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Die Erfindung betrifft einen Rotationsantrieb für eine Satellitenkomponente sowie ein Verfahren zum Rotationsantreiben einer Satellitenkomponente.
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In Satelliten werden Rotationsantriebe für verschiedene Zwecke eingesetzt. Als Beispiel sei das Öffnen und/oder Schließen von Verschluss- oder Wechselklappen genannt, die bei optischen Raumfahrtinstrumenten eines Satelliten zum Einsatz kommen. Hierfür werden bisher meist elektronische Antriebe verwendet. Derartige elektronische Antriebe umfassen eine nicht immer zuverlässige Ansteuerelektronik und können ein vergleichsweise hohes Gewicht erreichen.
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US 2013 / 0 145 760 Aloffenbart ein Stellglied. Das Stellglied weist eine drahtförmige Formgedächtnislegierung und einen isolierenden Wärmeleiter auf. Der Wärmeleiter kann durch einen Drehmechanismus frei auf einem Basiselement gedreht werden. Der Wärmeleiter ist mit einem Spiralgewinde an seiner Außenumfangsfläche ausgebildet. Die drahtförmige Formgedächtnislegierung greift in das Gewinde ein. Der Wärmeleiter kann durch eine Kontraktion der Formgedächtnislegierung gedreht werden.
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WO 2009/068 250 A1 offenbart einen Ratschenmechanismus, eine Spindel und einen SMA-Draht. Ein Anschlag stellt sicher, dass der Ratschenmechanismus bei jeder Kontraktion des SMA-Drahts schrittweise um einen gewünschten Betrag gedreht wird.
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DE 10 2015 111 894 A1 offenbart einen Aktuator mit Formgedächtnisantrieb. Der Aktuator umfasst eine um eine Rotationsachse drehbare Antriebswelle. Um diese Antriebswelle sind zwei spiralförmige, konzentrische Drehfedern einander entgegengesetzt gewickelt. Die Drehfedern können aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt sein. Durch Erwärmung nimmt das Formgedächtnismaterial eine vorbestimmte Form an. Die Rückstellung kann über eine konventionelle Feder ohne Formgedächtnismaterial oder ebenfalls durch ein Formgedächtniselement erfolgen.
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DE 699 05 559 T2 offenbart eine Steuervorrichtung, die eine Torsionsstange in Form eines länglichen Zylinders umfasst. Die Torsionsstange ist aus einer bistabilen Formgedächtnislegierung hergestellt. Die Torsionsstange ist auf einer Achse zentriert, um die herum eine vorbestimmte Relativdrehung zwischen zwei Elementen gesteuert werden soll. Mittel zum Heizen der Torsionsstange sind vorgesehen, um den Einsatz der Vorrichtung zu steuern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotationsantrieb bereitzustellen, mit dem sich Verbesserungen hinsichtlich der Komplexität, dem Gewicht und/oder zum Einsatz kommen der Zuverlässigkeit erreichen lassen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotationsantrieb gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch11 gelöst.
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Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Ein Rotationsantrieb für eine Satellitenkomponente umfasst eine Antriebswelle, die um eine Rotationsachse rotierbar ist und die mit einer Satellitenkomponente koppelbar oder gekoppelt ist. Die Antriebswelle kann im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein oder zumindest einen zylindrischen Hauptteil umfassen. Die Rotationsachse kann parallel zu einer Längsachse der Antriebswelle verlaufen oder mit dieser zusammenfallen.
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Sofern nicht anders erwähnt oder ersichtlich, schließt der Begriff „Koppeln“ im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sowohl ein lediglich mittelbares Koppeln als auch ein unmittelbares Koppeln ein, zum Beispiel in Form eines direkten Befestigens.
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Die Satellitenkomponente kann ein optisches Raumfahrtinstrument umfassen oder von diesem umfasst sein. Die Satellitenkomponente kann wenigstens eine bewegbare Klappe umfassen, insbesondere eine Verschluss- oder Wechselklappe. Derartige Klappen können Bestandteil eines optische Raumfahrtinstruments sein oder mit diesem Zusammenwirken.
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Der Rotationsantrieb umfasst ferner wenigstens ein erstes Aktorelement, das mit der Antriebswelle gekoppelt ist, beispielsweise unmittelbar daran befestigt sein. Das Aktorelement kann allgemein langgestreckt ausgebildet sein, beispielsweise draht- und/oder schnurfömig.
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Weiterhin umfasst das Aktorelement ein Formgedächtnismaterial. Derartige Materialien sind im Stand der Technik zum Beispiel in Form sogenannter Formgedächtnislegierungen bekannt (insbesondere Nickel-Titan-Legierungen). Das Formgedächtnismaterial kann wärme- beziehungsweise temperaturaktivierbar sein. Mit anderen Worten kann das Formgedächtnismaterial nach Maßgabe eines Erwärmungsgrades des Aktorelements zu seiner ursprünglichen Ausgangsform zurückkehren, was zum Beispiel in der nachstehend erläuterten Weise in einer Längenänderung das Aktorelements resultieren kann.
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In diesem Zusammenhang kann das Formgedächtnismaterial (vor Einbau in den Rotationsantrieb) pseudoplastisch deformiert sein und spätestens ab Erreichen des vorbestimmten Erwärmungsgrades beginnen, zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren. Dabei kann die pseudoplastische Deformation ein Dehnen oder Verlängern des Aktorelements umfassen und findet vorzugsweise unter Ausüben von Zugkräften auf das Aktorelement statt. Mit anderen Worten kann das Aktorelement einen vorgelängten Formgedächtnisdraht umfassen oder hiervon gebildet werden.
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Somit kann das Aktorelement zunächst in einem (pseudoplastisch) deformierten Zustand in dem Rotationsantrieb angeordnet und mit der Antriebswelle gekoppelt werden, wobei das Aktorelement in diesem Zustand insbesondere verlängerte Abmessungen aufweisen kann (beispielsweise eine durch Dehnen/Zugkräfte vergrößerte Länge). Hierbei kann das Werkstoffgefüge des Formgedächtnismaterials in bekannter Weise entzwillingt sein, um den Formgedächtniseffekt bereitzustellen. Die pseudoplastische Deformation kann bei ausbleibender oder nur geringer Erwärmung ferner zunächst im Wesentlichen bestehen bleiben.
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Nach Maßgabe eines Erwärmungsgrades des Aktorelements und insbesondere ab Erreichen einer Aktivierungstemperatur oder eines Aktivierungserwärmungsgrades kann anschließend die pseudoplastische Verformung rückgängig gemacht werden. Folglich kann das Aktorelement daraufhin beginnen, zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren. Wie geschildert, kann dies ein Zurückkehren in einen nichtgedehnten Zustand umfassen, also beispielsweise eine entsprechende Verkürzung und/oder Stauchung des Aktorelements.
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Es versteht sich, dass jedoch prinzipiell auch der umgekehrte Fall denkbar ist, bei dem das Aktorelement unter einer Kompression oder Druckkräften pseudoelastisch deformiert wird und sich infolge eines Erwärmens anschließend wieder verlängert. Sind mehrere Aktorelement vorhanden, kann auch vorgesehen sein, dass diese nach jeglicher der genannten Varianten ausgebildet sind, also beispielsweise, dass sich ein Aktorelement bei einem Erwärmen verlängert, während sich ein anderes verkürzt, oder aber dass sich beide bei einem jeweiligen Erwärmen verkürzen.
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Allgemein kann das Formgedächtnismaterial dazu ausgebildet sein, eine oder mehrere reversible Formänderungen auszuführen. Insbesondere kann das Formgedächtnismaterial bei einer nicht-aktivierenden Ausgangstemperatur und/oder einem Ausgangserwärmungsgrad einen nicht-rotationswirksamen Zustand einnehmen (zum Beispiel einen verlängerten Zustand). Ab Erreichen der geschilderten Aktivierungstemperatur oder des Aktivierungserwärmungsgrades kann das Aktorelement hingegen rotationswirksam mit der Antriebswelle zusammenwirken (zum Beispiel durch Einnahme eines entsprechend verkürzten Zustands). Infolge eines Abkühlens kann das Formgedächtnismaterial aufgrund von Hystereseeffekten zumindest in geringem Maße eine umgekehrte Deformation erfahren (zum Beispiel sich wieder geringfügig verlängern).
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Wie nachstehend erläutert, kann das Formgedächtnismaterial nach einem Aktivieren aber auch elastisch deformiert und somit wieder in seinen nicht-rotationswirksamen Zustand gebracht werden. Beispielsweise kann das Formgedächtnismaterial im abgekühlten Zustand unter einer elastischen Deformation wieder verlängert oder gestreckt werden. Wird das Formgedächtnismaterial daraufhin erneut durch ein Erwärmen aktiviert, kann es sich in der erläuterten Weise wiederum verkürzen, um die Antriebswelle zu rotieren. Ein derartiger Zyklus aus Erwärmen (beziehungsweise Aktivieren), Abkühlen und elastischem Deformieren kann mehrfach durchlaufen werden, um die Satellitenkomponente wiederholt betätigen zu können. Wie geschildert, kann dieser Zyklus gemäß einer Variante ein Verkürzen durch Erwärmen, Abkühlen unter materialabhängigen Hystereseeffekten und erneutes Verlängern infolge einer elastischen Deformation umfassen.
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Wie bereits angedeutet, kann das Aktorelement nach Maßgabe eines Erwärmungsgrades des Formgedächtnismaterials längenveränderlich sein. Insbesondere kann es sich infolge eines Erwärmens verkürzen und/oder zusammenziehen. Aufgrund von Hystereseeffekete kann sich das Formgedächtnismaterial infolge eines Abkühlens wieder zumindest geringfügig verlängern und/oder ausdehnen. Ebenso ist aber ein umgekehrter Zusammenhang denkbar (Verlängern bei Erwärmen, Verkürzen bei Abkühlen).
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Das Aktorelement kann einen ersten Endabschnitt umfassen, der mit einem feststehenden Element gekoppelt oder koppelbar ist, und einen zweiten Endabschnitt, der mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Der erste und zweite Endabschnitt können einander gegenüberliegen, insbesondere entlang einer Längsachse des Aktorelements. Bei dem feststehenden Element kann es sich um ein Element innerhalb des Rotationsantriebs handeln oder ein Element in der Umgebung des Rotationantriebs (zum Beispiel ein benachbarter Wandbereich, eine Halterung oder dergleichen). Das feststehende Element kann allgemein ein Festlager bilden, wohingegen die Antriebswelle ein bewegliches Lager bilden kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Aktorelement einen ersten Abschnitt aufweisen, der zumindest einen Anteil des Formgedächtnismaterials umfassen kann, und einen zweiten Abschnitt, der mit der Antriebswelle gekoppelt ist, insbesondere in einer von der Rotationsachse beabstandeten Position. Der erste und zweite Abschnitt können aufeinanderfolgend angeordnet sein, insbesondere entlang einer Längsachse des Aktorelement. Der erste Abschnitt kann das Formgedächtnismaterial vollständig umfassen und/oder hiervon gebildet werden. Allgemein kann erste Abschnitt nicht in Kontakt mit der Antriebswelle stehen oder bringbar sein, zumindest in einer nachfolgend erläuterten Mittelstellung des Rotationsantriebs.
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Der zweite Abschnitt kann prinzipiell ebenfalls einen Anteil des Formgedächtnismaterials umfassen, ist vorzugsweise aber aus nicht-Formgedächtnismaterialen hergestellt. Beispielsweise kann der zweite Abschnitt durch ein Kabel-, Schnur-, Garn- und/oder Fadenelement gebildet werden. Der zweite Abschnitt kann an der Antriebswelle befestigt sein. Das Koppeln von zweitem Abschnitt und Antriebswelle kann allgemein in einer bezogen auf die Längsachse exzentrischen Position erfolgen (zum Beispiel an einer Außenumfangsfläche der Antriebswelle).
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Das Aktorelement und insbesondere ein etwaiger zweiter Abschnitt hiervon kann sich zumindest abschnittsweise entlang eines Außenumfangs der Antriebswelle erstrecken. Mit anderen Worten kann das Aktorelement (und/oder dessen zweiter Abschnitt) zumindest abschnittsweise um die Antriebswelle gewickelt sein und/oder an deren Außenumfangsfläche anliegen. Unter dem Erstrecken entlang des Außenumfangs kann insbesondere ein Erstrecken in Umfangsrichtung (und/oder um die Rotationsachse) verstanden werden. Nach Maßgabe einer Rotation der Antriebswelle kann sich das Ausmaß des Umwickelns entsprechend ändern. Der erste Abschnitt kann hingegen (zumindest in einer nachfolgend erläuterten Mittelstellung des Rotationsantriebs) beabstandet von der Antriebswelle verbleiben und/oder sich im Wesentlichen linear erstrecken. Prinzipiell kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt nicht auf die Antriebswelle gewickelt oder aufwickelbar ist.
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Es sind zwei Aktorelemente vorgesehen, um in der nachstehend geschilderten Weise Rotationen der Antriebswelle in entgegengesetzte Richtungen zu bewirken, können diese (und/oder deren jeweilige zweite Abschnitte) in entgegengesetzter Weise oder, anders ausgedrückt, mit entgegengesetzten Umlaufrichtungen auf die Antriebswelle aufgewickelt oder aufwickelbar sein (zum Beispiel eines im Uhrzeigersinn und das andere entgegen dem Uhrzeigersinn). Anders ausgedrückt können die Aktorelemente (und/oder deren jeweilige zweite Abschnitte) durch ihre unterschiedlichen Wicklungsrichtungen verschiedene Wirkungsrichtungen aufweisen. Die Umlauf- oder Wicklungsrichtung kann dabei von einem jeweiligen Kopplungspunkt zwischen erstem und zweitem Abschnitt hin zu einem zweiten Endabschnitt betrachtet werden, oder umgekehrt. Ebenso kann die Umlauf- oder Wicklungsrichtung von einem ersten Endabschnitt des Aktorelements hin zu einem zweiten Endabschnitt betrachtet werden.
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Der Rotationsantrieb umfasst ferner wenigstens einen Anschlag, um die Rotation der Antriebswelle in einer vorbestimmten Richtung zu begrenzen. Bei dem Anschlag kann es sich um ein allgemein feststehendes Element handeln, das eine Rotation der Antriebswelle über einen bestimmten Punkt hinaus unterbindet. Der Anschlag begrenzt das Ausmaß der Rotationsbewegung der Antriebswelle in eine vorbestimmte Richtung und legt somit eine Endposition oder maximale Rotationsstellung der Antriebswelle fest. Es sind zwei Anschläge vorgesehen, um eine Rotation der Antriebswelle bezogen auf eine Mittelstellung in beide Drehrichtungen um die Rotationsachse zu begrenzen. Als Beispiel sei eine Begrenzung des Rotationsbetrages aus der Mittelstellung in eine jeweilige Richtung auf ca. 20° bis ca. 120° genannt, zum Beispiel ca. 75°. Zum Wechselwirken mit dem Anschlag kann die Antriebswelle (und/oder die Satellitenkomponente) einen Vorsprung, einen Zapfen oder einen anderweitig geeigneten Wechselwirkungsbereich umfassen. Derartige Elemente können an einer Stirnfläche der Antriebswelle angeordnet sein.
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Der Rotationsantrieb umfasst eine Rückstelleinrichtung. Gemäß einer Weiterbildung ist die Rückstelleinrichtung dazu ausgebildet, Rückstellkräfte zu erzeugen, die nach Maßgabe einer Rotation der Antriebswelle veränderlich sind. Die Rückstellkräfte können allgemein entgegen einer Deformation wirken, welche die Rückstelleinrichtung bei einer Rotation der Antriebswelle erfährt. Folglich können die Rückstellkräfte in Richtung der Rotation wirken oder auch entgegen dieser (beziehungsweise entsprechend wirkende Drehmomente erzeugen), wobei dies je nach einer Rotationsstellung der Antriebswelle variieren kann.
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Die Rückstelleinrichtung kann ein Federelement umfassen, beispielsweise eine metallische Feder (insbesondere eine Spiralfeder). Das Federelement kann als Zug- oder Druckfeder ausgebildet sein. Die Rückstelleinrichtung und insbesondere ein etwaiges Federelement hiervon können in einer bezogen auf die Rotationsachse exzentrischen Position mit der Antriebswelle gekoppelt sein. Anders ausgedrückt ist die Rückstelleinrichtung in einer von der Rotationsachse beabstandeten Position mit der Antriebswelle gekoppelt (zum Beispiel unmittelbar daran befestigt). Wie nachstehend noch näher erläutert, kann je nach Rotation der Antriebswelle ein Deformationszustand der Rückstelleinrichtung daraufhin entsprechend variieren.
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Der Rotationsantrieb kann ferner ein zweites Aktorelement umfassen, wobei das erste Aktorelement dazu ausgebildet ist, die Antriebswelle in eine erste Rotationsrichtung um die Rotationsachse zu rotieren, und das zweite Aktorelement dazu ausgebildet ist, die Antriebswelle in eine zweite Rotationsrichtung um die Rotationsachse zu rotieren, wobei die erste und die zweite Richtung zueinander entgegengesetzt sind. Mit anderen Worten kann die Antriebswelle in beide Richtungen um die Rotationsachse drehbar sein, wobei je Rotationsrichtung ein eigenes Aktorelement vorgesehen ist. Das zweite Aktorelement kann prinzipiell gleichartig zu dem ersten Aktorelement ausgebildet sein. Anders ausgedrückt können jegliche der vorstehend oder nachstehend bezüglich des ersten Aktorelements erläuterten Aspekte bei dem zweiten Aktorelement ebenfalls vorgesehen sein. Insbesondere können sowohl das erste als auch das zweite Aktorelement einen vorstehend erläuterten zweiten Abschnitt umfassen, der sich entlang des Außenumfangs der Antriebswelle erstreckt. Diese zweiten Abschnitte sind dabei vorzugsweise in entgegengesetzter Umlaufrichtung auf die Antriebswelle aufgewickelt oder aufwickelbar.
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Übergeordnet können das erste und zweite Aktorelement bezogen auf die Rotationsachse auf unterschiedlichen radialen Niveaus angeordnet sein. Dies kann beispielsweise zumindest den vorstehend erläuterten ersten Abschnitt und/oder einen entsprechenden ersten Endabschnitt der Aktorelemente betreffen, die radial voneinander beabstandet sein können. Weiterhin können sich die Aktorelemente und insbesondere deren erste und/oder zweite Abschnitte in einem Winkel zu der Rotationsachse erstrecken, beispielsweise im Wesentlichen orthogonal hierzu.
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Das erste und zweite Aktorelement können elastisch deformierbar sein, insbesondere derart, dass eine erwärmungsbedingte Längenänderung eines der Aktorelemente in einer im Wesentlichen umgekehrten elastischen Längenänderung des anderen Aktorelements resultiert. Beispielsweise kann sich eines der Aktorelemente infolge eines Erwärmens verkürzen, woraufhin das andere Aktorelement elastisch gedehnt wird. Die hierdurch erzeugten elastischen Rückstellkräfte können das Verkürzen des zunächst elastisch gedehnten Aktorelements bei einem darauffolgenden Erwärmen unterstützen. Prinzipiell kann die Rückkehr eines Aktorelements in dessen nichterwärmten Ausgangszustand auch von einer etwaigen Rückstelleinrichtung des Rotationsantriebs unterstützt werden. Dies wird nachstehend noch näher erläutert.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die ersten und zweiten Aktorelemente auf einer gemeinsamen Seite von einer die Rotationsachse enthaltenen Ebene angeordnet sind. Bei der Ebene kann es sich allgemein um eine virtuelle Ebene handeln. Die Ebene kann zumindest in einer Mittelstellung des Rotationsantriebs eine Kopplungs- oder Befestigungsposition für eine etwaige Rückstelleinrichtung an der Antriebswelle umfassen. Weiterhin können die Aktorelemente oder zumindest etwaige erste Abschnitte hiervon in einem Winkel zu der Ebene verlaufen, beispielsweise im Wesentlichen orthogonal hierzu.
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Sofern Anschläge zur Begrenzung der Antriebswellenrotation vorgesehen sind, können diese beidseitig von der Ebene angeordnet sein (d.h., auf unterschiedlichen Seiten von der Ebene).
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Rotationsantrieb eine erste und zweite Endposition aufweist sowie eine dazwischenliegende Mittelstellung, wobei die erste und zweite Endposition vorzugsweise jeweils durch einen Anschlag nach einem der vorangehenden Aspekte festgelegt werden. Ausgehend von der Mittelstellung kann die Antriebswelle vorzugsweise um gleiche Winkelbeträge in entgegengesetzte erste und zweite Rotationsrichtungen rotierbar sein, bis die jeweiligen ersten und zweiten Endpositionen erreicht sind. Dies kann über ein entsprechendes Erwärmen beziehungsweise Aktivieren eines der Aktorelemente erfolgen. Die Mittelstellung kann folglich auch als Totpunkt, Umkehrpunkt oder Nulllage bezeichnet werden.
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Die Endpositionen können maximale Stellpositionen des Rotationsantriebs definieren. Zusätzlich oder alternativ können die Endpositionen dauerhaft einnehmbare und/oder stabile Positionen oder, anders ausgedrückt, Schaltpositionen des Rotationsantriebs definieren. Dabei kann es sich um die im Normalbetrieb einzigen dauerhaft einnehmbaren Positionen des Rotationsantriebs handeln. Mit anderen Worten kann zwischen der ersten und zweiten Endposition binär hin und her geschaltet werden, wohingegen sämtliche dazwischenliegende Positionen, einschließlich der Mittelstellung, bei einem Wechsel zwischen der ersten und zweiten Endposition lediglich temporär durchlaufen werden. Der Wechsel zwischen der ersten und zweiten Endposition (und umgekehrt) kann über ein abwechselndes Aktivieren der Aktorelemente erreicht werden. Der Rotationsantrieb kann somit allgemein bi-stabil ausgebildet sein, wobei die stabilen Lagen jeweils über eine der Endpositionen definiert sind.
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In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass die Rückstellkräfte der Rückstelleinrichtung in der Mittelstellung einen Maximalwert annehmen und/oder dass bei Erreichen der ersten oder zweiten Endposition zumindest noch ein Mindestmaß an Rückstellkräften bereitgestellt wird. Mit anderen Worten kann die Rückstelleinrichtung in der Mittelstellung maximal deformiert sein. Andererseits kann die Rückstelleinrichtung allgemein dazu ausgebildet sein, in der Mittelstellung im Wesentlichen keine Rotation der Antriebswelle zu bewirken, beispielsweise da die Rückstellkräfte die Rotationsachse schneiden oder, anders ausgedrückt, keinen rotationswirksamen Hebelarm aufweisen. Sobald die Mittelstellung durchschritten wird, können die Rückstellkräfte hingegen ein Drehmoment um die Rotationsachse bereitstellen.
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Zusätzlich oder alternativ können die Rückstellkräfte auch bei Erreichen der ersten und/oder zweiten Endposition zumindest in einem vorbestimmten Mindestmaß aufrechterhalten werden. Beispielsweise können die Rückstellkräfte derart bemessen sein, dass sie die Antriebswelle entgegen sämtlicher anderweitigen Rückstellkräfte in der entsprechenden Endposition halten können. Dies kann insbesondere in einem stromlosen Zustand des Rotationsantriebs vorgesehen sein und/oder wenn kein Erwärmen von einem der Aktorelemente erfolgt. Hingegen können die in den Endpositionen wirkenden Rückstellkräfte der Rückstelleinrichtung infolge eines Erwärmens der Aktorelemente überwunden werden, um eine Rotation der Antriebswelle in eine von dem entsprechenden Anschlag weg gerichtete Rotation zu bewirken.
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Übergeordnet kann die Rückstelleinrichtung somit dazu ausgebildet sein, die Antriebswelle stromlos stabil in ihren Endpositionen zu halten. Dies kann auch gegenüber äußeren Erschütterungen oder dergleichen gelten.
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Die Rückstellkräfte der Rückstelleinrichtung können bei einem Auslenken der Antriebswelle aus der Mittelstellung in die erste oder zweite Rotationsrichtung jeweils ein in diese Rotationsrichtung wirkendes Drehmoment erzeugen. Mit anderen Worten können die Rückstellkräfte der Rückstelleinrichtung bei einem über die Aktorelemente erzeugtem Rotieren der Antriebswelle Drehmomente bereitstellen, die eine entsprechende Rotation zusätzlich unterstützen. Wie erwähnt, können die Rückstellkräfte in der Mittelstellung hingegen kein entsprechendes Drehmoment bereitstellen.
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Schließlich sieht eine Weiterbildung vor, dass der Rotationsantrieb eine Heizeinheit für das wenigstens eine Aktorelement umfasst. Die Heizeinheit kann selektiv aktivierbar sein, um die vorstehend erläuterte temperaturaktivierte Längenänderung des Aktorelements zu bewirken. Ist eine Mehrzahl von Aktorelementen vorgesehen, kann je Aktorelement eine individuell ansteuerbare Heizeinheit vorgesehen sein, um die Aktorelement unabhängig voneinander zu erwärmen. Die Heizeinheit kann eine Erwärmung der Aktorelemente (oder zumindest eines zweiten Abschnitts hiervon) durch Ein- oder Hindurchleiten eines elektrischen Stroms bewirken. Zusätzlich oder alternativ kann die Heizeinheit eine anderweitig geeignete Wärmequelle umfassen, die vorzugsweise selektiv aktivierbar ist. Prinzipiell kann auch eine Kühleinrichtung zum Kühlen des wenigstens einen Aktorelements vorgesehen sein (und/oder eine Kühleinrichtung je Aktorelement). Vorzugsweise erfolgt das Kühlen jedoch passiv (zum Beispiel durch radiative Effekte).
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Rotationsantreiben einer Satellitenkomponente, insbesondere mittels eines Rotationsantriebs nach einem der vorangehenden Aspekte, umfassend die Schritte:
- - Koppeln wenigstens eines Aktorelements, das ein Formgedächtnismaterial umfasst, mit einer Antriebswelle, wobei die Antriebswelle mit einer Satellitenkomponente gekoppelt ist;
- - Erwärmen des Aktorelements, so dass dieses nach Maßgabe des Erwärmungsgrades seine Länge ändert und darüber die Antriebswelle in eine vorbestimmte Richtung rotiert, wobei wenigstens zwei Anschläge vorgesehen sind, die die Rotation der Antriebswelle in der ersten Rotationsrichtung und in der zweiten Rotationsrichtung begrenzen, wobei der Rotationsantrieb eine erste und zweite Endposition sowie eine dazwischenliegende Mittelstellung aufweist, wobei die erste und zweite Endposition vorzugsweise jeweils durch einen Anschlag festgelegt werden, wobei an der Antriebswelle wenigstens ein Kopplungselement vorgesehen ist, das zur Begrenzung der Rotation der Antriebswelle in der ersten Rotationsrichtung und der zweiten Rotationsrichtung mit den wenigstens zwei Anschlägen zusammenwirkt wobei der Rotationsantrieb eine Rückstelleinrichtung umfasst, wobei die Rückstelleinrichtung in einer von der Rotationsachse beabstandeten Position mit dem Kopplungselement der Antriebswelle gekoppelt ist.
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Das Verfahren kann jegliche weitere Schritte umfassen, um sämtliche der vorstehend oder nachstehend genannten Effekte und/oder Betriebszustände des Rotationsantriebs bereitzustellen. Beispielsweise kann die Längenänderung des Aktorelements in der vorstehend beschriebenen Weise eine Verkürzung desselbigen umfassen. Ferner kann ein Schritt des Koppelns eines zweiten Aktorelements mit der Antriebswelle vorgesehen sein, um die Antriebswelle auch in eine zweite Richtung rotieren zu können. Das Koppeln der Aktorelemente kann jeweils das erläuterte abschnittsweise Aufwickeln eines zweiten Abschnitts hiervon auf die Antriebswelle umfassen.
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Die vorliegende Offenbarung soll weiter anhand von Figuren erläutert werden. Diese Figuren zeigen schematisch:
- 1 eine schematische Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Rotationsantriebs gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine Teilansicht der Darstellung aus 1, bei der sich die Antriebswelle in einer ersten Endposition befindet;
- 3 eine Teilansicht der Darstellung aus 2, bei der sich die Antriebswelle in einer zweiten Endposition befindet;
- 4 eine Detailansicht für eine Rückstelleinrichtung der Ausführungsform aus 1; und
- 5 eine Detailansicht für eine Rückstelleinrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform.
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In 1 ist eine schematische Prinzipskizze eines Rotationsantriebs 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Rotationsantrieb 10 umfasst eine zylindrische Antriebswelle 11. Diese erstreckt sich entlang einer Rotationsachse R, die mit einer Längsachse der Antriebswelle 11 zusammenfällt. Die Antriebswelle 11 ist allgemein in beide Richtungen um die Rotationsachse R rotierbar (d.h., in und entgegen dem Uhrzeigersinn in 1).
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Die Antriebswelle 11 ist an einer ersten Stirnfläche 20, die in 1 von dem Betrachter abgewandt ist, mit einer nicht dargestellten Satellitenkomponente gekoppelt. Bei dieser Satellitenkomponente handelt es sich um die Verschlussklappe eines optischen Raumfahrtinstruments, die nach Maßgabe einer Rotation der Antriebswelle öffnen- und schließbar ist. Es kann aber ebenso vorgesehen sein, die Klappe mit der nachfolgend erläuterten weiteren Stirnfläche 32 oder dem Kopplungszapfen 34 zu verbinden.
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Der Rotationsantrieb 10 umfasst ferner ein erstes (in 1 unteres) Aktorelement 5 und ein zweites (in 1 oberes) Aktorelement 6. Die ersten und zweiten Aktorelemente 5, 6 sind jeweils als langgestreckte Elemente ausgebildet, die Abschnitte mit verschiedenen Materialien umfassen. Genauer gesagt umfassen die ersten und zweiten Aktorelemente 5,6 jeweils einen ersten Endabschnitt 22, der mit einem feststehenden Element des Rotationsantriebs 10 gekoppelt ist. Hierdurch wird eine Art Festlager gebildet. Bei dem feststehenden Element kann es sich um eine Gehäusewand handeln. Ferner umfassen die Aktorelemente 5, 6 jeweils einen zweiten Endabschnitt 24, der dem jeweiligen ersten Endabschnitt 22 gegenüberliegt. Dieser zweite Endabschnitt 24 ist an einer Außenumfangsfläche der Antriebswelle 11 befestigt und exzentrisch bezogen auf die Rotationsachse R angeordnet. In der Ansicht von 1 ist lediglich der Endabschnitt 24 des unteren Aktorelements 5 erkennbar.
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Die ersten und zweiten Aktorelemente 5, 6 umfassen ferner jeweils einen ersten und zweiten Abschnitt 26, 12. Diese erstrecken sich im Wesentlichen in einer gemeinsamen virtuellen Ebene, die im Wesentlichen orthogonal zu der Rotationsachse R verläuft. Der erste Abschnitt 26 erstreckt sich von dem ersten Endabschnitt 22 bis zu einem Kopplungspunkt 30. Dort ist der erste Abschnitt 26 mit dem zweiten Abschnitt12verbunden, der sich bis zu dem zweiten Endabschnitt 24 erstreckt. Wie nachstehend noch näher erläutert, ist der erste Abschnitt 26 aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt, wohingegen der zweite Abschnitt12aus einem Schnur- oder Fadenmaterial hergestellt ist (zum Beispiel Baumwolle oder Nylon). Je Aktorelement 5, 6 ist ferner eine nicht dargestellte elektrische Heizeinheit vorgesehen, um den ersten Abschnitt 26 selektiv bis zu einer vorbestimmten Aktivierungstemperatur erwärmen zu können.
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Ferner erkennt man in 1, dass die ersten Endabschnitte 22 jeweils auf einer gemeinsamen Seite einer virtuellen und die Rotationsachse R umfassenden Ebene E angeordnet sind. Dabei erstrecken sich wenigstens die ersten Abschnitte 26 der Aktorelemente 5, 6 in einem Winkel zu der Ebene E und insbesondere im Wesentlichen orthogonal hierzu. Bezogen auf die Rotationsachse R sind die ersten Endabschnitte 22 und auch die ersten Abschnitte 26 der Aktorelemente 5, 6 jedoch auf unterschiedlichen radialen Niveaus angeordnet. Dies ist in 1 durch den radialen Abstand A angedeutet, der sich senkrecht zu der Rotationsachse R erstreckt.
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Weiterhin wird ersichtlich, dass sich die jeweiligen zweiten Abschnitte 12 der Aktorelemente 5, 6 nahezu mit ihrer gesamten Länge entlang des Außenumfangs der Antriebswelle 11 erstrecken sowie daran anliegen. Genauer gesagt sind die zweiten Abschnitte 12 jeweils um den Außenumfang der Antriebswelle 11 herumgewickelt, ohne diesen jedoch vollständig zu umschließen. In der gezeigten Ausführungsform und bezogen auf die Ansicht von 1 ist der zweite Abschnitt 12 des oberen Aktorelement 6 von oben nach unten um die Außenumfangsfläche der Antriebswelle 11 gewickelt. Der zweite Abschnitt 12 des unteren Aktorelements 5 verläuft hingegen von unten nach oben. Anders ausgedrückt und ausgehend von dem jeweiligen Kopplungspunkt 30 sowie in Richtung des zweiten Endabschnitt 24 betrachtet, ist der zweite Abschnitt 12 des oberen Aktorelements 6 im Uhrzeigersinn auf die Antriebswelle 11 gewickelt. Der zweite Abschnitt 26 des unteren Aktorelements 5 ist hingegen entgegen dem Uhrzeigersinn auf die Antriebswelle 11 gewickelt.
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Zu betonen ist, dass der Rotationsantrieb 10 in 1 in einer lediglich temporär einnehmbaren Mittelstellung gezeigt ist und dass sich das Ausmaß des Auf- und Abwickelns der zweiten Endabschnitte 12 auf die Antriebswelle 11 nach Maßgabe einer Rotation der Antriebswelle 11 ändern kann.
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An einer der ersten Stirnfläche 20 gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 32 weist Antriebswelle 11 ferner einen Kopplungszapfen 34 auf. Dieser ist in einem Abstand zu der Rotationsachse R und somit exzentrisch hierzu angeordnet. Weiterhin ist an dem Kopplungszapfen 34 eine Rückstelleinrichtung 36 in Form einer metallischen Zug-Spiralfeder 38 befestigt. Die Spiralfeder 38 ist nach Maßgabe einer Rotation der Antriebswelle 11 deformierbar, wobei auch entsprechende Rückstellkräfte Z nach Maßgabe der Deformation erzeugt werden (siehe auch nachfolgende Diskussion der 2 und 3). In der in 1 gezeigten Mittelstellung ist die Spiralfeder 38 maximal gedehnt und erzeugt somit die größtmöglichen Zug- beziehungsweise Rückstellkräfte Z. Diese wirken jedoch innerhalb der Ebene E und schneiden die Rotationsachse R, sodass sie keinen drehmomentwirksamen Hebelarm aufweisen. Folglich übt die Rückstelleinrichtung 36 in der gezeigten Mittelstellung keine rotationswirksamen Kräfte auf die Antriebswelle 11 aus.
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Schließlich umfasst der Rotationsantrieb 10 zwei feststehende (d.h., nicht gemeinsam mit Antriebswelle 11 rotierende) Anschläge 40. Diese sind beidseitig der Ebene E angeordnet und begrenzen, insbesondere bezogen auf die Mittelstellung, eine Rotation der Antriebswelle 11 in unterschiedliche Richtungen. Genauer gesagt sowie bezogen auf die Darstellung von 1 begrenzt der linke Anschlag 40 eine Rotationsbewegung der Antriebswelle 11 entgegen dem Uhrzeigersinn und der rechte Anschlag 40 begrenzt eine Rotationsbewegung der Antriebswelle 11 im Uhrzeigersinn. Die Rotation wird jeweils dadurch begrenzt, dass der Kopplungszapfen 34 in Anlage mit dem entsprechenden Anschlag 40 gelangt. Die Anschläge 40 legen somit jeweils eine definierte Endposition fest oder, anders ausgedrückt, eine maximale Rotationsbewegung der Antriebswelle 11 in eine der beiden Rotationsrichtungen um die Rotationsachse R.
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Im Folgenden wird ein Betrieb des Rotationsantriebs 10 unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert. Um eine Rotation der Antriebswelle 11 zu bewirken, wird eine der nicht dargestellten Heizeinheiten der Aktorelement 5, 6 aktiviert, während die Heizeinheit des entsprechend anderen Aktorelement 5, 6 in einem deaktivierten Zustand verbleibt. Durch Aufheizen des entsprechenden Aktorelements 5, 6 wird eine Aktivierungstemperatur erreicht, bei dem der zweite Abschnitt 26, der das Formgedächtnismaterial umfasst, zu seinem undeformierten Ausgangszustand zurückkehrt. Im gezeigten Fall wurde das Formgedächtnismaterial des zweiten Abschnitts 26 pseudoplastisch gedehnt, sodass es sich ab Überschreiten der Aktivierungstemperatur wieder zusammenzieht. Als Beispiel sei ein Verkürzen der Länge des zweiten Abschnitts 26 von bis zu 3 % genannt. In der Folge übt der erste Abschnitt 26 eine Zugkraft auf den zweiten Abschnitt 12 des entsprechenden Aktorelements 5, 6 aus. Aufgrund der exzentrischen Befestigung der zweiten Endabschnitte 24 an der Antriebswelle 11 wird daraufhin ein Drehmoment auf die Antriebswelle 11 ausgeübt.
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Bezogen auf 1 bedeutet dies, dass das obere Aktorelement 6 bei einem Verkürzen ein Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt, wohingegen das untere Aktorelement 5 ein Drehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt.
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Das jeweils andere Aktorelement 5, 6, dessen Heizeinheit nicht aktiviert wird, wird in diesem Zusammenhang elastisch deformiert. Dies betrifft insbesondere (und im gezeigten Fall ausschließlich) die jeweils ersten Abschnitte 26 der Aktorelemente 5, 6. Im gezeigten Fall werden die nicht erwärmten ersten Abschnitte 26 infolge einer temperaturaktivierten Verkürzung des jeweils anderen Aktorelemente 5, 6 elastisch gedehnt, und zwar ebenfalls um einen im Wesentlichen gleichen Betrag (zum Beispiel 3 %). Gleichzeitig geht eine Rotation der Antriebswelle 11 mit einer Änderung des Deformationszustandes der Rückstelleinrichtung 36 einher, wie nachfolgend näher erläutert.
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Eine typische Abfolge wird im Folgenden ausgehend von 2 erläutert. In 2 wurde die Antriebswelle 11 bis zu einer ersten Endposition rotiert, in dem der Kopplungszapfen 34 an dem linken Anschlag 40 anliegt (der rechte Anschlag 40 ist in 2 aus Darstellungsgründen nicht gezeigt). In dieser ersten Endposition nimmt die mit der Antriebswelle 11 gekoppelte Verschlussklappe eine erste Maximalposition ein (zum Beispiel eine vollständig geschlossene Stellung). Weiterhin nimmt das obere Aktorelement 6 in der Stellung von 2 einen (temperaturaktivierten) verkürzten Zustand ein, wohingegen das untere Aktorelement 5 um den im Wesentlichen gleichen Betrag elastisch gedehnt beziehungsweise gelängt ist.
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Die Spiralfeder 36 der Rückstelleinrichtung 38 ist in diesem Zustand noch nicht vollständig entspannt. Demnach übt sie eine Zug- beziehungsweise Rückstellkraft gemäß dem Pfeil Z aus. Diese resultiert in einem Drehmoment M1 und drängt beziehungsweise zieht den Kopplungszapfen 34 in Anlage mit dem Anschlag 40. Bezugnehmend auf 1 bedeutet dies, dass sobald die Antriebswelle 11 aus der Mittelstellung entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert wird, die Zugkräfte Z der Rückstelleinrichtung 38 ein diese Rotation unterstützendes Drehmoment M1 erzeugen.
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Man beachte, dass die Federkräfte der Rückstelleinrichtung 38 derart gewählt sind, dass sie selbst bei einem stromlosen Zustand der Antriebseinheit 10 und/oder einer deaktivierten Heizeinrichtung des oberen Aktorelements 6 ausreichend sind, um die Antriebswelle 11 entgegen sämtlicher anderweitigen elastische Rückstellkräfte in der in 2 gezeigten Endposition zu halten. In diesem Zustand wirken insbesondere die elastischen Rückstellkräfte des unteren Aktorelements 5, aber auch die Rückstellkräfte aufgrund der bei einem Abkühlen des oberen Aktorelements 6 geringfügig einsetzenden Rückverformung. Letzteres tritt in bekannter Weise aufgrund sogenannter Hystereseeffekte des Formgedächtnismaterials auf.
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Ausgehend von dem Zustand in 2 wird die Heizeinheit des oberen Aktorelements 6 (sofern nicht bereits geschehen) deaktiviert und die Heizeinheit des unteren Aktorelements 5 wird eingeschaltet. Daraufhin verkürzt sich das untere Aktorelement 5 aufgrund des geschilderten Formgedächtniseffekts von dessen zweitem Abschnitt 26. Das Verkürzen wird durch die elastischen Rückstellkräfte des zunächst elastisch gelängten unteren Aktorelements 5 unterstützt. Der Kopplungsabschnitt 34 beginnt daraufhin, sich von dem linken Anschlag 40 abzuheben und gemeinsam mit der Antriebswelle 11 in eine von diesem Anschlag 40 weg gerichtete Richtung um die Rotationsachse R zu rotieren. Das obere Aktorelement 6 wird daraufhin zunehmend elastisch gelängt. Die Rotation geht außerdem mit einer zunehmenden Dehnung der Spiralfeder 36 einher, bis die in 1 gezeigte Mittelstellung erreicht ist. Folglich wird von der Spiralfeder 36 auch zunächst ein entgegen der Rotation wirkendes Drehmoment erzeugt.
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In der Mittelstellung erfährt die Spiralfeder 36 ihre maximale Dehnung. Die dabei entstehenden Zug- bzw. Rückstellkräfte Z schneiden jedoch die Rotationsachse R und üben somit zumindest temporär kein Drehmoment auf die Antriebswelle 11 aus. Da sich jedoch das untere Aktorelement 5 auch über die Mittelstellung hinaus weiter verkürzt, setzt die Antriebswelle 11 ihre Rotation in Richtung des rechten Anschlags 40 fort. Ab Überschreiten der Mittelstellung wird dies wiederum durch ein über die Spiralfeder 36 erzeugtes Drehmoment M2 unterstützt (siehe 3), da die Zugbeziehungsweise Rückstellkräfte Z der Spiralfeder 36 wieder in einem entsprechenden Abstand zu der Rotationsachse R verlaufen.
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Wenn der Kopplungszapfen 34 gemäß 3 den rechten Anschlag 40 erreicht hat, wird die Heizeinheit des unteren Aktorelement 5 ausgeschaltet. Der Rotationsantrieb 10 befindet sich daraufhin in seiner zweiten Endposition, in dem die Verschlussklappe eine zweite Maximalstellung einnimmt (zum Beispiel vollständig geöffnet). In diesem Zustand ist das obere Aktorelement 6 maximal elastisch gelängt beziehungsweise gedehnt und das untere Aktorelement 5 ist maximal verkürzt. Analog zur Endposition gemäß 2 wirken aber nach wie vor Rückstellkräfte Z der Spiralfeder 36 auf die Antriebswelle 11 ein. Hierdurch wird ein Drehmoment M2 zumindest teilweise aufrechterhalten und den Kopplungszapfen 34 entgegen sämtlicher anderweitiger Rückstellkräfte in der Endposition gemäß 3 gehalten.
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Der geschilderte Vorgang kann auch wieder entsprechend umgekehrt und mehrfach wiederholt werden. Ausgehend von 3 wird hierzu das obere Aktorelement 6 mittels der entsprechenden Heizeinrichtung erwärmt, woraufhin dieses sich zu verkürzen beginnt. Der Kopplungszapfen 34 wird daraufhin von dem rechten Endanschlag 40 abgehoben und rotiert gemeinsam mit der Antriebswelle 11 entgegen dem Uhrzeigersinn um die Rotationsachse R. Dies geht analog zu vorstehender Beschreibung mit einer elastischen Verlängerung des unteren Aktorelements 5 einher und mit einer zunehmenden Dehnung der Spiralfeder 36. Letzteres resultiert zunächst erneut in einem entgegen der Rotation wirkenden Drehmoment. Ab Überschreiten der Mittelstellung in 1 übt die Spiralfeder 36 jedoch ein die Rotation unterstützendes Drehmoment M1 aus, bis der Kopplungszapfen 34 wieder den linken Anschlag 40 erreicht. In diesem Zustand ist das obere Aktorelement 6 maximal verkürzt und das untere Aktorelement 5 maximal elastisch gelängt beziehungsweise gedehnt.
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In der vorstehend geschilderten Weise kann der Rotationsantrieb 10 somit zwischen den Endposition der 2 und 3 selektiv hin und her bewegt werden. Bei den Endpositionen handelt es sich daher um dauerhaft einnehmbare Schaltpositionen des Rotationsantriebs 10, wobei dazwischenliegende Positionen lediglich temporär durchlaufen werden. Folglich kann auch die Verschlussklappe zwischen ihren Maximalpositionen (vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen) selektiv hin und her geschaltet werden.
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In den 4 und 5 sind verschiedene Ausführungsformen der Rückstelleinrichtung 38 gezeigt, wobei gleichwirkende oder gleichartige Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In 4 ist die Rückstelleinrichtung 38 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1-3 gezeigt, die eine Zugfeder 36 umfasst. An einem ersten oberen Ende ist die Zugfeder 36 in der geschilderten Weise mit dem Kopplungszapfen 34 der nicht weiter dargestellten Antriebswelle 10 gekoppelt. Ein gegenüberliegendes zweites Ende ist drehbar an einem ansonsten feststehenden Umgebungsbereich 54 gelagert, zum Beispiel an einer Gehäusewand.
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In 5 ist eine alternative Ausführungsform der Rückstelleinrichtung 38 gezeigt, die eine Druck-Spiralfeder 50 umfasst. Ein erstes Ende 52 dieser Druck-Spiralfeder 50 ist an einem Bolzen 53 festgelegt, der drehbar mit einem ansonsten feststehenden Umgebungsbereich 54 gekoppelt ist. Ein gegenüberliegendes zweites Ende 56 der Druck-Spiralfeder 50 stützt sich hingegen an einer Kompressionshülse 58 ab, die entlang des Bolzens 53 verschiebbar ist (in 5 vertikal auf und ab). Die Kompressionshülse 58 ist drehbar mit den Kopplungszapfen 34 der ansonsten nicht dargestellten Antriebswelle 11 gekoppelt. Infolge einer Rotation des Kopplungszapfens 34 wird die Kompressionshülse 58 somit in einem unterschiedlichen Maß entlang des Bolzens 53 verschoben, sodass sich ein Abstand zwischen den Enden 54,56 der Druck-Spiralfeder 50 und daraufhin deren Kompressionszustand entsprechend ändert.
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Man beachte, dass auch bei dieser Ausführungsform vorgesehen ist, dass die Druck-Spiralfeder 50 bei Einnahme der Mittelstellung eine maximale Kompression erfährt. In diesem Fall ist die Kompressionshülse 58 maximal relativ zu dem Bolzen 53 verschoben beziehungsweise maximal von dem Umgebungsbereich 54 abgehoben.
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Dieser Zustand ist schematisch in 5 gezeigt. Analog zu vorigem Ausführungsbeispiel kann bei einem Bewegen des Kopplungzapfens 34 in Richtung eines der Anschläge 40 (in 5 nicht gezeigt) daraufhin eine Entspannung der Druck-Spiralfeder 50 einsetzen, wobei diese jedoch ein Mindestmaß an Rückstellkräften Z beibehalten kann, um den Kopplungszapfen 34 sicher in Anlage mit dem entsprechenden Anschlag 40 halten zu können. Dies geht mit einer entsprechenden Verlagerung der Kompressionshülse 50 in 5 nach unten entlang des Bolzens 53 einher, auch wenn die lediglich schematischen Darstellung von 5 einen vergleichsweise geringen Bewegungsspielraum in dieser Richtung suggeriert.
