Leistungsarme elektrisch-fluidische Wandler

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundbegriffe des Explosionsschutzes
2.1 Zündschutzarten
2.2 Explosionsgruppen
2.3 Temperaturklassen
2.4 Kennzeichnung von explosionsgeschützten Betriebsmitteln
2.5 Zündschutzart "Eigensicherheit"

3 Funktionsprinzipien elektrisch-fluidischer Wandler
3.1 Elektromagnetische Wandler
3.1.1 Klappankerprinzip
3.1.2 Hubankerprinzip
3.1.3 Torque-Motor
3.1.4 Linearmotor
3.1.5 Wandler mit beweglichem Magnet
3.1.6 Elektrodynamischer Wandler
3.2 Festkörperenergiewandler
3.2.1 Magnetostriktiver Wandler
3.2.2 Piezoelektrischer Wandler
3.3 Thermische Wandler
3.3.1 Wärmedehnung
3.3.2 Viskositätsänderung
3.4 Elektrochemischer Wandler
3.5 Elektrokinetischer Wandler
3.6 Elektrorheologischer Wandler

4 Auswahl eines Funktionsprinzips
4.1 Vergleich der Leistungsaufnahme
4.2 Vergleich elektromagnetischer Wandler

5 Entwurf und Aufbau des Funktionsmusters
5.1 Wirkungsweise
5.2 Entwurf des Magnetkreises
5.3 Entwurf des Systems Düse-Prallplatte
5.4 Arbeitspunktfestlegung
5.5 Begrenzung der magnetischen Energie
5.6 Aufbau

6 Meßergebnisse
6.1 Magnetkraftkennlinie
6.1.1 Messung der Magnetkraftkennlinie
6.1.2 Vergleich mit der berechneten Kennlinie
6.2 Schaltvorgänge
6.3 Luftverbrauch bei geschlossener Düse
6.4 Statische Kennlinie
6.5 Dauerversuch

7 Veränderungsmöglichkeiten

8 Zusammenfassung

Anhang

1 Einleitung

Elektrisch-fluidische Wandler formen elektrische Signale (Spannung, Strom) in hydraulische oder pneumatische Signale (Druck, Volumenstrom) um. Sie sind das Bindeglied zwischen elektrischer Signalverarbeitung und fluidischer Signalnutzung.

Die leistungsarmen elektrisch-fluidischen Wandler sind vorgesehen für den Einsatz in Stellungsreglern. Dabei wird der Sollwert des Hubes ssoll einer Kolbenstange elektrisch vorgegeben durch das Einheitssignal 4-20 mA. Der Stellungsregler positioniert die Kolbenstange z.B. mit pneumatischer Hilfsenergie, indem der Druck auf den Kolben eines Stellantriebes solange verändert wird, bis der Sollwert des Hubes erreicht ist (Bild 1.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.1 Prinzipschaltbild der Stellungsregelung

Dem Stellungsregler soll keine zusätzliche elektrische Hilfsenergie zu- geführt werden. Die Energie für den Regler und die beiden Wandler wird aus dem Einheitssignal des Sollwertes entnommen (Zweileiteranschluß).

Das Speisegerät für das Einheitssignal liefert mindestens eine Spannung von 12 V. Damit steht bei 4 mA eine minimale Leistung von 48 mW zur Verfügung, die für den Regler und die Wandler ausreichen muß. Deshalb sind neben leistungsarmer Elektronik für die Regelung auch leistungsarme elektrisch-fluidische Wandler nötig.

2 Grundbegriffe des Explosionsschutzes

Bei der Herstellung, Verarbeitung, Förderung und Lagerung von Produkten der chemischen Industrie kann es zu ungewolltem Materialverlust kommen. Handelt es sich hierbei um brennbare Stoffe, so kann in Verbindung mit dem Luftsauerstoff ein explosionsfähiges Gemisch entstehen. Auch im Berg- bau können brennbare Gase auftreten und ein explosionsfähiges Gemisch bilden. Eine ungewollte Entzündung dieser Gemische durch Funken oder heiße Oberflächen kann zu einer Explosion und damit zu großem Personen- und Sachschaden führen. Um dies zu verhindern sind besondere Maßnahmen zum Explosionsschutz festgelegt.

2.1 Zündschutzarten

Durch die nachstehend genannten Zündschutzarten wird verhindert, daß eine Zündquelle und eine gefahrdrohende Menge explosionsfähigen Gemisches zu gleicher Zeit und an gleichem Ort auftreten können. (Tabelle 2.1 S.6). Die Zündschutzarten und die Errichtungsvorschriften sind in den Europa- normen DIN/EN 50014 bis DIN/EN 50020 und DIN/EN 50028 definiert.

2.2 Explosionsgruppen

Brennbare Gase mit ähnlicher Zündfähigkeit sind in Explosionsgruppen zusammengefaßt. Elektrische Betriebsmittel für die Verwendung in explosionsgefährdeten Räumen werden für die Verwendung in einer Explosionsgruppe ausgelegt und geprüft.

Zur Gruppe I gehören Betriebsmittel für schlagwettergefährdete Gruben- bauten.

Zur Gruppe II gehören Betriebsmittel, die in allen anderen explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden dürfen. Je nach Größe der erforderlichen Zündenergie der auftretenden Gase wird die Gruppe II in drei Bereiche eingeteilt:

II A Gase in dieser Gruppe benötigen eine hohe Energie zum Zünden

II B Gase in dieser Gruppe benötigen eine mittlere Energie zum Zünden

II C Gase in dieser Gruppe benötigen eine niedrige Energie zum Zünden

Jedem Gas ist in der DIN/EN 50014 eine Explosionsgruppe zugeordnet.

Tabelle 2.1 Zündschutzarten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Temperaturklassen

Die Temperaturklasse legt die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Betriebsmittels fest. Sie beträgt bei der Temperaturklasse T1 450 °C und bei der niedrigsten Stufe T6 85 °C. Die Zündtemperatur der auftretenden Gase muß immer größer sein als die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Betriebsmittels.

Für die wichtigsten Stoffe sind in der VDE 0165, Seite 14 die jeweiligen Zündtemperaturen angegeben.

2.4 Kennzeichnung von explosionsgeschützten Betriebsmitteln

In der DIN/EN 50014 ist der Code für die einheitliche Kennzeichnung von explosionsgeschützten elektrischen Betriebsmitteln festgelegt. An folgendem Beispiel wird der Code erläutert:

EEx ed IIC T5

Dabei bedeuten:

EEx - Betriebsmittel entspricht der Europanorm

ed - Zündschutzarten erhöhte Sicherheit und druckfeste Kapselung

IIC - einsetzbar bei Gasen der Explosionsgruppe IIC

T5 - Temperaturklasse T5 (max. Oberflächentemperatur 100 °C)

2.5 Zündschutzart "Eigensicherheit"

Die Zündschutzart "Eigensicherheit" bezieht sich auf den gesamten Stromkreis. Ein eigensicherer Stromkreis darf weder im Normalbetrieb noch bei Auftreten eines Fehlers (ib) oder zweier Fehler (ia) in der Lage sein, die nötige Zündenergie zu liefern. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen folgende Werte begrenzt werden:

- die Leerlaufspannung
- der Kurzschlußstrom
- die gespeicherte elektrische Energie
- der Einfluß elektromagnetischer Felder

Die beiden ersten Werte werden durch Sicherheitsbarrieren begrenzt.

Die gespeicherte elektrische Energie für induktive und kapazitive Stromkreise wird durch die Einhaltung der jeweiligen Zündgrenzkurven begrenzt. Sie sind im Anhang A der DIN/EN 50020 enthalten. In Abhängigkeit der Kapazität C bzw. der Induktivität L ist der minimale Strom angegeben, bei der ein Gasgemisch zünden kann.

Der Schutz vor elektromagnetischen Feldern ist je nach Einsatzort durch Abschirmung oder ausreichenden Abstand zu erreichen.

3 Funktionsprinzipien elektrisch-fluidischer Wandler

Elektrisch-fluidische Wandler sind Funktionseinheiten zur Umformung elek- trischer Energie in pneumatische oder hydraulische Energie. Sie haben je nach genutztem physikalischen Effekt unterschiedliche Funktionsprinzipi- en, die die Basis für die nachfolgende Einteilung sind. Die folgenden Bilder zeigen den prinzipiellen Aufbau der Wandler.

3.1 Elektromagnetische Wandler

3.1.1 Klappankerprinzip

Eine stromdurchflossene Spule baut ein Magnetfeld[1],[2] auf, das einen magnetischen Fluß antreibt, der überwiegend im Eisenkreis fließt. In einem Luftspalt wird bei Vernachlässigung von Streufeld- und Eisenkreisverlusten eine Kraft F erzeugt, die den Klappanker anzieht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Gleichung 3.1 geht hervor, daß F ∼ I[2] und deshalb die Wandlung nichtlinear ist.

Beim Klappankerprinzip erzeugt die Kraft F ein Drehmoment M1, das dem

Drehmoment M2 der Rückstellfeder entgegenwirkt und ein Ventil oder DüsePrallplatte-System öffnet (Bild 3.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.1 Klappankerprinzip mit Düse-Prallplatte-System

Wechselstrommagnete sind geblecht ausgeführt, um die Wirbelstromverluste im Eisen gering zu halten. Sie haben zusätzlich eine Kurzschlußwicklung, damit beim Strom-Nulldurchgang eine Haltekraft vorhanden ist. Die typische Leistungsaufnahme beträgt 0,02 W bis 1 W.[3],[4]Vorteil: - geringer Bauaufwand

Nachteil: - nichtlineare Kennlinie

Durch den nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem Strom und der Magnetkraft und aufgrund der Hysterese des Eisenkreises wird dieses Prinzip überwiegend zur Wandlung binärer Signale eingesetzt.

3.1.2 Hubankerprinzip [1],[2],[5],[6]

Im Gegensatz zum Klappanker wird die Kraft F im Luftspalt eines Eisen- kreises in eine Linearbewegung eines Ankers umgesetzt, der ein Ventil betätigt. Die Kraft F berechnet sich wie beim Klappankerprinzip nach Gleichung 3.1 und ist nichtlinear vom Strom I und vom Hub lLu abhängig.

Durch die optimale konstruktive Gestaltung des Ankergegenstückes, wie im Bild 3.2 Einzelheit X angedeutet ist, kann der magnetische Fluß so beeinflußt werden, daß in einem bestimmten Bereich die Magnetkraft proportional dem Strom und weitgehend unabhängig vom Hub ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.2 Hubankerprinzip als Proportionalventil Einzelheit X: Kennlinienoptimierung

Die typische Leistungsaufnahme liegt zwischen 0,2 W und 40 W.[3]Vorteil: - geringer Bauaufwand

Nachteil: - nichtlineare Kennlinie

Proportionalventile werden zur Wandlung analoger Signale genutzt, Hub- ankerventile ohne Kennlinienoptimierung wandeln hauptsächlich binäre Signale.

Es gibt Klapp- und Hubankerventile, die im Eisenkreis Dauermagnete ent- halten und dadurch bistabiles Verhalten haben. Durch einen Stromimpuls wird das Ventil geöffnet, durch die Magnetkraft gehalten und durch einen entgegengesetzt gerichteten Stromimpuls wieder geschlossen. Wenn das Ven- til nicht geschaltet wird, ist keine elektrische Leistung nötig. Deshalb eignen sich diese Ventile besonders für batteriegespeiste Geräte.

3.1.3 Torque-Motor[1]

Ein in der Mitte drehbar gelagerter Anker wird durch Federkräfte in der Mitte des Luftspaltes der Dauermagnete gehalten (Bild 3.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.3 Torque-Motor mit zwei Düse-Prallplatte-Systemen

Fließt ein Strom durch die 2 Spulen, wird der Anker selbst zum Magnet, und durch die Wechselwirkung der Magnetfelder wird der Anker in eine Richtung gedreht. Mit den zwei Düse-Prallplatte-Systemen wird diese Auslenkung in eine Druckdifferenz umgeformt. Die typische Leistungsaufnahme beträgt 0,02 W bis 4 W.[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eingesetzt wird er zur analogen Signalwandlung in hydraulischen, meist vorgesteuerten Ventilen.

3.1.4 Linearmotor[1],[7]

Bild 3.4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Linearmotors.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.4 Linearmotor mit Kolbenschieberventil

Durch die Wechselwirkung zwischen Dauer- und Elektromagnet wird eine lineare Bewegung des Ankers in beide Richtungen möglich. Die typische Leistungsaufnahme beträgt 10 W bis 40 W.[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.1.5 Wandler mit beweglichem Magnet[8],[9]

Vor dem Luftspalt einer Spule mit Eisenkreis ist ein hochkoerzitiver Dauermagnet beweglich gelagert (Bild 3.5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.5 Wandler mit beweglichem Magnet 1 Dauermagnet

Das Magnetfeld der Spule übt Kräfte auf den Dauermagnet aus. Dadurch wird die Wippe bewegt und mit dem Düse-Prallplatte-System in eine Druckände- rung umgeformt. Als Gegenmoment wirken die Kräfte an der Prallplatte auf den Dauermagnet zurück. Da der Dauermagnet eine Permeabilität etwa wie Luft hat, verändert sich der magnetische Widerstand des Eisenkreises bei Bewegung des Magnetes kaum und die Hysterese des Eisenkreises hat keinen Einfluß auf die Wandlung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusammen mit einem linearen Druck-Leistungs-Verstärker wird dieser Wandler z.B. von den Firmen SENSYCON und ARCA für die analoge Strom-Druck- Wandlung eingesetzt.

3.1.6 Elektrodynamischer Wandler[2],[10]

Wenn ein Strom in einem Magnetfeld fließt, wirkt die Lorentz-Kraft FL. Fließt der Strom senkrecht zum Magnetfeld, gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese Kraft wird in einer Tauchspule erzeugt und über eine Wippe in ein Drehmoment M1 gewandelt (Bild 3.6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.6 Elektrodynamischer Wandler

Auf der anderen Seite der Wippe wird mit Hilfe des Düse-Prallplatte-Sy- stems die Auslenkung der Wippe in ein Drucksignal gewandelt. Der ver- stärkte Druck erzeugt mit dem Faltenbalg an der Wippe ein Gegenmoment M2. Es findet eine Drehmoment-Kompensation statt, so daß im statischen Fall M1 = M2 ist. Der Ausgangsdruck pA ist proportional dem Strom I.

Die Leistungsaufnahme dieser Wandler liegt bei 0,2 W bis 5 W.[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2 Festkörperenergiewandler

3.2.1 Magnetostriktiver Wandler[1],[11]bis[15]

Bei Anlegen eines magnetischen Feldes drehen sich die weisschen Bezirke eines ferromagnetischen Materials in die Magnetisierungsrichtung und bewirken eine volumeninvariante Längenänderung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hochmagnetostriktive Werkstoffe aus Seltenerdemetall-Eisen-Legierungen, wie z.B. [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](TERFENOL-D) erreichen bei Feldstärken von 50 kA/m und einer Kraft von 500 N Dehnungen bis zu 1 mm/m.[1]Bild 3.7 zeigt den Aufbau eines magnetostriktiven Ventils.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.7 Magnetostriktives Ventil

In einer Spule befindet sich der magnetostriktive Stab, dessen Längenänderung über ein Hebelsystem vergrößert wird. Mit der Feder wird das System vorgespannt und zurückgestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Magnetostriktive Ventile werden für die binäre Signalwandlung z.B. als Einspritzventil für Dieselmotoren eingesetzt.

Im Institut für Materialforschung des Kernforschungszentrums Karlsruhe wird an einem magnetostriktiven Ventil zum Einsatz in der Mikrosystem- technik gearbeitet. Dabei soll eine Bimetall-Membran mit einer magneto- striktiven Schicht von 3,5 µm Dicke bei Einfluß eines Magnetfeldes einen Ventilsitz öffnen. Die berechnete maximale Auslenkung der Membran beträgt 70 µm bei einem Gesamtradius von 6 mm und einer Magnetfeldstärke von 398 kA/m.[14],[15]

3.2.2 Piezoelektrischer Wandler[1]bis[3],[11]bis[13],[16]

Bei diesen Wandlern wird der inverse piezoelektrische Effekt genutzt. Bei Anlegen einer Spannung baut sich ein elektrostatisches Feld auf, die Ionen des piezoelektrischen Werkstoffes werden elastisch gegeneinander verschoben und bewirken eine Dehnung des Materials.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als Material werden überwiegend polykristalline Sinterkeramiken eingesetzt, da sie die größten piezoelektrischen Konstanten aufweisen[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].[1]

Bild 3.8 zeigt den Aufbau eines piezoelektrischen Biegewandlers.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.8 Piezoelektrischer Biegewandler

Der Biegestreifen besteht aus zwei gegensinnig polarisierten Schichten. Er verschließt im Ruhezustand die Öffnung 1. Bei Anlegen einer Spannung dehnt sich die untere Schicht aus und die obere Schicht zieht sich zusammen. Dadurch wird der Ausgang 3 verschlossen und zwischen den Öffnungen 1 und 2 besteht eine Verbindung.

Elektrisch verhält sich das Biegeelement wie ein Kondensator. Es benötigt im statischen Betrieb nur 0,001 W, aber der Leistungsbedarf steigt mit zunehmender Frequenz an.[17]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Firma Hoerbiger Pneumatik bietet analoge und binäre Piezo-Biegewand- ler an, die als Miniatur- oder Vorsteuerventil eingesetzt werden.

Piezoscheiben werden auch, zu einem Stapel angeordnet, für die direkte Ansteuerung von Ventilen verwendet.

Ein Piezostapel erzeugt sehr hohe Kräfte (bis 30 kN), aber nur einen kleinen Stellweg (200 µm), deshalb werden zwischen Piezostapel und Ventil mechanische oder hydraulische Stellwegvergrößerer eingesetzt. Bei Piezostapelwandlern sind Leistungen bis 1000 VA möglich.[13]

3.3 Thermische Wandler

3.3.1 Wärmedehnung[1],[2],[18],[19]

Bei diesen Wandlern wird die Volumenzunahme von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen bei Erwärmung genutzt. Eine relativ hohe Dynamik und niedrige Ansteuerleistung wird durch die Miniaturisierung des Wandlers erreicht. Deshalb werden nachfolgend Wandler aus der Mikrosystemtechnik beschrieben.

Den schematischen Aufbau eines Mikroventils in Siliziumtechnologie zeigt Bild 3.9.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.9 Mikroventil mit dem Prinzip der Wärmedehnung

Über der Ventilöffnung befindet sich ein wenige Mikrometer dicker Bime- tallstreifen mit integriertem Heizelement. Bei elektrischer Erwärmung bedeckt der Bimetallstreifen die Ventilöffnung. Entscheidend für die Öffnungszeit des Ventils ist die Abkühlgeschwindigkeit des erwärmten Materials. Die Steuerleistung beträgt etwa 0,1 W bis 1 W.[1],[18]

Die Steuerspannung ist mit mikroelektronischen Bauelementen schaltbar und die Ansteuerelektronik läßt sich auf dem selben Chip unterbringen.

Auch Wandhaftelemente sind als elektrisch-pneumatischer Wandler einsetzbar (Bild 3.10).

Bild 3.10 Wandhaftelement als E/P-Wandler

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein turbulenter Freistrahl, der aus der Düse in der Mitte des Elementes austritt, reißt Fluid-Teilchen aus seiner Umgebung mit. In der Nähe einer Wand entsteht zwischen dem Freistrahl und der Wand ein Unterdruck. Da- durch wird der Freistrahl an der Wand gehalten. Die Form der Düsenöffnung ist so gestaltet, daß sich ein stabiler Zustand einstellt, wenn der Frei- strahl in einen der Austrittskanäle y odery strömt. Wird eine Wand beheizt, dehnt sich das Fluid aus und drückt den Freistrahl an die andere Wand.

Die typische Leistungsaufnahme dieser Wandler liegt zwischen 0,5 W und 10 W.[2],[19]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Kernforschungszentrum Karlsruhe wurde ein Wandstrahlelement aus dem Kunststoff PMMA mit Hilfe der LIGA-Technik¹⁾ gefertigt. Die Breite der Düse beträgt dabei z.B. 55 µm und die Höhe 500 µm. Bei einem Druck pv = 0,24 bar und einem Steuersignal von 0,5 W wurde eine Umschaltzeit des Freistrahles von 0,4 ms gemessen.[19]

3.3.2 Viskositätsänderung[2],[20]bis[22]

Die dynamische Viskosität von Gasen nimmt mit steigender Temperatur zu. Im Bereich von -20 °C bis 300 °C gilt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der laminare Widerstand einer Kapillare mit kreisförmigem Querschnitt ist linear von der dynamischen Viskosität abhängig:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Widerstand nimmt nach den Gleichungen 3.5 und 3.6 bei steigender

Temperatur zu. Dieser Effekt läßt sich zum Beispiel in einer DruckteilerSchaltung in eine Druckänderung umwandeln (Bild 3.11).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.11 E/P-Wandler auf der Basis des thermoviskosen Effektes

Der Vordruck pV ist konstant und die Luft der rechten Kapillare kann elektrisch erwärmt werden. Durch die erhöhte Viskosität der Luft steigt der Druckabfall über der erwärmten Kapillare und damit steigt auch der Ausgangsdruck pA.

Die Heizleistung beträgt etwa 0,1 bis 3 W.[21],[22]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Grenzfrequenz ist gering (20 Hz) und hängt von der elektrischen Leistung und der Abkühlgeschwindigkeit ab.

3.4 Elektrochemischer Wandler[1],[23],[24]

In einem abgeschlossenen Volumen, bestehend aus Metallfaltenbalg und Elektrodenkammern, wird durch eine elektrochemische Reaktion ein Gas erzeugt. Dadurch erhöht sich der Druck und der Metallfaltenbalg bewegt den Drosselkörper des Ventils (Bild 3.12).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.12 Elektrochemischer Wandler

Zwischen den Elektroden befindet sich ein Separator, der die Ionenleitung sichert und auch das notwendige Wasser enthält (im Bild nicht darge- stellt).

Es finden folgende Reaktionen statt: Silberelektrode:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kohlenstoff-Platin-Elektrode:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Anlegen einer positiven Spannung an die Silberelektrode wird das Silber oxydiert und an der Gegenelektrode Wasserstoff freigesetzt. Die Reaktion kann durch Kurzschließen der Elektroden rückgängig gemacht, und damit das Ventil zurückgestellt werden. Während der Rückreaktion ist eine Energierückgewinnung möglich.

Bei einer Leistungsaufnahme von 3 W beträgt die Verstellgeschwindigkeit etwa 5 mm/min.[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Daimler Benz AG hat diesen Wandler entwickelt und als Heizköperventil getestet. Die Entwicklungstendenz geht auch in Richtung explosionsge- schützter Ausführung, wobei eine höhere Stellgeschwindigkeit nicht zu erwarten ist.[1]

3.5 Elektrokinetischer Wandler[2]

In einem Gehäuse, das zwei Membranen enthält, befindet sich eine polare Arbeitsflüssigkeit mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit (z.B. Aceton). Durch eine poröse Trennwand mit zwei Elektroden wird die Arbeitsflüssigkeit in zwei Bereiche geteilt (Bild 3.13).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.13 Elektrokinetischer Wandler

Wird eine Spannung an die Elektroden gelegt, entsteht ein elektrisches Feld und bewegliche Ladungsträger der Arbeitsflüssigkeit werden durch die Trennwand transportiert. Dabei reißen sie auch ungeladene Flüssigkeits- partikel mit. Das Volumen einer Seite wird vermindert und auf der anderen Seite erhöht. Die daraus resultierende Bewegung der Membranen wird z.B. mit einem Düse-Prallplatte-System in eine Druckänderung gewandelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aufgrund der Nachteile hat sich dieser Wandler in der Praxis bis jetzt nicht durchgesetzt.

In der Mikrosystemtechnik wird nach diesem Prinzip eine Mikropumpe ohne bewegte mechanische Teile realisiert. Die Elektroden sind gitterförmig und stehen sich ohne poröse Trennschicht in einem Abstand von ca. 0,5 mm gegenüber. Bei einer Spannung von 800 V ist ein Förderstrom von 14 ml/min erreicht worden.[1]

3.6 Elektrorheologischer Wandler

Elektrorheologische Flüssigkeiten (ERF) [1],[11],[25]verändern Ihre Viskosität unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes. Diese Flüssigkeiten sind Disper- sionen eines mineralischen Stoffes in einer Flüssigkeit (z.B. Öl). Die Teilchengröße des festen Stoffes liegt im Bereich von einigen bis zehn Mikrometern. Ohne elektrisches Feld verhält sich die ERF wie eine viskose Flüssigkeit. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes ordnen sich die Partikel zu Ketten, bilden Brücken zwischen den Elektroden und die Viskosität steigt. Eine endgültige mathematisch-physikalische Theorie des elektrorheologischen Effektes gibt es noch nicht.

Den prinzipiellen Aufbau eines elektrorheologischen Ventils zeigt Bild 3.14.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.14 Elektrorheologischer Wandler

Die elektrorheologische Flüssigkeit fließt an den Platten eines Kondensa- tors vorbei. Wird eine Spannung angelegt, steigt die Viskosität und der Widerstandswert des Ventils nimmt zu. Bei ausreichend hohen Feldstärken erstarrt die Flüssigkeit und das Ventil ist geschlossen. Der typische Leistungsbedarf liegt bei etwa 10 W bis 100 W. Es sind Feldstärken bis 4 kV/mm und damit auch ein Hochspannungsnetzteil erforderlich.[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der elektrorheologische Wandler wird z.B. für elektrisch steuerbare Schwingungs- und Stoßdämpfer eingesetzt.

Der Trend geht auch in die Entwicklung und Erprobung von magnetorheologischen Flüssigkeiten. Sie verändern ihre Viskosität unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes.[26]

4 Auswahl eines Funktionsprinzips

4.1 Vergleich der Leistungsaufnahme

Für die Auswahl eines geeigneten Wandlungsprinzips ist vorrangig die geringe elektrische Leistungsaufnahme entscheidend. Die Tabelle 4.1 zeigt die Funktionsprinzipien und ihren typischen Leistungsbedarf.

Tabelle 4.1 Übersicht der Funktionsprinzipien

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei dem Prinzip der Piezostriktion benötigt ein Piezo-Biegewandler die geringste Leistung, während Piezo-Stapelwandler für hohe Leistungen angewendet werden. Laut Aufgabenstellung sollte in dieser Arbeit kein Wandler mit dem Prinzip der Piezostriktion entworfen werden.

Da der zu entwerfende Wandler nicht unbedingt eine lineare Kennlinie besitzen muß, wurde ein elektromagnetisches Prinzip, auf das in den nächsten Kapiteln ausführlich eingegangen wird, dem elektrodynamischen Prinzip vorgezogen.

Thermische Wandlungsprinzipien sind bisher nur mit Leistungen größer als 25 mW betrieben worden. Eine Minimierung der Heizleistung bewirkt eine Vergrößerung der Schaltzeiten.

Ein elektrokinetischer Wandler benötigt hohe Spannungen und ist damit als eigensicherer Wandler nicht geeignet.

Die Dynamik eines elektrochemischen Wandlers ist für den vorgesehenen Einsatz völlig unzureichend.

Elektrorheologische Wandler benötigen Hochspannungen und einen eigenen Flüssigkeitskreislauf. Deshalb sind sie für einen Einsatz als eigensicherer Wandler im Stellungsregler nicht geeignet.

Das magnetostriktive Prinzip benötigt zur Zeit noch große Leistungen und eignet sich deshalb nicht.

4.2 Vergleich elektromagnetischer Wandler

Bei elektromagnetischen Wandlern wird die elektrische Energie zuerst in magnetische Energie, dann in mechanische Energie und anschließend in fluidische Energie gewandelt. Nach der Bewegung des mechanischen Teils unterscheidet man Wandler mit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Winkel der Drehbewegung sind dabei so gering, daß die Bewegung des mechanischen Teils in tangentialer Richtung annähernd als geradlinige Bewegung betrachtet werden kann.

Die Wandler mit Drehbewegung haben gegenüber denen mit linearer Bewegung folgende Vorteile:

- Lagerung des bewegten Teiles nur an einer Stelle
- geringere Reibung
- bewegte Masse muß nicht den gesamten Hubweg zurücklegen
- durch unterschiedlich lange Hebelarme einfache mechanische Übersetzung
- störender Luftspalt ist kleiner

Die Nachteile der Wandler mit Drehbewegung sind:

- nur geringe Hübe realisierbar
- aufwendigerer Aufbau

Aufgrund der Vorteile wird ein Wandler mit Drehbewegung gewählt.

Der einfache Aufbau eines Wandlers mit Klappanker gegenüber dem Torque- Motor und dem Wandler mit beweglichem Magnet führte zur Wahl des Klapp- ankerprinzips. Es wird eine binäre Signalwandlung realisiert, da die Kennlinie des Klappankerprinzips nichtlinear ist. Durch schnelle puls- breitenmodulierte Ansteuerung kann eine quasianaloge Wandlung erreicht werden.

5 Entwurf und Aufbau des Funktionsmusters

5.1 Wirkungsweise

Laut Aufgabenstellung soll der Wandler im Ruhezustand keinen Luftverbrauch haben. Deshalb muß die Düse verschlossen sein, wenn der Stellantrieb nicht bewegt wird.

In einem Vorversuch wurde ein Wandler getestet, der die Düse durch die Magnetkraft verschließt (Bild 5.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5.1 Prinzip des Wandlers aus dem Vorversuch

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aufgrund der Nachteile wird die Wirkungsweise so gewählt, daß die Düse durch eine Feder verschlossen und durch die Magnetkraft geöffnet wird (siehe Bild 5.5 Seite 30).

Um die im Bereich kleiner Luftspalte wirksamen hohen Kräfte nutzen zu können, wird ein Anker mit zwei unterschiedlich langen Hebelarmen eingesetzt. Der längere Hebelarm verschließt die Düse.

Vorteile des Hebels:

- Bei vorgegebenem Hub an der Düse muß das massereiche Ankerstück des Magnetkreises einen kleineren Weg zurücklegen.
- Bei geringer elektrischer Leistung sind noch ausreichend große Kräfte verfügbar (siehe Bild A.2 Seite 46).
- Die Anpassung der Kennlinie des Magnetkreises zu der des Düse-Prall- platte Systems ist einfach realisierbar (siehe Abschnitt 5.4).

5.2 Entwurf des Magnetkreises

Der Magnetkreis eines Klappankermagneten wird nachfolgend unter Vernachlässigung des Luftspaltes in der Nähe des Drehpunktes als Magnetkreis mit nur einem Luftspalt betrachtet.

Die Kraft ist bei konstantem Strom stark vom Luftspalt abhängig. Es ist daher nötig, die Kraft-Weg-Kennlinie genauer nach der im Anhang beschriebenen Methode zu bestimmen. Dabei wird die Nichtlinearität der Magnetisierungskurve berücksichtigt.

Damit der Magnetkreis nicht angefertigt werden mußte, wurde ein vorhan- denes Relais verwendet (RGI-Relais 30.1-140 nach TGL 200-3796). Dieses Relais arbeitet nach dem Klappankerprinzip mit unterschiedlich langen Hebelarmen.

Wichtige Daten des Magnetkreises:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Berechnung der Magnetkraftkennlinie ergab ausreichend hohe Kräfte bei 25 mW (siehe Bild A.3 Seite 47). Die berechneten und gemessenen Werte stimmen gut überein, wenn mit einem ständig vorhandenen Luftspalt lLu 0 von 0,067 mm gerechnet wird (siehe Abschnitt 6.1.2).

5.3 Entwurf des Systems Düse-Prallplatte

Zur Wandlung des Weges des Klappankermagneten in eine Druckänderung wird das System Düse-Prallplatte verwendet. (Bild 5.2)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5.2 System Düse-Prallplatte

Das Düse-Prallplatte-System ist eine Druckteiler-Schaltung mit einem veränderlichen fluidischen Widerstand R2. Für die binäre Signalwandlung reicht es aus, zwei Zustände zu betrachten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der maximal notwendige Weg, um die Düse vollständig zu öffnen (smax), ist dann erreicht, wenn der Querschnitt der Düsenöffnung AD gleich der Mantelfläche AM ist, die ein Zylinder mit dem Durchmesser der Düsenöffnung d und der Länge s hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei einem Weg s [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist die Düse vollständig geöffnet und am Ausgang liegt der Druck [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]an.

Der Ausgangsdruck pA übt bei geschlossener Düse auf die Prallplatte eine Kraft F_pmax aus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei geöffneter Düse wirken außer dem statischen Druck auch noch Strömungskräfte auf die Prallplatte, deshalb gilt nur annähernd:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Empfindlichkeit des Düse-Prallplatte-Systems sinkt bei hohen Versor- gungsdrücken. Deshalb wurde der Einheitsdruck von 1,4 bar verwendet. Der Durchmesser der Vordrossel R1 wurde mit 0,3 mm festgelegt, damit die Störanfälligkeit gegenüber verschmutzter Luft gering ist. Der Durchmesser der Düse wurde so gewählt, daß sich die zwei Arbeitspunkte gut an die Magnetkraftkennlinie des Magnetkreises anpassen.

5.4 Arbeitspunktfestlegung

Die wirksamen Kräfte erzeugen an dem Klappanker Drehmomente. Damit der Vergleich mit der Magnetkraftkennlinie vereinfacht wird, werden alle auftretenden Drehmomente in eine Kraft F umgerechnet, die an dem selben Punkt des Klappankers angreift wie die Magnetkraft FM. Der Abstand dieses Punktes zum Drehpunkt des Klappankers beträgt bei dem verwendeten Magnetkreis 8 mm (Bild 5.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5.3 Kräfte am Klappanker

Für den Hebel gilt das Übersetzungsverhältnis:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Noch nicht auf den Angriffspunkt der Magnetkraft umgerechnete Kräfte F' und Wege s' werden wie folgt umgerechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Bild 5.4 ist der prinzipielle Verlauf der Magnetkraft FM und die Lage der Arbeitspunkte in Abhängigkeit der Luftspaltlänge l_Lu geben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5.4 Arbeitspunkte des Wandlers

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um ein schnelles Schalten zu gewährleisten, muß die Kraft FA nahe Null und die Kraft FB nahe der maximalen Magnetkraft liegen, denn der Anzugsvorgang beginnt, wenn |FM| > FA ist und der Abfallvorgang beginnt, wenn |FM| < FB ist. Deshalb ist eine ausreichend große Differenz ΔF zwischen den Arbeitspunkten A und B günstig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Differenz ΔF wird bestimmt durch

- die Federkonstante kF
- den Hub der Prallplatte Δs'
- die Querschnittsfläche der Düsenöffnung AD
- die Druckdifferenz Δp
- das Übersetzungsverhältnis i

Die Gewichtskraft des Ankers wird hier nicht berücksichtigt. Sie kann durch eine zweite Feder weitgehend kompensiert werden.

Die Federkonstante kF muß sehr groß sein, um bei den geringen Hüben eine ausreichend große Kraftdifferenz ΔF zu erzeugen. Das führt zu einer sehr harten Feder (k F > 1 N / mm), deren exakte Justierung aufwendig ist. Das Labormuster wurde so konstruiert, daß die Federkonstante einfach verändert und die Feder genau justiert werden kann.

Für das Labormuster wurde ein Hebelverhältnis von i = 4,19 und ein Düsendurchmesser von d = 0,7 mm gewählt. Die Kraftdifferenz durch den Druckunterschied von 1 bar beträgt dabei 0,161 N.

Wichtige Daten des Düse-Prallplatte-Systems:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die Verwendung des Wandlers im Stellungsregler muß der Ausgangsdruck mit einem Druck-Leistungs-Verstärker verstärkt werden, damit größere Drücke (bis 10 bar) und größere Volumenströme (bis 6 m³/s) geschaltet werden können. Dieser Verstärker kann z.B. nachdem Prinzip eines Doppelmembranrelais mit Vorsteuerung arbeiten.

5.5 Begrenzung der magnetischen Energie

Eigensichere elektrische Stromkreise müssen Grenzwerte für Strom, Span- nung, gespeicherte elektrische Energie und elektromagnetische Fremdfelder einhalten. Für den hier betrachteten Wandler ist die Begrenzung der ge- speicherten magnetischen Energie bedeutsam, denn Strom und Spannung lie- gen weit unterhalb der Maximalwerte. Aus den Zündgrenzkurven im Anhang A der DIN/EN 50020 ist ersichtlich, daß für eigensichere induktive Strom- kreise mit einer Induktivität L > 3 mH die magnetische Energie Wmag be- grenzt wird. In diesem Bereich ist die Zündgrenzkurve im doppelt log- arithmischen Maßstab eine Gerade, bei der das Produkt aus L·I[2] konstant ist.

Die nachfolgenden Berechnungen werden für die Explosionsgruppe II C durchgeführt. Sie enthält die kleinsten Grenzwerte. Ein elektrisches Betriebsmittel, das für die Explosionsgruppe IIC ausgelegt ist, kann auch in den anderen Explosionsgruppen eingesetzt werden.

Aus der DIN/EN 50020 Anhang A wurde für einen induktiven Stromkreis der Explosionsgruppe II C folgendes Wertepaar abgelesen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei Vorliegen dieser Grenzwerte ist die Zündung eines explosionsfähigen Gasgemisches möglich, deshalb muß noch ein Sicherheitsfaktor von 1,5 für den Strom berücksichtigt werden. Damit ist die maximal zulässige magnetische Energie Wmag max berechenbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wandler hat eine maximale Induktivität von L = 8,2 H bei angezogenem Anker. Die magnetische Energie kann bei vorgegebener Induktivität L durch Einhaltung eines maximalen Stromes I_max begrenzt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um die Forderung einzuhalten, wurden die meisten Messungen an dem Wandler mit einer Leistungsaufnahme von P = 6,25 mW durchgeführt. Der Strom beträgt dabei I = 1,68 mA und ist um den Faktor 0,8 kleiner als I_max.

5.6 Aufbau

Bild 5.5 (Seite 30) zeigt den Aufbau des Funktionsmusters.

An den Magnetkreis, bestehend aus Magnetkern (10), Magnetblech (3), Klap- panker (8) und Spule(9), wurde ein Winkel (12) aus Aluminium mit zwei Schrauben M2 befestigt. (Die Schrauben sind im Bild 5.5 nicht sichtbar.) In den Winkel (12) ist die Düse (5) eingeschraubt. Sie ist in der Längs- achse justierbar und wird mit der Kontermutter (14) befestigt. Die Feder (7) wird mit der Schraube (4) befestigt und mit der Schrau- be (15) justiert. Sie verschließt im Ruhezustand die Düse (5) mit dem Gummi (6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5.5 Prinzipieller Aufbau des Wandlers

An den beweglichen Teil des Magnetkreises (8) wurde der Winkel (2) genietet. Dieser besteht aus nichtmagnetischem Stahl und ist an seinem langen Hebelarm um 90° gedreht, damit der Gummi (6) aufgeklebt werden konnte. Die Feder (1) drückt den Klappanker (8) gegen die Kippkante. Sie sitzt in einer Kerbe auf dem Winkel (2) und übt auf den Anker nur ein vernachlässigbar kleines Drehmoment aus.

Der elektrische Anschluß der Spule (9) erfolgt über die fest verbundene Anschlußleitung (11).

An dem Anschluß (13) wird mittels Schlauch ein T-Stück-Verbinder angeschlossen, an dem die Vordrossel mit Hilfsluftversorgung und außerdem einem Druckmeßgerät zur Bestimmung des Ausgangsdruckes angeschlossen wird. (im Bild 5.5 nicht dargestellt)

6 Meßergebnisse

6.1 Magnetkraftkennlinie

6.1.1 Messung der Magnetkraftkennlinie

Für das Funktionsmuster wurde die Magnetkraft in Abhängigkeit vom Luft- spalt des Magnetkreises bei unterschiedlicher Leistungsaufnahme ermit- telt. Eingestellt wurde ein der Leistung entsprechender Strom nach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Anker wurde mit Gewichten belastet und in den angezogenen Zustand versetzt. Danach wurde der Luftspalt so weit zwangsweise vergrößert, bis der Anker abfiel und dabei der Weg s' gemessen (Bild 6.1).

Bild 6.1 Prinzip der Meßanordnung zur Bestimmung der Magnetkraftkennlinie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zur genauen Messung wurde der Weg s' am langen Hebelarm (l = 29 mm) mit einer Meßuhr gemessen und auf die Luftspaltlänge lLu umgerechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Feder im Drehpunkt des Ankers wurde so eingestellt, daß sie das Ei- gengewicht des Ankers weitgehend kompensierte. Die Feder zum Schließen der Düse war nicht eingebaut. Damit errechnet sich die Magnetkraft wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei bedeutet mges die Gesamtmasse aller Gewichte und Hilfsmittel, die in einer Kerbe bei einem Abstand l = 16 mm vom Drehpunkt des Ankers angehängt waren.

Die Meßergebnisse sind im Bild A.2 (Seite 46) dargestellt.

6.1.2 Vergleich mit der berechneten Kennlinie

Die Berechnung und graphische Darstellung der Magnetkraftkennlinie er- folgte mit einem für diesen Zweck erweiterten Programm in TURBO-PASCAL. Die Flußdichte B wurde durch Iteration nach der Gleichung A.24 und danach die Kraft nach Gleichung A.25 berechnet. Für die Berechnung wurde die Funktion µr(B) aus[27]für den Stahl 1.4105 verwendet (Tabelle A.1, Sei- te 47). Zwischenwerte berechnete das Programm durch lineare Interpolat- ion. Die Iteration wurde beendet, wenn gilt: |Bn - Bn-1| < 0,001 T Für die Berechnung war es notwendig, Teile des Magnetkreises mit anderem Querschnitt als dem kreisförmigen Querschnitt des Spulenkerns in wider- standsgleiche Teile mit einheitlichem Querschnitt umzurechnen. Damit er- gibt sich eine Eisenkreislänge lFe = 62 mm anstatt 65,4 mm ohne Umrech- nung.

Mit folgenden Werten wurde gerechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A.3 (Seite 47) zeigt die berechneten und gemessenen Werte. Durch Einfügen eines ständig vorhandenen Luftspaltes lLu 0 = 0,067 mm wurde eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten erreicht. Der tatsächlich vorhandene Luftspalt lLu 0 wurde auf 0,03 mm geschätzt, da eine exakte Messung nicht möglich war. Der Wert lLu 0 = 0,067 mm ist größer als der tatsächlich vorhandene Luftspalt, da bei der Berechnung der Streufluß vernachlässigt und die verwendete Funktion µr(B) den tatsächlichen Ver- lauf nur annähernd beschreibt.

Der Vergleich zeigt, daß die Berechnung der Magnetkraftkennlinie für kleine Luftspalte schwierig ist, da störende Luftspalte einen relativ großen Einfluß auf die Magnetkraft haben. Durch Korrektur der Berechnung mit lLu 0 kann die Magnetkraft für andere Leistungen und ähnliche Magnetkreise vorausberechnet werden.

6.2 Schaltvorgänge

Der Hub an der Düse wurde so justiert, daß bei geöffneter Düse und einem Vordruck p_V = 1,4 bar am Ausgang ein Druck von 0,4 bar anliegt. Damit ergibt sich eine Druckdifferenz von 1 bar. Der Ausgangsdruck pA wurde mit einem Druckmeßumformer in ein elektrisches Signal umgeformt und verstärkt am Speicheroszilloskop abgebildet.

Das Volumen des Druckmeßumformers und der Schlauchverbindung zwischen Vordrossel und Prallplatte betrug 1 cm³.

Da der Stromverlauf für die Krafterzeugung entscheidend ist, wurde er in der oberen Oszillogrammhälfte abgebildet. Dazu wurde der Spannungsfall an einem 6 Widerstand gemessen (Bild 6.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 6.2 Elektrischer Teil der Schaltung zur Messung der Schaltvorgänge

Damit beim Abschaltvorgang keine hohe Induktionsspannung entsteht, ist über der Spule eine Schutzdiode V1 geschaltet.

Alle Messungen wurden mit einem Strom von 1,68 mA durchgeführt.

Die Oszillogramme wurden mit dem Drucker Robotron K6314 ausgedruckt.

In den Bildern A.4 und A.5 (Seite 48) ist der Ein- und Ausschaltvorgang ohne Vorwiderstand Rv dargestellt. Zum Zeitpunkt t = 0 wurde der Schalter S1 geschlossen bzw. geöffnet und damit die Versorgungsspannung sprungförmig geändert.

Der Stromverlauf während des Eischaltvorganges zeigt bei t = 17 ms einen kleinen Knick, denn zu diesem Zeitpunkt hat der Anker seine höchste Ge- schwindigkeit erreicht und schlägt an den Spulenkern an. Die Bewegung des Ankers verändert den Luftspalt des Eisenkreises und damit die Induktivi- tät der Spule. Eine Zunahme der Induktivität bewirkt ein Absinken des Stromes.

Während des Ausschaltvorganges zeigt der Stromverlauf bei t = 8 ms einen Knick, d.h. zu diesem Zeitpunkt ist die Düse bereits verschlossen.

Zur Verkürzung der Einschaltzeit wurde ein Widerstand RV in Reihe zu der Spule des Wandlers geschaltet. Für die Ausschaltzeit hat er keinen Ein- fluß. Das Zeitverhalten für zwei unterschiedliche Widerstände zeigen die Bilder A.6 und A.7 (Seite 49). Durch den Widerstand RV wird die elektri- sche Zeitkonstante[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]verkleinert. Der Strom steigt schneller auf R seinen Endwert. Dazu ist aber eine höhere Spannung und eine größere Leistung nötig.

6.3 Luftverbrauch bei geschlossener Düse

Im stromlosen Zustand des Wandlers wird die Düse durch die Federkraft geschlossen (Arbeitspunkt A). Eine große Federkraft bewirkt durch die hohe Dichtheit einen geringen Luftverbrauch. Die Federkraft beeinflußt aber auch die Schaltzeiten. Bild A.8 (Seite 50) zeigt den Normluftverbrauch VN bei geschlossener Düse in Abhängigkeit der Schaltzeiten tE, tA, die sich durch unterschiedliche Federkraft ergeben. Als Schaltzeit wurde die Zeit vom Schließen des Schalters bis zur Änderung des Ausgangsdruckes um 10 % von der Maximaländerung gemessen.

Die Messung der Schaltzeiten wurde ohne Vorwiderstand mit einem Strom I = 1,68 mA (P = 6,25 mW) mit Schutzdiode über der Spule durchgeführt. Als Durchflußmesser wurde ein Rotameter (Nr. 65626 D7-82) verwendet. Die Meßwerte für den Durchfluß V wurden in der Zuleitung bei einem Druck von 1,4 bar gemessen und auf den Normdruck nach[28]umgerechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Meßwerte hängen besonders stark von der Justage des Ankers ab. Sitzt die Prallplatte schief auf der Düse, ist der Luftverbrauch größer bei gleichen Schaltzeiten. Vor der Messung erfolgte eine exakte Justage, des- halb wurde für diese Anordnung etwa der kleinste erreichbare Luftver- brauch gemessen. Ein Luftverbrauch von 0 cm³/s ist bei einer Leistung von 6,25 mW nicht einstellbar, da die Magnetkraft nicht ausreicht, die Düse zu öffnen. Der Dauerversuch zeigte, daß nach ca. 2 Mill. Schaltungen die Düse dicht verschlossen wird. Bei allen anderen Messungen wurde die Feder so eingestellt, daß die Einschaltzeit t_E = 10 ms beträgt.

6.4 Statische Kennlinie

Für den Wandler wurde die statische Kennlinie pA = f(I) ermittelt (siehe Bild A.9 Seite 50).

Die Feder 7 (Bild 5.5) wurde vorher so eingestellt, daß die Einschaltzeit t_E = 10 ms beträgt. Zuerst wurde der Strom von 0 mA bis 2 mA erhöht und dabei der rechte Teil der Kennlinie gemessen. Danach wurde der Strom bis 0 mA vermindert und der linke Teil der Kennlinie ermittelt. Die Hysterese ergibt sich hauptsächlich aus der Hysteresekurve des Eisenkreises, aber auch Reibung beeinflußt die Kennlinie. Die Knicke in der Kennlinie sind durch die sprungförmige Lageänderung des Ankers entstanden. Bei einem Druck p_A = 0,4 bar ist der Magnetkreis geschlossen (l_Lu = 0) und die Mag- netkraft erreicht für den jeweiligen Strom den Maximalwert. Die Kennlinie zeigt, daß der Wandler nicht für die analoge Wandlung ge- eignet ist.

6.5 Dauerversuch

Zur Ermittlung von Verschleißerscheinungen des Wandlers und Drift der Kennwerte wurde ein Dauerversuch durchgeführt. Die Feder (7) (Bild 5.5) wurde so eingestellt, daß die Einschaltzeit tE = 10 ms beträgt. Der Wandler wurde mit einer Frequenz von 8 Hz mit 50 % Einschaltdauer betrieben. Dabei änderte sich der Ausgangsdruck zwischen 1,4 bar und 0,5 bar.

Nach ca. 2 Mill. Schaltungen war bei geschlossener Düse kein Luftver- brauch meßbar. Der Gummi hatte sich so an die Unebenheiten der Düse angepaßt, daß die Düse dicht verschlossen wurde. Nach 5 Mill. Schaltungen war im Gummi unter dem Mikroskop ein teilweiser Abdruck, und nach 7 Mill. Schaltungen ein vollständiger Abdruck der Düse zu erkennen.

Nach 7 Mill. Schaltungen verkürzte sich die Einschaltzeit tE von 10 ms auf 8 ms und die Ausschaltzeit tA stieg von 8 ms auf 9 ms. Die Ursache dafür sind Abnutzungserscheinungen an der Stelle, wo die Feder (7) (Bild 5.5, S. 30) auf den Winkel (2) drückt. Die Federkraft ist dadurch etwas geringer geworden.

Beim Öffnen der Düse sinkt der Ausgangsdruck nicht gleichmäßig, sondern am Anfang stufenförmig ab. Vermutlich treten während des Öffnungsvor- ganges Schwingungen des Ankers auf, da auch der Stromverlauf nicht gleichmäßig war.

7 Veränderungsmöglichkeiten

In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie die Eigenschaften des Wandlers durch Veränderung einiger Parameter beeinflußt werden können.

Der Streufluß des vorhandenen Magnetkreises ist relativ hoch, weil der Magnetkreis sehr langgestreckt ist. Der Streufluß kann vermindert werden, indem der Magnetkreis in Richtung Kreisform oder Quaderform verändert wird. Dadurch erhöht sich aber bei gleicher Wickelfensterfläche die mitt- lere Windungslänge lm und damit der Widerstand RSp der Spule (siehe Glei- chung A.12).

Die Induktivität L des Wandlers kann bei gleichem Magnetkreis durch Verkleinern der Windungszahl N gesenkt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um die gleiche Kraft zu erreichen, muß das Produkt I·N gleich bleiben. Eine Halbierung der Windungszahl ist deshalb mit einer Verdopplung des Stromes verbunden. Soll dabei die Leistung P konstant bleiben, muß die Spule mit dem doppelten Querschnitt des Kupferdrahtes ACu gewickelt wer- den.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird die Windungszahl halbiert und der Querschnitt des Kupferdrahtes verdoppelt, verringert sich die Induktivität auf ein Viertel und das gleiche Wickelfenster wird ausgefüllt.

Für die Einschaltzeit ist ein schnelles Erreichen der Kraft FA (Bild 5.4) günstig. Dabei soll die Magnetkraft F groß und die elektrische Zeitkonstante τ = L/R klein sein. Das Verhältnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

soll möglichst groß sein um eine kurze Einschaltzeit zu ermöglichen. Setzt man in die Gleichung 7.3 die Gleichungen A.4, A.8, A.14 und 7.1 ein, erhält man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei vorgegebener Leistung P kann das Verhältnis F/τ vergrößert werden, indem die Länge des Eisenkreises lFe und des Luftspaltes lLu möglichst klein gehalten und ein Material mit einer großen relativen Permeabilität µr eingesetzt wird.

Die elektrische Zeitkonstante τ = L/R kann verkleinert werden, indem der Widerstand R durch einen Vorwiderstand RV vergrößert wird (Bild 6.2). Zur Verkürzung der Einschaltzeit wurden Messungen mit verschiedenen Vorwiderständen durchgeführt (Bilder A.6 und A.7). Durch den Vorwiderstand erhöht sich die Leistungsaufnahme und die Betriebsspannung. Die magnetische Energie verändert sich nicht, weil der Strom und die Induktivität nicht verändert wird (siehe Gleichung 5.15).

Die Ausschaltzeit kann auf dieselbe Weise verkürzt werden. Dazu muß die Kathode der Schutzdiode V1 (Bild 6.2) zwischen S1 und RV angeschlossen werden. Damit verkleinert der Vorwiderstand RV die Zeitkonstante τ des Ein- und Ausschaltvorganges.

Die Schaltzeiten des Wandlers werden auch vom Massenträgheitsmoment des Klappankers und dem Ankerhub bestimmt, die beide gering sein sollen, um kurze Schaltzeiten zu realisieren. Wird der Winkel 2 (Bild 5.5) noch dünner als 0,5 mm gewählt, vergrößert sich die Gefahr des Verbiegens während der Montage des Winkels.

Für kurze Schaltzeiten muß das angeschlossene Volumen, im dem die Druck- änderung stattfindet, gering sein. Eine Vergrößerung des Vordrossel- und Düsendurchmessers verkürzt auch die Schaltzeiten, aber erhöht den Luft- verbrauch.

Die Federkraft der Feder 7 (Bild 5.5) beeinflußt stark die Schaltzeiten und den Luftverbrauch bei geschlossener Düse (siehe Kapitel 6.3). Der Luftverbrauch wird aber auch durch die Form der Düse und die Härte des Gummis bestimmt. Die Düse sollte möglichst spitz, aber nicht so scharfkantig sein, daß der Gummi beschädigt wird. Der Gummi sollte möglichst weich sein, aber sich nur wenig abnutzen.

8 Zusammenfassung

Die Funktionsprinzipien elektrisch-fluidischer Wandler wurden im Kapi- tel 3 beschrieben und charakterisiert. Das Prinzip der Piezostriktion mit einem Biegestreifen benötigt die geringste Leistung bei statischem Be- trieb. Thermische Wandler sind auch in der Mikrosystemtechnik bisher nur mit Leistungen größer als 25 mW betrieben worden. Elektrochemische Wand- ler arbeiten sehr langsam. Elektrokinetische Wandler benötigen sehr hohe Spannungen.

Gewählt wurde das elektromagnetische Funktionsprinzip mit Klappanker, wobei der Arbeitsluftspalt sehr gering ist (kleiner als 0,05 mm). Mittels Hebel wird der Hub vergrößert und mit einem Düse-Prallplatte-System in eine Druckänderung gewandelt. Aufgrund der Nichtlinearität der Wandler- kennlinie ist eine analoge Signalwandlung nicht möglich. Die hohe Induk- tivität des Wandlers (L = 8,2 H) kann durch Verringern der Windungszahl gesenkt werden. Die meisten Messungen wurden mit einem Strom I = 1,68 mA (P = 6,25 mW, U = 3,72 V) durchgeführt. Der Ausgangsdruck ändert sich um 1 bar. Für den Einsatz im Stellungsregler muß an den Wandler ein geeigneter Druck-Leistungs-Verstärker angeschlossen werden.

Die Magnetkraftkennlinie des verwendeten Magnetkreises wurde bei unter- schiedlicher Leistungsaufnahme gemessen und mit der berechneten Kennlinie verglichen. Die Schaltvorgänge können durch einen Vorwiderstand verkürzt werden, der aber den Leistungsbedarf erhöht. Der Wandler schließt die Düse im Ruhezustand nach der Montage nicht absolut dicht, der ständige Luftverbrauch ist jedoch sehr gering. Der Dauerversuch zeigte, daß nach ca. 2 Mill. Schaltungen die Düse dicht verschlossen wird und sich nach 7 Mill. Schaltungen keine wesentlichen Veränderungen ergaben.

Anhang

Inhaltsverzeichnis des Anhangs

Abkürzungen und Formelzeichen

Berechnung der Magnetkraft

Diagramme und Tabellen

Bild A.2 Magnetkraftkennlinie des Wandlers

Bild A.3 Vergleich der berechneten und gemessenen Magnetkraftkennlinie

Tabelle A.1 Wertepaare der Kennlinie µ_r(B)

Bild A.4 Einschaltvorgang des Wandlers

Bild A.5 Ausschaltvorgang des Wandlers

Bild A.6 Einschaltvorgang des Wandlers mit R_v = 2,23 kὨ

Bild A.7 Einschaltvorgang des Wandlers mit R_v = 6,66 kὨ

Bild A.8 Luftverbrauch bei geschlossener Düse

Bild A.9 Statische Wandlerkennlinie

Datenblatt des Wandlers

Bild A.10 Foto des elektrisch-fluidischen Wandlers

Literaturverzeichnis

Abkürzungen und Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Berechnung der Magnetkraft[29]

Die Magnetkraft F eines Eisenkreises mit nur einem Luftspalt ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die magnetische Flußdichte B ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird der Streufluß vernachlässigt, fließt der gesamte magnetische Fluß ϕ im Eisenkreis und es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der magnetische Widerstand R_m ist eine Reihenschaltung des magnetischen

Widerstandes im Eisenkreis und der Luft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Luftspalt ist sehr klein, deshalb wird angenommen daß alle Feldlinien

senkrecht aus dem Eisen austreten und damit ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Einsetzen der Gleichung A.8 in Gleichung A.4 erhält man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die relative Permeabilität des Eisenkreises µr ist nicht konstant, son- dern von Materialeigenschaften und der Flußdichte B abhängig. Wenn die Funktion µr(B) bekannt ist, kann die Flußdichte iterativ berechnet wer- den:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Spule des Magnetkreises hat einen ohmschen Widerstand R.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die gesamte Leiterlänge l einer Spule ist das Produkt der mittleren Win- dungslänge lm und der Windungszahl N.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um einen konstanten Strom I durch die Spule fließen zu lassen, ist eine

Spannung U und eine Leistung P nötig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Einsetzen der Gleichung A.12 in die Gleichung A.15 erhält man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nachfolgend wird die Magnetkraft für einen Magnetkreis mit kreisförmigem Querschnitt berechnet (Bild A.1).

Bild A.1 Ausschnitt eines Magnetkreises mit kreisförmigem Querschnitt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Fläche des Wickelfensters AW der Spule ist:

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten])

Der Kupferfüllfaktor kCu gibt das Verhältnis der Kupferfläche zur Wickelfensterfläche AW an.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Einsetzen der Gleichung A.22 in die Gleichung A.17 erhält man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Einsetzen der Gleichung A.23 in die Gleichung A.10 erhält man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn die magnetische Flußdichte B iterativ durch die Gleichung A.24 bestimmt ist, errechnet sich die Magnetkraft F nach Gleichung A.1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Länge des Eisenkreises lFe und die mittlere Windungslänge lm sind von den Maßen des Wickelfensters abhängig. Sie werden ersetzt durch die Vereinfachung, daß der Eisenkreis rechteckförmig ist und an allen Seiten den Abstand c zum Wickelfenster hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei vorgegebenen Werten für elektrische Leistung, elektrische Leitfähigkeit, Kupferfüllfaktor, relative Permeabilität und Abstand c ist die Magnetkraft nur noch von den Konstruktionsmaßen des Wickelfensters (a, b) und des Eisenkreises (rFe) abhängig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A.3 Vergleich der berechneten und gemessenen Magnetkraftkennlinie

Tabelle A.1 Wertepaare der verwendeten Kennlinie µr(B) (aus[27])

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A.4 Einschaltvorgang des Wandlers (P = 6,25 mW)

Bild A.5 Ausschaltvorgang des Wandlers (P = 6,25 mW)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A.6 Einschaltvorgang des Wandlers mit Vorwiderstand R = 2,23 k (P = 12,5 mW)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A.7 Einschaltvorgang des Wandlers mit Vorwiderstand R = 6,66 k (P = 25 mW)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A.9 Statische Wandlerkennlinie

Datenblatt des Wandlers

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A.11 Foto des elektrisch-fluidischen Wandlers

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¹⁾ Lithographie, Galvanoumformung und Abformtechnik (in Deutschland entwickelt)