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Die Erfindung gehört in das Gebiet der aktiven Elektromagnete, die eine unmittelbare mechanisch verwertbare Bewegung erzeugen.
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Aktoren gibt es in vielen Varianten - hydraulischen oder auf Elektromotoren basierenden Systemen.1 Diese arbeiten relativ langsam und weisen für manche Anwendung keine zufriedenstellende Reaktionszeit auf. Ferner verbietet die Mindestgröße einiger solcher Antriebssysteme ihren Einsatz in kleinen Strukturen. So ist z.B. die Nachbildung des Bewegungsablaufes einer menschlichen Hand, z.B. beim Klavierspielen, mit den heutigen Systemen nicht möglich. Daher gibt es Überlegungen, bei filigraneren Bewegungen Zug- oder Hubmagnete (solenoid actuators) zum Einsatz zu bringen.2
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Einfache Hub- oder Zugmagnete besitzen eine hyperbolische Kraft-Weg Charakteristik, die für manche Anwendung ungeeignet ist. Eine flachere Kraft-Weg-Charakteristik wird konventionell durch das Zusammenwirken mit mechanischen Federn erzielt. Die Betätigung der Federn erfordert jedoch zusätzliche Kraft. Ebenfalls wird eine sensorgesteuerte Anregung der Spulen durchgeführt, was jedoch den Aufwand erheblich erhöht. Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, einen Aktor zu schaffen, dessen Kraft-Weg-Charakteristik ohne die Zuhilfenahme obiger Zusatzeinrichtungen in weiten Grenzen einstellbar ist. Von besonderem Interesse ist ein Aktor mit einer in einem weiten Weg-Bereich flachen Kraft-Weg-Charakteristik (5). Eine solche flache Kraft-Weg-Charakteristik wird dadurch erzielt, dass die erregende Spule inhomogen gewickelt wird (4). Die Amperewindungszahl pro Längeneinheit parallel zur Aktorachse ist in der Umgebung der Stirnflächen der Spule gegenüber der Umgebung der Spulenmitte erhöht. Die Spule (4) kann auch in mehrere Segmente aufgeteilt werden zB. mit separaten an den Stirnflächen angebrachten Segmenten (32,33) (1). Durch Wahl der Spulenparameter wie Amperewindungszahl pro Längeneinheit und der Breite (30,31) der an den Stirnflächen angebrachten Spulensegmente (32,33) können außer einem flachen Kraft-Wegverlauf auch andere Charakteristiken eingestellt werden. Das Segment (34) (32,33) kann mit dickerem Draht bewickelt werden als die Segmente (32,33), um den Energieverbrauch zu vermindern. Die Spulensegmente können mit separaten elektrischen Anschlüssen versehen werden, um die Feldstärken und somit die magnetischen Kräfte feinjustieren zu können.
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Der erfindungsgemäße Aktor kann von filigraner Ausführung sein oder auch größere Abmessungen haben, wenn hohe Kräfte erforderlich sind.
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Die Erfindung betrifft sowohl Aktoren, die aus einem Anker und einer Spule oder einem Spulensystem als aktive Elemente als auch solche, die aus zwei von einer Spule oder einem Spulensystem umgebenden Ankern bestehen. Der letztere Fall ist energetisch besonders günstig, da die Kraft zwischen beiden Ankern verdoppelt ist und gleichzeitig ein doppelt so großer Hub erzielt werden kann wie Falle von nur einem Anker.
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Im Falle zweier Anker liegen als Wirkprinzipien der vorliegenden Erfindung die anziehende Kraft zwischen zwei durch ein Spulensystem magnetisierten ferromagnetischen Ankern (1,2) sowie die anziehende Kraft zwischen dem die Anker umgebenden konzentrischen Spulensystem (4) und jedem der beiden Anker (1,2) zugrunde. Das von der Spule (4) oder dem Spulensystem erzeugte Magnetfeld magnetisiert beide Anker (1,2) in die gleiche Richtung, so dass sie sich analog zu zwei gleichgepolten Permanentmagneten in linearer Anordnung anziehen und somit den Aktor zu verkürzten suchen. Im Falle nur eines Ankers wirkt nur die Kraft zwischen dem Spulensystem und dem Anker.
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Für manche Anwendung wird ein schlanker Aktor benötigt. Während konventionelle Hub- oder Zugmagnete zur Erhöhung der Kräfte durch Verbesserung des magnetischen Flusses ein die Spulen umschließendes Joch beinhalten, das den Durchmesser des Aktors vergrößert, ist ein solches Joch im Falle eines erfindungsgemäßen schlanken Aktors nicht unbedingt erforderlich, weil der magnetische Streufluß außerhalb des Spulensystems ohnehin nur gering ist. Somit können erfindungsgemäße schlanke und energieeffiziente Aktoren realisiert werden.
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In einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen Aktors können die Anker (1,2) auch aus permanent magnetisiertem Material bestehen. In diesem Falle wird die magnetisierende Spule (4) geteilt (3) und beide Spulenteile (32) bzw. (33) mit getrennten Anschlüssen versehen. Mittlere Spulensegmente können ebenfalls vorgesehen werden. Erzeugen die Spulen (32,33) Magnetfelder, die größer als die Koerzitivfeldstärken der Ankermaterialien sind, können die Anker so magnetisiert werden, dass sie sich bei Ausschalten des Stromflusses anziehen. Somit ist eine Konstruktion möglich, bei der eine Zugkraft auch im stromlosen Zustand bestehen bleibt. Dies ist für die Anwendbarkeit in einem Schließmuskel von Vorteil. Aus diesem Zustand können die Anker mittels umgepolter Stromstöße befreit werden, z.B. um einen Schließmuskel zu öffnen. Ein nachfolgender Dauerstrom kann die Abstoßung der Anker (1,2) unterstützen und die abstoßende Kraft so lange wie nötig aufrechterhalten.
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Die Geometrie der Anker beeinflusst die Zugkraft, weil das die Anker magnetisierende Feld von den an den Stirnseiten der Anker induzierten Polen abgeschwächt wird. Die Abschwächung wird durch den Entmagnetisierungsfaktor beschrieben, der vom Durchmesser/Länge-Verhältnis (D/L-Verhältnis) der Anker sowie von dessen Permeabilität abhängt. Ein großes D/L-Verhältnis erfordert ein höheres magnetisierendes Spulenfeld als ein kleineres D/L-Verhältnis. Andererseits ziehen sich Anker mit größerem Durchmesser über eine größere Entfernung an als Anker mit kleinerem Durchmesser. Somit hängt die Kraft-Weg-Charakteristik zwischen den Ankern in komplexer Weise von allen diesen Größen sowie den Eigenschaften des Spulensystems ab.
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Bei langen, dünnen Ankern ist der Entmagnetisierungsfaktor sehr klein. Bestehen die Anker aus extrem weichmagnetischem Material wie z.B. weichgeglühtem Reineisen, genügen schon sehr kleine Spulenströme, um sie in die Sättigung zu magnetisieren. Die in der Spule umgesetzte Wärmeenergie kann entsprechend sehr gering sein. Mit dünnen Ankern können aber nur kleine Zugkräfte erzielt werden. Um die Zugkraft zu erhöhen können mehrere solcher Aktoren nebeneinander oder in Reihe angebracht werden. Dies schließt die Möglichkeit ein, mehrere Ankerpaare (1,2) mittels einer gemeinsamen, zylindrischen oder auch nicht zylinderförmigen Spule zu magnetisieren.
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Falls die Länge des Aktors begrenzt ist, kann die Zugkraft durch Vergrößerung des Durchmessers erhöht werden.
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Ein Vorteil dieser Erfindung gegenüber einer Anordnung mit zwei getrennten gegenläufig montierten Aktoren liegt in Einfachheit der erfindungsgemäßen Konstruktion, indem der Spulenwicklungskörper (3) als mechanische Führung beider Aktoren dienen kann und somit beide Anker per se zentriert sind und somit gegenläufige Kräfte beider Aktoren (1,2) in Bezug auf die Spule erzielt werden. Auf einen Spulenwickelkörper (3) kann verzichtet werden, indem eine gefestigte Spule oder ein gefestigtes Spulensystem verwendet wird, z.B. durch Verwendung von Backdraht oder andere Herstellungsverfahren. Ferner ist der Energiebedarf dieser Anordnung geringer als für zwei separate Aktoren, weil sich der „effektive“ Entmagnetisierungsfaktor bei Annäherung beider Anker dem deutlich kleineren Entmagnetisierungsfaktor des doppelt so langen Zylinders annähert, der entsteht, wenn sich beide Anker berühren. Auch entfällt ein Mehraufwand dadurch, dass nur ein Aktor zu montieren ist im Vergleich zu Zweien bei konventioneller Konstruktion mittels zweier gegenläufiger Aktoren.
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Die zylindrischen Anker (1,2) des erfindungsgemäßen Aktors können auch mit je einem äußeren Kopf (5,6, 2) versehen sein. Dies erhöht die Zugkraft und ermöglicht auch eine weitere mechanische Führung der Anker mittels an die Köpfe der Anker angepassten Umhüllungen (8, 9, 6). Die Führung kann auch als durchgehende Umhüllung des Aktors ausgeführt werden (41, 7). Diese Umhüllung kann auch aus weichmagnetischem Material bestehen, womit der magnetische Fluss durch die Anker und somit die Zugkraft erhöht wird. Die Umhüllung kann auch doppelwandig (40,41) ausgeführt werden, wobei die innere Umhüllung (41) aus nichtmagnetischem Material bestehen kann, um die Reibung zwischen den Ankern (1,2) und der Umhüllung (41) und zu vermindern, während die äußere Umhüllung aus weichmagnetischem Material besteht.
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Zwecks Gewichtseinsparung können die Anker (1,2, 13) erfindungsgemäß auch einen kleineren Durchmesser haben als das Führungsrohr (3, 1) und zur Führung auch mit inneren Köpfen (43,44, 13) versehen werden. Um Verkantungsmöglichkeiten bei Änderung der Ankerpositionen zu reduzieren, können die Anker (1,2) auch mit abgerundeten Köpfen (5,6,43,44, 13) versehen werden.
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Die 8 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Aktors, der bogenförmig gestaltet ist. Die Querschnitte der Komponenten (1,2,3,4) durch eine Ebene senkrecht zur Zeichenebene sind kreisförmig , elliptisch, rechteckförmig oder ähnlich, geformt
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Eine weitere Variante dieser Erfindung ist Ausführung des Aktuators in Quaderform (9a-c). Die Anker können an den Enden verdickt sein, analog zu den Köpfen (5,6) bei zylinderförmigen Aktoren (2). Ein Vorteil dieser Variante ist, dass durch die flache Ausführung der Aktor weniger Platz senkrecht zur Aktorachse benötigt als ein zylindrischer Aktor mit ähnlicher Kraft-Weg-Charakteristik. Der Aktor kann durch seine flache Form besser an das zu beeinflussende Volumen angepasst werden, wenn z.B. ein Volumen mittels der Zugkraft eines oder mehrerer Aktoren verkleinert werden soll. Die Spule (4) kann analog zu der zylinderförmigen Variante des Aktors ebenfalls inhomogen ausgeführt sein (1-4), mit größerer Amperewindungszahl pro cm längs der Aktorachse an den äußeren Spulenenden als im Mittelteil, mit separaten Anschlüssen der Spulensegmente und angepassten unterschiedlichen Drahtdurchmessern.
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Eine weitere Variante dieser Erfindung ist die Weiterentwicklung der Ausführung des quaderförmigen Aktors zu einer gewölbten Form, wobei die Anker (1,2) um die Längsachse (12) des Aktors bogenförmig gekrümmt sind (10a-c). Der Biegeradius und der Segmentwinkel (Φ) können der Anwendung entsprechend gewählt werden. So sind auch halbschalenförmige Aktoren möglich. Das Spulensystem kann der Form der Anker angepasst sein. Auch bei dieser Ausführungsform kann das Spulensystem (4) inhomogen gewickelt sein. Ein Sonderfall ist, wenn die Krümmung einen Vollkreis erfasst, so dass der Aktor die Form eines Rohres bekommt.
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Eine weitere Variante dieser Erfindung ist eine Ausführung, bei der ausgehend von der Vorstellung eines quaderförmigen Aktors dieser um eine Achse senkrecht zu seiner Längsachse (12,10c) gekrümmt ist.
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Auch Ausführungen in Form von Kugelsegmenten der Anker (1,2, 11a-b) sind möglich. Die Spule (4) ist zylindrisch. Die 11a,b zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor zur Kompression eines Volumens (13).
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Bei jeder dieser Varianten (8-11) können auch äußere mechanische Führungen entsprechend (8,9, 6) oder (40,41, 7) angebracht werden.
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Als Befestigung des Aktors kann die Wicklung bzw. ein damit fest verbundenes Werkstück dienen.
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Die Anker können unterschiedlich geformt sein und die inhomogene Spule kann so ausgebildet werden, dass die Zugkräfte beider Anker unterschiedlich sind.
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Aus den verschiedenen erfindungsgemäßen Varianten der Form des Aktors kann die für eine bestimmte Anwendung die bestgeeignete Form ausgewählt werden.
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Die erfindungsgemäßen gewölbten Aktoren sind nicht auf sphärische Krümmungen beschränkt. Die Wölbungen können auch geometrisch allgemeiner geformt sein, z.B. ellipsoidförmig.
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Die in 11 als zylindrisches Rohr gezeichnete Spule (4) kann auch sphärisch, an die Führung (3) angepasst, sein.
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Wenn eine Rückstellkraft erforderlich ist, kann diese erfindungsgemäß durch zwischen den Ankern (1,2) im Inneren der Spule (4) angebrachte mechanische Federn erzeugt werden. Werden Anker (1,2) mit Kopf (5,6) benutzt, kann die Feder vorteilhaft außerhalb statt innerhalb der Spule (4) angebracht werden (10, 7). Im Falle der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß 6 können zwei Federn (10,11) eingesetzt werden. Bei den Ausführungen der Aktoren in gebogener oder gewölbter Form können auch zylindrische Federn statt an die Form angepasste nicht-zylindrische Federn zum Einsatz kommen.
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In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bestehen die Anker (1,2) jeweils aus einem Teil eines weichmagnetischen Zylinders mit Abmessungen von 16mm Länge und 4.2mm Durchmesser. Die Enden sind mit je einem Kopf (5) von 7mm Durchmesser versehen. Der Spulenkörper (3) ist ein dünnwandiges Messingrohr mit 4.4mm Innendurchmesser. Die darauf gewickelte Spule (4) ist gemäß 2 ausgeführt mit je 150 Windungen von 0.22mmΦ Kupferlackdraht auf Breiten (30,31) von 3.5mm an beiden Stirnseiten (32,33) des Aktors und 100 Windungen von 0.4mmΦ Kupferlackdraht im Bereich (34) dazwischen. Mit einem 200ms andauernden Spulenstrom von 5A wird eine Zugkraft zwischen beiden Aktoren von ca. 2N erzielt, die sich erst bei Annäherung der beiden inneren Enden der Anker auf weniger als 4mm stark erhöht (5).
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Die vorliegende Erfindung stellt ein System dar, mit dem im Gegensatz zu konventionellen Zugmagneten von einer Ausgangsposition der Anker aus eine über die Länge der Spule weitgehend konstante Zugkraft bei Stromfluß durch die Spule erzielt wird. Vom Bewegungsablauf gleicht das System einer biologischen Muskelfaser, bei der zwei Filamente aneinander vorbeigleiten. Durch diesen bionischen Ansatz können mittels des erfindungsgemäßen schlanken Aktors auf geringem Raum schnelle und präzise Bewegungen durchgeführt werden. Er kann zum Beispiel - einzeln oder im Verbund mehrerer solcher Aktoren- als künstlicher Muskel oder als Muskelunterstützungssystem beim Menschen (z.B. zur Unterstützung der Pumpfunktion des Herzens), in rein mechanischen Systemen wie Robotern oder in biologischen Systemen (z.B. Exoskeletten) zum Einsatz kommen (12). Er kann in solchen Systemen auch als Unterstützung anderer krafterzeugender Komponenten verwendet werden.
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Weitere Anwendungen sind miniaturisierte Medikamentenpumpen, die auch implantierbar sind. Ferner kann ein schlanker Aktor zur Betätigung eines künstlichen Augenlids eingesetzt werde. Ein sphärisch geformter Aktor kann auch zur Betätigung einer Iris eingesetzt werden.
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Der Aktor kann auch invers benutzt werden. Dabei dient das Spulensystem zur Bestimmung der Positionen der Anker, indem die Induktivität gemessen wird, die von der Position der Anker abhängt. Auf diese Weise wirkt der Aktor bei Benutzung einer (10,7) oder zweier Zugfedern (10,11,6) als Sensor zur Messung von Zugkräften.
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Es zeigen:
- Die 1 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Aktors. Ohne Stromfluß durch die Spulensystem (4) befinden sich die Anker (1) und (2) in der Ausgangsstellung. Bei Stromfluß ziehen sich die Anker in die Spule hinein und bewirken eine symmetrische Zugkraft zwischen den Ankern. Die Anker werden vom Spulenkörper (3) oder der Spule (4) mechanisch geführt. Das Spulensystem (4) kann aus den Segmenten (32,33,34) bestehen, die jeweils einzelne elektrische Stromanschlüsse besitzen können. Die äußeren Spulensegmente (32,33) besitzen die Breiten (30,31).
- Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor bei dem die Anker (1,2) mit Köpfen (5,6) versehen sind.
- Die 3 zeigt ein zweiteiliges Spulensystem (4) eines erfindungsgemäßen Aktors mit zwei Einzelspulen (32,33) jeweils an den Stirnseiten des Führungsrohres (3).
- Die 4 zeigt ein inhomogen gewickeltes Spulensystem (4) eines erfindungsgemäßen Aktors. Hier ist die Wicklungsdichte in Richtung der Stirnseiten des Aktors gegenüber der Mitte des Aktors erhöht.
- Die 5 zeigt den Vergleich der Kraft-Weg-Charakteristiken eines Aktors mit homogen gewickelter Spule und eines erfindungsgemäßen Aktors mit einer inhomogen gewickelten Spule mit je 150 Windungen konzentriert an den Stirnseiten des Führungsrohres (3) und 100 Windungen zwischen diesen Wicklungspaketen.
- Die 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor, bei dem eine zusätzliche radiale Führung der Anker (1,2) zur Verringerung der Verkantungsgefahr mittels äußerer Führungsrohre (8,9) angebracht ist. Zusätzlich kann eine Feder zwischen den Köpfen (5,6) angebracht sein, um eine Rückstellkraft zu erzeugen. Eine Feder kann auch zwischen den Ankern (1,2) im Innern des Führungsrohres (3) angebracht sein.
- Die 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor, bei dem das Führungsrohr aus einer Doppelstruktur besteht, bei der die den Ankerköpfen zugewandte Struktur (41) aus nichtmagnetischem Material besteht und die äußere Struktur (40) aus weichmagnetischem Material.
- Die 8 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Aktors, der bogenförmig, den Winkel Φ umfassend, gestaltet ist. Der Winkel Φ, kann der speziellen Anwendung angepasst werden.
- Die 9a-c zeigen drei Querschnitte durch die Mitte eines erfindungsgemäßen quaderförmigen Aktors, wobei alle Komponenten (die Aktoren (1,2), das Führungsrohr (3) sowie die Spule (4)) quaderförmigig gestaltet sind.
- Die 10a-c zeigen drei Querschnitte durch die Mitte eines um die Längsachse (12) des Aktors gebogenen erfindungsgemäßen Aktors. Die Biegung der Anker umfasst den Winkel Φ, welcher der speziellen Anwendung angepasst werden kann.
- Die 11 a,b zeigen Querschnitte durch die Mitte eines erfindungsgemäßen Aktors mit sphärisch geformten Ankern (1),(2) und zylindrischem Spulensystem (4). Die Wicklungsdrähte der Spule (4) stehen in 11a senkrecht aus der Schnittebene heraus. Ein Volumen (13) wird bei Stromfluß durch das Spulensystem komprimiert. Die Spule (4) kann auch den Ankern (1,2) angepasst sphärisch geformt sein.
Zu den erfindungsgemäßen gebogenen Aktoren zählen auch solche, bei denen die Spulen eine von den Formen der Anker (1,2) abweichende Form haben.
- Die 12 zeigt eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Aktors (16) zur Bewegung eines biologischen Gelenkes (15). Der Aktor verbindet die beiden Knochen (14,17) des Gelenkes. Der Aktor kann aus einer der erfindungsgemäßen geometrischen und spulenmäßigen Varianten bestehen.
- Die 13 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor, bei dem die Anker aus einem dünneren Mittelteil (1,2) und jeweils zwei abgerundeten Köpfen im Inneren (43,44) und außerhalb (5,6) der Spule (4) bestehen.
