DE2120076A1 - Elektrofluidischer wandler - Google Patents

Description

Vo/Fu 21.4.71

Anlage sur

Patent- und

Gebi^auehsrnusterhilfsnameldung

ROBEKT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart Elektrofluidischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen elektrofluidischen Wandler, bestehend aus einem fluidischen Verstärkerteil mit einem einseitig eingespannten, aus elastischem Werkstoff .bestehenden rohrähnlichen Mediumleiter, dessen freies Ende unter der Einwrkung der Kraft eines Elektromagneten bewegbar ist, und mit im Mediumleiter angeordneten, von einem flüssigen oder gasförmigen Medium mit Speiseöruck durchströmten Kanal, dessen freiem Ende Fangdüsen gegenüberliegen.

Aus der französEchen Patentschrift 1 575 978 ist ein elektrofluidischer Wandler bekannt, bei dem in dem Querträger eines Iletallblocks einseitig ein Strahlrohr eingespannt ist. Nahe seinem freien Ende ist auf dem Strahlrohr rechtwinklig eine Metallplatte angeordnet. Die Metallplatte arbeitet mit zviei gleichen, einander gegenüberliegenden Elektromagneten zusammen. Diese Metallplatte taucht in einen Luftspalt von C-förmig gebogenen Eisenkernen beider Elektromagneten ein. Beide Elektromagneten sind an dem Metallblock

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angeschraubt, der wiederum auf einer Grundplatte aufgeschraubt ist. Dem freien Ende des Strahlrohres gegenüberliegend sind in einem in die Grundplatte eingesetzten Düsenteil zwei zylindrische Bohrungen in einer Ebene - der Bewegungsebene- des Strahlrohres - aber in spitzem Winkel zueinander angeordnet, die als Auffangdüsen dienen.

Dieser elektrofluidische Wandler hat den Nachteil, daß er aus sehr vielen Einzelteil.en zusammengesetzt ist. Die Einzelteile müssen mit großer Genauigkeit gefertigt.werden; ihr Zusammenbau erfordert genaue und zeitraubende Justierarbeiten. Der Wandler ist deshalb sehr teuer in seiner"Herstellung.

Bei dieser Bauart sind einer Verkleinerung des elektrofluidischen Wandlers Grenzen gesetzt,v/eil die einzelnen Bauteile eine gewisse Größe nicht unterschreiten dürfen, wenn der Aufwand beim Herstellen und beim Zusammenbau der Teile wirtschaftlich vertretbar bleiben soll. -

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, einen elektrofluidischen Wandler zu schaffen, der billig herzustellen ist, dabei aber auch im Dauerbetrieb - hohe Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfüllt. Außerdem soll der elektrofluidische Wandler seiner Konzeption nach geeignet sein, auch als miniaturisiertes Bauteil ausgeführt zu v/erden.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Elektromagnet mit dem fluidischen Verstärkerteil zu einem einzigen integrierten Bauteil vereinigt ist, das aus einer Anzahl von aufeinandergelegten, plattenförmigen Strukturelementen aufgebaut ist, deren Umriß sowohl durch die Funktion des an sich bekannten Elektromagneten als auch des an sich bekannten fluidischen Verstärkerteils bestimmt ist.

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Das hat den Vorteil, daß die Hauptteile des elodctrofluidischen Wandlers - Elektromagnet und fluidischer Verstärker - ohne besondere Verbindungselemente und unter Verwendung einer einzigen gemeinsamen Stützstruktur in einem integrierten Bauteil vereint werden. Der Aufbau des elektrofluidischen Wandlers aus plattenförniigen Strukturelementen ermöglicht es außerdem, zu deren Herstellung die Verwendung fotochemischer /itzrnethoden heranzuziehen, die besonders gut geeignet sind, selbst komplizierte Formgebilde sehr genau und mit geringem Aufwand auszuführen. .

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die je-zwei Kernfortsätze links und rechts des Ankers des Elektromagneten durch je ein Weicheisehjoch magnetisch verbunden werden und daß - jedes Weicheisenjoch mit je einem Pol eines die Spule umgreifenden Permanentmagneten zusammenarbeitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt in

Pig. I einen elektrofluidischen Wandler, Fig. 2 drei plattenförmige Strukturelemente, die aufeinandergelegt einen elektrofluidischen Wandler bilden.

Der dargestellte elektrofluidische Wandler besteht aus drei aufeinandergelegten plattenförmigen Strukturelementen, einer Hittelplatte 1 und zwei Abdeckplatten 2, Z>> Alle Strukturelemente und damit der elektrofluidische Wandler" haben die gleiche Außenkontur: Ein längliches Rechteck mit gerundeten Schmalseiten. Oberhalb und unterhalb des Mittelteils, der um rasche magnetische Sättigung zu erhalten, nur aus zwei sehr schmalen Stegen 8 besteht, deren Breite allein durch die erforderliche mechanische Festigkeit bestimmt ist, sind an den langen Seiten des elektrofluidischen Wandlers rechteckige, nach außen vorspringende Kernfortsätze 4, 3, 6, 7 angeordnet. (Die Begriffe "oberhalb" und '"unterhalb" werden in diesem Zusammenhang hier auf den in Fig. 1 dargestellten elektrofluidischen Wandler bezogen.) Zwischen den Kernfortsätzon ist um die Stege 8 die Spule 9 des Elektromagneten

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gewickelt. Innerhalb der Stege 8 ist ein Anker 10 des Elektromagneten angeordnet, der durch zwei im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse des elektrofluidischen Wandlers verlaufende Einschnitte 11 gebildet ist. Die Einschnitte 11 gehen Von einem im oberen Eridbereich im elektrofluidischen Wandler angeordneten Durchbruch 12 aus. Um den Anker 10, der einseitig fest eingespannt ist, elastisch leicht bewegbar zu machen, ist sein wirksamer Querschnitt an der Einspannung verringert und der so geschwächte, leicht biegbare Bereich verlängert worden. Dies geschieht dadurch, daß die Einschnitte 1Γ in ihrem innersten Beiach rechtwinklig auf die-Symmetrieachse" zu. abknicken und sich als senkrecht zur Symmetrieachse verlaufende Einschnitte 1J5 bis in zwei innerhalb der Einschnitte 11 aber parallel zu diesen verlaufende Schlitze 14 erstrecken.

An seinem freien, aus der Spule herausragenden Ende ist der Anker 10 mit klauenartigen Vorsprüngen 15 versehen, die mit entsprechenden Ausnehmungen l6 an den dem Anker 10 zugewandten Innenseiten der Kernfortsätze 4, 5 zusammenarbeiten, indem sie in diese eintauchen können.

Je zwei Kernfortsätze links k₃ 6 und rechts 5*7 des Ankers 10 und. damit der Symmetrieachse des elektrofluidischen Wandlers sind durch je ein Weicheisenjoch 17'' magnetisch verbunden. Die oberen Kernfortsätze 4, 5 berühren die Pole des Weicheisenjochs 17'i während zwischen den unteren Kernfortsätzen 6, 7 und den entsprechenden Polen des Weicheisenjochs ein Luftspalt 18, 19 klafft. Jedes Weicheisenjoch 17* arbeitet mit je einem Pol eines die Spule 9 umgreifenden Permanentmagneten 17 zusammen. Dabei berührt jeder Schenkel des hufeisenförmig gebogenen Permanentmagneten mit seiner ganzen Breite das V/ei ehe is en j och auf seiner ganzen Länge.

Aus Fig. 2, in der die drei den elektrofluidischen Wandler bildenden plattenförmigen Strukturelemente in einer sog. "Sprengzeichnung" dargestellt sind, wird der fluidische Verstärkerteil des elektrofluidischen Wandlers ersichtlich.

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In der Mittelplatte 1 sind" kanalartige Ausnehmungen als Schlitze angeordnet. Zusammen mit den Abdeckplatten 2, 3, die auf der ganzen Oberlfäche druckdicht mit der Mittelplatte 1 verbunden sind, werden geschlossene, rohrförmige Strömungskanäle als Leiter für das Betriebsmedium gebildet. So ist.im unteren Teil der Mittelplatte 1 eine Zuführungsbohrung 20 angeordnet, von der ein Kanal 21 ausgeht, der auf der Symmetrieachse des elektrofluidischen Wandlers im Anker 10 verläuft. Das'obere, freie Ende des Kanals 21 ist als Düse 22 ausgebildet und öffent sich in den von dem Durchbruch 12 gebildeten Raum. Dem freien Kanalende, also der Düse 22 gegenüber, sind zwei Fangdüsen 23, 24 angeordnet, welche als Diffusoren ausgebildet sind. Die Diffusoren gehen am Ende in Ausgangsbohrungen 25, 26 über. Sämtliche Bohrungen sind bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel - ebenso wie zwei Befestigungsbohrungen 27, 28 - als den elektrofluidischen Wandler durchsetzende Bohrungen ausgebildet, die damit in allen Strukturelementen 1, 2, 3 angeordnet sind.

Der vom Durchbruch 12 gebildete Raum ist mit einer Rücklaufleitung zum Tank bzw. mit der freien Atmosphäre verbunden.

Ein ankommendes elektrisches Signal wird vom elektrofluidischen Wandler derart in ein analoges fluidisches Signal umgewandelt, daß der Anker 10 des Elektromagneten mit dem Kanal 21 entsprechend dem die Spule 9 durchfließenden elektrischen Strom ausgelenkt wird.

Im fluidischen Verstärkerteil, dessen Steuerorgan der Anker 10 ist, wird durch die mechanische Stellbewegung der aus dem Kanal 21 über die Düse 22 austretende Mediumstrahl entsprechend der Auslenkung des Steuerorgans mehr auf die linke Fangdüse 23 oder die rechte Fangdüse geleitet* wodurch das fluidische Differenzdruck-Ausgangssignal entsteht.

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Die Wirkungsweise des Elektormagneten im Einzelnen ist folgendermaßen: Der Permanentmagnet 17 erzeugt einen von seinem Nord- zu seinem Südpol verlaufenden Erregerfluß 29, 29' im elektrofluidischen Wandler über das linke Weieheisenjoch 17', den Kernfortsatz 4, den linken zwischen Kernfortsatz und Anker 10 befindlichen Arbeitsluftspalt, den Anker 10, den rechten Arbeitsluftspalt, über den Kernfortsatz 5 und das rechte Weicheisenjoch 17'« Im unteren Teil des elektrofluidischen Wandlers verläuft der Erregerfluß über das linke Weicheisenjoch 17'^₁ den Ruheluftspalt 18, die Kernfortsätze 6, 7* den Ruheluftspalt/unddas rechte Weicheisenjoch 17'· In der neutralen Mittelstellung des Ankers 10 weisen die Ruheluft-' spalte l8, 19 einen gleichgroßen magnetischen Widerstand auf, wie die zwischen Anker 10 und den entsprechenden Kernfortsätzen 4, angeordneten Arbeitsluftspalte.

Fließt nun durch die Spule 9 ein Steuerstrom - das ankommende elektrische Signal - so. erzeugt dieser einen magnetischen Steuerfluß '50, 30'. -

Die zwischen dem Anker 10 und den oberen Kernfortsätzen 4, 5 befindlichen Arbeitsluftspalte, Innerhalb derer sich der Anker bewegen kann, werden also von der Summe von Erreger- und Steuerfluß durchströmt. Da die beiden magnetischen Flüsse im linken Arbeitsluftspalt einander entgegengesetzt sind, im rechten sich addieren, resultiert auf den Anker 10 eine diesen nach rechts auslenkende Kraft. Ändert der Steuerstrom nun seine Richtung, so ändert sich die Richtung des Steuerflusses 30, 30' und damit auch die Kraftrichtung bzw. die Auslenkung des Ankers 10,

Die Anordnung der klauenartigen Vorsprünge 15 am Anker 10 bzw. der damit zusammenarbeitenden Ausnehmungen 16 an den Kernfortsätzen hat den Zweck, die magnetische Anzugskraft unabhängig von der Auslenkung zu machen. Die jeweilige Auslenkung des Ankers 10 ist also nur abhängig von der Höhe und Richtung des Steuerstromes.

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Dem fluidischen Verstärkertei1 wird über die Zuführungsbohrung ein gasförmiges oder flüssiges Medium zugeführt, das unter einem speziellen Speisedruck steht. Nach Durchströmen des Kanals 21 wird die im Medium enthaltene Druckenergie beim Durchgang des Mediums durch die Düse 22 weitgehend in kinetische Energie umgesetzt.

Wenn sich der Anker IC das Steuerorgan des fluidischen Teils, in seiner Ruhelage befindet, wird der aus der Düse 22 austretende Mediumstrahl zu gleichen Teilen die linke 2J und die rechte 2^ Fangdüse treffen. In den als Diffusoren ausgebildeten Fangdüsen wird aus der kinetischen Energie wieder Druckenergie zurückgewonnen; d. h. es entsteht bei Ruhelage desAnkers 10 in beiden Diffusoren der gleüie Druck. Das an den Ausgangsbohrungen 25, entstehend Differenzdruck-Ausgangssignal ist also Null. Wird der Anker 10 nun in einer Richtung ausgelenkt, so wird die dann dem freien Ende des Kanals 21, also der Düse 22 gegenüberlieende Fangdüse mehr vom Strahl getroffen, so daß sich dort dann ein höherer Druck als in der anderen Fangdüse ausbildet. Die Höhe des sich jeweils einstellenden Drucks hängt davon ab, wie stark die jeweilige Fangdüse vom Mediurnstrahl getroffen wird. Das Differenzdruck-Ausgangssignal ist also direkt proportional der Auslenkung des Ankers 10 und damit auch dem Eingangssignal, d. h. dem Steuerstrom.

Wird an den Ausgangsbohrungen 25, 26 kein Medium verbraucht, so strömt die aus der Düse 22 austretende Menge aus dem vorn Durchbruch 12 gebildeten Raum, der natürlich durch nicht dargestellte Abdeckplatten auch gegen die Atmosphäre abgedichtet werden kann, zum Tank, bzw. in die Atmosphäre ab.

Bei einem anderen, einfacheren Ausführungsbeispiel des elektrofluidischen Wandlers ist auf die Ausbildung der klauenförmigen Vorsprünge 15 und die Anordnung entsprechender Ausnehmungen 16

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verzichtet .worden, so daß die Arbeitsluftspalte durch ebene Flächen - wie die Ruheluftspalte l8, 19 - begrenzt werden. Dieser etwas einfacher ausgebildete ölektrofluidische Wandler.führt aber dennoch zu brauchbaren Differenzdruck-Ausgangssignalen. Besonders gut eignet er sich, wenn nur digitale Ausgangssignale notwendig sind.

Um einen Elektromagneten mit besonders guten magnetischen Eigenschaften zu erhalten, ist ein weichmagnetischer Werkstoff, z. B. Weicheisen, besonders vorteilhaft.

Natürlich kann der elektrofluidlsche Wandler, wenn z. B. größere .Strömungsquerschnitte gefordert werden, auch aus einer größeren Anzahl von plattenförmigen Strukturelementen aufgebaut werden, als die hier beschriebenen Ausführungsformen.

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Claims (1)

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   • An sp rüche :

   f 1.)Elektrofluidischer Wandler, bestehend aus einem fluidischen Verstärkerteil mit einem einseitig eingespannten, aus elastischem Werkstoff bestehenden rohrähnlichen Mediumleiter, dessen freies Ende unter der Einwirkung der Kraft eines Elektromagneten bewegbar ist, und mit im Mediumleiter angeordneten, von einem flüssigen oder gasförmigen Medium mit Speisedruck durchstrcnten Kanal, dessen freiem Ende Pangdüsen gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet mit dem fluidischen Verstärkerteil zu einem einzigen integrierten Bauteil vereint ist, das aus einer Anzahl von aufeinandergelegten, plattenförmigen Strukturelementen (l, 2, 3) aufgebaut ist, deren Umriß sowohl durch die Funktion des an sich bekannten Elektromagneten als auch des an sich bekannten fluidischen VerstärktertetLs bestir-nt ist.

   2. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein plattenförmiges Strukturelement (1) kanalartige Ausnehmungen enthält, die zusammen mit mindestens einer Abdeckplatte (2, J) den Kanal (21) und die Pangdüsen (2^, 2.h) bilden.

   j5. Elektrofluidiseher Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Kanals (21) als Düse (22) und die Pangdüsen (23, 24) als Diffusoren ausgebildet sind.

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   - ίο -

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   Stuttgart

   4. Elektrofluidiseher .Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Paket aufeinandergelegten plattenförmigen Strukturelemente (l, 2, Z>) in ihrem Mittelteil • von der Spule (9) des Elektromagneten umgeben sind, daß der Anker (10) sich innerhalb ,des Kerns (8) durch den Elektromagneten erstreckt, unddaß direkt oberhalb und unterhalb des Bereiches, in dem die Spule (9) angeordnet ist, die Strukturelemente (l, 2, 5) rechteckige, nach außen vorspringende Kernfortsätze (4, 5* 6, 7) haben. . '

   5. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch K, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (10) des Elektromagneten durch zwei im \-iesentlichen parallel zur Symmetrieachse des elektrofluidischen Wandlers verlaufende Einschnitte (ll) des Kerns (S) des Elektromagneten gebildet ist.

   6. Elektrofluidischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (21) auf der Symmetrielinie des elektrofluidischen Wandlers im Anker (10) des Elektromagneten verläuft, der durch zwei senkrecht zur Symmetrielinie angeordnete Einschnitte (U), die sich bis in zwei beiderseits des Kanals (21) und parallel dazu aber innerhalb der Einschnitte (ll) verlaufende Schlitze (l4) erstrecken, elastisch leicht bewegbar ist.

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   7. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (10) an seinem freien, aus der Spule (9' herausragenden Ende mit klauenartigen Vorsprüngen versehen ist, die mit entsprechenden Ausnehmungen (l6) an den dem Anker zugewandten Innenseiten der Kernfortsätze (4, 5) zusammenarbeiten.

   8. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß je zv.'ei Kernfortsätze links {h, 6) und rechts (5i 7) des Ankers (10) des Elektromagneten durch je ein Weicheisenjoch (17') magnetisch verbunden v/erden und daß jedes Weicheisen j och (17') mit je einem Pol eines die Spule (9) umgreifenden Permanentmagneten (17) zusammenarbeitet.

   9. Elektrofluidischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (1, 2, 3) weichmagnetischem Werkstoff bestehen.

   10. Elektrofluidischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (1, 2, j5) druckdicht miteinander verklebt oder verlötet sind. ,

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