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Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Aktuator.
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Ein magnetostriktiver Aktuator umfasst eine elektrische Spule zur Bereitstellung eines magnetischen Feldes und ein magnetisches Flusselement, das sich im Inneren der Spule erstreckt. Das Flusselement umfasst ein insbesondere ferromagnetisches Material, das unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes seine Länge verändert. Der zugrunde liegende magnetostriktive Effekt entsteht, wenn sich Weissche Bezirke im Flusselement im Magnetfeld parallel ausrichten. Die Längenänderung des Flusselements hängt in erster Linie von seinem Material ab und kann bis zu 2 mm/m seiner axialen Länge betragen. Eine bekannte Anwendung für einen magnetostriktiven Aktuator ist ein Schallwandler.
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Bestehende magnetostriktive Aktuatoren sind relativ ineffizient und können ein weit streuendes Magnetfeld aufweisen, das ein benachbartes Bauelement stören kann. Dementsprechend können aufwändige und voluminöse Abschirmungen oder Schutzmaßnahmen erforderlich sein, um den Aktuator im Bereich einer elektrischen oder elektronischen Steuerung, beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs, sicher einsetzen zu können.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten magnetostriktiven Aktuators. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Aktuator umfasst eine elektrische Spule mit einer Achse, um die sich Windungen der Spule erstecken; und ein magnetisches Flusselement. Das Flusselement umfasst einen inneren axialen Abschnitt, der sich auf einer Innenseite der Spule entlang der Achse erstreckt, und einen äußeren axialen Abschnitt, der sich auf einer Außenseite der Spule entlang der Achse erstreckt. Dabei sind die axialen Abschnitte dazu eingerichtet, jeweils eine axiale Kraft in Abhängigkeit eines sie durchfließenden Magnetfelds bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein außerhalb der stromdurchflossenen Spule liegendes magnetisches Feld mittels eines weiteren Abschnitts des Flusselements magnetostriktiv genutzt werden kann. Der magnetostriktive Effekt ist von einer Richtung des Magnetfeldes parallel zur Achse unabhängig, sodass der innere Abschnitt in einer anderen Richtung vom Magnetfeld der Spule durchflossen sein kann wie der äußere Abschnitt, und trotzdem beide Abschnitte eine gleichsinnige axiale Längenänderung zeigen. Dadurch kann der Aktuator effizienter arbeiten oder eine größere Stellkraft bereitstellen. Durch den äußeren Abschnitt kann eine radiale Streuung des Magnetfeldes der Spule verringert sein, sodass eine elektromagnetische Verträglichkeit des Aktuators verbessert sein kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verbinden ein erster und ein zweiter Endabschnitt des Flusselements auf unterschiedlichen axialen Seiten der Spule jeweils den inneren und den äußeren axialen Abschnitt in radialer Richtung miteinander. Feldlinien des durch die stromdurchflossene Spule bereitgestellten Magnetfeldes können geschlossen innerhalb des Flusselements verlaufen, sodass eine Streuwirkung weiter reduziert und eine Bündelung verstärkt sein kann.
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In einer Ausführungsform bilden der innere Abschnitt, der äußere Abschnitt und die beiden axialen Abschnitte eine Art Rahmen mit zwei Schenkeln, wobei die Spule um einen der Schenkel gewickelt ist, der im Bereich der Achse liegt. Es können auch mehrere Rahmen vorgesehen sein, die sich in unterschiedliche radiale Richtungen bezüglich der Achse erstrecken.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umgibt der der äußere Abschnitt die Spule rings um ihre Achse. Der äußere Abschnitt kann die Spule radial in jeder Richtung bezüglich der Achse abdecken, sodass eine Streuung des Magnetfeldes in radialer Richtung minimiert sein kann. Dazu kann der äußere Abschnitt beispielsweise nach Art eines Hohlzylinders geformt sein.
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Das Flusselement ist bevorzugt symmetrisch zur Achse geformt. Insbesondere kann das Flusselement drehsymmetrisch ausgeführt sein. Eine Grundfläche des Flusselements kann eine beliebige Form aufweisen, die durch Drehung um einen vorbestimmten Winkel um die Achse auf sich selbst abgebildet werden kann. Dieser Winkel ist ein ganzzahliger Bruchteil des Vollkreises. Beispielsweise kann das Flusselement eine quadratische Grundfläche aufweisen, wobei der Winkel 90° beträgt. Die Grundfläche kann auch anders geformt sein, beispielsweise elliptisch oder polygonal. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Grundfläche kreisrund, sodass das Flusselement um einen beliebigen Winkel um die Achse gedreht und dabei auf sich selbst abgebildet werden kann. In diesem Fall spricht man auch von Rotationssymmetrie des Flusselements.
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Der innere Abschnitt, der äußere Abschnitt und einer der Endabschnitte können trennbar vom anderen Endabschnitt ausgeführt sein. Dabei kann das Flusselement einen becherförmigen Teil und einen deckelförmigen Teil umfassen, die leicht mit der Spule zum Aktuator zusammengefügt werden können. Der becherförmige Teil kann den inneren Abschnitt, den äußeren Abschnitt und einen der Endabschnitte umfassen. In einer Ausführungsform ist der becherförmige Teil einstückig ausgeführt.
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Weiter bevorzugt ist der Aktuator zur Bereitstellung einer axialen Schub- oder Spreizkraft zwischen seinen axialen Enden eingerichtet. Der Aktuator kann so leicht spielfrei zwischen zwei relativ zueinander zu bewegende Elemente eingepasst werden, bevor die Spule von Strom durchflossen ist. Zur Bereitstellung einer Spreizkraft ist ein Material des Flusselements bevorzugt mit einer positiven magnetostriktiven Konstante zu wählen. Allgemein ist üblicherweise bevorzugt, dass ein Betrag der magnetostriktiven Konstante möglichst groß ist. Beispielsweise kann die Terbiumlegierung TbFe2, auch bekannt als Terfenol, verwendet werden, deren magnetostriktive Konstante ca. 1800 × 10-6 beträgt, sodass sie sich um ca. 0,18% entlang der Richtung eines Magnetfelds ausdehnen kann.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Flusselement axial geteilt ausgeführt. Insbesondere kann das Flusselement in einer Ebene senkrecht zur Achse in zwei Teile teilbar sein. Durch die axiale Teilbarkeit kann die Spule verbessert montiert werden. Im Fall einer senkrecht zur Achse verlaufenden Trennungsebene können im Bereich der Trennung nur axiale Kräfte auftreten, sodass die mechanische Effizienz des Aktuators weiter gesteigert sein kann.
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Die Spule kann in einer Ebene senkrecht zur Achse geteilt ausgeführt sein. Beide Teile der Spule können elektrisch parallel oder in Serie miteinander verschaltet werden. In einer Ausführungsform fällt eine Trennebene zwischen den Teilen der Spule mit einer Trennebene zwischen Teilen des Flusselements zusammen. Dabei können axial unterschiedlich lange Teile bereitgestellt sein, die nach Art eines Baukastens miteinander kombiniert werden können, um Aktuatoren unterschiedlicher axialer Längen bereitzustellen. Zur Vereinfachung der Herstellung kann auch nur eine Art Teile hergestellt werden, die axial antiparallel aneinander angebracht werden können, um einen Aktuator zu bilden.
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Ein System umfasst einen hierin beschriebenen Aktuator und eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Aktuator derart anzusteuern, dass eine mechanische Schwingung zwischen axialen Enden des Aktuators verringert wird. Dazu kann die Steuereinrichtung die Schwingung bestimmen und den Aktuator derart ansteuern, dass er an seinen axialen Enden eine zur Schwingung gegenphasige Kraft oder Längenänderung bereitstellt.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 einen magnetostriktiven Aktuator in einer Schnittansicht;
- 2 einen magnetostriktiven Aktuator in einer weiteren Ausführungsform;
- 3 einen magnetostriktiven Aktuator in noch einer weiteren Ausführungsform; und
- 4 einen magnetostriktiven Aktuator in wieder einer weiteren Ausführungsform
darstellt.
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1 zeigt einen magnetostriktiven Aktuator 100, der sich entlang einer Achse 105 erstreckt. Im oberen Bereich von 1 ist ein Längsschnitt und im unteren Bereich ein Querschnitt dargestellt, die im Folgenden gemeinsam erläutert werden. Der Aktuator 100 ist dazu eingerichtet, eine elektrisch steuerbare axiale Stellkraft aufzubringen. Der Aktuator 100 kann beispielsweise zur Kompensation einer Schwingung in einem Material eingesetzt werden. Insbesondere kann der Aktuator 100 zur schwingungstechnischen Isolation eines Motors oder eines Getriebes von einer Umgebung verwendet werden, etwa im Kraftmaschinenbau, bei einer Marine Applikation oder an Bord eines Kraftfahrzeugs.
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Der Aktuator (auch: Aktor) 100 umfasst eine elektrische Spule 110 mit einer Vielzahl Windungen 115, die um die Achse 105 verlaufen, und ein magnetisches Flusselement 120. Die Windungen 115 können von Strom durchflossen werden; eine exemplarische Stromrichtung ist eingezeichnet. Durch den Strom kann sich ein Magnetfeld 125 einstellen, das auf einer Innenseite der Spule 110 in einer ersten axialen Richtung und auf einer Außenseite in einer entgegengesetzten zweiten Richtung fließt, und dessen Richtungen für das vorliegende Beispiel in Figur schematisch angedeutet sind. Symbolhaft wird das Magnetfeld 125 durch Feldlinien 130 beschrieben, die sich innerhalb des Flusselements 120 erstrecken. Das Flusselement 120 ist bevorzugt drehsymmetrisch zur Achse 105 ausgeführt und hat vorliegend eine kreisrunde Grundfläche.
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Das Flusselement 120 umfasst einen inneren axialen Abschnitt 135 und einen äußeren axialen Abschnitt 140, sowie bevorzugt einen ersten Endabschnitt 145 und weiter bevorzugt einen zweiten Endabschnitt 150. Der innere Abschnitt 135 erstreckt sich bevorzugt auf einer radialen Innenseite der Spule 110 koaxial zur Achse 105. In ähnlicher Weise erstreckt sich der äußere Abschnitt 140 bevorzugt auf einer radialen Außenseite der Spule 110 koaxial zur Achse. Dabei deckt der äußere Abschnitt 145 die Spule 110 bevorzugt in allen radialen Richtungen ab. Der äußere Abschnitt 145 kann insbesondere wie dargestellt als gerader Hohlzylinder ausgeführt sein. Der innere Abschnitt 135 und der äußere Abschnitt 140 sind noch weiter bevorzugt aus Materialien hergestellt, die gleiche magnetostriktive Konstanten aufweisen, sodass sich die Abschnitte 134, 140 unter Einfluss eines vorbestimmten Magnetfeldes 125 ungefähr um den gleichen Betrag axial ausdehnen oder stauchen.
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Dieser Effekt, der auch magnetostriktiver Effekt genannt wird, ist von der Richtung des Magnetfeldes 125 parallel zur Achse 105 unabhängig. Durch ihre Längenänderungen können die Abschnitte 135, 140 eine axiale Kraft mit großem Betrag ausüben. Um die Vorzüge des Flusselements 120 bezüglich der Führung des Magnetfeldes 125 zu fördern, kann das Material weichmagnetisch sein, eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte und/oder eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen. Eine maximale Amplitude der Längenänderungen ist abhängig von der Stärke des Magnetfeldes 125 und der magnetostriktiven Konstante des Materials der Abschnitte 135, 140. Für Anwendungen in der Körperschallakustik kann eine gewünschte Amplitude kleiner als 1 µm sein, wobei eine axiale Länge des Aktuators 100 sehr kleine Baugrößen realisiert werden können. Als Material für die Abschnitte 135, 140 des Flusselements 120 kann daher eines ohne herausragende magnetostriktive Konstante gewählt werden, das bevorzugt gleichzeitig in der Lage ist, große axiale Kräfte aufzunehmen. Insbesondere kann das Flusselement 120 aus einem Stahl oder eine Eisenlegierung hergestellt werden.
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Die Endabschnitte 145, 150 sind zwar auch dem magnetostriktiven Effekt ausgesetzt, tragen durch ihre geringeren axialen Ausdehnungen aber weniger zu einem axialen Weg des Aktuators 100 bei. Die Endabschnitte 145, 150 können das Magnetfeld 125 zwischen axialen Enden der Abschnitte 135, 140 übertragen und so dazu beitragen, dass eine nutzbare Feldstärke des Magnetfeldes 125 in den Abschnitten 135, 140 erhöht ist. Ferner kann eine Streuung des Magnetfeldes 125 im Bereich der axialen Enden verringert sein. Weiterhin kann die Spule 120 verbessert gegenüber Umwelteinflüssen geschützt sein.
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Insbesondere wenn beide axiale Endabschnitte 145, 150 vorgesehen sind, ist das Flusselement 120 bevorzugt aus mehreren Teilen montierbar ausgeführt, um die Spule 110 im Flusselement 120 montieren zu können. Dabei sind unterschiedliche Teilungen vorstellbar, von denen einige hierin beschrieben werden. In 1 umfasst ein erstes Teil 155 den inneren Abschnitt 135, den äußeren Abschnitt 140 und den ersten Endabschnitt 145. Der zweite Endabschnitt 150 ist von einem zweiten Teil 160 des Flusselements 120 umfasst. Vorliegend ist der innere Abschnitt 135 an einer axialen Seite um die Dicke des zweiten Teils 160 axial kürzer ausgeführt, sodass das zweite Teil 160 als Vollzylinder ausgeführt sein kann. Die Teile 155, 160 können nach dem Montieren der Spule 110 beispielsweise mittels einer Presspassung oder einer Schweißnaht miteinander verbunden werden. Andere beispielhafte Befestigungsoptionen umfassen Verschrauben, Kaltdehnen oder Aufschrumpfen. Zuleitungen 165, 170 der Spule 110 können durch eine dafür vorgesehene Aussparung in einem der Teile 155, 160 geführt sein.
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Ein System 175 umfasst den Aktuator 100 und eine Steuervorrichtung 180, die dazu eingerichtet ist, den Aktuator 100 derart elektrisch anzusteuern, dass eine mechanische Schwingung, die an axialen Enden des Aktuators 100 anliegt, verringert wird. Das System 175 ist insbesondere als aktives Lager verwendbar, beispielsweise wenn ein drehbares Element wie eine Welle gegenüber einem umgebenden System gelagert werden soll.
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2 zeigt einen magnetostriktiven Aktuator 100 in einer weiteren Ausführungsform. Auch hier umfasst das erste Teil 155 des magnetischen Flusselements 120 den inneren Abschnitt 135, den äußeren Abschnitt 140 und einen Endabschnitt 145. Allerdings sind die axialen Abschnitte 135, 140 axial gleich lang ausgeführt und das zweite Teil 160, das den zweiten Endabschnitt 150 umfasst, ist nach Art einer Scheibe mit einem koaxialen Loch ausgeführt. Das zweite Teil 160 ist dazu eingerichtet, im Bereich eines äußeren Umfangs an einer radialen Innenseite des äußeren Abschnitts 140 anzuliegen, im Bereich eines inneren Umfangs dazu, an einer radialen Außenseite des inneren Abschnitts 135 anzuliegen. Auch in dieser Ausführungsform kann eine mechanische Verbindung zwischen den Teilen 155, 160 nach der Montage der Spule 110 beispielsweise mittels Presspassung hergestellt werden. Die elektrische Zuleitung 165, 170 der Spule 110 kann durch eine Durchführung im Bereich des zweiten Teils 160 geführt werden. Die Durchführung kann eine Ausnehmung 205 im ersten Teil 155 und/oder im zweiten Teil 160 umfassen. Die Ausnehmung 205 kann so dimensioniert sein, dass sie die Zuleitungen 165, 170 beim Montieren der Teile 155, 160 aneinander elastisch komprimiert.
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3 zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines Aktuators 100. Wieder umfasst das erste Teil 155 den inneren Abschnitt 135, den äußeren Abschnitt 140 und einen Endabschnitt 145. Axiale Enden der Spule 110 und der Abschnitte 135, 140 enden hier in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht auf der Achse 105 steht, sodass das zweite Teil 160, das den zweiten Endabschnitt 150 umfasst, nach Art einer Scheibe ausgeführt sein kann, deren Außenkontur der Außenkontur des äußeren Abschnitts 140 entspricht. In dieser Ausführungsform bietet sich eine Verbindung der Teile 155, 160 aneinander mittels mehrerer koaxialer Schrauben auf einem Umfang um die Achse 105 an.
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4 zeigt wieder eine weitere Ausführungsform eines Aktuators 100. Hier ist das magnetische Flusselement 120 in zwei Teile 155, 160 zerlegt, die gleich geformt sind. Jedes Teil 115, 160 umfasst einen inneren Abschnitt 135, einen äußeren Abschnitt 140 und einen Endabschnitt 145. Die Teile 155, 160 können wie dargestellt antiparallel entlang der Achse 105 angeordnet werden, sodass jeweils ein Teil 155, 160 den zweiten Endabschnitt 150 für das andere Teil 155, 160 bildet. Die Spule 110 kann einteilig oder wie dargestellt zweiteilig ausgeführt sein. In einer anderen möglichen Teilung umfasst das erste Teil 155 den inneren Abschnitt 135 und einen Endabschnitt 145, während das zweite Teil 160 den äußeren Abschnitt 140 und den anderen Endabschnitt 150 umfasst.
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Vorliegend umfasst die Spule 110 zwei Teile, die jeweils in einem zugeordneten Teil 155, 160 des Flusselements 120 aufgenommen werden können und weiter bevorzugt jeweils bündig mit dem zugeordneten Flusselement 120 abschließen. Zuleitungen 165, 170 der Spulen 110 können elektrisch derart miteinander verbunden werden, dass die Spulen 110 elektrisch in Serie oder parallel verschaltet sind.
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Es ist zu beachten, dass Merkmale oder Vorzüge des Aktuators 100 zwischen den dargestellten oder beschriebenen Ausführungsformen übertragbar und miteinander kombinierbar sind. Außerdem sind auch andere als die gezeigten Teilungen des Flusselements 120 denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Aktuator
- 105
- Achse
- 110
- elektrische Spule
- 115
- Windung
- 120
- Flusselement
- 125
- Magnetfeld
- 130
- Feldlinie
- 135
- innerer axialer Abschnitt
- 140
- äußerer axialer Abschnitt
- 145
- erster Endabschnitt
- 150
- zweiter Endabschnitt
- 155
- erstes Teil
- 160
- zweites Teil
- 165
- elektrische Zuleitung
- 170
- elektrische Zuleitung
- 205
- Ausnehmung
