DE102017217945B4

DE102017217945B4 - Aktor mit einem Magnetkreis sowie Verfahren zur Steuerung des magnetischen Widerstandes eines Magnetkreises

Info

Publication number: DE102017217945B4
Application number: DE102017217945.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Raab; Wolfgang Schinköthe
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2037-10-10
Also published as: DE102017217945A1

Abstract

Aktor mit einem Magnetkreis (1) mit einer Steuerungsvorrichtung (2) für den Magnetkreis (1), wobei die Steuerungsvorrichtung (2) ein Einstellelement (4) zur Einstellung des magnetischen Widerstands des Magnetkreises (1) aufweist, wobei das Einstellelement (4) eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist und der Magnetkreis (1) mindestens ein Magnetelement (3) zur Erzeugung einer magnetischen Spannung im Magnetkreis (1) aufweist, wobei bei gegebener magnetischer Spannung durch mechanische Dehnung und/oder Stauchung des Einstellelementes (4) der magnetische Fluss in dem Magnetkreis variiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für einen Magnetkreis, wobei die Steuerungsvorrichtung ein Einstellelement zur Einstellung des magnetischen Widerstands des Magnetkreises aufweist.
STAND DER TECHNIK
Magnetkreise finden breiten Einsatz in der Konstruktion von Elektromotoren, Transformatoren. Insbesondere sind Magnetkreise in der Konstruktion von Aktoren relevant. In allen Anwendungen ist es von Interesse, den magnetischen Fluss und somit die durch den Magnetkreis generierten Kräfte regulieren zu können. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Steuerung von Magnetkreisen, d.h. zur Regulierung des magnetischen Flusses, bekannt. Besonders einfach erfolgt diese beispielsweise durch Elektromagneten. Der Betrieb des Elektromagneten erfordert jedoch eine konstante Stromzufuhr und führt aufgrund des Ohm'schen Widerstands zu einer Verlustleistung im stationären Betrieb. Zur Erzeugung zeitlich unveränderlicher Magnetfelder werden deshalb häufig Permanentmagneten verwendet. Diese sind zwar verlustlos einsetzbar, erzeugen für einen vorab definierten Arbeitspunkt jedoch nur einen konstanten magnetischen Fluss. Sollen verschiedene Flüsse und somit magnetische Kräfte ohne konstante Verlustleistung erzeugt werden, müssen Permanentmagnete mit multistabilen Aktoren kombiniert werden. Beispielsweise kann der Widerstand des Magnetkreises durch eine Luftspaltänderung variabel gestaltet werden. Die hierfür notwendigen multistabilen Aktoren müssen in stromlosem Zustand die Kräfte des Permanentmagneten aufnehmen können, ohne sich aus ihrer Position zu bewegen. Konventionelle Aktoren wie Elektromagnete mit einer Bremsvorrichtung weisen hier nachteilig Abrieb und Verschleiß auf. Piezo- oder magnetostriktive Aktoren sind aufgrund der geringen Stellwege in vielen Fällen ungeeignet. Aus dem Stand der Technik bekannte Steuerungsvorrichtungen weisen somit den Nachteil auf, dass sie entweder nicht verlustarm oder nicht flexibel einstellbar oder nicht verschleißfrei bzw. verschleißarm sind.
Beispielsweise betrifft DE 10 2015 113 244 A1 einen kraftgeregelten Aktor mit magnetischer Formgedächtnislegierung, wobei die Länge des magnetischen Formgedächtnismaterials mittels eines Magnetfelds variiert wird.
DE 10 2014 113 925 A1 offenbart zudem einen Energiewandler mit einem magnetischen Kreis, wobei der magnetische Kreis mindestens einen Permanentmagneten und ein magnetostriktives Element aufweist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerungsvorrichtung für einen Magnetkreis zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile bisheriger Steuerungsvorrichtungen überwindet. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Steuerungsvorrichtung für einen Magnetkreis mit geringen Verschleiß für Aktoren zur Verfügung zu stellen, die eine einfache Einstellung des magnetischen Flusses sowie einen verlustfreien stationären Betrieb erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch einen Aktor nach Anspruch 1 gelöst.
Magnetische Formgedächtnislegierungen besitzen eine durch Stauchung bzw. Dehnung veränderbare magnetische Permeabilität. Der Einsatz eines magnetische Formgedächtnislegierung aufweisenden Einstellelementes ermöglicht die flexible, stufenlose und verschleißarme Änderung des magnetischen Flusses in einem Magnetkreis durch mechanische Dehnung und/oder Stauchung des Einstellelements. Die Erzeugung des magnetischen Flusses kann hierbei durch mindestens einem Magnetelement geschehen. Die durch den Magnetkreis vermittelte Kraft ist somit flexibel und mit geringen Verschleiß einstellbar. Insbesondere können somit Magnetkreise d.h. Aktoren zur Verfügung gestellt werden, in denen die Kraft auf den ferromagnetischen Anker mit geringen verschleiß eingestellt werden kann.
Magnetische Formgedächtnislegierungen (engl.: magnetic shape memory alloys) sind Formgedächtnislegierungen, die unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes eine wesentliche Formänderung zeigen. Umgekehrt ändert sich die magnetische Permeabilität einer magnetischen Formgedächtnislegierung durch Formänderung, insbesondere Dehnung oder Stauchung. Magnetische Formgedächtnislegierungen sind typischerweise Legierungen aus Nickel, Mangan und Gallium, beispielsweise NiMnGa oder Ni₂MnGa. Der magnetische Formgedächtniseffekt entsteht in der martensitischen Phase. Aufgrund der Zwillingsspannung, d.h. der Beweglichkeit der Zwillingsgrenzen, weisen magnetische Formgedächtnislegierungen in der Regel eine innere Reibung auf, die es ihnen ermöglicht eine beliebige Stauchung oder Dehnung ohne externe Energiezufuhr halten zu können. Während bei einem Elektromagneten die Einstellung eines bestimmten magnetischen Flusses einen Stromfluss und damit eine kontinuierliche Energiezufuhr verlangt, ist dies bei einem Einstellelement aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung somit nicht notwendig. Aufgrund des Festkörpereffektes sind magnetische Formgedächtnislegierungen sehr langlebig und sehr verschleißarm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung eine Stellachse zur Dehnung und/oder Stauchung des Einstellelementes aufweist. Bevorzugt verläuft die Stellachse im Wesentlichen senkrecht oder parallel zur magnetischen Flussrichtung. Durch Stauchung bzw. Dehnung des Einstellelementes lässt sich die magnetische Permeabilität des Einstellelementes verändern. Bei Anordnung des Einstellelementes in einem Magnetkreis wirkt das Einstellelement somit als variabler magnetischer Widerstand. Bei gegebener magnetischer Spannung lässt sich somit über Dehnung bzw. Stauchung des Einstellelementes der magnetische Fluss in einem Magnetkreis variieren. Dies ist besonders für Aktoren von Interesse, bei denen aus dem magnetischen Fluss eine auf einen Anker wirkenden Kraft resultiert. Mittels des Einstellelementes lässt sich somit vorteilhaft die Kraft auf einen Anker eines Aktors einfach, flexibel verschleißarm und leistungslos im stationären Zustand einstellen. Während bisherige Vorrichtungen zur Einstellung und Veränderung des magnetischen Flusses in einem Magnetkreis, d.h. einem Aktor, entweder flexibel einstellbar und verschleißarm sind, oder leistungslos im stationären Zustand, vereinigt das erfindungsgemäße Einstellelement beide Vorzüge.
Dabei ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, die eine manuelle Stellvorrichtung, beispielsweise eine Stellschraube, und/oder einen Aktor in der Stellachse aufweist. Die Stauchung bzw. Dehnung des Einstellelements kann so bevorzugt manuell oder automatisch erfolgen. Neben der Stellschraube sind auch weitere Vorrichtungen denkbar, die geeignet sind, einen entsprechenden zur Stauchung bzw. Dehnung notwendigen Druck bzw. Zug auf das Einstellelement manuell auszuüben.
Der erfindungsgemäße Aktor mit einem Magnetkreis weist eine Steuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf, wobei der Magnetkreis mindestens ein Magnetelement zur Erzeugung einer magnetischen Spannung im Magnetkreis aufweist. Das mindestens eine Magnetelement stellt eine magnetische Spannung im Magnetkreis zur Verfügung. Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung ermöglicht dank der Verwendung der magnetischen Formgedächtnislegierung für das Einstellelement eine variable und einfache Änderung und Einstellung des im Magnetkreis herrschenden magnetischen Flusses. Des Weiteren sind der Verschleiß der magnetischen Formgedächtnislegierung, sowie der im Magnetkreis entstehende Verschleiß aufgrund einer geringen Relativbewegung gering. Hierzu wird durch mechanische Dehnung und/oder Stauchung die magnetische Permeabilität des Einstellelementes geändert und eingestellt. Durch Veränderung des magnetischen Widerstands im Magnetkreis lässt sich so einfach, flexibel und verschleißarm der magnetische Fluss im Magnetkreis einstellen. Besonders vorteilhaft ist, dass hierzu, im Gegensatz zur Verwendung von Elektromagneten, keine kontinuierliche Energiezufuhr nötig ist was einen leistungslosen Betrieb im stationären Zustand ermöglicht. Es wird somit vorteilhaft ein einstellbarer Magnetkreis zur Verfügung gestellt, der verschleißarm und energiearm betrieben werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das mindestens eine Magnetelement einen Permanentmagneten auf. Die von dem Permanentmagneten erzeugte magnetische Spannung kann mittels der Steuerungsvorrichtung in einen prinzipiell beliebigen magnetischen Fluss übersetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Magnetkreis mindestens einen Eisenkreis zur Führung des magnetischen Flusses auf. Ein Eisenkreis im Sinne der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen ein Eisenkern, der geeignet ist, magnetischen Fluss zu führen. Dabei kann der Eisenkern jede beliebige Form annehmen. Es ist auch denkbar, dass der Eisenkern nicht aus Eisen, sondern einem beliebigen anderen ferromagnetischen Material ausgeführt ist. Dem Fachmann sind entsprechende Möglichkeiten bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Eisenkreis mindestens einen magnetischen Widerstand in Form eines Luftspalts umfasst. Insbesondere ist der Eisenkreis nicht geschlossen, sondern geöffnet. Es entstehen hierdurch ein oder mehrere Luftspalte, die von den Magnetfeldlinien überwunden werden müssen. Der mindestens eine Luftspalt wirkt somit als magnetischer Widerstand. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Eisenkreis mittels zweier Luftspalte in mindestens einen ersten Teil und einen zweiten Teil geteilt. Beispielsweise ist das mindestens eine Magnetelement zur Erzeugung der magnetischen Spannung in dem ersten Teil angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetkreis mindestens einen ferromagnetischen Anker aufweist. Die auf den Anker wirkende Kraft hängt von der Abmessungen der Luftspalte ab, die den Anker von dem übrigen Eisenkern trennen. Weiterhin lässt sich die auf den Anker wirkende Kraft aber auch vorteilhaft mittels der Steuerungsvorrichtung justieren. Durch mechanische Dehnung und/oder Stauchung des Einstellelements kann mittels der Steuerungsvorrichtung der magnetische Fluss, beispielsweise in dem ersten Teil des Eisenkreises, eingestellt werden. Hierdurch wird die magnetische Flussdichte im mindestens einen Luftspalt und somit auch die Kraft auf den Anker eingestellt. Je nach Bedarf kann die Kraft auf den Anker mittels der Steuerungsvorrichtung somit flexibel angepasst werden. Hierzu ist, anders als bei einer als Elektromagneten ausgeführten Steuerungsvorrichtung, keine dauerhafte Energiezufuhr notwendig.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Magnetelement und das Einstellelement in Reihe geschaltet sind. In dem Magnetkreis ist bevorzugt dem mindestens einen Magnetelement zur Erzeugung der magnetischen Spannung das Einstellelement als variabler magnetischer Widerstand nachgeschaltet. Mittels des Einstellelements lässt sich so der magnetische Fluss im Magnetkreis variieren. Gegebenenfalls vorhandene Luftspalte wirken als zusätzliche magnetische Widerstände.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Magnetelement und das Einstellelement parallel geschaltet sind. Dem mindestens einen Magnetelement zur Erzeugung der magnetischen Spannung ist somit ein variabler magnetischer Widerstand parallel geschaltet. Der Magnetkreis wird somit in mindestens zwei Teilkreise geteilt. Der magnetische Fluss in den jeweiligen Teilkreisen lässt sich durch das Einstellelement, insbesondere dessen Permeabilität, variieren. Es ist denkbar, dass der magnetische Widerstand des Einstellelements derart gewählt wird, dass einer der Teilkreise als Kurzschlusspfad fungieren kann. Beispielsweise kann durch Dehnung des Einstellelementes der magnetische Widerstand desselben so niedrig gewählt werden, dass der Großteil des magnetischen Flusses durch den Teilkreis fließt, in dem das Einstellelement angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Luftspalt in dem zweiten Teilkreis angeordnet. Bevorzugt ist ein Anker in dem zweiten Teilkreis angeordnet. Durch ausreichende Dehnung des Einstellelementes kann so die Kraft auf den Anker drastisch reduziert werden.
Es ist denkbar, dass mehrere Magnetelemente zur Erzeugung der magnetischen Spannung und/oder mehrere erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtungen und/oder zusätzliche magnetische Widerstände und/oder weitere elektrische und/oder magnetische Schaltelemente in dem Magnetkreis angeordnet sind. Der Magnetkreis kann beliebig komplex und kompliziert aufgebaut sein. Es ist ferner denkbar, dass der Magnetkreis mit einem Stromkreis gekoppelt oder anderweitig verbunden ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung des magnetischen Widerstandes eines Magnetkreises nach Anspruch 10. Durch mechanische Krafteinwirkung wird das Einstellelement gedehnt oder gestaucht. Hierdurch wird die magnetische Permeabilität des Einstellelements und somit der magnetische Fluss im Magnetkreis verändert. Hierzu können das mindestens eine Magnetelement und das mindestens eine Einstellelement parallel oder in Reihe geschaltet sein. Der magnetische Fluss kann einmalig eingestellt oder mehrfach oder kontinuierlich geändert werden. Hierzu kann das Einstellelement manuell oder automatisch gedehnt und/oder gestaucht werden. Es ist außerdem denkbar, dass die Temperatur des Einstellelementes variiert wird um eine Änderung der Permeabilität und somit des Flusses hervorzurufen. Bevorzugt wird der Magnetkreis mit einer konstanten magnetischen Spannung, insbesondere durch einen Permanentmagneten, versorgt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die magnetische Spannung mittels eines Elektromagneten erzeugt und/oder zusätzlich variiert wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der magnetische Fluss im Magnetkreis durch Dehnung oder Stauchung des Einstellelementes eingestellt wird. Insbesondere erfolgt die Dehnung bzw. Stauchung manuell, beispielsweise mittels einer manuellen Stelleinrichtung, beispielsweise einer Stellschraube, oder automatisch, beispielsweise mittels eines Aktors. Es ist denkbar, dass die Einstellung computergesteuert erfolgt. Insbesondere können hierzu die dehnungs- bzw. stauchungsabhängigen Magnetisierungskurven zur Steuerung verwandt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Änderung des magnetischen Flusses die Flussdichte in dem mindestens einen Luftspalt verändert wird und dadurch die Kraft auf einen ferromagnetischen Anker eingestellt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Einstellelement mit einer definierten mechanischen Last vorgespannt wird, um eine ungewollte Dehnung oder Stauchung des Einstellelementes zu verhindern. Um zu verhindern, dass das Einstellelement selbst unter Einwirkung der herrschenden Magnetfelder gestaucht oder gedehnt wird, kann das Einstellelement mit einer definierten mechanischen Last vorgespannt werden. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass das Einstellelement eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist, die eine genügend hohe innere Reibung aufweist, um eine entsprechende Verformung des Einstellelements zu verhindern.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Figurenliste

1 zeigt einen Magnetkreis mit einer Steuerungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Ersatzschaltplan für den in 1 dargestellten Magnetkreis gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Magnetkreis mit einer Steuerungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen Ersatzschaltplan für den in 1 dargestellten Magnetkreis gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist ein Magnetkreis 1 mit einer Steuerungsvorrichtung 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Magnetkreis 1 verfügt über ein Magnetelement 3 zur Erzeugung einer magnetischen Spannung im Magnetkreis 1. Das Magnetelement 3 ist als Permanentmagnet ausgeführt und erzeugt somit eine konstante magnetische Spannung. Dem Magnetelement 3 ist eine Steuerungsvorrichtung 2 nachgeschaltet. Diese weist ein Einstellelement 4 sowie eine Stellachse 5 auf. Das Einstellelement 4 weist eine magnetische Formgedächtnislegierung auf. Die Stellachse 5 ist manuell oder automatisch bedienbar. Mittels der Stellachse 5 wird eine Dehnung und/oder Stauchung des Einstellelements 4 bewirkt. Durch Dehnung oder Stauchung ist es möglich, die relative Permeabilität oder Permeabilitätszahl der magnetischen Formgedächtnislegierung in einem Bereich, bevorzugt zwischen 1 und 100, besonders bevorzugt zwischen 2 und 60, zu variieren. Diese Variation in der Permeabilität resultiert in einer Änderung des magnetischen Flusses. Zur Dehnung und/oder Stauchung weist die Stellachse 5 beispielsweise eine manuelle Stellvorrichtung, beispielsweise eine Stellschraube, oder einen Aktor auf. Der Magnetkreis 1 weist einen Eisenkreis 6 zur Führung des magnetischen Flusses auf. Luftspalte 7a, 7b stellen einen zusätzlichen magnetischen Widerstand dar. Der Eisenkreis 6 ist somit nicht geschlossen, sondern geöffnet und besteht aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil. Im ersten Teil sind das als Permanentmagnet ausgeführte Magnetelement 3 und die Steuerungsvorrichtung 2 angeordnet. Der zweite Teil weist einen ferromagnetischen Anker 8 auf. Durch die mittels Stauchung oder Dehnung verursachte Änderung des magnetischen Flusses im Eisenkreis 6 wird eine Änderung der magnetischen Flussdichte in den Luftspalten 7a, 7b bewirkt. Somit ist es vorteilhaft möglich, durch Dehnung und/oder Stauchung Flussdichten in den Luftspalten 7a, 7b gezielt einzustellen. Beispielsweise können die Flussdichten mittels des Einstellelements 4 um 10 - 20 % variiert werden. Um zu verhindern, dass sich das Einstellelement 4 ungewollt im Magnetfeld des Magnetelements 3 verformt, kann das Einstellelement 4 mit einer definierten Last mechanisch vorgespannt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine magnetische Formgedächtnislegierung verwandt werden, die eine ausreichend hohe innere Reibung aufweist und somit im herrschenden Magnetfeld nicht verformt werden kann. Dem Magnetkreis 1 muss also einzig zum Einstellen der Steuerungsvorrichtung 2, d.h. zur Dehnung oder Stauchung des Einstellelements 4, Energie zugeführt werden. Im stationären Betrieb ist keine Energiezufuhr notwendig. Die linke Abbildung zeigt den Magnetkreis 1 in einer ersten Stellung der Steuerungsvorrichtung 2. Das Einstellelement 4 wird mittels der Stellachse 5 gedehnt. Hierdurch verringert sich der magnetische Widerstand des Einstellelements 4. Bei gleichbleibender, durch den Permanentmagneten 3 erzeugter magnetischer Spannung wird hierdurch der magnetische Fluss im Magnetkreis 1 erhöht. Somit steigt auch die magnetische Flussdichte in den Luftspalten 7a, 7b und damit die auf den Anker 8 wirkende Kraft. Wird hingegen wie in der rechten Abbildung dargestellt das Einstellelement 4 mittels der Stellachse 5 gestaucht, so erhöht sich der magnetische Widerstand des Einstellelements 4. Entsprechend sinkt der magnetische Fluss im Magnetkreis 1, die magnetische Flussdichte in den Luftspalten 7a, 7b nimmt ab und damit auch die auf den Anker 8 wirkende Kraft. Es wird so beispielhaft gezeigt, wie mittels einer auf einer magnetischen Formgedächtnislegierung beruhenden Steuerungsvorrichtung der magnetische Fluss in einem Magnetkreis flexibel, einfach und verschleißarm geregelt werden kann. Dabei ist der stationäre Betrieb verlustfrei.
In 2 ist ein Ersatzschaltplan für den in 1 dargestellten Magnetkreis 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere sind in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform das Magnetelement 3 und das Einstellelement 4 in Reihe geschaltet. Das Magnetelement 3 ist die Spannungsquelle VPM des Magnetkreises 1. Das Einstellelement 4 wirkt als variabler magnetischer Widerstand R_MSM , der mittels der Stellachse 5 variiert werden kann. Zusätzlich wirken die Luftspalte 7a, 7b als magnetische Widerstände R_Luft . Durch Dehnung und Stauchung des Einstellelements 4 wird der magnetische Widerstand R_MSM variiert. Hierdurch verändert sich der magnetische Fluss im Magnetkreis 1 und somit auch die magnetische Flussdichte in den Luftspalten 7a, 7b.
In 3 ist ein Magnetkreis 1 mit einer Steuerungsvorrichtung 2 gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Magnetkreis 1 verfügt über ein Magnetelement 3 zur Erzeugung einer magnetischen Spannung im Magnetkreis 1. Das Magnetelement 3 ist als Permanentmagnet ausgeführt und erzeugt somit eine konstante magnetische Spannung. Dem Magnetelement 3 ist eine Steuerungsvorrichtung 2 parallel geschaltet. Diese weist ein Einstellelement 4 sowie eine Stellachse 5 auf. Das Einstellelement 4 weist eine magnetische Formgedächtnislegierung auf. Die Stellachse 5 ist manuell oder automatisch bedienbar. Mittels der Stellachse 5 wird eine Dehnung und/oder Stauchung des Einstellelements 4 bewirkt. Durch Dehnung oder Stauchung ist es möglich, die relative Permeabilität oder Permeabilitätszahl der magnetischen Formgedächtnislegierung in einem Bereich, bevorzugt zwischen 1 und 100, besonders bevorzugt zwischen 2 und 60, zu variieren. Diese Variation in der Permeabilität resultiert in einer Änderung des magnetischen Flusses. Zur Dehnung und/oder Stauchung weist die Stellachse 5 beispielsweise eine manuelle Stellvorrichtung, beispielsweise eine Stellschraube, oder einen Aktor auf. Der Magnetkreis 1 weist einen Eisenkreis 6 zur Führung des magnetischen Flusses auf. Luftspalte 7a, 7b stellen einen zusätzlichen magnetischen Widerstand dar. Der Eisenkreis 6 ist somit nicht geschlossen, sondern geöffnet und besteht aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil. Im ersten Teil sind das als Permanentmagnet ausgeführte Magnetelement 3 und die Steuerungsvorrichtung 2 angeordnet. Der zweite Teil weist einen ferromagnetischen Anker 8 auf. Das Einstellelement 4 und das Magnetelement 3 bilden einen ersten Teilkreis des Magnetkreises 1 und das Magnetelement 3 mit den durch die Luftspalte 7a, 7b gebildeten Widerständen einen zweiten Teilkreis des Magnetkreises 1. Der magnetische Fluss im ersten und zweiten Teilkreis hängt von den in den jeweiligen Teilkreisen vorliegenden Widerständen ab. Durch die Stauchung oder Dehnung des Einstellelements 4 wird der magnetische Widerstand im ersten Teilkreis erhöht bzw. reduziert. Es kommt somit zu einer Reduzierung bzw. Erhöhung des magnetischen Flusses im ersten Teilkreis und einer entsprechenden Erhöhung bzw. Reduzierung des magnetischen Flusses im zweiten Teilkreis. Der magnetische Fluss im zweiten Teilkreis bestimmt wiederum die magnetische Flussdichte in den Luftspalten 7a, 7b und somit die Kraft auf den Anker 8. Somit ist es vorteilhaft möglich, durch Dehnung und/oder Stauchung Flussdichten in den Luftspalten 7a, 7b gezielt einzustellen. Insbesondere kann auf diese Art und Weise ein definierter Kurzschlusspfad zur Verfügung gestellt werden. Um zu verhindern, dass sich das Einstellelement 4 ungewollt im Magnetfeld des Magnetelements 3 verformt, kann das Einstellelement 4 mit einer definierten Last mechanisch vorgespannt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine magnetische Formgedächtnislegierung verwandt werden, die eine ausreichend hohe innere Reibung aufweist und somit im herrschenden Magnetfeld nicht verformt werden kann. Dem Magnetkreis 1 muss also einzig zum Einstellen der Steuerungsvorrichtung 2, d.h. zur Dehnung oder Stauchung des Einstellelements 4, Energie zugeführt werden. Im stationären Betrieb ist keine Energiezufuhr notwendig. Die linke Abbildung zeigt den Magnetkreis 1 in einer ersten Stellung der Steuerungsvorrichtung 2. Das Einstellelement 4 wird mittels der Stellachse 5 gestaucht. Hierdurch erhöht sich der magnetische Widerstand des Einstellelements 4. Bei gleichbleibender, durch den Permanentmagneten 3 erzeugter magnetischer Spannung wird hierdurch der magnetische Fluss im ersten Teilkreis reduziert, im zweiten Teilkreis erhöht. Der Großteil des magnetischen Flusses wird über die Luftspalte 7a, 7b geführt. Somit steigt die magnetische Flussdichte in den Luftspalten 7a, 7b und damit die auf den Anker 8 wirkende Kraft. Wird hingegen wie in der rechten Abbildung dargestellt das Einstellelement 4 mittels der Stellachse 5 gedehnt, so reduziert sich der magnetische Widerstand des Einstellelements 4. Entsprechend sinkt der magnetische Fluss im zweiten Teilkreis, die magnetische Flussdichte in den Luftspalten 7a, 7b nimmt ab und damit auch die auf den Anker 8 wirkende Kraft. Der Großteil des magnetischen Flusses fließt hierbei über das Einstellelement 4. Es wird so beispielhaft gezeigt, wie mittels einer auf einer magnetischen Formgedächtnislegierung beruhenden Steuerungsvorrichtung der magnetische Fluss in einem Magnetkreis flexibel, einfach und verschleißarm eingestellt und variiert werden kann. Dabei ist der stationäre Betrieb verlustfrei. Die in der Parallelschaltung durch Dehnung bzw. Stauchung des Einstellelements 4 bewirkte Kraftänderung auf den Anker 8 liegt bei über 50%, bevorzugt über 25%.
In 4 ist ein Ersatzschaltplan für den in 3 dargestellten Magnetkreis 1 gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere sind in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform das Magnetelement 3 und das Einstellelement 4 parallel geschaltet. Das Magnetelement 3 ist die Spannungsquelle VPM des Magnetkreises 1 mit definiertem Widerstand R_PM . Das Einstellelement 4 wirkt als variabler magnetischer Widerstand R_MSM , der mittels der Stellachse 5 variiert werden kann. Zusätzlich wirken die Luftspalte 7a, 7b als magnetische Widerstände R_Luft . Der variable magnetische Widerstand R_MSM ist in einem ersten Teilkreis angeordnet, die Widerstände R_Luft in einem zweiten Teilkreis. Durch Dehnung und Stauchung des Einstellelements 4 wird der magnetische Widerstand R_MSM variiert. Hierdurch verändert sich der magnetische Fluss im ersten und zweiten Teilkreis und somit auch die magnetische Flussdichte in den Luftspalten 7a, 7b.
Bezugszeichenliste

1: Magnetkreis
2: Steuerungsvorrichtung
3: Magnetelement zur Erzeugung einer magnetischen Spannung
4: Einstellelement
5: Stellachse
6: Eisenkreis
7: Luftspalt
8: Anker
V_PM: Magnetische Spannung des Magnetelements
R_PM: Magnetischer Widerstand des Magnetelements
R_Luft: Magnetischer Widerstand des Luftspalts
R_MSM: Magnetischer Widerstand des Einstellelements

Claims

Aktor mit einem Magnetkreis (1) mit einer Steuerungsvorrichtung (2) für den Magnetkreis (1), wobei die Steuerungsvorrichtung (2) ein Einstellelement (4) zur Einstellung des magnetischen Widerstands des Magnetkreises (1) aufweist, wobei das Einstellelement (4) eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist und der Magnetkreis (1) mindestens ein Magnetelement (3) zur Erzeugung einer magnetischen Spannung im Magnetkreis (1) aufweist, wobei bei gegebener magnetischer Spannung durch mechanische Dehnung und/oder Stauchung des Einstellelementes (4) der magnetische Fluss in dem Magnetkreis variiert wird.
Aktor nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsvorrichtung (2) mindestens eine Stellachse (5) zur Dehnung und/oder Stauchung des Einstellelementes (4) aufweist.
Aktor nach Anspruch 2, wobei die Stellachse (5) eine manuelle Stellvorrichtung, beispielsweise eine Stellschraube, und/oder einen Aktor aufweist.
Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Magnetelement (3) einen Permanentmagneten umfasst.
Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetkreis (1) mindestens einen Eisenkreis (6) zur Führung des magnetischen Flusses aufweist.
Aktor nach Anspruch 5, wobei der Eisenkreis (6) mindestens einen magnetischen Widerstand in Form eines Luftspalts (7) aufweist.
Aktor nach Anspruch 6, wobei der Magnetkreis (1) mindestens einen ferromagnetischen Anker (8) aufweist.
Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Magnetelement (3) und das Einstellelement (4) in Reihe geschaltet sind.
Aktor nach Ansprüche 1 bis 7, wobei das mindestens eine Magnetelement (3) und das Einstellelement (4) parallel geschaltet sind.
Verfahren zur Steuerung des magnetischen Widerstandes eines Magnetkreises (1) eines Aktors nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei mittels des mindestens einen Magnetelements (3) eine magnetische Spannung im Magnetkreis (1) erzeugt wird, wobei der magnetische Fluss mittels der Steuerungsvorrichtung (2) eingestellt wird, wobei der magnetische Fluss im Magnetkreis (1) durch Dehnung oder Stauchung des Einstellelementes (4) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei durch die Änderung des magnetischen Flusses die Flussdichte in dem mindestens einen Luftspalt (7) verändert wird und dadurch die Kraft auf den ferromagnetischen Anker (8) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, wobei das Einstellelement (4) mit einer definierten mechanischen Last vorgespannt wird, um eine ungewollte Dehnung oder Stauchung des Einstellelementes (4) zu verhindern.