WO2002013221A1 - Electromechanical component - Google Patents

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WO2002013221A1 PCT/DE2001/002883 DE0102883W WO0213221A1 WO 2002013221 A1 WO2002013221 A1 WO 2002013221A1 DE 0102883 W DE0102883 W DE 0102883W WO 0213221 A1 WO0213221 A1 WO 0213221A1
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Stefan Kautz
Hannes KÜHL
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Siemens Aktiengesellschaft
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Abstract

The invention relates to an electromechanical component comprising at least one actuator consisting of a shape memory alloy. Said actuator alters shape upon reaching a certain temperature and moves into a final position. The displacement path of the actuator is restricted in such a way that it does not reach said final position.

Description

Beschreibungdescription
Elektromechanisches BauelementElectromechanical component
Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Bauelement, mit mindestens einem Aktor aus einer Formgedächtnis-Legierung, der bei Erreichen einer bestimmten Temperatur seine Form ändert und sich in eine Endstellung bewegt.The invention relates to an electromechanical component with at least one actuator made of a shape memory alloy, which changes its shape when a certain temperature is reached and moves into an end position.
Ein derartiges elektromechanisches Bauelement wird beispielsweise in Form einer Trennschaltereinrichtung realisiert. Diese Trennschaltereinrichtung dient dazu, einen über sie geschlossenen Stromkreis im Falle einer Störung sehr schnell öffnen und damit unterbrechen zu können um zu vermeiden, dass störungsbedingte Überspannungen oder dergleichen auf imSuch an electromechanical component is implemented, for example, in the form of an isolating switch device. This isolating switch device is used to open a circuit closed via it very quickly in the event of a fault and thus to be able to interrupt it in order to prevent interference-related overvoltages or the like from reaching the
Stromkreis eingebundene Gerätschaften einwirken und diese beschädigt oder zerstört werden können. Zum schnellen Öffnen des Stromkreises bedienen sich derartige Trennschaltereinrichtungen eines Aktors aus einer Formgedächtnis-Legierung. Diese Aktoren werden häufig auch SMA-Aktoren (Shape-Memory- Alloy-Aktoren) benannt. Solche Aktoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie in Abhängigkeit ihrer Temperatur die Form ändern können. Man erreicht dies dadurch, dass man ihnen durch geeignete Formglühungen eine Vorzugsrichtung aufprägt, in welcher sich die Körner bei der temperaturbedingten Phasenumwandlung bevorzugt ausrichten. Bekannt sind dabei Ein-Wege- Aktoren, die bei einer Temperaturerhöhung ab Erreichen einer bestimmten Umwandlungstemperatur von der Form des kalten Zu- stands in eine andere wechseln, was durch die Phasenänderung von Martensit zu Austenit und das Kornwachstum in Richtung der aufgeprägten Vorzugsrichtung geschieht. Nach erneutem Erkalten bleibt der Aktor in der eingenommenen Form, d.h., er wandelt seine Form nicht zurück. Dies ist der Fall bei sogenannten Ein- eg-Aktoren. Zwei-Weg-Aktoren wechseln auto a- tisch ihre Form zwischen „kaltem" und „warmen" Zustand. Bei einer Anwendung beispielsweise in einer Trennschaltereinrichtung kommen häufig Ein-Weg-Aktoren zum Einsatz, die bei- spielsweise mit einem Federelement, z.B. einem Federbügel gekoppelt sind. Über den Federbügel wird der Stromkreis geschlossen. Der Aktor ist dabei derart angeordnet, dass er von dem Federbügel beispielsweise aus der horizontalen Lage ver- bogen wird. Die horizontale Lage entspricht der aufgeprägten Hochtemperaturform. Muss nun der Stromkreis aufgrund eines Störfalls geöffnet werden, so wird der Aktor kurzzeitig über die Umwandlungstemperatur erwärmt, so dass er sich in die horizontale oder gestreckte Form umwandelt und dabei den Feder- bügel mitreißt.Applied circuit equipment affect and this can be damaged or destroyed. To quickly open the circuit, such isolating switch devices use an actuator made of a shape memory alloy. These actuators are often also called SMA actuators (shape memory alloy actuators). Such actuators are characterized by the fact that they can change shape depending on their temperature. This is achieved by applying a preferred direction to them by means of suitable form annealing, in which the grains preferentially align themselves during the temperature-related phase change. One-way actuators are known which, when the temperature rises from a certain transition temperature, change from the shape of the cold state to another, which occurs due to the phase change from martensite to austenite and the grain growth in the direction of the preferred direction. After it has cooled again, the actuator remains in the form it was in, ie it does not change its shape back. This is the case with so-called single-gate actuators. Two-way actuators automatically change their shape between "cold" and "warm" states. When used, for example, in a disconnector device, one-way actuators are frequently used, which are coupled, for example, with a spring element, for example a spring clip. The circuit is closed via the spring clip. The actuator is arranged in such a way that it is bent by the spring clip, for example from the horizontal position. The horizontal position corresponds to the stamped high temperature shape. If the circuit has to be opened due to a malfunction, the actuator is briefly warmed up above the transition temperature so that it converts to the horizontal or elongated form and thereby entrains the spring clip.
Nachteilig ist aber, dass die bekannten Aktoren beispielsweise im Falle der Schalteranwendung bei zyklischem Aktoreinsatz einen signifikanten Alterungseffekt bzw. Ermüdungseffekt der- gestalt zeigen, dass der Stell- oder Bewegungsweg des Aktors sich deutlich verkürzt. D.h., der Aktorweg reduziert sich deutlich mit zunehmender Zyklenzahl, gleichzeitig ist ein S iften des Stellwegs in Richtung einer Rückstellkraft - beim Ein-Weg-Aktor der oben beschriebenen Form beispielsweise des Federbügels - zu beobachten. D.h., der Aktor kann von der anliegenden Kraft weiter ausgelenkt werden, je älter er ist bzw. je öfter er betätigt wurde. Infolgedessen erreicht der Aktor mit zunehmender Arbeitsdauer die aufgrund der ursprünglichen Formglühung aufgeprägte „maximale" Endstellung nicht mehr, ferner ändert sich das Formungsverhalten.It is disadvantageous, however, that the known actuators show a significant aging or fatigue effect, for example in the case of switch use with cyclical actuator use, in such a way that the actuating or movement path of the actuator is significantly shortened. This means that the actuator travel decreases significantly as the number of cycles increases.At the same time, a sifting of the travel in the direction of a restoring force can be observed - in the case of the one-way actuator of the shape described above, for example, the spring clip. This means that the actuator can be deflected further by the applied force, the older it is or the more often it has been actuated. As a result, the actuator no longer reaches the “maximum” end position impressed due to the original shape annealing with increasing working time, and the shaping behavior also changes.
Dieser Ermüdungseffekt ist bekannt. Um ihn einigermaßen zu kompensieren werden solche Aktoren „vorgealtert" bzw. werden schon vor dem eigentlichen Einsatz viele Zyklen gefahren, um die Stellwegreduzierung künstlich herbeizuführen. Dies ist sehr aufwendig und kostenintensiv. Ferner erfolgt die Kompensation durch entsprechendes Systemdesign, also entsprechend größenmäßige Dimensionierung und Bemessung der Bauelemente bzw. der Wegstrecken.This fatigue effect is known. In order to compensate for it to some extent, such actuators are "pre-aged" or many cycles are run before they are actually used in order to artificially reduce the travel. This is very complex and cost-intensive. Furthermore, the compensation is carried out by means of a corresponding system design, that is to say dimensionally and dimensioned accordingly the components or the distances.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein elektromechanisches . Bauelement mit einem Aktor aus einer Formge- dächtnis- egierung anzugeben, bei welchem ohne Durchführung vorgeschalteter, den Ermüdungseffekt kompensierender Schritte der Alterungseffekt weitgehend unterdrückt werden kann.The invention is therefore based on the problem of an electromechanical one. Component with an actuator from a molded to specify memory adjustment in which the aging effect can be largely suppressed without carrying out upstream steps to compensate for the fatigue effect.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem elektro echanischen Bauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Bewegungsweg des Aktors derart begrenzt ist, dass er die Endstellung nicht erreicht.To solve this problem, it is provided according to the invention in an electro-mechanical component of the type mentioned at the outset that the movement path of the actuator is limited in such a way that it does not reach the end position.
Es hat sich herausgestellt, dass der Ermüdungseffekt hinreichend unterdrückt werden kann, wenn die Bewegung des Aktors während der Formumwandlung so begrenzt ist, dass er die umwandlungsbedingte „maximale" Endstellung nicht einnehmen kann. Im Rahmen der Herstellung eines Aktors erfolgt wie be- schrieben ein Formglühungsschritt. Während dieser Formglühung wird eine Vorzugsrichtung aufgeprägt, in die die Körner bei der Umwandlung in die andere Phase wachsen, also bei der Mar- tensit-Austenit-Umwandlung. Ist die Umwandlung vollständig abgeschlossen so erreicht der Aktor sein umwandlungsbedingte maximale Endstellung. Erfindungsgemäß wird dies nun aber verhindert, was, wie in aufwendigen Versuchen nachgewiesen wurde, dazu führt, dass sich der aufgrund der Bewegungsbegrenzung definierte Stellweg zwischen der einen Stellung, aus welcher sich der Aktor bei der Formänderung bewegt, in die bewegungsbegrenzte Stellung auch bei hohen Zyklenzahlen nicht ändert. Es wird vermutet, dass die Ermüdungsunterdrückung dadurch zustande kommt, dass aufgrund der Stellwegbegrenzung die Umwandlung in die andere Phase bzw. die Körnerausrichtung nicht vollständig stattfindet, obwohl die gegebene Temperatur dies eigentlich gebieten würde. Infolgedessen verbleibt es infolge der Stellwegbegrenzung bei einer kontinuierlichen Spannung, die der Aktor unterliegt. Dies führt dazu, dass die Vorzugsrichtung nicht „abgebaut" oder „aufgelöst" werden kann, was vermutlich Grundlage der ermüdungsbedingten Stell- egverkürzung ist, wenn sich das Material nämlich beliebig ohne Beschränkung formwandeln kann. Infolge dieser erfindungsgemäßen Stellwegbegrenzung wird erreicht, dass der Aktor stets den begrenzungsbedingten maximalen Bewegungsweg durchlaufen kann, da er wie ausgeführt nicht ermüdet, weshalb zum einen eine dauerhafte Funktionssicher- heit realisiert ist, zum anderen die aufwendigen dem Einsatz des Bauelements vorgeschalteten Kompensierungsverfahren entfallen können.It has been found that the fatigue effect can be adequately suppressed if the movement of the actuator during the shape conversion is so limited that it cannot assume the "maximum" end position due to the conversion. As part of the manufacture of an actuator, a shape annealing step is carried out as described During this shape annealing, a preferred direction is embossed, in which the grains grow during the transformation into the other phase, ie during the martensite-austenite transformation. When the transformation is completely completed, the actuator reaches its transformation-related maximum end position. According to the invention, this is the case but now prevents what, as has been proven in elaborate tests, leads to the fact that the travel defined between the one position from which the actuator moves when the shape changes, due to the movement limitation, does not change into the movement-limited position even with high number of cycles. It is believed that s The fatigue suppression is caused by the fact that, due to the travel path limitation, the conversion to the other phase or the grain alignment does not take place completely, although the given temperature would actually require this. As a result, due to the limitation of the travel range, the actuator is subject to a continuous voltage. This means that the preferred direction cannot be "broken down" or "dissolved", which is presumably the basis of the fatigue-related shortening of the supporting leg when the material can change shape without restriction. As a result of this travel path limitation according to the invention, it is achieved that the actuator can always run through the limitation-related maximum movement path since, as stated, it does not tire, which is why, on the one hand, permanent functional reliability is achieved and, on the other hand, the complex compensation methods upstream of the use of the component can be omitted.
Gemäß einer ersten Erfindungsalternative kann vorgesehen sein, dass zumindest der Bewegungsweg, den der Aktor infolge einer Temperaturerhöhung bei Erreichen der bestimmten Temperatur durchführt, begrenzt ist. Dies ist der Regelfall einer Ein-Weg-Auslegung des Aktors, wie eingangs beschrieben, wo der Aktor beispielsweise dann seine Form ändert, wenn seine Temperatur gezielt durch an dem Aktor anliegenden Strom erhöht wird.According to a first alternative of the invention it can be provided that at least the movement path which the actuator performs as a result of a temperature increase when the specific temperature is reached is limited. This is the normal case of a one-way design of the actuator, as described at the beginning, where the actuator changes its shape, for example, when its temperature is increased in a targeted manner by current applied to the actuator.
Eine Alternative sieht demgegenüber vor, dass zumindest der Bewegungsweg, den der Aktor infolge einer Temperaturerniedri- gung bei Erreichen der bestimmten Temperatur durchführt, begrenzt ist. Derartige Bauelemente sind beispielsweise für den Einsatz in heißen Umgebungen konzipiert und reagieren auf eine plötzliche Abkühlung durch entsprechende Formwandlung. Es erfolgt hier also eine Stellwegbegrenzung zur kalten Seite hin.In contrast, an alternative provides that at least the movement path which the actuator performs as a result of a temperature drop when the specific temperature is reached is limited. Components of this type are designed, for example, for use in hot environments and react to a sudden cooling down by a corresponding change in shape. So there is a travel limit to the cold side.
Zweckmäßig ist es natürlich, wenn beide Bewegungswege begrenzt sind, was bei einer Zwei-Weg-Auslegung des Aktors zweckmäßig ist. Bei einem solchen Aktor sind zwei Vorzugs- richtungen aufgeprägt, die der Aktor abhängig von der anliegenden Temperatur einnimmt. Wird er erwärmt, so wandelt er seine Form gemäß der für den heißen Zustand vorgesehenen Vorzugsrichtung, erkaltet er wieder so wandelt sich die Form automatisch entsprechend der im kalten Zustand aufgeprägten Vorzugsrichtung zurück. Um den Ermüdungseffekt zu unterdrücken ist es bereits ausreichend, wenn der Bewegungsweg um ein sehr kurzes Stück begrenzt bzw. verkürzt wird, wenn also der Aktor infolge der Wegbegrenzung unter sehr kleiner Spannung steht. Der Bewe- gungsweg kann zweckmäßigerweise um wenigstens 5 %, insbesondere um wenigstens 10 % der gesamten Wegstrecke zwischen der Ausgangsstellung und der Endstellung, die der Aktor ohne Beschränkung einnehmen würde, begrenzt werden.It is of course expedient if both movement paths are limited, which is expedient in the case of a two-way design of the actuator. With such an actuator, two preferred directions are embossed, which the actuator takes depending on the temperature present. If it is heated, it changes its shape according to the preferred direction intended for the hot state; if it cools down again, the shape automatically changes back according to the preferred direction impressed in the cold state. In order to suppress the fatigue effect, it is already sufficient if the movement path is limited or shortened by a very short distance, ie if the actuator is under very low voltage due to the path limitation. The movement path can expediently be limited by at least 5%, in particular by at least 10% of the total distance between the starting position and the end position, which the actuator would assume without restriction.
Wie beschrieben kann der Aktor ein Ein-Wege-Aktor sein, der beispielsweise über ein Federelement in eine erste Stellung gedrängt wird, aus der er sich bei Erreichen der erhöhten Temperatur bewegt. Als Federelement kann beispielsweise ein Federbügel oder eine Spiralfeder, die direkt oder indirekt am Aktor angreifen, verwendet werden. Bereits an dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die konkrete Auslegung bzw. Konzeption des Bauelements hinsichtlich der Aktoranordnung sowie der sonstigen Teile für die eintretende Wirkung, nämlich die Ermüdungsunterdrückung keine Rolle spielen, solang die erfin- dungsgemäße Stellwegbegrenzung realisiert ist. Das heißt, dass ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Bauelement in beliebiger Form aufgebaut sein kann, solange eben erfindungsgemäß der Bewegungsweg begrenzt wird. Dies gilt auch für solche Bauelemente, bei denen als Aktor ein Zwei-Wege-Aktor vor- gesehen ist.As described, the actuator can be a one-way actuator, which is pushed, for example, via a spring element into a first position, from which it moves when the elevated temperature is reached. For example, a spring clip or a spiral spring that acts directly or indirectly on the actuator can be used as the spring element. Already at this point it should be pointed out that the specific design or conception of the component with regard to the actuator arrangement and the other parts do not play a role for the effect that occurs, namely the suppression of fatigue, as long as the travel path limitation according to the invention is implemented. This means that an electromechanical component according to the invention can be constructed in any shape as long as the movement path is limited according to the invention. This also applies to components in which a two-way actuator is provided as the actuator.
Generell kann der Aktor als Streifen, als Draht oder als Feder, insbesondere als Spiralfeder ausgebildet sein. Mit jeder diese Ausführungsvarianten wird bei entsprechender Stellweg- begrenzung das erfindungsgemäße Ziel erreicht.In general, the actuator can be designed as a strip, as a wire or as a spring, in particular as a spiral spring. With each of these design variants, the objective according to the invention is achieved with a corresponding limitation of travel.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen elektro- mechanischen Bauelements mit einem Ein-Weg-Aktor mit Stellwegbegrenzung,Further advantages, features and details of the invention result from the exemplary embodiments described below and from the drawings. Show: 1 is a schematic diagram of an electromechanical component according to the invention with a one-way actuator with travel range limitation,
Fig. 2 eine Prinzipskizze des Bauelements aus Fig. 1 ohne Wegbegrenzung,2 shows a schematic diagram of the component from FIG. 1 without path limitation,
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Darstellung der Wegbegrenzung eines als Biegestreifen ausgebildeten Zwei- Weg-Aktors,3 is a schematic diagram to illustrate the path limitation of a two-way actuator designed as a bending strip,
Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Darstellung der Wegbegrenzung eines als Spiralfeder ausgebildeten Zwei-Weg- Aktors ,4 shows a schematic diagram to illustrate the travel limitation of a two-way actuator designed as a spiral spring,
Fig. 5 eine Prinzipskizze zur Darstellung der Wegbegrenzung eines als Draht ausgebildetes Ein-Weg-Aktors,5 is a schematic diagram to illustrate the path limitation of a one-way actuator designed as a wire,
Fig. 6 ein Verlaufsdiagramm des Stellwegs eines Ein-Weg- Aktors eines Bauelements gemäß Fig. 1 ohne Wegbeschränkung mit einem Aktor aus einer CuAlNi- Legierung,FIG. 6 shows a course diagram of the travel of a one-way actuator of a component according to FIG. 1 with no travel restriction with an actuator made of a CuAlNi alloy, FIG.
Fig. 7 ein Verlaufsdiagramm des Stellwegs des Aktors aus Fig. 6 mit Stellwegbegrenzung,7 shows a course diagram of the travel of the actuator from FIG. 6 with travel limitation.
Fig. 8 ein Verlaufsdiagramm des Stellwegs eines weiteren Aktors aus einer CuAlNi-Legierung,8 shows a course diagram of the travel of a further actuator made of a CuAlNi alloy,
Fig. 9 ein Verlaufsdiagramm des Stellwegs des Aktors aus Fig. 8 mit Stellwegbegrenzung,9 is a flow chart of the travel of the actuator from FIG. 8 with travel limitation.
Fig. 10 ein Verlaufsdiagramm des Stellwegs eines Ein-Weg- Aktors eines Bauelements gemäß Fig. 1 ohne Wegbe- schränkung mit einem Aktor aus einer NiTi-FIG. 10 shows a course diagram of the travel of a one-way actuator of a component according to FIG. 1 without travel restriction with an actuator made of a NiTi
Legierung, Fig. 11 ein Verlaufsdiagramm des Stellwegs des Aktors aus Fig. 10 mit Stellwegbegrenzung.Alloy, FIG. 11 shows a course diagram of the travel of the actuator from FIG. 10 with travel limitation.
Bei dem in Fig. 1 angedeuteten Bauteil wird von einer Ausfüh- rungsform einer bekannten Trennschaltereinrichtung ausgegangen. Fig. 1 zeigt diese lediglich schematisch in Form einer Prinzipskizze, da der genaue Aufbau einer Trennschaltereinrichtung für das eigentliche Funktionsprinzip nicht von Bedeutung ist. Infolgedessen sind in Fig. 1 lediglich die für die Erfindung zentralen Elemente gezeigt. Das in Fig. 1 gezeigte elektromechanische Bauelement 1 umfasst einen Aktor 2 aus einer Formgedächtnis-Legierung, der im gezeigten Beispiel als Biegestreifen ausgebildet ist und an einem Ende über eine Befestigung 3 fixiert ist. Das andere Ende wirkt mit einem Federelement 4 in Form eines Federbügels zusammen, welches um die Achse 5 drehbar ist. Dieser Federbügel stellt gleichzeitig einen Kontaktbügel dar, der in der in Fig. 1 ausgezogenen Stellung an einem Stromkreiskontakt 6 anliegt. In diesem Zustand ist ein Stromkreis, in den das Bauelement 1 eingebunden ist, geschlossen. Die ausgezogene Stellung ist die normaleIn the case of the component indicated in FIG. 1, an embodiment of a known disconnector device is assumed. Fig. 1 shows this only schematically in the form of a schematic diagram, since the precise structure of a disconnector device is not important for the actual operating principle. As a result, only the elements central to the invention are shown in FIG. 1. The electromechanical component 1 shown in FIG. 1 comprises an actuator 2 made of a shape memory alloy, which in the example shown is designed as a bending strip and is fixed at one end via a fastening 3. The other end interacts with a spring element 4 in the form of a spring clip, which is rotatable about the axis 5. This spring clip also represents a contact clip that bears against a circuit contact 6 in the extended position in FIG. 1. In this state, a circuit in which the component 1 is integrated is closed. The extended position is the normal one
Stellung, wenn kein Störfall auftritt. Aufgrund der Federwirkung des Federelements 4 wird der Aktor 2 in die gebogene Stellung gespannt. Das heißt, die Federkraft des Federelements 4 ist größer als die Rückstellkraft des Aktors im kal- ten Zustand.Position when there is no fault. Due to the spring action of the spring element 4, the actuator 2 is stretched into the bent position. This means that the spring force of the spring element 4 is greater than the restoring force of the actuator in the cold state.
Im Falle einer Störung ist es nun erforderlich, den Kontakt zwischen dem Federelement 4 und dem Schaltkontakt 6 so schnell als möglich aufzureißen. In diesem Fall wird der Ak- tor 2 bestromt, so dass er sich erwärmt und - da er aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht - er seine Form ändert. Dies ist in Fig. 1 ausgehend von der Normalstellung gemäß Bezugszeichen A durch die mit B gekennzeichnete Stellung angedeutet. Das als Federbügel ausgebildete Federelement 4 wird da- bei um die Schwenkachse 5 geschwenkt und aus seiner Anlage am Kontakt 6 geführt. Der Bewegungsweg des Aktors 2 ist jedoch über ein Wegbegrenzungsteil 7 begrenzt. Im Normalfall würde der Aktor die in Fig. 2, die den Stand der Technik reflektiert, mit C gekennzeichnete waagrechte oder längsgestreckte Position einnehmen. Diese nimmt er ein, wenn die temperaturbedingte Phasenumwandlung vollständig ablaufen kann und sein Weg nicht begrenzt wird. Erfindungsgemäß jedoch wird, siehe Fig. 1, der Bewegungsweg so begrenzt, dass diese Endstellung C nicht eingenommen wird. Dies führt vermutlich dazu, dass die Phasenum- Wandlung nicht vollständig stattfinden kann, wenngleich die erhöhte Temperatur dies gebieten würde. Durch die Wegbegrenzung verbleibt der Aktor in der Stellung B in einem vorgespannten Zustand, der ein Auflösen der Vorzugsstellung, das vermutlich Ursache für das Altern ist, verhindert.In the event of a fault, it is now necessary to break the contact between the spring element 4 and the switching contact 6 as quickly as possible. In this case, the actuator 2 is energized so that it heats up and - since it consists of a shape memory alloy - it changes its shape. This is indicated in FIG. 1 from the normal position according to reference symbol A by the position marked with B. The spring element 4 designed as a spring clip is pivoted about the pivot axis 5 and guided out of its contact with the contact 6. However, the movement path of the actuator 2 is limited by a path limiting part 7. In the normal case, the actuator would assume the horizontal or elongated position marked C in FIG. 2, which reflects the prior art. He takes this when the temperature-related phase change can take place completely and his path is not limited. According to the invention, however, see FIG. 1, the movement path is limited in such a way that this end position C is not assumed. This probably leads to the fact that the phase change cannot take place completely, although the elevated temperature would require this. Due to the travel limitation, the actuator remains in position B in a pretensioned state, which prevents the preferred position from being released, which is presumably the cause of aging.
Fig. 3 zeigt ein elektromechanisches Bauelement mit einem Zwei-Weg-Aktor 8 aus einer Formgedächnis-Legierung. Je nach Temperatur ändert er seine Form in beide Richtungen, wobei die maximalen Endstellungen durch die gestrichelten Linien dargestellt sind. Der Stellweg zwischen diesen Endstellungen wird nun zweifach, also in jede Richtung mittels des Wegbegrenzungsteils 9a, 9b begrenzt.3 shows an electromechanical component with a two-way actuator 8 made of a shape memory alloy. Depending on the temperature, it changes its shape in both directions, the maximum end positions being shown by the dashed lines. The travel path between these end positions is now limited twice, that is to say in each direction by means of the travel limitation part 9a, 9b.
Fig. 4 zeigt in Form einer Prinzipskizze das Funktionsprinzip bei einem Zwei-Wege-Aktor in Form einer Spiralfeder 10. Die obere Darstellung zeigt die Feder in aufgeprägter Hochtemperaturform, die darunter stehende Darstellung zeigt die Feder in aufgeprägter Tieftemperaturform. Erfindungsgemäß wird nun beispielsweise bei Verwendung dieser Spiralfeder 10 in einem Trennschaltelement der jeweilige Weg der Feder behindert, was in den unteren beiden Darstellungen gezeigt ist. Zum einen ist die Wegbeschränkung der sich ausdehnenden Feder dargestellt (Fig. 4C) , was durch die gestrichelte Linie 11 angedeutet ist. Die Feder kann sich also nicht bis in die axima- le, in Fig. 4A gezeigte Endposition ausdehnen. Entsprechendes gilt für den Bewegungsweg der Feder bei niedriger Temperatur. Auch dort wird, siehe Fig. 4D, der Weg über eine Behinderung (gestrichelte Linie 11) begrenzt, so dass sich die Feder nicht bis in die minimale, in Fig. 4B gezeigte Endstellung zusammenziehen kann.Fig. 4 shows in the form of a schematic diagram the principle of operation in a two-way actuator in the form of a spiral spring 10. The upper illustration shows the spring in an impressed high temperature form, the representation below shows the spring in an impressed low temperature form. According to the invention, the respective path of the spring is now impeded, for example when this spiral spring 10 is used in a disconnecting switching element, which is shown in the lower two representations. On the one hand, the path limitation of the expanding spring is shown (FIG. 4C), which is indicated by the dashed line 11. The spring cannot therefore extend into the axial end position shown in FIG. 4A. The same applies to the movement path of the spring at low temperature. There, too, see FIG. 4D, the path through a disability (dashed line 11), so that the spring cannot contract into the minimum end position shown in FIG. 4B.
Fig. 5 zeigt einen Aktor 12 in Form eines Drahtes, der als Ein-Weg-Aktor ausgeführt ist. Die obere Darstellung (5A) • zeigt den Aktor 12 in der gestreckten bzw. längsten Endstellung, die er bei tiefer Temperatur, also beispielsweise Raumtemperatur einnimmt. Die darunter stehende Figur 5B zeigt den verkürzten Aktor 12 bei höherer Temperatur. Schließlich ist in Fig. 5C die Wegbehinderung des Aktors 12 gezeigt -(gestrichelte Linie 13), die verhindert, dass der langgestreckte, kalte Aktor 12 dann, wenn er im Störfall auf hohe Temperatur gebracht wird, sich vollständig zusammenziehen kann und die in Fig. 5B gezeigte Endstellung einnehmen könnte. Dieser Weg wird begrenzt, um die eingangs genannten Vorteile zu erreichen.Fig. 5 shows an actuator 12 in the form of a wire, which is designed as a one-way actuator. The upper illustration (FIG. 5A) shows the actuator 12 in the extended or longest end position, which it assumes at a low temperature, for example room temperature. FIG. 5B below shows the shortened actuator 12 at a higher temperature. Finally, the path obstruction of the actuator 12 is shown in FIG. 5C (dashed line 13), which prevents the elongated, cold actuator 12 from contracting completely when it is brought to a high temperature in the event of a fault and which is shown in FIG. 5B could assume the end position shown. This path is limited in order to achieve the advantages mentioned at the beginning.
Für einen Aktor kommen praktisch alle Formgedächtnis- Legierungen in Frage. Als besonders geeignet sind Ti-Ni-Practically all shape memory alloys can be used for an actuator. Ti-Ni are particularly suitable
Legierungen anzusehen. So gehen z. B. aus „Materials Science and Engineering", Vol. A 202, 1995, Seiten 148 bis 156 verschieden zusammengesetzte Ti-Ni- und Ti-Ni-Cu-Legierungen hervor. In „Intermetallic", Vol. 3, 1995, Seiten 35 bis 46 und „Scripta METALLURGICA et MATERIALIA" , Vol. 27, 1992, Seiten 1097 bis 1102 sind verschiedene Ti50Ni5o-χPdx- Formgedächtnis-Legierungen beschrieben. Statt der Ti-Ni- Legierungen sind selbstverständlich auch andere Formgedächtnis-Legierungen geeignet. So kommen beispielsweise Cu-Al- Formgedächtnis-Legierungen in Frage. Eine entsprechende Cu- Zn24Al3-Legierung ist aus „Z. Metallkde.", Bd. 79, H. 10, 1988, Seiten 678 bis 683 zu entnehmen. In „Scripta Materia- lia", Vol. 34, No. 2, 1996, Seiten 255 bis 260 ist eine weitere Cu-Al-Ni-Formgedächtnis-Legierung beschrieben. Selbst- verständlich können zu den vorerwähnten binären oder ternären Legierungen noch weitere Legierungspartner wie z. B. Hf in an sich bekannter Weise hinzulegiert sein. Die Fig. 6 und 7 zeigen ein erstes Versuchsbeispiel mit einem Ein-Weg-Aktor aus einer CuA113Ni4-Legierung. Dieser Aktor wurde mit einer Last von 300 g aus seiner geraden Position verbogen, wobei der maximale Auslenkungsweg mittels eines Anschlags begrenzt wurde. Diese Auslenkungsposition liegt im Nullpunkt der Ordinate. Längs der Ordinate ist die umwandlungsbedingte Auslenkung des Aktors aufgetragen, längs der Abszisse die Zeit in Minuten. Insgesamt wurden 1900 Auslen- kungszyklen, innerhalb welcher der Aktor aus der „verbogenen" Stellung kurz bestromt und damit erwärmt wurde, so dass er sich formwandelt, wonach er wieder abkühlt, über eine Versuchsdauer von 3800 Minuten untersucht. Der Aktor wurde innerhalb eines Zyklus mit 17A bestromt. Die Punktreihen zeigen den innerhalb eines untersuchten Auslenkungszyklus zurückgelegten Stellweg. Der Stellweg wurde in bestimmten Zeitintervallen aufgenommen.Alloys. So go z. B. from "Materials Science and Engineering", Vol. A 202, 1995, pages 148 to 156 differently composed Ti-Ni and Ti-Ni-Cu alloys. In "Intermetallic", Vol. 3, 1995, pages 35 to 46 and "Scripta METALLURGICA et MATERIALIA", vol. 27, 1992, pages 1097 to 1102, various Ti 50 Ni 5 o-χPd x shape memory alloys are described. Instead of the Ti-Ni alloys, of course, other shape memory alloys are also described For example, Cu-Al shape memory alloys are suitable. A corresponding Cu-Zn24Al3 alloy can be found in "Z. Metallkde.", Vol. 79, H. 10, 1988, pages 678 to 683. A further Cu-Al-Ni shape memory alloy is described in “Scripta Materia- lia”, Vol. 34, No. 2, 1996, pages 255 to 260. Of course, other alloy partners can be added to the aforementioned binary or ternary alloys such as, for example, alloyed with HF. 6 and 7 show a first test example with a one-way actuator made of a CuA113Ni4 alloy. This actuator was bent from its straight position with a load of 300 g, the maximum deflection path being limited by means of a stop. This deflection position lies at the zero point of the ordinate. The conversion-related deflection of the actuator is plotted along the ordinate and the time in minutes along the abscissa. A total of 1900 deflection cycles, in which the actuator was briefly energized from the "bent" position and thus warmed up so that it changes shape, after which it cools down again, were examined over a test period of 3800 minutes. The actuator was also examined within one cycle 17A, the rows of dots show the actuation path covered within an investigated deflection cycle.
Ersichtlich beträgt die Auslenkung zu Beginn des Versuchs ca. 5 mm. Die maximale Auslenkung nimmt jedoch deutlich erkennbar mit zunehmender Versuchsdauer aufgrund des eintretenden Alterungseffekts ab. Gegen Ende des Versuchs betrug die Auslenkung ca. 2 mm. Der Stellweg nahm also um rund 60 % ab.The deflection at the start of the experiment is evidently approx. 5 mm. The maximum deflection, however, clearly decreases with increasing test duration due to the aging effect. At the end of the experiment, the deflection was approx. 2 mm. The travel range therefore decreased by around 60%.
Demgegenüber steht der Versuchsverlauf, wie er in Fig. 7 gezeigt ist. Auch dort wurde ein CuAll3Ni4-Aktor als Ein-Weg- Aktor untersucht, der ebenfalls mit 300 g Last ausgelenkt wurde und innerhalb eines Zyklus mit 17A bestromt wurde. Während der Versuchsdauer von 3800 Minuten wurden hier 1850 Zyk- len untersucht. Im Gegensatz zum vorherigen Versuch jedoch wurde der formbedingte Bewegungsweg des Aktors bei temperaturerhöhungsbedingter Formwandlung mittels eines Anschlags bei 3,8 mm beschränkt. Ersichtlich erreicht der Aktor den Anschlag kontinuierlich während der gesamten Versuchsdauer. Bei diesem Versuch konnte der Aktor also nicht wie beim Versuch gemäß Fig. 6 sich unbegrenzt bis zur maximal möglichen Endstellung strecken, dafür wurde der Bewegungsweg begrenzt, was dazu führt, dass der Aktor kontinuierlich unter einer gewissen Mindestspannung stand, die der Ermüdung entgegengewirkt hat.This contrasts with the course of the experiment, as shown in FIG. 7. There too, a CuAll3Ni4 actuator was investigated as a one-way actuator, which was also deflected with a load of 300 g and was energized with 17 A within a cycle. During the test period of 3800 minutes, 1850 cycles were examined here. In contrast to the previous experiment, however, the shape-related movement path of the actuator was limited by a stop at 3.8 mm in the case of a shape change due to temperature increase. Obviously the actuator reaches the stop continuously over the entire duration of the test. In this experiment, the actuator could not, as in the experiment shown in FIG. 6, extend indefinitely to the maximum possible end position, but the movement path was limited to what leads to the actuator being continuously under a certain minimum voltage, which counteracted fatigue.
Die Fig. 8 und 9 zeigen einen gleichartigen Ein-Weg-Aktor aus CuAll3Ni4, der gemäß dem Versuch nach Fig. 8 innerhalb einer Versuchsdauer von 800 Minuten mit 400 Zyklen betrieben wurde. Der Aktor wurde ebenfalls mit 17A bestromt, jedoch betrug das Auslenkungsgewicht lediglich 150 g. Bei diesem Beispiel wurde der lastbedingte Auslenkungsweg, der eigentlich im Nullpunkt der Ordinate liegt, dort nicht begrenzt.FIGS. 8 and 9 show a similar one-way actuator made of CuAll3Ni4, which according to the test according to FIG. 8 was operated with 400 cycles within a test period of 800 minutes. The actuator was also energized with 17A, but the deflection weight was only 150 g. In this example, the load-related deflection path, which actually lies at the zero point of the ordinate, was not limited there.
Das erhaltene Ergebnis entspricht dem gemäß Fig. 6. Auch hier zeigt sich deutlich, dass der Bewegungsweg bei Bestromung im- mer kürzer wird. Beträgt der Bewegungsweg im Anfangszeitpunkt noch rund 9 mm, so wird der Aktor zum Versuchsende hin nur noch um etwas mehr als 5 mm ausgelenkt. Auffällig ist auch, dass bei fehlender Behinderung der lastbedingten Auslenkung eine Drift einsetzt, was sich darin bemerkbar macht, dass die Anfangspunkte der jeweiligen Linien unter den Nullpunkt driften. Auch dies hängt letztlich mit dem Ermüden zusammen.The result obtained corresponds to that shown in FIG. 6. Here, too, it can clearly be seen that the path of movement becomes ever shorter when energized. If the path of movement is still around 9 mm at the start, the actuator is only deflected by a little more than 5 mm towards the end of the test. It is also striking that there is no impediment to the load-related deflection, which is noticeable in the fact that the starting points of the respective lines drift below the zero point. Ultimately, this is also related to fatigue.
Ein solcher Ermüdungseffekt tritt gemäß Fig. 9 auch hier nicht auf, wenn der umwandlungsbedingte Bewegungsweg begrenzt wird. Beim Versuch gemäß Fig. 9 wurde dieser Weg bei 6 mm mittels eines Anschlags begrenzt, auch wurde die lastbedingte Auslenkung hier im Nullpunkt begrenzt. Ersichtlich ändert sich die Auslenkung über die Versuchsdauer (hier 1000 Minuten bei 495 Zyklen mit einer Bestromung mit 17A) über die gesamte Versuchsdauer nicht, das heißt der Aktor erreicht jedes Mal den Anschlag bei 6 mm.Such a fatigue effect does not occur here according to FIG. 9 if the movement path caused by the conversion is limited. In the experiment according to FIG. 9, this path was limited at 6 mm by means of a stop, and the load-related deflection was also limited here at the zero point. Obviously, the deflection over the test duration (here 1000 minutes with 495 cycles with a current supply of 17A) does not change over the entire test duration, i.e. the actuator always reaches the stop at 6 mm.
Die Fig. 10 und 11 zeigen schließlich die entsprechenden Versuche mit einem NiTi(50:50) Aktor, der auch hier als Ein-Weg- Aktor betrieben wurde. Dieser wurde mit einer Last von 200 g verbogen. Die Versuchszeit betrug jeweils 3800 Minuten bei 1900 Zyklen. Ersichtlich nimmt, siehe Fig. 10, auch hier die Auslenkung sehr deutlich von einem Maximum bei 8,4 mm auf ein Minimum von ca. 3 mm ab.10 and 11 finally show the corresponding tests with a NiTi (50:50) actuator, which was also operated here as a one-way actuator. This was bent with a load of 200 g. The test time was 3800 minutes with 1900 cycles. Obviously, see Fig. 10, also here Deflection very clearly from a maximum at 8.4 mm to a minimum of approx. 3 mm.
Gemäß Fig. 11 wurde jedoch der wandlungsbedingte Bewegungsweg mittels eines Anschlags bei 5,7 mm beschränkt. Dieser Anschlag wurde über die gesamte Versuchszeit innerhalb jedes Zyklus erreicht, was zeigt, dass auch bei diesem Aktor der Alterungseffekt unterdrückt werden kann. According to FIG. 11, however, the change in movement path was limited by means of a stop at 5.7 mm. This stop was achieved over the entire test period within each cycle, which shows that the aging effect can also be suppressed with this actuator.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektromechanisches Bauelement mit mindestens einem Aktor aus einer Formgedächtnis-Legierung, der bei Erreichen einer bestimmten Temperatur seine Form ändert und sich in eine Endstellung bewegt, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bewegungsweg des Aktors (2, 8, 10, 12) derart begrenzt ist, dass er die Endstellung (C) nicht erreicht.1. Electromechanical component with at least one actuator made of a shape memory alloy, which changes its shape when it reaches a certain temperature and moves into an end position, since you rch noted that the movement path of the actuator (2, 8, 10, 12) is limited is that it does not reach the end position (C).
2. Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest der Bewegungsweg, den der Aktor (2, 8, 10, 12) infolge einer Temperaturerhöhung bei Erreichen der bestimmten Tempe- ratur durchführt, begrenzt ist.2. Electromechanical component according to claim 1, so that at least the movement path which the actuator (2, 8, 10, 12) performs as a result of a temperature increase when the specific temperature is reached is limited.
3. Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest der Bewegungsweg, den der Aktor (2, 8, 10, 12) infolge einer Temperaturerniedrigung bei Erreichen der bestimmten Temperatur durchführt, begrenzt ist.3. Electromechanical component according to claim 1, so that at least the movement path that the actuator (2, 8, 10, 12) performs as a result of a temperature drop when the specific temperature is reached is limited.
4. Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 2 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei- de Bewegungswege begrenzt sind.4. Electromechanical component according to claim 2 and 3, so that both paths of movement are limited.
5. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bewegungsweg um wenigstens 5%, insbesondere um wenigstens 10 % der gesamten Wegstrecke zwischen der Ausgangsstellung und der Endstellung begrenzt ist.5. Electromechanical component according to one of the preceding claims, that the movement path is limited by at least 5%, in particular by at least 10% of the total distance between the starting position and the end position.
6. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass der Aktor (2, 12) ein Ein-Wege- Aktor ist. 6. Electromechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator (2, 12) is a one-way actuator.
7. Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aktor (2) über ein Federelement (4) in eine erste Stellung gedrängt wird, aus der er sich bei Erreichen der Temperatur be- wegt .7. Electromechanical component according to claim 6, so that the actuator (2) is pushed via a spring element (4) into a first position from which it moves when the temperature is reached.
8. Elektromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aktor (8, 10) ein Zwei -Wege-Aktor ist.8. Electromechanical component according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the actuator (8, 10) is a two-way actuator.
9. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aktor (2, 8, 10, 12) ein Streifen, ein Draht oder eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder ist. 9. Electromechanical component according to one of the preceding claims, that the actuator (2, 8, 10, 12) is a strip, a wire or a spring, in particular a spiral spring.
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