DE19636207C2

DE19636207C2 - Elektrisch-fluidischer Wandler

Info

Publication number: DE19636207C2
Application number: DE1996136207
Authority: DE
Inventors: Stefan Kolbenschlag
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2016-09-07
Also published as: DE19636207A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch-fluidischen Wandler.

Elektrisch-fluidische Wandler dienen dem schnellen und leistungsarmen Umformen elektri scher Signale in fluidische Signale. So sind Wandler mit einem Gehäuse, mindestens einer Spule, einem nicht beweglichen und einem beweglichen Teil eines Magneteisenkreises, wobei der nicht bewegliche Teil des Magneteisenkreises die Spule(n) aufnimmt, während der be wegliche Teil einen magnetischen Rückschluß bildet und die Form einer im wesentlichen planen Platte besitzt, mindestens einem Federelement, das den Rückschluß entgegen der Schließrichtung des Magneteisenkreises mit Kraft beaufschlagt sowie mindestens einer Fluidzuführung und mindestens einer Fluidabführung, von denen wenigstens eine mittels des Rückschlusses verschließbar ist, bekannt und werden meist mit piezoelektrischen oder elek tromagnetischen Elementen versehen. Der Träger der fluidischen Signale ist dabei üblicher weise Luft. Im Vergleich mit piezoelektrischen Ausführungen sind elektromagnetische Bauformen im allgemeinen vorteilhaft, da sie sich durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit auszeichnen. Allerdings sind besondere konstruktive Anstrengungen notwendig, um die be nötigte Aktorik elektromagnetischer Bauformen mit geringer Leistung zu schalten.

Aus der US-PS 3 586 287 sowie der DE 38 01 035 A1 sind elektropneumatische Ventile mit jeweils einem Elektromagneten und einem Federelement zum Bewegen eines Rückschlusses zwischen zwei Endlagen bekannt, bei denen der magnetische Rückschluß jeweils mit Spiel in im wesentlichen zu seiner Bewegungsrichtung senkrechten Richtungen angeordnet ist. Die Lagerung des Rückschlusses gemäß der US-PS 3 586 287 ist dabei schwimmend, und die DE 38 01 035 A1 offenbart eine Vielzahl von Lagerungen des Rückschlusses, unter anderem auch eine schwimmende Lagerung.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 195 05 233 A1 mit älterem Zeitrang ist bekannt, den magnetischen Rückschluß nach dem Prinzip eines Klappankers aufzubauen, wobei insbesondere die Konstruktion der Kippachse darüber entscheidet, mit welcher elektrischen Leistungsaufnahme und Geschwindigkeit der Wandler arbeitet. Es wird ferner offenbart, wie der Anker mittels der Kippachse zu lagern ist, so daß er sich möglichst plan auf die Polflächen auflegen kann, ohne daß die Kippbewegung mit star ker Reibung verbunden ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Kippachse des Klappankers und die Polflächen des Elektromagne ten exakt in einer Ebene liegen. Allerdings ist ein hoher Fertigungsaufwand notwendig, da nur geringe Toleranzen gedul det werden können; hierdurch entstehen hohe Kosten.

Ein weiteres Beispiel ist in der US 4 579 137 offenbart. Der beschriebene elektrisch-fluidische Wandler arbeitet nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip. Eine mit Strom beaufschlagte Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches ein aus zwei Gehäuseteilen bestehenden Magnetkreis magnetisiert und hierdurch eine Kraft auf den magnetisch leitenden Bereich einer Membran ausübt, wodurch die Position der Membran über dem Ventilsitz verändert wird. Im Unterschied zu den vorher genannten Schriften ist keine Kippachse zur Lagerung des magnetischen Rückschlusses vorgesehen. Die bewegliche Anordnung des magnetisch leitenden Bereichs wird durch die magnetisch nicht leitende Membran erreicht, wodurch der magnetisch leitende Bereich gleichzeitig zentrisch geführt wird. Der magnetisch leitende Bereich ist über seine feste Verbindung zur Membran infolge des Magnet feldes entgegen der Federkraft der Membran beweglich und kann in seiner Position zwischen den beiden Gehäuseteilen kon tinuierlich eingestellt werden, wodurch ebenfalls der pneuma tische Ausgang kontinuierlich in Abhängigkeit vom Spulenstrom einstellbar ist. Auch bei dem hier beschriebenen elektrisch fluidischen Wandler sind hohe Anforderungen an die Fertigungs toleranzen gestellt, wodurch hohe Kosten entstehen.

Weiterhin sind elektrisch-fluidische Wandler bekannt, die zur Führung des Rückschlusses eine Art Blattfeder ("Spinnenfeder") anstelle einer Membran, wie im Zusammenhang mit der US 4 579 137 beschrieben, benutzen. Der magnetische Rückschluß ist fest mit der Spinnenfeder verbunden und kann entgegen der Federkraft ausgelenkt werden. Auch hier ist die Fertigung durch hohe Anforderungen an die Genauigkeit besonders schwierig.

Ein elektrisch-fluidischer Wandler, welcher ebenfalls mit einem Klappanker ausgestattet ist, ist in der EP 0 400 504 B1 offenbart. Eine reibungsarme und damit leistungsarme Konstruk tion soll hier dadurch erreicht werden, daß Führungen aus elastischem Polymer vorgesehen ist, die die Bewegungen des Klappankers lenken.

Bei den zuvor beschriebenen elektrisch-fluidischen Wandlern ist weiterhin nachteilig, daß der Rückschluß nicht frei von seitlichen Zwangskräften ist und somit nicht seitlich ver schiebbar ist. Durch die Möglichkeit des seitlichen Verschie bens wäre nämlich ein zusätzlicher Freiheitsgrad gegeben, so daß sich der Rückschluß in energetisch idealer Weise auf die Polflächen legen könnte und somit ein bei gegebener Konstruk tion minimaler Haltestrom erforderlich wäre. Bei den vorge nannten Beispielen können zwar mit entsprechend hohem Ferti gungsaufwand Polflächen und Rückschlüsse geschaffen werden, welche hinreichend plan und eben sind, ein seitliches Ver schieben des Rückschlusses in Richtung des Energieminimums, dessen Lage von zahlreichen Randbedingungen abhängt, ist je doch nicht möglich.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrisch-fluidischen Wandler zu lie fern, der einfach und kostengünstig zu fertigen ist und insbesondere bei angezogenem Elek tromagnet nur eine geringe elektrische Leistung zum Halten des magnetischen Rückschlusses benötigt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen elektrisch-fluidischen Wandler nach An spruch 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektrisch-fluidischen Wandlers sind in den Unteransprüchen 2 bis 17 beschrieben.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch eine schwimmende Anordnung des magnetischen Rückschlus ses besonders günstige energetische Verhältnisse geschaffen werden. Wird der magnetische Rückschluß im stromführenden Zustand der Spulen gegen die Polflächen des unbeweglichen Teils des Magneteisenkreises gedrückt, so kann er wegen seines seitlichen Spiels die energetisch günstigste Lage einnehmen, so daß ein minimaler Haltestrom fließt. Dies ist bei anderen Konstruktionen, in welchen der magnetische Rückschluß eine feste mechanische Führung besitzt, nur schwer realisierbar. Es ist eine hohe Anforderung an die mechanische Fertigung zu stellen, will man eine nahezu optimale Lage des magnetischen Rückschlusses im stromführenden Zustand trotz einer solchen mechanischen Führung ermöglichen. Insbesondere sind die elektromagnetischen Bedingungen häufig durch zahlreiche Randbedingungen, wie beispielsweise Streufelder, beeinflußt, so daß die bezüglich des erforderlichen Energieaufwandes optimale Lage des magnetischen Rückschlusses durchaus vari ieren kann. Der erfindungsgemäße elektrisch-fluidische Wandler bietet weiterhin die Möglichkeit, Führungen für den magnetischen Rückschluß in kostengünstiger Weise in dem Gehäuse anzuordnen, so daß das seitliche Spiel begrenzt ist. So kann der elektrisch-fluidische Wandler auch unter Bedingun gen verwendet werden, die mechanische Belastbarkeit, bei spielsweise durch Stöße, erforderlich machen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Federanordnung vorspannbar konstruiert sein kann, so daß der elektrisch-fluidische Wandler entsprechend der vorliegenden Erfindung variabel bei verschiedenen Druckbedingungen einsetzbar ist.

Anhand der beiligenden Zeichnungen werden im folgenden besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines elektrisch-fluidischen Wandlers in einer seitlichen Schnittansicht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines elektrisch-fluidischen Wandlers in einer seitlichen Schnittansicht,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines elektrisch-fluidischen Wandlers in einer seitlichen Schnittansicht.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrisch-fluidischen Wandlers. In einem Gehäuse 27 befindet sich ein elektromagnetisches System mit einem Magneteisenkreis, der aus einem nicht beweglichen Teil und einem magnetischen Rückschluß 3 besteht. Der nicht bewegliche Teil des Magneteisenkreises 1 bildet eine schalen kernartige, im wesentlichen rotationssymmetrische Form. Die Symmetrieachse liegt in der dargestellten Schnittebene und verläuft entlang der unten beschriebenen Fluidführungen 9, 11. Der magnetische Rückschluß 3 ist eine plane Platte. Ebenfalls rotationssymmetrisch um den Kern des nicht beweglichen Teils des Magneteisenkreises 1 ist eine Spule 5 angeordnet. Der magnetische Rückschluß 3 wird von Federlementen 7, welche außerhalb des nicht beweglichen Teils des Magneteisenkreises angeordnet sind, entgegen der Schließrichtung des elektro magnetischen Kreises mit Kraft beaufschlagt. Die elektro magnetische Anordnung befindet sich innerhalb des Gehäuses 27 in einer Fluidkammer 19. Diese ist mit dem Außenbereich des Gehäuses 27 über Öffnungen 9, 11, 29, 31 verbunden. Hierbei bilden zwei Öffnungen die Fluidführungen 9, 11, wobei die Fluidführung 11 gleichzeitig der Fluideingang 29 ist. Eine weitere Öffnung bildet den Signalausgang 31. Die Fluidführung 9 dient als Auslaßdüse, über die das Fluid aus der Fluidkammer 19 entweichen kann. Der magnetische Rückschluß 3 weist in der Nähe der Fluidführung 9 Ausnehmungen 25 auf. Mit einer seiner planen Seiten ist der magnetische Rückschluß 3 den Polflächen 15 des vom nicht beweglichen Teil des Magneteisenkreises gebildeten Elektromagneten zugewandt.

Beim Betrieb des elektrisch-fluidischen Wandlers kann sich der magnetische Rückschluß 3 zwischen zwei Endlagen hin und her bewegen. Befinden sich die Spulen 5 in stromlosem Zustand, so werden die Federlemente 7 den magnetischen Rückschluß 3 von den Polflächen 15 wegdrücken, so daß er sich an der Gehäuse innenwand abstützt. In dieser Lage verschließt der magnetische Rückschluß 3 die Fluidführung 11, die als Einlaßdüse dient. Wird durch den Stromfluß in der Spule 5 eine hinreichend große magnetische Kraft aufgebracht, so kann sich der mag netische Rückschluß 3 entgegen der Federkraft auf die Pol flächen 15 des nicht beweglichen Teils des Magneteisenkreises 1 auflegen. In diesem Fall wird von dem magnetischen Rück schluß 3 die Fluidführung 9 verschlossen, so daß der Druck am Signalausgang 31 auf den Druck am Signaleingang 29, der von der Fluidführung 11 gebildet wird, ansteigt. Da der mag netische Rückschluß 3 auf den Federn 7 schwimmend gelagert ist, daß heißt seitliches, senkrecht zur Bewegungsrichtung des magnetischen Rückschlusses 3 gerichtetes Spiel aufweist, kann er auf den Polflächen 15 eine energetisch günstige Lage einnehmen, so daß mit minimalem Haltestrom gearbeitet werden kann. Die Ausnehmungen 25 ermöglichen vorteilhaft ein schnelles Bewegen des magnetischen Rückschlusses 3, da die ansonsten beim Verdrängen des Fluids auftretende Dämpfung verhindert wird. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs form ist weiterhin bemerkenswert, daß bei verschlossener Auslaßdüse die durch den Differenzdruck zwischen Fluidkammer 19 und der Fluidführung 9 vorhandene Kraft den magnetischen Rückschluß 3 ebenfalls auf die Polflächen 15 drückt und der Haltestrom damit noch niedriger gewählt werden kann.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform in Fig. 1 ist hier keine gekapselte Fluidkammer 19 vorhanden. Stattdessen wird nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip gearbeitet. Zwischen dem Fluideingang 29 und der Fluidführung 11 ist eine Drossel 21 angeordnet. Zwischen der Drossel 21 und der Fluidführung 11 befindet sich im Gehäuse ein senkrecht zur Fluidführung 11 angeordneter Kanal, der als Signalausgang 31 verwendet wird.

Bei verschlossener Fluidführung 11 steigt der Druck am Signalausgang 31 maximal auf den Druck am Fluideingang 29 an. Der Anschlag des magnetischen Rückschlusses bei geöffnetem Elektromagneten kann auch auf andere Weise als mit Hilfe des Gehäuses 27 realisiert werden, da insbesondere bei der hier beschriebenen nicht gekapselten Ausführung das Gehäuse 27 auf ein Minimum reduziert werden kann. Wird der Elektromagnet bei stromdurchflossener Spule 5 angezogen, so öffnet sich die Fluidführung 11; Fluid kann aus der jetzt geöffneten Einlaß düse austreten, wodurch der Druck am Signalausgang 31 abfällt. Der Druckabfall hängt davon ab, wie weit sich der magnetische Rückschluß 3 von der Einlaßdüse aufgrund der magnetischen Kräfte entfernt. Bei maximalem Spalt zwischen Einlaßdüse 11 und dem Rückschluß 3 wird der minimale Druck am Signalausgang 31 erreicht. Der Spalt ist dann maximal, wenn der magnetische Rückschluß 3 plan auf den Polflächen 15 aufliegt. Der Zu sammenhang zwischen Spulenstrom und Signalausgang 31 zeigt also gegenüber der Ausführungsform in Fig. 1 ein invertiertes Verhalten.

Ein weiterer Unterschied zur Ausführungsform in Fig. 1 ist, daß bei der Ausführungsform in Fig. 2 mechanische Führungen 17 vorgesehen sind, die das seitliche Spiel des Rückschlusses 3 begrenzen. Diese Führungen 17 verhindern, daß der mag netische Rückschluß 3, beispielsweise aufgrund von Vibration oder Stoß, einen mechanischen Schaden infolge einer zu starken seitlichen Bewegung erfährt oder erzeugt. Bei dieser Ausfüh rungsform ist kostengünstig vorgesehen, daß die Führungen 17 durch stegartig angespritzte Kunststoffausformungen im Inneren des Gehäuses 27 realisiert sind.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Es weist einen ähnlichen Aufbau wie das nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip arbeitende Ausführungs beispiel der Fig. 2 auf. Die Unterschiede betreffen die Art der Führungen 17 und einen gegenüber dem zweiten Ausführungs beispiel in Fig. 2 umgekehrten Zusammenhang zwischen Magnet feld und Signalausgang 31. Die zentrisch angeordnete Fluid führung 9 dient als Einlaßdüse und wird bei angezogenem Elektromagnet von dem als Prallplatte wirkenden magnetischen Rückschluß 3 verschlossen. Zwischen dem Fluideingang 29 und der Fluidführung 9 ist eine Drossel 21 angeordnet. Zwischen Drossel 21 und der Einlaßdüse dient eine senkrecht dazu abzweigende Fluidführung als Fluidsignalausgang 31. Bei entsprechend mit Strom beaufschlagter Spule 5 liegt der magnetische Rückschluß 3 wie in den vorherigen Ausführungs beispielen auf den Polflächen 15 des nicht beweglichen Teils des Magneteisenkreises 1 auf. Bei nicht angezogenem Rückschluß drücken die Federelemente 7 den magnetischen Rückschluß maximal gegen das Gehäuse 27, welches als zu den Polflächen im wesentlichen paralleler Anschlag für den Rückschluß 3 dient. Der Druck am Signalausgang 31 steigt somit bei verschlossener Einlaßdüse maximal auf den Druck am Fluideingang 29 an und fällt bei kleinerem Spulenstrom je nach Größe des Luftspalts an der Einlaßdüse 9 auf einen geringeren Druck ab. Die Führungen 17 sind hier durch Paßstifte verwirklicht und dienen gleichzeitig als Führung des magnetischen Rückschlusses 3 sowie als Führung der Federelemente 7. Die Führungen greifen in Ausnehmungen 23 des magnetischen Rückschlusses 3. Die Ausnehmungen 23 sind so zu dimensionieren, daß der Rückschluß 3 mit Spiel und ohne seitliche Zwangskräfte schwimmend angeordnet ist.

Alle Ausführungsformen können dahingehend verändert werden, daß das/die Federelement(e) 7 so ausgebildet ist, daß sich die Federvorspannung entsprechend dem Steuerdruckbereich ver ändert. Der Druck am Fluideingang kann dafür beispielsweise mittels einer Membran oder eines Kolbens das/die Feder element e) mit einer Kraft beaufschlagen. Dadurch kann der elektrisch-fluidische Wandler variabel für unterschiedliche Steuerdrücke am Fluideingang eingesetzt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

1. Elektrisch-fluidischer Wandler mit:

1. einem Gehäuse (27),
2. mindestens einer Spule (5),
3. einem nicht beweglichen Teil (1) eines Magneteisenkreises (1, 3), der die Spule(n) (5) aufnimmt,
4. einem beweglichen Teil des Magneteisenkreises (1, 3), der einen magnetischen Rückschluß (3) in Form einer im wesentlichen planen Platte bildet, wobei der magnetische Rückschluß (3) schwimmend angeordnet ist, mit Spiel in im wesentlichen zur Schließrichtung des Magneteisenkreises (1, 3) senkrechten Richtungen, und sich sowohl bei geschlossenem Magnetei senkreis (1, 3) als auch bei offenem Magneteisenkreis (1, 3) im wesentlichen paral lel zur Ebene der Polflächen (15) des nicht beweglichen Teils (1) des Magneteisenkreises (1, 3) befindet,
5. einer Fluidkammer (19), in der der Rückschluß (3) angeordnet ist,
6. mindestens einem Federelement (7), das den Rückschluß (3) entgegen der Schließrichtung des Magneteisenkreisses (1, 3) mit Kraft beaufschlagt,
7. einer ersten, zentrisch angeordneten Fluidführung (9), die in die Fluidkammer (19) hinein- oder aus derselben herausführt und von dem Rückschluß (3) bei geschlossenem Magneteisenkreis (1, 3) verschlossen wird,
8. einer zweiten Fluidführung (11) zur Fluidabführung oder Fluidzuführung, und
9. einer dritten Fluidführung (13) als Signalausgang (31) der Fluidkammer (19).

2. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fluidführung (11) bei geöffnetem Magneteisenkreis (1, 3) verschlossen wird.

3. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fluidführung (9) als Einlaßdüse der Fluidkammer (19) arbeitet und in ihrem Fluideingang (29) eine Drossel (21) angeordnet ist, und zwischen der Drossel (21) und dem als Prallplatte wirkenden Rückschluß (3) der Signalausgang (31) angeordnet ist.

4. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der nicht bewegliche Teil (1) des Magneteisenkreises (1, 3) schalenkernartig geformt ist, und die erste Fluidführung (9) in dem schalenkernartigen Teil (1) des Magneteisenkreises (1, 3) angeordnet ist.

5. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fluidführung (11) als Einlaßdüse arbeitet und in ihrem Fluideingang (29) eine Drossel (21) angeordnet ist, und zwischen der Drossel (21) und dem als Prallplatte wirkenden Rückschluß (3) der Signalausgang (31) angeordnet ist.

6. Elektrisch-fluidischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht bewegliche Teil (1) des Magneteisenkreises (1, 3) von einem Ferrit gebildet wird.

7. Elektrisch-fluidischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Federelement (7) eine Druckfeder ist.

8. Elektrisch-fluidischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschluß (3) mindestens eine Ausnehmung (25) nahe der zu verschließenden Fluidführung (9) aufweist.

9. Elektrisch-fluidischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmende Anordnung des Rückschlusses (3) durch eine geringe Quersteifig keit des/der Federelement(e) verwirklicht ist.

10. Elektrisch-fluidischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen zur Schließrichtung des Magneteisenkreises (1, 3) senkrechte Spiel des Rückschlusses (3) von sich senkrecht zur Ebene der Polflächen (15) erstreckenden Führungen (17) begrenzt ist.

11. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (17) aus Kunststoff bestehen.

12. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (17) als Teil des Gehäuses (27) ausgebildet sind.

13. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (17) metallische Paßstifte sind.

14. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßstifte gleichzeitig eine Führung für das/die Federelement(e) (7) bilden.

15. Elektrisch-fluidischer Wandler nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß der Rückschluß (3) mindestens eine Ausnehmung (23) besitzt, in die eine Führung (17) eingreift.

16. Elektrisch-fluidischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (27), der Magneteisenkreis (1, 3) und die Spule (5) rotationssymmetrisch angeordnet sind, wobei die Rotationsachse senkrecht auf der Ebene des magnetischen Rückschlusses (3) steht.

17. Elektrisch-fluidischer Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse durch die erste, in dem schalenkernartigen Teil (1) des Magnetei senkreises (1, 3) angeordnete Fluidführung (9) verläuft.