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Elektropneumatischer oder -hydraulischer Umsetzer Die Erfindung bezieht
sich auf einen elektropneumatischen oder -hydraulischen Umsetzer, insbesondere als
peripheres Bauteil für fluidmechanische Schaltkreise, bestehend aus mindestens einer
elektromagnetischen Erregerspule und einem durch das magnetische Feld der Spule
bewegbaren Anker, wobei dieser Anker mindestens zwei Betriebslagen einnehmen kann
und in mindestens einer dieser Betriebslagen die Mündung eines Versorgungskanales
verschließt.
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Für die Steuerung von Fluidiksystemen benötigt man oft sogenannte
Signalumsetzer, durch welche ein elektrisches Signal in ein Fluidiksignal umgewandelt
wird. Das Fluidmedium in einem derartigen System muß stets in strömendem Zustand
gehalten werden. So besteht also die Steuerung jeweils darin, das in einem Versorgungskanal
ankommende Strömungsmedium von einem Ausgang auf einen anderen Ausgang umzulenken.
Meist besitzen die Versorgungskanäle große Ausgleichsöffnungen, durch die das Medium
im Ruhezustand abfließen kann. Wird dann eine solche Ausgleichsöffnung verschlossen,
so wird das Medium unter Druck in einen meist kleineren Steuerkanal umgeleitet und
somit als Steuerungssignal wirksam. Eine Steuerung eines solchen in sich geschlossenen
Pluidiksystemes von außen
kann über ein elektromagnetisch betriebenes
Ventil erfolgen, durch welches eine derartige Ausgleichsöffnung verschlossen oder
geöffnet werden kann.
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Hierzu ist es bereits bekannt, mit einem Klappankermagnetsystem eine
Verschlußklappe zu betätigen, die je nach Betriebszustand die Mündung eines Versorgungskanals
verschließt oder öffnet. Statt eines einseitig gelagerten Klappankers kann aber
auch ein freibeweglicher Anker verwendet werden, der betriebsmäßig eine Tongitudinalbewegung
ausführt und in einem seiner Betriebszustände flach auf die Kanalöffnung gepreßt
wird. In beiden Pällen muß die Verschlußklappe genau auf die Kanalmündung aufgepaßt
werden; außerdem ist eine genaue Ankerführung bzw.
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-lager ung für einen genauen Sitz des Verschlusses notwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umsetzer für elektrische
Signale in einem Fluidiksystem zu schaffen, der aus ei-nfachen Bauteilen herstellbar
ist und ein schnelles und zuverlässiges Schließen und Öffnen eines Ventiles erlaubt.
Dies wird erfindungsgemäß bei einem elektropneumatischen oder -hydraulischen Umsetzer
mit einer elektromagnetischen Elektromagnetischen Erregerspule und einem durch das
Feld dieser Spule bewegbaren Anker dadurch erreicht, daß der Anker als Kugel ausgebildet
und innerhalb der Erregerspule als Tauchanker entgegen einer Rückstellkraft bewegbar
ist.
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Der kugelförmige Anker weist viele wesentliche Vorteile gegenüber
anderen Bauformen auf. Zunächst einmal sind magnetisch leitende Kugeln in allen
Größen und relativ billig im Handel. Dazu bringt eine solche polierte Kugel den
Vorteil rollender Reibung mit sehr geringem gleichmäßigem Abrieb und bester Abdichtung.
Weiterhin ist keine
Führungslänge wie bei einem zylindrischen Tauchanker
erforderlich, und die geringe Masse einer derartigen Kugel erbringt außerdem kurze
Ansprechzeiten und Unempfindlichkeit gegen Stoßen und Schütteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Spulenkern
mit einer zentrischen Bohrung versehen, welche gleichzeitig als Versorgungskanal
dient und deren Ende durch den Kugelanker geöffnet und verschlossen werden kann.
Der Öffnungsrand dieses Versorgungskanales wird zweckmäßigerweise etwa kalottenförmig
eingesenkt und damit in der Krümmung dem Kugelanker angepaßt. Auf diese Weise ergibt
sich ein sehr geringer magnetischer Widerstand und gleichzeitig eine gute Abdisl,Yung
beim Anliegen der Kugel am Versorgungskanal.
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Die Rückstellung des Ankers von einer Arbeitslage in eine Ruhelage
wird vorzugsweise durch eine Schraubenfeder erzielt.
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Wird der Spulenkern, wie oben beschrieben9 als Versortungskanal ausgebildet,
so kann sich diese Schraubenfeder gleichzeitig am Ende des Spulenkernes abstützen.
Daneben wäre aber auch eine Ausführungsform denkbar, bei der die Ankerrückstellkraft
durch einen Dauermagneten aufgebracht wird.
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Der Ankerhub kann weiterhin durch einen einstellbaren unmagnetischen
Anschlag begrenzt und auch justiert werden.
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Bin solcher Anschlag kann beispielsweise durch eine einfache Schraube
gebildet werden.
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Durch eine entsprechende Anordnung zweier Versorgungskanäle kann der
erfindungsgemäße Umsetzer außerdem derart weitergebildet werden, daß der Anker sowohl
in der Arbeits- als auch in der Ruhestellung jeweils die Mündung eines Versorgungskanales
verschließt und dabei die Mündung des jeweils anderen Versorgungskanales öffnet.
Hierdurch läßt sich ein Umschalteventil schaffen, bei dem das Strömungsmedium des
Versorgungskanales wahlweise zum einen oder zum anderen Ausgang geleitet wird.
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Der erfindungsgemäße Umsetzer wird zweckmäßigerweise in einem Gehäuse
aus magnetisierbarem Material untergebracht, welches einerseits als Schutzkappe
dient und andererseits gleichzeitig einen magnetischen Rückschluß ermöglicht.
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Damit ergibt sich eine Verringerung des magnetischen Widerstandes
und eine Steigerung der Ansprechempfindlichkeit.
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Im folgenden werden anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 und 2 Prinzipdarstellungen eines
Arbeitsventiles in geöffnetem und geschlossenem Zustand, Fig. 3 und 4 Prinzipdarstellungen
eines Ruheventiles im geöffnetem und geschlossenem Zustand, Fig. 5 und 6 die Arbeitsweise
eines Umschalteventiles, Fig. 7 eine praktische Ausführungsform für einen elektropneumatischen
Umsetzer.
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Die Fig. 1 zeigt in einer Prinsipdarstellung einen Versorgungskanal
1 mit einer Ventilöffnung 1a und einer Arbeitsöffnung ib, die in das Fluidiksystem
führt. Die Ventilöffnung la mündet in ein Ventilgehäuse 2 aus unmagnetischem Werkstoff,
in welchem ein Kugelanker 3 aus magnetischem Werkstoff direkt vor der Ventilöffnung
ia angeordnet ist.
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Das Ventilgehäuse 2 wird von einer Erregerwicklung 4 umschlossen,
deren Magnetfeld zur Betätigung des Ankers 3 dient.
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Solange die Erregerwicklung 4 noch stromlos ist, wird der Anker 3
durch eine Schraubenfeder 5 von der Ventilöffnung 1a ferngehalten, so daß das in
Richtung des Pfeiles 6 einströmende Fluidium durch das Ventilgehäuse 2 und dessen
Öffnungen 7 nach außen strömen kann.
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Die Fig. 2 zeigt dieselbe Anordnung wie in Fig. 1, diesmal im Arbeitszustand.
Durch Erregen der Spule 4 wird Wer Kugelanker 3 entgegen der Federkraft der Schraubenfeder
5 an die Ventilöffnung 1a des Versorgungskanales 1 gepreßt. Die Wandung dieses Versorgungskanales
1 besteht aus magnetisierbarem Material und wirkt somit als Magnetkern für di§pule
4. Durch den kugelförmigen Anker 3 wird die runde Öffnung 1a des Versorgungskanales
1 hermetisch abgeschlossen und das in Richtung des Pfeiles 6 einströmende Pluidum
wird in Richtung des Pfeiles 8 durch die Arbeitsöffnung 1b in das Fluidiksystem
geleitet.
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Eine leicht geänderte Konstruktion zeigt die Prinzipdarstellung in
den Fig. 3 und 4. Dargestellt ist hier ein Ruheventil mit einem Versorgungskanal
11, durch den ein in Rihtung des Pfeiles 16 einströmendes Fluidum entweder durch
die Ventilöffnung oder durch die Arbeitsöffnung 11b ausströmen kant.
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Das Ventilgehäuee 12 enthält einen Kugelanker 13 und wird von einer
Erregerspule 14 umgeben. Die Schraubenfeder 15 ist nunmehr aber an einem Magnetkern
19 derart abgestützt, daß der Anker 13 im Ruhezustand gegen die Ventilöffnung 11a
des von einem unmagnetischem Material umgebenen Versorgungskanales 11 gepreßt wird.
Das Fluidum nimmt also seinen Weg in Richtung des Pfeiles 18 durch die Arbeitsöffnung
11b.
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Erst bei Erregung der Spule 14 wird der Kugelanker entgegen der Rückstellkraft
der Feder 15 von der Ventilöffnung 11a abgezogen, so daß das Pluidum nunmehr durch
das Ventilgehäuse und dessen Öffnungen 17 ausströmen kann (Fig. 4).
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Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Kombination der vorstehend genannten
Arbeits- und Ruheventile zu einem Umschalteventil.
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Die Zufüh.rung des Strömungsmediums erfolgt nunmehr über zwei Versorgungskanäle
20 und 21, die beide mit einer Ventilöffnung 20a und 21a in das Ventilgehäuse 22
münden. Gemäß Fig. 5 wird im Ruhezustand der Kugelanker 23 durch die
Schraubenfeder
25 gegen die Öffnung 21a gepreßt, da die Erregerwicklung 24 stromlos ist. Das in
Richtung des Pfeiles 26a durch den Kanal 20 einströmende Fluidum kann deshalb durch
die Öffnung 20a und die Ausgänge 27 des Ventilgehäuses 22 ausströmen. Das in Richtung
des Pfeiles 26b durch den Kanal einströmende Medium dagegen wird durch die Öffnung
21b in Richtung des Pfeiles 28b in das zugehörige Fluidiksystem geleitet.
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Die Fig.6 zeigt die gleiche Anordnung bei Erregung der Spule 24. Der
Kugelanker 23 wird entgegen der Federkraft der Feder 25 durch das Magnetfeld der
Spule 24 auf die Ventilöffnung 20a gepreßt und gibt dabei die Ventilöffnung 21a
frei. Nunmehr wird das Fluidum im Kanal 20 durch die Arbeitsöffnung 20b in Richtung
des Pfeiles 28a gelenkt, während das Fluidum im Kanal 21 durch die Ventilöffnung
21a und das Ventilgehäuse 22 durch die Öffnungen 27 ausströmt.
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Bei dieser Anordnung müssen die Slände des Ventilgehäuses 22 und des
Versorgungskanales 21 aus unmagnetischem Material, der Kugel anker 23 und die Wandung
des Versorgungskanales 20 dagegen aus magnetisierbarem Material bestehen.
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In der Fig. 7 wird schließlich eine praktische Ausführungsform für
einen erfindungsgemäßen Umsetzer in Vorderansicht und im Längsschnitt dargestellt.
Der Umsetzer besteht im wesentljen aus einem Weicheisenkern 31, der mit einer abgesetzten
Bohrung 32 als Versorgungskanal versehen ist.
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Eine seitlich in den Versorgungskanal einmündende Querbohrung 33 dient
als Arbeitsöffnung, durch die das einströmende Medium in das angeschlossene Fluidiksystem
geleitet werden kann. Sowohl der Versorgungskanal 32 als auch der Arbeitskanal 33
sind mit je einem Schlauchanschluß 34 und 35 versehen. Das Ende des Weicheisenkernes
31 mit dem Versorgungskanal 32 wird von einem Ventilgehäuse 36 aus unmagnetischem
Werkstoff umschlossen, in welchem ein tugelanker 37 derart geführt ist, daß er vor
der Ventilöffnung 38
des Versorgungskanales 32 in axialer Richtung
bewegbar ist. Durch eine Schraubenfeder 39, die sich ebenfalls am gern 31 abstützt,
wird der Anker 37 im Ruhezustand von der Ventilöffnung entfernt gehalten, so daß
das durch den Versorgungskanal 32 einströmende Fluidum durch die Ventilkammer 40
und deren Ausgänge 41 entweichen kann. Durch einen unmagnetischen Anschlag 42 kann
der Ankerhub begrenzt und justiert erden.
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Das Ende des Weicheisenkernes 31 und das Ventilgehäuse 36 sind von
einer Erregerspule 43 umgeben, die über die Anschlüsse 44 mit Strom versorgt wird.
Bei Erregung der Spule wird der aus magnetisierbarem Material bestehende Kugelanker
durch das entstehende Magnetfeld entgegen de Rückstellkraft der Rückstellkraft der
Feder 39 an den Kern 31 gezogen und gegen die Ventilöffnung 38 gepreßt. Diese Ventilöffnung
38 ist genau an die Kugelform des Ankers angepaßt, so daß sich im Arbeitsz ustand
eineeute Abdichtung des Versorgungskanales 32 an der Öffnung 38 ergibt. Diese genaue
Anpassung an die Kugelfläche bedingt gleichzeitig eine große Polfläche zwischen
Kugel und Weicheisenkern und damit eine große Ankerhaltekraft bei geringer Erregung.
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Ist nun bei Erregung der Spule die Ventilöffntmg 38 geschlossen, so
wird das Strömungsmedium im Versórgungskanal 32 gestaut und durch den Arbeitskanal
33 in die angeschlossenen Fluidikelemente geleitetWird die Erregung abgeschaltet,
so drückt die Feder 39 den Kugelanker wieder in seine Ruhelage zurück Zur Verbesserung
des magnetischen Rückschlusses ist über die Spule 43 und über das freie Kernende
31 ein Eisengehäuse 45 geschoben, welches Öffnungen für die Ausgänge 41 und die
Spulenanschlüsse 44 besitzt 8 Patentansprüche 7 Figuren