DE102012108568A1 - Aktuatorvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung mit einer ein magnetisch wirksames Formgedächtnis-Legierungsmaterial aufweisenden, axial langgestreckten Stößeleinheit (10), die als Reaktion auf eine Bestromung einer Spuleneinheit (12) eine Längenveränderung entlang der axialen Erstreckungsrichtung durchführt und mit Rückstellmitteln (16) zusammenwirkt, die auf die Stößeleinheit eine der Längenveränderung entgegenwirkende Rückstellkraft ausüben, wobei die Spuleneinheit die Stößeleinheit koaxial und zumindest abschnittsweise umschließt und die Rückstellmittel axial magnetisierte, zum Zusammenwirken mit den Spulenmitteln vorgesehene Permanentmagnetmittel (16) aufweisen, die bevorzugt endseitig so an der Stößeleinheit ansitzen und so ausgebildet sind, dass als Reaktion auf die Bestromung mit einer ersten Polarität eines Ansteuersignals (1) eine axial wirkende magnetische Abstoßungskraft zwischen den Permanentmagnetmitteln und der Spuleneinheit eine Expansion der Stößeleinheit zum Antreiben eines nachgeschalteten Stellpartners bewirkt und als Reaktion auf die Bestromung mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität des Ansteuersignals (2) eine axial wirkende magnetische Anziehungskraft zwischen den Permanentmagnetmitteln und der Spuleneinheit eine Kontraktion der Stößeleinheit bewirkt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 10 2005 038 891 A1 bekannt.
• Aus diesem Stand der Technik ist es bekannt, magnetisch wirksame Formgedächtnis-Legierungsmaterialien (abgekürzt als FGL, und auch bekannt als MSM-Material = Magnetic Shape Memory) für die Aktorik zu benutzen. So wird etwa typischerweise zu diesem Zweck ein Formgedächtnislegierungs-Kristallkörper (als Repräsentant für eine Vielzahl von möglichen FGL-basierten Materialien), typischerweise hergestellt auf Basis einer NiMnGa-Legierung, mit einem durch eine bestromte Spule erzeugten Magnetfeld beaufschlagt. Als Reaktion auf eine solche magnetische Feldbeaufschlagung führt der FGL-Kristallkörper eine Längenveränderung durch. Diese Längenveränderung, etwa eine Expansion, kann dann an einem angetriebenen Ende des (typischerweise stößelartig ausgebildeten) Kristallkörpers einen geeignet mit diesem Ende zusammenwirkenden Stellpartner antreiben.
• Dabei bieten derartige, magnetisch wirksame Formgedächtnis-Legierungsmaterialien und damit in der beschriebenen prinzipiellen Art realisierte Aktuatoren (Aktuatorvorrichtungen) die Möglichkeit, gängige magnetbasierte Aktuatorprinzipien, wie etwa Hubmagnete, zu ersetzen oder zu ergänzen. Vorteilhaft ist bei dem verwendeten magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterial neben mechanisch-konstruktiver Einfachheit in der Realisierung (es bewegt sich keine Anker als Ganzes, es findet lediglich eine Expansion der Stößeleinheit statt) vor allem eine potenziell schnelle Reaktionszeit der Expansion auf das Anlegen des Magnetfeldes.
• Allerdings haben als bekannt vorausgesetzte, gattungsbildende FGL-basierte Aktuatorvorrichtungen auch prinzip- bzw. konstruktionsbedingte Nachteile gegenüber anderen, etwa elektromagnetischen Aktuatorprinzipien, wodurch in der Praxis eine wirklich universelle Verwendbarkeit bislang eingeschränkt war.
• So weisen etwa bekannte FGL-Aktuatoren die Eigenschaft auf, dass als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld (einer notwendigen Mindest-Feldstärke) zwar die beabsichtigte Expansions- oder Kontraktionsbewegung stattfindet. Nach einem Abfall des Magnetfeldes findet dann jedoch nicht automatisch eine Bewegung zurück in den ursprünglichen Zustand (Ausgangslage) statt. Vielmehr verbleibt der Kristall auch nach dem Deaktivieren des (mittels der Spuleneinheit erzeugten) Elektromagnetfeldes in der expandierten bzw. kontrahierten Position.
• Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, etwa der zur Gattung zitierten DE 10 2005 038 891 A1 , wird daher das Zurückstellen (Rückstellen), also das Zurückführen der Expansion in die nicht-expandierte Ausgangslage, mit Rückstellmitteln ermöglicht, welche als mechanische Feder ausgebildet sind. Eine derartige Feder übt ihre Federkraft entgegen der Stell- bzw. Bewegungsrichtung aus. Wenn damit die Federkraft einer solchen bekannten Rückstellfeder, bezogen auf eine unbelastete Expansionskraft des FGL-Kristalls, so eingerichtet ist, dass bei der Magnetfeldbeaufschlagung das FGL-Material die Gegenkraft (Rückstellkraft) der Feder übersteigt, findet die beabsichtigte Expansionsbewegung statt. Fällt dann nach Ende der Bestromung das Magnetfeld ab (unter die notwendige Mindestfeldstärke), führt die auf das FGL-Kristall wirkende Federkraft (Rückstellkraft) dann zu einer Kontraktion zurück in die Ausgangslage.
• Damit wird es dann zu einer Dimensionierungsaufgabe, die Ausgestaltung des FGL-Kristalls und dessen magnetische Längenveränderungseigenschaften anzupassen an eine entgegenwirkende (rückstellende) Federkraft, um geeignete Stellaufgaben zu lösen.
• Allerdings ist eine derartige Technologie in zweifacher Hinsicht nachteilig und potenziell verbesserungsbedürftig: Zum einen bedeutet eine der Richtung der Längenveränderung des FGL-Kristalls entgegengerichtete (und entsprechend vorgespannte) Feder, dass bei der beabsichtigten Aktuatorbewegung stets die Federkraft überwunden werden muss, insoweit also potenziell ungenutzte Arbeit zu verrichten ist. Darüber hinaus sind derartige, gattungsbildende Vorrichtungen typischerweise stromlos instabil, d. h. es erfolgt nach dem Deaktivieren der Bestromung typischerweise ein Rückstellen zurück in eine Ausgangslage. Ist jedoch eine bistabile Funktionsweise gewünscht, setzt dies voraus, dass etwa zum Aufrechterhalten eines expandierten Längenveränderungszustandes des FGL-Kristalls eine permanente Bestromung stattfinden muss. Dies wiederum wirkt sich nachteilig auf elektrische Energieverbrauchseigenschaften einer derartigen Vorrichtung aus.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Aktuatorvorrichtung mit Rückstellmitteln im Hinblick auf ihre flexible Einsetzbarkeit zu verbessern, insbesondere einen stromlos bistabilen Betrieb zu realisieren, dabei einen konstruktiv einfachen und potenziell großserientauglichen Aufbau zu ermöglichen.
• Die Aufgabe wird durch die Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich Schutz beansprucht im Rahmen der Erfindung wird für eine Verwendung der hauptanspruchsgemäßen Aktuatorvorrichtung als Ersatz für einen Hubmagneten, insbesondere in der Art eines (stromlos stabilen) Ventils, weiter bevorzugt für Hydraulik- oder Pneumatik-Stellanwendungen. Dabei ist das Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik besonderes bevorzugt, die Anwendung der vorliegenden Erfindung hierauf jedoch nicht beschränkt.
• In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist bevorzugt endseitig der langgestreckten, aus dem Formgedächtnis-Legierungsmaterial ausgebildeten Stößeleinheit ein Permanentmagnetkörper vorgesehen, welcher mit der vorteilhaft die Stößeleinheit umschließenden Spuleneinheit zusammenwirkt. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Spuleneinheit mit Gleichstrom zweier entgegengesetzter Polaritäten bestromt werden kann, wobei im Fall der Bestromung mit einer ersten Polarität eine abstoßende Kraft zwischen der Spuleneinheit und den Permanentmagnetmitteln erzeugt wird, welche zu einer Expansion der langgestreckten Stößeleinheit führt. Zwar kann durch diese erste Bestromung (Bestromung mit der ersten Polarität) eine kontrahierende Kraft im Formgedächtnis-Legierungsmaterial der Stößeleinheit auftreten, da durch die die Stößeleinheit umschließende Anordnung der Spuleneinheit ein axialer Magnetfluss in der Stößeleinheit (d. h. entlang dessen Erstreckungsrichtung) auftritt, erfindungsgemäß sind die Permanentmagnetmittel jedoch so dimensioniert, dass die bei der Bestromung mit der ersten Polarität entstehende Abstoßungskraft eine derartige kontrahierende Kraft übersteigt und so die Expansionsbewegung stattfindet.
• Dagegen ist die Vorrichtung im Hinblick auf die magnetische Wechselwirkung zwischen den Permanentmagnetmitteln und der Spuleneinheit so ausgestaltet, dass bei der Bestromung mit der entgegengesetzten zweiten Polarität anstatt einer Abstoßung eine anziehende Kraft in der axialen Richtung (d. h. der Erstreckungsrichtung der Stößeleinheit) erfolgt, mit der Wirkung, dass nunmehr eine kontrahierende Bewegung bzw. Kontraktion der Stößeleinheit, mithin also ein Rückstellen zurück in eine kontrahierte Ausgangsposition, stattfindet.
• Damit gestattet es die vorliegende Erfindung also, bevorzugt ohne das Vorliegen einer auf die Stößeleinheit bzw. die daran vorgesehenen Permanentmagnetmittel wirkende Feder od. dgl. Kraftspeicher, eine wirksame Rückstellung durch Magnetkraft zu gewährleisten, wobei weiter vorteilhaft und ermöglicht durch die sogenannte Zwillingsgrenzspannung im FGL-Material der Stößeleinheit, eine stromlos-bistabile Wirkung erzielt wird. Vorteilhaft ist nämlich das magnetische Verhalten so eingerichtet und dimensioniert, dass in der expandierten Stellung (d. h. nach der Bestromung mit der ersten Polarität) eine permanentmagnetische Anziehungskraft der Permanentmagnetmittel in Richtung auf die (deaktivierte) Spuleneinheit so gering ist, dass durch Wirkung der Zwillingsgrenzspannung die Stößeleinheit in ihrer expandierten Position verbleibt.
• Vorteilhafte Konsequenz ist, dass zum Erreichen dieser Schaltstellung eine lediglich impulsförmige Bestromung mit der ersten Polarität ausreicht, mithin also diese Position stromlos stabil ist.
• Gleiches gilt dann für die kontrahierte Position, insoweit entsprechend einer Ausgangslage. Wiederum eine lediglich impulsförmige Bestromung der zweiten Polarität reicht aus, um (durch anziehende) Magnetkraft zwischen den Permanentmagnetmitteln und der aktivierten Spuleneinheit die Stößeleinheit wieder in ihre kontrahierte Form zu verbringen.
• Während zur konstruktiven Realisierung der Erfindung nahezu beliebige Ausgestaltungen etwa der (axial magnetisierten) Permanentmagnetmittel möglich sind, ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung günstig, diese Permanentmagnetmittel als permanentmagnetische Scheibe od. dgl. Permanentmagnetkörper auszugestalten. Weiterbildungsgemäß vorteilhaft und für eine Fertigung günstig ist dieser durch Kleben od. dgl. Vorgang so unlösbar mit einem stirnseitigen Ende der langgestreckten Stößeleinheit verbunden, dass entlang der Erstreckungsrichtung über die Verbindung sowohl Zug-, als auch Druckkräfte übertragen werden können.
• Insbesondere die Ausgestaltung der Spuleneinheit als Zylinderspule, welche mittig-axial eine Aufnahme für die Stößeleinheit anbietet, gestattet das kompakte Realisieren einer weiter bevorzugt radialsymmetrischen Vorrichtung. In der bevorzugten Weiterbildung sind dann Flussleitmittel der Stößeleinheit, den Permanentmagnetmitteln axial gegenüberliegend und zur Übertragung von Zug- und Druckkräften auf die Stößeleinheit, vorgesehen, welche sich weiter bevorzugt nicht nur end- bzw. stirnseitig der Zylinderspule, sondern auch entlang deren Mantelseite erstrecken können und so die Möglichkeit für eine Magnetflussoptimierung der Einheit anbieten.
• Im Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung eine Aktuatorvorrichtung, welche die Möglichkeiten bekannter FGL- bzw. MSM-basierter Technologien verbreitert, insbesondere einen stromlos stabilen Zustand in den Endpositionen gestattet. Damit ist insbesondere ein Ersatz verschiedenster Verwendungen eines Hubmagneten möglich, wobei die vorliegende Erfindung sich etwa besonders günstig zur Realisierung und Steuerung von Ventilen eignet, jedoch nicht auf einen solchen Anwendungsfall beschränkt ist.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Figuren; diese zeigen in:
• 1, 2: eine schematische Längsschnittansicht durch die Aktuatorvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit gezeigten Polaritäten der Bestromung und resultierenden Kräften und
• 3: ein Diagramm zur Verdeutlichung des Bewegungsverhaltens eines entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 1, 2 ausgebildeten Musters unter Bestromung.
• Die 1 und 2 zeigen mit einem ersten Ausführungsbeispiel die prinzipielle Realisierung der vorliegenden Erfindung. Eine langgestreckte Stößeleinheit 10 aus einem magnetisch wirksamen Formgedächtnis-Legierungsmaterial ist im Inneren einer Ringspule 12 geführt und weist einends einen fest mit der Stößeleinheit 10 verbundenen Flussleitabschnitt 14 auf, welcher gleichermaßen bodenseitig die Ringspule 12 begrenzt.
• Anderenends des Flussleitelements 14 ist unlösbar durch eine Klebeverbindung mit einem Endabschnitt des Stößelelements 10 ein scheiben- bzw. zylinderförmiger Permanentmagnetkörper 16 verbunden.
• Die in die 1 bzw. 2 eingezeichneten Pfeile zeigen einerseits, im linksseitigen Bereich (mittels dünnerer Pfeile) eine jeweilige magnetische Ausrichtung entlang der axialen Richtung, welche insoweit der Erstreckungsrichtung der Stößeleinheit 10 entspricht. Dagegen zeigen die in den 1 bzw. 2 eingetragenen dickeren Pfeile F_i die jeweils geltenden Kraftverhältnisse.
• Konkret verdeutlicht die 1 den Zustand einer Bestromung mit einer ersten Polarität (insoweit schematisch eingetragen in die Spule ist diese Bestromungspolarität). Es entsteht, vgl. Pfeil 20, eine axiale elektromagnetische Wirkung, welche der (axial magnetisierten) permanentmagnetischen Magnetisierung (Pfeil 22) gleichpolig entgegensteht. Damit stoßen sich die so gebildeten Magnetfelder ab, so dass auf den Permanentmagnetkörper 16 eine abstoßende Kraft F_repuls wirkt, mithin also eine Expansion entlang der Erstreckungsrichtung, in der Figurenebene nach oben, gefördert wird.
• Die in den 1, 2 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung ist dabei so dimensioniert und im Hinblick auf die geltenden Magnetkräfte ausgelegt, dass die durch die Bestromung gemäß 1 erzeugte abstoßende Kraft F_repuls größer ist als eine als Reaktion auf das elektromagnetische Feld (20) erzeugte kontrahierende Kraft F_contract – durch die gezeigte geometrisch-konstruktive Ausbildung der Vorrichtung gemäß 1, 2 verläuft nämlich ein Spulenfluss in axialer Richtung (Längsrichtung) durch die Stößeleinheit 10 und bewirkt die Kontraktionskraft F_contract. Zusätzlich als Kraftkomponente eingetragen in die 1, 2 ist die oben diskutierte Zwillingsgrenzspannung (F_{tw_st}). Durch die Auslegung bzw. die eingerichteten magnetisch-geometrischen Verhältnisse übersteigt die abstoßende Kraft F_repuls die Summe der entgegenwirkenden Kräfte F_contract sowie F_{tw_st}, so dass eine resultierende Expansionskraft F_push als Stellkraft eine Expansion entlang Pfeilrichtung 24 bewirkt, wobei ein (nicht gezeigter) hier angreifender Stellpartner dann geeignet entlang der Pfeilrichtung 24 gestellt bzw. bewegt werden kann.
• Erfindungsgemäß vorteilhaft ist dabei die Vorrichtung so ausgelegt, dass die in 1 gezeigte Bestromung der ersten Polarität impulsförmig erfolgen kann und, sobald die gewünschte Expansion stattgefunden hat, selbst bei deaktivierter Bestromung die Vorrichtung in der expandierten Stellung verbleibt.
• Die 2 zeigt die gegenüber dem Zustand der 1 umgepolte Bestromung der zweiten Polarität. Es zeigt sich, dass gemäß Pfeil 26 die umgekehrte Polarität ein Spulenmagnetfeld erzeugt, welches auf die Permanentmagneteinheit 16 (Magnetisierung gemäß Pfeil 22) nicht mehr abstoßend, sondern anziehend wirkt. Es entsteht damit die gemäß Pfeil 28 verdeutlichte kontrahierende bzw. anziehende Kraft F_attract. Diese verstärkt die ohnehin im FGL-Körper wirkende Kraft F_contract, und beide abwärts gerichteten Kräfte übersteigen die entgegengerichtete Zwilingsgrenzspannung F_{tw_st}. Ergebnis ist, dass gemäß Pfeilrichtung 30 eine resultierende, abwärts (d. h. kontrahierend) gerichtete Zugkraft F_pull die Permanentmagneteinheit 16 bzw. einen damit verbundenen (nicht gezeigten) Stellpartner zurück in die kontrahierte Ausgangslage der FGL-Stößeleinheit 10 verbringt.
• Das in den 1, 2 gezeigte Beispiel verdeutlicht damit die vorteilhafte Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung; zusätzlich unterstützt wird dies durch das an einem Prototypen, analog 1, 2 hergestellt, gewonnene Bestromungs- bzw. Bewegungsdiagramm über mehrere Bewegungs- und Schaltzyklen.
• So verdeutlicht die im oberen Teil des Diagramms gezeigte Bewegungskurve 40, relativ zur unten gezeigten (impulsförmigen) Bestromungskurve 42, wie als Reaktion auf eine impulsförmige Bestromung mit abwechselnden Polaritäten (Impuls gemäß Bezugszeichen 44) auch nach dem Ende der Bestromung das Eingriffsende (der Permanentmagnet 16 mit potenziell zusammenwirkendem Stellpartner) in der jeweils expandierten bzw. kontrahierten Stellung verbleibt, insoweit das gewünschte stromlos stabile (hier stromlos bistabile) Bewegungsverhalten der Vorrichtung auf einfache Weise realisiert werden kann. Am gezeigten Beispiel führte dabei ein im Bestromungsimpuls von 6 A zu einer typischen Auslegung (Bewegungshub) von 100 μm.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr eignet sich die Erfindung für beliebige Anwendungsbeispiele, insbesondere als Ersatz für typische Verwendungen eines Hubmagneten zum Umschalten zwischen zwei Betriebspositionen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102005038891 A1 [0001, 0006]

Claims (10)

1. Aktuatorvorrichtung mit einer ein magnetisch wirksames Formgedächtnis-Legierungsmaterial aufweisenden, axial langgestreckten Stößeleinheit (10), die als Reaktion auf eine Bestromung einer Spuleneinheit (12) eine Längenveränderung entlang der axialen Erstreckungsrichtung durchführt und mit Rückstellmitteln (16) zusammenwirkt, die auf die Stößeleinheit eine der Längenveränderung entgegenwirkende Rückstellkraft ausüben, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit die Stößeleinheit koaxial und zumindest abschnittsweise umschließt und die Rückstellmittel axial magnetisierte, zum Zusammenwirken mit den Spulenmitteln vorgesehene Permanentmagnetmittel (16) aufweisen, die bevorzugt endseitig so an der Stößeleinheit ansitzen und so ausgebildet sind, dass als Reaktion auf die Bestromung mit einer ersten Polarität eines Ansteuersignals (1) eine axial wirkende magnetische Abstoßungskraft zwischen den Permanentmagnetmitteln und der Spuleneinheit eine Expansion der Stößeleinheit zum Antreiben eines nachgeschalteten Stellpartners bewirkt und als Reaktion auf die Bestromung mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität des Ansteuersignals (2) eine axial wirkende magnetische Anziehungskraft zwischen den Permanentmagnetmitteln und der Spuleneinheit eine Kontraktion der Stößeleinheit bewirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenveränderung stromlos stabil, insbesondere stromlos bistabil im Hinblick auf eine expandierte und eine kontrahierte Endposition, durchgeführt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung zeitlich befristet, insbesondere impulsförmig (44), ausgestaltet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel als zylindrischer oder scheibenförmiger Permanentmagnetkörper (16) ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als einzelner Permanentmagnetkörper ausgebildeten Permanentmagnetmittel unlösbar, insbesondere durch eine Klebeverbindung und/oder zur Übertragung einer Zug- und Druckkraft, an einem stirnseitigen Ende der Stößeleinheit befestigt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenmittel als einen mittigen Durchbruch für die Stößeleinheit anbietende Zylinderspule (12) und/oder als radialsymmetrische Anordnung ausgestaltet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößeleinheit endseitig an einem den Permanentmagnetmitteln entgegengesetzten Ende Flussleitmittel (14) so zugeordnet sind, dass eine Zug- und Druckkraft übertragen wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitmittel als sich stirnseitig der als Zylinderspule ausgestalteten Spulenmittel erstreckender Flussleitabschnitt (18) ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussleitabschnitt sich zusätzlich mantelseitig der Spuleneinheit erstreckt.
10. Verwendung der Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als bevorzugt stromlos stabiles Ventil, insbesondere Ventil für Hydraulik- oder Pneumatikanwendungen, weiter bevorzugt im Bereich der Kraftfahrzeugtechnologie.

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