DE2214751A1

DE2214751A1 - Elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung

Info

Publication number: DE2214751A1
Application number: DE19722214751
Authority: DE
Inventors: Alan Stratford-on-Avon; Heath Alfred Harborne Birmingham Thomas (Großbritannien)
Original assignee: Joseph Lucas Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1971-03-26
Filing date: 1972-03-25
Publication date: 1972-10-12
Also published as: FR2130729A1; GB1386082A; IT954390B; FR2130729B1; US3723926A

Description

PATENTANWÄLTE '

DipUng. WERNER COHAUSZ · Dipl.-Ing. WlLHELM FLORACK - Dipl.-Ing. RUDOLF KNAUF

4 Düsseldorf, Schumannstraße 97

Joseph Lucas (Industries) Limited

Great King Street

GB-Birmingham 24. März 1972

Elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Einrichtung in zweckmäßiger Form vorzusehen.

Eine elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Kern aus ferromagnetische^ Material, der zwei ringförmige Ausnehmungen aufweist, ein erstes Paar Wicklungen jeweils in den beiden Ausnehmungen, die in Reihe geschaltet sind und zur Erzeugung gleicher magnetischer Treibkräfte im Kern eingerichtet sind, ein zweites Paar Wicklungen jeweils in den Ausnehmungen, die in Reihe geschaltet sind und zur Erzeugung gleicher und entgegengesetzter magnetischer Treibkräfte im Kern eingerichtet sind, und einen röhrenförmigen Anker, dier den Kern umschließt und axial ihm gegenüber bewegbar ist, derart, daß die Wirkung der Ströme, die durch das erste und das zweite Paar Wicklungen gehen, aufeinander zur Ausübung einer axialen Kraft auf den Anker führt.

Die Erfindung ist im nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen ein Mediumdruckwandler mit einer kraftausübenden Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Wandlers,

Fig. 2 eine Endansicht des Wandlers,

Fig. 5 ein vergrößerter Schnitt an der Linie 3-e3 der Fig. 2, 26 116

Wa/Ti - 2 -

209842/0768

Pig. 4 ein Schnitt an der Linie 4-4 der Pig. 3, Pig. 5 eine Einzelheit im Schnitt an der Linie 5-5 der Fig. 3, Pig. 6 ein Schaubild eines Teils der kräfteausübenden Einrichtung, Pig. 7 ein Schaubild von Teilen einer Faltenbalgstabilisierungsan-

ordnung, die im Wandler verwendet wird, Pig. 8 ein Schaubild einer Kondensatorplatten-Lagernaordnuig die

im Wandler eingesetzt wird, und
Pig. 9 ein elektrisches Schaltbild des Wandlers.

Der dargestellte Wandler weist ein Gehäuse mit drei Grundteilen auf, nämlich einem Hauptteil 10, einer Scharnierhalterung 11 und einer Paltenbalglagerhalterung 12, wobei die Halterungen 11, 12 durch Schrauben 13 bzw. 14 am Hauptteil des Gehäuses befestigt sind. Sie Halterung 11 hat eine Gabelform und endet an einem Ende in zwei im Abstand liegenden parallelen Schenkeln 11a. Me gegabelte Halterung 11 dient zur Schaffung einer Schwenklagerung für einen Hebel 15 und einen langgestreckten gegabelten Arm 16. Sie beiden Enden des Arms 16 sind gelenkig mit den beiden Sohenkeln 11a durch bekannte gekreuzte Blattfederscharniere 17 verbunden. Entsprechende Scharniere 18 verbinden den Hebel 15 mit dem gegenüberliegenden Ende der Halterung 11, so daß der Hebel 15 und der Arm 16 um im Abstand liegende parallele Achsen verschwenkbar sind. Sas freie Ende des Arms 16 ist mit dem Hebel 15 mittels eines flexiblen Metallverbindungsstreifens 19 verbunden. Sie Länge des Arms 16 ist wesentlich größer als die Länge des Arms des Hebels 15, an dem der Streifen 19 angreift.

Sie Halterung 12 ist mit einem Ende eines flexiblen, federnden Metallfaltenbalgs 20 unter Zwischenschalten eines Stöpsels 21 verbunden, der dichtend mit dem Ende des Paltenbalgs verbunden ist. Ein entsprechender Stöpsel 22 ist dichtend in das andere Ende des Balgs 22 eingesetzt und ist am Arm 16 an dessen freiem Ende befestigt. Ber Faltenbalg ist leergesaugt und spricht damit auf den Druck jedee Mediums an, z«. B. Luft, das den ABalg umgibt. Ser Arm 16 dient

- 3 2098U/0768

zur Stabilisierung des Balgs 20 durch Verhinderung einer seitlichen Vibration des anderen Endes desselben, was geschehen würde, wenn der Balgstöpsel 22 nur mit dem flexiblen Streifen 19 verbunden wäre. Die Länge des Arms ist derart, daß die begrenzte Verlagerung, die der Stöpsel 22 ausführen kann (was nachstehend noch im einzelnen klargestellt wird), keine ausreichende Verformung des Faltenbalgs bewirkt, um irgendeinen signifikanten Wechsel in der effektiven Federcharakteristik desselben hervorzurufen.

Der Hebel 15 ist mit seinem kürzeren fiArm mit dem Streifen 10 verbunden, wie vorstehend erwähnt. Der längere Arm endet in einem Hing 15a, der einen Bohranker 23 der kraftausübenden Einrichtung 24 umschließt. Der Hing 15a weist Ansätze auf, die mit entpsrechenden Ansätzen am Anker 23 fluchten und durch Schrauben damit verbunden sind. Die Einrichtung 24 weist einen Kern 25 auf, der einstellbar am Hauptteil 10 des Gehäuses gelagert ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 sitzt eine Kugel 26 in gegenüberliegenden konischen Ausnehmungen in einem Ende des Kerns 25 und eines Einsatzes 27, der im Hauptteil 10 des Gehäuses eingesetzt ist. Im gleichen Winkelabstand um diese Kugel herum sind drei Schrauben 28 angeordnet, deren Schäfte frei durch Löcher in dem Gehäusehauptteil gehen und die in den Kern 25 eingeschraubt sind. Indem der relative Anzug der Schrauben 28 geändert wird, wird die Orientierung der Achse des Kerns 25 um die Kugel 26 herum geändert. Der Kern 25 hat im wesentlichen die Form eines Zylinders mit Endflanschen 25a, 25b und mit einem Zwischenflansch 25c. Der Kern trägt zwei Wicklungen in jedem der zwei ffiarEingräume, die zwischen den Falnschen gebildet sind. Eine Wicklung ist im gleichen Sinne in beiden Zwischenräumen gewickelt, und diese beiden !Peile der Wicklung sind in Reihe miteinander verbunden. Die beiden !Teile der anderen Wicklung sind ebenfalls in Reihe miteinander verbunden, jedoch in entgegengesetztem Sinene gewickelt.

Die erstgenannte Wicklung hat einen konstanten Strom, der durch sie

209842/0768

durchfließt, und sie dient zur magnetischen Polarisierung des Kerne 25. Die andere Wicklung hat einen veränderlichen Strom, der durch sie durchfließt« vas noch im einzelnen zu erläutern sein wird. Als Folge davon unterscheidet sich der Fluß in den Spalten zwischen den Flanschen 25a und 25b davon um ein Maß, das von der Größe und der Richtung des veränderlichen Stroms abhängt, und auf den Anker 25 wird eine axiale Kraft ausgeübt, die von dem veränderlichen Strom abhängt, um damit ein Moment auf den Hebel 15 auszuüben.

Am Hauptteil 10 des Gehäuses ist eine Kondensatorplatten-Lagermanordnung gelagert, wie das in Fig. 8 gezeigt ist. Diese Anordnung weist einen flachen U-förmigen Teil 29 auf, der einen Abstandshalter zwischen zwei im Abstand angeordneten parallelen Kondensatorplatteneinheiten 30 und 31 bildet. Jede dieser Einheiten weist eine Stützplatte 32, eine Isolierscheibe 35 *n* der Stützplatte 32 und eine leitende Scheibe 34 an der Isolierscheibe auf. Die Scheiben 34 bilden die eigentlichen Kondensatorplatten, und an sie sind elektrische Verbindungen (nicht dargestellt) angeschlossen. Die beiden Scheiben 34 haben ebene Flächen, die parallel zueinander liegen und im Abstand zueinander in der Richtung angeordnet sind, in der der Stöpsel 22 bewegbar ist.

Eine weitere Kondensatorplatte 33 sitzt zwischen den Scheiben 54 ist am Arm 16 gelagert. Zu diesem Zweck weisen die Platte 33 und der Arm 16 Ansätze 36, 57 auf, zwischen den sich elektrisch isolierende Zwischenstücke 38 befinden. Um die Platte 33 genau mittig auszurichten, wenn der Wandler geeicht wird, können verschiedene Unterlegblättchen zwischen dem U-förmigen Teil 29 und dem Hauptteil 10 des Gehäuses oder der einen oder der anderen der Platteneinheiten 30 eingesetzt werden.

Gemäß Fig. 9 bilden die Platten 30, 31 und 33 zwei Kondensatoren in nebeneinanderliegenden Zweigen einer hochfrequenzresonanten Wechselstrombrückenschaltung. Ein Oszillator 40 ist durch einen Umformer 41 mit der Platte 35 gekoppelt, ferner mit der Verbindung zwischen

- 5 -2098Α2/076Θ

zwei Induktivitäten 42 bzw. 43. Die anderen Enden dieser Induktivitäten sind mit der Scheibe 34 der Platten 30 und 3I verbunden, und sie bilden außerdem die Ausgänge der Brückenschaltung. Die Verbindung zwischen den beiden Induktivitäten 42, 43 ist ferner mit einer Erdungsschiene 44 über einen Widerstand 45 und mit einer Schiene 50 über einen Regelwiderstand 47 verbunden. Die Scheiene 50 ist über einen Widerstand 48 und 80 in Reihe mit dem Pluspol einer Gleichstromquelle verbunden. Eine Zenerdiode 49 ist mit ihrer Kathode mit der Schiene 50 verbunden, und mit ihrer Anode ist sie mit der Schiene 44 verbunden, so daß ein bekannter Gleichstromspannungswert, der von der Einstellung des Regelwiderstands 47 abhängt, an die Verbindung zwischen den Induktivitäten 42, 43 angelegt wird.

Eine Hochfrequenzverstärkerstufe, bestehend aus zwei n-p-n-Transistören 51 und 52, ist zur Verstärkung des Ausgangs von der Brückenschaltung vorgesehen; dabei sind die Steuerelektroden dieser beiden Transistoren mit den äußeren Enden der Induktivitäten 42, 43 verbunden, während deren Kollektoren miteinander und über einen Kondensator 53 mit der Schiene 44 und über einen Widerstand 54 mit der Schiene 50 verbunden sind. Die Emissionselektroden dieser beiden !Transistoren sind durch einen Kondensator 55 parallel zur Primärwicklung eines Umformers 56 miteinander verbunden. Diese Primärwicklung hat eine Mittelabzapfstelle, die über einen Widerstand 57 mit der Schiene 44 verbunden ist.

Die Sekundärwicklung des Umformers 56 treibt eine Phasendiskriminatorschaltung an. Diese Sekundärwicklung hat eine Mittelzapfstelle, die mit einer weiteren Sekkundärwicklung des Umformers 4I verbunden ist. Zwei Dioden 58, 59 sind mit ihren Anoden mit den beiden Enden der Sekundärwicklung des Umformers 56 verbunden, und mit ihren Kathodensind sie mit den Widerständen 60 bzw. 61 verbunden. Die Widerstände sind mit zwei Kondenseatoren 62, 63 in Reihe verbunden, weobei jeder Kondensator einen Widerstand 64, 65 parallel dazu aufweist. Die Verbindung zwischen den Kondensatoren 62, 63 ist mit der weiteren Sekun-

209842/0760

"⁶" 22H751

därwicklung des Umformers 41 verbunden, um ein Phasenbezugssignal zur Phasendiskriminatorschaltung zu liefern.

Im Betrieb werden die Kondensatoren 63» 62 während abwechselnder Halbperioden des Stroms vom Umformer 41 geladen. Venn die Brückenschaltung auskompensiert ist« geht kein Wechselstromsingal vom Umformer in die Phasendiskriminatorschaltung. Beides Kondensatoren 62 und 65 werden also gleich geladen, jedoch im entgegengesetzten Sinne, so daß kein Ausgang von der Phasendiskriminatorschaltung auftritt. Wenn die Platte 35 in einer Richtung verlagert wird, erzeugt die Brückenschaltung einen Ausgang in Phase mit dem Eingangsstrom, und in diesem Fall bewirkt der additive Effekt der beiden Wechselstromsignale in der Phasendiskriminatorschaltung, daß der eine der Kondensatoren 62, 63 eine größere Ladung als der andere erhält, so daß man einen Gleichstromausgang einer Polar Mt erhält. Entsprechend erhält man einen Gleichstromausgang entgegengesetzter Polarität, wenn die Platte 35 ⁱⁿ entgegengesetzte Richtung verlagert wird, um zu bewirken, daß die Brückenschaltung einen Ausgang erzeugt, der 180° außer Pahase dem Eingangsstrom gegenüber ist.

Der Ausgang von der Phasendiskriminatorschaltung wird verstärkt, und er wird zum !Treiben der kraftausübenden Einrichtung 24 verwendet. Zu diesem Zweck ist die Verbindung zwischen den Widerständen 61 und 65 mit der Schiene 44 entweder über einen Widerstand 66 gemäß der Sarstellung oder direkt verbunden. Wenn der Widerstand 66 eingesetzt wird, ist auch ein Kondensator 67 mit einer Platte mit dieser Verbindung verbunden. Die Verbindung zwischen den Widerständen 60 und 54 ist mit der Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 68 über einen Widerstand 69 verbunden. Die Emissionselektrode des Transistors 68 ist mit der Schiene 44 verbunden, und dessen Kollektor ist über einen Widerstand 70 mit der Schiene 50 verbunden. Der Kollektor des Transistors 68 ist ferner mit der Anode einer Diode 7I verbunden, deren Kathode mit der Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 72 über einen Widerstand 73 verbunden ist. Ein Widerstand 74 verbindet die Steuerelektrode des Transistors 72 mit der Schiene 44» und die

209842/0768

Emissionselektrode des Transistors 72 ist auch mit der Schiene 44 verbunden. Sie andere Platte des Kondensators 67 ist, wenn dieser eingesetzt wird, mit dem Kollektor des Transistors 72 verbunden, der auch mit einem Ende der in Heihe geschalteten umgekehrt gewickelten Wicklungen 75, 76 in der Einrichtung 24 verbunden ist. Das andere Ende dieser beiden Wicklungen ist über einen Widerstand 77 mit dem Anschluß 46 über den Widerstand 48 verbunden. Die Ausgangsanschlüsse 78, 79 der Schaltung sind mit gegenüberliegenden Enden des Widerstands 77 verbunden. Die Spannung an der Reihenschaltung, bestehend aus dem Widerstand 77, den Wicklungen 75» 76 und dem Kollektor-Emissionselektrodenweg des Transistors 72, ist durch eine Zenerdiode 81 stabilisiert, die mit ihrer Anode geerdet ist und deren Kathode mit dem Anschluß 78 verbunden ist.

Die anderen Wicklungen 82, 83 der Einrichtung 24 sind in Reihe zwischen den Anschluß 78 und eine Konstantstromquelle 8$4 geschaltet. Eine Diode 85 ist zu den Wicklungen 75 und 76 parallelgeschaltet, und eine weitere Diode 86 ist zu den Wicklungen 82, 83 parallelgeschaltet, um die Schaltung vor eventuellen hohen EMK-Werten zu schützen, die induziert werden können, wenn der durch die Wicklungen fließende Strom unterbrochen wird.

Wie vorstehend erwähnt, hängt die Größe und Polarität der Spannung, die an den Widerständen 64 und 65 der Diskriminatorschaltung erscheint, von der Größe und der Richtung der Verlagerung der Mittelplatte 35 aus ihrer Nullposition ab (in der die Brückenschaltung ausgeglichen ist). Da jedoch der Faltenbalg 20 leergepumpt ist, braucht in der Praxis lediglich die Einrichtung 23 eine Kraft in eine Richtung auszuüben, nämlich nach unten auf den Hebel 15, wie das in Pig. 3 gezeigt ist. Wenn also kein.Signal vorhanden ist (d.h. wenn die Brückenschaltung ausgeglichen ist) oder wenn ein Signal mit negativer Polarität an der Steuerelektrode des Transistors 68 vorhanden ist, ist er nicht leitend, und es tritt ein größtes Signal, bestimmt durch die Widerstände 70, 73 und 74, an der Steuerelektrode des Transistors 72 auf. Es fließt also ein höchster Strom-

209842/076S

wert durch die Wicklungen 76, 75» um den Anker 23 naoh unten zu drücken und eine nach oben wirkende Zugkraft auf das obere Ende des Faltenbalgs 20 auszuüben. Mit der größer werdenden Verlagerung der Platte 35 nach oben verstärkt sich der Strom durch den Transistor 68, und der Strom durch die Wicklungen 75» 76 nimmt ab. Im Gleichgewichtszustand nimmt die Platte 35 eine Position ein, in der die Kraft, die auf den Faltenbalg 20 durch die Einrichtung 24 ausgeübt wird, gleich und entgegengesetzt zu der Summe der Kräfte ist, die von dem Außendruck auf den Faltenbalg und von seiner Eigenfederung herrühren. Die Kraft ist im übrigen direkt proportional zum Stromdurchgang durch die Wicklungen 75» 76» und die Ausgangsspannung am Widerstand 77 ist damit direkt proportional zum Strom. Es besteht damit eine lineare Beziehung zwischen dem Ausgang des Wandlers und dem gemessenen Druck.

Die Schaltkreisverstärkung des beschriebenen Systems ist derart, daß nur eine kleinste Verlagerung der Platte 35 erforderlich ist, um den gesammten Druckbereich zu bestreichen, der von der Einrichtung gemessen werden soll. Die größte Verlagerung der Platte 35 kann also bis zu einem Zehntel der Breite der Luftspalte betragen, die zwischen der Platte 35 und den beiden Scheiben 34 bevorhanden sind. Jede Änderung in der Dielektrizitätskonstanten der die Platte 35 umgebenden Luft als Folge von Änderungen im Druck, in der Temperatur oder in der Luftfeuchtigkeit hat also einen zu vernachlässigenden Effekt auf die Arbeit des Wandlers. Entsprechend ist auch der Effekt der Verlagerung des Ankers 23 auf die ausgeübte Kraft vernachelässigbar.

Der Widerstand 66 und der Kondensator 67 sind vorgesehen, wenn es erforderlich ist, das System zu stabilisieren. Diese Bauteile arbeiten in bekannter Weise, um eine negative Rückkopplung für den Transistor 68 zu aiiaffen, die sich mit dem Maß der Änderung des Eingangesignals zum Transistor 68 ändert.

In einer Variante der Erfindung kann der Balg den zu messenden Druck

- 9 2098^2/0768

innen aufnehmen, oder unterschiedliche Drücke können den Balg innen oder außen beaufschlagen« wenn eine Druckdifferenz gemessen werden soll.

Pat entansprüohe

2098A2/0768

Claims

Patentansprüche

Mj/Elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung, gekennzeichnet durch einen Kern (25) aus ferromagnetischem Material» der zwei ringförmige Ausnehmungen aufweist» ein erstes Paar Wicklungen (82,83) jeweils in den beiden Ausnehmungen, die in Reihe geschaltet sind und zur Erzeugung gleicher magnetischer Treibkräfte im Kern (25) eingerichtet sind, ein zweites Paar Wicklungen (75,76) jeweils in den Ausnehmungen, die in Reihe geschaltet sind und zur Erzeugung gleicher und entgegengesetzter magnetischer Treibkräfte im Kern (25) eingerichtet sind, und einen röhrenförmigen Anker (23), der den Kam (25) umschließt und axial ihm gegenüber bewegbar ist, derart, daß die Wirkung der Ströme, die durch das erste (82,85) und das zweite Paar Wicklungen (75*76) gehen, aufeinander zur Ausübung einer axialen Kraft auf den Anker (23) führt.
2. Elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (23) an einem Arm (15) gelagert ist, der schwenkbar an einem Gehäuse gelagert ist, an dem der Kern (25) gelagert ist.
3. Elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (25) einstellbar am Gehäuse gelagert ist.
4. Elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Kugel (26), die in gegenüberliegenden konischen Ausnehmungen in einem Ende des Kerns (25) und im Gehäuse sitzt, und durch eine Anzahl von Schrauben (28), die im Abstand um die Kugel (26) herum angeordnet sind und am Gehäuse und am Kern (25) angreifen, derart, daß duroh Änderung der relativen Anziehung der Schruaben (28) Änderungen in der Orientierung des Kerns (25) hervorgerufen werden.

2098^2/0768

-*r- 22H751
5. Elektromagnetische Kraft ausübende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß sie einen !Teil eines Mediumdruckwandlers bildet.

209842/0768

ι ^A ·♦

Leerseite