DE19818336C1

DE19818336C1 - Electric-pneumatic converter for regulator wit minimal electric power consumption

Info

Publication number: DE19818336C1
Application number: DE19818336A
Authority: DE
Inventors: Lothar Kemmler; Stefan Kolbenschlag; Christian Mellinger
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2018-04-24

Abstract

The converter has a coil (28), a magnetic yoke (26), a rotating armature (22) and a closable nozzle (18). The length of the working air gap between the nozzle opening and armature can be adjusted depending on the resultant torque of the pneumatic force striking the armature and the resultant torque of the magnetic force pulling the armature. The magnetic circuit is trimmed so that for each working air gap length (l) the gradient of the torque due to the magnetic force, for constant current in the coil, is smaller than the gradient of the torque due to the pneumatic force. A stable armature position is set for each working air gap length in equilibrium between the torques due to the magnetic and pneumatic forces. An Independent claim is also included for a regulator cont. an electric-pneumatic converter

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch-pneumatischen Umformer nach dem Düse- Prallplatte-Prinzip mit einer Spule, einem Magnetjoch, einem drehbeweglichen An ker und einer verschließbaren Düse, wobei die Länge des Arbeitsluftspalts zwischen der Mündungsöffnung der Düse und dem Anker zumindest abhängig von dem re sultierenden Drehmoment aufgrund der den Anker abstoßenden pneumatischen Kraft an der Düse und dem resultierenden Drehmoment aufgrund der den Anker an ziehenden Magnetkraft einstellbar ist, sowie einen diesen umfassenden Regler.The invention relates to an electric-pneumatic converter after the nozzle Baffle plate principle with a coil, a magnetic yoke, a rotating movement ker and a closable nozzle, the length of the working air gap between the mouth of the nozzle and the armature at least depending on the right resulting torque due to the pneumatic repelling the armature Force on the nozzle and the resulting torque due to the armature pulling magnetic force is adjustable, as well as a comprehensive controller.

Elektrisch-pneumatische Umformer, die ein magnetisches Prinzip verwenden, sind aufgrund ihrer besonderen Robustheit weit verbreitet. Gegenüber beispielsweise Umformern mit piezo elektrischen Biegebalken bietet das magnetische Prinzip nämlich eine hohe Verläßlichkeit auch bei großen Änderungen der Umgebungstemperatur oder Verschmutzungen in der Zuluft- Versorgung. Gattungsgemäße elektrisch-pneumatische Umformer mit einem magnetischen Wirkprinzip sind aus der EP 0 632 203 A1 oder der DE 195 31 020 A1 bekannt.Electric-pneumatic converters that use a magnetic principle are due widely used due to their particular robustness. Compared to, for example, transformers with piezo electric bending beams, the magnetic principle offers a high level of reliability even with large changes in the ambient temperature or contamination in the supply air Care. Generic electrical-pneumatic converter with a magnetic The operating principle is known from EP 0 632 203 A1 or DE 195 31 020 A1.

Die EP 0 632 203 A1 beschreibt dabei einen elektrisch-pneumatischen Umformer, der zwei elektrisch-pneumatische Vorsteuerventile mit zylinderförmigen Spulen aufweist. Die Vor steuerventile dienen dem Belüften oder Entlüften eines Volumens, dem ein pneumatischer Verstärker nachgeschaltet ist. Dabei werden über beiden Vorsteuerventilen die Differenz drücke gegenüber Atmosphäre mittels jeweils eines Druckreglers und einer Differenzdruck meßeinheit konstant gehalten. Die Vorsteuerventile besitzen einen Anker, der ein außerhalb des Magnetjochs liegendes Drehlager aufweist. Zu beiden Seiten des Drehlagers besitzt der Anker je eine Fläche, wobei die beiden Flächen gegeneinander in einem flachen Winkel ge neigt sind. Eine Feder drückt eine erste Fläche bei nicht erregter Spule in Richtung der Mün dungsöffnung einer Düse, die dadurch verschlossen wird. Bei stromdurchflossener Spule wird die zweite Fläche des Ankers von dem Elektromagneten angezogen und damit die erste Flä che infolge der Hebelwirkung entgegen der Federkraft von der Mündungsöffnung der Düse weggedrückt. Der Druck im Volumen, der als Steuerdruck für den pneumatischen Hauptver stärker dient, kann deswegen durch Variation des Durchflusses der Zuluft- oder Abluftdüse elektromagnetisch geregelt werden.EP 0 632 203 A1 describes an electric-pneumatic converter, the two has electro-pneumatic pilot valves with cylindrical coils. The before Control valves are used to ventilate or deaerate a volume that is pneumatic Amplifier is connected. The difference is above both pilot valves press against atmosphere by means of a pressure regulator and a differential pressure measuring unit kept constant. The pilot valves have an armature that is an outside of the magnetic yoke lying pivot bearing. On both sides of the pivot bearing Anchors each have a surface, the two surfaces ge against each other at a flat angle are inclined. A spring presses a first surface in the direction of the coin when the coil is not energized opening of a nozzle, which is thereby closed. When the coil is energized the second surface of the armature is attracted to the electromagnet and thus the first surface che due to the leverage against the spring force from the mouth of the nozzle pushed away. The pressure in the volume, which is used as the control pressure for the pneumatic main ver serves more, can therefore by varying the flow of the supply air or extract air nozzle be controlled electromagnetically.

Ein weiterer elektrisch-pneumatischer Umformer nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip, der in der DE 195 31 020 A1 beschrieben ist, weist einen Anker in Form einer im wesentlichen planen Platte auf, die mit Hilfe eines senkrecht zur Ebene einer Mündungsöffnung der Düse stehenden abgestützen Stiftes schwenkbeweglich geführt ist, wobei ein Federelement den An ker im stromlosen Zustand von dem Magnetjoch weg gegen einen zwischen dem Federele ment und der Joch/Anker-Fügestelle angebrachten Anschlag drückt und der Anker sich auf dem Magnetjoch an der Fügestelle abstützt. Das Ziel dieser Maßnahme ist, den Luftspalt im Eisenkreis bei nicht angeschaltetem Elektromagnet zu minimieren, um den für die elektrische Leistungsaufnahme besonders wichtigen Einschaltstrom so gering wie möglich zu halten. Another electric-pneumatic converter based on the nozzle-baffle principle, which in DE 195 31 020 A1 has an anchor in the form of an essentially plan on plate using a nozzle perpendicular to the plane of an orifice standing supported pin is pivotally guided, with a spring element to ker in the de-energized state away from the magnetic yoke against one between the spring element ment and the yoke / anchor joint presses the stop and the anchor opens supports the magnetic yoke at the joint. The aim of this measure is to close the air gap in the To minimize the iron circuit when the electromagnet is not switched on, the for the electrical To keep power consumption especially important inrush current as low as possible.

Auch bei elektrisch-pneumatischen Umformern ohne drehbeweglichen Anker wird meist eine Rückstellfeder zur Vermeidung eines sogenannten "Schnappeffekts" eingesetzt, siehe, bei spielsweise, US 3,586,287.Even in the case of electric-pneumatic converters without a rotating armature, one is usually used Return spring used to avoid a so-called "snap effect", see at for example, US 3,586,287.

Den bekannten elektrisch-pneumatischen Umformern ist somit gemein, daß sie ein Rückstel lelement aufweisen, das meist als Druckfeder ausgelegt ist und den Anker des Eisenkreises bei nicht stromdurchflossener Spule in eine definierte Lage zwingt, um ein definiertes pneu matisches Signal bei Ausfall der elektrischen Energie sicherzustellen. Nachteilig ist dabei, daß der bekannte konstruktive Aufbau zukünftige Möglichkeiten der Verringerung der elektri schen Leistung und Miniaturisierung stark begrenzt. Schon die Existenz einer Rückstellfeder bedeutet, daß beim Komprimieren dieser Feder zusätzliche Arbeit aufzuwenden ist. Die zur Rückstellung verwendete Feder kann nämlich nur so klein und weich ausgelegt werden, daß sie dennoch zumindest einen Teil der Gewichtskraft des Ankers halten kann. Weiterhin führen bei einer Rückstellfeder unvermeibare konstruktive Toleranzen, vor allem bei sehr kleinen Bauformen, dazu, daß die zu überwindende Federkraft in der Leistungsbilanz eine Rolle spielt.The well-known electric-pneumatic converter is common in that it is a reset Have l element, which is usually designed as a compression spring and the anchor of the iron circle in the case of a coil through which no current flows, in a defined position, forcing a defined tire ensure a matatic signal in the event of electrical power failure. The disadvantage is that the well-known construction future possibilities of reducing the electri performance and miniaturization are severely limited. The very existence of a return spring means that additional work is required when compressing this spring. The for The spring used can only be designed so small and soft that it can still hold at least part of the weight of the anchor. Continue to lead In the case of a return spring, construction tolerances are unavoidable, especially with very small ones Designs, so that the spring force to be overcome plays a role in the current account plays.

Ebenso werden viele der bekannten elektrisch-pneumatischen Umformer, insbesondere wenn sie eine kleine Bauform und niedrige elektrische Leistungsaufnahme aufweisen, wegen ihrer stark nicht-linearen Kennlinie nur als binäre Elemente eingesetzt, die zwischen zwei ver schiedenen Pneumatik-Zuständen schalten.Likewise, many of the well-known electric-pneumatic converters, especially if they are small in size and have low electrical power consumption because of their strongly non-linear characteristic curve only used as binary elements that ver between two ver switch to different pneumatic states.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den gattungsgemäßen elektrisch- pneumatischen Umformer derart weiterzuentwickeln, daß dieser die Nachteile des Stands der Technik überwindet, d. h. insbesondere als stetiger und somit analoger Umformer einsetzbar ist, mit minimalem elektrischen Leistungsbedarf, und durch einen einfachen konstruktiven Aufbau neue Einsatzbereiche ermöglicht. Dabei soll der elektrisch-pneumatische Umformer auch als Regler verwenbar sein.The object of the present invention is therefore to improve the generic electrical pneumatic converter to develop such that this has the disadvantages of the prior art Technology overcomes d. H. Can be used in particular as a continuous and thus analog converter is, with minimal electrical power requirements, and by a simple constructive Building new areas of application. The electric-pneumatic converter is designed to do this can also be used as a controller.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Magnetkreis derart geschert ist, daß bei jeder Länge des Arbeitsluftspalts im Arbeitsbereich des Um formers der Betrag des Gradienten des Drehmoments aufgrund der Magnetkraft, bei konstant gehaltenem Stromfluß in der Spule, kleiner als der Betrag des Gradienten des Drehmoments aufgrund der pneumatischen Kraft an der Düse ist, und sich eine stabile Lage des Ankers für jede Länge des Arbeitsluftspalts im wesentlichen im Gleichgewicht zwischen den Drehmomenten aufgrund der pneumatischen und ma gnetischen Kraft einstellt.This object is achieved in that the magnetic circuit in such a way it is sheared that with every length of the working air gap in the working area of the order formers the amount of the gradient of the torque due to the magnetic force, at constant current flow in the coil, less than the amount of the gradient of the torque due to the pneumatic force on the nozzle, and one stable position of the anchor for any length of the working air gap essentially in Balance between the torques due to the pneumatic and ma gnetic force.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dabei dadurch gekennzeichnet, daß der die Scherung hauptsächlich bewirkende Luftspalt des Magnetkreises zwischen dem Anker und dem Ma gnetjoch im Bereich der Düse angeordnet ist, wobei der Abstand a zwischen dem Anker und dem Magnetjoch vorzugsweise größer als die Länge des Arbeitsluftspalts ist.An embodiment of the invention is characterized in that the shear mainly causing air gap of the magnetic circuit between the armature and the Ma gnetjoch is arranged in the region of the nozzle, the distance a between the armature and the magnetic yoke is preferably greater than the length of the working air gap.

Das Lager des Ankers kann drehmomentfrei und/oder reibungsarm gemäß der Erfindung aus geführt sein.The armature bearing can be torque-free and / or low-friction according to the invention be led.

Vorteilhafterweiser wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Anker relativ zu dem La ger ausgewuchtet ist.Advantageously, it is proposed according to the invention that the anchor relative to the La ger is balanced.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, daß das Lager des Ankers durch ein Fe derelement realisiert ist, das den Anker gegen eine Kante des Magnetjochs drückt.A further development of the invention provides that the bearing of the armature by a Fe derelement is realized that presses the armature against an edge of the magnetic yoke.

Der Anker kann nach der Erfindung im Bereich des Lagers mittels zweier Stifte geführt sein.According to the invention, the armature can be guided in the area of the bearing by means of two pins.

Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, daß ein Teil des Magnetjochs hohl und als Pneumatikkanal genutzt ist, über den die Düse ansteuerbar ist.According to the invention it is further proposed that part of the magnetic yoke is hollow and Pneumatic channel is used, through which the nozzle can be controlled.

Das Magnetjoch kann nach der Erfindung aus einem Ferritschalenkern bestehen.According to the invention, the magnetic yoke can consist of a ferrite shell core.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß ein Federelement an den Anker angreift, welches ein Drehmoment relativ zum Drehlager des Ankers ausübt, das für jede Länge l des Arbeitsluftspalts, im Arbeitsbe reich des Umformers, kleiner als das Drehmoment aufgrund der pneu matischen Kraft ist.Furthermore, it can be provided that a spring element engages the armature, which a Torque relative to the armature's pivot bearing exercises that for each length l of the working air gap, in the working area range of the converter, less than the torque due to the pneu is matic power.

Die Erfindung liefert auch einen Regler, umfassend einen erfin dungsgemäßen elektrisch-pneumatischen Umformer.The invention also provides a controller comprising an inventor electrical-pneumatic converter according to the invention.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß, obwohl bisherige elektrisch-pneumatische Umformer traditio nell Rückstellelemente enthalten, deren Notwendigkeit im wesent lichen nicht in Frage gestellt wurde, auf dieselben verzichtet werden kann. Ein Verzicht auf ein bekanntes Rückstellelement führt nach bisher verbreiteter Meinung zu einem nicht vermeidbaren "Schnappeffekt", d. h. zu einem nicht definierbaren plötzlichen Umklappen des Ankers, wenn der Spulenstrom langsam erhöht wird. Dieses Vorurteil wurde durch einfache Versuche bestätigt, bei de nen das Rückstellelement existierender elektrisch-pneuma tischer Umformer entfernt wurde. Betrachtet man den bisherigen elektrisch-pneumatischen Umformer vom Standpunkt der Regelungs technik aus, so kann dieser als Kreisstruktur mit Rückführung be schrieben werden, wobei der "Schnappeffekt" auf die vorhandene Mitkopplung zurückzuführen ist. Nunmehr ist erstmals erkannt wor den, daß die Ursache des "Schnappeffekts" in dem bei Verkleinerung der Länge des Arbeitsluftspalts zwischen der Düse und dem Anker stärkeren Anstieg der anziehenden Magnetkraft gegenüber der ab stoßenden Pneumatikkraft an der Düse liegt. Werden jedoch, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, die beiden entgegengesetzten Kräf te, nämlich Magnetkraft und Pneumatikkraft, weitgehend entkoppelt, d. h. vor allem der Luftspalt im Magnetkreis und der Arbeitsluft spalt an der Pneumatik-Düse getrennt voneinander betrachtet, so kann innerhalb des Arbeitsbereichs für jede Arbeitsluftspaltlänge an der Pneumatik-Düse ein stabiles Gleichgewicht beider Kräfte inbesondere unter Vermeidung des "Schnappeffekts" erreicht werden, wenn erfindungsgemäß für jede Arbeitsluftspaltlänge im Arbeitsbe reich des elektrisch-pneumatischen Umformers die Änderung der Mag netkraft aufgrund der Luftspaltlängenänderungen, bei konstant ge haltenem Stromfluß in der Spule, kleiner als die entsprechende Änderung der pneumatischen Kraft ist.The invention is therefore based on the surprising finding that, although previous electro-pneumatic transducers traditio nell contain reset elements, the essential need were not questioned, they were renounced can be. A renouncement of a known reset element leads according to widespread opinion to an unavoidable "Snap effect", i.e. H. to an undefinable sudden The armature folds over when the coil current is slowly increased. This prejudice was confirmed by simple experiments in which de NEN the reset element of existing electric pneuma table converter was removed. If you look at the previous one electric-pneumatic converter from the point of view of regulation technology, it can be a circular structure with feedback be written, the "snap effect" on the existing Positive feedback is to be attributed. What has now been recognized for the first time that the cause of the "snap effect" in that when downsizing the length of the working air gap between the nozzle and the armature stronger increase in the attractive magnetic force compared to the shocking pneumatic force on the nozzle. However, how proposed according to the invention, the two opposite forces te, namely magnetic force and pneumatic force, largely decoupled, d. H. especially the air gap in the magnetic circuit and the working air gap on the pneumatic nozzle considered separately, see above can be within the work area for any working air gap length a stable balance of both forces at the pneumatic nozzle in particular while avoiding the "snap effect" if according to the invention for each working air gap length in the working area range of the electric-pneumatic converter the change of the mag net force due to the air gap length changes, at constant ge current flow in the coil is smaller than the corresponding one Change in pneumatic force.

Bisher bekannte elektrisch-pneumatische Umformer sind entweder aufgrund des "Schnappeffekts" nicht für einen stetigen Betrieb geeignet, da der Anker nur zwischen zwei Positionen schaltet, oder sehr steif ausgelegt. Ein derartig steifer Umformer kann ferner nur als Steuerer, nicht als Regler verwendet werden. Das bedeutet, daß Störeinflüsse durch Änderungen des Vordrucks nicht durch den bekannten Umformer, sondern nur durch aufwendige Rückkopplung, beispielsweise, auf einen nachgeschalteten Nachverstärker unwirk sam gemacht werden können. Im Gegensatz dazu weist der erfindungs gemäße elektrisch-pneumatische Umformer ein weiches System und somit stetig regelnde Eigenschaften auf, so daß er sowohl zur Steuerung als auch zur Regelung einsetzbar ist.Previously known electric-pneumatic converters are either due to the "snap effect" not for continuous operation suitable because the anchor only switches between two positions, or designed very stiff. Such a stiff converter can also can only be used as a controller, not as a controller. That means, that interference caused by changes in the form is not caused by the known converter, but only through complex feedback, for example, ineffective on a downstream post-amplifier can be made sam. In contrast, the invention according to the electro-pneumatic converter a soft system and thus constantly regulating properties, so that it can be used both for Control and regulation can be used.

Im Vergleich mit bisherigen elektrisch-pneumatischen Umformern ist der Magnetkreis gemäß der Erfindung vorzugsweise in stärkerem Maße geschert. Als Scherung wird im Zusammenhang mit Magnetkreisen dabei das Vorhandensein von Luftspalten, im Gegensatz zu geschlos senen Magnetkreisen, bezeichnet. Die Einführung von Luftspalten wirkt dabei so, als ob die Permeabilität des Magnetjochs ver schlechtert worden wäre, wobei zum Vergleich mit geschlossenen Magnetkreisen statt der Materialpermeabilität oftmals eine effek tive oder gescherte Permeabilität betrachtet wird. Somit werden die Magnetisierungskurven bei Luftspalten im Eisenkreis üblicher weise als gescherte Magnetisierungskurven bezeichnet.Compared to previous electric-pneumatic converters the magnetic circuit according to the invention preferably to a greater extent sheared. As shear is in connection with magnetic circuits the presence of air gaps, as opposed to closed its magnetic circuits. The introduction of air gaps acts as if the permeability of the magnetic yoke ver would have been worse, being compared with closed ones Magnetic circuits are often an effec instead of material permeability tive or sheared permeability is considered. So be the magnetization curves for air gaps in the iron circle are more common referred to as sheared magnetization curves.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand von schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:Further features and advantages of the invention result from the following description, in the embodiments of the Erfin tion explained in detail using schematic drawings are. It shows:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungs form eines elektrisch-pneumatischen Umformers nach der Erfindung; Figure 1 is a side sectional view of an embodiment form of an electric-pneumatic converter according to the invention.

Fig. 2 ein Diagramm der Magnet- und der Pneumatikkraft in Abhängigkeit von der Länge des Arbeitsluft spalts für einen erfindungsgemäßen elektrisch- pneumatischen Umformer nach Fig. 1; und Fig. 2 is a diagram of the magnetic and pneumatic force as a function of the length of the working air gap for an electro-pneumatic converter according to the invention according to Fig. 1; and

Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht einer anderen Aus führungsform eines elektrisch-pneumatischen Um formers nach der Erfindung. Fig. 3 is a sectional side view of another imple mentation form of an electric-pneumatic order formers according to the invention.

Den konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrisch-pneu matischen Umformers 10 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt Fig. 1 in einem schematisierten seitlichen Schnittbild. Somit umfaßt der Umformer 10 nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip eine Spule 28, ein Magnetjoch 26, einen drehbeweglichen Anker 22 und eine von dem Anker 22 bei stromdurchflossener Spule 28 verschließ bare Düse 18.The structural design of an electrical-pneumatic converter 10 according to the invention according to a first embodiment is shown in FIG. 1 in a schematic sectional side view. The converter 10 thus comprises a coil 28 , a magnetic yoke 26 , a rotatable armature 22 and a nozzle 18 which can be closed by the armature 22 when the coil 28 is flowing through.

Entsprechend dem Düse-Prallplatte-Prinzip strömt dabei Zuluft 12 über eine Drossel 16 zur Düse 18, und zwischen der Drossel 16 und der Düse 18 wird das pneumatische Ausgangssignal 14 abgenommen. Die pneumatische Kraft wirkt bei solch einer Anordnung grund sätzlich abstoßend, d. h. der Staudruck an der Mündungsöffnung 20 der Düse 18 beaufschlagt den Anker 22 mit einer Kraft in Richtung einer Vergrößerung der Länge l des Arbeitsluftspalts 24. Die mag netische Kraft aufgrund eines Stromflusses in der Spule 28 wirkt demgegenüber anziehend. Ein konstantes pneumatisches Ausgangssig nal 14 erfordert daher ein stabiles Gleichgewicht der Pneumatik- und Magnetkraft an der Düse 18. Dazu sind jedoch erfindungsgemäß keine zusätzlichen krafterzeugenden Elemente, wie beispielsweise Rückstellfedern, erforderlich, insbesondere der Anker 22 ist für diese Aufgabe im wesentlichen plan ausgebildet und mittels eines drehmomentfreien und reibungsarmen Lagers 30 mit dem Magnetjoch 26 verbunden. Ferner ist der Abstand a des Ankers 22 zum Magnetjoch 26 im Bereich der Düse 18 größer als die Länge l des Arbeitsluft spalts 24, um eine ausreichende Scherung des Magnetkreises zu er zwingen. In accordance with the nozzle-baffle plate principle, supply air 12 flows through a throttle 16 to the nozzle 18 , and the pneumatic output signal 14 is taken between the throttle 16 and the nozzle 18 . With such an arrangement, the pneumatic force is basically repulsive, ie the dynamic pressure at the orifice 20 of the nozzle 18 acts on the armature 22 with a force in the direction of increasing the length l of the working air gap 24 . The magnetic force due to a current flow in the coil 28 has an attractive effect. A constant pneumatic output signal 14 therefore requires a stable balance of the pneumatic and magnetic force at the nozzle 18th For this purpose, however, according to the invention, no additional force-generating elements, such as return springs, are required, in particular the armature 22 is of essentially flat design for this task and is connected to the magnetic yoke 26 by means of a torque-free and low-friction bearing 30 . Furthermore, the distance a of the armature 22 to the magnetic yoke 26 in the region of the nozzle 18 is greater than the length l of the working air gap 24 in order to force sufficient shear of the magnetic circuit.

Mittels des in die Spule 28 eingespeisten Stroms kann die auf den Anker 22 wirkende Magnetkraft verändert werden. Der sich dabei für einen bestimmten Stromfluß einstellende Arbeitsluftspalt 24 be ziehungsweise dessen Länge l bestimmt das pneumatische Ausgangs signal 14. Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Magnet- und der Pneuma tikkraft in Abhängigkeit von der Länge l des Arbeitsluftspalts 24 für den Umformer 10. Die pneumatische Kraft [in Milli-Newton] an der Düse 18, die auf den Anker 22 wirkt, ist dabei für einen kon stanten Zuluftdruck 12 in Abhängigkeit von der Länge l des Ar beitsluftspalts 24 [in Mikro-Meter] aufgetragen. Gleichzeitig ent hält das Diagramm eine Kennlinienschar der Magnetkraft für ver schiedene magnetische Spannungen [in Ampere-Windungen]. Ein Gleichgewicht von Pneumatik- und Magnetkraft entsteht dabei in den Schnittpunkten der Kraftkennlinien, in denen erfindungsgemäß die Steigung der Pneumatikkraft jeweils größer als die der Magnetkraft ist. Somit kann es nicht zu dem bekannten "Schnappeffekt" kommen, da die abstoßende Pneumatikkraft bei kleiner werdender Länge l des Arbeitsluftspalts 24 schneller ansteigt als die anziehende Magnet kraft.The magnetic force acting on the armature 22 can be changed by means of the current fed into the coil 28 . The working air gap 24 which is established for a specific current flow or its length l determines the pneumatic output signal 14 . Fig. 2 shows a diagram of the magnet and the pneuma tikkraft depending on the length l of the working air gap 24 for the converter 10. The pneumatic force [in milli-Newtons] on the nozzle 18 , which acts on the armature 22 , is plotted for a constant supply air pressure 12 depending on the length l of the working air gap 24 [in micro-meters]. At the same time, the diagram contains a family of characteristics of the magnetic force for various magnetic voltages [in ampere turns]. A balance of pneumatic and magnetic force arises at the intersections of the force characteristic curves, in which, according to the invention, the gradient of the pneumatic force is respectively greater than that of the magnetic force. Thus, it can not come to the known "snap effect", since the repelling pneumatic force increases faster than the attracting magnetic force as the length l of the working air gap 24 decreases.

Da das Lager 30 des Ankers 22 keine Steife aufweist, entsteht er findungsgemäß vorteilhafterweise ein selbstregelndes System gegen über Schwankungen in der Zuluft 12. Aufgrund besagter geringen Steife führen Änderungen des Zuluftdruckes also zu einem sich neu einstellenden Kräftegleichgewicht zwischen Pneumatik- und Magnet kraft. Fällt der Zuluftdruck, beispielsweise, etwas ab, verringert sich die abstoßende Kraft auf den Anker 22 und der Anker 22 wird infolge der dann überwiegenden Magnetkraft etwas angezogen, bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt. Das pneumatische Aus gangssignal 14 ist dadurch unempfindlich gegenüber Druckänderungen beziehungsweise Schwankungen in der Zuluft 12, da es für kleine Schwankungen selbsttätig den vorherigen Ausgangsdruck wiederher stellt. Im Prinzip als Störgröße wirkende Zuluftänderungen sind somit erfindungsgemäß gegenüber anderen, bekannten elektrisch pneumatischen Umformern weitgehend ohne Einfluß. Durch Einstellen des Spulenstroms beziehungsweise der magnetischen Spannungen in Ampere-Windungen kann das pneumatische Ausgangssignal 14 des elek trisch-pneumatischen Umformers 10 stetig verändert und besonders stabil auf jedem gewünschten Ausgangsdruck gehalten werden.Since the bearing 30 of the armature 22 has no stiffness, according to the invention it advantageously forms a self-regulating system against fluctuations in the supply air 12 . Because of the low stiffness, changes in the supply air pressure lead to a new balance of forces between the pneumatic and magnetic forces. If the supply air pressure drops somewhat, for example, the repulsive force on the armature 22 is reduced and the armature 22 is attracted somewhat as a result of the then predominant magnetic force until equilibrium is established again. The pneumatic output signal 14 is thus insensitive to pressure changes or fluctuations in the supply air 12 , since it automatically restores the previous output pressure for small fluctuations. In principle, supply air changes which act as a disturbance variable are largely without influence according to the invention compared to other known electrical pneumatic converters. By adjusting the coil current or the magnetic voltages in ampere turns, the pneumatic output signal 14 of the electric-pneumatic converter 10 can be changed continuously and kept particularly stable at any desired output pressure.

Die Fig. 3 zeigt ein detailliertes seitliches Schnittbild eines elektrisch-pneumatischen Umformers 10' in einer anderen Ausfüh rungsform der Erfindung. Der elektrisch-pneumatische Umformer 10' entspricht dabei im wesentlichen dem Umformer 10 gemäß Fig. 1, wobei identische Teile gleiche Bezugszeichen aufweisen, die im Falle des Umformers 10' durch einen Apostroph gekennzeichnet sind, und weist einige konstruktiv vorteilhafte Details der Gestaltung auf. Insbesondere ist das Magnetjoch zweigeteilt ausgebildet, näm lich in Form eines inneren und eines äußeren Magnetjochs 26a, 26b. Das innnere Magnetjoch 26a nimmt die Düse 18' auf und dient auch als an die Düse anschließender Pneumatikkanal. Zentrisch um das innere Magnetjoch 26a ist die Spule 28' angeordnet, die von einem Spulenkörper 32 gehalten wird. Das äußere Magnetjoch 26b ist als Schenkel an dem der Düse 18' entgegengesetzten Ende des inneren Magnetjochs 26a angeschlossen und bewirkt eine U-förmige Führung des Eisenweges. Der plane Anker 22' liegt an dem offenen Ende des U-förmigen Eisenkreises plan dem äußeren Magnetjoch 26b auf und wird von einem Federelement 34 drehmomentfrei auf die äußere Kante des äußeren Magnetjochs 26b gedrückt. Dadurch ensteht in einfacher Weise ein reibungsarmes und drehmomentfreies Lager, wobei die Kante des äußeren Magnetjochs 26b für diese Aufgabe scharfkantig und gratfrei ausgebildet ist. Das Federelement 34 wird in einer Halterung 36 abgestützt und geführt, wobei die Halterung 36 kos tengünstig aus Kunststoff als ein Bauteil zusammen mit dem Spulen körper 32 gefertigt ist. Fig. 3 shows a detailed side sectional view of an electric-pneumatic converter 10 'in another embodiment of the invention. The electric-pneumatic converter 10 'essentially corresponds to the converter 10 according to FIG. 1, identical parts having the same reference numerals, which are identified by an apostrophe in the case of the converter 10 ', and has some structurally advantageous details of the design. In particular, the magnetic yoke is formed in two parts, namely in the form of an inner and an outer magnetic yoke 26 a, 26 b. The inner magnetic yoke 26 a receives the nozzle 18 'and also serves as a pneumatic duct adjoining the nozzle. The coil 28 ', which is held by a coil body 32 , is arranged centrally around the inner magnetic yoke 26 a. The outer magnetic yoke 26 b is connected as a leg to the end of the inner magnetic yoke 26 a opposite the nozzle 18 'and causes a U-shaped guidance of the iron path. The flat armature 22 'lies flat on the open end of the U-shaped iron circle on the outer magnetic yoke 26 b and is pressed by a spring element 34 without torque onto the outer edge of the outer magnetic yoke 26 b. This creates a low-friction and torque-free bearing in a simple manner, the edge of the outer magnetic yoke 26 b being sharp-edged and burr-free for this task. The spring element 34 is supported and guided in a holder 36 , the holder 36 being inexpensively made of plastic as a component together with the coil body 32 .

In einer ebenso vorteilhaften, nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist das Federelement nicht genau mit der Kante des Mag netjochs fluchtend angeordnet, so daß ein geringes zusätzliches Drehmoment auf den Anker wirkt. Dieses zusätzliche Drehmoment ist konstruktiv derartig abgestimmt, daß das Drehmoment auf den Anker für jeden Düsenabstand d. h. für jede Länge des Arbeitsluftspalts, im Arbeitsbereich des elektrisch-pneumatischen Umformers, kleiner als das Drehmoment aufgrund der pneumatischen Kraft ist. Dadurch behält der elektrisch-pneumatische Umformer seine geringe Steife des Ankers, die für seine Regeleigenschaften notwendig ist.In an equally advantageous, not shown embodiment of the Invention, the spring element is not exactly with the edge of the mag netjochs aligned so that a little additional Torque acts on the anchor. This extra torque is constructively matched such that the torque on the anchor for each nozzle distance d. H. for any length of the working air gap, in the working area of the electric-pneumatic converter, smaller than the torque is due to the pneumatic force. Thereby the electro-pneumatic converter retains its low rigidity of the anchor, which is necessary for its control properties.

In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform gemäß der Erfindung wirkt zusätzlich zu dem kein Drehmoment ausübenden Federelement gemäß Fig. 3 ein weiteres Federelement auf den An ker, welches ein Drehmoment auf den Anker bezüglich des Drehlagers ausübt, das für jeden Düsenabstand im Arbeitsbereich des Umformers kleiner als das Drehmoment aufgrund der pneumatischen Kraft ist. Auch damit bleiben die Regeleigenschaften des elektrisch-pneuma tischen Umformers erhalten.In another embodiment according to the invention, not shown here, in addition to the spring element not exerting torque according to FIG. 3, a further spring element acts on the ker, which exerts a torque on the armature with respect to the rotary bearing, for each nozzle distance in the working area of the converter is less than the torque due to the pneumatic force. The control properties of the electric-pneumatic converter are also retained.

In einer weiteren, nicht gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungs form ist der Anker im Bereich des Lagers mittels zweier Stifte geführt, um den Anker gegen seitliche Verschiebung, wie sie bei spielsweise durch plötzliche Beschleunigung auftreten kann, zu schützen. Weiterhin wird eine besonders geringe Stoßempfindlich keit erreicht, indem der Anker bezüglich des Lagers ausgewuchtet ist.In a further embodiment according to the invention, not shown shape is the anchor in the area of the bearing using two pins led to the anchor against lateral displacement, as in for example, due to sudden acceleration protect. Furthermore, a particularly low impact sensitivity becomes speed achieved by balancing the armature with respect to the bearing is.

Ebenso vorteilhaft besteht in einer anderen Ausführungsform das Magnetjoch aus einem Ferritschalenkern.In another embodiment, this is equally advantageous Magnetic yoke made from a ferrite shell core.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirk lichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The in the above description, in the drawings and in Features of the invention disclosed in the claims can both individually as well as in any combination for the forfeiture Lichung the invention in its various embodiments be essential.

BezugszeichenlisteReference list

1010th

, ,

1010th

'Elektrisch-pneumatischer Umformer
'' Electric-pneumatic converter

1212th

, ,

1212th

'Zuluft
'Supply air

1414

, ,

1414

'Pneumatisches Ausgangssignal
'' Pneumatic output signal

1616

, ,

1616

'Drossel
'Throttle

1818th

, ,

1818th

'Düse
'Jet

2020th

, ,

2020th

'Mündungsöffnung
'' Mouth opening

2222

, ,

2222

'Anker
'Anchor

2424th

, ,

2424th

'Arbeitsluftspalt
'' Working air gap

2626

Magnetjoch
Magnetic yoke

2626

aInneres Magnetjoch
Inner magnetic yoke

2626

bÄußeres Magnetjoch
exterior magnetic yoke

2828

, ,

2828

'Spule
'Kitchen sink

3030th

Lager
camp

3232

Spulenkörper
Bobbin

3434

Federelement
Spring element

3636

Halterung
lLänge des Arbeitsluftspalts
aAbstand zwischen Anker und Magnetjoch
bracket
l Length of the working air gap
aDistance between anchor and magnetic yoke

Claims

1. Elektrisch-pneumatischer Umformer (10, 10') nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip mit einer Spule (28, 28'), einem Magnetjoch (26, 26a, 26b), einem drehbewegli chen Anker (22, 22') und einer verschließbaren Düse (18, 18'), wobei die Länge l des Arbeitsluftspalts (24, 24') zwischen der Mündungsöffnung (20, 20') der Dü se (18, 18') und dem Anker (22, 22') zumindest abhängig von dem resultierenden Drehmoment aufgrund der den Anker (22, 22') abstoßenden pneumatischen Kraft an der Düse (18, 18') und dem resultierenden Drehmoment aufgrund der den Anker (22, 22') anziehenden Magnetkraft einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis derart geschert ist, daß bei jeder Länge l des Arbeitsluftspalts (24, 24') im Arbeitsbereich des Um formers (10, 10') der Betrag des Gradienten des Drehmoments aufgrund der Magnetkraft, bei konstant gehaltenem Stromfluß in der Spule (28, 28'), kleiner als der Betrag des Gradienten des Drehmoments aufgrund der pneumatischen Kraft an der Düse (18, 18') ist, und sich eine stabile Lage des Ankers (22, 22') für jede Länge l des Arbeitsluftspalts (24, 24') im wesentlichen im Gleichge wicht zwischen den Drehmomenten aufgrund der pneumatischen und magne tischen Kraft einstellt.1. Electric-pneumatic converter ( 10 , 10 ') according to the nozzle-baffle plate principle with a coil ( 28 , 28 '), a magnetic yoke ( 26 , 26 a, 26 b), a rotatable armature ( 22 , 22 ' ) and a closable nozzle ( 18 , 18 '), the length l of the working air gap ( 24 , 24 ') between the orifice ( 20 , 20 ') of the nozzle ( 18 , 18 ') and the armature ( 22 , 22 ' ) at least depending on the resulting torque due to the pneumatic force repelling the armature ( 22 , 22 ') on the nozzle ( 18 , 18 ') and the resulting torque due to the magnetic force attracting the armature ( 22 , 22 '), characterized that the magnetic circuit is sheared in such a way that for each length l of the working air gap ( 24 , 24 ') in the working area of the converter ( 10 , 10 ') the amount of the gradient of the torque due to the magnetic force, with the current flow in the coil kept constant ( 28 , 28 '), less than the magnitude of the gradient of the torque is due to the pneumatic force on the nozzle ( 18 , 18 '), and there is a stable position of the armature ( 22 , 22 ') for each length l of the working air gap ( 24 , 24 ') essentially in balance due to the torques the pneumatic and magnetic force.

2. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Scherung hauptsächlich bewirkende Luftspalt des Magnetkreises zwischen dem Anker (22, 22') und dem Magnetjoch (26, 26a) im Bereich der Düse (18, 18') angeordnet ist, wobei der Abstand a zwischen dem Anker (22, 22') und dem Magnetjoch (26, 26a) vorzugsweise größer als die Länge l des Arbeitsluftspalts (24, 24') ist.2. Electric-pneumatic converter according to claim 1, characterized in that the shear mainly causing air gap of the magnetic circuit between the armature ( 22 , 22 ') and the magnetic yoke ( 26 , 26 a) in the region of the nozzle ( 18 , 18 ') is arranged, wherein the distance a between the armature ( 22 , 22 ') and the magnetic yoke ( 26 , 26 a) is preferably greater than the length l of the working air gap ( 24 , 24 ').

3. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (30, 34) des Ankers (22, 22') drehmomentfrei ausgeführt ist.3. Electric-pneumatic converter according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing ( 30 , 34 ) of the armature ( 22 , 22 ') is torque-free.

4. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (30, 34) des Ankers (22, 22') reibungsarm ausgeführt ist.4. Electric-pneumatic converter according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing ( 30 , 34 ) of the armature ( 22 , 22 ') is designed with low friction.

5. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (22) relativ zu dem Lager (30) ausgewuchtet ist.5. Electric-pneumatic converter according to one of the preceding claims, characterized in that the armature ( 22 ) is balanced relative to the bearing ( 30 ).

6. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager des Ankers (22, 22') durch ein Federelement (34) realisiert ist, das den Anker (22') gegen eine Kante des Magnetjochs (26b) drückt.6. Electric-pneumatic converter according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing of the armature ( 22 , 22 ') is realized by a spring element ( 34 ) which the armature ( 22 ') against an edge of the magnetic yoke ( 26 b ) presses.

7. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker im Bereich des Lagers mittels zweier Stifte geführt ist.7. Electric-pneumatic converter according to one of the preceding claims, characterized in that the anchor is guided in the area of the bearing by means of two pins.

8. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Magnetjochs (26a) hohl und als Pneumatikkanal genutzt ist, über den die Düse (18') ansteuerbar ist.8. An electric-pneumatic converter according to one of the preceding claims, characterized in that part of the magnetic yoke ( 26 a) is hollow and used as a pneumatic channel via which the nozzle ( 18 ') can be controlled.

9. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch aus einem Ferritschalenkern besteht.9. Electric-pneumatic converter according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic yoke consists of a ferrite shell core.

10. Elektrisch-pneumatischer Umformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federelement an den Anker angreift, welches ein Drehmoment relativ zum Drehlager des Ankers ausübt, das für jede Länge l des Arbeitsluftspalts, im Arbeitsbereich des Umformers, kleiner als das Drehmoment aufgrund der pneumatischen Kraft ist.10. Electric-pneumatic converter according to one of the preceding claims, characterized in that a spring element engages the armature, which has a torque relative to Pivots the anchor, which for each length l of the working air gap, in Working range of the converter, less than the torque due to the pneumatic force is.

11. Regler, umfassend einen elektrisch-pneumatischen Umformer (10, 10') nach einem der vorangehenden Ansprüche.11. Regulator comprising an electric-pneumatic converter ( 10 , 10 ') according to one of the preceding claims.