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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Wirbelstromaktuator nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Stoßaktuatoren, die auf dem Wirbelstromprinzip basieren, werden unter anderem in der Metallverformungstechnik für plastische (thermoplastische), „explosionsartige" Bearbeitung und Formgebung von kleinen metallischen Konstruktionselementen mit aufwendigen Geometrien angewendet. Um eine mechanische Spannung zu erreichen, welche die plastische Verformung von Metall ermöglicht, werden in die speziell konstruierten Erregerspulen der Aktuatoren, kurzeitig sehr hohe Ströme einprägt (die Stromdichten erreichen dabei mehrere Hundert A/mm2). Die schnell veränderlichen Ströme induzieren wiederum in dem zu verarbeitenden Metall sehr dynamische Wirbelströme. Diese wirken mit dem magnetischen Feld des Erregerstroms zusammen und bilden eine sehr hohe abstoßende Impulskraft, die bei einer entsprechenden Konstruktion der Werkzeugform in der Lage ist das dort befindliche kleine Werkstück zu verformen. Die zeitlichen Verläufe dieser Erregungsströme haben einen impulsartigen Charakter und im Vergleich zu ihrer Arbeitsperiode eine sehr kurze Dauer. Das magnetische Feld der Erregerspule kann dabei kurzzeitig Werte über 10T erreichen.
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Zur Erzeugung von derartigen Stromimpulsen werden üblicherweise Schaltungen verwendet, bei denen durch einen extrem schnellen Entladevorgang eines entsprechend dimensionierten Kondensators (oder Kondensatorbatterien), elektrische Energie in elektromagnetische Energie des Aktuators umgewandelt wird.
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In der
DE 10 2010 002 900 A1 werden ein Aktuator und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselements für adaptive Crashstrukturen in einem Fahrzeug beschrieben. Der Aktuator ist als Wirbelstromaktuator mit einem Wirbelstromantrieb ausgeführt und umfasst ein ringförmiges Stellelement, das als Anker des Wirbelstromantriebs ausgeführt ist.
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In der
DE 10 2011 017 512 A1 werden eine Vorrichtung mit einstellbarer Steifigkeit zum Aufnehmen von Aufprallenergie und ein Verfahren zum Einstellen einer Steifigkeit einer derartigen Vorrichtung beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung umfasst einen Wirbelstromaktuator, welcher einen Wirbelstromantrieb mit einem bolzenförmigen Stellelement aufweist, das als Anker des Wirbelstromantriebs ausgeführt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Wirbelstromaktuator mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Verbesserung des Wirkungsgrads des Wirbelstromaktuators erzielt werden kann. Des Weiteren können die verschiedenen Materialien zielgerichtet in Abhängigkeit der auszuführenden Funktion ausgewählt werden. Für das Schaltelement bedeutet dies, dass der Wirbelstromeffekt keine Rolle spielt, da diese Funktion durch den Anker dargestellt wird, so dass kein elektrisch leitendes Material verwendet werden muss. Für den Anker bedeutet dies, dass die Steifigkeit bzw. Stabilität des Materials nur eine untergeordnete Rolle spielt, da das Schaltelement die Schaltfunktion und die korrespondierende mechanische Beanspruchung übernimmt. Die mögliche Gewichtsersparnis kann sich positiv auf die Aktuierungsgeschwindigkeit bzw. die Dynamik des Wirbelstromaktuators auswirken. Zudem kann sich die mögliche Herabsetzung der Aktuierungsspannung bei gleichen Anforderungen an die Bewegung des Wirbelstromaktuators positiv auf die Kosten der Leistungselektronik auswirken.
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Der Kern der Erfindung besteht in der Aufteilung sowohl der Funktionen als auch der Bauelemente „Schaltelement" und „Anker des Wirbelstromantriebs" auf zwei Bauteile. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise die bewegte Masse aus der Überlegung heraus reduzieren, dass lediglich eine geringe Schichtdicke des elektrisch leitenden Materials für die Ausnutzung des Wirbelstromeffekts im Anker erforderlich ist, da die Eindringtiefe der Wirbelströme gering ist. Da für die Umsetzung des Wirbelstromeffekts vorzugsweise ein Metall als elektrisch leitendes Material verwendet wird, welches ein höheres Gewicht als elektrisch nicht leitende Materialien, wie beispielsweise Kunststoffe aufweist, ermöglicht die Reduzierung der Schichtdicke des elektrisch leitenden Materials auch eine Reduzierung des Gesamtgewichts der bewegten Teile. Der Anker kann beispielsweise als Kupferbauteil ausgeführt werden. Da das Schaltelement nicht aus einem elektrisch leitenden Material bestehen muss, können leichtere Materialien, wie beispielsweise geeignete Kunststoffe für das Schaltelement verwendet werden, so lange das verwendete Material die thermischen und/oder mechanischen Anforderungen erfüllt. Damit ist die Aufteilung der Funktion dieses Gesamtbauteils vollzogen. Das Schaltelement übernimmt die Aufgabe des Stellelements, welches die notwendigen Dimensionen aufweist und auftretende Lasten tragen kann, aber nicht Teil des Wirbelstromantriebs ist. Der Anker besteht aus einem elektrisch leitenden Material und ist Teil des Wirbelstromantriebs übt aber keine Schaltfunktion oder sonstige mechanische Funktionen aus. Im elektrisch leitenden Anker prägen sich die Wirbelströme aus, welche den Aktuierungseffekt ermöglichen. Damit ist der Vorteil einer Massenreduzierung gelungen, welcher sich positiv hinsichtlich der Dynamik des Wirbelstromaktuators und der Gesamtmasse des Wirbelstromaktuators niederschlägt. Zudem können damit Vorteile bei Materialkosten sowie Bearbeitungszeit und Bearbeitungskosten erzielt werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Wirbelstromaktuator mit einem Wirbelstromantrieb zur Verfügung, welcher eine Erregerspule und einen Anker aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, wobei ein in der Erregerspule erzeugtes Magnetfeld den Anker basierend auf dem Wirbelstromeffekt von der Erregerspule wegbewegt. Erfindungsgemäß überführt der bewegbare Anker ein Schaltelement von einer Ausgangsposition in mindestens eine Schaltposition, wobei das Schaltelement und der Anker aus verschiedenen Materialien bestehen.
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Mit dem Schaltelement ist das Element gemeint, welches die Funktion der Bereitstellung von verschiedenen Zuständen ausführt. Als abstraktes Beispiel sei ein Schalter genannt. Der elektrisch leitende Anker ist Teil des Wirbelstromantriebs, welcher das Schaltelement in verschiedene Zustände überführt. Im Beispiel des Schalters sind in die Stellungen „Schalter geschlossen“ und „Schalter offen“ möglich. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Wirbelstromaktuator mit einem Schaltelement zur Verfügung, welcher in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Der Begriff Wirbelstromaktuator umfasst sowohl die Bauteile Schaltelement und Anker aus einem elektrisch leitenden Material, als auch weitere Teile wie Erregerspule, Kondensator, elektrische Schaltung, Gehäuse, Führungen usw. sowie auch weitere Teile, welche zur Darstellung der Funktion erforderlich sind.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoreinheit für ein Fahrzeug möglich.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators kann der Anker in losem Kontakt mit dem Schaltelement stehen. Diese Ausgestaltung der Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die funktionale Trennung von Schaltelement und Anker, also von Stellelement und Antriebselement, sondern bezieht sich auch auf die bauliche Trennung dieser beiden Bestandteile des Wirbelstromaktuators. Denn führt man die Bauteile derart aus, dass diese nicht miteinander verbunden sind, sondern in losem Kontakt zueinanderstehen, dann kann der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden. Versuche haben gezeigt, dass sich bei gleichen Dimensionen und Randbedingungen eine Steigerung des Wirkungsgrades auf einen zehnfachen Wert ergeben kann, was die Dynamik des erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators positiv beeinflusst.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators kann der Anker fest mit dem Schaltelement verbunden werden. Zur Reduzierung der bewegten Masse wird beispielsweise ein Hybridbauteil verwendet, welches aus dem leichten Schaltelement besteht, auf welches der elektrisch leitende Anker aufgeklebt wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators kann der Anker beispielsweise als Ring oder als Membran oder als Scheibe ausgeführt werden. Das korrespondierende Schaltelement kann beispielsweise als Ring oder als Bolzen oder als Scheibe ausgeführt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators kann ein Federelement vorgesehen werden, welches das Schaltelement in die Ausgangsposition überführt, wenn der Wirbelstromantrieb deaktiviert ist.
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Die Erregerspule kann beispielsweise als Flachspule oder Mikrospule ausgeführt werden, um einen vorhandenen Bauraum optimal ausnutzen zu können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Aktuatoranordnung mit einem erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuator.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer Aktuatoranordnung 1 eine Auswerte- und Steuereinheit 3, mindestens eine Sensoreinheit 5 und einen erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuator 10. In Abhängigkeit von physikalischen Größen, welche die mindestens eine Sensoreinheit 5 erfasst erzeugt die Auswerte- und Steuereinheit 3 entsprechende Ansteuersignale zur Aktivierung des erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators 10. Zur Erzeugung von Stromimpulsen zur Ansteuerung des erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators 10 verwendet die Auswerte- und Steuereinheit 3 beispielsweise einen entsprechend dimensionierten nicht dargestellten Kondensator dessen elektrische Energie in elektromagnetische Energie des Wirbelstromaktuators umgewandelt wird.
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Wie aus 1 bis 4 ersichtlich ist, umfasst der erfindungsgemäße Wirbelstromaktuator 10, 10a, 10b, 10c einen Wirbelstromantrieb 20, welcher eine Erregerspule 22, 22a, 22b, 22c und einen Anker 24, 24a, 24b, 24c aus einem elektrisch leitenden Material umfasst. Die Erregerspule 22 erzeugt in Reaktion auf ein Ansteuersignal der Auswerte- und Steuereinheit 3 ein korrespondierendes Magnetfeld, welches den Anker 24, 24a, 24b, 24c basierend auf dem Wirbelstromeffekt von der Erregerspule 22, 22a, 22b, 22c wegbewegt. Erfindungsgemäß überführt der bewegbare Anker 24, 24a, 24b, 24c ein Schaltelement 12, 12a, 12b, 12c von einer Ausgangsposition in mindestens eine Schaltposition, wobei das Schaltelement 12, 12a, 12b, 12c und der Anker 24, 24a, 24b, 24c aus verschiedenen Materialien bestehen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Schaltelement 12, 12a, 12b, 12c jeweils als Kunststoffbauteil ausgeführt, und der Anker 24, 24a, 24b, 24c ist als Kupferbauteil ausgeführt. Selbstverständlich kann das Schaltelement 12, 12a, 12b, 12c auch aus einem anderen Material hergestellt werden, so lange die thermischen und mechanischen Anforderungen erfüllt werden. Auch zur Herstellung des Ankers 24, 24a, 24b, 24c können andere geeignete elektrisch leitende Materialien verwendet werden. Des Weiteren kann ein nicht dargestelltes Federelement vorgesehen werden, welches das Schaltelement 12, 12a, 12b, 12c in die Ausgangsposition überführt, wenn der Wirbelstromantrieb 20 deaktiviert ist. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Erregerspule 22, 22a, 22b, 22c als Flachspule oder Mikrospule ausgeführt.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, sind das Schaltelement 12a und der Anker 24a im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel jeweils als Ring ausgeführt. Zur Reduzierung der bewegten Masse und aus der Überlegung heraus, dass lediglich eine geringe Ankerdicke für den Wirbelstromeffekt erforderlich ist, da die Eindringtiefe der Wirbelströme gering ist, ist das Schaltelement 12a als Kunststoffring ausgeführt, welcher fest mit dem als Kupferring ausgeführten Anker 24a verbunden ist. So kann der als Kupferring ausgeführte Anker 24a beispielsweise auf das als Kunststoffring ausgeführte Schaltelement 12a aufgeklebt werden. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads kann zwischen dem als Kupferring ausgeführten Anker 24a und dem als Kunststoffring ausgeführten Schaltelement 12a ein loser Kontakt bestehen. Das als Kunststoffring ausgeführte Schaltelement 12a weist die erforderlichen Dimensionen auf und kann auftretende Lasten tragen, ist aber nicht Teil des Wirbelstromantriebs 20. Der als Kupferring ausgeführte Anker 24a ist Teil des Wirbelstromantriebs 20 des Wirbelstromaktuators 10a und übt keine Schaltfunktion oder sonstige mechanische Funktion aus. Im als Kupferring ausgeführten Anker 24a prägen sich die Wirbelströme aus, welche den Aktuierungseffekt ermöglichen.
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Wie aus 3 und 4 weiter ersichtlich ist, ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen das Schaltelement 12b, 12c jeweils als von einer Scheibe abstehender Bolzen und der Anker 24b, 24c ist jeweils als Membran oder Scheibe ausgeführt. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Anker 24b, 24c zur Reduzierung der bewegten Masse und aus der Überlegung heraus, dass lediglich eine geringe Ankerdicke für den Wirbelstromeffekt erforderlich ist, da die Eindringtiefe der Wirbelströme gering ist, jeweils beispielhaft als Kupfermembran bzw. Kupferscheibe ausgeführt. Das Schaltelement 12b, 12c ist jeweils beispielhaft als Kunststoffbolzen ausgeführt.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ist der als Kupfermembran bzw. Kupferscheibe ausgeführte Anker 24b im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel fest mit dem als Kunststoffbolzen ausgeführten Schaltelement 12b verbunden. So kann der als Kupfermembran bzw. Kupferscheibe ausgeführte Anker 24c beispielsweise auf das als Kunststoffbolzen ausgeführte Schaltelement 12b aufgeklebt werden.
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Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, besteht im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel zwischen dem als Kupfermembran bzw. Kupferscheibe ausgeführten Anker 24c und dem als Kunststoffbolzen ausgeführten Schaltelement 12c ein loser Kontakt. Durch den losen Kontakt zwischen dem Anker 24c und dem Schaltelement 12c kann der Wirkungsgrad des Wirbelstromaktuators 10c weiter gesteigert werden.
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Analog zum ersten Ausführungsbeispiel weist das als Kunststoffbolzen ausgeführte Schaltelement 12b, 12c jeweils die erforderlichen Dimensionen auf und kann auftretende Lasten tragen, ist aber nicht Teil des Wirbelstromantriebs 20. Der als Kupfermembran bzw. Kupferscheibe ausgeführte Anker 24b, 24c ist Teil des Wirbelstromantriebs 20 des Wirbelstromaktuators 10b, 10c und übt keine Schaltfunktion oder sonstige mechanische Funktion aus. Im als Kupfermembran bzw. Kupferscheibe ausgeführten Anker 24b, 24c prägen sich die Wirbelströme aus, welche den Aktuierungseffekt ermöglichen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Wirbelstromaktuator zur Verfügung, welcher durch die funktionale und bauteilmäßige Trennung von Schaltelement und Anker in vorteilhafter Weise einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Der verbesserte Wirkungsgrad wirkt sich positiv auf die Aktuierungsgeschwindigkeit bzw. die Dynamik und durch die mögliche Herabsetzung der Aktuierungsspannung bei gleichen Anforderungen an die Bewegung auf die Kosten der Leistungselektronik aus. Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wirbelstromaktuators können beispielsweise in Vorrichtungen mit einstellbarer Steifigkeit zum Aufnehmen von Aufprallenergie eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010002900 A1 [0004]
- DE 102011017512 A1 [0005]
