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Elektromechanischer Aktor - Dokument DE10239521A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10239521A1 11.03.2004
Titel Elektromechanischer Aktor
Anmelder ETO MAGNETIC KG, 78333 Stockach, DE
Erfinder Gläser, Stefan, 78464 Konstanz, DE
Vertreter Hiebsch und Kollegen, 78224 Singen
DE-Anmeldedatum 23.08.2002
DE-Aktenzeichen 10239521
Offenlegungstag 11.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.03.2004
IPC-Hauptklasse H02N 10/00
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktor mit einem einends mit einer zu bewegenden Last oder einem anderen Krafteintragungspunkt und anderenends mit einer Aufhängung verbindbaren, langgestreckten und zum Bewegen der Last bzw. zum Eintragen einer Kraft längenveränderlichen Aktorenelement, wobei das Aktorenelement aus einem Formgedächtsnislegierungsmaterial realisiert ist und so mittels einer durch ein Steuersignal aktivierbaren Verbindungsvorrichtung mit einer elektrischen Ladungsspeichereinheit vorbestimmter Kapazität oder einer als Energiequelle wirkenden Induktivität verbunden ist, dass als Reaktion auf das Steuersignal eine elektrische Ladung der Ladungsspeichereinheit bzw. der Induktivität über das Aktorenelement zumindest teilweise entladen wird und dort einen die Längenveränderung bzw. den Krafteintrag bewirkenden impulsförmigen Stromfluss bewirkt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktor (auch Aktuator im Sinne einer Stellvorrichtung) nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Derartige Aktoren sind beispielsweise in Form von elektromagnetischen Stellgliedern, wie sie von der Anmelderin hergestellt werden, allgemein bekannt: Ein ein Permanentmagnetmaterial aufweisender Anker ist beweglich gegenüber einem eine Spuleneinrichtung aufweisenden Kern gehalten, und bei Bestromung der Spuleneinrichtung führt der Anker eine typischerweise longitudinale Bewegung gegenüber dem Kern durch und kann dadurch eine verbundene Last oder dergleichen bewegen.

Andere bekannte Aktoren basieren nicht auf elektromechanischen Prinzipien, sondern sind hydraulisch oder pneumatisch oder mit Federn realisiert.

All diesen bekannten Aktoren wohnt jedoch die prinzipbedingte Eigenschaft inne, dass hinsichtlich der Bewegungsleistung eines solchen Aktors die die Bewegung bewirkende Kraft sich kontinuierlich aufbaut und, bezogen auf den Arbeitshub, mit einem Kraftmaximum erst im späteren Verlauf der Bewegung vorliegt. Dagegen verlangt gerade die Massenträgheit der jeweils zu bewegenden (zu beschleunigenden) Masse, dass eine möglichst große Aktorkraft zu Beginn des Arbeitshubes verfügbar ist.

Im Ergebnis sind daher bekannte elektromechanische und andere Aktoren, die mit kurzen Reaktionszeiten und schnell eine Masse bewegen müssen, nachteilig, insbesondere wenn es um eine schnelle Initialbeschleunigung der zu bewegenden Masse geht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromechanische Aktorvorrichtung zu schaffen, welche eine die Masse beschleunigende Kraft bereits am Anfang des Arbeitshubes und damit unmittelbar nach dem Auslösen des Bewegungsvorganges durch das Aktorenelement bereitstellt.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Verwendung eines solchen Aktors für solche Bewegungsvorgänge beansprucht, bei welchen es auf eine gegenüber einer Rückstellzeit kurze Stellzeit ankommt.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird die Eigenschaft einer Formgedächtnislegierung ausgenutzt, sich durch das Einbringen von elektrischer Energie (bzw. eine dadurch bewirkte Erwärmung des Materials) zu verformen bzw. eine vorhandene Deformation zurückzuformen und so eine Bewegung auf die mit dem Aktorenelement verbundene Last auszuüben. Genauer gesagt führt zunächst eine Zugkraft (Zugspannung) einer mit dem langgestreckten Aktorenelement verbundene Last zu einer Verformung des Formgedächtnislegierungsmaterials im martensitischen Gefügezustand (dieser Vorgang wird auch Entzwilligung genannt). Wird dann elektrische Energie in das Aktorenelement eingebracht, wird dieses erwärmt, und das Formgedächtnislegierungsmaterial wandelt sich in seine Hochtemperaturphase (austenitische Phase) um. Die Formgedächtnislegierung verrichtet hierbei Arbeit und nimmt ihre Grundform wieder ein, mit anderen Worten, die ursprüngliche Verformung (Entzwilligung) wird rückgängig gemacht, und es wird eine entsprechende Beschleunigungs- bzw. Bewegungskraft auf die Last ausgeübt. Nach einem Abkühlen des Formgedächtnislegierungsmaterials würde diese Form beibehalten, solange bis die verbundene Last wieder durch einen neuen Entzwilligungsvorgang eine Verformung hervorruft.

Besonders günstig ist bei diesem Prinzip, dass die größte Kraft zur Beschleunigung der Masse nicht am Ende des Arbeitshubes vorliegt, sondern am Anfang des Arbeitshubes. Mithin ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr kurzfristige, schnelle Beschleunigung der Last erreichbar.

Da zum Erreichen derartiger schneller Schaltzeiten sehr hohe Ströme benötigt werden, andererseits jedoch derart hohe Ströme bei Dauerbelastung des Formgedächtnislegierungsmaterials zu einer Zerstöung desselben (durch Überhitzung) führen würden, muß die Dauer des Stromflusses sehr kurz gehalten werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass mit dem Aktorenelement aus Formgedächtnislegierungsmaterial eine Ladungsspeichereinheit, typischerweise ein Kondensator, oder eine Induktivität, verbunden ist, welche sich in sehr kurzer Zeit über das Aktorenelement (als elektrischer Leiter) entlädt, entsprechend dort einen gemäß der Ladung bzw. der Spannung hohen Strom einprägt und entsprechend in der vorbeschriebenen Weise die Änderung des Gefügezustands kurzfristig bewirkt. Gleichzeitig ist jedoch erfindungsgemäß der eingebrachte Strom um ein Mehrfaches höher als der Strom, der im Dauerfluß das langgestreckte Aktorenelement gerade noch zerstörungsfrei passieren könnte.

Aufgrund der Vorbestimmbarkeit einer definierten Ladung, welche in das Formgedächtnislegierungsmaterial einzubringen ist, hat sich dabei besonders bewährt, einen Kondensator als Ladungsspeichereinheit vorzusehen; insbesondere wenn ein solcher Kondensator mit geringen Übergangswiderständen unmittelbar mit dem Formgedächtnislegierungsmaterial verbunden ist, können so in extrem kurzen Zeiten sehr hohe Ströme fließen, wobei Spannung, Entladungsdauer (und damit auch Dauer des Stromflusses) sowie die Stromstärken durch die Kapazität des Kondensators bzw. das Formgedächtnislegierungsmaterial bestimmt sind.

In der praktischen Realisierung der Erfindung hat es sich dabei als besonders geeignet herausgestellt, das langgestreckte Aktorenelement mithilfe von einem oder mehreren Drähten des Formgedächtnislegierungsmaterials zu realisieren. Insbesondere könnte dann an dem aufhängungsseitigen Ende eines solchen Drahtes die Ladungsspeichereinheit vorgesehen sein, welche dann in der erfindungsgemäßen Weise als Reaktion auf ein geeignetes Ansteuersignal, d.h. ein Auslösesignal zum Steuern der Last, über den Draht aus Formgedächtnislegierungsmaterial entladen wird und dort den beschriebenen hohen Stromfluß bewirkt.

In der Praxis lassen sich bei typischen Drahtdurchmessern im Bereich zwischen 0,1 und 3 mm Stellzeiten in der Größenordnung von ca. 20 ms selbst für Lasten bis zu 100 kg realisieren, was sich beispielsweise im industriellen Produktionsbereich, in der Sicherungstechnik, im Transport- oder Automobilbereich oder dergleichen Anwendungsfeldern vielfältig einsetzen läßt, mit dem beschriebenen Vorteil eines maximalen Krafteintrags auf die zu beschleunigende Masse am Anfang des Arbeitshubes und zu Beginn des Stellvorgangs.

Während sich bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung auf translatorische Bewegungen (bzw. entsprechenden Krafteintrag) beziehen, ist es von der Erfindung mitumfasst, den Krafteintrag bzw. die Bewegung rotatorisch einzurichten, etwa durch Ausbildung des Aktorenelements als Torsionselement oder Biegeelement.

Da ein Rückstellen der Hubbewegung gemäß der Erfindung das Abkühlen des Formgedächtnislegierungsmaterials und daraufhin das erneute Deformieren durch die Last benötigt, ist die für dieses Rückstellen benötigte Zeit deutlich länger als der beschriebene Stellvorgang; mithin eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere für solche Anwendungen, bei denen der Stellvorgang deutlich kürzer ist als ein nachfolgender Rückstellvorgang (der Rückstellvorgang also nicht zeitkritisch ist).

Während sich die vorliegende Erfindung prinzipiell für den Einsatz beliebiger Formgedächtnislegierungen eignet, so hat es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders bevorzugt herausgestellt, eine NiTi-Formgedächtnislegierung einzusetzen, deren Umwandlungstemperatur in der Größenordnung von 90° Celsius liegt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichungen; diese zeigen in

1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktors gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

2 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der miteinander zusammenwirkenden Funktionskomponenten der Ausführungsform gemäß 1 und

3 ein kombiniertes Strom-, Spannungs- und Hubdiagramm zur Verdeutlichung der Eigenschaften des Ausführungsbeispiels gemäß 1, 2.

Wie in 1 gezeigt, weist die Vorrichtung als wesentliches, funktionsbestimmendes Element eine Mehrzahl von drei Drähten 10 aus einer Formgedächtnislegierung, im vorliegenden Beispiel NiTi, auf. Diese Legierung besitzt eine Umwandlungstemperatur von 90° Celsius; bei einer gezeigten Länge von 320 mm beträgt der Drahtdurchmesser jeweils 1 mm.

Einends (d.h. in der 1 am rechten Ende) ist eine Last 12 in Form eines Gewichtes einer Masse von 20 kg gezeigt; das Gewicht 12 ist so mit den Drähten verbunden, dass das Gewicht eine der Masse entsprechende Zugkraft auf die Drähte 10 ausübt und diese entsprechend verformt (d.h. verlängert); im dargestellten, stationären Beispiel beträgt die sich in Verformungs- und Hubrichtung (Doppelpfeil 14) auswirkende Verformung eine Längendifferenz von ca. 9 mm (entsprechend ca. 3,5% der wirksamen, eingespannten Länge des Formgedächtnislegierungsmaterials der Drähte 10).

Anderenends, mit einem schematisch gezeigten Gehäuse 16 umrandet, ist eine der mit den Drähten 10 verbundenen Ladungsspeichereinheit zugeordnete Verbindungs- und Steuereinheit vorgesehen. Genauer gesagt ist als Ladungsspeichereinheit ein Kondensator 20 vorgesehen, im dargestellten Ausführungsbeispiel dimensioniert auf 169.000 &mgr;F, Kondensatorspannung 63 V. Dieser Kondensator 20 wird durch Spannung aus einer Versorgungsspannungsquelle 22, z.B. Netzspannung oder einer Autobatterie, mittels einer nachgeschalteten Spannungsvervielfachereinheit 24 auf die Kondensatorspannung geladen.

Als Reaktion auf das Steuer- bzw. Auslösesignal einer Steuervorrichtung 26 verbindet eine halbleiterbasierte Schaltvorrichtung 28 den Kondensator 20 mit der Mehrzahl von Drähten 10, so dass sich die Kondensatorladung durch die Drähte 10 entlädt, dort einen impulsförmigen Stromfluß bewirkt, und während des Stromimpulses zu einer mechanischen Bewegung der Last 12 (in linker Richtung in 1) führt.

Genauer gesagt wird bei der Entladung, vergleiche hierzu auch das Strom-, Spannungs- und Hubdiagramm der 3, der durch das Strecken mittels der Last 12 gedehnte und damit deformierte Gefügezustand des Formgedächtnislegierungsmaterials (Entzwillung) dadurch rückgängig gemacht, dass durch das Einbringen der elektrischen Energie und der damit verbundenen thermischen Erwärmung die Formgedächtnislegierung ihre Grundform wieder einnimmt. Dies geschieht äußerst schnell, wie sich aus der Graphik der 3 ergibt: Die Stromspitze von ca. 300 A ist bereits unmittelbar mit dem Verbinden des Kondensators mit den Drähten 10 erreicht, also zu Beginn des Hubweges; mithin liegt hier bereits die maximale beschleunigende Kraft an der Last 10 an. Mit dem Entladen des Kondensators 20 über die Drähte 10 (in der Art eines Kurzschlusses) über einen Zeitraum von ca. 40 ms fallen sowohl der Strom als auch die Kondensatorspannung ab; sobald der Kondensator völlig entladen ist, sinken diese auf null. Zu diesem Zeitpunkt hat, bei geeignet bemessener Kapazität und damit Ladung, die Mehrzahl der Drähte aber bereits den Maximalhub von ca. 9 mm (3, rechte Skala) erreicht, mit dem Ergebnis, dass die Last bereits zum Ende des Impulses vollständig bewegt ist.

In dieser aktuellen Stellung verbleibt die Last, bis das Formgedächtnislegierungsmaterial der Drähte sich abgekühlt hat und dann die Last durch Zugkraft wiederum eine Verformung (durch Entzwillung) erzeugt. Typischerweise dauert dieser Vorgang, d.h. das Rückstellen entlang der rechten Pfeilrichtung des Pfeils 14, ca. 45 sec.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene, eher prinzipiell ausgerichtete Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist der Einsatz in beliebigen Anwendungsgebieten und für beliebige Stellaufgaben denkbar.

Auf wenn im beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Kondensator als Ladungsspeicher herangezogen wurde, so eignen sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung prinzipiell jegliche Einheit, die eine begrenzte und definierte Ladungsmenge in kurzer Zeit in das längenveränderliche Aktorenelement entladen kann.


Anspruch[de]
  1. Elektromechanischer Aktor mit einem einends mit einer zu bewegenden Last (12) oder einem anderen Krafteintragungspunkt und anderenends mit einer Aufhängung verbindbaren, langgestreckten und zum Bewegen der Last bzw. zum Eintragen einer Kraft längenveränderlichen Aktorenelement (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorenelement aus einem Formgedächtnislegierungsmaterial realisiert ist und so mittels einer durch ein Steuersignal aktivierbaren Verbindungsvorrichtung (28) mit einer elektrischen Ladungsspeichereinheit (20) vorbestimmter Kapazität oder einer als Energiequelle wirkenden Induktivität verbunden ist, dass als Reaktion auf das Steuersignal eine elektrische Ladung der Ladungsspeichereinheit bzw. der Induktivität über das Aktorenelement zumindest teilweise entladen wird und dort einen die Längenveränderung bzw. den Krafteintrag bewirkenden impulsförmigen Stromfluss bewirkt.
  2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung der Ladungsspeichereinheit vor dem Entladen zwischen 0,1 und 50 As beträgt.
  3. Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss einen Spitzenstrom größer 100 A, insbesondere größer 1000 A, aufweist.
  4. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsspeichereinheit als Kondensator (20) einer Kapazität zwischen 2000 und 200 000 &mgr;mF realisiert ist, der bevorzugt unmittelbar an einem Ende des Aktorenelements (10) vorgesehen und verbunden ist.
  5. Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kondensatorspannung auf einem Bereich zwischen 10 Volt und 400 Volt eingerichtet ist.
  6. Aktor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass sie zum Bewirken einer Teilentladung der Ladungsspeichereinheit bzw. der Induktivität die Verbindung zwischen diesen sowie dem Aktorenelement unterbricht.
  7. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorenelement mindestens einen Draht (10) aus dem Formgedächtnislegierungsmaterial einer Länge zwischen 0,5 und 80 cm und/oder einen Durchmesser zwischen 0,1 mm und 3 mm aufweist.
  8. Aktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht aus einer Eisenbasis- oder NiTi-Formgedächtnislegierung realisiert ist und/oder eine Umwandlungstemperatur zwischen einem martensitischen und einem austenitischen Gefügezustand des Formgedächtnislegierungsmaterials im Bereich zwischen 70°C und 130°C aufweist.
  9. Aktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorenelement eine Mehrzahl von zueinander parallelen, verdrillten oder miteinander verflochtenen Drähten (10) aufweist.
  10. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine der Ladungsspeichereinheit bzw. der Induktivität zugeordnete Ladeeinheit (24), die mit Netz- und/oder Batteriespannung, insbesondere KFZ-Bordspannung, betreibbar ist und zum Aufladen der Ladungsspeichereinheit bzw. der Induktivität auf mit der elektrischen Ladung in einem gegenüber dem Entladen langen Zeitraum ausgebildet ist.
  11. Verwendung des Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum linearen oder rotatorischen Bewegen einer mechanischen Last einer Masse zwischen 1 kg und 100 kg, wobei das lineare Bewegen eine gegenüber einer Rückstellzeit kurze Stellzeit aufweist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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