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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System und Verfahren zum drahtlosen Steuern eines Aktuators aus Formgedächtnislegierung (SMA) und insbesondere ein System und Verfahren zum drahtlosen Steuern eines SMA-Aktuators unter Verwenden von Magnetresonanzkopplung (MRC).
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Diskussion der verwandten Technik
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Viele moderne Systeme verwenden Sensoren, Aktuatoren, Controller, Teilsysteme, Busse usw., die eine elektrische Verkabelung benötigen, um die Geräte zu betätigen. In dem Maße wie die Anzahl von Fahrzeugsystemen zunimmt, nimmt auch die Verkabelung zu, die notwendig ist, um diese Systeme zu unterstützen. Es gibt jedoch eine gewisse Anzahl von Nachteilen beim Bereitstellen von Kabeln, insbesondere von vielen Kabeln. Beispielsweise weist in einem Fahrzeug der elektrische Leiter der Kabel, wie etwa Kupfer, ein erhebliches Gewicht auf. In dem Maße wie das Gewicht eines Fahrzeugs zunimmt, verringert sich die Kraftstoffeffizienz. Ferner ist die Verkabelung in einem Fahrzeug für Schäden anfällig, was die Garantiekosten des Fahrzeugs erhöht. Auch reduziert die Notwendigkeit einer Verkabelung in dem gesamten Fahrzeug die Flexibilität bei Konstruktion und Herstellung des Fahrzeugs. Ferner erfordert mindestens ein Teil der Verkabelung in einem Fahrzeug häufig eine regelmäßige Wartung. Auch kommen durch die Verkabelung erhebliche Ausgaben und Kosten hinzu. Ferner verursacht während der Herstellung des Fahrzeugs das Zusammenfügen der Kabelbäume häufig Probleme durch Abbrechen oder Verbiegen von Anschlussstiften. Daher wäre es wünschenswert, die Verkabelung in einem Fahrzeug zu beseitigen oder zu reduzieren.
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Formgedächtnislegierungen (SMA), wie etwa Nickel-Titan- (NiTi) Legierungen, die allgemein als Nitinol bezeichnet werden, sind Legierungen, die in der Technik wohlbekannt sind. Eine SMA kann eine Phasenänderung durchlaufen, während sie ein Festkörper bleibt, was man als Martensit- und Austenitphasen bezeichnet. Wenn sich die SMA unter einer Übergangstemperatur befindet, die durch die bestimmte Legierung definiert ist, befindet sich die SMA in der Martensitphase, in der sie je nach ihrer Größe und Form an eine bestimmte Konfiguration angepasst und in dieser Form bleiben kann. Wenn die SMA über die Übergangstemperatur hinaus erhitzt wird, wie etwa durch elektrischen Strom, geht die SMA von der Martensitphase in die Austenitphase über, wodurch sie veranlasst wird, in ihre ursprüngliche oder „Grund-“ Konfiguration zurückzukehren. Die SMA bleibt in der Grundkonfiguration, nachdem die Wärme entfernt wurde, es sei denn, sie wird in eine andere Konfiguration gezwungen.
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Die Kim, Sun-Hee et al.: Magnetic Resonant Coupling Based Wireless Power Transfer System with In-Band Communication, JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE; VOL.13, NO.6, DECEMBER, 2013 offenbart ein auf magnetischer Resonanzkopplung basierendes drahtloses Energieübertragungssystem mit In-Band-Kommunikation.
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Die
US 2012 / 0 217 819 A1 offenbart ein elektrisches Energieübertragungssystem und Antenne.
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Die
US 2014 / 0 111 023 A1 offenbart ein Verfahren zum Entwurf eines Energieversorgungssystems und Energieversorgungssystem.
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Die
US 2012 / 0 169 137 A1 offenbart ein Resonanzsystem zur drahtlosen Energieübertragung an mehrere Empfänger.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein System und Verfahren zum drahtlosen Steuern eines Aktuators aus einer Formgedächtnislegierung (SMA) unter Verwenden von Magnetresonanzkopplung (MRC). Der SMA-Aktuator ist Teil eines Empfängerresonanzkreises, welcher eine Aktuatorspule und einen Kondensator umfasst, wobei der SMA-Aktuator in einer bestimmten Form konfiguriert ist. Das System umfasst eine Senderschaltung, die eine Senderspule und einen Controller aufweist, wobei die Senderspule einen Wechselstrom empfängt, welcher bewirkt, dass die Senderspule ein oszillierendes Magnetfeld in Resonanz mit der Aktuatorspule in der Empfängerschaltung generiert und magnetisch mit dieser gekoppelt ist. Der Strom, welcher in der Aktuatorspule induziert wird, fließt in den SMA-Aktuator, welcher wiederum Wärme generiert, die den SMA-Aktuator derart neu konfiguriert, dass die Betätigung bereitgestellt wird.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen hervorgehen, wenn sie zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen gesehen werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Draufsicht eines Fahrzeugs, welches eine Senderspule und eine Vielzahl von drahtlosen SMA-Aktuatoren umfasst;
- 2 ist ein schematisches Diagramm einer Magnetresonanzkopplungs-Schaltung, die eine drahtlose Leistungssenderschaltung, die eine Senderspule aufweist, und eine Empfängerschaltung, die einen SMA-Aktuator aufweist, umfasst;
- 3 ist ein schematisches Diagramm einer Empfängerschaltung für eine Magnetresonanzschaltung, die eine SMA-Aktuatorspule und einen Kondensator umfasst; und
- 4 ist ein schematisches Diagramm einer Empfängerschaltung für eine Magnetresonanzschaltung, die eine SMA-Aktuatorspule umfasst.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGBEISPIELE
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Die folgende Diskussion der Ausführungsbeispiele der Erfindung über ein System und Verfahren zum drahtlosen Steuern eines Aktuators aus einer Formgedächtnislegierung (SMA) unter Verwenden von Magnetresonanzkopplung (MRC) ist rein beispielhafter Art und keineswegs dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise weist die vorliegende Erfindung eine bestimmte Anwendung für SMA-Aktuatoren in einem Fahrzeug auf. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass der SMA-Aktuator und das diesbezügliche System der Erfindung, wie es hier beschrieben wird, eine Anwendung in vielen anderen Industrien haben kann, wie etwa in der Luftfahrtindustrie.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein System und Verfahren zum drahtlosen Betätigen eines SMA-Aktuators über Magnetresonanzkopplung (MRC) vor. Wie der Fachmann gut verstehen wird, stellt die Magnetresonanzkopplung ein nahezu statisches Magnetfeld zwischen zwei oder mehreren Spulen bereit, wobei die Spulen derart abgestimmt sind, dass sie in der gleichen Resonanzfrequenz mitschwingen. Ein Wechselstrom wird an einer der Spulen bereitgestellt, welcher ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt. Das oszillierende Magnetfeld wird von der anderen Spule empfangen, welches einen oszillierenden Strom in dieser Spule induziert. Der Strom, welcher in der anderen Spule induziert wird, fließt in den SMA-Aktuator, welcher wiederum Wärme generiert, welche den SMA-Aktuator neu konfiguriert, um die Betätigung bereitzustellen.
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1 ist eine Draufsicht eines Fahrzeugs 10, welches eine elektronische Steuereinheit (ECU) 12 für ein bestimmtes Teilsystem des Fahrzeugs 10, wie etwa einen Motor-Controller, umfasst. Eine Basisspule 14, die hier manchmal als Senderspule bezeichnet wird, wird in das Fahrzeug 10 an einer gewünschten Stelle eingebaut und reagiert auf ein AC-Signal von der ECU 12, um ein oszillierendes Magnetfeld zu generieren. Bei diesem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel und wie nachstehend ausführlicher besprochen wird, steuert die ECU 12 über die Spule 14 eine Reihe von SMA-Aktuatoren 16, die jeweils eine Aktuatorspule 18 umfassen, durch Magnetresonanzkopplung. Insbesondere wird die Basisspule 14 derart gesteuert, dass sie selektiv in einer bestimmten Frequenz resonant mitschwingt und ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt, welches zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt auf eine oder mehrere der Spulen 18 abgestimmt ist, welche dann verwendet werden kann bzw. können, um den Aktuator 16 zu betätigen. Mit anderen Worten kann die ECU 12 auf eine gewisse Anzahl der Aktuatoren 16 abgestimmt werden, wobei jeder der Aktuatoren 16 eine andere Resonanzfrequenz aufweist und von der ECU 12 unabhängig betätigt wird. Um eine möglichst effiziente Leistungsübertragung von der Basisspule 14 zu den Aktuatorspulen 18 bereitzustellen, ist es wünschenswert aber nicht notwendig, dass alle SMA-Aktuatoren 16 innerhalb der Spule 14 positioniert sind, und zwar bevorzugt in der gleichen Ebene wie die Spule 14.
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Die hier besprochenen SMA-Aktuatoren 16 bieten die Möglichkeit, die teuren Aktuatoren, welche derzeit in Fahrzeugen verwendet werden, wie etwa Elektromagneten, zu ersetzen. Ein SMA-Aktuator kann relativ kostengünstig mit hoher Zuverlässigkeit, geringem Gewicht, geräuscharmem Betrieb und ohne mechanische Einzelteile hergestellt werden. Da die SMA-Aktuatoren 16 drahtlos und sensorlos sind, gibt es zahlreiche Anwendungen, bei denen ein derartiger Aktuator verwendet werden kann, welche nicht ohne Weiteres eine Verkabelung zulassen, wie etwa aggressive Umgebungen in hydraulischen Leitungen und Tanks und andere hermetisch versiegelte Umgebungen. Mögliche Anwendungen für einen SMA-Aktuator der hier besprochenen Art umfassen Fahrzeug-Lüftungsklappensteuerung, Ventilatorsteuerung, drahtlose Seitenspiegel, Becherhalterring usw. Ferner kann ein SMA-Aktuator Aktuatoren mit Gleitkontakten ersetzen, wie etwa Ventilatoren, elektrische Sitze usw. Ebenso können SMA-Aktuatoren verteilt sein, um sich an die Innenausstattung anzupassen, um Strukturen zu reparieren, als haptische Rückmeldung zu dienen, usw.
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Auf Grund der Größe, des Gewichts und anderer Anforderungen der Basisspule 14 kann es wünschenswert sein, für einige Anwendungen die Basisspule 14 aus dem Fahrzeug 10 zu entfernen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel werden eine Senderspule und geeignete Schaltungen, wie hier beschrieben, getrennt von dem Fahrzeug 10 bereitgestellt, um die Aktuatoren 16 zu steuern.
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2 ist ein schematisches Diagramm einer MRC-Schaltung 30, welche eine Senderschaltung 32 und eine Aktuator- oder Empfängerschaltung 34 umfasst. Die Senderschaltung 32 umfasst eine Basisspule 36 und einen Controller bzw. eine ECU 38. Die ECU 38 umfasst eine variable Stromquelle 40, welche einen Wechselstrom (AC) bereitstellt, welcher durch einen variablen Abstimmkondensator 42 abgestimmt wird, welcher bewirkt, dass die Spule 36 ein oszillierendes Magnetfeld in einer bestimmten Frequenz erzeugt. Die Quelle 40 und der variable Kondensator 42 können selektiv durch die ECU 38 gesteuert werden, um verschiedene Ansteuerfrequenzen bereitzustellen, so dass die Basisspule 36 auf mehrere Resonanzfrequenzen abgestimmt werden kann. Bei einem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel kann die ECU 38 eine Pulsweitenmodulation (PWM) verwenden, um die Frequenz des Stroms zu variieren, welche von der Quelle 40 bereitgestellt wird, was die Resonanzfrequenz der Spule 36 ändert.
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Die Empfängerschaltung 34 umfasst eine Aktuatorspule 50, an der ein Strom in Reaktion auf das oszillierende Magnetfeld induziert wird, welches von der Basisspule 36 durch Magnetresonanzkopplung empfangen wird, wie es hier beschrieben wird. Der Strom, welcher von der Spule 50 generiert wird, kann von der Senderschaltung 32 detektiert werden, wie es hier besprochen wird. Wenn das Magnetfeld oszilliert, erzeugt die Aktuatorspule 50 ein AC-Signal, welches durch einen Abstimmkondensator 52 auf eine bestimmte Resonanzfrequenz abgestimmt ist, so dass die Resonanzfrequenz der Spule 50 eine starke Magnetkopplung mit der Basisspule 36 bereitstellt, wenn sich das oszillierende Magnetfeld auf der abgestimmten Frequenz der Spule 50 befindet. Die Empfängerschaltung 34 umfasst auch einen SMA-Aktuator 56 und eine Feder 58 oder ein gewisses anderes geeignetes Vorspannungsgerät, wobei die Feder 58 den Aktuator 56 in einer bestimmten Position hält oder konfiguriert, während sich der SMA-Aktuator 56 in seiner Martensitphase befindet. Ein Belastungswiderstand 54 bildet den aktiven Widerstand des SMA-Aktuators ab. Bei einem anderen nachstehend besprochenen Ausführungsbeispiel ist der SMA-Aktuator die Spule 50. Der Stromfluss durch die Spule 50 in Reaktion auf die Magnetresonanzkopplung mit der Spule 36 fließt auch durch den SMA-Aktuator 56, was bewirkt, dass die Temperatur des Aktuators 56 über die Übergangstemperatur der bestimmten Legierung ansteigt, wodurch der Aktuator 56 dazu veranlasst wird, in seine Austenitphase überzugehen und gegen die Vorspannung der Feder 58 in seine Gedächtnis- oder Grundkonfiguration zurückkehrt. Ohne die Feder 58 würde der Aktuator 56 in seiner Grundkonfiguration bleiben, nachdem die Wärme entfernt wurde. Die Funktionsweise einer Formgedächtnislegierung auf diese Art und Weise in Reaktion auf einen Steuerstrom ist für den Fachmann hinlänglich verständlich.
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Die Änderung der Form oder Länge des SMA-Aktuators 56, wenn er in seine Gedächtnisposition übergeht, kann die Resonanzfrequenz der Spule 50, welche von der ECU 38 detektiert wird, über die Magnetkopplung mit der Spule 36 ändern. Genauer gesagt ändert der SMA-Aktuator 56 die reflektierte Impedanz der Empfängerschaltung 34 an der Senderschaltung 32. Wenn die Spule 50 aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt wird, dann verursacht diese Änderung eine Änderung der Induktivität der Spule 50 und somit eine Änderung ihrer Resonanzfrequenz. Die ECU 38 kann die Frequenz der Quelle 40 ändern und/oder die Kapazität des Kondensators 42 variieren, um die Schwingungsfrequenz der Spule 36 an die neue Resonanzfrequenz der Empfängerschaltung 34 anzupassen, um den Aktuator 56 in Reaktion auf diese Änderungen der Resonanzfrequenz der Spule 50 in der betätigten Position zu halten. Die Senderschaltung 32 kann derart kalibriert sein, dass sie eine einfache Steuerung der Resonanzfrequenz bereitstellt, welche sich direkt auf die Länge des SMA-Aktuators 56 auswirkt. Eine Steuerung der Feinabstimmung des SMA-Aktuators 56 kann bereitgestellt werden, wie nachstehend ausführlicher besprochen wird, wobei möglicherweise ein Positionssensor, wie etwa ein Codierer, notwendig sein kann.
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Solange die Magnetkopplung zwischen den Spulen 36 und 50 bewahrt wird, bleibt der SMA-Aktuator 56 in seiner Speicherposition. Wenn der Strom in Reaktion darauf, dass die Spule 36 auf eine andere Resonanzfrequenz abgestimmt wird oder ausgeschaltet wird, entfernt wird, bringt die Vorspannung der Feder 58 den SMA-Aktuator 56 in seine Ausgangsposition oder -Konfiguration zurück. Auf diese Art und Weise ist der Aktuator 56 in der Lage, eine Betätigung eines bestimmten Geräts bereitzustellen. Die Form des Aktuators 56 kann auf beliebige geeignete Art und Weise für ein beliebiges bestimmtes Gerät ausgelegt sein.
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Die obige Diskussion bespricht, wie die Kombination der Induktivität, welche von der Spule 50 bereitgestellt wird, des Widerstands, welcher von der Belastung 54 bereitgestellt wird, und der Kapazität, welche von dem Kondensator 52 bereitgestellt wird, die Resonanzfrequenz der Empfängerschaltung 34 definiert. Bei alternativen Ausführungsbeispielen könnte der SMA-Aktuator 56 eine, zwei oder alle diese Eigenschaften für eine bestimmte Aktuatorbauform aufweisen, was möglicherweise die Anzahl der Bauteile in der Empfängerschaltung 34 einschränkt.
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Beispielsweise kann bei einem alternativen Ausführungsbeispiel die Spule 50 selber der SMA-Aktuator sein, welcher die Form ändert, wie etwa der sich zusammenzieht oder die Länge ändert, wenn der Strom, welcher durch die Magnetresonanzkopplung induziert wird, durch diesen fließt. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Empfängerschaltung 70 ähnlich wie die Empfängerschaltung 34, wobei die gleichen Elemente mit der gleichen Bezugszahl identifiziert sind, und das dieses Ausführungsbeispiel zeigt. Bei der Empfängerschaltung 70 wird die Spule 50 durch eine SMA-Aktuatorspule 72 ersetzt, welche die induktive Kopplung bereitstellt und aus einer geeigneten Formgedächtnislegierung hergestellt wird. Wenn sich die Form oder Länge der Spule 72 in Reaktion auf die Wärme ändert, welche durch den Stromfluss durch diese hindurch generiert wird, ändern sich die Magneteigenschaften der Spule 72, und somit kann sich die Magnetkopplung zwischen den Spulen 36 und 72 verringern oder verloren gehen. Somit kann es notwendig sein, dass die Senderschaltung 32 diese Änderung detektiert und die Schwingungsfrequenz der Spule 36 wie zuvor besprochen ändert. Die Senderschaltung 32 kann den SMA-Aktuator auf einer bestimmten Länge halten, und demnach kann eine Feinabstimmung des SMA-Aktuators erreicht werden.
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4 ist ein schematisches Diagramm einer Empfängerschaltung 80 ähnlich wie die Empfängerschaltung 34, wobei die gleichen Elemente mit der gleichen Bezugszahl identifiziert sind. Bei dieser Bauform ist der SMA-Aktuator nicht nur als Spule 82 konfiguriert, um die notwendige Induktivität bereitzustellen, sondern die parasitäre Kapazität, welche durch die Aktuatorspule 82 bereitgestellt wird, stellt auch die Kapazität bereit, welche für die Magnetkopplung benötigt wird.
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Der SMA-Aktuator 56 kann wie zuvor besprochen basierend auf dem Widerstand, der Resonanzfrequenz, der Phase der reflektierten Impedanz der Empfängerschaltung und/oder der Leistung durch die ECU 38 wie folgt abgestimmt werden. Die Impedanz der Ersatzschaltung ist folgendermaßen definiert:
wobei
und wobei κ ein Kopplungsfaktor ist, Z die Impedanz ist, L
T die Induktivität der Spule 36 ist, L
R die Induktivität der Spule 50 ist, C
T die Kapazität des Kondensators 42 ist, C
R die Kapazität des Kondensators 52 ist, und R
SMA der Widerstand des Aktuators 56 ist.
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Wenn
und die Spannung V
L an der Spule 36 überwacht wird, kann der Widerstand R
SMA erfasst werden, oder seine Differenz kann folgendermaßen bestimmt werden:
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Wenn L
SMA(/nom) = L
R, dann ist die Phase der Spannung V
T an der Spule 32 eine Funktion der Länge und des Widerstandes wie folgt:
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Ein Phasenregelkreis (PLL) kann die Phase, welche beispielsweise für den Fall einer runden Spule eine quadratische Beziehung zum Durchmesser der Spule 50 aufweist, folgendermaßen entnehmen:
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Durch Kompensieren der Resonanzfrequenz kann ein rein ohmscher Widerstand erreicht werden. Daher wirkt sich das Steuern von Vref direkt durch eine Änderung der Länge des SMA-Aktuators 56 aus, wobei:
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Die vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird aus dieser Diskussion und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne Weiteres erkennen, dass diverse Änderungen, Modifikationen und Variationen daran vorgenommen werden können, ohne Geist und Umfang der Erfindung, wie sie in den nachstehenden Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.