DE69815247T2

DE69815247T2 - Verstärker-Antrieb mit aktiven Materialien

Info

Publication number: DE69815247T2
Application number: DE69815247T
Authority: DE
Inventors: Jean Thierry Audren
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: EP0908961B1; JP2000203493A; CA2250502A1; DE69815247D1; ES2199412T3; US6268682B1; CA2250502C; EP0908961A1

Description

Die Erfindung betrifft verstärkte Antriebe mit aktiven piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Materialien. An Bord von Flugzeugen gibt es zwei Arten der Flugsteuerung:

– primäre Steuerungen, die zum Steuern der unmittelbaren Bewegungen des Flugzeugs dienen; dies sind im Allgemeinen an den Flügelhinterkanten angeordnete Klappen;
– sekundäre Flugsteuerungen zum Einstellen der aerodynamischen Konfiguration des Flugzeugs in Übereinstimmung mit den Flugphasen. In diese Kategorie fallen die Zusatzauftriebselemente und Klappen und die Heckflosse.

Die von den Antrieben dieser Flächen verlangten Merkmale sind extrem unterschiedlich.
Denn die primären Steuerungen müssen eine Bandbreite aushalten, die größer ist als die Breite des Bewegungsspektrums des Flugzeugs, sie müssen die permanente Betriebsbereitschaft sicherstellen und bei Unterbrechung der Energiezufuhr eine Rückkehr in die neutrale Position erlauben.
Die sekundären Steuerungen wiederum müssen bei Betriebsunterbrechungen einen kleinen Durchlassbereich aufweisen und es bei einer Unterbrechung der Energiezufuhr erlauben, die letzte Position beizubehalten.
Diese Steuerungen werden im Allgemeinen durch hydraulische Vorrichtungen verwirklicht, die bei den primären Steuerungen direkt und bei den sekundären Steuerungen über Einrichtungen gesteuert werden, die ein Untersetzungsgetriebe bilden. Diese das Untersetzungsgetriebe bildenden Einrichtungen sorgen im zweiten Fall für die geforderte Unumkehrbarkeit.
Aus verschiedenen Gründen (Wartung, Verschmutzung, Brandgefahr usw.) versuchen die Flugzeugbauer den Anteil der hydraulischen Steuerungen zugunsten von elektrischen Steuerungen zu senken. Jedoch ist die Technologie der elektromagnetischen Motoren, die denjenigen Einrichtungen zugeordnet sind, die ein Untersetzungsgetriebe bilden, mit zu großer Masse verbunden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Motoren auf der Basis von piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Materialien zu schaffen, die hohe Energiedichten aufweisen und starke Belastungen aushalten und folglich als primäre Steuerung in Betracht kommen.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Antriebe mittels Schwingungsmotoren herzustellen, bei denen an einem Stator erzeugte tangentiale und normale Schwingungen durch die Reibung des mechanischen Kontakts zwischen dem Stator und dem Rotor in eine kontinuierliche Bewegung umgewandelt werden.
Eine allgemeine Diskussion des Einsatzes solcher Motoren bei sekundären Flugsteuerungen findet sich beispielsweise in:
"Actionneurs – Des matériaux piézoélectriques pour les comaandes du future" – Usine nouvelle, 31. Oktober 1996, Nr. 2568,
"Des commandes de vol piézoélectriques" – Air et Cosmos/Aviation International, Nr. 1602, 28. Februar 1997.
Diese Art von Motor kann jedoch nicht zur Herstellung von primären Steuerungen verwendet werden, da der permanente Betrieb einen zu schnellen Verschleiß der Grenzfläche und die Beibehaltung der letzten Position im Fall einer Unterbrechung der Energiezufuhr nach sich zieht.
Eine andere bereits vorgeschlagene Lösung besteht darin, direkt die piezoelektrische Verschiebung für die begrenzte Auslenkung der Steuerfläche zu verwenden. Da die piezoelektrischen Materialien sehr hohe Belastungen aushalten, aber nur sehr kleine Verschiebungen erlauben, empfiehlt es sich, sie in Strukturen einzubinden, die die Verschiebung vergrößern, damit sie mit der für die Steuerflächen geforderten Bewegung kompatibel sind. Diese Vorrichtungen werden gemeinhin als "Verstärker" bezeichnet, obwohl die Eingangsenergie immer größer bleibt als die Ausgangsenergie.
Strukturen von verstärkten Antrieben wurden beispielsweise beschrieben in:
"A new amplifier piezoelectric actuator for precise positioning and semi-passive damping" – R. Le Letty, F. Claeyssen, G. Thomin – 2nd space microdynamics and accurate control symposium – 13. bis 16. Mai 1997, Toulouse.
In diesem Artikel wurde vorgeschlagen, als Verstärker am Ausgang des piezoelektrischen Antriebs einen elastischen mechanischen Verstärker zu verwenden. Andere Vorschläge wiederum gehen dahin, als Verstärker Mittel zur hydraulischen Wandlung zu verwenden (siehe den bereits erwähnten, in Usine Nouvelle erschienenen Artikel).
Diese Lösungen sind jedoch nicht zufriedenstellend. Die Struktur, die die Wandlung vornimmt, muss nämlich steifer sein als der Grundantrieb, sonst dient die Energie des Antriebs am Beginn zur Verformung der Konversionsstruktur auf Kosten der Ausgangsenergie. Und diese Starrheit wird oft durch den Einsatz massiver Teile erreicht, was den ursprünglichen Vorteil des leichten Gewichts und der hohen Energiedichte beträchtlich mindert.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine starre und leichte Struktur zu schaffen, die die kleinen piezoelektrischen Bewegungen in große Bewegungen umwandelt.
Hierzu wird erfindungsgemäß ein Antrieb vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er mehrere Stapel von Elementarblöcken aus einem aktiven piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Material aufweist, die derart in mehreren gestapelten Schichten angeordnet sind, in denen sie benachbart und dabei geschlossen sind, dass sie eine röhrenförmige Struktur bilden, sowie Einrichtungen, mit denen an die Elementarblöcke ein elektrisches oder magnetisches Feld angelegt werden kann, wodurch die Elementarblöcke derart verformt werden, dass sich die röhrenförmige Struktur verdrillt.
Nach ersten Ausführungsvarianten sind die Elementarblöcke piezoelektrisch oder elektrostriktiv, und die Einrichtungen zum Verformen der Blöcke umfassen Einrichtungen, die Elektroden bilden, welche das Anlegen von elektrischen Feldern an die Blöcke ermöglichen.
Ein solcher Antrieb wird vorteilhafterweise durch die folgenden verschiedenen Merkmale vervollständigt, die für sich genommen oder beliebig kombiniert werden können:

– Die Elementarblöcke arbeiten verlängernd/verkürzend und sind über die Höhe der röhrenförmigen Struktur mit alternierender Polarisation gestapelt.
– Die Stapel sind in Paare unterteilt durch Trenneinrichtungen, die sich über die Höhe der Struktur erstrecken, und die Trennelemente bestehen aus einer Abfolge von Platten, die jeweils eine Höhe aufweisen, die wenigstens der Höhe von zwei Elementarblöcken entspricht, wobei die Platten aufeinander gleiten können und eine Steifigkeit haben, die größer ist als die der Elementarblöcke, wobei die Trennzonen zwischen den auf einer gleichen Höhe übereinander angeordneten Platten von einer Trenneinrichtung zu einer anderen über die Höhe der Struktur versetzt sind.
– Die Trenneinrichtungen bestehen aus Streifen, die mehrere Spalten aufweisen, durch welche paarweise die Platten begrenzt werden.
– Die Trenneinrichtungen bestehen aus mehreren Trennelementen, die übereinander angeordnet sind und jeweils ein Plattenelement bilden.
– Die Einrichtungen, die die Elektroden bilden, sind aus Trenneinrichtungen gebildet.
– Die Elementarblöcke arbeiten in Scherung.
– Zwei Elementarblöcke, die in der Höhe eines gleichen Stapels aufeinander folgen, weisen Metallisierungen auf, die eine Elektrode auf ihren gegenüberliegenden Flächen bilden.
– Die Stapel der Elementarblöcke werden durch elektrisch leitfähige Trenneinrichtungen getrennt, mit denen die Metallisierungen verbunden sind, die die Elektroden bilden.
– Die Elementarblöcke sind als Scheibe über die Höhe der Röhrenstruktur angeordnet.
– Der Antrieb umfasst eine Vorspannungsummantelung, in welcher sich die Röhrenstruktur aus den Elementarblöcken befindet.
– Die Vorspannungsummantelung umfasst mehrere Ringe, die jeweils die Vorspannung einer Scheibe aus Elementarblöcken der Röhrenstruktur sicherstellen.
– Die Ringe sind elektrisch leitfähig und der Antrieb weist mehrere Kontaktbereiche auf, die über die Höhe der Struktur zwischen den Trenneinrichtungen und den Vorspannungsringen verteilt sind.
– Die Kontaktbereiche sind derart verteilt, dass sie mit einer von zwei Platten in Kontakt stehen.
– Die Ringe sind durch elektrisch isolierende Scheiben voneinander getrennt.
– Die Vorspannungsummantelung oder die Vorspannungsringe besteht beziehungsweise bestehen aus einer Legierung mit Formgedächtnis.

Ein solcher Antrieb wird vorteilhafterweise folgendermaßen hergestellt:

a) in einer Außenröhre werden abwechselnd Vorspannungsringe in einer Niedertemperaturphase und Isolatorscheiben aufeinander gestapelt,
b) entlang der Erzeugenden eines zylindrischen Innenkerns mit isolierender Oberfläche werden geschlitzte metallische Streifen mit der halben Dicke des Kerns geklebt und dabei paarweise entlang des Kerns versetzt,
c) der Kern und seine Streifen werden in die Röhrenstruktur eingeführt, die von den Vorspannungsringen und den Scheiben gebildet wird,
d) die Elementarblöcke werden in die Aufnahmen zwischen die Ringe, die Streifen und den Kern eingeführt,
e) der Aufbau wird aufgeheizt, sodass eine Phasenänderung der Vorspannungsringe hervorgerufen wird.

Gemäß anderen Herstellungsvarianten umfassen die Elementarblöcke der röhrenförmigen aktiven Struktur mehrere Stapel aus Platten, die durch Magnetostriktion deformiert werden und zwischen denen Trenneinrichtungen angeordnet sind, die aus Stapeln von Trennplatten bestehen, die jeweils eine Höhe aufweisen, die mindestens der Höhe von zwei Platten entspricht, die durch Magnetostriktion deformiert werden können, wobei die verschiedenen, in einer Höhe der aktiven Struktur übereinander angeordneten Platten aufeinander gleiten können, wobei die Trennzonen zwischen den in einer gleichen Höhe übereinander angeordneten Trennplatten von einer Trenneinrichtung zu einer anderen in der Höhe der Struktur versetzt sind, wobei der Antrieb außerdem Einrichtungen zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Platten umfasst, die durch Magnetostriktion deformiert werden sollen, das in der Höhe der Struktur und um sie herum alternierend das Zusammenziehen und Verlängern der Platten bewirkt.
Ein solcher Antrieb wird vorteilhafterweise von den folgenden verschiedenen Merkmalen vervollständigt, die für sich genommen oder beliebig kombiniert werden können:

– Die aktive Struktur ist eine Röhre aus magnetostriktivem Material, die mehrere im Zickzack angeordnete Spalten aufweist, zwischen denen Zonen, die den Platten entsprechen, die durch Magnetostriktion verformt werden, und Zonen, die den Trennplatten entsprechen, festgelegt sind.
– Der Antrieb umfasst Einrichtungen zum Anlegen eines gleichförmigen permanenten radialen Magnetfeldes an die aktive Struktur und zum Überlagern des permanenten Feldes mit einem radialen Steuerfeld, das von einer Platte, die durch Magnetostriktion deformiert werden soll, zu einer anderen wechselt.
– Er umfasst Einrichtungen zum Anlegen eines permanenten radialen Feldes an die aktive Struktur, das von einer Platte, die durch Magnetostriktion deformiert werden soll, zu einer anderen wechselt, und zum Überlagern dieses Feldes mit einem gleichförmigen radialen Steuerfeld.
– Er weist gegenüber den verschiedenen Platten, die durch Magentostriktion verformt werden sollen, Dauermagneten auf.
– Die Dauermagneten weisen eine Polarisation auf, die von einem Magneten zum anderen wechselt.
– Die Dauermagneten werden von einem Kern getragen, der mehrere Abschnitte aufweist, mit denen die einen in Bezug auf die anderen gedreht werden können, und der Antrieb weist außerdem Einrichtungen zum Übertragen der Verdrillungsbewegung der aktiven Struktur auf diese Abschnitte auf.
– Die Einrichtungen weisen eine Axialtorsionsstange auf.
– Die Einrichtungen weisen Elastomer-Verbindungen zwischen den Dauermagneten auf, die in der Höhe der aktiven Struktur aufeinander folgen.

Die folgende Beschreibung dient nur der Veranschaulichung und stellt keine Einschränkung dar. Sie ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zu lesen.
1 ist eine perspektivische schematische Darstellung eines Antriebs nach einer möglichen Ausführungsart der Erfindung.
2 ist eine abgewickelte Darstellung der aktiven Struktur des Antriebs von 1.
3 ist eine ähnliche Ansicht wie 2 und zeigt die Funktionsweise der aktiven Struktur.
4 ist eine abgewickelte Darstellung einer anderen möglichen Ausführungsvariante der aktiven Struktur.
5 zeigt das Gleiten zwischen zwei Platten der Trenneinrichtungen der Struktur von 4.
6 zeigt den Antrieb von 1 im Querschnitt.
7 ist eine perspektivische schematische Darstellung, die eine mögliche Ausführungsart der Vorspannungsummantelung zeigt.
8 ist eine perspektivische Darstellung, die eine mögliche Ausführungsart der Trenneinrichtungen zeigt.
Die 9a bis 9d sind schematische Darstellungen verschiedener Schritte zur Herstellung des Antriebs von 1.
Die 10 und 11 sind ähnliche Darstellungen wie die 2 und 3 und zeigen eine andere mögliche Ausführungsart der Erfindung.
12 ist eine ähnliche Darstellung wie die von 10 und zeigt eine weitere mögliche Ausführungsvariante.
13 ist eine perspektivische schematische Darstellung, ähnlich der von 1, und zeigt einen magnetostriktiven Antrieb gemäß einer anderen möglichen Ausführungsvariante.
14 ist eine abgewickelte Darstellung der aktiven Struktur des Antriebs von 13.
15 ist eine ähnliche Darstellung wie die von 14 und zeigt die Verdrillungsbewegung der aktiven Struktur.
16 ist eine ähnliche Darstellung wie die von 14 und zeigt eine andere mögliche Ausführungsart der Erfindung.
17 ist ein Graph, an dem die Verlängerung L eines magnetostriktiven Materials in Abhängigkeit des daran angelegten Magnetfelds B aufgetragen ist.
18 ist eine radiale Halbschnittdarstellung des Antriebs von 15.
19 ist ein Querschnitt durch den gleichen Antrieb.
20 ist eine ähnliche Ansicht wie die von 18 und zeigt eine weitere Ausführungsart der Erfindung.
Die 21 und 22 zeigen zwei mögliche Arten der Struktur für den Schaft der Struktur von 18 oder 20.
Der in 1 gezeigte Antrieb nach einer möglichen Ausführungsart ist zylindrisch geformt und umfasst eine röhrenförmige aktive Struktur 1 sowie eine Vorspannungsummantelung 2, in der die aktive Struktur 1 montiert ist. Darüber hinaus kann er in der Mitte einen Kern 3 umfassen, der hauptsächlich zur Konstruktion des Antriebs dient und, wie später noch detailliert beschrieben wird, gegebenenfalls am Ende der Herstellung entfernt werden kann.
Der zylindrische Antrieb wird in eine starke Torsionsbewegung um seine Drehachse versetzt, wenn eine Steuerspannung auf seine Vorspannungsummantelung ausgeübt wird. Diese Torsion kann mit den aktiven Strukturen 1, die noch beschrieben werden, 0,25 rad, also 15° erreichen.
2 zeigt in abgewickelter Form eine geringe Höhe einer aktiven Struktur 1 gemäß einer möglichen Ausführungsart.
Die Achse A stellt die Richtung der Achse des Zylinders dar.
Die Rechtecke mit einem Pfeil in der Mitte stellen Blöcke aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material dar und tragen das Bezugszeichen 4.
Diese Blöcke 4 sind entweder massive Keramikblöcke oder mehrschichtige Blöcke. Im ersten Fall entspricht die Richtung des Pfeils der Polarisationsrichtung. Im zweiten Fall entspricht die Richtung des Pfeils der Polarisationsrichtung der äußeren Schichten.
Die Blöcke 4 sind über die Höhe der Struktur gestapelt und jede Stapelschicht wird von mehreren Blöcken 4 gebildet, die so nebeneinander liegen, dass sie sich ringförmig schließen und eine Scheibe R bilden.
Auf einer Stapelschicht sind die aufeinander folgenden Blöcke 4 paarweise durch inerte Trennelemente 5 (Platten) voneinander getrennt, die sich jeweils über zwei Stapelschichten erstrecken. Diese Trennelemente sind aus Materialien von größerer Steifigkeit als die der Keramik der Blöcke 4, beispielsweise aus Stahl.
Die aufeinander folgenden Trennelemente 5 einer gleichen Stapelschicht erstrecken sich wechselweise durch die eine und die andere der beiden Stapelschichten beidseits der betrachteten Stapelschicht und bilden Trennelemente für die Blöcke 4 der einen beziehungsweise der anderen der beiden Schichten.
Zwei in der Höhe der Achse A der Struktur aufeinander folgende Trennelemente 5 stehen miteinander in Kontakt, lassen sich aber gegeneinander versetzen.
Die Polarisationsrichtungen der Blöcke 4 (oder ihrer äußersten Schichten im Fall von mehrschichtigem Material) wechseln von einer Stapelschicht zur anderen.
Wird eine Wechselspannung (+V, –V) an die Fluchtlinien entlang der Achse A der Trennelemente 5 angelegt, erzeugt man eine Bewegung, durch die jede Schicht gegenüber ihrer angrenzenden Schicht versetzt wird. Aufgrund der wechselnden Felder in jeder Scheibe R und der wechselnden Polarisation von einer Scheibe R zur anderen hat die Versetzung immer die gleiche Richtung, wie 3 zeigt.
Unter der Annahme, dass die Materialverformung der Trennelemente 5 (Metall) gegenüber derjenigen der Keramik der Blöcke 4 (großer Unterschied des Elastizitätsmoduls) vernachlässigbar ist und dass sich die Elemente 5 parallel zueinander verschieben, erhält man in erster Näherung: Θ = 2Πμε·m/n K = (E/2Πμ)·(n2/m2)R·ΔR·l,wobei
Θ = maximale Torsion der Welle unter Spannung,
m = Anzahl der Schichten im Zylinder,
ε = maximale relative Verformung der Keramik unter Feld,
μ = Volumenkoeffizient von Keramik ρ in Bezug auf das Gesamtvolumen Metall + Keramik,
R = Außenradius der aktiven Struktur,
K = Torsionssteifigkeit der Welle,
n = Anzahl der Keramikplatten in einer Scheibe,
E = Elastizitätsmodul der Keramik,
ΔR = Differenz zwischen Außen- und Innenradius der aktiven Schicht,
l = Länge des Antriebs.
Mithilfe dieser beiden Formeln lassen sich die gewünschten Eigenschaften der Welle auswählen, die den zylindrischen Antrieb bildet. Man sieht, dass das Verhältnis μ m/n den Koeffizienten für die mechanische Verstärkung darstellt. Für ein großes Verhältnis versucht man eine große Anzahl von Schichten mit einem Minimum an Blöcken pro Schicht zu erreichen.
Der Wert des Koeffizienten μ soll ebenfalls groß sein, aber empfehlenswerterweise kleiner als 0,5. Denn wenn μ zunimmt, erfahren die Trennelemente 5 aus Metall eine Torsionsbewegung, die für die Funktionsweise der Vorrichtung von Nachteil ist.
Um μ erhöhen zu können und dabei dieses Phänomen möglichst zu vermeiden, kann man die einzelnen Trennelemente 5 vorteilhafterweise durch Trennelemente aus – beispielsweise metallischen – Streifen 6 ersetzen, die parallel zur Achse A des Zylinders sind und Spalten 7 aufweisen.
Eine solche Variante ist in 4 gezeigt.
Die Spalten 7 eines Streifens 6 sind durch einen Abstand voneinander getrennt, der der Höhe von zwei Schichten von aufeinander folgenden Blöcken 4 entspricht.
Von einem Streifen zum anderen sind die Spalten um die Höhe einer Schicht von Blöcken 4 versetzt.
Mit einer solchen Struktur ist die metallische Masse (Platte) zwischen zwei aufeinander folgenden Spalten 7 eines Streifens gleichwertig zu einem Trennelement 5 in der unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschriebenen Struktur, und die Spalten wirken wie Verbindungen zwischen den Trennelementen 5, die das Gleiten eines Elements 5 gegenüber dem anderen erlauben und das Kippen begrenzen.
Eine Verformung der Zone eines Streifens 6 um einen Spalt 7 herum ist in 5 gezeigt.
Man stellt fest, dass die Spalten 7 einen großen Teil der Scherspannungen beseitigen, die bei der Translation gleichmäßig in der Oberfläche verteilt sind, und die Zug/Druck-Beanspruchungen maximieren, die bei einem Kippen an den Rändern des Trennelements 5 groß sind.
Die Vorspannungsummantelung 2 wird für jede Schicht des Zylinders mithilfe eines Vorspannungsrings 8 hergestellt, der die Einheit aus Metall und Keramik wie in 6 dargestellt zusammenhält.
Die Vorspannungsringe 8 sind vorteilhafterweise aus einer Legierung mit Formgedächtnis und einer großen Temperatur-Hysterese von der Art Ni-Ti-Nb hergestellt. In seiner Niedertemperaturphase, die durch Härten in flüssigem Stickstoff erhalten wird, weist der Ring 8 bei gewöhnlicher Temperatur einen ausreichenden Innendurchmesser auf, um die Wechselfolge von Keramik-Metall zu bilden. Bei Aufheizen auf über 150°C nimmt der Ring 8 seine Hochtemperatur-Struktur an, indem er sich zusammenzieht und damit für die Vorspannung sorgt. Er behält diese Struktur dann auch bei gewöhnlichen Einsatztemperaturen (–60°C bis 100°C).
Um Kurzschlüsse zwischen den Speisestromkreisen +V und – V zu vermeiden, steht nur einer von zwei Streifen 6 (oder ein Trennelement 5) mit dem Ring 8 in Kontakt.
Der Kontakt wird vorzugsweise durch Kontaktbereiche 10 hergestellt.
Um eine einheitliche Vorspannung zu erhalten, verändert man von einer Schicht zur anderen die Verteilung der Kontaktbereiche. Das hat zur Folge, dass sich jeder Vorspannungsring 8 auf einem Potenzial befindet, das dem des direkt angrenzenden Rings entgegengesetzt ist. Es empfiehlt sich daher, elektrisch isolierende Scheiben 9 zwischen die Vorspannungsringe 8 zu schalten, wie in 7 gezeigt.
Ein Beispiel für eine mögliche Struktur eines Trennstreifens 6 ist in 8 dargestellt.
Der in dieser Figur gezeigte Streifen umfasst eine Abfolge von Vorsprüngen, die Kontaktbereiche 10 bilden und sich mit Aussparungen 11 abwechseln, wobei jeder Bereich 10 und jede Aussparung 11 einer Schicht der aktiven Struktur 1 entsprechen.
Diese Lösung wird bevorzugt, da sie für eine gute elektrische Unterbrechungsfreiheit sorgt und erlaubt, die Vorspannung über die seitlichen Ränder oder Zungen 12, die sich entlang der Streifen 6 auf beiden Seiten der Spalten erstrecken, von einer Schicht auf die andere zu übertragen. So werden auch die Bereiche der Streifen 6, die den Aussparungen 11 entsprechen und nicht mit dem Vorspannungsring 8 der ihnen entsprechenden Schicht in Kontakt stehen, von den Ringen 8 der unmittelbar angrenzenden Schichten gehalten.
Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist die vollkommene elektrische Unterbrechungsfreiheit.
Vorteilhafterweise wird die soeben beschriebene Struktur folgendermaßen hergestellt (9a bis 9d):
Man nimmt eine äußere Röhre 13, in die eine Wechselfolge von Vorspannungsringen 8 in Niedrigtemperaturphase und isolierende Scheiben 9 gestapelt werden (9a).
An einen zylindrischen Innenkern 3 mit isolierender Oberfläche werden geschlitzte Streifen 6 aus Metall temporär oder permanent entlang der Erzeugenden geklebt. Diese Streifen sind entlang der Erzeugenden um die Dicke einer Schicht versetzt (9b).
Der Kern mit seinen Streifen wird in die von den Vorspannungsscheiben gebildete Röhre eingeführt (9c).
In die zwischen den Ringen 8, den Streifen 6 und dem Kern 3 verbleibenden Aufnahmen werden Keramikblöcke eingeführt, sodass die orthoradiale Ausrichtung der Polarisation in jeder Schicht des so gebildeten Stapels die gleiche ist und von einer Schicht zur anderen wechselt.
Die ganze Einheit oder nur ihr Äußeres wird erhitzt, sodass eine Phasenveränderung der Vorspannungsringe 8 erfolgt. Die Temperatur, auf die die Ringe gebracht werden, muss kleiner sein als die Curie-Temperatur der Keramiken, damit keine Depolarisation erfolgt.
Abhängig von der späteren Verwendung wird die externe Röhre 13 und/oder der Innenkern 3 entfernt. Wenn der Innenkern an seinem Platz gelassen wird, muss er dank seiner eigenen oder der Flexibilität seiner isolierenden Ummantelung eine deutlich schwächere Steifigkeit als die aktive Struktur aufweisen. Der Kern 3 kann in seiner Mitte einen Schaft aufweisen, der es erlaubt, eine axiale Vorspannung zu erzeugen.
Selbstverständlich sind noch andere Herstellungsvarianten möglich.
Insbesondere wurde bei der vorhergehenden Beschreibung implizit angenommen, dass die Blöcke 9 aus Keramiken sind, die verlängernd oder verkürzend arbeiten (Koeffizient der piezoelektrischen Verformung D33 oder D31).
Es können jedoch auch Keramiken in Betracht gezogen werden, die in Scherung arbeiten (Koeffizient D15).
Piezoelektrische Keramiken dieser Art gibt es heute in Form von massiven Keramiken.
Und da Spannungen von mehreren Hundert Volt bei Flugantrieben verwendet werden können, kommt der Einsatz solcher Keramiken in Frage.
In den 10 und 11 ist eine erfindungsgemäße Antriebsstruktur dargestellt, bei der die Blöcke, die das Bezugszeichen 104 tragen, aus piezoelektrischen Materialien bestehen, die in Scherung arbeiten.
Diese Blöcke 104 sind mit alternierender Polarisation in der Höhe der Struktur (Achse A) gestapelt.
Zwei aufeinander folgende Blöcke 104 eines Stapels sind durch eine Metallisierung getrennt, die eine Elektrode 120 bildet, wobei die Metallisierungen 120 wechselweise in der Höhe der aktiven Struktur mit den leitfähigen Trennstreifen 106 verbunden sind, die auf der einen oder der anderen Seite des Stapels angeordnet sind.
So wird bei wechselndem Anlegen eines Potenzials +V oder –V an die Trennelemente 106 die Struktur wie in 11 veranschaulicht verformt.
In dem in den 10 und 11 gezeigten Beispiel weisen die Blöcke 104 einer Schicht in der Höhe der Struktur Polarisationen in der gleichen Richtung auf und die Zungen 120 sind – bei abgewickelter Darstellung – symmetrisch auf beiden Seiten der Trennelemente 106 verteilt.
Die Polarisation der Blöcke 104 muss jedoch keinesfalls für alle Blöcke 104 einer Stapelschicht die gleiche sein. Die Polarisation kann in einer Schicht von einem Block 104 zum andern wechseln, dann sind die Metallisierungen 120 von zwei aufeinander folgenden Blöcken 104 in einer Schicht mit zwei verschiedenen Trennelementen 106 verbunden.
Der in 13 veranschaulichte magnetostriktive Antrieb nach einer möglichen Ausführungsart ist von zylindrischer Form und weist eine rohrförmige aktive Struktur 201 sowie eine Ummantelung 202 auf, in der die aktive Struktur 201 montiert ist, und in der Mitte einen Kern 203.
14 zeigt in abgewickelter Form eine geringe Höhe einer aktiven Struktur 201 nach einer möglichen Ausführungsart.
Die Achse A stellt die Richtung der Achse des Zylinders dar.
Diese aktive Struktur umfasst mehrere Blöcke oder Platten 204 aus magnetostriktiver Keramik, die in der Höhe der Struktur gestapelt sind, wobei jede Stapelschicht aus mehreren Blöcken 204 besteht, die so nebeneinander liegen, dass sie sich ringförmig schließen und eine Scheibe R bilden.
In ein und derselben Stapelschicht sind die aufeinander folgenden Blöcke 204 paarweise durch inerte Trennelemente 205 (Metallplatten) getrennt, die sich jeweils über zwei Stapelschichten erstrecken. Die Trennelemente sind aus Materialien mit höherer Steifigkeit als die Keramik der Blöcke 204 und beispielsweise aus Stahl.
Die aufeinander folgenden Trennelemente 205 einer Stapelschicht erstrecken sich wechselweise durch die eine und die andere der beiden Stapelschichten auf beiden Seiten der betrachteten Stapelschicht und bilden Trennelemente für die Blöcke 204 der einen beziehungsweise der anderen dieser beiden Schichten.
Zwei in der Höhe der Achse A der Struktur aufeinander folgende Trennelemente 205 stehen miteinander in Kontakt, lassen sich aber gegeneinander versetzen.
An die Blöcke 204 werden radiale Magnetfelder angelegt, sodass die Blöcke 204 einer Schicht derart verformt werden, dass von zwei aufeinander folgenden Blöcken einer Schicht oder zwei in der Höhe der Struktur aufeinander folgenden Blöcken der eine verkürzt und der andere verlängert wird und eine Bewegung entsteht, die jede Schicht gegenüber der angrenzenden Schicht versetzt, und dass sich die aktive Struktur 201 verdrillt.
Das ist in 14 veranschaulicht. Die Trennelemente 205 (Metall) sind aus einem Material, das eine Verformung aufweist, die gegenüber der Verformung der Keramik der Blöcke 204 vernachlässigbar ist (großer Unterschied des Elastizitätsmoduls).
Die Trennstreifen können auch mit den Blöcken 204 aus einem Stück sein; in diesem Fall erhält man eine aktive Struktur wie sie in 15 dargestellt ist, die aus einer Röhre 206 aus magnetostriktivem Material mit mehreren im Zickzack verteilten Spalten 207 besteht, wobei die den Platten 205 entsprechenden Zonen zwischen den Spalten 207 festgelegt sind, die an ein und derselben Erzeugenden in der Höhe der Struktur angeordnet sind; dabei sind die Zonen, in denen bei Anlegen eines radialen Magnetfelds die Magnetostriktion auftritt und die den Blöcken 204 entsprechen (schraffierte Bereiche in 16), diejenigen, die zwischen den sich überdeckenden Abschnitten der Spalten 207 festgelegt sind, die sich an zwei aufeinander folgenden Höhen der Struktur befinden.
Da die Magnetostriktion ein symmetrisches Phänomen ist, also nicht vom Vorzeichen des Feldes abhängt (siehe 17), empfiehlt es sich, ein Feld zur magnetischen Polarisation anzulegen, damit jede Zone einen sowohl entlang der Zylinderachse als auch in einer orthoradialen Richtung wechselnden mechanischen Effekt hat.
Es gibt zwei Möglichkeiten:
entweder wird ein gleichförmiges, radiales Dauermagnetfeld an den ganzen Zylinder angelegt und ein von einem Bereich zum anderen wechselndes radiales Steuerfeld (Doppelfeil I in 17) hinzugefügt;
oder es wird ein von einer Zone zur anderen wechselndes radiales Dauerfeld angelegt und ein gleichförmiges radiales Steuerfeld zur Steuerung (einfache Pfeile II in 17) hinzugefügt.
Eine Struktur, die der zweiten Möglichkeit entspricht, ist in 18 veranschaulicht und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es sind jedoch auch Strukturen dazwischen denkbar, in denen das radiale Dauermagnetfeld anstatt konstant zu sein, an größeren Zonen wechselt, wobei das Wechseln des Steuerfelds bei einem Übergang von einer Zone zur anderen versetzt ist.
Eine weitere Struktur dazwischen wäre eine Struktur, in der ein radiales Steuerfeld an großen Zonen wechselt, wobei der Wechsel des Dauerfelds beim Übergang von einer Zone zur anderen versetzt ist.
18 zeigt eine Struktur im radialen Halbschnitt.
Die Ummantelung 202 darin ist aus weichmagnetischem Material, beispielsweise aus Metall.
Der Kern 203 darin besteht aus einem Schaft 210 aus weichmagnetischem Material (Metall), der mehrere Magneten 209 trägt, die den Zonen 204 zugewandt sind. Die Polarisation dieser Magneten 209 wechselt sowohl in der Höhe als auch am Umfang des Schafts 210.
Die Magneten befinden sich beispielsweise zwischen dem Schaft 210 und den Elementen 210a aus weichmagnetischem Material und sind der aktiven Struktur 201 zugewandt.
Der Wechsel der Polarisation der Magneten 209 erzeugt den Wechsel der Dauerfelder im magnetostriktiven Material. Wie 19 zeigt, findet dieser Wechsel auch in orthoradialer Richtung statt.
Am Ende des Kerns 203 befindet sich die Steuerspule, die ein axiales Feld anlegt, das sich durch die Außenummantelung schließt.
Das Steuerfeld schließt sich gleichförmig durch das magnetostriktive Material, vorausgesetzt der magnetische Widerstand des Kerns 203 und des Verschlusses ist gering vor den Luftspalten. Das ist nicht unbedingt der Fall, wenn der Zylinder sehr lang ist. Daher können, wie in 20 gezeigt, die Richtungen der Steuerfelder gewechselt werden, indem in regelmäßigen Abständen Steuerspulen 211 entlang dem Schaft 210 angeordnet werden. Das verringert den bei jeder Spule wirksamen magnetischen Widerstand.
Die gerade beschriebene Struktur ist besonders vorteilhaft, wenn sich das konstante Feld orthoradial im Verschluss schließt, aufgrund des orthoradialen Wechsels der Polarisationen der Magneten. Die Vorrichtung ist unabhängig von der Länge.
Wenn sich jedoch die aktive Struktur entlang der Zylinderachse verdreht, befinden sich die Pole des Kerns nicht mehr den Zonen 204 gegenüber, die erregt werden sollen. Der Kern 203 sollte sich also ebenfalls wie die aktive Struktur 201 verdrehen können und dabei eine weit geringere Steifigkeit aufweisen. Hierzu muss der Kern 203 an seinen Enden mit der aktiven Struktur 201 fest verbunden sein.
Der Schaft 210 besteht hierzu vorteilhafterweise aus mehreren Abschnitten 213, die untereinander durch eine Axialtorsionsstange 214 verbunden sind, deren Durchmesser gering ist, wenn sie aus Metall besteht, oder groß, wenn sie aus Elastomer ist. Das ist in 21 gezeigt (axialer Halbschnitt), in der die Punkte die Verbindungspunkte der Elemente des Kerns mit der Torsionsstange darstellen.
Es kann auch eine Verbindung zwischen zwei Elementen 210a des Kerns durch Scheiben 212 aus Elastomer zwischen den verschiedenen Polschichten vorgesehen werden.
Das ist in 22 gezeigt.
Die Scheiben 212 aus Elastomer können auch die Steuerspule umgeben.

Claims

Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Stapel von Elementarblöcken (4, 204) aus einem aktiven piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Material, die derart in mehreren gestapelten Schichten angeordnet sind, in denen sie dicht benachbart sind, dass sie eine röhrenförmige Struktur (1, 201) bilden, sowie Einrichtungen umfasst, mit denen an die Elementarblöcke (4, 204) ein elektrisches oder magnetisches Feld angelegt werden kann, wodurch die Elementarblöcke derart verformt werden, dass sich die röhrenförmige Struktur verdrillt.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarblöcke (4) piezoelektrisch oder elektrostriktiv sind und die Einrichtung zum Verformen der Blöcke Einrichtung umfassen, die Elektroden bilden, welche das Anlegen von elektrischen Feldern an die Blöcke ermöglicht.
Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarblöcke verlängernd/verkürzend arbeiten und dass sie über die Höhe der röhrenförmigen Struktur mit alternierender Polarisation gestapelt sind.
Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapel durch Trenneinrichtungen (5) in Paare unterteilt werden, die sich über die Höhe der Struktur erstrecken, und dass die Trennelemente (5) aus einer Abfolge von Platten bestehen, die jeweils eine Höhe aufweisen, die wenigstens der Höhe von zwei Elementarblöcken (4) entspricht, wobei die Platten aufeinander gleiten können und eine Steifigkeit haben, die größer als die von den Elementarblöcken ist, wobei die Trennzonen zwischen den auf einer gleichen Höhe übereinander angeordneten Platten von einer Trenneinrichtung zu einer anderen über die Höhe der Struktur versetzt sind.
Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtungen (5) aus Streifen (6) bestehen, die mehrere Spalte (7) aufweisen, durch welche paarweise die Platten begrenzt werden.
Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtungen (5) aus mehreren Trennelementen bestehen, die übereinander angeordnet sind und jeweils ein Plattenelement bilden.
Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen, die die Elektroden bilden, aus Trenneinrichtungen (5) gebildet werden.
Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarblöcke (4) in Scherung arbeiten.
Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elementarblöcke (4), die in der Höhe einer gleichen Stapelung aufeinander folgen, Metallisierungen aufweisen, die eine Elektrode auf ihren gegenüberliegenden Flächen bildet.
Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Stapel der Elementarblöcke (4) durch elektrisch leitfähige Trenneinrichtungen getrennt werden, mit denen die Metallisierungen verbunden sind, die die Elektrode bilden.
Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarblöcke als Scheibe (R) über die Höhe der Röhrenstruktur angeordnet sind.
Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorspannungsummantelung (2, 202) umfasst, in welcher sich die Röhrenstruktur aus den Elementarblöcken (4, 204) befindet.
Antrieb nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsummantelung (2) mehrere Vorspannungsringe (8) umfasst, die jeweils die Vorspannung einer Scheibe aus den Elementarblöcken der Röhrenstruktur sicherstellen.
Antrieb nach Anspruch 13 in Verbindung mit einem der Ansprüche 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (8) elektrisch leitfähig sind und dass er mehrere Kontaktbereiche (10) aufweist, die über die Höhe der Struktur zwischen den Trenneinrichtungen (5) und den Vorspannungsringen (8) angeordnet sind.
Antrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (10) derart angeordnet sind, dass sie mit einer von zwei Platten (5, 6) in Kontakt stehen.
Antrieb nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (8) durch elektrisch isolierende Scheiben (9) getrennt sind.
Antrieb nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsummantelung (2) oder die Vorspannungsringe (8) aus einer Legierung mit Formgedächtnis besteht oder bestehen.
Verfahren zum Herstellen eines Antriebs nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einer Außenröhre (13) abwechselnd Vorspannungsringe (8) in einer Niedertemperaturphase und Isolatorscheiben (9) aufeinander gestapelt werden, b) entlang der Erzeugenden eines zylindrischen Innenkerns mit isolierender Oberfläche metallische, geschlitzte Streifen (6) mit der halben Dicke des Kerns geklebt werden, wobei sie paarweise entlang des Kerns versetzt werden, c) der Kern (3) und seine Streifen (6) in die Röhrenstruktur eingeführt werden, gebildet durch die Vorspannungsringe (8) und die Scheiben (9), d) die Elementarblöcke (4) in die Aufnahmen zwischen die Ringe (8), die Streifen (6) und den Kern (3) eingeführt werden, e) der Aufbau aufgeheizt wird, so dass eine Phasenänderung der Vorspannungsringe (8) hervorgerufen wird.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarblöcke der aktiven, röhrenförmigen Struktur (201) mehrere Stapel aus Platten (204) umfassen, die durch Magnetostriktion deformiert werden können und zwischen denen Trenneinrichtungen (205) angeordnet sind, die aus Stapeln von Trennplatten bestehen, die jeweils eine Höhe aufweisen, die wenigstens der Höhe von zwei Platten entspricht, die durch Magnetostriktion deformiert werden können, wobei die verschiedenen, in einer Höhe der aktiven Struktur übereinander angeordneten Platten aufeinander gleiten können, wobei die Trennzonen zwischen den in einer gleichen Höhe übereinander angeordneten Trennplatten von einer Trenneinrichtung zu einer anderen in der Höhe er Struktur versetzt sind, wobei der Antrieb außerdem Einrichtungen umfasst zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Platten, die durch Magnetostriktion deformiert werden sollen, das in der Höhe der Struktur und um sie herum alternierend das Zusammenziehen und Verlängern der Platten bewirkt.
Antrieb nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Struktur (201) eine Röhre (206) aus einem magnetostriktiven Material ist, das mehrere wechselständige Spalten (207) aufweist, zwischen denen Zonen, die den Platten entsprechen, die durch Magnetostriktion verformt werden, und Zonen, die den Trennplatten entsprechen, definiert sind.
Antrieb nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass er Einrichtungen umfasst zum Anlegen eines radialen, permanenten, gleichförmigen Magnetfeldes an die aktive Struktur und zum Überlagern des permanenten Feldes mit einem radialen Steuerfeld, das von einer Platte, die durch Magnetostriktion deformiert werden soll, zu einer anderen wechselt.
Antrieb nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass er Einrichtungen umfasst zum Anlegen eines radialen, permanenten, Feldes an die aktive Struktur, das von einer Platte, die durch Magnetostriktion deformiert werden soll, zu einer anderen wechselt, und zum Überlagern dieses Feldes mit einem radialen, gleichförmigen Steuerfeld.
Antrieb nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass er Dauermagneten gegenüber den verschiedenen Platten umfasst, die durch Magentostriktion verformt werden sollen.
Antrieb nach Anspruch 22 in Verbindung mit 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete eine Polarisation aufweisen, die von einem Magneten zum anderen wechselt.
Antrieb nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete von einem Kern (203) getragen werden, der mehrere Abschnitte (213) aufweist, mit denen die einen in Bezug auf die anderen gedreht werden können, und dass er außerdem Einrichtung zum Übertragen der Verdrillungsbewegung der aktiven Struktur auf diese Abschnitte aufweist.
Antrieb nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen eine Axialtorsionsstange (214) aufweisen.
Antrieb nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen Elastomer-Verbindungen (212) zwischen den Dauermagneten aufweisen, die in der Höhe der aktiven Struktur aufeinanderfolgen.