-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft thermoelastische Aktoren, insbesondere aus Drahtbündeln aufgebaute thermoelastische Aktorelemente, sowie insbesondere Verfahren zum Herstellen eines solchen Drahtbündel-Aktorelements.
-
Technischer Hintergrund
-
Aufgrund ihrer vielseitigen Geometrie, hohen Energiedichte und ihres geringen Gewichts können Formgedächtnismaterialien für zahlreiche Anwendungen im Bereich der Aktorik und Sensorik eingesetzt werden. Häufige Anwendungen liegen im Bereich von Kühl- oder Heizeinrichtungen sowie von kraftausübenden bzw. motorischen Aktuatoren.
-
Aufgrund der thermischen Aktuierung werden Aktorelemente aus thermoelastischen Materialien derzeit nur im Frequenzbereich von unterhalb 10 Hz in Betracht gezogen. Die Aktuierungsfrequenzen können jedoch durch das Reduzieren des Querschnitts des Aktorelements erhöht werden, da sich die Abkühlzeit des Aktorelements aufgrund der verbesserten Wärmeabführung reduziert.
-
Um die Leistungsfähigkeit zu erhalten, wird dazu das Aktorelement durch ein Bündel aus im wesentlichen parallelen drahtförmigen thermoelastischen Aktorelementen ersetzt, so dass sich eine Verbesserung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen ergibt und dadurch die Abkühlzeit verringert und die Aktuierungsfrequenz erhöht werden kann. Die Herstellung derartiger Bündel aus thermoelastischen Aktordrähten ist jedoch aufwendiger als das Vorsehen eines einzelnen kompakten Aktorelements und stellt insbesondere bei der Herstellung von großen Stückzahlen einen Flaschenhals in der Produktion von thermoelastischen Drahtbündel-Aktorelementen dar.
-
Aus der Druckschrift
DE 10 2017 007 596 A1 ist beispielsweise eine Formgedächtnis-Aktuatoranordnung bekannt, umfassend einen ersten Umlenkkörper mit einer wenigstens mittelbaren Verbindung zu einem ersten Befestigungselement, einen zweiten Umlenkkörper mit einer wenigstens mittelbaren Verbindung zu einem zweiten Befestigungselement, wobei der erste Umlenkkörper vom zweiten Umlenkköper beabstandet ist, ein einteiliges Formgedächtniselement, das an seinen Enden mit dem ersten Umlenkkörper und/oder dem zweiten Umlenkkörper verbunden ist, wobei eine mehrfache Wicklung des einteiligen Formgedächtniselements um den ersten Umlenkkörper und den zweiten Umlenkkörper eine erste Stellgliedanordnung mit ersten Stellgliedern in einer ersten Aktorebene und eine zweite Stellgliedanordnung mit zweiten Stellgliedern in einer zweiten Aktorebene bildet. Am ersten Umlenkkörper und/oder am zweiten Umlenkkörper sind die ersten Stellglieder und/oder die zweiten Stellglieder mittels eines Fixierungselements verliersicher verbunden.
-
Die Druckschrift
DE 10 2019 100 694 A1 offenbart in ähnlicher Weise eine Formgedächtnis-Aktuatoranordnung, umfassend ein drahtförmiges Formgedächtniselement, einen ersten Umlenkkörper und einen zweiten Umlenkkörper, die voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei das drahtförmige Formgedächtniselement mehrfach um den ersten Umlenkkörper und den zweiten Umlenkkörper gewickelt ist und zwischen diesen eine Stellgliedanordnung bildet, wobei zumindest ein Drahthalterbereich am jeweiligen Umlenkkörper und die den Drahthalterbereich berührenden Abschnitte des drahtförmigen Formgedächtniselements in eine Vergussmasse eingebettet sind.
-
Die obigen Verfahren zum Ausbilden von thermoelastischen Drahtbündel-Aktorelementen mit Aktordrähten ermöglichen die Realisierung zweilagiger Drahtbündel in einem Wicklungsprozess, in dem zwei Wicklungsstifte mit einem Aktordraht umwickelt werden und nach dem Bewickeln die Drahtwindungen durch eine Klemmeinrichtung an den Wicklungsstiften verklemmt werden.
-
Aus der Druckschrift
WO2016/092118A1 ist eine Energierückgewinnungsvorrichtung mit einem Antriebsmechanismus und einer Kraftmaschine bekannt, Die Kraftmaschine umfasst eine Vielzahl von Elementen aus einer Formgedächtnislegierung, die an einem ersten Ende eingespannt und an einem zweiten Ende mit dem Antriebsmechanismus verbunden sind, wobei die Kraftmaschine einen Kern mit einer Vielzahl von parallel angeordneten Elementen aus der Formgedächtnislegierung definiert, wobei eine Klammer dazu angepasst ist, die Elemente an einem Ende derart aneinander zu klemmen, dass die Elemente in einer gebündelten reibschlüssigen Konfiguration angeordnet sind, um sicherzustellen, dass die Elemente dicht zusammengepackt sind.
-
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind für die Ausbildung von Drahtbündel-Aktorelementen aus thermoelastischen Aktordrahtabschnitten in geringer Stückzahl geeignet, sind jedoch für eine Serienfertigung zu aufwendig.
-
Sollen Drahtbündel-Aktorelemente mit mehr als zwei Lagen hergestellt werden, so müssen jedoch derartig ausgebildete Aktorelemente gestapelt werden, was aufgrund der aufwendigen Klemmeinrichtungen an den Wicklungsstiften zu einem erhöhten Bauraumbedarf in Anordnungsrichtung der Ebenen der Aktordrahtbündel führt.
-
Zudem erfordert das Verfahren die Verwendung eines thermoelastischen Aktordrahts mit konstantem Durchmesser, da bei Variationen des Durchmessers die Gefahr besteht, dass der Klemmmechanismus den Aktordraht an Stellen zu geringem Durchmesser nicht mehr ausreichend klemmt.
-
Weiterhin ist die Klemmeinrichtung aufwendig und muss mit genauer Passmaßtolerierung hergestellt werden, was den Herstellungsaufwand für die Serienfertigung erheblich erhöht.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Drahtbündel-Aktorelements aus thermoelastischen Aktordrahtabschnitten zur Verfügung zu stellen, das in einfacher Weise herstellbar und in seiner Größe beliebig skalierbar ist, für die Serienfertigung geeignet ist und des Weiteren die Beschränkungen des Standes der Technik umgeht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Herstellen eines Drahtbündel-Aktorelements aus thermoelastischen Aktordrahtabschnitten gemäß Anspruch 1 sowie durch das Drahtbündel-Aktorelement gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
-
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtbündel-Aktorelement aus thermoelastischen Aktordrahtabschnitten vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen einer ersten Gruppe von einem oder mehreren ersten Wicklungsstiften und einer davon beabstandeten zweiten Gruppe von einem oder mehreren zweiten Wicklungsstiften;
- - Wechselweises Umwickeln der ersten und der zweiten Wicklungsstifte mit mindestens einem thermoelastischen Aktordraht, um eine Aktordrahtlage mit einer Anordnung von quasi parallelen Aktordrahtabschnitten zwischen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe zu erhalten;
- - Verklemmen des mindestens einen Aktordrahts im Bereich der ersten Gruppe und im Bereich der zweiten Gruppe, so dass alle Aktordrahtabschnitte im Bereich der ersten Gruppe und im Bereich der zweiten Gruppe geklemmt sind, um so das Aktorelement auszubilden.
-
Weiterhin kann der Aktordraht um die ersten und zweiten Wicklungsstifte in mehreren Aktordrahtlagen von Aktordrahtabschnitten gewickelt werden, wobei zunächst eine erste Aktordrahtlage von Aktordrahtabschnitten um die ersten und der zweiten Wicklungsstifte gewickelt wird, im Bereich der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe jeweils ein Abstandselement angeordnet wird, und eine zweite Aktordrahtlage von Aktordrahtabschnitten um die ersten und der zweiten Wicklungsstifte gewickelt wird.
-
Das obige Verfahren ermöglicht die Herstellung eines Drahtbündel-Aktorelements mit mehreren Aktordrahtlagen von in einer Ebene angeordneten, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Aktordrahtabschnitten. Durch das Bewickeln der ersten und zweiten Gruppe von Wicklungsstiften, so dass zwischen ihnen die Aktordrahtabschnitte verlaufen, werden diese Aktordrahtabschnitte in einer Ebene angeordnet.
-
Ein solches Drahtbündel-Aktorelement kann durch insbesondere elektrisch hervorgerufenes Erwärmen eine Formänderung, insbesondere durch eine Kontraktion eine Zugkraft bewirken. Alternativ kann ein solches Drahtbündel-Aktorelement auch in elastokalorischen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen durch eingebrachte Verformung eine Temperaturänderung bewirkt wird.
-
Der Aktordraht kann einen runden, ovalen oder eckigen Querschnitt aufweisen und grundsätzlich einen Querschnitt aufweisen, der in einem Wicklungsprozess eingesetzt werden kann.
-
Durch Vorsehen eines Abstandselements im Bereich der Gruppen von Wicklungsstiften, so dass die Aktordrahtlagen voneinander beabstandet werden, kann vor dem Bewickeln einer weiteren Aktordrahtlage der Abstand zwischen den Aktordrahtlagen definiert werden. Insbesondere kann zum Bewickeln der mehreren Aktordrahtlagen einer oder mehrere thermoelastische Aktordrähte verwendet werden, indem im Bereich der ersten oder zweiten Gruppe der Aktordraht nach dem Anordnen des Abstandselements in die entsprechend zu bewickelnde Lage gebracht wird oder ein neuer Aktordraht im Bereich der zu bewickelnden Aktordrahtlage verwendet wird.
-
Durch das wechselweise Bewickeln der ersten und zweiten Wicklungsstifte der Gruppen von Wicklungsstiften kann abhängig von der Anzahl der Wicklungsstifte in skalierbarer Weise eine beliebige Anzahl von in der Aktordrahtlage parallel angeordneten Aktordrahtabschnitten vorgesehen werden. Durch Wahl des Durchmessers und Abstandes der Wicklungsstifte jeder der Gruppen kann der Abstand der Aktordrahtabschnitte in Anordnungsrichtung der Lage gewählt und definiert werden und ggfs. auch nicht parallel verlaufende Aktordrahtabschnitte in einer Aktordrahtlage realisiert werden.
-
Weiterhin können die ersten und die zweiten Wicklungsstifte jeweils einen Querschnitt aufweisen, so dass bei Herumlegen des Aktordrahts ein Mindestbiegeradius nicht unterschritten wird, wobei der Mindestbiegeradius so bestimmt ist, dass keine plastische Verformung des Aktordrahts auftritt. Auf diese Weise wird eine zu hohe mechanische Beanspruchung des Aktordrahts beim Bewickeln vermieden und die Gefahr des Reißens des Aktordrahts beim Bewickeln reduziert. Alternativ sind auch Querschnitte der ersten und/oder zweiten Wicklungsstifte möglich, durch die der Mindestbiegeradius unterschritten wird, solange eine Gefahr des Reißens während des Bewickelns ausgeschlossen werden kann. Durch den nachfolgenden Klemmprozess werden die Aktordrahtabschnitte vor der Umbiegung um den jeweiligen Wicklungsstift geklemmt, d.h. so geklemmt, dass das Verklemmen zwischen den Aktordrahtabschnitten und dem Wicklungsstift erfolgt, so dass eine Gefahr eines Reißens im späteren Betrieb des Aktorelements ausgeschlossen werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verklemmen des Aktordrahts mit Klemmelementen einer Klemmeinrichtung erfolgen, die flächig auf den Enden der Aktordrahtabschnitte in den Bereichen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe aufliegen und mit einem Fixierungselement, insbesondere mindestens einem Niet oder mindestens einer Schraube, so fixiert werden, dass die Klemmelemente mit Druck die Enden der Aktordrahtabschnitte im Bereich der betreffenden Gruppe verklemmen und diese somit halten.
-
Die Klemmeinrichtung kann somit die Aktordrahtabschnitte im Bereich der ersten und zweiten Gruppe zwischen den Klemmelementen verklemmen, die gegeneinander oder auf die dazwischen sandwichartig angeordneten Abstandselemente klemmen und so eine Klemmkraft auf alle Aktordrahtabschnitte zwischen einem Klemmelement und einem Abstandselement ausüben. Die Abstandselemente sind im Wesentlichen entlang den Wicklungsstiften beweglich, um die ausgeübte Klemmkraft im Wesentlichen gleichmäßig zum Halten der Aktordrahtabschnitte in allen Aktordrahtlagen zu nutzen. Die Klemmkraft wirkt in einer Klemmrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckung der Aktordrahtabschnitte und senkrecht zur Anordnungsrichtung der Aktordrahtabschnitte in der jeweiligen Aktordrahtlage wirkt.
-
Das Klemmen der Klemmelemente kann mit einer Niet-Crimp-Verbindung oder einer Schraubverbindung oder dergleichen in Klemmrichtung durchgeführt werden. Das Klemm- oder Crimpverfahren kann durch das Vorspannen der Klemmelemente mit einer definierten Klemmkraft verbessert werden, um die Auszugskraft der Aktordrahtabschnitte zwischen den Klemmeinrichtungen zu erhöhen. Um die Auszugskraft für die Aktordrahtabschnitte weiter zu erhöhen, kann ein Kleber zwischen die Klemmelemente und die Abstandselemente eingebracht werden.
-
Die Klemmelemente können als Bleche oder Platten mit konstanter Dicke ausgeführt sein.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die ersten und zweiten Wicklungsstifte durch Aufnahmeöffnungen des Abstandselements gesteckt werden, so dass das Abstandselement an den Wicklungsstiften gehalten ist.
-
Insgesamt ermöglicht das oben beschriebene Verfahren eine einfache und elegante Herstellung von Drahtbündel-Aktorelementen skalierbarer Größe mit einer frei wählbaren Anzahl von Aktordrahtlagen. Dies ermöglicht eine Anwendung des Verfahrens in einer Serienfertigung.
-
Zudem ist das Verklemmen der Aktordrahtabschnitte an ihren den Gruppen jeweils zugewandten Enden in allen Aktordrahtlagen in einfacher Weise durch einen gemeinsamen abschließenden Klemmschritt für jede Gruppe von Wicklungsstiften möglich.
-
Weiterhin kann der Abstand der Aktordrahtlagen, der durch die Dicke des Abstandselements definiert ist, in jeder Gruppe beliebig gewählt werden, ohne einen Mindestbiegeradius einer Biegung des zu wickelnden Aktordrahts berücksichtigen zu müssen, wie es beim eingangs aufgezeigten Stand der Technik der Fall ist. Ein solcher Mindestbiegeradius ist durch einen Biegeradius definiert, bei dem beim Herumlegen des Aktordrahts eine plastische Verformung des Aktordrahtmaterials auftritt.
-
Weiterhin können nach dem Verklemmen der Aktordrahtabschnitte die Wicklungsstifte entfernt und wiederverwendet werden.
-
Grundsätzlich ermöglicht der Wicklungsprozess auch die Verwendung von mehreren Aktordrähten, da die Drahtenden individuell gehalten werden können. Zudem ermöglicht dies auch die Verwendung unterschiedlicher Drahtquerschnitte für verschiedene Lagen von Aktordrahtabschnitten und dadurch die Realisierung einer homogenen Zu- bzw. Abfuhr von thermischer Leistung in und aus dem Drahtbündel-Aktorelement. Somit ist für verschiedene Aktordrahtlagen der Durchmesser bzw. der Querschnitt des verwendeten Aktordrahts nicht begrenzt, so dass in verschiedenen Aktordrahtlagen verschiedene Drahtquerschnitte des Aktordrahts verwendet werden können, was aufgrund einer verbesserten Wärmeabführung zu einer Erhöhung der möglichen Aktuierungsfrequenz führt.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Aktordrahtabschnitte insbesondere in einer äußeren Aktordrahtlage einen größeren Querschnitt aufweisen als in einer inneren Aktordrahtlage.
-
Weiterhin kann der Aktordraht mit einer konstanten Dehnung um die ersten und zweiten Wicklungsstifte gewickelt werden. Dies hat im Unterschied zu einer Bewicklung mit konstanter Spannung den Vorteil, dass die Belastung auf den Aktordraht auch bei aufgrund von Fertigungstoleranzen variierenden Durchmesser bzw. Querschnitte des Aktordrahts konstant bleibt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann beim wechselweisen Umwickeln der ersten und der zweiten Wicklungsstifte mit dem mindestens einen thermoelastischen Aktordraht, der Aktordraht über ein Klemmelement oder mindestens ein Abstandselement eines Mittenelements geführt werden, das zwischen der ersten Gruppe des einen oder der mehreren ersten Wicklungsstifte und der zweiten Gruppe des einen oder der mehreren zweiten Wicklungsstifte angeordnet ist, so dass nach dem Abschließen des Umwickelns ein Bereich der Aktordrahtabschnitte in dem Mittenelement zwischen den Klemmelementen und dem mindestens einen Abstandselementen des Mittenelements aufgenommen sind, wobei die Bereiche der Aktordrahtabschnitte anschließend zwischen den Klemmelementen und dem mindestens einen Abstandselementen des Mittenelements verklemmt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein thermoelastisches Aktorelement vorgesehen, umfassend:
- - thermoelastische Aktordrahtabschnitte, die quasi parallel zueinander und in mehreren Aktordrahtlagen angeordnet sind;
- - eine erste und eine zweite Halteeinrichtung zur Aufnahme von Enden der Aktordrahtabschnitte, wobei jede der Halteeinrichtungen eine Klemmeinrichtung aus mindestens zwei Klemmelementen umfasst, die die Enden der Aktordrahtabschnitte verklemmen,
wobei die benachbarten Aktordrahtlagen zugeordnete Enden der Aktordrahtabschnitte durch ein scheibenförmiges Abstandselement, insbesondere mit konstanter Dicke, beabstandet sind, die zwischen den Klemmelementen verklemmt sind.
-
Weiterhin können in der ersten und /oder der zweiten Halteeinrichtung jeweils in Anordnungsrichtung der Klemmelemente mehrere Wicklungsstifte mit ihren Längsrichtungen angeordnet sein, um einen Aktordraht umzulenken.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Abstände der thermoelastischen Aktordrahtabschnitte in einer der Aktordrahtlagen zu den Abständen der thermoelastischen Aktordrahtabschnitte in einer weiteren der Aktordrahtlagen unterschiedlich sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens ein Mittenelement vorgesehen sein, durch das die Aktordrahtabschnitte verlaufen, so dass Teile des Aktorelements gebildet werden, wobei das das Mittenelement eine Klemmeinrichtung aus mindestens zwei Klemmelementen umfasst, die die Aktordrahtabschnitte der mehreren Aktordrahtlagen verklemmen, wobei das Mittenelement insbesondere ein oder mehrere Abstandselemente aufweist, um die Aktordrahtlagen voneinander zu beabstanden.
-
Figurenliste
-
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht bzw. Seitenansicht auf ein Drahtbündel-Aktorelement mit zwei Lagen von Aktordrahtabschnitten;
- 2 eine Draufsicht auf eine Aktordrahtlage nach dem Wickeln zum Veranschaulichen des Verlaufs des Aktordrahts;
- 3 eine Darstellung einer alternativen Anordnung von Wicklungsstiften und ein mögliches Führen des Aktordrahts um mehrere Wicklungsstifte in einer Windung;
- 4 eine Querschnittsdarstellung durch eine Klemmeinrichtung mit mehreren Aktordrahtlagen mit Aktordrahtabschnitten unterschiedlichen Querschnitts;
- 5 eine Querschnittsdarstellung durch eine Klemmeinrichtung mit mehreren Aktordrahtlagen mit unterschiedlicher Anzahl von Aktordrahtabschnitten;
- 6 eine Darstellung einer Ausführungsform des Drahtbündel-Aktorelements mit einer weiteren Klemmeinrichtung zum Ausbilden eines antagonistischen Aktorsystems;
- 7a bis 7c Querschnittsansichten eines Halteelements mit mehreren Klemmeinrichtungen;
- 8a bis 8d Darstellungen von verschiedenen Verfahrensständen zum Aufbau des Drahtbündel-Aktorelements der 1; und
- 9 eine perspektivische Darstellung einer Haltevorrichtung zur Aufnahme von Klemmelementen während des Herstellungsprozesses.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
1 zeigt schematisch ein Drahtbündel-Aktorelement 1 in einer Draufsicht und einer Seitenansicht. Das Drahtbündel-Aktorelement 1 weist Klemmeinrichtungen 2, insbesondere eine erste und eine zweite Klemmeinrichtung 21, 22 auf, zwischen denen eine Vielzahl von Aktordrahtabschnitten 3 geführt ist. Das dargestellte Drahtbündel-Aktorelement 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zweilagig ausgebildet und weist damit zwei Aktordrahtlagen 4 von Aktordrahtabschnitten 3 auf.
-
Die Aktordrahtabschnitte 3 sind aus einem thermoelastischen Aktordraht ausgebildet. Das Material des thermoelastischen Aktordrahts ist ein Formgedächtnismaterial, und insbesondere eine Formgedächtnislegierung, bei der durch eine Umwandlung der Gitterstruktur aufgrund einer Zug-, Druck-, Biege-, Torsions- oder Scherbelastung oder - entlastung latente Wärme freigesetzt oder aufgenommen wird.
-
Das thermoelastische Material des Aktordrahts kann eine Formgedächtnislegierung, wie z.B. NiTi enthalten und so durch einen Phasenübergang, d.h. eine Umwandlung der Gitterstruktur, bei elastischer Verspannung oder Entspannung latente Wärme freisetzen oder aufnehmen. Üblicherweise wandelt sich bei Formgedächtnislegierungen, die unter Krafteinwirkung einer mechanischen Verformung ausgesetzt werden, eine austenitische Materialstruktur in eine martensitische Materialstruktur um und gibt dabei Wärme ab. Wird das Material entlastet, so nimmt dieses aufgrund der elastischen Verformung die ursprüngliche Form wieder ein, wobei sich die martensitische Materialstruktur in eine austenitische Materialstruktur zurückwandelt und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Dieser Prozess kann durch Zufuhr oder Abgabe von Wärme entsprechend umgekehrt werden, um eine mechanische Verformung zu bewirken.
-
Die Klemmeinrichtungen 21, 22 können Teil einer Halteeinrichtung 30 sein, mit dieser integriert ausgeführt sein oder separat zur Halteeinrichtung 30 ausgeführt und mit dieser verbunden sein. Die Klemmeinrichtungen 21, 22 dienen zum Halten und Fixieren der Aktordrahtabschnitte 3. Die Klemmeinrichtungen 21, 22 weisen Klemmelemente 5, insbesondere ein oberes 51 und ein unteres Klemmelement 52 auf. Zwischen dem oberen und unteren Klemmelement 51, 52 ist für zwei Aktordrahtlagen 4 ein Abstandselement 6 vorgesehen, das den Abstand zwischen den Aktordrahtlagen 4 der Aktordrahtabschnitte 3 definiert. Für eine größere Anzahl von Aktordrahtlagen 4 werden eine entsprechende Anzahl von mehreren Abstandselementen 6 vorgesehen.
-
Die Klemmeinrichtungen 21,22 können eine Ankopplungseinrichtung zur Ankopplung an ein weiteres Maschinenteil aufweisen, wie z.B. eine Schwalbenschwanzaufnahme bzw. einen Hinterschnitt, um das Drahtbündel-Aktorelement 1 in austauschbarer Weise in einem Gesamtsystem anzuordnen. Die Ankopplungseinrichtung kann für beide Klemmeinrichtungen unterschiedlich ausgebildet sein. Andere Einrichtungen zur Ankopplung des Drahtbündel-Aktorelements 1 an das Gesamtsystem, wie Schraub- oder Bolzenverbindungen oder dergleichen sind ebenfalls denkbar.
-
In Klemmrichtung K, d.h. in Anordnungsrichtung der Klemmelemente 51, 52 und des Abstandselements 6 sind jeweils eine Gruppe von Wicklungsstiften 7 angeordnet, um die ein Aktordraht während eines nachfolgend beschriebenen Wicklungsvorgangs geführt ist, wobei der Abstand und der Durchmesser bzw. Querschnitt der Wicklungsstifte 7 den Abstand der Aktordrahtabschnitte 3 jeder Aktodrahtlage 4 in dem Drahtbündel-Aktorelement 1 definieren. Die Wicklungsstifte 7 können in entsprechenden Öffnungen in den Klemmelementen 51, 52 aufgenommen sein und durch diese gehalten werden.
-
Die Klemmeinrichtungen 21, 22 weisen weiterhin jeweils eine Klemmverbindung auf, die durch eine Nietverbindung 8 durch die Klemmelemente 51, 52 und das Abstandselement 6 hindurch verlaufen kann. Alternativ kann auch eine Schraubverbindung oder eine sonstige Verbindungstechnik zum Ausüben einer Klemmkraft zwischen den Klemmelementen 5, 51, 52 in Klemmrichtung K vorgesehen sein.
-
Um die Auszugskraft für die Aktordrahtabschnitte 3 zu vergrößern, kann durch Einbringen eines Klebers 9 zwischen den Klemmelementen 51, 52 und dem Abstandselement 6 erhöht werden.
-
Die Aktordrahtabschnitte 3 können aus einem einzigen oder aus mehreren Aktordrähten ausgebildet sein, die um die Wicklungsstifte 7 geführt sind, wie beispielsweise in 2 dargestellt. Hier wird jeder der Wicklungsstifte 7 einmalig umwickelt, vorzugsweise ohne dass der Aktordraht überkreuz geführt ist.
-
Die Wicklungsstifte 7 können in einer Reihe angeordnet sein, die sich in Lagenrichtung L der Aktordrahtlage 4 erstreckt. Alternativ können, wie in 3 dargestellt, die Wicklungsstifte 7 bezüglich der Lagenrichtung auch versetzt, insbesondere wechselweise versetzt (gestaggert), angeordnet sein und der Aktordraht kann zwischen den Aktordrahtabschnitten 3 um einen oder mehreren Wicklungsstifte 7 in einer Gruppe in einer Klemmeinrichtung 21, 22 geführt sein, bevor dieser zur nächsten Klemmeinrichtung geführt wird.
-
In einer alternativen Ausführungsform können mehrere separat bewickelte Klemmeinrichtungen 21, 22 jeweils in Klemmrichtung K gestapelt werden, um die Anzahl der Aktordrahtlagen zu erhöhen. Ein solcher Stapel aus mehreren Klemmeinrichtungen 21, 22 kann anschließend separat in einem Halteelement verklemmt werden. Alternativ kann das Verklemmen der Aktordrahtabschnitte in den einzelnen Klemmeinrichtungen 21, 22 auch nur gemeinsam für einen so gebildeten Stapel von mehreren Klemmeinrichtungen 21, 22 erfolgen. Die Klemmeinrichtungen 21, 22 können dazu mehrere separat gewickelte Aktordrahtlagen zwischen jeweiligen Klemmelementen 5, insbesondere mit zumindest teilweise unterschiedlichen Querschnitten, aufweisen.
-
Wie in 4 dargestellt, können anstelle eines einzelnen Aktordrahts können auch Aktordrähte unterschiedlichen Durchmessers/Querschnitts zum Vorsehen von Aktordrahtabschnitten 3 in unterschiedlichen Aktordrahtlagen verwendet werden. So können in den inneren Aktordrahtlagen 4 dünnere Aktordrahtabschnitte 3, d. h. mit geringerem Querschnitt, vorgesehen sein als in den äußeren Aktordrahtlagen, d. h. in den Aktordrahtlagen, die an den Klemmelementen 51, 52 anliegen. Ferner muss, wie in 5 dargestellt auch nicht in jeder Aktordrahtlage eine identische Anzahl von Aktordrahtabschnitten 3 vorgesehen sein, indem beim Bewickeln in einer der Klemmeinrichtungen auch gleichzeitig mehr als ein Wicklungsstift 7 umwickelt wird.
-
Vorzugsweise werden die Aktordrahtabschnitte 3 in einer Aktordrahtlage aus einem einzigen Aktordraht gebildet.
-
Ferner kann, wie in 6 dargestellt, zwischen der ersten und zweiten Klemmeinrichtung 21, 22 eine dritte Klemmeinrichtung 23 vorgesehen sein, um seriell angeordnete Drahtbündel-Aktorelemente 1 auszubilden, die separat ansteuerbar sind. Dies ermöglicht die Ausbildung eines antagonistischen Aktorsystems. Die dritte Klemmeinrichtung 23 weist Klemmelemente und Abstandselemente auf, die die Aktordrahtlagen voneinander beabstanden und die Aktordrahtabschnitte verrutschsicher und gegen Zugkraft halten. Insgesamt klemmt die dritte Klemmeinrichtung 23 die Aktordrahtabschnitte 3 und ist bezüglich der Möglichkeiten des Verklemmens in einer zu der ersten und zweiten Klemmeinrichtung 21, 22 identischen oder ähnlichen Weise ausgebildet.
-
Das so hergestellte Drahtbündel-Aktorelement 1 kann eine Kraft bzw. Verformung ausüben, wenn dieses erwärmt oder abgekühlt wird. Beispielsweise kann eine Erwärmung durch Stromzufuhr erreicht werden, so dass das Drahtbündel-Aktorelement 1 kontrahiert und sich bei Anlegen einer entsprechenden Zugkraft bei Abkühlen wieder dehnt bzw. dehnen lässt. Im Falle des Vorsehens der dritten Klemmeinrichtung 23 kann auch nur der Abschnitt des Aktordrahtbündels thermisch (z.B. durch Strombeaufschlagung) oder mechanisch aktuiert werden, der sich zwischen der dritten Klemmeinrichtung 23 und der ersten oder zweiten Klemmeinrichtung 21, 22 befindet.
-
In einer weiteren Ausführungsform, die mit den Querschnittsansichten der 7a bis 7c dargestellt ist, können mehrere separat bewickelte Klemmeinrichtungen 2 einer Aktorseite in einer gemeinsamen Haltevorrichtung 30 angeordnet sein, die Klemmeinrichtungen 2 sind in Anordnungsrichtung L der Aktordrahtabschnitte 3 nebeneinander angeordnet. Die Haltevorrichtung 30 kann eine entsprechende Ankopplungseinrichtung 31 umfassen, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, um die Haltevorrichtung 30 durch ein externes Maschinenteil zu halten. Die Haltevorrichtung 30 weist ein oberes und unteres Klemmblech 32 auf, zwischen denen alle Klemmeinrichtungen 2 durch Klemmen gehalten sein können. Durch die Klemmbleche 32 und durch die Klemmeinrichtungen 2 können Klemmstifte 33 verlaufen, um die Klemmkraft jeweils auf die Klemmeinrichtungen 2 auszuüben und/oder die Klemmeinrichtungen 2 an der Haltevorrichtung 30 zu halten.
-
In den 8a bis 8d sind Verfahrensstände zum Herstellen eines Drahtbündel-Aktorelements 1 gemäß 1 dargestellt.
-
Wie in 8a gezeigt werden zunächst untere Klemmelemente 52 für die erste und zweite Klemmeinrichtung 21, 22 bereitgestellt. Die Klemmelemente 52 weisen die Kontur der Klemmeinrichtung 2 auf mit dem Hinterschnitt bzw. Schwalbenschwanz auf und sind mit darin eingebrachten Wicklungsstiften 7 verbunden, so dass die Wicklungsstifte 7 im Wesentlichen parallel zueinander von dem unteren Klemmelement 52 hervorstehen. Die Wicklungsstifte 7 weisen einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf und einen Mindestradius, der größer ist als der Mindestbiegeradius, ab dem eine plastische Verformung eines herumgeführten Aktordrahts auftritt. Die Abstände zwischen den Wicklungsstiften 7 können dem Durchmesser der Wicklungsstifte 7 entsprechen oder größer oder kleiner als dieser sein.
-
Zur Vereinfachung der Fertigung können die unteren Klemmelemente 52 in einer Halterung 10 eingesetzt werden, die die unteren Klemmelemente 52 gegen ein Verrutschen sichern, gehalten sein, wie sie beispielsweise in 9 dargestellt ist. Somit werden die Klemmelemente 7 in ihrer Position fixiert, so dass das Bewickeln mit einer entsprechenden Vordehnung des Aktordrahts erfolgen kann, ohne dass die Position der unteren Klemmelemente 52 sich verändert.
-
Weiterhin wird auf die Wicklungsstifte 7 ein Aktordraht gewickelt, so dass parallel geführte Aktordrahtabschnitte 3 zwischen den Klemmelementen 52 gebildet werden. Dabei wird die Wicklung so durchgeführt, dass sich der Aktordraht nicht überkreuzt.
-
Nach Bewickeln einer solchen Aktordrahtlage von Aktordrahtabschnitten 3 wird, wie in 8b dargestellt, ein Abstandselement 6 aufgesetzt, das Öffnungen zur Aufnahme der Wicklungsstifte 7 aufweist und im Wesentlichen bezüglich seiner Außenkontur identisch zu dem unteren Klemmelement 52 ausgebildet ist.
-
Nach Aufsetzen des Abstandselements 6 wird, wie in 8c dargestellt, die nächste Aktordrahtlage 4 des Aktordrahts mit gleichem oder unterschiedlichen Querschnitt und gleichem oder unterschiedlichen Wicklungsschema bezüglich der in der Windung genutzten Wicklungsstiften gewickelt, um so entsprechend in Richtung der Stapelung mehrere Aktordrahtlagen auszubilden. Dies kann mit mehreren Abstandselementen 6 wiederholt werden, um eine beliebige Anzahl von Aktordrahtlagen auszubilden.
-
Wie in 8d gezeigt, wird auf die letzte gewickelte Aktordrahtlage wird nun das obere Klemmelement 51 der ersten und zweiten Klemmeinrichtung 21, 22 aufgesetzt. Nun erfolgt ein Klemmen durch Aufbringen einer Klemmkraft in Stapelungsrichtung der Klemmelemente 51, 52 und der Abstandselemente 6, beispielsweise indem durch zusätzliche Schraubenöffnungen eine Schraube geführt und angezogen wird oder indem eine Niet-Crimp-Verbindung, insbesondere unter Aufbringen einer Klemmkraft, eingebracht wird. Optional kann vor dem Aufbringen eines Abstandselements 6 bzw. des oberen Klemmelements 51 ein Klebstoff im Bereich der Wicklungsstifte 7 eingebracht werden, um die Auszugskraft der Aktordrahtabschnitte 3 weiter zu erhöhen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017007596 A1 [0005]
- DE 102019100694 A1 [0006]
- WO 2016/092118 A1 [0008]
