DE202005008094U1 - Electro restrictive actuator for such as valves uses a linear element with linkage mechanism - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
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- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem längenveränderlichen Stellelement, insbesondere einem elektrostriktiven Aktuator, und einem die Längenänderung des Stellelements vergrößernden Hebelgetriebe.The The invention relates to an actuator with a variable-length Control element, in particular an electrostrictive actuator, and one the change in length of the actuating element magnifying lever mechanism.
Herkömmliche feinmechanische Stellantriebe auf der Basis elektromagnetischer Wandler sind hinsichtlich Energieökonomie und Dynamik ausgeschöpft. Die durch Führung des Magnetkernes entstehende Hysterese, resultierend aus der Reibung, weiterer elektrischer und magnetischer Verluste, stellen insbesondere für stetig verstellbare Systeme Probleme dar. Hinzu kommt, dass die Verluste zu einer Erwärmung des Systems und damit zu einer weiteren negativen Beeinflussung durch Temperaturdrift führen können. Auf Grund der möglichen Leistung sind diese Stellantriebe für sensible Anwendungen in explosionsgefährdeter Umgebung nur mit großen Einschränkungen nutzbar. Besonders in der Fluid- und Elektrotechnik bei Stellgliedern für Ventile, Relais, Schützen und Schaltelemente sind damit den herkömmlichen Antrieben Grenzen gesetzt.conventional Precision mechanical actuators based on electromagnetic Converters are exhausted in terms of energy economy and dynamics. The execution of the magnetic core resulting hysteresis, resulting from the friction, another electrical and magnetic losses, represent in particular for steady adjustable systems problems. Add to that the losses to a warming of the system and thus to a further negative influence lead by temperature drift can. Because of the possible These actuators are powerful for sensitive applications in potentially explosive atmospheres Environment only with big ones restrictions available. Especially in fluid and electrical engineering with actuators for valves, Relays, shooters and switching elements are thus the conventional drives limits set.
Für die Energieökonomie sind hochdynamische Stellantriebe, die sehr schnell auf Parameteränderungen reagieren können, von großem Interesse. So sind z. B. für die Reduktion der Schadstoffemission und zur Verbesserung der Energieeffizienz bei Verbrennungsmotoren kennliniengeführte Einspritzvorgänge erforderlich, die eine höhere Dynamik der Einspritzventile voraussetzen.For the energy economy are highly dynamic actuators that are very fast on parameter changes can react, of great Interest. So z. For example the reduction of pollutant emissions and the improvement of energy efficiency with internal combustion engines characteristic guided injections required, the one higher Require the dynamics of the injectors.
Analoge Anforderungen sind in der Elektrotechnik bei Relais und Schützen anzutreffen. Speziell der beim Zuschalten durch das Prellen oder beim Trennen der Kontakte entstehende Lichtbogen bereitet Probleme. Besonders beim Drehstromnetz, wo bisher die drei Phasen parallel zu- und abgeschaltet werden, entsteht zwangsläufig ein Lichtbogen. Schnelle pneumatische Stelleinheiten für die Schützbetätigung und Zusatzeinrichtungen für das „Ausblasen" des Lichtbogens führen nur begrenzt zum Erfolg.analog Requirements are found in electrical engineering at relays and contactors. Especially when connecting by bouncing or when disconnecting The arc created by the contacts causes problems. Especially in the three-phase network, where previously the three phases are switched on and off in parallel, inevitably arises an arc. Fast pneumatic actuators for the contactor operation and Additional equipment for the "blowing out" of the arc to lead only limited to success.
Piezokeramische Aktoren führen zu einer erheblichen Verbesserung der Dynamik. Bekannterweise entwickeln piezokeramische Aktoren als Stellglied eine geringe Verschiebung, generieren dabei jedoch eine relativ große Kraft. Diesen Umstand kann man sich zunutze machen und durch Ankoppeln von hydraulischen und/oder mechanischen Getrieben, den Weg zu Lasten der Kraft zu übersetzen, wobei eine Übersetzung im Bereich i=5 bis 15 bei mechanischen (ebene/räumliche Mechanismen) und hydrostatischen Getrieben realisiert wird. Diese Bauart erfordert durch die konstruktive Anordnung ein relativ großes Bauvolumen und die angekoppelten mechanischen Elemente führen zumeist durch Reibung zu einer Verschlechterung der Dynamik. Der Versuch, die Aktoren in das Übersetzungsgetriebe zu integrieren, ist bisher nur bei den Stapelaktoren zufrieden stellend gelungen. Die Stapelaktoren besitzen jedoch große Kapazitäten und daraus resultierend einen entsprechend hohen Energiebedarf. Aktoren mit relativ großen Verschiebungen (Biegewandler), die keine Wegvergrößerung benötigen, besitzen zwar einen geringeren Energiebedarf, generieren aber auch nur geringe Stellkräfte (< 4 N).Piezoceramic Actuators lead to a significant improvement in dynamics. Known to develop piezoceramic actuators as actuator a small shift, but generate a relatively large force. This circumstance can be make use of and by coupling hydraulic and / or mechanical gearboxes, translating the way at the expense of power, being a translation in the range i = 5 to 15 for mechanical (planar / spatial mechanisms) and hydrostatic Driven realized. This type requires by the constructive Arrangement a relatively large Construction volume and the coupled mechanical elements usually lead by friction to a worsening of the dynamics. The attempt, the Actuators in the transmission gearbox To date, only the stack actuators are satisfactory succeeded. However, the stack actuators have large capacities and resulting a correspondingly high energy requirement. Actuators with relatively large displacements (Bending transducer), which need no Wegvergrößerung, although have a lower Energy requirement, but also generate only small restoring forces (<4 N).
Aus
der
Aus
der
Eine
andere Modifikation des in der
Weiterhin
ist aus der
Ausgehend von dem vorstehend dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines Stellantriebs, bei dem leicht auswechselbare Zugelemente mit untergeordneter Rückstellkraft und separate Bauelemente zur Erzeugung der Rückstellkraft eingesetzt werden, zu kombinieren mit der einfachen und störunanfälligen Bauweise eines Stellantriebs mit einem einstückig ausgeführten biegeelastischen, elliptischen Rahmen. Die zu ermittelnde Lösung soll es überdies ermöglichen, das Übersetzungsverhältnis des Stellantriebs bzw. die wirksame Rückstellkraft durch Austausch weniger Komponenten zu variieren.outgoing from the above-described prior art is the invention The task is based on the advantages of an actuator, in which easily replaceable tension elements with minor restoring force and separate components for generating the restoring force be used, to combine with the simple and störunanfälligen construction an actuator with an integrally executed flexurally elastic, elliptical Frame. The solution to be determined it should also enable, the gear ratio of Actuator or the effective restoring force by replacing less To vary components.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stellantriebs ergeben sich aus den Unteransprüchen.These The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved. Advantageous embodiments and further developments of the actuator according to the invention emerge from the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Stellantrieb stellt eine integrierte Einheit zur Kraft- und Bewegungserzeugung dar, bestehend aus einem längenveränderlichen Stellelement (elektro- oder magnetostriktiver, z.B. Piezo- oder Terfenolaktor, oder auch konventioneller Aktor) und einem ebenen Hebelgetriebe als Wegübersetzungssystem, das sowohl mechanische als auch Feststoffgelenke aufweist und einen spielfreien sowie hochdynamischen Betrieb ermöglicht.Of the actuator according to the invention provides an integrated unit for power and movement generation consisting of a variable-length Actuator (electro- or magnetostrictive, e.g., piezo or Terfenolactor, or conventional actuator) and a plane Lever mechanism as path-translation system, which has both mechanical and solid joints and a play-free and highly dynamic operation possible.
Das freie Hebelende kann wahlweise als Gestell oder als Abtrieb genutzt werden. Der aus nur 3 Funktionalteilen bestehende Stellantrieb ist einfach im Aufbau und kann raumsparend sowie kompakt ausgeführt werden, sodass er gegenüber Umwelteinflüssen relativ resistent und robust in der Anwendung ist. Eine einfache Kapselung des Stellantriebs zwischen den Stützstellen und die geringe Leistungsaufnahme des Stellelements ermöglicht die Verwendung der Erfindung in explosionsgefährdeten und elektrosensiblen Bereichen. Der erfindungsgemäße Stellantrieb ist bevorzugt einsetzbar in der hydraulischen und pneumatischen Ventiltechnik (Kolben-/Flachschieber- und Sitzventile), bei elektrischen Schaltorganen (Relais, Schütze) und in vielen Bereichen der Feinmechanik und Mikrosystemtechnik (Medizintechnik etc.). Speziell bei Schaltvorgängen in der Elektrotechnik, z.B. beim Drehstrom, könnten mittels der Erfindung phasenbezogene hochdynamische Schaltvorgänge realisiert werden, die das Phänomen der Lichtbogenbildung vollkommen verhindern.The free lever end can be used as a stand or as an output become. The consisting of only 3 functional parts actuator is simple in construction and can be designed to save space and compact, so he faces environmental influences is relatively resistant and robust in use. A simple one Encapsulation of the actuator between the support points and low power consumption of the actuating element allows the use of the invention in explosive and electrosensitive Areas. The actuator according to the invention is preferably used in the hydraulic and pneumatic Valve technology (piston / flat slide and seat valves), for electrical Switching devices (relays, contactors) and in many areas of precision mechanics and microsystems technology (Medical technology, etc.). Especially for switching operations in electrical engineering, e.g. at three-phase current, could implemented by the invention phase-related highly dynamic switching operations become the phenomenon of Prevent arcing completely.
Eine
Ausführung
als symmetrisch aufgebautes doppeltes Hebelsystem (
Wird die Stützstelle des Stellelements am gebogenen Hebelarm als Gestell genutzt, können zwei symmetrisch antizyklisch entstehende räumliche Bewegungen als Stellweg genutzt werden.Becomes the support point used the actuator on the curved lever arm as a frame, two symmetrical anticyclically resulting spatial movements as travel be used.
Bei Einsatz eines gebogenen Hebelarms als Gestell und des zweiten gebogenen Hebelarms als Abtrieb, kann der eine gebogene Hebelarm, da er keine Funktion besitzt, verkürzt ausgeführt werden. Das freigeschnittene Ende des Abtriebs ist in diesem Fall technologisch an den freien Seiten als Stellglied nutzbar. Durch Auslegung der Hebel- und Schenkellängen ist die Wegvergrößerung direkt beeinflussbar. Die Auslegung des Hebels und des Schenkels als Träger gleicher Biegebeanspruchung führt zu einer Masseoptimierung mit entsprechenden positiven Auswirkungen auf die Dynamik.at Use of a bent lever arm as a frame and the second curved Lever arm as a downforce, the one bent lever arm, as he can not Function has shortened accomplished become. The cut end of the output is in this case Technologically usable on the free sides as an actuator. By Design of the lever and leg lengths is the Wegvergrößerung directly influenced. The interpretation of the lever and the leg as a carrier same Bending stress leads to a mass optimization with corresponding positive effects on the dynamics.
Als Stellelement ist bevorzugt eine einfache und im Vergleich zu Multilayersystemen preisgünstige Bauform als metallkaschierter Streifen aus Piezokeramik verwendbar. Bei diesem Piezoaktor wird die Querkontraktion als Wegverschiebung genutzt, sodass die Kraft direkt abhängig vom Querschnitt des Piezostreifens ist und zum Betrieb nur ein relativ geringer Energieaufwand (geringe Kapazität) erforderlich ist.When Control element is preferably a simple and compared to multilayer systems affordable Design can be used as a metal-clad strip made of piezoceramic. In this piezoelectric actuator, the transverse contraction becomes a displacement used, so that the force directly depends on the cross section of the piezo strip is and to operate only a relatively small amount of energy (low Capacity) is required.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.in the The invention is based on preferred embodiments with reference to the attached Drawings explained in more detail with further details.
Dabei zeigenthere demonstrate
Der
in
Die
Stützstellen
des Stellelements
Das
Stellelement
Bei
Benutzung eines der Hebelarme
In
Claims (11)
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