WO1992002962A1

WO1992002962A1 - Einspannvorrichtung für magnetostriktiven körper

Info

Publication number: WO1992002962A1
Application number: PCT/EP1990/001294
Authority: WO
Inventors: Lothar Erik Kiesewetter
Original assignee: Dynamotive Corp.
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1990-08-08
Publication date: 1992-02-20
Also published as: DE3904269A1; CA2089091C; CA2089091A1; US5414397A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elastische Einspannvorrichtung für wenigstens einen Körper mit magnetostriktiven Eigenschaften, wobei eine Druckeinrichtung die Einspannvorrichtung mit vorbestimmter Kraft gegen den innenliegenden magnetostriktiven Körper preßt. Die Preßkraft verläuft in Richtung der Kontraktion und senkrecht zu der Richtung der Ausdehnung, die durch den Einfluß eines Magnetfeldes auf den magnetostriktiven Körper bewirkt werden, und bewirkt in dem magnetostriktiven Körper eine in Kontraktionsrichtung wirkende Vorspannung. Der von der Druckeinrichtung auf die Einspannvorrichtung und dadurch auf den magnetostriktiven Körper ausgeübte, vorbestimmte Druck ist mittels Federkraft oder mechanischer Stelleinrichtung einstellbar.

Description

Einspannvorrichtung für magnetostriktiven Körper

Die Erfindung betrifft eine elastische Einspannvorrichtung für wenigstens einen Körper mit magnetostriktiven Eigenschaften, wobei eine Druckeinrichtung die Einspannvorrichtung mit vorbestimmter Kraft gegen den innenliegenden magneto¬ striktiven Körper preßt.

Magnetostriktive Körper ändern ihre Geometrie unter dem Einfluß eines Magnetfeldes. Ein Stab beispielsweise wird schlanker und länger. Ein solcher Stab kann als Vorschubelement verwendet werden. In der Patentanmeldung SE 8700219- 2 vom 21. Januar 1987 (PCT/SE88/00010 vom 19. Januar 1988) ist ein Linearmo¬ tor beschrieben, bei dem ein magnetostriktiver Rundstab auf seiner Mantelfläche in einem ihn mit Preßpassung umschließenden Statorrohr gehalten wird. Der Stab bewegt sich im Rohr wurmartig dadurch, daß er einem in Längsrichtung wandernden Magnetfeld ausgesetzt wird. Im jeweiligen Einflußbereich des Magnetfeldes kontrahiert und längt sich der Stab, der sich dadurch von der Pressung des Statorrohres löst und eine schrittför ige Bewegung in Längsrichtung ausführt. Magnetostriktive Stäbe werden auch als Hintereinanderreihung mehrerer kurzer Abschnitte beschrieben.

Auch wenn die Bewegung eines solchen Stabes in Längsrichtung im wesentlichen dann erfolgt, wenn infolge der durch das Magnetfeld bewirkten Kontraktion sich der magnetostriktive Stab von der Innenoberfläche des Statorrohres gelöst hat, ist eine Reibung zwischen Außenoberfläche des Stabes und Innenoberfläche des Statorrohres nicht ganz zu vermeiden und es findet Verschleiß und Abrieb statt. Dadurch ändern sich die Dimensionen des Systems, und damit der vom Statorrohr auf den Stab ausgeübte Druck und die radiale Vorspannung im magnetostriktiven Stab. Im Extremfall kann der Abrieb zu einer derartigen Veränderung der Durchmesserverhältnisse führen, daß das Statorrohr den nicht kontraktierten Teil des magnetostriktiven Stabes nicht mehr sicher festklemmt und damit die Basis für einen definierten Vorschub des Stabes gegenüber dem Statorrohr verlorengeht.

Eine Vorspannung hat über die Gewährleistung eines sicheren Festklemmens hinaus andere Wirkungen. In Ausdehnungsrichtung des magnetostriktiven Körpers bewirkt sie nicht nur die Eliminierung des Einflusses der mechanischen Hysterese, auf die in oben genannter SE-Patentanmeldung u.a. auf Seite 3, Zeilen 20 ff hingewiesen wird. Sie bewirkt auch eine Umorientierung der Körner des magnetostriktiven Materials und führt zu einer Verstärkung der geometrischen Veränderungen. Das Maß der Vorspannung beeinflußt in gewissen Grenzen das Ausmaß dieser Wirkung. Eine Vorspannung in Kontraktionsrichtung verstärkt diesen Effekt.

Es stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln bzw. eine elastische Einspannvorrichtung für wenigstens einen Körper mit magnetostriktiven Eigen¬ schaften so auszubilden, daß die Ablösung des kontraktierenden Körpers unterstützt, in diesem eine in Richtung der Kontraktion wirkende Vorspannung bewirkt wird und daß der diese bewirkende vorbestimmte Druck einstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Einspannvorrichtung die Preßkraft in Richtung der Kontraktion und senkrecht zu der Richtung der Ausdehnung verläuft, die durch den Einfluß eines Magnetfeldes auf den magnetostriktiven Körper bewirkt werden, und in dem magnetostriktiven Körper eine in Kontraktionsrichtung wirkende Vorspannung bewirkt, und daß der von der Druckeinrichtung auf die Einspannvorrichtung und dadurch auf den magnetostriktiven Körper ausgeübte vorbestimmte Druck mittels Federkraft oder mechanischer Stelleinrichtung einstellbar ist, bzw. ein Verfahren so gestaltet wird, daß die Preßkraft in Richtung der Kontraktion und senkrecht zur Ausdehnung des magnetostriktiven Körpers verläuft und in diesem eine in Richtung der Kontraktion wirkende Vorspannung bewirkt und daß der von der Druckeinrichtung auf die Einspannvorrichtung und dadurch auf den magnetostriktiven Körper ausgeübte vorbestimmte Druck mittels Federkraft oder mechanischer Einrichtungen einstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren haben den Vorteil, daß die Vorspannung in Kontraktionsrichtung erzeugt wird, in der sich der magnetostriktive Körper von der Einspannvorrichtung abheben soll, und daß die Einspannvorrichtung mit einfachen Mitteln und ohne aufwendige Konstruktion herstellbar ist. Die unaufwendige Konstruktion erlaubt eine Anordnung von Magnetspulen mit geringem Abstand um die Vorrichtung herum, wodurch gute Wirkungsgrade erzielbar sind.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht durch die Einstellbarkeit eine einfache Herstellung der einzelnen Teile, da sie nicht in so engen Toleranzen und präzisen Passungen hergestellt werden müssen, wie dies bei einer Anordnung ohne Einstellbarkeit der Fall wäre. Vorteilhaft ist auch, daß die Preßkraft und die Vorspannung mittels der Stelleinrichtung nachstellbar sind, z.B. um Verschleiß ausgleichen zu können, und dem Bedarf und der Dimensionierung des Schritt¬ motors angepaßt werden können.

Magnetostriktive Körper können beispielsweise durch Sintern mit eckigem oder ovalem Querschnitt hergestellt werden. Zumindest bei rechteckigem Querschnitt kann der richtungsabhängige Kontraktionskoeffizient materialabhängig in Höhe und Breite voneinander verschieden sein. Die absolute Kontraktion, die sich aus Kontraktionskoeffizient und Erstreckung des Körpers in Kontraktionsrichtung ergibt, kann so in einer Richtung maximiert werden. Entsprechend einem der Unter¬ ansprüche führen bei Gestaltung des magnetostriktiven Körpers mit unter¬ schiedlicher Kontraktion in verschiedenen Querschnittsrichtungen Einspannung und Vorspannung in Richtung größter Kontraktion zu einer Unterstützung der Ablösung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig.l zeigt den Stand der Technik in zwei Phasen, wobei Fig.la das Vorschub¬ element 1 mit Preßpassung festgehalten im Preßrohr 2 und Fig.lb das Vorschubelement la zum Teil lose im Preßrohr 2 zeigt. Durch Ansteuerung in einem Magnetfeld B ist la länger und dünner geworden.

Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht. Die Einspannvorrichtung 3 ist nunmehr geschlitzt, die radiale Vorspannung wird gezielt durch eine Druckeinrichtung 4, die hier als Federelemente ausgeführt ist, erreicht. Sie kann auch als Klammer, Zunge, Schraubbolzen¬ element, Spannring oder dgl. ausgebildet sein.

Fig.3 zeigt die Schnittdarstellungen des Gegenstands der Fig.2.

Fig.3a zeigt den magnetostriktiven Körper 1 in der Einspannvorrichtung 3. Diese Einspannvorrichtung ist mit einem Schlitz 3a versehen, der Durch¬ messertoleranzen des magnetostriktiven Körpers 1 und der Einspannvor- richtung 3 zuläßt. Die Federn 4a bis 4f drücken die geschlitzten

Einspannvorrichtungselemente radial aufeinander und erreichen die Vorspannung zwischen Einspannvorrichtung 3 und magnetostriktivem Körper 1.

Fig.3b zeigt dieses System im angesteuerten Zustand. Das Magnetfeld B ändert partiell die Geometrie des magnetostriktiven Körpers 1. Da die Steifigkeit der Einspannvorrichtung 3 größer als die Durchmesserabnahme des Körpers 1 ist, löst sich der Körper 1 von der Einspannvorrichtung 3 in der Innenbohrung. Die restliche Länge vom Körper 1 bleibt weiterhin in der Einspannvorrichtung unter radialer Vorspannung fesgehalten.

Fig.4 zeigt eine erfindungsgemäße Alternative zur Erreichung der Vorspannung der Einspannvorrichtung 3 in der Form eines Preßrohres 3c. Das Preßrohr 3c ist wiederum längsgeschlitzt und trägt im Außenbereich der Schlitze Ansätze dergestalt, daß damit und durch die Klammern 5a, 5b usw. die

Schlitze elastisch zugezogen werden. Das Rohr 3c kann ebenso eine beliebige Anzahl von Schlitzen aufweisen, die durch beliebige Aus¬ führungen von Spann- oder Schraubeinrichtungen als Druckeinrichtung 4 zusammendrückbar sind, womit der Druck ein- und auch nachstellbar ist.

Fig.5 zeigt weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen in schematischer

Darstellung. Dabei symbolisieren Pfeil und strichpunktierte Linie jeweils den Angriffspunkt bzw. die Wirkungsrichtung der Kraft, mit der die

Druckeiπrichtung 4 die Einspannvorrichtung 3 auf den magnetostriktiven Körper 1 preßt. Fig.5a zeigt einen magnetostriktiven Körper 1 mit rundem Querschnitt, der beispielsweise auch aus mehreren, hintereinander angeordneten, kürzeren Abschnitten bestehen kann, die in Längsrichtung vorgespannt sind, und der von einer geschlitzten, rohrförmigen Einspannvorrichtung 3 umspannt ist. Im Bereich der Schlitze 3a, von denen beliebig viele vorgesehen sein können, ist das Rohr tangential abgeflacht, so daß in dem Raum, der zwischen stehengelassenen Stegen und der Rohraußenfäche durch das Abtragen des Materials gebildet wird, Druckeinrichtungen 4 angeordnet werden können. Die Einspannvorrichtung 3 kann somit durch runde Magnetspulen (nicht dargestellt) mit sehr geringen Spaltbreiten umringt werden, wodurch sich sehr gute Wirkungsgrade ergeben.

Fig.5aa zeigt einen Ausschnitt aus Fig.5a.

Fig.5b zeigt einen runden Körper 1, der von einer Einspannvorrichtung 3 in

Form gegenüberliegender, paralleler Platten eingespannt ist, an deren Enden die Druckeinrichtung 4 angreift. Bei einer solchen Ausführungs¬ form, bei der der Körper 1 auch einen ovalen Querschnitt haben könnte, der über seinen längeren Durchmesser von den Platten 3 eingespannt wird und in dieser Richtung seine maximale Kontraktion aufweist, können die

Federkraft der Platten und der Hebelarm zwischen Einspannbereich und Druckkraftangriffspunkt zur Optimierung der Einspannuπg ausgenutzt werden.

Fig.5c zeigt einen Körper 1 mit rechteckigem Querschnitt, der über seine längere Erstreckung in Richtung seiner maximalen Kontraktion zwischen zwei parallelen Platten 3 eingespannt ist.

Fig.5d zeigt einen magnetostriktiven Körper 1 mit beispielsweise quadrati- schem Querschnitt, der zwischen zwei zueinander senkrecht angeordneten parallelen Plattenpaaren 3 eingespannt ist. Bei einem Plattenpaar 3 greift die Druckeinrichtung 4 an wie in Fig.5c, bei dem anderen an den über die Länge des Körpers 1 hinausragenden Enden.

Claims

Patentansprüche

Elastische Einspannvorrichtung für wenigstens einen Körper mit magnetostrikti¬ ven Eigenschaften wobei eine Druckeinrichtung die Einspannvorrichtung mit vorbestimmter Kraft gegen den innenliegenden, magnetostriktiven Körper preßt,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Preßkraft in Richtung der Kontraktion und senkrecht zu der Richtung der Ausdehnung verläuft, die durch den Einfluß eines Magnetfeldes auf den magnetostriktiven Körper bewirkt werden, und in dem magnetostrikti- ven Körper eine in Kontraktionsrichtung wirkende Vorspannung bewirkt, und daß der von der Druckeinrichtung auf die Einspannvorrichtung und dadurch auf den magnetostriktiven Körper ausgeübte, vorbestimmte Druck mittels Federkraft oder mechanischer Stelleinrichtung einstellbar ist.

2. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den magnetostriktiven Körper ausgeübte, vorbestimmte Druck nachstellbar ist.

3. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß - der magnetostriktive Körper einen runden Querschnitt hat und die elastische Einspannvorrichtung durch die Druckeinrichtung radial nach innen gegen den magnetostriktiven Körper gepreßt wird.

4. Einspannvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Form eines Rohres ausgebildet ist, das wenigstens einen Längsschnitt aufweist.

5. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetostriktive Körper einen rechteckigen Querschnitt hat, die elastische Einspannvorrichtung mindestens ein Paar von Platten aufweist, die gegen jeweils gegenüberliegende Seiten des magnetostriktiven

Körpers gepreßt werden, und die Druckeinrichtung die gegenüberliegenden Platten aufeinander drückt. 6. Einspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung in Richtung der größten Kontraktion bewirkt wird.

6. Einspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie bzw. ihre Segmente in Längsrichtung einerseits insgesamt eine solche Elastizität haben, daß sie durch die Druckeinrichtung gegen den magnetostriktiven Körper gepreßt werden, und andererseits über kürzere Bereiche eine solche Biegesteifigkeit aufweisen, daß sich die Bereiche des magnetostriktiven Körpers, die unter dem Einfluß eines Magnetfeldes kontrahieren, von der Innenoberfläche der elastischen Einspannvorrichtung oder ihrer Segmente nach innen abheben.

8. Verfahren zum Einspannen wenigstens eines Köφers mit magnetostriktiven Eigenschaften mittels einer Druckeinrichtung, die Druck auf eine elastische

Einspannvorrichtung ausübt und diese mit vorbestimmter Kraft gegen den innenliegenden magnetostriktiven Köφer preßt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Preßkraft in Richtung der Kontraktion und senkrecht zur Ausdehnung des magnetostriktiven Köφers verläuft und in diesem eine in Richtung der Kontraktion wirkende Vorspannung bewirkt und daß der von der Druckeinrichtung auf die Einspannvorrichtung und dadurch auf den magnetostriktiven Köφer ausgeübte vorbestimmte Druck mittels Federkraft oder mechanischer Einrichtungen einstellbar ist.