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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung mit einem
als Reaktion auf eine elektrische Ansteuerung vorbestimmt verkippt-
und/oder verschwenkbaren Antriebselement, welches zum Übertragen
mechanischer Antriebsenergie von einem Abtriebspartner kontaktierbar
ausgebildet ist.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt
und wird etwa im Zusammenhang mit Drehstellaufgaben benutzt.
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Exemplarisch
wird zum gattungsbildenden Stand der Technik auf die
WO 03/019582 A1 Bezug genommen.
Dort ist ein elektromagnetischer Rotationsaktuator beschrieben,
welcher insbesondere auch im Automobilbereich zur Bewegung einer
Drosselklappe für Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Bei
diesem bekannten Stand der Technik ist ein Antriebselement in Form
eines Kipp- bzw. Schwenkhebels drehbar um eine Lagerachse gehalten,
und als Reaktion auf eine geeignete Bestromung des Spulensystems
wird das verschwenkbare Antriebselement in eine gewünschte
Kippposition verbracht. Das Arbeitsprinzip beruht dabei auf einem
resonanten Schaltprinzip unter Verwendung von Federn, etwa Spiralfedern,
und ermöglicht im Ausführungsbeispiel einen Drehhub
von ca. 40° mit einer typischen Schaltzeit im Bereich zwischen
2 und 3 msec.
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Der
Nachteil einer solchen bekannten Vorrichtung ist zunächst
der hohe konstruktive Aufbau; es müssen beim vorgenannten
Stand der Technik vier Spulen eingesetzt werden, um einen vergleichbar
großen Drehanker als Antriebselement in Bewegung zu versetzen.
Auch ist für das bekannte Resonanzprinzip eine hochfrequente
Ansteuerung notwendig, damit verbunden zusätzlicher regelungstechnischer
Aufwand, und auch eine vorbestimmte Verschwenk- bzw. Endposition
des Antriebselements ist nur zu halten, wenn das Spulensystem mit
einem dauerhaften Haltestrom (auch zur Überwindung der Federkräfte)
beaufschlagt wird.
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Entsprechend
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine eine Kipp- bzw.
Schwenkbewegung eines Antriebselements bewirkende Aktuatorvorrichtung
konstruktiv zu vereinfachen, insbesondere den mechanischen sowie
steuerungstechnischen Aufwand zu reduzieren, gleichzeitig einen
schnellen Schalt-(Kipp- bzw. Schwenk-)Vorgang zu ermöglichen
und die Voraussetzungen dafür zu schaffen, dass eine Mehrzahl
von Aktuatorpositionen stromlos gehalten werden, d. h. das Antriebselement
in einem vorbestimmten Kipp- bzw. Schwenkwinkel als rotatorischer
Position verbleibt, selbst wenn die elektrische Ansteuerung nicht
erfolgt.
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Die
Aufgabe wird durch die Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs sowie die Verwendung nach dem Patentanspruch 11 gelöst; vorteilhafte
Weiterbildungen in der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben. Darüber hinaus wird Schutz im Rahmen der vorliegenden
Offenbarung beansprucht für ein Antriebs- und/oder Bewegungsverfahren,
welches die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß Hauptanspruch
sowie gemäß nachfolgender Beschreibung betrifft.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft
wird das Antriebselement durch zwei Expansionseinheiten in die gewünschte
Kipp- und/oder Schwenkbewegung (bzw. die zugehörige Kipp-
bzw. Schwenk stellung) versetzt, wobei die Expansionseinheiten jeweils
ein magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial aufweisen,
welches als Reaktion auf die elektrische Ansteuerung sowie ein damit
erzeugtes Magnetfeld eine (typischerweise longitudinale) Expansion
oder Kontraktion durchführen. Diese Bewegung der Expansionseinheiten
wird dann erfindungsgemäß auf das Antriebselement
mechanisch so übertragen, dass die erfindungsgemäß gewünschte
und beabsichtigte Kipp- bzw. Schwenkbewegung realisiert wird.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft
ist dies gegenüber etwa dem vorstehend zum gattungsbildenden Stand
der Technik diskutierten Vorgehen mechanisch und konstruktiv drastisch
vereinfacht, darüber hinaus lässt sich mit der
vorliegenden Erfindung, wie im Weiteren noch im Detail noch erläutert
werden wird, in einfacher und eleganter Weise eine bistabile Wirkung erzielen,
welche insbesondere das stromlose Einnehmen einer Mehrzahl von Kipp-
bzw. Schwenkpositionen ermöglicht (d. h. ohne die Notwendigkeit, dass
ein elektrisch erzeugtes Magnetfeld eine Expansionseinheit und damit
das Antriebselement in einer Position halten muss).
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Dabei
ist es erfindungsgemäß bevorzugt, das Antriebselement
als um eine Drehachse schwenkbaren Kipphebel auszugestalten und
die Expansionseinheiten beidends der Drehachse so angreifen zu lassen,
dass ein Stellen und Rückstellen der Kipp- bzw. Schwenkbewegung
durch jeweils eine des Paares der Expansionseinheiten erfolgen kann. Durch
geeignete Ausgestaltung der (Hebe-)Geometrien lässt sich
so ein hypothetischer Kipp- bzw. Schwenkwinkel von bis zu 180° realisieren,
wobei es im Rahmen der Erfindung und zur Realisierung der weiterbildungsgemäß vorteilhaften
Anwendungen der Rotationsaktuatorik etwa im Kraftfahrzeug- oder Klimabe reich
günstig ist, hier einen Schwenkwinkel (Winkelhub) zwischen
45° und 90° einzurichten.
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Weiterbildungsgemäß bevorzugt
ist es zudem, eine bistabile Wirkung der vorliegenden Erfindung
dadurch zu realisieren, dass mit Hilfe einer Permanenteinheit, also
etwa einer oder beider der Expansionseinheiten zuzuordnender Permanentmagneten
mit einem entsprechenden festen Magnetfeld, Positionen einricht-
bzw. einstellbar sind, welche dann durch Überlagerungs-
oder Neutralisierungseffekte eines zusätzlich mit der elektrischen
Ansteuerung erzeugten elektromagnetischen Feldes geeignet beeinflusst
werden können. Je nach Konfiguration ist es so möglich,
entweder einen im Hinblick auf jeweilige Endpositionen der Kipp-
bzw. Schwenkbewegung bistabilen Betrieb zu ermöglichen,
oder aber vorbestimmte Zwischenpositionen stromlos stabil zu gestalten,
oder einen der Ansteuerung proportionalen Stellbetrieb zu realisieren.
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Im
Rahmen einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist es
dabei günstig, jeder der Expansionseinheiten Spulenmittel
als Magnetfeldeinheit zuzuordnen, so dass insbesondere unter Gesichtspunkten
einer Modularisierung dann geeignete, ggf. auch großserientechnisch
einfach herzustellende Expansionseinheiten einem Stellzweck entsprechend geeignet
ausgewählt, positioniert und angesteuert werden können.
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Alternativ
ist es möglich, eine Spuleinheit (also z. B. ein Magnetfeld-Spulenpaar)
für eine Mehrzahl von Expansionseinheiten gemeinsam vorzusehen,
um insoweit den apparativen Aufbau weiter zu vermindern. Insbesondere
in Verbindung mit mindestens einer der Expansionseinheiten zuzuordnenden Permanentmagnetmitteln
lässt sich so ein analoges Stell- bzw. Schaltverhalten
erreichen, darüber hinaus nahezu beliebige Konfigurationsmöglichkeiten
entsprechend einem jeweiligen Dimensionierungs- und Einsatzzweck.
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Während
es erfindungsgemäß günstig und bevorzugt
ist, die vorliegende Erfindung für Rotations-Stellaufgaben
im Bereich der Kraftfahrzeug- und/oder Klimatechnik einzusetzen,
ist die Anwendungsbreite des mit der vorliegenden Erfindung beanspruchten
Prinzips prinzipiell unbegrenzt; vielmehr ist davon auszugehen,
dass sich sowohl die Vorrichtung, als auch das aus der vorliegenden
Unterlage erkennbare erfindungsgemäße Verfahren
für beliebige rotatorische Stellzwecke einsetzen lässt,
bei welchen mechanisch einfacher Aufbau mit kurzen Schaltzeiten,
hoher Toleranz gegenüber Umgebungsbedingungen und zuverlässigem
Betrieb vorteilhafte Wirkungen zeigt.
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Weiter
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1:
eine Schemaansicht einer Aktuatorvorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit
einem Paar von Expansionseinheiten, welche symmetrisch ausgebildet
und angesteuert werden und beidends einer Drehachse auf einen an
dieser schwenkbar gelagerten Kipphebel als Antriebselement wirken;
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2:
eine Schemadarstellung zur Verdeutlichung der Bewegungsgeometrie
des Ausführungsbeispiels gemäß 1;
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3:
eine schematische Darstellung einer Aktuatorvorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem
eine elektromagnetische Spuleneinheit gemeinsam für ein Paar
von Expansionseinheiten vorgesehen ist, wobei diesen zusätzlich
Permanentmagneten zugeordnet sind, und
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4:
ein Magnetfeld-Hubdiagramm zur Verdeutlichung der Funktionsweise
des Ausführungsbeispiels gemäß 3.
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1 verdeutlicht
in der längsschnittlichen Schemadarstellung die Funktionsweise
eines ersten Ausführungsbeispiels. Ein Paar von Expansionseinheiten 10, 12 ist
mittels eines magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterials
(z. B. NiMnGa (als Ein-, Multi- oder Polykristall), magnetische
Feldstärke ca. 1T) realisiert. Derartige Materialien sind
aus dem Stand der Technik bekannt und zeichnen sich dadurch aus,
dass sie als Reaktion auf ein anliegendes Magnetfeld eine Längenänderung
durchführen; in der Praxis liegt diese typischerweise bei
ca. 4% bis 6%, bis zu ca. 10%, der Streckung eines solchen Materials
bezogen auf die Ausdehnungsrichtung.
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Wie
die 1 erkennen lässt, kann dabei das Formgedächtnis-Legierungsmaterial 10 durch ein
Magnetfeld (Pfeilschar 14) in Expansion versetzt werden,
wobei dieses Magnetfeld durch ein Spulenpaar 16 als Reaktion
auf eine elektrische Ansteuerung erzeugt wird. Analog erzeugt ein
zweites Spulenpaar 18 ein Magnetfeld (Pfeilschar 20)
für die zweite Expansionseinheit 12.
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Wie
die 1 zusätzlich erkennen lässt,
ist gegen die Kraft einer jeweils zugeordneten Druckfeder 22 (zur
Einstellung eines Kraft- bzw. Bewegungsarbeitspunktes) und mechanisch
angekoppelt über eine sich in der Expansionsrichtung der
Einheiten 10 bzw. 12 erstreckende Stößeleinheit 24 die
(zunächst lineare) Stellwirkung der Expansionseinheiten
angekoppelt an einen Kipp- bzw. Schwenkhebel 26, welcher
um eine stationäre Drehachse 28 kipp- bzw. schwenkbar
gelagert ist und als Antriebselement für einen in den Figuren
nicht gezeigten Abtriebspartner dient (also etwa eine Luftregelklappe
für einen Fahrzeug-Innenraum).
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Als
Reaktion auf etwa die Bestromung der Spuleneinheit 16 würde
im Betrieb der Einheit gemäß 1 das
Formgedächtnis-Legierungsmaterial der ersten Expansionseinheit 10 eine
vorbestimmte Expansionsbewegung entlang der Richtung des Pfeils 30 durchführen,
mit dem Ergebnis, dass durch Kraftbeaufschlagung des Hebels 26 dieser
in eine verschwenkte Position, angedeutet durch die gestrichelte
Linie gemäß Bezugszeichen 32, verbracht
wird. Bei diesem Betriebszustand ist bevorzugt die Spuleneinheit 18 stromlos,
so dass keine Magnetfeldbeaufschlagung der Expansionseinheit 12 erfolgt;
vielmehr wird diese durch mechanische Kraftwirkung entlang Pfeil 34 durch
den Hebel 26 (in seiner Position 32) kontrahiert.
Eine entsprechende Umpolung bzw. vertauschte Ansteuerung würde
dann in analoger Weise einen Kipp- bzw. Schwenkbetrieb des Hebels 26 in
umgekehrter Drehrichtung bewirken.
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Die 2 verdeutlicht
die Kipp- bzw. Hebelgeometrie einer solchen Anordnung: Gezeigt ist
wiederum, wie das Paar von Expansionseinheiten 10, 12 mechanisch
mit dem Kipphebel 26 zusammenwirkt (notwendige Magnetfeldmittel
sind in der 2 nicht gezeigt), und erkennbar
ist, dass zur Realisierung eines wirksamen Kipp- bzw. Schwenkhubs α (von
beispielsweise 60°, wie in 2 gezeigt)
diese Geometrie bestimmt wird einerseits von einer magnetfeldinduzierten
Längenänderung h jeder der Expansionseinheiten,
andererseits einer freien Schenkellänge d des Schwenkhebels 26,
gemessen von der Schwenkachse 28 bis zur wirksamen Kontaktstelle mit
einer der Expansionseinheiten (die gestrichelte Verlängerung
der Einheiten 10, 12 verdeutlicht den expandierten,
gestreckten Betriebszustand).
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Wichtig
für die Dimensionierung, neben der in 2 gezeigten
Geometrie, ist zusätzlich eine Expansions- bzw. Streckkraft
der Einheiten 10, 12, welche (bedingt durch die
physikalische Verhaltensweise des verwendeten Formgedächtnislegierungsmaterials)
annähernd proportional zum Materialquerschnitt der jeweiligen
Expansionseinheiten senkrecht zur Streckrichtung ist. Die Kombination
der so dimensionierbaren Expansionskraft in Verbindung mit der Hebelgeometrie
d ermöglicht damit die Bemessung und Einrichtung eines
gewünschten Drehmoments um die Drehachse 28.
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Wie
die obige Beschreibung der 1 verdeutlicht,
ist prinzipiell der Einsatz von Druck- bzw. Rückstellfedern 22 nicht
notwendig. Denkbar ist jedoch ein Betriebsmodus einer Anordnung
gemäß 1, wonach beide Spulen gleichzeitig
(aber unterschiedlich) bestromt werden, so dass über eine
geeignete Stromregelung (und damit Einstellung der Magnetfelder 14, 20)
ein Proportionalverhalten des Drehaktuators erreicht werden kann,
also ein beliebiger Zwischenwinkel erreicht wird. Auch ergibt sich aus
der vorstehenden Beschreibung, dass die Anordnung stromlos bistabil
ist, d. h. in der Kipphebel 26 als Antriebselement verbleibt
in einer jeweiligen Endposition (also etwa bei gestrecktem ersten
Expansionselement und kontrahiertem zweiten Expansionselement und
umgekehrt), ohne dass es in einer dieser Endpositionen einer Magnetfeldbeaufschlagung
und damit einer Bestromung der Spuleneinheiten 16 bzw. 18 bedarf.
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Unter
Bezug auf die 3 und 4 wird nachstehend
ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Wiederum
wirkt ein Paar von Expansionseinheiten 40, 42 aus
einem magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterial mit
einem als Kipphebel schwenkbar gelagerten Antriebselement 26 unter Zwischenschaltung
von Stößeleinheiten 24 zusammen; die
Steuerung erfolgt für jeweilige (Zwischen-)Positionen stabil
stromlos bzw. stromreduziert.
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Im
Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 wird
jedoch das Paar von Expansionseinheiten gemeinsam von einem Spulenpaar 44 mit
einem elektrisch induzierten Magnetfeld beaufschlagt, symbolisiert
durch die Pfeilschar durchgezogener Pfeile 46.
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Zusätzlich
wirkt auf jede der Expansionseinheiten das Permanentmagnetfeld von
Permanentmagneten 48 und 50, welche in der gezeigten
Weise der Expansionseinheit 40 bzw. 42 zugeordnet
sind und auf das Formgedächtnis-Legierungsmaterial jeweils ein
Permanentmagnetfeld ausüben, welches durch die gestrichelt
dargestellten Pfeile 52 (für den Permanentmagneten 48)
bzw. 54 (für den Permanentmagneten 50)
symbolisiert ist.
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Die
Funktionsweise dieser Anordnung wird nachfolgend unter Bezug auf
das Hub-/Magnetfelddiagramm in 4 erläutert, wobei
angenommen wird, dass durch die Permanentmagneten 48 bzw. 50 ein Permanentmagnetfeld
der Feldstärke B0 erzeugt wird.
Durch Stromimpulse alternierender Polarität kann nun erreicht
werden, dass die Expansionseinheiten sich in der Erstreckungsrichtung
(Pfeilrichtung 56 für Expansion, 58 für
Kontraktion) abwechselnd ausdehnen und wieder zusammenziehen, wobei
die wiederum schematisch angedeuteten Federn 22 eine beabsichtigte
mechanische Vorspannung erzeugen.
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So
befinden sich unter den Permanentmagnet-Vorspannungsfeldern +B0 bzw. –B0 die
Einheiten 40 bzw. 42 in ihrer Ausgangsposition:
Die rechte Expansionseinheit 42 ist ausgefahren (Position 60 in 4)
die linke Expansionseinheit 40 ist komprimiert (Position 62).
Ein Bestromungsimpuls für das Spulenpaar 44, welcher
ein Spulenfeld einer Feldstärke BSP ≈ B0 erzeugt, führt dazu, dass an der
Einheit 42 ein Feld der Stärke –B0 + BSP ≈ 0
anliegt, dagegen an der Einheit 40 ein Feld der Stärke
B0 + BSP ≈ 2B0. Entsprechend bewegt sich in Richtung des
Pfeilpaares 64 in 4 die Einheit 42 von
Position 60 auf Position 66, die Einheit 40 von
Position 62 auf Position 68. Dies bewirkt, dass
die Einheit 40 (durch Wirkung der Vorspannfeder 22)
komprimiert wird, während gleichzeitig ein Ausfahren der
Einheit 42 erfolgt, mit dem Ergebnis, dass nach Ende des
Impulses gegenüber dem Ausgangszustand 60, 62 ein
umgekehrtes, in einen gegenüberliegenden Endzustand verschwenkter Bewegungszustand 70, 72 erreicht
wird.
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Durch
einen Stromimpuls in die Spuleneinheit 44, welcher ein
Spulenfeld BSP = –B0 bewirkt,
wird ein analoges Verhalten in entgegengesetzte Richtung erreicht,
mit dem in 4 gezeigten Hysteresemuster.
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Wiederum
ist der Aktuator in beiden Endlagen vollständig stromlos
stabil, solange etwa materialspezifische Kraftgrenzen nicht überschritten
werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung sind weitere Modifikationen, insbesondere
auch der Anordnung gemäß 3, möglich.
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Gemäß einer
zusätzlichen Weiterbildung (in den Figuren nicht gezeigt)
ist es denkbar, das durch die elektrische Ansteuerung zu erzeugende
Spulenfeld mit lediglich einer (möglicherweise dann größer zu
dimensionierenden) Spule zu realisieren. Ebenso müssen
die in 3 vorgesehenen Permanentmagneten 48 bzw. 50 nicht
gleich stark und/oder von gleichen Abmessungen sein, ebenso wenig
wie die Einheiten 40 bzw. 42 gleiche stellwirksame
Abmessungen oder symmetrisches Hystereseverhalten zeigen müssen.
Vielmehr ist es möglich, etwa das gezeigte Paar von Permanentmagneten
durch einen (gemeinsamen) Permanentmagneten zu ersetzen, welcher geeignet
mittig oder asymmetrisch zwischen dem Paar von Expansionseinheiten
platziert ist, ebenso wie bewusst eine Unsymmetrie des permanentmagnetischen
oder elektromagnetisch erzeugten Feldes geplant sein kann.
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Auch
ist es weiterbildungsgemäß nicht etwa erforderlich,
die permanentmagnetische Feldstärke (im Sinne einer Vorspannung)
so einzustellen, dass diese mittig bzw. symmetrisch im Hinblick
auf die Hysterese der 4 ist. Wird etwa die permanentmagnetische
Feldstärke kleiner gewählt (z. B. im Betrag auf
eine Hälfte von B0), dann lässt
sich vorteilhaft erreichen, dass die Verkürzung der einen
Expansionseinheit während des Stromimpulses bereits bei kleinerer
Feldstärke und damit früher stattfindet, als die
Deh nung der anderen Einheit. Je nach gewünschtem Schaltverhalten
kann damit ein Schaltvoreilen bzw. eine Abstufung erreicht werden:
Stellt beispielsweise die eine stabile Position des Aktuators den
Durchfluss durch eine angetriebene Riegelklappe gegen einen Druck
ab, so kann bereits das Reduzieren der Haltekraft den Schaltvorgang
durch den Überdruck einleiten, bevor die andere Expansionseinheit
aktiv den Schaltvorgang unterstützt.
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Auch
kann etwa einem Anwendungserfordernis, das in beiden stabilen Stellpositionen
unterschiedliche Drehmomente und/oder Kräfte zusätzlich zur
Federvorspannung auf eine ausgefahrene Expansionseinheit wirken,
wirksam durch eine Wahl bzw. Einrichtung entsprechend unterschiedlich
großer (permanentmagnetischer) Felder (Biasfelder) begegnet
werden; das Schalten in die stärker belastete Richtung
wird damit gegenüber dem umgekehrten Vorgang vereinfacht
und der Effekt einer asymmetrisch wirkenden Kraft durch den Abtriebspartner kompensiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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