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Die Erfindung hat einen elektromechanischen Antrieb zur
Steuerung eines Durchflussmodulators nach Art einer sich iin
Inneren einer Leitung drehenden Klappe zur Aufgabe.
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Schnelle Durchflussschwankungen, wie sie in Installationen
in der Industrie auftreten, sind dynamischer Natur, d. h.,
dass ihr Verhalten eine Auswirkung der Schwerkraft und der
Elastizität des Fluids oder der Wände von Vorrichtungen ist.
Sie können der Grund für besonders störende Effekte sein,
wie übermäßige Schwingungen, die eine Materialermüdung zur
Folge haben, oder störende Geräusche. Diese Schwankungen
können nicht mittels üblicherschließeinrichtungen für
Leitungen (Ventile, Hahnen, ...) gesteuert werden, die in der
Praxis aufgrund ihrer Schwerkraft oder ihrer
Verstelleinrichtung (z. B. eine Schraube) ziemlich lange Öffnungszeiten
benötigen.
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Aus dem Dokument FR-A-2 613 089 sind ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Verringern derartiger schneller
Durchflussschwankungen eines in einer Leitung fließenden Fluids
bekannt.
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In diesem Dokument ist ein Durchflussmodulator vorgesehen,
der das Aussehen einer Klappe oder einer Drosselklappe hat,
die verdrehbar in einer Leitung montiert ist und deren
Aufgabe darin besteht, einen momentanen Druckabfall zu
erzeugen; ihre Dimensionen, die als Funktion der letzteren
Aufgabe bestimmt sind, können im allgemeinen zu einer Form und zu
Dimensionen führen, die kein vollständiges Verschließen der
Leitung erlauben. Dieser Modulator wird durch eine
Mitnahmeeinrichtung,
wie einen Schrittmotor, gesteuert.
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Jedoch kann ein Schrittmotor, da er eine genaue
Positionierung des Durchflussmodulators erlaubt, eine zu lange
Ansprechzeit aufweisen.
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Außerdem umfasst eine Regelungsvorrichtung für Pulsationen
eines Fluids von vornherein nicht die Winkelposition des
Durchflussmodulators als Betriebsparameter. Nun ist aber die
Kenntnis dieser Position unabdingbar, wenn ein Schrittmotor
verwendet wird.
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Es ist demgemäß erforderlich, zusätzlich zum Schrittmotor
eine genaue Ermittlungsvorrichtung für die Winkelposition
des Durchflussmodulators anzuordnen.
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Um diesen Mangel zu lindern, kann daran gedacht werden,
einen klassischen Elektromotor zu verwenden.
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Jedoch ist in diesem Fall die Betätigung des
Durchflussmodulators weniger zuverlässig und sogar für den Motor selbst
schädlich, da sich die Bürsten des letzteren schnell
abnutzen, da er dauernd im Anlaufbetrieb arbeitet. Angesichts der
Werte der Schwingungsfrequenzen, wie sie erforderlich sind,
um eine wirkungsvolle Betätigung des Durchflussmodulators zu
erhalten, führt eine mechanische übertragung einer
Drehbewegung der Betätigungseinrichtung bei einer
Schwingungsbewegung des Durchflussmodulators zu einer zu bedeutenden
Schwerkraft und schließt jede Möglichkeit einer Anpassung
der Eigenschaften der alternierenden Bewegung an die des
gemessenen Durchsatzes aus.
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Die Erfindung zielt darauf ab, eine Betätigungseinrichtung
zu schaffen, die ein geringes Trägheitsmoment, in der
Größenordnung von 2 10&supmin;&sup7; kg/m², aufweist, was es ihr
ermöglicht,
sehr hohe Beschleunigungswerte, in der Größenordnung
von 5 10&sup4; rad/s², zu erzielen, dank derer der
Durchflussmodulator Frequenzen in der Größenordnung einiger zehn bis
einiger hundert Hertz erreichen kann, d. h. Frequenzen, wie
sie zum wirksamen Erfüllen seiner Rolle erforderlich sind.
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Die Erfindung hat folgendes zur Aufgabe, eine
elektromechanische Betätigungsvorrichtung zur Steuerung eines
Durchflussmodulators nach Art einer Klappe, die drehbar innerhalb
einer Leitung angeordnet ist und dazu bestimmt ist, für ein
im Innern der Leitung strömendes Fluid einen variablen, sehr
schnellen Druckabfall zu erzeugen, wobei die
Betätigungsvorrichtung ein festes Element bzw. einen Stator und ein
drehbar angeordnetes Element bzw. einen Rotor zur gemeinsamen
Drehung mit dem Durchflussmodulator umfasst und der Stator
und der Rotor mit elektromagnetischen Elementen wie Spulen
und ggf. Permanentmagneten versehen sind, die dann, wenn sie
von Strom durchflossen werden, in elektromagnetische
Wechselwirkung gelangen, die lediglich im Innern eines
vorbestimmten Winkelbereichs Winkelverschiebungen des Rotors
erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Leitung
oszilliert und mit einer Rückstelleinrichtung versehen ist,
die unter Oszillationen des Rotors um eine
Bezugs-Winkelposition bei Winkelverzägerungen des Rotors die kinetische
Energie des Rotors und des Durchflussmodulators speichert
und sie bei Winkelbeschleunigungen des Rotors zumindest
teilweise wieder an die Betätigungsvorrichtung zurückgibt,
wobei die Betriebsfrequenz des Rotors im Bereich der
Resonanzfrequenz der Betätigungsvorrichtung liegt.
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Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weist die
Betätigungseinrichtung eine Steuereinrichtung zur
Verschiebung der Bezugs-Winkelposition des Rotors bezüglich der
Leitung auf, um diese fein mit der mittleren Winkelposition des
in der Leitung oszillierenden Durchflussmodulators in
Übereinstimmung
zu bringen.
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Diese Regelung, die automatisch sein kann, erlaubt es, die
Funktion der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung
dadurch zu verbessern, dass sie an die erforderlichen
Schwingungen des Durchflussmodulators angepasst wird.
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Vorzugsweise liegt der Winkelbereich, innerhalb dessen der
Rotor oszilliert, zwischen etwa 15º und 35º, und
vorzugsweise zwischen etwa 20º und 30º.
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Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung hat den Vorteil,
dass der Rotor und der Durchflussmodulator mit derselben
Mitnahmeachse fest verbunden sind, wodurch sich das
Trägheitsmoment verringert.
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Außerdem können dank der erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung die Schwingungsparameter des Durchflussmodulators
schnell an Eigenschaften des Fluiddurchsatzes angepasst
werden.
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Hierzu reicht es aus, die Form des elektrischen
Steuersignals der Betätigungsvorrichtung zu modifizieren.
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Gemäß der Erfindung kann die Betätigungsvorrichtung
Schwingungsbewegungen mit erhöhten Frequenzen an den
Durchflussmodulator übertragen.
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Tatsächlich verfügt die Betätigungsvorrichtung dank des
Vorhandenseins einer Rückstelleinrichtung über ihre eigene
Resonanzfrequenz, die vorteilhafterweise im Bereich der
Schwingungsfrequenzen der Betätigungsvorrichtung gewählt
wird. Demgemäß reicht es aus, eine Energiedifferenz zu
liefern, die dazu ausreicht, dem Rotor die erforderliche
Betriebsfrequenz zu verleihen, die benachbart zur
Resonanzfrequenz
der Betätigungsvorrichtung liegt.
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Daraus ergibt es sich, dass das Moment, das an den Rotor zu
übertragen ist, um ihm eine derartige Schwingungsfrequenz zu
verleihen, in bezug auf dasjenige wesentlich verringert ist,
das beim Fehlen der Rückstelleinrichtung zu liefern wäre.
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Demgemäß bietet die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung
den Vorteil, dass sie erhöhte Betriebsfrequenz erreichen
kann, sie aber dennoch während ihrer Funktion wenig Energie
verbraucht.
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Außerdem ist es einer der Vorteile der erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung, dass sie höhere Betriebsfrequenzen
erreichen kann als dann, wenn die Rückstelleinrichtung
fehlen würde; tatsächlich ist die Maximalfrequenz durch das
Motormoment festgelegt, d. h. durch die elektromagnetische
Kraft, die pro Einheitsvolumen des Rotors zur Verfügung
steht. Nun ist diese tatsächlich durch die in den Spulen
zulässige elektrische Leitung begrenzt, die ihrerseits durch
die Möglichkeit begrenzt ist, die Wärme abzuführen, die sie
aufgrund des Jouleschen Effekts erzeugt hat. Die
Rückstelleinrichtung sorgt so, indem sie eine Einspeicherung
mechanischer Energie unabhängig vom Motormoment ermöglicht, ohne zu
wesentlicher Trägheitskraft zu führen, für ein momentanes
Effektivmoment, das zusätzlich auf den Durchflussmodulator
einwirkt.
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Dieser Vorteil ist im Fall einer Verwendung der
Betätigungsvorrichtung an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Steuern des
Gases, das in der Auspuffleitung zirkuliert, wesentlich, da in
diesem Fall nur eine begrenzte Energiequelle zur Verfügung
gestellt wird.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die
Rückstelleinrichtung nach elektromagnetischer Art
eingerichtet, und sie umfasst einen Messfühler zum Messen der
Winkelposition des Rotors, elektromagnetische Elemente mit einer
auf dem Rotor und auf dem Stator angeordneten elektrischen
Schaltung und einen elektrischen Speicher, der die in der
elektrischen Schaltung während der Winkelverzögerungen des
Rotors erzeugte Elektrizitätsmenge speichert und die
Betätigungsvorrichtung bei Winkelbeschleunigungen des Rotors mit
elektrischer Energie versorgt.
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Bei einer Variante dieser Ausführungsform, bei der die
Betätigungsvorrichtung in der Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs
angebracht ist, kann der Speicher einfach die Batterie des
Fahrzeugs sein.
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Es ist ersichtlich, dass bei dieser Ausführungsform die
zweite elektrische Schaltung die Rolle eines Generators
spielt, der die kinetische Energie des Rotors und des
Durchflussmodulators in den Verzögerungsphasen des Rotors
zurückgewinnt und sie an den Speicher überträgt.
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Bei einer Variante ist die elektrische Schaltung der
Rückstelleinrichtung aus der elektrischen Schaltung der
Betätigungsvorrichtung aufgebaut, wobei es eine
Umschalteinrichtung ermöglicht, diese Schaltung zwischen einer
Betätigungsposition und einer Position zur Rückgewinnung elektrischer
Energie umzuschalten. Z. B. kann zu diesem Zweck eine
Vorrichtung vom Typ eines reversiblen Zerhackers verwendet
werden.
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Die Betätigungsvorrichtung wird demgemäß abwechselnd als
Motor zum Betätigen des Durchflussmodulators und als
Wechselstromgenerator zum Laden des elektrischen Speichers
verwendet.
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Die Eigenresonanzfrequenz einer derartigen
Betätigungsvorrichtung hängt von ihrem elektrischen Schaltkreis zur
Energierückgewinnung ab. Wenn bestimmte Parameter dieser
Schaltung variiert werden, kann demgemäß ihre Resonanzfrequenz
modifiziert werden, was insoweit ein beträchtlicher Vorteil
ist, dass, wie bereits erläutert, der Betrieb der
Betätigungsvorrichtung im Bereich von Frequenzen, die benachbart
zu seiner Resonanzfrequenz liegen, besonders wirtschaftlich
ist.
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Außerdem kann, wenn bestimmte elektronische Parameter der
Betätigungsvorrichtung abhängig von der Ausführungsform
angepasst werden, die Winkelposition des Rotors in bezug auf
die Leitung verstellt werden, damit sie mit der mittleren
Position des Durchflussmodulators übereinstimmt, was es
ermöglicht, den Betrieb der Betätigungsvorrichtung zu
verbessern.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die
Rückstelleinrichtung mechanischer Art und umfasst ein
einerseits mit dem Rotor und andererseits mit dem Stator fest
verbundenes elastisches Element.
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Die kinetische Energie des Rotors und des
Durchflussmodulators wird hier in Verzögerungsphasen des Rotors in Form
potentieller Energie durch das elastische Element
eingespeichert, das z. B. aus einer Schraubenfeder bestehen kann. In
Beschleunigungsphasen des Rotors setzt das elastische
Element seine potentielle Energie frei und trägt zur Betätigung
des Durchflussmodulators bei.
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Das Quasifehlen von Reibkräften wie auch die direkte
Umwandlung der kinetischen Energie in potentielle Energie erhöhen
den energetischen Wirkungsgrad einer derartigen
Rückstelleinrichtung.
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Jedoch besitzt diese Betätigungsvorrichtung eine feste
Resonanzfrequenz, wenn ihre Rückstelleinrichtung energetisch
lohnend ist. Sie passt sich demgemäß nicht so leicht wie die
vorangehende an verschiedene Bereiche der
Schwingungsfrequenz des Durchflussmodulators an.
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Dennoch ermöglicht es diese Ausführungsform, den Wert des
Moments für hohe Frequenzen zu verbessern, da es diese
Energiespeicherungsvorrichtung ermöglicht, wie es bereits zuvor
ausgeführt wurde, dem Wert des elektromagnetischen Moments
ein mechanisches Moment hinzuzufügen, mit dem keinerlei
nennenswertes zusätzliches Trägheitsmoment verbunden ist.
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Übrigens kann die Winkelposition der Betätigungsvorrichtung
in bezug auf die Leitung mittels mechanischer Einrichtungen
modifiziert werden, die die Betätigungsvorrichtung um eine
Achse verdrehen können, die mit der Rotorachse
übereinstimmt. So kann die Bezugs-Winkelposition des Rotors
verstellt werden, um dafür zu sorgen, dass sie mit der
mittleren Winkelposition des in der Leitung schwingenden
Durchflussmodulators übereinstimmt.
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Bei einer dritten Variante kann die Betätigungsvorrichtung
gleichzeitig eine elektromagnetische Rückstelleinrichtung
und eine mechanische Rückstelleinrichtung aufweisen.
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Eine derartige Konfiguration ermöglicht es, eine
Betätigungsvorrichtung zu erhalten, die wirkungsvoll in einem
größeren Frequenzbereich arbeiten kann, und zwar durch
Modifizieren ihrer Resonanzfrequenz durch Kombinieren des
energetischen Wirkungsgrads und der Anpassbarkeit.
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In vorteilhafter Weise weist die Betätigungsvorrichtung eine
Ruhelage auf, die einer Sicherheitsposition des
Durchflussmodulators
im Falle einer Fehlfunktion der
Betätigungsvorrichtung entspricht.
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Wenn z. B. die Betätigungsvorrichtung in der Auspuffleitung
eines Kraftfahrzeugs angebracht ist, entspricht die
Ruhestellung der Betätigungsvorrichtung derjenigen, in der der
Durchflussmodulator in einer offenen Position gehalten wird.
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Um die Erfindung besser verständlich zu machen, wird nun
eine beispielhafte, in keiner Weise beschränkende
Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische
Zeichnung beschrieben, in der:
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- Figur 1 schematisch eine mit einer erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung versehene Leitung zeigt;
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- Figur 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung zeigt und
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- Figur 3 eine zweite Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung zeigt.
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In Figur 1 ist eine Leitung 1 dargestellt, in der ein Fluid
pulsförmig fließt, dessen Bewegung durch einen Pfeil
gekennzeichnet ist.
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Um eine Achse 3 drehbar ist im Innern dieser Leitung 1 eine
Drosselklappe 2 angebracht, die hier einen
Durchflussmodulator im Sinn der Erfindung bildet.
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Eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung 4 ist über eine
Mitnahmeachse mit der Drosselklappe 2 verbunden.
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Die Betätigungsvorrichtung 4 wird durch elektrische Signale
gesteuert, die auf elektrischen Leitungen 6 laufen, die in
das Gehäuse der Betätigungsvorrichtung 4 hineinführen.
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Aus dieser Figur ist es deutlich, dass durch
Schwingungsbewegungen
der Drosselklappe 2 im Fluid, das im Innern der
Leitung 1 fließt, ein variabler Druckverlust erzeugt wird.
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In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung dargestellt.
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Diese Betätigungsvorrichtung umfasst einen zentralen,
drehbar angeordneten Teil 7, der den Rotor bildet, und einen
feststehenden Umfangsteil 8, der den Stator bildet.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Rotor 7 ein
Permanentmagnet mit zwei Polen 7a und 7b, während der Stator 8 durch
Weicheisenelemente 8a und 7b gebildet wird, die jeweils von
einer Spule 9 umgeben sind.
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Der Rotor ist um die Achse 5 drehbar angebracht.
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Die Teile 8a und 8b des Stators sind mit einem Chassis 10
fest verbunden, auf dem sie durch Befestigungsteile 11
gehalten werden.
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Eine Kommutatoreinrichtung 12 verbindet die Spulen 9 des
Stators 8 abwechselnd mit der elektrischen Leitung 6, in der
die Steuerbefehle laufen, und einem Speicher 13.
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Eine Steuerung 14 aktiviert die Kommutatoreinrichtung 12 als
Funktion der Winkelposition des Rotors, die ihr über einen
Positionsmessaufnehmer 15 geliefert wird, der auf der
Mitnahmeachse 5 angebracht ist.
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Die Funktion der Betätigungsvorrichtung ist die folgende.
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Während den Beschleunigungsphasen des Rotors stellt die
Steuerung 14 die Verbindung zwischen den durch die Leitungen
6 übertragenen elektrischen Signalen und den Spulen 9 des
Stators 8 her.
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Daraus ergibt sich eine beschleunigte Winkelverstellung des
Rotors 7.
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Wenn der Rotor 7 einmal seine Bezugs-Winkelposition
überschritten hat, zeigt der Messwertaufnehmer 15 für die
Winkelposition der Steuerung 14 an, dass sich der Rotor 7 in
der Verzögerungsphase befindet.
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Auf ein Signal der Steuerung 14 hin stellt die
Kommutatoreinrichtung 12 dann die Verbindung zwischen den Spulen 9 des
Stators 8 und dem Speicher 13 her.
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Während der Verzögerungsphase verhält sich die
Betätigungsvorrichtung wie ein Wechselstromgenerator, der elektrische
Energie erzeugt, die in den Speicher 13 eingespeichert wird.
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Für die folgende Beschleunigungsphase aktiviert die
Steuerung 14 die Kommutatoreinrichtung 12 so, dass sie erneut die
Leitungen 6, die das elektrische Steuersignal der
Betätigungsvorrichtung übertragen, mit den Spulen 9 verbindet.
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Die im Speicher 13 eingespeicherte elektrische Energie wird
mittels elektrischer, über die Leitungen 6 übertragener
Signale in der Betätigungsvorrichtung zurückgewonnen, wobei
diese Signale von einer elektronischen, nicht dargestellten
Steuerungsvorrichtung herrühren, für deren Versorgung mit
elektrischer Energie zumindest teilweise durch den Speicher
13 gesorgt wird.
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Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung hat den Vorteil,
dass sie an jeden Schwingungstyp angepasst werden kann, und
zwar weil ihre Eigenresonanzfrequenz variabel ist.
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Die in Figur 3 dargestellte Betätigungsvorrichtung ist eine
Ausführungsforin, die wesentlich einfacher als die vorige
ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist zu erkennen, dass der Rotor 7
um die Achse 5 drehbar angeordnet ist und der Stator 8 über
Befestigungseinrichtungen 11 auf dem Chassis 10 ruht.
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Die Rückstellvorrichtung wird hier durch eine Spiralfeder 16
gebildet, die einerseits fest mit dem Chassis 10 und
andererseits fest mit der Mitnahmeachse 5 verbunden ist.
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Die elektrische Versorgungsschaltung für die Spulen 9 des
Stators 8 ist nicht dargestellt.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Rückstellvorrichtung von
mechanischem Typ, wobei die kinetische Energie des Rotors in
Form potentieller Energie durch die Feder 16 eingespeichert
wird.
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Außer dann, wenn eine hinzugefügte Vorrichtung auf die Härte
der Feder einwirken kann, liegt die Resonanzfrequenz einer
derartigen Betätigungsvorrichtung fest, was zum Mangel
führt, dass sich die Betätigungseinrichtung nicht an jede
Schwingungsfrequenz anpassen kann, ohne dass das an den
Rotor zu übertragende Moment zunehmen würde.
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Demgegenuber ist, wie oben erläutert, der energetische
Wirkungsgrad der Rückstellvorrichtung erhöht, und die
Betriebsfrequenzen sind höher wie die, die mittels der
Ausführungsform von Figur 2 erzielt werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform können die in den Figuren
2 und 3 dargestellten Rückstellvorrichtungen gemeinsam
verwendet werden, was es ermöglicht, gleichzeitig den hohen
energetischen Wirkungsgrad einer mechanischen
Rückstellvorrichtung und die Anpassbarkeit einer elektromagnetischen
Rückstellvorrichtung zu verbinden.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die
Bezugsposition, um die der Rotor schwingt, eine feste
Position.
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Jedoch kann es von Vorteil sein, diese Bezugsposition zu
variieren.
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Dies ist leicht dadurch erzielbar, dass eine Einrichtung
angebracht wird, die es ermöglicht, die
Betätigungsvorrichtung 4 um die Achse 5 zu schwenken.
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Es ist zu beachten, dass die beschriebenen Ausführungsformen
keinerlei beschränkenden Charakter haben und dass sie alle
wünschenswerten Modifizierungen erfahren können, ohne dass
dadurch der Schutzumfang der Erfindung verlassen wird.
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Insbesondere sind hier nur bipolare Rotoren und Statoren
wiedergegeben, jedoch ist es offensichtlich, dass sie mehr
als zwei Pole aufweisen könnten, um das an den Rotor
übertragene Drehmoment zu erhöhen.
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Übrigens ist am Rotor ein Permanentmagnet angeordnet, um die
Anzahl der Spulen zu verringern, jedoch kann auch der Rotor
eine Spule aufweisen.
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Wegen der Schwingungen um eine Bezugsposition herum ist es
in diesem Fall überflüssig, Bürsten anzubringen, da
nachgiebige Drähte angemessener Länge in vorteilhafter Weise die
Rotorspule mit der elektrischen Schaltung der
Betätigungsvorrichtung verbinden können.