DE19531020C2 - Elektrisch-pneumatischer Umformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch-pneumatischen Umformer nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip, mit einer Spule, einem Magnetjoch, einem als Prallplatte dienenden, an einer Fügestelle Joch/Anker relativ zum Magnetjoch um eine zur Ebene der Prallplatte parallele Achse schwenk­ beweglich an dem Magnetjoch gelagerten Anker, einem im stromlosen Zustand den Anker öffnenden Federelement und einer von dem Anker bei stromdurchflossener Spule verschließbaren Düse, wobei der Anker in Form einer in wesentlicher planen Platte ausgebildet ist.

Elektrisch-pneumatische Umformer sind in vielerlei Bau­ formen mit unterschiedlichsten Prinzipien bekannt.

Infolge der fortschreitenden Automatisierung bekommen vor allem die elektronisch-pneumatischen Binärumformer mit nur zwei pneumatischen Ausgangszuständen eine wachsende Be­ deutung. Insbesondere zur Einbindung in moderne Prozeß­ leitsysteme ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch-pneu­ matischen Umformer nur eine geringe elektrische Leistung benötigen, da dann in einfacher Weise eine größere Zahl von elektrisch-pneumatischen Umformern gleichzeitig be­ trieben werden kann. Weiterhin bekommen elektrisch-pneu­ matische Binärumformer als Schaltelemente von Magnetven­ tilen eine besondere Marktbedeutung. Es gibt somit ähnlich der Mikroelektronik - wenn auch in anderer Größenordnung - auch in der Pneumatik einen Trend zur Miniaturisierung. Der Schwerpunkt dieser Entwicklung liegt dabei vor allem auf der Minimierung der elektrischen Leistungsaufnahme.

Bei Verwendung eines magnetischen Prinzips - das für seine besonders hohe Robustheit bekannt ist - ergeben sich Ana­ logien zum Relaisbau. Auch im Relaisbau ist die steigende Bedeutung von Miniaturrelais, die in einer Vielzahl von Bauformen für unterschiedliche Anwendungen auf dem Markt vorhanden sind, zu beobachten.

In Relais werden zur Optimierung Luftspalte weitestgehend in das Innere der Spule verlagert, oftmals auf zwei Luft­ spalte - wobei der Anker mittig gelagert sein kann - auf­ geteilt, und zur Erhöhung der Effektivität werden außerdem gepolte Magnetsysteme, die Dauermagnete enthalten, verwen­ det.

Im Unterschied zu elektrisch-pneumatischen Umformern ist das Konstruktionsziel im Relaisbau im allgemeinen eine möglichst hohe Kontaktkraft, wobei die Größe des vom Anker zu überwindenden Luftspaltes für die elektrische Leistungsaufnahme zwar wichtig, für die Funktion aber von untergeordneter Bedeutung ist.

Elektrisch-pneumatische Umformer nach dem Düse-Prall­ platte-Prinzip dagegen müssen sowohl ein Verschließen der Düse mit dem als Prallplatte fungierenden Anker als auch ein Öffnen der Düse mit einem Mindestabstand des Ankers realisieren, um die pneumatisch gewünschten Drücke zu erzeugen. Die Schließkraft selbst ist demgegenüber nicht funktionsrelevant.

Aus pneumatischen Gründen ist deswegen ein Mindestluft­ spalt, der als Arbeitsluftspalt benötigt wird, nicht vermeidbar, so daß die konstruktiven Änderungsmöglich­ keiten bzgl. des Magnetkreises eingeschränkt sind.

Es ist bekannt, in dem Magnetkreis hochpermeable Werkstof­ fe zu verwenden, um mit möglichst geringer elektrischer Leistung große magnetische Kräfte zu erzeugen. Allerdings setzen Luftspalte insbesondere bei hochpermeablen Werk­ stoffen die effektive Permeabilität in starkem Maße herab. Das bedeutet, daß parasitäre Luftspalte im Interesse ge­ ringer elektrischer Leistung vermieden werden müssen.

Bisherige elektrisch-pneumatische Umformer nach dem Düse- Prallplatte-Prinzip verwenden weiche Federbänder, um den Anker beweglich zu lagern. Die Federbänder besitzen für diese Aufgabe eine möglichst geringe Federsteife, damit möglichst wenig elektrische Leistung notwendig ist, um gegen die Federsteife zu arbeiten. Andererseits soll das Federband eine mechanisch unempfindliche Lagerung mit mög­ lichst geringem Luftspalt an der Lagerstelle bieten.

Elektrisch-pneumatische Umformer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sind aus der DE 42 33 299 C1 bekannt. Allerdings stellt sich unter anderem aus den oben beschriebenen gegen­ sätzlichen Forderungen an das Federband das Problem, den elek­ trisch-pneumatischen Umformer weiter zu optimieren.

Bedingt durch die geometrisch geringe Größe ergeben sich wei­ terhin Probleme in der Produktion bei der Justierung des An­ kers sowohl am Gelenk als auch bei der Einstellung des Arbeitsluftspaltes, die nur mit hohem Aufwand und entsprechen­ den Kosten zu bewältigen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen gattungsgemäßen elektrisch-pneumatischen Umformer zur Verfügung zu stellen, der sowohl in stromführendem als auch in stromlosem Zustand jeweils wohldefinierte pneumatische zustände aufweist und bei dem für den Schaltvorgang ein möglichst geringer Bedarf an elektrischer Energie besteht.

Diese Aufgabe wird in Weiterbildung des gattungsgemäßen elek­ trisch-pneumatischen Umformers dadurch gelöst, daß der Anker mit Hilfe mindestens eines senkrecht zur Ebene einer Mündungs­ öffnung der Düse stehenden, am Magnetjoch abgestützten Stiftes schwenkbeweglich geführt ist; und daß das Federelement den Anker im stromlosen Zustand von dem Magnetjoch weg gegen einen zwischen dem Federelement und der Fügestelle Joch/Anker ange­ brachten Anschlag drückt, wobei sich der Anker auf dem Magnet­ joch an der Fügestelle Joch/Anker abstützt.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der Anschlag zur Ein­ stellung eines Arbeitsluftspaltes zwischen dem Anker und der Düse senkrecht zur Ebene der Mündungsöffnung der Düse verstellbar ist.

Ferner kann vorgesehen sein, daß das Magnetjoch einteilig ausgebildet ist.

Auch kann vorgesehen sein, daß das Magnetjoch aus min­ destens zwei Bauteilen zusammengesetzt ist.

Es kann auch vorgesehen sein, daß daß das Magnetjoch ein einschenkliges äußeres Arbeitsjoch aufweist.

Ferner kann vorgesehen sein, daß das Magnetjoch ein zwei­ schenkliges äußeres Arbeitsjoch aufweist.

Auch kann vorgesehen sein, daß das Magnetjoch ein topfför­ miges Arbeitsjoch aufweist.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß der Anker drei­ eckige Grundform hat und Ausnehmungen für den Anschlag und den/die Stift(e) besitzt.

Ferner kann vorgesehen sein, daß der Anker rechteckige Grundform hat und Ausnehmungen für den Anschlag und den/ die Stift(e) besitzt.

Auch kann vorgesehen sein, daß der Anker im wesentlichen runde Grundform hat und Ausnehmungen für den Anschlag und den/die Stift(e) besitzt.

Es kann vorgesehen sein, daß das Magnetjoch einen hohlen inneren Kern aufweist, der als Pneumatikkanal genutzt ist, über den die Düse angesteuert wird.

Auch kann vorgesehen sein, daß der/die Stift(e) aus Kunst­ stoff gefertigt ist/sind.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der/die Stift(e) nahe der Fügestelle Joch/Anker angebracht ist/sind.

Ferner ist die Erfindung gekennzeichnet durch einen Spu­ lenkörper, der die Spule trägt, (eine) Ausformung(en) ent­ hält, die den/die Stift(e) bildet/bilden, und in dem der Anschlag verstellbar gehalten ist.

Weiterhin ist die Erfindung gekennzeichnet durch eine Hal­ terung, die das äußere Arbeitsjoch des Magnetjoches umfaßt und (eine) Ausformung(en) enthält, die den/die Stift(e) bildet/bilden.

Es kann vorgesehen sein, daß der Spulenkörper eine Elek­ tronikplatine trägt.

Schließlich kann vorgesehen sein, daß die Halterung eine Elektronikplatine trägt.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß der Anker bei abgeschaltetem Elektromagnet über das Federelement und einen als Hebellager wirkenden Anschlag an der Fügestelle Joch/Anker angedrückt werden kann und damit der für die elektrische Leistungsaufnahme entschei­ dende Anfangsluftspalt beim Anziehen des Ankers minimal wird.

Ausführungs­ beispiele sind anhand der schematischen Zeichnung im einzelnen erläutertert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrisch-pneumatischen Umformers ge­ mäß der Erfindung in seitlichem Schnittbild;

Fig. 2 den elektrisch-pneumatischen Umformer nach Fig. 1 in Draufsicht;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektrisch-pneumatischen Umformers gemäß der Erfindung in seitlichem Schnittbild;

Fig. 4 den elektrisch-pneumatischen Umformer nach Fig. 3 in Draufsicht;

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektrisch-pneumatischen Umformers gemäß der Erfindung in seitlichem Schnittbild; und

Fig. 6 den elektrisch-pneumatischen Umformer nach Fig. 5 in Draufsicht.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes erstes Ausführungsbeispiel des elektrisch-pneumatischen Umformers nach dem Düse- Prallplatte-Prinzip gemäß der Erfindung. Das seitliche Schnittbild zeigt die pneumatische Zuluft 1, die über eine Drossel 5 in den als Pneumatikkanal genutzten hohlen inneren Magnetjochkern einströmt und die Düse 7 ansteuert. Zwischen Drossel 5 und Düse 7 wird das pneumatische Aus­ gangssignal 3 abgenommen.

Im ausgeschaltetem Zustand drückt das Federelement 21 den Anker 11a über den als Hebellager wirkenden Anschlag 23 an der Fügestelle 16 von Joch und Anker fest an, so daß die Zuluft über den geöffneten Arbeitsluftspalt 19 entweichen kann und das pneumatische Ausgangssignal 3 entsprechend der Größe des Arbeitsluftspaltes 19 und der pneumatischen Querschnitte einen minimalen Wert annimmt.

Bei stromdurchflossener Spule 17 schließt sich der magne­ tische Kreis über den inneren Magnetjochkern 13, das äußere Magnetjoch 15a und den als Prallplatte wirkenden Anker 11a, so daß die Mündungsöffnung 9 der Düse 7 ver­ schlossen wird und das pneumatische Ausgangssignal 3 bei ganz verschlossener Düse 7 auf den Zuluftdruck ansteigt. Der beim Anziehen des Ankers 11a zu überwindende Luftspalt ist nicht größer als der aus pneumatischen Gründen notwen­ dige Arbeitsluftspalt 19, da der Anker 11a an der Füge­ stelle 16 mittels des Federelementes 21 kraftschlüssig aufliegt.

Der Anker 11a wird seitlich über hier zwei Stifte 25 ge­ führt, die, aus Kunststoff gefertigt, eine minimale Rei­ bung mit dem metallischen Anker 11a ermöglichen und in einfacher Weise als Ausformungen des Spulenkörpers 27 realisiert werden. Die Stifte 25 sind vorzugsweise nahe der Fügestelle 16 angeordnet, damit die Bewegung an den Stiften und somit auch die zu überwindende Reibung möglichst klein ist.

Der Spulenkörper wird kostengünstig so gestaltet, daß er auch den verstellbaren Anschlag 23, der in einfacher Weisem als Schraube realisiert wird, und weiterhin ideal platz­ sparend die Elektronikplatine 31 z. B. in einer vorge­ sehenen Clips- und/oder Klebeverbindung hält.

Mittels des verstellbaren Anschlags 23 kann bei ausge­ schaltetem Elektromagnet der Arbeitsluftspalt 19 durch Beobachtung des pneumatischen Ausgangssignals 3 in kom­ fortabler Weise eingestellt werden.

Je nachdem, ob der die Spule 17 durchfließende Strom kon­ tinuierliche Werte zwischen einem Strom, der nicht zum An­ ziehen des Ankers 11a ausreicht, und dem zum Verschließen der Mündungsöffnung 9 der Düse 7 notwendigen Strom annimmt oder nur zwischen den beiden Extremen schaltet, kann der elektrisch-pneumatische Umformer als Umformer mit stetiger Kennlinie oder als reiner Binärumformer verwendet werden.

Bei mittels des Spulenstroms eingestelltem Gleichgewicht zwischen der durch die Federkraft und der Anzugskraft des Ankers erzeugten Drehmomente kann durch Variation des Spulenstroms jedes pneumatische Ausgangssignal zwischen dem minimalen und maximalen Wert stabil gehalten werden.

Der Anschlag 23 wird vorzugsweise ebenso wie die Stifte 25 nahe der Fügestelle 16 angeordnet, damit die durch den Hebel realisierte Andruckkraft an der Fügestelle 16 eine gute Auflage und einen möglichst geringen parasitären Luftspalt sicherstellt. Dabei ist die Entfernung des An­ schlages 23 von der Fügestelle 16 so groß gewählt, daß die Verstellbarkeit des Anschlags 23 noch eine feine Ein­ stellung des Arbeitsluftspaltes 19 ermöglicht.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des elektrisch-pneumatischen Umformers gemäß Fig. 1. Der Anker 11a verjüngt sich in dieser Ausführung, wie in der Zeichnung angedeutet, im Bereich der Düse 7 und besitzt dadurch eine dreieckige Grundform. Der Anker 11a ist damit besonders massearm und besitzt ein niedriges Massenträgheitsmoment bezüglich der Teilkreisbewegung um die Fügestelle 16. Weiterhin wird eine besonders geringe Stoßempfindlichkeit erreicht, indem der Anker 11 durch diese dreieckige Grundform bezüglich des Anschlags 23 ausgewuchtet ist.

Die Stifte 25 greifen in einfacher Weise in zwei seitliche Ausnehmungen des Ankers 11a und sind direkt neben der Fügestelle 16 am äußeren Magnetjoch 15a plaziert.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrisch-pneumatischen Umformers in ebenfalls seitlichem Schnittbild mit Änderungen gegenüber Fig. 1 in der Ausbildung des äußeren Magnetjochs 15b und des Ankers 11b.

Das äußere Magnetjoch 15b ist bei diesem Ausführungsbei­ spiel zweischenklig und der Anker 11b im Vergleich zu Fig. 1 länger ausgebildet, so daß der magnetische Kreis sich beim Anziehen des Ankers über beide Schenkel des äußeren Magnetjochs 15b schließt.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht des elektrisch-pneumatischen Umformers gemäß Fig. 3. Der Anker 11b besitzt wie in Fig. 2 Ausnehmungen für die Stifte 25 und den Anschlag 23, hat aber, als wesentlicher Unterschied, eine rechteckige Grundform.

Die Geometrie dieses Magnetjochs entspricht damit den in der Technik oft gebräuchlichen E-Kernen, die in verschie­ denen Ausführungsformen zu günstigen Preisen erhältlich sind.

Die Polflächen des Magnetkreises sind durch das zwei­ schenklige äußere Magnetjoch 15b und den Anker 11b mit rechteckiger Grundform groß und ermöglichen eine große Anzugskraft mit geringer Streuung.

Die Funktion der Ausführungsform nach Fig. 3 und Fig. 4 entspricht im weiteren dem in Fig. 1 und 2 dargestellten und vorstehend beschriebenen elektrisch-pneumatischen Um­ former und wird deswegen hier nicht noch einmal beschrie­ ben.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, nach der das äußere Magnetjoch 15c topfförmig ausge­ bildet ist und der zugehörige Anker 11c in entsprechender Weise eine runde Grundform besitzt. Der Anker 11c besitzt in diesem Fall - wie in Fig. 6 dargestellt - neben der wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen vorhandenen Aus­ nehmung für den Anschlag 23 eine halbmondartige Ausneh­ mung, in die die Stifte 25 greifen und auf deren einer als Fügestelle 16 wirkende Kante der Anker 11c auf dem topf­ förmigen äußeren Magnetjoch 15c aufliegt und damit de­ finiert eine Teilkreisbewegung um diese Fügestelle 16 ausführen kann.

Mit Ausnahme des Bereiches dieser Ausnehmung werden Streu­ flüsse durch das topfförmige äußere Magnetjoch 15c und den Anker 11c in idealer Weise ausgeschlossen, so daß mit mi­ nimaler elektrischer Leistung eine hohe Anzugskraft reali­ sierbar ist.

Ein topfförmiges Magnetjoch der beschriebenen Art ist in der Technik als Schalenkern wohlbekannt und zu günstigen Preisen in verschiedenen Ausführungen erhältlich.

Das in Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsbeispiel be­ sitzt eine Halterung 29, die das äußere Magnetjoch 15c umgreift, Ausformungen besitzt, die die Stifte 25 bilden, und eine auf einer Seite angebrachte Elektronikplatine 31 hält.

Der weitere Aufbau und die Funktionsweise entspricht wiederum der in Fig. 1 und 2 dargestellten und schon be­ schriebenen Ausführungsform und soll deswegen nicht wiederholt werden.

Auch mit dieser Geometrie des topfförmigen Magnetjochs kann/können erfindungsgemäß der/die Stift(e) 25 als Ausgangsformung(en) des Spulenkörpers 27 bei entsprechend geänderten Ausnehmungen des Ankers 11c realisiert werden.

Die Anzahl der Stifte 25 kann im Rahmen des Erfindungsge­ dankens auch von den in allen dargestellten Ausführungs­ formen verwendeten zwei Stiften abweichen, wobei mehr als zwei Stifte im allgemeinen nicht notwendig sind, um den Anker gegen ein seitliches Verschieben oder Verdrehen zu sichern.

Je nach Geometrie des Stiftes und der entsprechenden Aus­ nehmung in dem Anker kann auch ein einzelner Stift für diese Aufgabe ausreichen, wobei die Forderung geringerer Reibung diese Möglichkeit erschwert.

Weiterhin können die in den Ausführungsbeispielen ge­ trennten Bauteile wie Düse 7, innerer Magnetjochkern 13 und äußeres Magnetjoch 15a, 15b, 15c gemäß dem Erfindungs­ gedanken in einem einzigen Bauteil oder in verschiedener Kombination in zwei Bauteilen zusammengefaßt werden.

Claims (17)

1. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach dem Düse- Prallplatte-Prinzip, mit einer Spule, einem Magnetjoch, einem als Prallplatte dienenden, an einer Fügestelle Joch/Anker relativ zum Magnetjoch um eine zur Ebene der Prallplatte parallele Achse schwenkbeweglich an dem Magnetjoch gelagerten Anker, einem im stromlosen Zustand den Anker öffnenden Federelement und einer von dem Anker bei stromduchflossener Spule verschließbaren Düse, wobei der Anker in Form einer im wesentlichen planen Platte ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (11a, 11b, 11c) mit Hilfe mindestens eines senkrecht zur Ebene einer Mündungsöffnung (9) der Düse (7) stehenden, am Magnetjoch (15a, 15b, 15c) abgestützten Stiftes (25) schwenkbeweglich geführt ist; und daß das Federelement (21) den Anker (11a, 11b, 11c) im stromlosen Zustand von dem Magnetjoch (15a, 15b, 15c) weg gegen einen zwischen dem Federelement (21) und der Fügestelle Joch/Anker (16) angebrachten Anschlag (23) drückt, wobei sich der Anker (11a, 11b, 11c) auf dem Magnetjoch (15a, 15b, 15c) an der Fügestelle Joch/Anker (16) abstützt.

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (23) zur Einstellung eines Arbeitsluftspaltes (19) zwischen dem Anker (11a, 11b, 11c) und der Düse (7) senkrecht zur Ebene der Mündungsöffnung (9) der Düse (7) verstellbar ist.

3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Magnetjoch (15a, 15b, 15c) einteilig ausgebildet ist.

4. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Magnetjoch (15a, 15b, 15c) aus mindestens zwei Bauteilen zusammengesetzt ist.

5. Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (15a) ein einschenkliges äußeres Arbeitsjoch aufweist.

6. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (15b) ein zweischenk­ liges äußeres Arbeitsjoch aufweist.

7. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (15c) ein topfförmiges Arbeitsjoch aufweist.

8. Umformer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (11a) dreieckige Grundform hat und Ausnehmungen für den Anschlag (23) und den/die Stift(e) (25) besitzt.

9. Umformer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (11b) rechteckige Grundform hat und Ausnehmungen für den Anschlag (23) und den/die Stift(e) (25) besitzt.

10. Umformer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (11c) im wesentlichen runde Grundform hat und Ausnehmungen für den Anschlag (23) und den/die Stift(e) (25) besitzt.

11. Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (15a, 25b, 15c) einen hohlen inneren Kern (13) aufweist, der als Pneumatikkanal genutzt ist, über den die Düse (7) angesteuert wird.

12. Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Stift(e) (25) aus Kunststoff gefertigt ist/sind.

13. Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Stift(e) (25) nahe der Fügestelle (16) Joch/Anker angebracht ist/sind.

14. Umformer nach einem der Ansprüche 2 bis 13, gekenn­ zeichnet durch einen Spulenkörper (27), der die Spule (17) trägt, (eine) Ausformung(en) enthält, die den/die Stift(e) (25) bildet/bilden, und in dem der Anschlag (23) verstellbar gehalten ist.

25. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekenn­ zeichnet, durch eine Halterung (29), die das äußere Arbeitsjoch des Magnetjoches (15a, 15b, 15c) umfaßt und (eine) Ausformung(en) enthält, die den/die Stift(e) bildet/bilden.

16. Umformer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (27) eine Elektronikplatine (31) trägt.

17. Umformer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (29) eine Elektronikplatine (31) trägt.