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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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Aus der
US 2006/0044093 A1 ist eine ein magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial aufweisende Aktuatorvorrichtung bekannt, welche als Reaktion auf ein erzeugtes Magnetfeld eine Expansionsbewegung durchführen kann. Zum weiteren Stand der Technik wird verwiesen auf die
JP 2002 97 566 AA , welche ebenfalls einen Aktuator zeigt, welcher ein magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial aufweist.
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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 Klimabereich 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.
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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 Dehnung 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.