DE4037134A1 - Elektrischer antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Wirkungsweise bekannter elektrischer Antriebe beruht entweder auf der Kraftwirkung magnetischer Felder, oder dem piezoelektrischen Effekt. Antriebe auf der Basis magnetischer Felder enthalten Wicklungen aus Kupfer und Kerne aus Eisen, also Materialien mit einem hohen spezi­ fischen Gewicht, was sich ungünstig auf das Leistungs- Gewichts-Verhältnis des Antriebs auswirkt. Daneben entstehen auch magnetische Streufelder, die bei manchen praktischen Anwendungen, etwa in Magnetbandgeräten oder Meßgeräten für Kleinsignale stören.

Piezoelektrische Antriebe erzeugen keine magnetischen Streufelder und werden, soweit technisch möglich, dort eingesetzt, wo magnetische Streufelder die Funktion eines Gerätes beeinträchtigen würden. Sie haben aber den Nach­ teil, daß sie nur einen geringen Bewegungshub zulassen und daher lediglich für die Verschiebung eines Objektes in kleinen Schrittlängen in Frage kommen, etwa zur Fein­ justierung eines Abtasters oder zur Ansteuerung einer Lautsprechermembran.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektri­ schen Antrieb zu schaffen, der ein günstiges Leistungs- Gewichts-Verhältnis besitzt, große Verschiebewege zuläßt und selbst keine magnetischen Streufelder erzeugt.

Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeich­ nenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung nutzt als Antriebskraft die Eigenschaft einer Elektro-Viskose-Flüssigkeit, nachfolgend abgekürzt EVF genannt, aus, unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes ihre Viskosität zu ändern. Eine solche EVF besteht z. B. aus Suspensionen oder Dispersionen feinverteilter hydrophiler Feststoffe in hydrophoben elektrisch nicht leitenden Ölen, z. B. Alumosilikaten in Silikonöl. Im feldfreien Zustand ist die EVF dünnflüssig, während unter dem Einfluß eines hinreichend starken elektrischen Feldes die EVF zunehmend dickflüssig wird, da sich die Fest­ stoffteilchen zu festen Strukturen zusammenlagern.

In dem Bereich der EVF, der das elektrische Feld aufge­ prägt ist, bildet sich ein Propfen zusammenhaftender Feststoffteilchen aus, der für andere Körper eine Bar­ riere bildet. Dieser Propfen kann durch ein wanderndes elektrisches Feld in seiner Gesamtheit verschoben werden, wenn dafür gesorgt ist, daß ein zusammenhängender verfe­ stigter Bereich ständig erhalten bleibt. Die noch im flüssigen Zustand befindliche EVF-Säule wird vor dem verfestigten Bereich hergeschoben. Sie kann somit einen konventionellen Flüssigkeitsantrieb antreiben.

Praktische Versuche haben ergeben, daß aus der elektri­ schen Leistung, die zum Aufbau des wandernden elektri­ schen Feldes benötigt wird, eine hohe mechanische Leistung resultiert. Der erfindungsgemäße Antrieb besitzt also einen hohen Wirkungsgrad. Angesichts des geringen spezifischen Gewichts der EVF sowie dem ebenfalls aus leichten Materialien herstellbaren Antriebsraum und Flüssigkeitsantrieb ergibt sich so ein günstiges Leistungs-Gewichts-Verhältnis.

Eine praktische Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß an den Wänden des Antriebsraumes mehrere elektrisch gegeneinander isolierte Elektrodenpaare angeordnet sind, an die eine sich zeitlich und örtlich ändernde Spannung anlegbar ist.

Die elektrisch gegeneinander isolierten Elektrodenpaare ermöglichen es, selektiv an beliebigen, sich jeweils quer durch den Antriebsraum erstreckenden Bereichen ein elektrisches Feld zu erzeugen. Durch das Anlegen einer sich zeitlich und örtlich ändernden Spannung kann dieses Feld mit der gewünschten Geschwindigkeit in die gewünschte Richtung verlagert werden und so der gebildete Pfropfen in der EVF exakt gesteuert werden. Die Bewe­ gungsgeschwindigkeit des Pfropfens beeinflußt proportio­ nal die Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen EVF.

Vorzugsweise sind die Elektrodenpaare mit einer Spannungswelle beaufschlagt, die jeweils an einem Elektrodenpaar oder gleichzeitig an mehreren benachbarten Elektrodenpaaren anliegt und sich von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar ausbreitet. Möglich sind auch gleichzeitig mehrere, im Abstand aufeinander folgende Spannungswellen.

Auf diese Weise läßt sich der Pfropfen in der EVF bei seiner Wanderung durch den Antriebsraum ständig in einer Größe und Festigkeit halten, die ausreicht, die Flüssig­ keitssäule unter Abdichtung gegen die Wandung des Antriebsraumes zu verschieben. Bei mehreren, im Abstand aufeinander folgenden Spannungswellen besteht auch dann ein ständiger Kraftschluß mit der Flüssigkeitssäule, wenn sich ein am Ende des Antriebsraumes ankommender Pfropfen auflösen muß.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Spannung einen Maximalwert von ca. 4000 bis 10 000 Volt besitzt.

Das durch diese Spannung erzeugte elektrische Feld sorgt für eine schnelle Zustandsänderung der Viskosität beim Wechsel der EVF von der flüssigen zur festen Phase. Er ermöglicht aber auch eine schnelle Rückkehr zur flüssigen Phase bei Abklingen des Feldes. Die Größe der Spannung ist ferner so bemessen, daß Spannungsüberschläge sicher vermieden werden.

Bei der Art des aufgeprägten elektrischen Feldes bieten sich mehrere Möglichkeiten. Eine erste Variante sieht vor, daß das aufgeprägte elektrische Feld ein unidirek­ tional wanderndes Feld ist.

Die mit dem erfindungsgemäßen Antrieb erzielbaren Bewegungsmöglichkeiten lassen sich sehr flexibel gestal­ ten und so den jeweiligen Anwendungsfällen anpassen. Bei dem unidirektional wandernden Feld kann eine kontinuier­ liche Strömung bei einer starren Kopplung mit dem wandernden elektrischen Feld erzielt werden. Auch eine Strömungsrichtungsumkehr und ein Abbremsen der Strömung ist möglich.

Bei einer zweiten Varianten ist das aufgeprägte elektri­ sche Feld ein hin und her wanderndes Feld.

Ein Antrieb in dieser Ausgestaltung ermöglicht, die Drehrichtung des angeschlossenen Flüssigkeitsantriebs periodisch zu ändern. Auch Pendelbewegungen des Flüssig­ keitsantriebs sind möglich. Die starre Kopplung zwischen der Flüssigkeitssäule und dem wandernden elektrischen Feld ist auch hier vorhanden.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß der Flüssigkeitsantrieb außerhalb des Antriebsraumes angeordnet und mit diesem über eine Strömungsleitung verbunden ist.

Dadurch kann der Flüssigkeitsantrieb, an dessen Welle das Drehmoment abgegriffen wird, auch örtlich getrennt vom Antriebsraum angeordnet werden.

In einer ersten Ausgestaltung ist der Flüssigkeitsantrieb als Turbine ausgebildet.

Die Ausführung ermöglicht eine sehr reibungsarme Antriebsart bei hoher Ausgangsdrehzahl.

In einer zweiten Ausgestaltung ist der Flüssigkeitsan­ trieb als Verdrängungsmotor ausgebildet.

Hier läßt sich eine starre Kopplung zwischen der treiben­ den Flüssigkeitssäule und der Drehbewegung der Antriebs­ welle des Flüssigkeitsantriebs erzielen, woraus sich eine besondere Eignung für Positionierantriebe ergibt.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der weiteren Beschreibung und der Zeichnung.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch einen elektrischen Antrieb gemäß der Erfindung.

Der in der Zeichnung gezeigte elektrische Antrieb umfaßt einen Antriebsraum 14, der mit einer Elektro-Viskose- Flüssigkeit 10, abgekürzt EVF genannt, gefüllt ist. Der Antriebsraum 14 ist durch Wände 18 aus elektrisch nicht­ leitendem Material begrenzt. An den Wänden 18 sind mehrere elektrisch gegeneinander isolierte Elektroden­ paare 20, 22, 24, 26, 28, 30 angeordnet.

Die Elektrodenpaare 20, 22, 24, 26, 28, 30 sind mit einer Steuerschaltung 36 verbunden, die sie an eine sich zeit­ lich und örtlich ändernde Spannung U(t) angelegt. Diese Spannung U(t) erzeugt innerhalb des Antriebsraumes 14 ein wanderndes elektrisches Feld 16 oder auch mehrere wan­ dernde elektrische Felder 16.

Die EVF 10 besteht aus Suspensionen oder Dispersionen feinverteilter hydrophiler Feststoffe in hydrophoben elektrisch nicht leitenden Ölen, z. B. Alumosilikaten in Silikonöl. Im feldfreien Zustand ist die EVF 10 dünnflüs­ sig, während unter dem Einfluß des zwischen den span­ nungsbeaufschlagten Elektrodenpaaren 20, 22, 24, 26, 28, 30 befindlichen elektrischen Feldes 16 die EVF 10 zuneh­ mend dickflüssig wird, da sich die Feststoffteilchen zu festen Strukturen zusammenlagern.

Es entsteht so ein Pfropfen 38 in der EVF 10, der bei entsprechend stark ausgeprägtem Feld 16, wie es bei einer Spannung in Höhe von maximal 4000 bis 10 000 Volt erreicht wird, den Querschnitt des Antriebsraumes 14 ausfüllt. Der Pfropfen 38 bildet dann für andere Körper eine Barriere und kann durch ein wanderndes elektrisches Feld 16 in seiner Gesamtheit verschoben werden, wenn dafür gesorgt ist, daß ein zusammenhängender verfestigter Bereich stän­ dig erhalten bleibt.

Durch die Steuerschaltung 36 können die Elektrodenpaare 20, 22, 24, 26, 28, 30 so angesteuert werden, daß das aufgeprägte elektrische Feld 16 ein unidirektional wanderndes oder ein hin und her wanderndes Feld ist. Dabei kann die Ansteuerung mit einer Spannungswelle U(t) erfolgen, die jeweils an einem Elektrodenpaar 20; 22; 24 oder gleichzeitig an mehreren benachbarten Elektrodenpaa­ ren 20, 22; 22, 24 anliegt. Diese Spannungswelle U(t) breitet sich von Elektrodenpaar 20; 22 zu Elektrodenpaar 22; 24 aus, wie es in der Zeichnung durch den Amplituden­ verlauf mit dem Richtungspfeil angedeutet ist.

Als Alternative kann die Ansteuerung auch mit mehreren aufeinanderfolgenden Spannungswellen U(t) erfolgen, die jeweils an einem örtlich auseinanderliegenden Elektroden­ paar 20; 26; oder gleichzeitig an mehreren benachbarten Gruppen örtlich auseinanderliegender Elektrodenpaare 20, 22; 22, 24; 26, 28; 28, 30 anliegt. Es ist besonders dann zweckmäßig, eine weitere Spannungswelle U(t) am Anfang 40 des Antriebsraumes 14 zu starten, wenn sich ein am Ende 42 des Antriebsraumes 14 ankommender Pfropfen 38 auflösen muß. Dadurch wird nämlich ein kontinuierlicher Kraft­ schluß der Flüssigkeitssäule vor dem Pfropfen 38 gewahrt.

Der Antriebsraum 14 ist an beiden Seiten 40, 42 über eine Strömungsleitung 32 mit einem Flüssigkeitsantrieb 12 in Form einer Turbine verbunden. Die Antriebswelle 34 der Turbine ist wiederum mit einem nicht dargestellten anzu­ treibenden Objekt gekoppelt.

Die Wirkungsweise des elektrischen Antriebs beruht auf dem folgenden Prinzip. In dem Bereich der EVF 10, dem gerade das elektrische Feld 16 aufgeprägt ist, bildet sich ein Propfen 38 zusammenhaftender Feststoffteilchen aus. Wenn nun das elektrische Feld 16 wandert und währenddessen ein verfestigter Bereich in der EVF 10 ständig erhalten bleibt, wird die noch im flüssigen Zustand befindliche EVF-Säule vor dem verfestigten Bereich hergeschoben. Diese EVF-Säule tritt am Ende 42 des Antriebsraumes 14 in den die Strömungsleitung 32 ein, durchströmt den Flüssigkeitsantrieb 12, dessen Antriebs­ welle 34 darauf in Drehung versetzt wird, und gelangt an der anderen Seite 40 wieder in den Antriebsraum 14 zurück. Die Reaktionskraft, die die verdrängte EVF-Säule auf den Pfropfen 38 ausübt, wird durch das elektrische Feld 16 aufgefangen, das den Pfropfen 38 in Position hält.

Durch ein in eine Richtung wanderndes Feld 16 gelingt es daher, die EVF-Säule zu einer stetigen Strömungsbewegung innerhalb des Antriebsraumes 14 zu veranlassen. Ein in die entgegengesetzte Richtung wanderndes Feld 16 bewirkt, daß auch die EVF-Säule ihre Strömungsrichtung umkehrt. Über den Flüssigkeitsantrieb 12 wird mechanische Arbeit verrichtet, die über dessen Antriebswelle 34 auf ein angetriebenes Objekt übertragen werden kann. Dabei be­ steht solange, wie das elektrische Feld 16 den Pfropfen 38 in Position halten kann, eine starre Kopplung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit der EVF-Säule und der Wande­ rungsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes 16.

Die in der Zeichnung dargestellten Elektroden können als plattenförmige Elektroden ausgebildet sein.

Claims (9)

1. Elektrischer Antrieb, gekennzeichnet durch einen eine Elektro-Viskose-Flüssigkeit (10) enthaltenden Antriebsraum (14), dem ein wanderndes elektrisches Feld (16) aufprägbar ist, sowie durch einen von Elektro- Viskose-Flüssigkeit (10) durchströmten Flüssigkeitsan­ trieb (12).

2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Wänden (18) des Antriebsrau­ mes (14) mehrere elektrisch gegeneinander isolierte Elektrodenpaare (20, 22, 24, 26, 28, 30) angeordnet sind, an die eine sich zeitlich und örtlich ändernde Spannung (U(t)) anlegbar ist.

3. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (20, 22, 24, 26, 28, 30) mit einer Spannungswelle (U(t)) oder mehreren, im Abstand aufeinanderfolgenden Spannungswellen (U(t)) beaufschlagt sind, die jeweils an einem Elektroden­ paar (20; 26) oder gleichzeitig an mehreren benachbarten Elektrodenpaaren (20, 22, 24; 26, 28, 30) anliegt bzw. anliegen und sich von Elektrodenpaar (20; 26) zu Elektro­ denpaar (22; 28) ausbreitet bzw. ausbreiten.

4. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U(t)) einen Maximalwert von ca. 4000 bis 10 000 Volt besitzt.

5. Elektrischer Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgeprägte elektrische Feld (16) ein unidirektional wanderndes Feld ist.

6. Elektrischer Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgeprägte elektrische Feld (16) ein hin und her wanderndes Feld ist.

7. Elektrischer Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsantrieb (12) außerhalb des Antriebsrau­ mes (14) angeordnet und mit diesem über eine Strömungs­ leitung (32) verbunden ist.

8. Elektrischer Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsantrieb (12) als Turbine ausgebildet ist.

9. Elektrischer Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsantrieb (12) als Verdrängungsmotor ausgebil­ det ist.