DE102017217946B4 - Aktuatorvorrichtung zur leistungslosen Gewichtskraftkompensation - Google Patents

Abstract

Aktuatorvorrichtung (1) zur Einstellung einer die Gewichtskraft kompensierenden Kraft aufweisend mindestens einen Permanentmagneten (8) zur Erzeugung der kompensierenden Kraft, aufweisend weiter ein erstes Stellelement (2) zur Einstellung der kompensierenden Kraft in mindestens einem definierten Angriffspunkt, wobei das erste Stellelement (2) einen ersten Stellkörper (4) und einen ersten Aktor (6) zur Längenvariation des ersten Stellkörpers (4) aufweist, wobei der erste Stellkörper (4) eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist und derart angeordnet ist, dass eine Längenvariation des ersten Stellkörpers (4) eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten (8) bewirkt und wobei der erste Aktor (6) ein erstes Magnetelement zur Erzeugung eines ersten definierten magnetischen Feldes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorvorrichtung ein zweites Stellelement (3) zur Einstellung der kompensierenden Kraft mindestens in dem definierten Angriffspunkt aufweist, wobei das zweite Stellelement (3) einen zweiten Stellkörper (5) und einen zweiten Aktor (7) zur Längenvariation des zweiten Stellkörpers (5) aufweist, wobei der zweite Stellkörper (5) eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist und das zweite Stellelement (3) derart angeordnet ist, dass eine Expansion des zweiten Stellkörpers (5) in einer zu einer Expansionsrichtung des ersten Stellkörpers (4) entgegengesetzten Richtung erfolgt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung zur Einstellung einer die Gewichtskraft, kompensierenden, leistungslos haltenden Kraft, aufweisend mindestens einen Permanentmagneten zur Erzeugung der kompensierenden Kraft, aufweisend weiter ein erstes Stellelement zur Einstellung der kompensierenden Kraft in mindestens einem definierten Angriffspunkt, wobei das erste Stellelement einen ersten Stellkörper und einen ersten Aktor zur Längenvariation des ersten Stellkörpers aufweist.
• STAND DER TECHNIK
• Zur exakten Positionierung im Raum werden Aktuatorvorrichtungen eingesetzt. Hierbei ist es insbesondere bei einer Positionierung in der Vertikalen, d.h. parallel oder anti-parallel zum Gravitationsfeld, notwendig, die auf das zu positionierende Objekt wirkende Gewichtskraft zu kompensieren. Idealerweise erfolgt die Aufnahme der Gewichtskraft leistungslos. Insbesondere bei Präzisionsanwendungen wird darüber hinaus eine berührungslose Gewichtskraftkompensation gefordert, so dass hier in der Regel Permanentmagnete zum Einsatz kommen. Diese sind fest im Raum und/oder am zu positionierenden Objekt befestigt und so ausgelegt, dass sie eine definierte Kompensationskraft an einem definierten Punkt im Raum erzeugen und in diesem die wirkende Gewichtskraft vollständig aufheben. Nachteilig an einer solchen fixen Anordnung ist, dass eine Gewichtskraftkompensation bei Laständerung oder bei Änderung der Sollposition des Objektes nicht oder nur schwer möglich ist. Insbesondere kommt es bei bisherigen auf Permanentmagneten basierenden Vorrichtungen, die ein aktives Verstellen (durch eine Positionsänderung) des Permanentmagneten und somit der kompensierenden Kraft ermöglichen, durch den Verstellmechanismus zu Verschleiß und damit zur Verunreinigung durch Partikel im System. Dies ist insbesondere bei Präzisionsanwendungen wie beispielsweise Magnetschwebesystemen nicht gewünscht und von Nachteil.
• Aus dem Stand der Technik sind Aktuatorvorrichtungen bekannt. Beispielsweise offenbaren DE 10 2012 107 014 A1 und DE 10 2012 108 568 A1 eine Aktuatorvorrichtung mit einer Stößeleinheit, die ein magnetisch wirksames Formgedächtnislegierungsmaterial aufweist. Durch Bestromung einer Spuleneinheit wird eine Längenvariation der Stößeleinheit bewirkt. An der Stößeleinheit angeordnete Permanentmagneten wirken mit der Spuleneinheit zusammen als Rückstellmittel.
• OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aktuatorvorrichtung zur berührungslosen und leistungslosen Gewichtskraftkompensation zur Verfügung zu stellen, die eine flexible, partikelfreie Einstellung der kompensierenden Kraft erlaubt und dennoch im stationären Zustand leistungslos betrieben werden kann.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 1.
• Hierdurch wird vorteilhaft eine Aktuatorvorrichtung zur Verfügung gestellt, die die Gewichtskraft eines zu positionierendes Objektes leistungslos und berührungslos kompensieren kann. Gleichzeitig kann die von der Aktuatorvorrichtung zur Verfügung gestellte kompensierende Kraft mittels des ersten Stellelements flexibel eingestellt werden. Damit kann die kompensierende Kraft an Laständerungen und Änderungen der Sollposition des zu positionierenden Objekts angepasst werden. Insbesondere tritt hierbei kein Verschleiß an der Aktuatorvorrichtung oder an dem ersten Stellelement auf, so dass die Einstellung der Gewichtskraftkompensation partikelfrei erfolgen kann.
• Magnetische Formgedächtnislegierungen (engl.: magnetic shape memory alloys) sind Formgedächtnislegierungen, die unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes eine wesentliche Formänderung zeigen. 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. Es ist diese Eigenschaft, die es dem erfindungsgemäßen ersten Stellkörper erlaubt, eine innere Haltekraft zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein im Raum positioniertes Objekt gegen die wirkenden Gewichtskraft leistungslos gehalten werden kann.
• Insbesondere erfolgt die Einstellung der kompensierenden Kraft durch die Variation des Abstands zwischen zu positionierendem Objekt und Permanentmagnet. Dabei ist es sowohl denkbar, dass die Aktuatorvorrichtung auf anziehenden Magnetkräften oder auf abstoßenden oder auf einer Kombination aus anziehenden und abstoßenden Magnetkräften beruht. Die Gewichtskraftkompensation kann also sowohl durch magnetische Anziehung zwischen Permanentmagnet und zu positionierendem Objekt als auch durch magnetische Abstoßung zwischen Permanentmagnet und zu positionierendem Objekt erfolgen. Das zu positionierende Objekt ist dabei bevorzugt ferro- oder permanentmagnetisch oder weist mindestens ein ferro- oder permanentmagnetisches Element auf.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Stellkörper derart angeordnet ist, dass eine Längenvariation des ersten Stellkörpers eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten, insbesondere in einer Richtung parallel oder antiparallel zur Gravitationskraft, bewirkt. Durch die Lageveränderung des Permanentmagneten wird bevorzugt der Abstand zwischen zu positionierendem Objekt und Permanentmagnet verändert. Durch die Veränderung des Abstands wird die aufgrund des durch den Permanentmagneten auf das zu positionierende Objekt wirkende kompensierende Kraft variiert.
• Erfindungsgemäß weist der erste Aktor in einer bevorzugten Ausführungsform ein erstes Magnetelement zur Erzeugung eines ersten definierten magnetischen Feldes auf. Das erste Magnetelement ist beispielsweise ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Magnetelement eine Aktorspule auf. Insbesondere ist das mittels des ersten Aktors erzeugte Magnetfeld geeignet, eine Formveränderung, insbesondere Längenvariation, des ersten Stellkörpers zu erzeugen welcher dieser dann leistungslos beibehält. Diese Längenvariation erfolgt bevorzugt in der Vertikalen.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Aktuatorvorrichtung ein zweites Stellelement zur Einstellung der kompensierenden Kraft mindestens in dem definierten Angriffspunkt aufweist, wobei das zweite Stellelement einen zweiten Stellkörper und einen zweiten Aktor zur Längenvariation des zweiten Stellkörpers aufweist, wobei der zweite Stellkörper eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist und das zweite Stellelement derart angeordnet ist, dass eine Expansion des zweiten Stellkörpers in einer zu einer Expansionsrichtung des ersten Stellkörpers entgegengesetzten Richtung erfolgt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Stellkörper derart angeordnet, dass eine Expansion des ersten Stellkörpers eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten in eine erste Richtung, insbesondere parallel zur Gravitationskraft, bewirkt und eine Expansion des zweiten Stellkörpers eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten in eine der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, insbesondere antiparallel zur Gravitationskraft, bewirkt. Insbesondere sind der erste und zweite Stellkörper antagonistisch angeordnet. Bevorzugt bewirkt der erste Stellkörper bei maximaler Expansion eine Auslenkung des Permanentmagneten in eine erste, beispielsweise untere, Endlage und der zweite Stellkörper bei maximaler Expansion eine Auslenkung des Permanentmagneten in eine zweite, beispielsweise obere, Endlage. Es ist somit vorteilhaft möglich, durch den Betrieb des ersten und zweiten Aktors sämtliche Positionen zwischen der ersten und zweiten Endlage einzustellen. Besonders vorteilhaft ist, dass durch die Verwendung zweier Stellkörper mit magnetischen Formgedächtnislegierungen die innere Haltekraft der Aktuatorvorrichtung verdoppelt wird, womit höhere Gewichtskräfte leistungslos gehalten werden können.
• Dabei ist denkbar, dass der zweite Aktor in einer bevorzugten Ausführungsform ein zweites Magnetelement zur Erzeugung eines zweiten definierten magnetischen Feldes aufweist. Das zweite Magnetelement ist beispielsweise ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Magnetelement eine Aktorspule auf.
• Bevorzugt ist die Aktuatorvorrichtung so ausgeführt, dass die Aktuatorvorrichtung eine mechanische Übersetzung zur Vergrößerung des einstellbaren Kompensationskraftbereichs aufweist. Insbesondere umfasst die mechanische Übersetzung einen Hebel.
• Bevorzugt weist die Aktuatorvorrichtung eine Vorrichtung zur Vorspannung des mindestens einen Permanentmagneten auf. Dabei kann der Permanentmagnet mittels einer mechanischen oder einer magnetischen Feder vorgespannt sein. Somit sind der erste und zweite Stellkörper in der Mittelposition, d.h. ohne Längenänderung, bevorzugt kraftfrei gelagert. Eine Aufnahme von Kräften durch die Stellkörper muss nur bei Auslenkung aus der Mittelposition erfolgen.
• Gemäß eines nicht-erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewichtskraftkompensation mit einer nicht-erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung zur Einstellung einer die Gewichtskraft kompensierenden Kraft, aufweisend mindestens einen Permanentmagneten (8) zur Erzeugung der kompensierenden Kraft, aufweisend weiter ein erstes Stellelement (2) zur Einstellung der kompensierenden Kraft in mindestens einem definierten Angriffspunkt, wobei das erste Stellelement (2) einen ersten Stellkörper (4) und einen ersten Aktor (6) zur Längenvariation des ersten Stellkörpers (4) aufweist, wobei der erste Stellkörper (4) eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist und derart angeordnet ist, dass eine Längenvariation des ersten Stellkörpers (4) eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten (8) bewirkt und wobei der erste Aktor (6) ein erstes Magnetelement zur Erzeugung eines ersten definierten magnetischen Feldes aufweist, wird mittels des ersten Aktors ein Magnetfeld erzeugt, wobei der erste Stellkörper unter Einwirkung des Magnetfeldes sein Länge verändert, wobei die Längenänderung des ersten Stellkörpers eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten, insbesondere in einer Richtung parallel oder antiparallel zum Gravitationsfeld, bewirkt und hierdurch eine Änderung der durch den Permanentmagneten an einem definierten Punkt erzeugten kompensierenden Kraft bewirkt wird. Das nicht-erfindungsgemäße Verfahren setzt die Vorteile der nicht-erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung auf Verfahrensebene um. Insbesondere ist es mittels des nicht-erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, die Gewichtskraftkompensation berührungslos und im stationären Betrieb leistungslos durchzuführen und die Gewichtskraftkompensation dennoch an Laständerungen oder Änderungen der Sollposition des zu positionierenden Objekts verschleißfrei, d.h. partikelfrei, anzupassen.
• Insbesondere bleibt die Längenänderung des ersten Stellkörpers nach Abschalten des ersten Aktors erhalten, so dass die Gewichtskraftkompensation leistungslos erfolgt.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Gewichtskraftkompensation mit einer Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 10, wobei mittels des ersten Aktors ein erstes Magnetfeld erzeugt wird, wobei der erste Stellkörper unter Einwirkung des ersten Magnetfeldes seine Länge verändert, wobei die Längenänderung des ersten Stellkörpers eine erste Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten, insbesondere in einer Richtung parallel oder antiparallel zum Gravitationsfeld, bewirkt und wobei mittels des zweiten Aktors ein zweites Magnetfeld erzeugt wird, wobei der zweite Stellkörper unter Einwirkung des zweiten Magnetfeldes seine Länge verändert, wobei die Längenänderung des zweiten Stellkörpers eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten, insbesondere in einer Richtung entgegengesetzt zur ersten Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten bewirkt und hierdurch ein Änderung der durch den Permanentmagneten an einem definierten Punkt erzeugten kompensierenden Kraft bewirkt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt alle oben genannten Vorteile der Aktuatorvorrichtung auf Verfahrensebene um.
• Insbesondere bleibt die Längenänderung des zweiten Stellkörpers nach Abschalten des zweiten Aktors erhalten, so dass die Gewichtskraftkompensation leistungslos erfolgt
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Permanentmagnet mittels einer Vorrichtung, insbesondere einer magnetischen oder mechanischen Feder, vorgespannt wird.
• 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 eine nicht-erfindungsgemäße Aktuatorvorrichtung.
• 2 zeigt eine Aktuatorvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Einstellung einer Kompensationskraft gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 3 zeigt eine Aktuatorvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 4 zeigt eine Aktuatorvorrichtung gemäß einer alternativen 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 eine nicht-erfindungsgemäße Aktuatorvorrichtung 1 dargestellt. Die Aktuatorvorrichtung 1 ist bevorzugt geeignet, die Gewichtskraft von Objekten im Raum exakt zu kompensieren. Insbesondere bei einer Positionierung in der Vertikalen, d.h. parallel oder anti-parallel zum Gravitationsfeld, muss die Aktuatorvorrichtung 1 die Gewichtskraft F_G des zu positionierenden Objekts 9 aufnehmen. Hierbei wird ein leistungsloses Halten des Objekts 9 angestrebt: Nach der Positionierung des Objekts 9 ist idealerweise keine Energiezufuhr notwendig, um das Objekt 9 im Gravitationsfeld zu halten. Insbesondere bei Präzisionsanwendungen, wie beispielsweise Magnetschwebesystemen, werden weitere Anforderungen an die Aktuatorvorrichtung 1 gestellt. Die Kompensation soll idealerweise berührungslos und partikelfrei erfolgen. Die Aktuatorvorrichtung 1 weist einen Permanentmagneten 8 auf. Der Permanentmagnet 8 erzeugt ein zeitlich konstantes, definiertes Magnetfeld. Insbesondere erzeugt der Permanentmagnet 8 ein definiertes magnetisches Feld am Ort eines Objektes 9. Das Objekt 9 ist derart ausgeführt, dass es in einem magnetischen Feld eine Kraft erfährt. Insbesondere ist das Objekt 9 ferromagnetisch oder permanent magnetisch und/oder weist ein ferromagnetisches oder permanent magnetisches Element auf. Das Objekt 9 wird unter dem Einfluss der wirkenden Gravitationskraft aufgrund seiner Gewichtskraft F_G beschleunigt. Ziel der Aktuatorvorrichtung 1 ist es, die auf das Objekt 9 wirkende Gewichtskraft F_G zu kompensieren und dadurch eine Beschleunigung des Objekts 9 im Gravitationsfeld zu verhindern. Insbesondere wird durch die Aktuatorvorrichtung 1 eine kompensierende Kraft zur Verfügung gestellt, die in mindestens einem definierten Angriffspunkt die auf das Objekt 9 wirkende Gewichtskraft F_G ausgleicht. Insbesondere muss die kompensierende Kraft bei Laständerung, d.h. Änderung der Gewichtskraft F_G des Objekts 9 oder des Objekts 9 selbst, sowie bei Änderung der Sollposition des Objekts 9 angepasst und neu eingestellt werden. Die auf das Objekt 9 wirkende kompensierende Kraft kann durch eine Änderung des Abstands zwischen Permanentmagnet 8 und Objekt 9 variiert werden. Insbesondere ist die Aktuatorvorrichtung 1 derart ausgeführt, dass die Gewichtskraftkompensation berührungslos erfolgt. Der Abstand wird erfindungsgemäß mittels eines ersten Stellelements 2 eingestellt. Das erste Stellelement 2 weist hierzu einen ersten Stellkörper 4 und einen auf den ersten Stellkörper 4 wirkenden ersten Aktor 6 auf. Der erste Aktor 6 wirkt mittels eines Magnetfelds oder einer Stellkraft F_Stell auf den ersten Stellkörper 4 ein. Dies kann beispielsweise durch einen elektrodynamischen oder elektromagnetischen ersten Aktor 6 geschehen. Es ist jedoch auch denkbar, dass der erste Aktor 6 eine thermische Formgedächtnislegierung aufweist. Diese haben den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer hohen Energiedichte einen geringen Bauraumbedarf haben. Der erste Stellkörper 4 weist eine magnetische Formgedächtnislegierung auf. Diese hat die Eigenschaft sich unter Einwirkung eines Magnetfeldes auszudehnen oder zusammenzuziehen. Der erste Aktor 6 erzeugt bevorzugt ein erstes Magnetfeld, das auf den ersten Stellkörper 4 wirkt. Unter der Einwirkung des ersten Magnetfeldes ändert der erste Stellkörper 4 seine Länge. Bevorzugt ist der erste Stellkörper 4 so angeordnet, dass eine Längenänderung in vertikaler Richtung, d.h. parallel oder anti-parallel zum Gravitationsfeld erfolgt. Die Längenänderung des ersten Stellkörpers 4 bewirkt hinwiederum eine Lageveränderung des Permanentmagneten 8. Bevorzugt wird durch eine Längenänderung des ersten Stellkörpers 4 eine Veränderung der Position des ersten Permanentmagneten 8 in vertikaler Richtung, d.h. parallel oder anti-parallel zum Gravitationsfeld, bewirkt. Die Lageveränderung des Permanentmagneten 8 verändert den Abstand, insbesondere den vertikalen Abstand, zwischen Permanenmagnet 8 und Objekt 9. Es wird hierdurch die kompensierende Kraft F_PM verändert und eingestellt. Entscheidend ist hierbei, dass magnetische Formgedächtnislegierungen im Kraft-Weg-Diagramm eine interne Hysteresescheife durchlaufen, d.h. das es existiert ein Bereich, in dem eine Änderung der Kraft auf die magnetische Formgedächtnislegierung keine Längenänderung der magnetischen Formgedächtnislegierung bewirkt. Liegt also die an dem ersten Stellkörper aufgrund der Gewichtskraft F_G des Objekts 9 anliegende Last innerhalb dieses Bereiches, wird die anliegende Last aufgrund dieser internen Haltekraft F_MSM gehalten. Auf Basis dieser Eigenschaft wird es durch die vorliegend beschriebene Aktuatorvorrichtung 1 ermöglicht, die Gewichtskraft von Objekt 9 aufzunehmen, ohne dass eine konstante Energiezufuhr notwendig wäre. Die Gewichtskraftkompensation erfolgt verlustleistungsfrei und berührungslos. Gleichzeitig ist die kompensierende Kraft flexibel einstellbar und einfach zu variieren. Die beschriebene Aktuatorvorrichtung 1 arbeitet partikelfrei, d.h. ohne dass durch Verschleiß erzeugte Partikel das System verunreinigen. Sie ist deshalb insbesondere für Präzisionsanwendungen, wie beispielsweise Magnetschwebesysteme, geeignet.
• In 2 ist eine Aktuatorvorrichtung 1 und ein entsprechendes Verfahren zur Einstellung einer Kompensationskraft gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform weist die Aktuatorvorrichtung 1 im Vergleich zur nicht-erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung der 1 zusätzlich zum ersten Stellelement 2 ein zweites Stellelement 3 auf. Das erste und zweite Stellelement 2, 3 sind antagonistisch angeordnet. Das erste und zweite Stellelement 2, 3 weisen einen ersten bzw. zweiten Stellkörper 4, 5 und einen ersten bzw. zweiten Aktor 6, 7 auf. Der erste und zweite Stellkörper 4, 5 weisen eine magnetische Formgedächtnislegierung auf, sind also geeignet, unter Einwirkung eines magnetischen Feldes eine Längenänderung zu vollziehen. Bevorzugt erfolgt die Dehnung oder Stauchung des ersten und/oder zweiten Stellkörpers 4, 5 durch den ersten bzw. zweiten Aktor 6, 7 magnetfeldabhängig. D.h. der erste und/oder zweite Aktor 6, 7 sind geeignet ein erstes bzw. zweites Magnetfeld zu erzeugen, in dem sich der erste bzw. zweite Stellkörper 4, 5 dehnt oder verkürzt. Bevorzugt weist der erste Aktor 6 eine erste Aktorspule zur Erzeugung eines ersten Magnetfeldes und der zweite Aktor 7 eine zweite Aktorspule zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes auf. Der erste und zweite Stellkörper 4, 5 sind dabei so angeordnet, dass eine Expansion des ersten Stellkörpers 4 in eine erste Richtung erfolgt und eine Expansion des zweiten Stellkörpers 5 in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung erfolgt. Die beiden Stellkörper 4, 5 wirken somit antagonistisch. Dabei zeigt die linke Abbildung der 2 die Aktuatorvorrichtung 1 in einer ersten Einstellung bei maximaler Expansion des zweiten Stellkörpers 5 und die rechte Abbildung der 2 die Aktuatorvorrichtung 1 in einer zweiten Einstellung bei maximaler Expansion des ersten Stellkörpers 4. In der auf der linken Abbildung dargestellten ersten Einstellung ist die erste Aktorspule des ersten Aktors 6 abgeschaltet. Die zweite Aktorspule des zweiten Aktors 7 erzeugt ein zeitlich begrenzt oder unbegrenztes zweites Magnetfeld, das wiederum eine Längenänderung, insbesondere Dehnung, des zweiten Stellkörpers 5 bewirkt. Die Längenänderung erfolgt bevorzugt in der Vertikalen, d.h. parallel oder anti-parallel zum Gravitationsfeld. In der dargestellten Einstellung ist der zweite Stellkörper 5 beispielsweise maximal gedehnt. Der zweite Stellkörper 5 bewirkt somit eine Kraft auf den Permanentmagneten 8, der diesen aus seiner Ruheposition auslenkt und entgegen dem Gravitationsfeld bewegt. Der Stellkörper 4 wird insbesondere durch die Dehnung des zweiten Stellkörpers 5 kontrahiert. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Aktuatorvorrichtung eine mechanische Übersetzung 10 auf, die geeignet ist, die Kraftübertragung von dem ersten und/oder zweiten Stellkörper 4, 5 auf den Permanentmagneten 8 zu vergrößern. Durch die Längenänderung, beispielsweise Expansion, des zweiten Stellkörpers 5 wird der Abstand zwischen Permanentmagnet 8 und Objekt 9 vergrößert, die kompensierende Kraft also reduziert. Insbesondere wird der Permanentmagnet 8 durch Bestromung der zweiten Aktorspule in eine obere Endlage bewegt. Die rechte Abbildung der 2 zeigt die Aktuatorvorrichtung 1 in einer zweiten Einstellung bei maximaler Kontraktion des ersten Stellkörpers 5. In dieser Einstellung wirkt kein Magnetfeld auf den zweiten Stellkörper 5, die zweite Aktorspule des zweiten Aktors 7 ist abgeschaltet. Die erste Aktorspule des ersten Aktors 6 erzeugt ein zeitlich begrenztes oder unbegrenztes erstes Magnetfeld in dem sich der erste Stellkörper 4 verformt. Beispielsweise expandiert der erste Stellkörper 4 in Richtung des Gravitationsfeldes. Der Stellkörper 5 wird hierdurch gestaucht. Hierdurch wirkt eine Kraft auf den Permanentmagneten 8, die dessen Lage verändert. Beispielsweise wird der Permanentmagnet 8 in Richtung Gravitationsfeldes nach unten bewegt. Dies reduziert wiederum den Abstand zwischen Permanentmagnet 8 und Objekt 9 und vergrößert somit die kompensierende Kraft auf das Objekt 9. Insbesondere wird durch Bestromung der ersten Aktorspule der Permanentmagnet 8 in die untere Endlage bewegt. Zwischen den beiden gezeigten und als erste und zweite Einstellung beschriebenen Maximaleinstellungen sind alle Zwischeneinstellungen möglich. Insbesondere ist es denkbar, dass beide Aktoren 6, 7 betrieben werden und der erste und zweite Stellkörper 4, 5 Längenänderungen durchführen. Sämtliche Mittelpositionen zwischen der oberen und der unteren Endlage sind durch eine Positionsregelung mittels der beiden Aktoren 6, 7 einstellbar. Aufgrund der internen Haltekraft der beiden Formgedächtnislegierungen aufweisenden Stellkörper 4, 5 werden die beiden Stellkörper 4, 5 im stationären Zustand stromlos, d.h. leistungslos, in ihrer Ausdehnung gehalten. Durch die Verwendung eines antagonistisch wirkenden Aktorprinzips wird gleichzeitig die doppelte passive Haltekraft im Vergleich zu einer Ausführung mit nur einem Stellkörper erzeugt, da die doppelte Stellkörperquerschnittsfläche vorliegt.
• In 3 ist eine Aktuatorvorrichtung 1 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der 2 durch eine Modifikation der Vorrichtung 10 mit einer mechanischen Vorspannung 11 a) des Permanentmagneten 8. Durch die Gewichtskraft werden die Stellkörper 4, 5 in der Ausführungsform der 2 nur in einer Richtung konstant durch die Kompensationskraft belastet. Der erste Stellkörper 4 erfährt ausschließlich eine Zugkraft und der zweite Stellkörper 5 erfährt ausschließlich eine Druckkraft aufgrund der Gewichtskraftkompensation. Die maximale Kompensationskraft kann gegenüber der der Ausführungsform der 2 weiter erhöht werden, wenn die Aktuatorvorrichtung 1 wie in 3 beispielhaft dargestellt, eine modifizierte Vorrichtung 11 zum Vorspannen des Permanentmagneten 8 aufweist. Diese ist beispielsweise als mechanische Feder 11 a) ausgeführt. Der Permanentmagnet 8 ist derart vorgespannt, dass in der Mittelposition keine Kraft auf den ersten und zweiten Stellkörper 4, 5 wirkt. Es müssen lediglich die Differenzkräfte bei einer Auslenkung aus der Mittelposition aufgenommen werden.
• In 4 ist eine Aktuatorvorrichtung 1 gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich durch die Ausführungsform der 3 durch die Vorrichtung 11 zum Vorspannen des Permanentmagneten 8. Bevorzugt wird der Permanentmagnet 8 mittels einer magnetischen Feder 11 b) vorgespannt.
• Bezugszeichenliste

1

Aktuatorvorrichtung

2

Erstes Stellelement

3

Zweites Stellelement

4

Erster Stellkörper

5

Zweiter Stellkörper

6

Erster Aktor

7

Zweiter Aktor

8

Permanentmagnet

9

Gewichtskraftkompensationsobjekt

10

Mechanische Übersetzung

11

Vorrichtung zur Vorspannung des Permanentmagneten

11 a)

Vorspannung durch mechanische Feder

11 b)

Vorspannung durch magnetische Feder

12

Rahmen

F_MSM

Interne Haltekraft

F_Stell

Stellaktorkraft

F_PM

Permanentomagnetische Kraft

F_G

Gewichtskraft

F_AK

Permanentmagnetische Ausgleichskraft

Claims (10)

1. Aktuatorvorrichtung (1) zur Einstellung einer die Gewichtskraft kompensierenden Kraft aufweisend mindestens einen Permanentmagneten (8) zur Erzeugung der kompensierenden Kraft, aufweisend weiter ein erstes Stellelement (2) zur Einstellung der kompensierenden Kraft in mindestens einem definierten Angriffspunkt, wobei das erste Stellelement (2) einen ersten Stellkörper (4) und einen ersten Aktor (6) zur Längenvariation des ersten Stellkörpers (4) aufweist, wobei der erste Stellkörper (4) eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist und derart angeordnet ist, dass eine Längenvariation des ersten Stellkörpers (4) eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten (8) bewirkt und wobei der erste Aktor (6) ein erstes Magnetelement zur Erzeugung eines ersten definierten magnetischen Feldes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorvorrichtung ein zweites Stellelement (3) zur Einstellung der kompensierenden Kraft mindestens in dem definierten Angriffspunkt aufweist, wobei das zweite Stellelement (3) einen zweiten Stellkörper (5) und einen zweiten Aktor (7) zur Längenvariation des zweiten Stellkörpers (5) aufweist, wobei der zweite Stellkörper (5) eine magnetische Formgedächtnislegierung aufweist und das zweite Stellelement (3) derart angeordnet ist, dass eine Expansion des zweiten Stellkörpers (5) in einer zu einer Expansionsrichtung des ersten Stellkörpers (4) entgegengesetzten Richtung erfolgt.
2. Aktuatorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Stellkörper (4, 5) derart angeordnet sind, dass eine Expansion des ersten Stellkörpers (4) eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten (8) in eine erste Richtung bewirkt und eine Expansion des zweiten Stellkörpers (5) eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten (8) in eine der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung bewirkt.
3. Aktuatorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Aktor (7) ein zweites Magnetelement zur Erzeugung eines zweiten definierten magnetischen Feldes aufweist.
4. Aktuatorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktuatorvorrichtung (1) eine mechanische Übersetzung (10) zur Vergrößerung des einstellbaren Kompensationskraftbereichs aufweist.
5. Aktuatorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktuatorvorrichtung (1) eine Vorrichtung (11) zur Vorspannung des mindestens einen Permanentmagneten (8) aufweist.
6. Aktuatorvorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung (11) zur Vorspannung mindestens eine mechanische und/oder magnetische Feder aufweist.
7. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation mit einer Aktuatorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des ersten Aktors (6) ein erstes Magnetfeld erzeugt wird, wobei der erste Stellkörper (4) unter Einwirkung des ersten Magnetfeldes seine Länge verändert, wobei die Längenänderung des ersten Stellkörpers (4) eine erste Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten (8) bewirkt und wobei mittels des zweiten Aktors (7) ein zweites Magnetfeld erzeugt wird, wobei der zweite Stellkörper (5) unter Einwirkung des zweiten Magnetfeldes seine Länge verändert, wobei die Längenänderung des zweiten Stellkörpers (5) eine Lageveränderung des mindestens einen Permanentmagneten (8) bewirkt und hierdurch ein Änderung der durch den Permanentmagneten (8) an einem definierten Punkt erzeugten kompensierenden Kraft bewirkt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Längenänderung des zweiten Stellkörpers (5) nach Abschalten des zweiten Aktors (7) erhalten bleibt und damit die Gewichtskraftkompensation leistungslos erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-8, wobei der mindestens eine Permanentmagnet (8) mittels einer Vorrichtung (11) vorgespannt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung (11) eine magnetische oder mechanische Feder aufweist.

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