgt zunächst in einer der Ventileinheit zugeordneten Busbox eine Decodierung des seriellen Ansteuersignals in entsprechende parallele Ansteuersignale für die Mehrwegeventile. Die Busbox beinhaltet weiterhin elektronische Treiberstufen, um das Ansteuersignal zu verstärken. Die über die elektronischen Treiberstufen verstärkten Ansteuersignale werden mittels einer entsprechenden Verdrahtung an die elektrischen Spulenanschlüsse der einzelnen Mehrwegeventile weitergeleitet. Somit erfolgt eine Übertragung der Ansteuersignale entlang des gesamten Signalweges über elektrische Leitungen. Zur Herstellung der einzelnen Leitungsabschnitte sind eine Vielzahl von Stecker- Buchsen-Verbindungen erforderlich. Insbesondere werden die einzelnen elektrischen Spulenanschlüsse der Mehrwegeventile über jeweilige Steckerverbindungen kontaktiert.
Da die Vielzahl von Kontaktstellen in einem von außen her relativ frei zugänglichen Bereich liegt, in welchem bei rauhen Umgebungsbedingungen auch Nässe und mechanische Beanspruchungen auftreten, treten in der Praxis oftmals elektrische Kontaktprobleme auf. Nur über recht aufwendige Kapsel- und Sicherungsmaßnahmen zum Schutz der Stecker-Buchsen- Verbindungen kann den Kontaktproblemen bisher entgegengewirkt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die elektronische Ansteuerung eines elektromagnetischen Mehrwegeventils der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiterzuverbessern, dass eine zuverlässige elektrische Anbindung der Mehrwegeventile, insbesondere im Rahmen einer Ventileinheit, sichergestellt wird.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem elektromagnetischen Mehrwegeventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich einer Ventileinheit wird die Aufgabe durch den Anspruch 10 gelöst. Die jeweils nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die elektrischen Anschlussmittel eines elektromagnetischen Mehrwegeventils nach Art einer transformatorischen Energieübertragung ausgebildet sind. Hierbei sind konkret die Spulenanschlüsse des Elektromagneten mindestens einem im Ventilgehäuse untergebrachten Sekundärteil einer Transformatoranordnung zugeordnet, dessen Primärteil außerhalb des Ventilgehäuses angeordnet ist, um eine kontaktlose Betriebsspannungs- und Ansteuersignalübertragung zu gewährleisten.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass im sensiblen Kontaktbereich der elektrischen Spulenanschlüsse eine völlig kontaktlose Leistungsübertragung erfolgt. Sowohl die Versorgungsspannung als auch die Ansteuersignale lassen sich durch das hier eingesetzte Transformatorprinzip zum Mehrwegeventil hin über einen Luftspalt und/oder durch das dünnwandige Ventilgehäuse hindurch übertragen. Das Mehrwegeventil ist daher fast vollständig abgekapselt; allein Öffnungen zur Druckmittelver und -entsorgung sind vorzusehen. Somit kann ein Mehrwegeventil mit einem elektrisch vollständig abgeschlossenen Ventilgehäuse angeboten werden. Das erfindungsgemäße elektromagnetische Mehrwegeventil ist ohne eine elektrische Steckerverbindung darüber hinaus auch einfacher montierbar oder austauschbar.
Das Ansteuersignals für den Elektromagneten ist vorzugsweise durch Frequenzmodulation auf das Betriebswechselspannungssignal aufgeprägt. Es ist daher eine entsprechende Modulationseinheit seitens des Primärteils der Transformatoranordnung und eine korrespondierende Demodulationseinheit seitens des Sekundärteils der Transformatoranordnung vorzusehen. Vorzugsweise weist das Betriebswechselspannungssignal als Grundsignal eine Frequenz von 1 bis 10 kHz auf. Angestrebt werden sollte generell eine möglichst hohe Frequenz, um die elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente möglichst kleinbauend ausführen zu können. Es kommen dementsprechend zur Ventilbetätigung vorzugsweise auch Elektromagneten mit möglichst geringer Leistungsaufnahme zum Einsatz.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme umfasst die Transformatoranordnung ein in den Magnetkreis eingegliedertes Übertragungsteil, das zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil außerhalb des Ventilgehäuses angeordnet ist, um das vom Primärteil erzeugte magnetische Feld auf ein örtlich entferntes Sekundärteil übertragen zu können.
Zur Pufferung der Betriebsspannung innerhalb des abgekapselten Mehrwegeventils kann ein ebenfalls vom Ventilgehäuse umschlossenes elektrisches Akkumulatorelement zwischen dem mindestens einen Sekundärteil der Transformatoranordnung und den Spulenanschlüssen des Elektromagneten vorgesehen werden. Die erfindungsgemäße Lösung funktioniert aber auch ohne ein solches Akkumulatorelement.
Das Ventilgehäuse kann mehrteilig aufgebaut sein, um eine Montage und Demontage der hierin untergebrachten elektrischen und mechanischen Bauteile durch eine entsprechend funktionsmäßig sinnvolle Gehäuseteilung zu gewährleisten. Von besonderem Vorteil ist es jedoch, wenn das Ventilgehäuse einteilig ausgeführt wird, um ein insgesamt austauschbares Ventil als Gesamtbaueinheit zu schaffen. Die erfindungsgemäße kontaktlose Leistungsübertragung begünstigt dabei die einteilige Bauform des Ventilgehäuses. Ein solches einteiliges Ventilgehäuse kann beispielsweise im Spritzgussverfahren aus Kunststoff hergestellt werden, wobei die elektrischen bzw. elektronischen Bauteile direkt mit eingegossen werden können.
Das vorstehend vorgestellte erfindungsgemäße Mehrwegeventil kommt vorzugsweise im Rahmen einer Ventileinheit mit mehreren gleichartigen, aneinandergereihten Mehrwegeventilen zum Einsatz, wobei neben den Mehrwegeventilen auch eine Steuereinheit zur Umwandlung eines eingangsseitig zugeführten Ansteuersignals sowie der Betriebsspannung zu dem modulierten Betriebswechselspannungssignal vorzusehen ist. Somit ersetzt die erfindungsgemäße kontaktlose Signalübertragung die bisher übliche interne Verdrahtung einer Ventileinheit.
Hierbei kann in vorteilhafter Weise ein Übertragungsteil der Transformatoranordnung gleichzeitig auch als Montageschiene zur aneinandergereihten Anbringung der einzelnen Ventilgehäuse verwendet werden. Daneben ist es auch denkbar, das Übertragungsteil auf einem Druckmittelverteiler für die Mehrwegeventile anzuordnen. Vorzugsweise besteht das Übertragungsteil der Transformatoranordnung aus zwei im wesentlichen parallelverlaufende eisenmetallische Stabelemente, die mit den magnetischen Polen des Primärteils sowie des Sekundärteils unter Bildung eines Magnetkreises korrespondieren.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Explosionsdarstellung einer Ventileinheit mit mehreren elektromagnetischen Mehrwegeventilen und einer Steuereinheit, bei der eine kontaktlose Betriebsspannungs- und Ansteuersignalübertragung erfolgt, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Signalweges zu einem exemplarischen Mehrwegeventil.
Die pneumatische Ventileinheit gemäß Fig. 1 besteht aus mehreren einzelnen, aneinandergereihten elektromagnetischen Mehrwegeventilen 1, von denen hier lediglich eines dargestellt ist. Das Mehrwegeventil 1 weist einen Elektromagneten 2 auf, der bei Bestromung das Schaltelement 3 zur Ventilbetätigung axial verstellt. Hierdurch erfolgt in herkömmlicher Weise ein Schalten eines Druckmittelflusses zwischen mehreren äußeren Druckmittelanschlüssen 4.
Die Ansteuersignale für die einzelnen Mehrwegeventile 1 gelangen von einer neben den aneinandergereihten Mehrwegeventilen 1 angeordneten Steuereinheit 5 aus über ein Übertragungsteil 6 zu den einzelnen Mehrwegeventilen 1, wobei das Prinzip einer transformatorischen Signalübertragung angewendet wird. (Die gestrichelten Pfeillinien deuten auf die Lage im montierten Zustand hin.) Somit gelangen die Betriebsspannungs- und Ansteuersignale kontaktlos zum Mehrwegeventil 1.
Ein Primärteil 7 der Transformatoranordnung ist in der Steuereinheit 5 der Ventileinheit integriert, die einen äußeren elektrischen Anschluss 8 zum Anschluss einer - hier nicht weiter dargestellten - übergeordneten Steuereinheit aufweist. Als Eingangssignale werden der Steuereinheit 5 über den Anschluss 8 von der übergeordneten Steuereinheit aus die Betriebsspannung sowie die Ansteuersignale für die Mehrwegeventile 1 in Form von Datenbussignalen zugeführt. Eine Elektronikeinheit 9 führt eine Decodierung der Bussignale, eine entsprechende Umwandlung in Ansteuersignale für die einzelnen Mehrwegeventile 1 und eine Modulation auf das Betriebswechselspannungssignal aus.
Das modulierte Betriebswechselspannungssignal wird über das Primärteil 7 der Transformatoranordnung in ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld umgewandelt, welches über das eisenmetallische Übertragungsteil 6 weitergeleitet wird. Das Übertragungsteil 6 der Transformatoranordnung besteht hier aus zwei im wesentliche parallel zueinander verlaufenden eisenmetallischen Stabelementen 10a und 10b, die unter Bildung eines Magnetkreises gemeinsam mit den beiden magnetischen Polen des Primärteils 7 einerseits sowie den beiden magnetischen Polen eines dem Mehrwegeventil 1 zugeordneten Sekundärteils 11 andererseits korrespondieren. Das Übertragungsteil 6 der Transformatoranordnung dient gleichzeitig auch als Montageschiene zur aneinandergereihten Anbringung der einzelnen Mehrwegeventile 1 sowie der Steuereinheit 5.
Das Sekundärteil 11 der Transformatoranordnung ist direkt benachbart zum Übertragungsteil 6 innerhalb eines Ventilgehäuses 12 des Mehrwegeventils 1 untergebracht. Die Betriebsspannung sowie die elektrischen Ansteuersignale werden nach dem Transformatorprinzip mittels des Sekundärteils 11 aus dem vom Primärteil 7 erzeugten magnetischen Wechselfeld rückgewonnen. Dem Sekundärteil 11 ist eine ebenfalls vom Ventilgehäuse 12 umschlossene Elektronikeinheit 13 zum entsprechenden Demodulieren sowie zur Gewinnung der Betriebsspannung zum Schalten des Elektromagneten 2 nachgeschaltet. Ausgangsseitig der Elektronikeinheit 13 sind die Spulenanschlüsse des Elektromagneten 2 angeschlossen.
Gemäß Fig. 2 wird entsprechend des Signalflusses die Betriebsspannung Ub sowie das Ansteuersignal 5 der Elektronikeinheit 9 eingangsseitig zugeführt. Zur Elektronikeinheit 9 gehören im wesentlichen eine Steuereinheit 14 zur Umwandlung der Betriebsspannung Ub in ein Betriebswechselspannungssignal von 10 kHz, die einem nachgeschalteten Modulator 15 zugeführt wird, um das Ansteuersignal S als Bussignal hierauf zu modulieren, wobei das Verfahren einer Frequenzmodulation angewendet wird. Das modulierte Betriebswechselspannungssignal wird dem Primärteil 7 der Transformatoranordnung zugeführt. Das Primärteil 7 wandelt das modulierte elektrische Betriebswechselspannungssignal in ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld um. Das magnetische Wechselfeld wird dann über das Übertragungsteil 6 an das Sekundärteil 11 der Transformatoranordnung weitergeleitet. Das Sekundärteil 11 gewinnt aus dem magnetischen Wechselfeld das modulierte elektrische Betriebswechselspannungssignal zurück. Dieses wird anschließend in einem Demodulator 16 der Elektronikeinheit 13 demoduliert und in einer nachgeschalteten Steuereinheit 17 hinsichtlich eines gültigen Ansteuersignals ausgewertet, welches den Spulenanschlüssen des Elektromagneten 2 zum Schalten des Druckmittelflusses zugeleitet wird.
Aus dem modulierten elektrischen Betriebswechselspannungssignal wird über den Gleichrichter 18 gleichzeitig auch die Betriebsspannung zum Betrieb der Elektronikeinheit 13 sowie des Elektromagneten 2 gewonnen. Ein Akkumulatorelement 19 dient einer zusätzlichen Pufferung der Betriebspannung.
Das Sekundärteil 11 samt der zugeordneten vorstehend beschriebenen elektronischen Komponenten ist innerhalb des Ventilgehäuses 12 angeordnet, so dass die elektrische Ansteuerung des Mehrwegeventils 1 vollständig kontaktlos durch das geschlossene Ventilgehäuse 12 hindurch erfolgt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel einer Ventileinheit. Die erfindungsgemäße kontaktlose Übertragung der Ansteuersignale ist auch bei einzelnen Mehrwegeventilen unterschiedlichster Bauart prinzipiell anwendbar. Bezugszeichenliste 1 Mehrwegeventil
2 Elektromagnet
3 Schaltelement
4 Druckmittelanschluss
5 Steuereinheit
6 Übertragungsteil
7 Primärteil
8 elektrischer Anschluss
9 Elektronikeinheit
10 Stabelement
11 Sekundärteil
12 Ventilgehäuse
13 Elektronikeinheit
14 Steuereinheit
15 Modulator
16 Demodulator
17 Steuereinheit
18 Gleichrichter
19 Akkumulatorelement

Claims

1. Elektromagnetisches Mehrwegeventil (1) mit mindestens einem in einem Ventilgehäuse (12) untergebrachten Schaltelement (3) zum Schalten eines Druckmittelflusses zwischen mehreren äußeren Druckmittelanschlüssen (4), wobei für eine Betätigung des Schaltelements (3) mindestens ein Elektromagnet (2) vorgesehen ist, dessen Spulenanschlüsse über elektrische Anschlussmittel bestrombar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlussmittel nach Art einer transformatorischen Energieübertragung ausgebildet sind, wobei der Elektromagnet (2) an mindestens einem im Ventilgehäuse (12) untergebrachten Sekundärteil (11) einer Transformatoranordnung angeschlossen ist, dessen Primärteil (7) außerhalb des Ventilgehäuses (12) angeordnet ist, um eine kontaktlose Betriebsspannungs- und Ansteuersignalübertragung zu erzielen.

2. Elektromagnetisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoranordnung weiterhin ein in den Magnetkreis eingegliedertes Übertragungsteil (6) umfasst, das zwischen dem Primärteil (7) und dem Sekundärteil (11) außerhalb des Ventilgehäuses (12) angeordnet ist, um das vom Primärteil (7) erzeugte magnetische Wechselfeld auf das örtlich entfernte Sekundärteil (11) zu übertragen.

3. Elektromagnetisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Ventilgehäuse (12) angeordnetes elektrisches Akkumulatorelement (19) zur Pufferung der Betriebsspannung zwischen dem mindestens einen Sekundärteil (11) der Transformatoranordnung und dem Elektromagneten (2) angeordnet ist.

4. Elektromagnetisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignals für den Elektromagneten (2) durch eine Modulation auf das Betriebswechselspannungssignal aufgeprägt ist.

5. Elektromagnetisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebswechselspannungssignal eine Frequenz von 1 bis 10 kHz aufweist, um kleinbauende elektrische und elektronische Komponenten zu erzielen.

6. Elektromagnetisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (12) mehrteilig aufgebaut ist, um eine Montage und Demontage der hierin integrierten Bauteile durch eine funktionale Gehäuseteilung zu gewährleisten.

7. Elektromagnetisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (12) einteilig aufgebaut ist, um ein insgesamt austauschbares Ventil als Gesamtbaueinheit zu bilden.

8. Elektromagnetisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Betätigung des Schaltelements (3) über mindestens ein elektromagnetisches Pilotventil erfolgt, das den Steuerdruck eines vorgesteuerten Mehrwegeventils schaltet.

9. Elektromagnetisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Betätigung des Schaltelements (3) über mindestens einen Elektromagneten (2) erfolgt, dessen bewegbarer Anker mit dem Schaltelement mechanisch gekoppelt ist.

10. Ventileinheit mit mehreren aneinandergereihten Mehrwegeventilen (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei neben den Mehrwegeventilen (1) weiterhin eine Steuereinheit (5) zur Umwandlung des eingangsseitig zugeführten Ansteuersignals sowie der Betriebsspannung zu dem modulierten Betriebswechselspannungssignal vorgesehen ist.

11. Ventileinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsteil (6) der Transformatoranordnung gleichzeitig auch als Montageschiene zur aneinandergereihten Anbringung der einzelnen Mehrwegeventile (1) ausgebildet ist.

12. Ventileinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsteil (6) der Transformatoranordnung aus zwei im wesentliche parallelverlaufende eisenmetallische Stabelemente (10a, 10b) besteht, die unter Bildung eines Magnetkreises mit den magnetischen Polen des Primärteils (7) sowie des Sekundärteils (11) korrespondieren.