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Die Erfindung betrifft einen Fluidaktor zur Bereitstellung einer Stellbewegung, mit einem Aktorgehäuse, das aus einem ersten Material hergestellt ist und in dem eine Kolbenausnehmung ausgebildet ist, mit einem beweglich längs eines Bewegungswegs zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition in der Kolbenausnehmung aufgenommenen Kolben, dem eine Permanentmagnetanordnung zugeordnet ist und der mit der Kolbenausnehmung wenigstens einen größenvariablen Arbeitsraum ausbildet, wobei dem Arbeitsraum ein Versorgungsanschluss für eine Versorgung des Arbeitsraums mit druckbeaufschlagtem Fluid zugeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Fluidaktor, insbesondere einen Pneumatikzylinder, der zur Bewegung einer Last zwischen einer ersten Funktionsposition und einer zweiten Funktionsposition ausgebildet ist, unter Verwendung eines Positionsmesssystems und einer damit verbundenen Steuerung geregelt zu betreiben, um eine Geschwindigkeitsbegrenzung für die Bewegung der Last sicherzustellen. Alternativ ist es auch bekannt, einen Fluidaktor, insbesondere einen Pneumatikzylinder, in wenigstens einer Endlage mit einer Endlagendämpfung zu versehen, um zumindest bei Erreichen der jeweiligen Endlage eine schonende Abbremsung der Bewegung zu erreichen.
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Die
EP 274 97 76 A1 offenbart einen Zylinderkörper eines Betätigungszylinders, der eine Innenauskleidungsschicht und eine erste Faserverbundschicht umfasst, die an der Außenseite der Innenauskleidungsschicht gebunden ist, wobei die erste Faserverbundschicht aus einem ersten Fasermaterial und einem Substratharzmaterial zusammengesetzt ist. Hierdurch weist der Zylinderkörper eines Betätigungszylinders eine hohe Festigkeit, ein geringes Gewicht, eine hohe Ermüdungsfestigkeit, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine geringe thermische Ausdehnung auf. Da die innere Auskleidungsschicht des Zylinderkörpers außerdem die Anforderungen an die Dichtheit der Innenwand des Zylinderkörpers und die Verschleißfestigkeit bei Kontakt mit dem Kolben erfüllt, wird die Betriebsleistung des Zylinderkörpers nicht beeinträchtigt.
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Aus der
DE 43 22 255 A1 ist eine Dämpfungsvorrichtung bekannt, bei der zwei relativ zueinander bewegbare Wände einen Dämpfungsraum begrenzen, aus dem während einer Dämpfungsstrecke der Relativbewegung der beiden Wände ein Fluid über eine Ausströmöffnung verdrängt wird. Der Ausströmöffnung ist ein zur variablen Vorgabe des Ausströmquerschnittes verstellbares Stellorgan zugeordnet. Zum Verstellantrieb des Stellorgans ist ein Betätigungsorgan vorhanden. Von den beiden Organen ist eines als Magneteinrichtung ausgebildet, während das andere aus elektrisch leitfähigem Material besteht. Die Organe sind so ausgebildet und angeordnet, daß sie während des Zurücklegens der Dämpfungsstrecke der Relativbewegung der beiden Wände nach dem Prinzip einer Wirbelstrombremse miteinander in Wirkverbindung stehen, wobei das Stellorgan in Abhängigkeit von der auftretenden geschwindigkeitsabhängigen Induktion unterschiedliche Ausströmquerschnitte der Ausströmöffnung vorgibt. Auf diese Weise ergibt sich eine Bewegungsdämpfung, bei der die Relativgeschwindigkeit der beiden Wände automatisch berücksichtigt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Fluidaktor bereitzustellen, der ohne aufwändige fluidische Ansteuerung verbesserte Bewegungseigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird für einen Fluidaktor der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass in der Kolbenausnehmung zumindest bereichsweise eine Leitschicht aus einem zweiten Material ausgebildet ist, dessen elektrische Leitfähigkeit höher als eine elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leitschicht eine Innenoberfläche der Kolbenausnehmung zumindest bereichsweise bedeckt. Hierbei ist die Leitschicht derart ausgebildet, dass bei einer Bewegung des Kolbens aufgrund von magnetischen Wechselwirkungen zwischen der Permanentmagnetanordnung und der Leitschicht eine Induktion von Wirbelströmen in der Leitschicht ermöglicht wird. Durch diese Wirbelströme wird zumindest ein Teil einer Bewegungsenergie des Kolbens in Wärme umgesetzt, wodurch eine Verlangsamung der Bewegung des Kolbens bewirkt wird. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn der Fluidzylinder ohne aufwendige Komponenten wie eine Kombination einer geregelten Fluidzufuhr mit einem Wegmesssystem und einer zugeordneten Steuerungseinrichtung oder wie einem Drosselventil eine geschwindigkeitsbegrenzte Bewegung durchführen soll.
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Üblicherweise ist das erste Material, aus dem das Aktorgehäuse hergestellt ist, ein metallisches Material wie Aluminium oder Stahl oder ein Kunststoffmaterial. Vorzugsweise ist die elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials größer als die elektrische Leitfähigkeit oder gleich der elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium, die mit ca. 36,6*106 S/m angesetzt werden kann. Hierdurch wird unter der weiteren Voraussetzung einer ausreichend dimensionierten Permanentmagnetanordnung die gewünschte Geschwindigkeitsbegrenzung für den Kolben aufgrund von Wirbelströmen bei der Bewegung des Kolbens zumindest für Abschnitte des Bewegungswegs gewährleistet. Dabei kann die Leitschicht in der Art einer gestaltfesten Komponente, beispielsweise eines Rohrabschnitts, oder als Beschichtung aus einer gestaltlosen Masse, beispielsweise mittels eines elektrochemischen Aufbringungsverfahrens, auf eine Innenoberfläche der Kolbenausnehmung im Aktorgehäuse aufgebracht werden.
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Erfindungsgemäß ist die Leitschicht ringförmig umlaufend in der Kolbenausnehmung angeordnet und längs des Bewegungswegs für den Kolben erstreckt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Leitschicht ringförmig bezüglich des Bewegungswegs für den Kolben ausgebildet ist. Somit ist der Kolben und/oder die dem Kolben zugeordnete Permanentmagnetanordnung bei einer Bewegung längs des Bewegungswegs stets zirkular von der Leitschicht umgeben, wodurch die gewünschte Wechselwirkung zwischen der Permanentmagnetanordnung und der Leitschicht in Form von Wirbelströmen auftreten kann. Bei dieser Ausführungsform findet entlang des gesamten Bewegungswegs für den Kolben die vorgesehene Energiewandlung zwischen der Bewegungsenergie des Kolbens und einer aufgrund der Wirbelstrombildung stattfindenden Wärmeabgabe statt, so dass der Kolben an jeder Stelle des Bewegungswegs in seiner Bewegung bedämpft wird. Besonders vorteilhaft ist es, dass ein progressiver Zusammenhang zwischen einer Bewegungsgeschwindigkeit für den Kolben und der Wirbelstrombildung gegeben ist, so dass ein rascher Anstieg der Bewegungsgeschwindigkeit für den Kolben zu einem noch stärkeren Anstieg der Energiewandlung aufgrund der Wirbelstrombildung führt und dadurch eine zuverlässige Geschwindigkeitsbegrenzung für den Kolben gewährleistet werden kann.
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Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die ringförmig umlaufende Leitschicht mit einer Ausnehmung versehen ist und einen geschlitzten Leitring bildet, wobei gegenüberliegenden Endbereichen des Leitrings ein elektrisches Schaltmittel für ein wahlweises elektrisches Öffnen und Schließen des Leitrings zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird mit einfachen Mitteln eine schaltbare Dämpfung für die Bewegung des Kolbens ermöglicht. Während in einem Öffnungszustand des elektrischen Schaltmittels aufgrund der Ausnehmung in der Leitschicht keine Induktion von Ringströmen in dem Leitring stattfinden kann, ermöglicht ein Schließzustand des elektrischen Schaltmittels ein Fließen von Ringströmen im Leitring, wodurch die gewünschte Wandlung der Bewegungsenergie des Kolbens in Wärme erzielt werden kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Leitschicht als Leitrohr aus einem metallischen Material hergestellt ist, das als wesentlichen Bestandteil Kupfer und/oder Silber und/oder Aluminium und/oder Gold umfasst. Hierdurch wird eine vorteilhafte Montage der Leitschicht in die Kolbenausnehmung des Aktorgehäuses ermöglicht. Ferner kann eine Innenoberfläche des Leitrohrs derart in vorteilhafter Weise bearbeitet werden, dass sie auch als Gleitfläche für eine dem Kolben zugeordnete Kolbendichtung, insbesondere Lippendichtung, dienen kann. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Leitrohr aus Kupfer mit einer Reinheit von mehr als 99,9 Prozent Cu hergestellt ist, um eine hohe mechanische Stabilität des Leitrohrs mit einer vorteilhaften elektrischen Leitfähigkeit und einem günstigen Preis zu verbinden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetanordnung wenigstens einen Ringmagnet umfasst, der koaxial zu einer Symmetrieachse des Kolbens angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Permanentmagnetanordnung kann ein geringer Abstand zwischen einer radial außen liegenden Außenoberfläche der Permanentmagnetanordnung und einer radial innenliegenden Innenoberfläche des Leitrohrs gewährleistet werden, wodurch ein Wirkungsgrad für eine Wirbelstromeinrichtung, die die Permanentmagnetanordnung und das Leitrohr umfasst, in günstiger Weise beeinflusst wird. Wahlweise kann der Ringmagnet in axialer Richtung oder in radialer Richtung magnetisiert sein, wobei eine Magnetisierung in radialer Richtung üblicherweise durch Aufteilung des Ringmagneten in mehrere Magnetsegmente verwirklicht wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetanordnung mehrere Ringmagnete umfasst, wobei benachbart zueinander angeordnete Ringmagnete mit gegensinniger Magnetisierung ausgebildet sind. Hierdurch wird eine vorteilhaft hohe Flussdichte für den von der Permanentmagnetanordnung bereitgestellten magnetischen Fluss gewährleistet, so dass die Permanentmagnetanordnung sehr kompakt ausgebildet werden kann.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Kolbenausnehmung und der Kolben kreiszylindrisch ausgebildet sind und wenn der Kolben mit einer Kolbenstange versehen ist, die das Aktorgehäuse endseitig durchsetzt, wobei die Permanentmagnetanordnung benachbart zu einer kreisförmigen oder kreisringförmigen Stirnfläche des Kolbens angeordnet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitschicht an einer dem Kolben zugewandten Innenoberfläche mit einer Gleitschicht oder einem Gleitrohr versehen ist, die aus einem dritten Material hergestellt ist, dessen elektrische Leitfähigkeit geringer als die elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials ist. Die Aufgabe der Gleitschicht oder des Gleitrohrs besteht darin, für ein dem Kolben zugeordnetes Dichtmittel, insbesondere eine Lippendichtung, eine günstige Gleitpaarung zur Verfügung zu stellen und zudem eine Beeinträchtigung der Dämpfungswirkung zwischen Permanentmagnetanordnung und Leitschicht weitgehend, insbesondere vollständig, auszuschließen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetanordnung zusammen mit der Leitschicht eine autarke, insbesondere versorgungsspannungsfreie, Wirbelstromdämpfungseinrichtung bildet. Mit Ausnahme der Ausführungsform, bei der die ringförmig umlaufende Leitschicht mit einer Ausnehmung versehen ist und einen geschlitzten Leitring bildet und gegenüberliegenden Endbereichen des Leitrings ein elektrisches Schaltmittel zugeordnet ist, wird für die Bereitstellung der Dämpfungswirkung auf die Bewegung des Kolbens keinerlei Energieversorgung benötigt. Vielmehr handelt es sich um einen inhärenten Vorgang, bei dem ohne bewegte Teile eine Wandlung von Bewegungsenergie in Wärme stattfindet, um dadurch die gewünschte Geschwindigkeitsbegrenzung für den Kolben zu gewährleisten. Ergänzend kommt hinzu, dass aufgrund der geschwindigkeitsabhängigen, mit zunehmender Geschwindigkeit progressiven Wirbelstrombildung eine besonders effiziente Dämpfung schneller Bewegungen des Kolbens erzielt werden kann.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Fluidaktors mit einer Leitschicht, die sich längs eines Bewegungswegs eines Kolbens erstreckt, und
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Fluidaktors mit mehreren, beabstandet voneinander angeordneten Dämpfungsabschnitten.
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In den 1 und 2 dargestellten Fluidaktoren 1, 41 unterscheiden sich lediglich durch die Ausgestaltung der Leitschicht, die übrigen Komponenten sind aus Gründen der Übersichtlichkeit identisch ausgebildet und sind auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Nachstehend erfolgt eine Erläuterung der Komponenten des Fluidaktors 1, die in gleicher Weise auch für den Fluidaktor 41 gültig ist.
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Der Fluidaktor 1 umfasst rein exemplarisch ein Aktorgehäuse 2, das rein exemplarisch ein kreiszylindrisch ausgebildetes Gehäuserohr 3 sowie endseitig am Gehäuserohr 3 angeordnete Abschlussdeckel 4, 5 umfasst. Die Abschlussdeckel 4, 5 sind in nicht näher dargestellter Weise am Gehäuserohr 3 festgelegt und abdichtend mit diesem verbunden. Ein vom Gehäuserohr 3 und den Abschlussdeckel 4, 5 umschlossenes Raumvolumen wird als Kolbenausnehmung 6 bezeichnet, wobei in dieser Kolbenausnehmung 6 ein Kolben 7 mit einer daran festgelegten Kolbenstange 8 beweglich aufgenommen ist. Der Kolben 7 bestimmt zusammen mit dem Gehäuserohr 3 und den Abschlussdeckeln 4, 5 zwei größenvariable Arbeitsräume 9, 10, die jeweils über einen nicht dargestellten Fluidanschluss mit einem ebenfalls nicht dargestellten Arbeitsfluid beaufschlagt werden können. In Abhängigkeit von einem Arbeitsdruckverhältnis zwischen den beiden Arbeitsräumen 9, 10 und einer von außen auf die Kolbenstange 8 einwirkenden, ebenfalls nicht dargestellten Last, bewegt sich der Kolben 7 längs eines exemplarisch geradlinigen Bewegungswegs 11. Um eine Kopplung der Bewegung des Kolbens 7 mit einer nicht dargestellten, außerhalb des Aktorgehäuses 2 angeordneten Last zu ermöglichen, durchsetzt die Kolbenstange 8 den Abschlussdeckel 4, wobei im Abschlussdeckel 4 in eine ringförmig umlaufende Kolbenstangendichtung 12 zur Abdichtung des Arbeitsraums 10 aufgenommen ist.
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An einer Innenoberfläche 14 des Gehäuserohrs 3 ist eine Leitschicht in Form eines Leitrohrs 15 angebracht, das sich zwischen den beiden Abschlussdeckeln 4, 5 erstreckt und somit die gesamte Innenoberfläche 14 des Gehäuserohrs 3 überdeckt. Der Kolben 7 ist mit einer Kolbendichtung 16 versehen, die in radialer Richtung über eine Außenoberfläche 17 des Kolbens 7 hinausragt und für eine gleitbewegliche und abdichtende Anlage am Leitrohr 15 ausgebildet ist. Ferner ist an einer der Kolbenstange 8 abgewandten kreisförmigen Stirnfläche 18 des Kolbens 7 eine Permanentmagnetanordnung 19 angebracht. Die Permanentmagnetanordnung 19 umfasst rein exemplarisch drei jeweils benachbart zueinander angeordnete Ringmagnete 20, 21 und 22, die koaxial zu einer Mittelachse 23 angeordnet sind. Diese Mittelachse 23 stellt rein exemplarisch eine Rotationssymmetrieachse für das Gehäuserohr 3, den Kolben 7 und die Kolbenstange 8 und somit auch für die Ringmagnete 20, 21 und 22 dar.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Ringmagnete 20, 21 und 22 jeweils in axialer Richtung magnetisiert sind, wobei benachbarte Ringmagnete 20 und 21 sowie 21 und 22 jeweils mit gegensinniger Polung aneinander anliegen. Von den Ringmagneten 20, 21 und 22 in radialer Richtung nach außen austretende, nicht näher dargestellte Feldlinien durchsetzen das Leitrohr 15, wobei in einem ruhenden Zustand des Kolbens und der damit verbundenen Permanentmagnetanordnung 19 keine für den Fluidaktor 1 funktionsrelevante magnetische Wechselwirkung vorliegt. Wird der Kolben jedoch aufgrund einer Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitsräumen 9, 10 und/oder einer Einwirkung einer äußeren Kraft auf die Kolbenstange 8 in eine Bewegung versetzt, so tritt aufgrund der magnetischen Wechselwirkung der Permanentmagnetanordnung 19 mit dem Leitrohr 15 eine Wirbelstrombildung auf, durch die Bewegungsenergie des Kolbens 7 in Wärme umgesetzt wird, die vom Leitrohr 15 insbesondere in das Gehäuserohr 3 abgegeben wird. Dabei erhöht sich die aufgrund der Wirbelstrombildung hervorgerufene Verlustleistung quadratisch mit zunehmender Geschwindigkeit, so dass beispielsweise eine Verdopplung der Geschwindigkeit zu einer Vervierfachung der Verlustleistung führt, was auch als progressives Dämpfungsverhalten für Bewegungen des Kolbens 7 relativ zum Leitrohr 15 bezeichnet werden kann. Aufgrund dieser Wirbelstrombildung und der damit verknüpften Verlustleistung findet eine inhärente Geschwindigkeitsbegrenzung für den Kolben 7 bei einem gegebenen Druckverhältnis zwischen den beiden Arbeitsräumen 9, 10 und konstanter äußerer Last auf die Kolben 8 statt, so dass auf aufwändige Maßnahmen zur Begrenzung der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 7 verzichtet werden kann.
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Die in der 2 dargestellte Variante eines Fluidaktors 41 unterscheidet sich von dem Fluidaktor 1 dadurch, dass das Gehäuserohr 3 an seiner Innenoberfläche 14 nur bereichsweise von Leitrohrabschnitten 42, 43 überdeckt ist, die längs der Mittelachse 23 beabstandet zueinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Leitrohrabschnitten 42, 43 ist rein exemplarisch ein Isolierrohrabschnitt 44 angeordnet. Die beiden Leitrohrabschnitte 42, 43 sind jeweils rotationssymmetrisch zur Mittelachse 23 ausgebildet und erstreckten sich jeweils nur über einen Teil des Bewegungswegs 11. Ferner ist an einer von den Leitrohrabschnitten 42, 43 und dem Isolierrohrabschnitt 44 bestimmten, nicht bezeichneten Innenoberfläche ein Gleitrohr 45 angeordnet, das beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff wie Aluminium oder Edelstahl hergestellt sein kann. Die Kolbendichtung 16 und das Gleitrohr 45 sind sowohl hinsichtlich ihrer Geometrie als auch hinsichtlich ihrer Materialauswahl derart aufeinander abgestimmt, dass eine vorteilhafte Dichtungs- und Gleitwirkung erreicht wird.
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Rein exemplarisch sind die Leitrohrabschnitte 42, 43 jeweils endseitig angrenzend an die Abschlussdeckel 4, 5 angeordnet und dienen zur Verwirklichung einer Endlagendämpfung. Diese Funktion wird dadurch erreicht, dass eine magnetische Wechselwirkung sowie eine dadurch bedingte Wirbelstrombildung nur dann in einem relevanten Ausmaß vorliegt, wenn die Permanentmagnetanordnung 19 derart gegenüber dem jeweiligen Leitrohrabschnitt 42 oder 43 angeordnet ist, dass der jeweilige Leiterrohrabschnitt 42 oder 43 die Permanentmagnetanordnung 19 zumindest nahezu vollständig zirkular umgibt. Beispielhaft wird durch die in 2 vorgesehene Anordnung der Leitrohrabschnitte 42, 43 bei einer Annäherung des Kolbens 7 und der daran angebrachten Permanentmagnetanordnung 19 an eine der beiden Abschlussdeckel 4 oder 5 eine Abbremsung einer Kolbenbewegung aufgrund von Wirbelstrombildung erzielt, so dass eine sanfte Annäherung des Kolbens 7 in die jeweilige, nicht näher bezeichnete Endlage gewährleistet ist.
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Bei einer schematisch in der 2 dargestellten Variante des Fluidaktors 41 ist zumindest einer der Leitrohrabschnitte, exemplarisch der Leitrohrabschnitt 43 mit einer Ausnehmung 46 versehen, die in der Art eines Schlitzes ausgebildet ist und sich über die gesamte Länge des Leitrohrabschnitts 43 längs des Bewegungswegs 11 erstreckt. Durch diese Ausnehmung 46 wird zunächst eine Ausbreitung von Wirbelströmen in dem Leitrohrabschnitt 43 unterbunden. Um dennoch die gewünschte Dämpfungswirkung durch Ausbildung von Wirbelströmen gewährleisten zu können, ist den gegenüberliegenden Kanten des Leitrohrabschnitts 43 an der Ausnehmung 46 jeweils eine Verbindungsleitung 47, 48 zugeordnet, wobei die Verbindungsleitungen 47, 48 an ein elektrisches Schaltmittel 49 angeschlossen sind. Bei diesem elektrischen Schaltmittel 49 kann es sich beispielsweise um einen elektromechanischen Schalter oder einen Halbleiterschalter handeln, der gemäß der Darstellung der 2 in einer Öffnungsstellung befindlich ist, so dass keine Ausbildung von Wirbelströmen im Leitrohrabschnitt 43 ermöglicht ist. In einer nicht dargestellten Schließstellung des Schaltmittels 49 werden hingegen die beiden gegenüberliegenden offenen Enden des Leitrohrabschnitts 43 elektrisch miteinander verbunden, so dass ein Fluss von Wirbelströmen erfolgen kann und hierdurch die gewünschte Geschwindigkeitsbegrenzung oder Dämpfungswirkung für den Kolben 7 bei Annäherung an den Abschlussdeckel 5 gewährleistet ist.
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Bei einer nicht dargestellten Variante des in 1 dargestellten Fluidaktors 1 ist an einer Innenoberfläche des Leitrohrs ein Gleitrohr angebracht, wie dies aus der 2 bekannt ist.
