HU226838B1 - Electromagnetically operated mechanical actuator - Google Patents

Description

A találmány tárgya egy elektromágneses működtetésű mechanikus aktuátor, amely tartalmaz egy mágneses teret biztosító első mágneses elemet, egy elektromágneses gerjesztőelemmel ellátott hordozóból álló, az első mágneses elemhez képest elmozdulni képes második mágneses elemet, a második mágneses elem első mágneses elemhez képesti lineáris elmozdulását adott pálya mentén biztosító vezetőelemet, a hordozót legalább részben körülvevő, és a vezetőelem belső terében elhelyezkedő ferrofluidot, valamint egy a ferrofluiddal érintkező zárt gázteret. Lineáris elmozdulás létrehozására, például oszcilláló vagy rezgő mozgáshoz ismertek olyan mágneses, elektromágneses elrendezések, amelyek aktuátorként működve különféle mechanikus vagy akusztikus hatásokat keltenek. Ilyennek tekinthetők például a hangszórók, azonban annál sokkal tágabb értelemben véve minden olyan mechanikus mozgás kiváltására alkalmas eszköz beleillik az aktuátorok fogalomkörébe, amely bizonyos értékű lineáris elmozdulást eredményez egy eszköz valamelyik tényleges fizikai részen. Ilyenek például a robotkarok működtetőelemei.

Az ismert aktuátor eszközöknél problémaként merül fel, hogy azok nem tudnak egy tetszőleges lineáris elmozdulási pozícióban úgy megmaradni, hogy tartós, statikus erőhatást fejtsenek ki valamire, vagy ehhez nagy energia folyamatos befektetésére van szükség.

Szintén ismert elektromágneses működtetési eszközök alkalmazásánál a ferrofluid használata, amelyet például elektromágneses eszközök légréseinek kitöltésére használnak. A ferrofluid előnyei között szerepel a mágneses hatás fokozása, valamint a mozgásra gyakorolt súrlódást csökkentő és hűtőhatása. Utóbbi kettőt olaj alkalmazásával is elérhetjük.

A találmány célkitűzése olyan megoldás kidolgozása volt, amely alkalmas arra, hogy az elektromágneses működtetésű lineáris aktuátor tetszőleges elmozdulási pontjában úgy lehessen rögzíteni azt, hogy ne kelljen energiaigényes és hőhatást kiváltó állandó gerjesztést használni, hanem enélkül is állandó statikus nyomóerő legyen elérhető.

A találmány azon a felismerésen alapul, hogy ferrofluid önmagában való, vagy rugalmas tulajdonságú bezárt légtérrel való együttes alkalmazásával olyan vezérelhető reteszelést tudunk kialakítani, amely az ismert elvű lineáris működtetést adott helyzetében vagy pillanatában megállítva állandó statikus erőhatást tud nyújtani, továbbá a vezérlés révén ez bármikor feloldható és visszatéríthető az eszköz a dinamikus mozgási tartományába. Felismertük továbbá, hogy az említett reteszelőeszköz megvalósítható egy adott légtér átömlőnyílásának vezérelt szeleppel való zárásával, ahol a bezárt légtér rugalmas térfogatként működik.

A bevezető szerinti találmány legáltalánosabb formájában olyan elektromágneses működtetésű mechanikus aktuátor, amelynek van egy elektromosan vezérelt reteszelőeszköze, amely a második mágneses elemnek az első mágneses elemhez képesti tetszőleges mértékű lineáris elmozdulási helyzetében való rögzítésére van kialakítva, ahol a reteszelőeszköz egy a gáztérben levő gáz áramlását lehetővé tevő vagy elzáró, elektromosan vezérelt szelep.

A továbbiakban ábrák segítségével ismertetjük a találmány elvét és egyes kiviteli alakjait.

1. ábra a találmány szerinti aktuátor egyik kivitele szerinti elrendezés, keresztmetszetben;

2. ábra az aktuátor egy további lehetséges kivitele, keresztmetszetben;

3. ábra az aktuátor egy légszelep-reteszelésű szerkezete, keresztmetszetben;

4. ábra egy a találmány szerinti aktuátorokkal kialakított aktív mellény elvi felépítését mutatja;

5. ábra egy a találmány szerinti aktuátorokkal kialakított aktív szék elvi felépítését mutatja.

Az 1. ábrán vázlatosan mutatjuk be a találmány egyik kivitele szerinti elrendezés működési elvét. Az 1 vezetőelemben, amely például egy cső, amely 2 alsó végén le van zárva, egy 6 csévetest formájában megvalósított alkatrészt láthatunk, amely egy elektromágnesesen gerjeszthető elemmel, például egy 5 tekerccsel van ellátva, és azzal együtt az 1 vezetőelemben hosszirányban - az ábra szerint függőlegesen - el tud mozdulni. Az 1 vezetőelem lehet például egy hengeres fazékmágnes, ahogy az 1. ábrán látható, és amelynek középső része is segítheti a megvezető funkciót. Az 1 vezetőelem önmagában - vagy ahhoz képest rögzített helyzetben elhelyezett járulékos elemmel - egy 4 első mágneses elemet képez. Ábránk szerint állandó mágnessel vagy akár gerjesztett elektromágnessel egyaránt kialakítható a 4 első mágneses elem. A 6 csévetest és az elektromágneses gerjeszthető elemet képező 5 tekercs együtt egy 8 második mágneses elemet (lengőtekercset) alkot. Ennek elmozdulása saját gerjesztési mértékétől függően a 4 első mágneses elemhez képest jön létre. A 6 csévetest felső végén zárt, de tartalmaz egy 7 vezérelt szelepet. A 6 csévetest alsó része az 1 vezetőelem belsejét részben kitöltő 3 ferrofluidba merül. Ezáltal a 6 csévetest belső üregét alul a 3 ferrofluid, míg felül egy a mozgással változó térfogatú 9 kamrában levegő tölti ki. Amennyiben a 7 vezérelt szelep nyitva van, a 8 lengőtekercs elektromágneses gerjesztése által olyan mágneses erőhatások hozhatóak létre, amelyek azt, tehát a 8 lengőtekercset, felfelé vagy lefelé elmozdítják. Ekkor a levegő szabadon áramlik a 7 vezérelt szelepen keresztül, vagyis a 9 kamrában a nyomás mindig ki tud egyenlítődni a külvilág felé. Amennyiben a 7 vezérelt szelepet elzárjuk, a levegő a 9 kamrába bezárul, és rugalmas eszközként fog viselkedni. Ha a 9 kamra térfogata változik, ez a változás ellen ható erőt eredményez a 9 kamrában uralkodó nyomás változása révén. Ennek megfelelően közelítőleg állandó, statikus erőhatás lép fel, amely a zárt felső végű 6 csévetestre felfelé vagy lefelé hatóan érvényesül. Mindezen statikus erőhatás a nyugalomban levő 1 vezetőelemhez képest értendő.

A 2. ábrán egy további lehetséges kivitelt láthatunk, ahol egy 11 ház tölti be az elsődleges mágneses vezetőelem hasonló szerepét. Aktív része ennek is egy cső, amely mindkét végén zárt, és amelyet jelen esetben a 3 kitöltőközeg teljesen kitölt. A 3 közeg rendelkezésére

HU 226 838 Β1 álló térfogat a mozgás során változik. Amennyiben a 3 közeg folyadék, ennek kompenzálása megoldható valamilyen nyomáskiegyenlítő berendezéssel, amire a kivitel nem tér ki. Ha 3 közeg részben ferrofluid (3/a), mely nem teljesen tölti ki a rendelkezésére álló térfogatot, lehetséges részben vagy egészben más egyéb, ferrofluiddal nem elegyedő folyadék, vagy gáz (3/b) alkalmazása is kitöltőközegként, a 3/a ferrofluid mellett. Amennyiben a kitöltő- 3/b közeg gáz, az aktuátor működése hasonló az 1. ábrán vázolt kivitelhez, attól annyiban különbözik, hogy míg ez a kivitel hermetikusan mindig zárt, addig az első kivitel csak a légszelep zárását követően válik azzá (statikus fázis), egyébként a külső levegővel van termodinamikai egyensúlyban.

A 2. ábrán szereplő cső lényegében dugattyúhengerként van kialakítva. Ebben helyezkedik el egy 16 csévetest, amely jelen esetben egy olyan 19 dugattyúhoz van erősítve, amely nemcsak lezárja a 16 csévetest felső végét, hanem a 11 ház belső terét különálló 12 és 13 térrészekre osztja, amelyek között a 3/b közeg, amely folyadék vagy gáz, a 19 dugattyúnál nem tud átáramolni. A 19 dugattyú célszerűen ferromágneses anyagú, és egy szintén ferromágneses 20 dugattyúszár tartozik hozzá, amely a 11 ház felső végén folyadéktömör lezárással halad keresztül, melyet 3/a ferrofluid biztosít. A 16 csévetest és az elektromágneses gerjeszthető elemet képező 15 tekercs együtt egy 18 második mágneses elemet (lengőtekercset) alkot. A 14 első mágneses elemet itt is egy fazékmágnes képezi, amely a 11 ház alsó végében van rögzítve. A ferromágneses 11 ház a 14 első mágneses elem hatására szintén gerjesztett állapotba kerül, ami a 3/a ferrofluid mágneses térben tapasztalható tömítőhatása révén biztosítja a 20 dugattyúszár folyadéktömör lezárását a 11 ház felső végén. A 3/a ferrofluid - szintén a 11 ház gerjesztése révén - a 19 dugattyú és ház találkozásánál is folyadéktömör lezárást képez és 13 térrészek között. A hengeres 11 ház alsó és felső végeinél annak belső teréhez nyílásokon keresztül csatlakozó 21 átömlővezetéket látunk. Amikor a 19 dugattyú elmozdul, a 12 és 13 térrészek között a 3/b közeg ezen 21 átömlővezetéken keresztül egyenlítődik ki. A 21 átömlővezetékben valahol egy 17 vezérelt szelep van, amely a vezérléstől függően ezen kiegyenlítő átáramlást lehetővé teszi vagy teljesen lezárja. A 19 dugattyú a 3/b közeg átáramlását is megakadályozza, és a 17 vezérelt szelep nyitása esetén a 18 második mágneses elem a hozzá fix módon rögzített 19 dugattyúval együtt felfelé vagy lefelé szabadon el tud mozdulni. Ha a vezérlés útján a 17 vezérelt szeleppel elzárjuk a 21 átömlővezetéket, akkor az elrendezés 12 és 13 térrészei közötti nyomáskülönbség, vagy a nyomáskülönbség és a mágneses gerjesztés együttes hatásának eredményeként olyan statikus erőhatás kiváltása érhető el, jelen esetben is a 11 házhoz viszonyítva, amely a találmány kívánt célját eléri. A jelen kiviteli alak dinamikus és statikus erő kifejtésére egyaránt képes, valamint - folyadék-halmazállapotú kitöltőközeg esetén - igen pontos pozicionálást tesz lehetővé. A 17 vezérelt szelep - ellentétben a levegőre alkalmazott 7 szeleppel - lehet folyadékszelep is, így nemcsak pontosságban, hanem szerkezeti bonyolultságában is előnyösebb megoldást tesz lehetővé.

A 3. ábrán egy olyan elrendezést látunk, amely egy lehetséges légszelepes kivitel szerkezetét mutatja be. Az alul zárt 23 ferromágneses házban van egy 24 mágnesmag, vagy elektromágneses tekerccsel ellátott vasmag. A 23 ferromágneses házat lezárja egy 25 ferromágneses zárókorong. Ezt követően egy nem ferromágneses anyagú 26 csévetest következik, amely egy gerjeszthető lengőtekerccsel van kialakítva. A gerjesztési hozzávezetéseket nem ábrázoltuk. Természetesen az egész elrendezés egy csöves vezetőelembe - például házba - van beépítve, amelyet szintén nem ábrázoltunk. A 26 csévetestet olyan második mágneses elemnek tekinthetjük, amely az állandó vagy gerjesztett mágnesként működő 24 mágnesmaghoz mint első mágneses elemhez képest lineárisan, függőleges irányban el tud mozdulni. A 23 ferromágneses ház és a 25 ferromágneses zárókorong szerepe a mágneses fluxus növelése. Ehhez képest az elmozdulást a 26 csévetest gerjesztett elemének gerjesztési mértéke határozza meg. A találmány értelmében ezen elmozdulást szeretnénk tetszőleges helyzetben vagy időpontban rögzíthetővé tenni, amely egyben a gerjesztés megszüntetése után is statikus nyomóerő kiváltására alkalmas. Ha a gerjesztést megszüntetjük, a statikus nyomóerőt mágneses úton nem tudnánk tetszőleges pozícióban biztosítani. Mivel a 4 csévetest állandó mágneses elemet nem tartalmaz, erre amúgy sincs lehetőség. Marad tehát olyan egyéb fizikai hatás kiaknázása, amely erre alkalmas. így például rugalmas bezárt légtér útján légrugóként biztosítani az állandó erőhatást. Ezt mutatja a

3. ábra felső része, ahol egy légszelep a 26 csévetest felső végébe van építve. Ez egy lehetséges kiviteli alakjában elzárható nyílásokkal ellátott 27 fedőt jelent, a zárást egy elforgatható zárólappal vagy egy 28 propellerrel tudjuk megoldani. Az elforgatás történhet mágneses úton, relével, motorral stb. Amikor a 26 csévetest bemerül az elrendezés vezetőelemén belül azt részben kitöltő - nem ábrázolt - ferrofluidba, akkor egy olyan zárt vagy zárható légtér keletkezik a 26 csévetest felső felében, amely rugóként viselkedik.

Az eddigiekben ismertetett aktuátorok működtetésére célszerűen számítógépet használunk. Ez lehet például USB adatkapcsolattal rendelkező személyi számítógép vagy speciális célfeladatra kialakított eszköz. Az aktuátor működtetésére - részint az első és második mágneses elem elektromágneses gerjesztéséhez - használhatunk elektromos meghajtást. Az első mágneses elem lehet állandó mágneses kialakítású, amely esetben elektromos gerjesztésre nincs is szükség. A reteszelőeszköz meghajtását szelepvezérlő vagy fékmozgató kapcsolóval tudjuk értelemszerűen megvalósítani, amelyet szintén a számítógép vagy mikrokontroller vezérel.

Az aktuátor második mágneses elemének visszatérítésére használhatunk valamilyen rugalmas elemet, például pillét, rugalmas membránt, amely a visszatérítést szolgálja, vagy lehetőséget nyújt egy síkfelületbe

HU 226 838 Β1 való olyan beépítésbe, ahol az aktuátor a síkból kiemelkedő része révén fejt ki erőhatást az azzal kontaktusban levő tárgyra vagy személyre.

Ennek kapcsán meg lehet említeni az aktuátor két jellegzetes alkalmazási módját. Az első egy aktív mellény, amely számítógépes játékok, programok, például szimulátorok kiegészítőjeként működik. A 4. ábrán vázlatosan látjuk egy ilyen aktív mellény kialakítását. Az 51 derékpánt és az 52 hátsín képezi a mellény mechanikai vázát, amelyre 53 csúszkák segítségével 54 csúszópántok vannak felerősítve. Az ábra szerint az azonos 54 csúszópántok úgy kapcsolódnak egymáshoz, hogy végeik között egy 56 rugós erőmérő kap helyet. Az elasztikus-szilárd 52 hátsín az alsó részéhez rögzített 51 derékpánttal a felhasználó derék és hát tájékán rögzíthető mellényszerű eszközt kapunk. Jelen ismertetés csak az aktív mellény funkcionális vázát mutatja be, esetleges nem funkcionális vagy esztétikai kiegészítések nélkül. Az 54 csúszópántok célszerűen szövetből készülnek vagy más nagy szakítószilárdságú anyagból. Ezek szabadon mozgathatók az 53 csúszkák segítségével az 52 hátsín mentén. Az 54 csúszópántok hossza célszerűen akkora, hogy az 56 rugós erőmérő és 57 erőmérő-rögzítő csat párosa a felhasználó mellkasán való rögzítés széles mérettartományban beállítható legyen. Az 54 csúszópántokon 55 aktuátorokat helyezünk el oly módon, hogy azok az 54 csúszópántok mentén szabadon mozgathatóak. Nyomófelületük a felhasználó felé néz. Az 56 rugós erőmérő és 57 erőmérő-rögzítő csat párok segítségével a felhasználó ellenőrzötten szabályozhatja az egyes 55 aktuátorok testfelülethez való hozzányomódásának erősségét, ami egyben az 55 aktuátor testre kifejtett nyomóerejének maximumát is meghatározza. Az 55 aktuátorok az ábrán nem látható módon olyan vezérlést kapnak (vezetékes vagy vezeték nélküli átvitellel), amelyek szerint az adott számítógépprogram alapján térben és időben változó mechanikai hatást fejtenek ki a felhasználóra. Az ilyen típusú aktív mellénnyel a felhasználó különféle tapintási, nyomási gravitációs érzeteket tapasztalhat meg, főként virtuális környezetekben, tehát további járulékos audiovizuális hatásokkal együtt.

A találmány szerinti aktuátor másik speciális felhasználási lehetősége egy aktív szék. Ez hasonlóan a bemutatott aktív mellényhez számítógépről kapja a vezérlést és a hozzá szükséges kiegészítő audiovizuális hatásokat. Az aktív szék egy leegyszerűsített példáját szemlélteti a 5. ábra. A 63 szék egy 62 talapzatra van elhelyezve, amely nyugalomban lévő padozathoz képest el tud mozdulni. Ezt szolgálják a 62 talapzat sarkaiban elhelyezett 61 aktuátorok, amelyek aktív felerősítésként működnek. Természetesen háromnál több 61 aktuátort is alkalmazhatunk, például négyszög alakú talapzathoz. A 61 aktuátorok egymástól függetlenül mind konstans, mind rezgő erő kifejtésére képesek, ezáltal a 63 székben ülő személy a 62 talapzat közvetítésével különböző gravitációs, ütközési, egyéb erőhatások virtuális érzetét tapasztalhatja.

A találmány szerinti aktuátorkonstrukció felhasználható továbbá erotikus hatást keltő eszközökben, így vibrációs vagy nyomóeffektust kiváltó különféle eszközökben, akár számítógépes vezérléssel, akár anélkül.

A találmány szerinti aktuátor a fentiek szerint előnyösen alkalmazható számos mechanikus hatás kiváltását célzó berendezés részeként.

A találmány szerinti aktuátor a már említettek szerint előnyösen alkalmazható számos olyan feladatra, ahol viszonylag nagy teher szakaszokra bontott, egymás után kis lépcsőkben való elmozdításával tudunk szokatlanul kis aktuátorral nagy effektív mechanikai teljesítményt elérni.

Claims (5)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Elektromágneses működtetésű mechanikus aktuátor, amely tartalmaz egy mágneses teret biztosító álló helyzetű első mágneses elemet, egy elektromágneses gerjesztőelemmel ellátott hordozóból álló, az első mágneses elemhez képest elmozdulni képes második mágneses elemet, a második mágneses elem első mágneses elemhez képesti lineáris elmozdulását adott pálya mentén biztosító vezetőelemet, a hordozót legalább részben körülvevő, és a vezetőelem belső terében elhelyezkedő ferrofluidot, valamint egy a ferrofluiddal érintkező zárt gázteret, azzal jellemezve, hogy van egy elektromosan vezérelt reteszelőeszköze, amely a második mágneses elemnek (8, 18) az első mágneses elemhez (4, 14) képesti tetszőleges mértékű lineáris elmozdulási helyzetében való rögzítésére van kialakítva, ahol a reteszelőeszköz egy a gáztérben levő gáz áramlását lehetővé tevő vagy elzáró, elektromosan vezérelt szelep (7, 17).
2. 2. Az 1. igénypont szerinti aktuátor, azzal jellemezve, hogy a hordozó egy csévetest (6), amely egyik végén nyitott és a ferrofluidba merül, a másik végén zárt és a reteszelőeszköz egy ezen zárt végen elhelyezett vezérelt szelep (7).
3. 3. Az 1. szerinti aktuátor, azzal jellemezve, hogy a hordozó egy csévetest (16), amely teljesen a ferrofluidba merül, egyik végén egy dugattyúhoz (19) van erősítve, a vezetőelem egy dugattyúhenger, amelynek zárt gázterét a dugattyú (19) két térrészre (12, 13) osztja, amely térrészek (12, 13) átömlővezetéken (21) keresztül össze vannak kötve, és a reteszelőeszköz egy az átömlővezetékben (21) a gáztérben levő gázátáramlást lehetővé tevő vagy elzáró vezérelt szelep (17).
4. 4. Aktív mellény, amely felhasználó hát és derék tájára felerősíthető derékpánttal, hátsínnel és csúszópántokkal van kialakítva, és a csúszópántokon elektromechanikus aktuátorok vannak elhelyezve, azzal jellemezve, hogy az aktuátorok (55) az 1-3. igénypontok valamelyike szerinti aktuátorok.
5. 5. Aktív szék, amely egy vízszintes talapzatra helyezett székből és a talapzatot feltámasztó mechanikus aktuátorokból van kialakítva, azzal jellemezve, hogy az aktuátorok (61) az 1-3. igénypontok valamelyike szerinti aktuátorok.