Unkonventionelle Aktoren (eBook)

Vorworte 5
1. Einführung 15
1.1 Was sind unkonventionelle Aktoren? 15
1.2 Aktoren als Systemkomponente 16
1.3 Aktoren im Zentrum von Mechatronik, Mikrosystemtechnik und Adaptronik 19
1.4 „Intelligente“ und Self-sensing-Aktoren 21
1.4.1 „Intelligente“ Festkörperaktoren 21
1.4.2 Self-sensing-Festkörperaktoren 23
1.5 Entwurf von Aktoren 24
1.6 Charakterisierung von Aktoren 27
1.6.1 Kenngrößen 27
1.6.2 Kenngrößen-Diagramme 33
2. Piezoelektrische Aktoren 37
2.1 Physikalischer Effekt 37
2.2 Piezoelektrische Bauelemente 39
2.2.1 Piezoelektrische Werkstoffe 39
2.2.2 Piezokeramische Elemente 44
2.3 Piezoaktoren mit begrenzter Auslenkung 45
2.3.1 Stapelaktoren und Multilayer-Aktoren 45
2.3.2 Streifentranslatoren 51
2.3.3 Biegewandler 51
2.3.4 Komposite-Wandler 52
2.3.5 Piezowandler mit Wegübersetzung 53
2.4 Aktoren mit unbegrenzter Auslenkung (Piezomotoren) 55
2.4.1 Motoren für den quasistatischen Betrieb 56
2.4.1.1 Wurm- und Schreitantriebe 18
2.4.1.2 Trägheitsantriebe 59
2.4.1.3 Piezo Actuator Drive (PADTM) 59
2.4.2 Motoren für den resonanten Betrieb (Ultraschallmotoren) 61
2.4.2.1 Stehwellen-Motoren 62
2.4.2.2 Wanderwellen-Motoren 66
2.5 Messen von piezoelektrischen Kenngrößen 68
2.6 Steuerelektronik für Piezoantriebe 70
2.6.1 Leistungsverstärker 71
2.6.2 Linearisierung des Aktor-Übertragungsverhaltens 74
2.7 Anwendungsbeispiele 75
2.7.1 Positioniertisch 75
2.7.2 Dieselinjektor 76
2.7.3 Hautscanner 77
2.7.4 Entwurfsaufgabe Piezotranslator 79
2.8 Entwicklungstendenzen 82
3. Magnetostriktive Aktoren 85
3.1 Physikalischer Effekt 85
3.2 Magnetostriktive Bauelemente 86
3.2.1 Werkstoffe 86
3.2.2 Magnetostriktive Elemente 90
3.3 Magnetostriktive Aktoren mit begrenzter Auslenkung 90
3.3.1 Translator 91
3.4 Magnetostriktive Aktoren mit unbegrenzter Auslenkung 96
3.5 Messen von magnetostriktiven Kenngrößen 98
3.6 Elektronischer Leistungsverstärker 99
3.7 Anwendungsbeispiele 100
3.7.1 Unterwasser-Sonarsystem 100
3.7.2 Dynamischer Vibrationsabsorber 100
3.7.3 Hybrider Linearmotor 102
3.7.4 Entwurfsablauf 103
3.8 Vergleich zwischen piezoelektrischen und magnetostriktiven Wandlern 108
3.9 Entwicklungstendenzen 109
4. Aktoren mit elektrorheologischer Flüssigkeit 111
4.1 Einige rheologische Grundlagen 111
4.2 Elektrorheologischer Effekt 113
4.3 Technische Realisierung 115
4.3.1 Werkstoffe 115
4.3.2 Wirkprinzipien und Entwurfshinweise 120
4.4 Messen von ERF-Kenngrößen 124
4.4.1 Rheologische Kenngrößen 124
4.4.2 Elektrische Kenngrößen 128
4.5 Elektronischer Leistungsverstärker 129
4.6 Anwendungsbeispiele 131
4.6.1 Stellantrieb 131
4.6.2 Tastelement 132
4.6.3 Entwurfsaufgabe Stoßdämpfer 133
4.7 Entwicklungstendenzen 137
5. Aktoren mit magnetorheologischer Flüssigkeit 139
5.1 Physikalischer Effekt 139
5.2 Technische Realisierung 140
5.2.1 Werkstoffe 140
5.2.2 Wirkprinzipien 143
5.2.3 Wandlerentwurf 146
5.3 Messen von MRF-Kenngrößen 150
5.3.1 Rheologische Kenngrößen 150
5.4 Elektronische Leistungsverstärker 153
5.4.1 Analoge Leistungsverstärker 154
5.4.2 Schaltende Leistungsverstärker 155
5.5 Anwendungsbeispiele 156
5.5.1 Bremse 156
5.5.2 Motorlager 157
5.5.3 Spannvorrichtung für Werkstücke 160
5.5.4 Entwurfsaufgabe Kupplung 161
5.6 Vergleich zwischen ERF- und MRF-Aktoren 165
5.7 Entwicklungstendenzen 166
6. Aktoren mit thermischen Formgedächtnis-Legierungen 169
6.1 Physikalischer Effekt 169
6.2 Kommerzielle Formgedächtnis-Legierungen 172
6.3 Aufbau von thermischen FG-Aktoren 175
6.3.1 Aktorkonzepte 175
6.3.2 Beheizung von thermischen FG-Bauteilen 177
6.3.3 Dimensionierung von NiTi-Bauteilen 178
6.4 Anwendungsbeispiele 180
6.4.1 Klappenantrieb 180
6.4.2 Modellbau 181
6.4.3 Stellzylinder für große Lasten 182
6.4.4 AF-/ OIS-Aktor 182
6.5 Entwicklungstendenzen 183
6.6 Vergleich mit direkt konkurrierenden Aktorprinzipien 184
7. Aktoren mit magnetischen Formgedächtnis-Legierungen 189
7.1 Physikalischer Effekt 189
7.2 Kommerzielle Formgedächtnis-Legierungen 191
7.3 Aufbau von magnetischen FG-Aktoren 193
7.3.1 Entstehung der aktorischen Kennlinienverläufe 194
7.3.2 Betriebsarten von MFG-Aktoren 195
7.3.3 Erzeugung orthogonaler Magnetfelder 199
7.3.4 Dynamisches und statisches Verhalten 201
7.4 Messen von Aktor-Kenngrößen 203
7.5 Elektronische Ansteuerung 204
7.6 Anwendungsbeispiele 206
7.6.1 Experimentier-Aktor von AdaptaMat 206
7.6.2 Positionsregelung 207
7.6.3 Multistabiler Aktor 210
7.6.4 Entwurfsablauf 211
7.7 Vergleich zwischen MFG-Aktoren und magnetostriktiven sowie TFG-Aktoren 213
7.8 Entwicklungstendenzen 213
8. Elektrochemische Aktoren 215
8.1 Elektrochemische Reaktionen 215
8.2 Technische Realisierung 216
8.2.1 Nickel-Wasserstoff-Zelle 216
8.2.2 Zink-Luft-Zelle 219
8.3 Anwendungsbeispiele 219
8.4 Entwicklungstendenzen 221
8.5 Vergleich mit direkt konkurrierenden Aktorprinzipien 221
8.5.1 Dehnstoff-Elemente 221
8.5.2 Metallhydrid-Aktoren 223
9. Aktoren mit elektroaktiven Polymeren 225
9.1 Dielektrische Elastomeraktoren 226
9.1.1 Physikalischer Effekt 226
9.1.2 Werkstoffe 228
9.1.3 Aufbau von DE-Aktoren 231
9.1.3.1 Membranaktoren 231
9.1.3.2 Weitere Bauformen 236
9.1.4 Messen von Aktor-Kenngrößen 237
9.1.5 Elektronischer Leistungsverstärker 239
9.1.6 Anwendungsbeispiele 241
9.1.6.1 Experimentier-Aktor von Danfoss 241
9.1.6.2 Laser Speckle Reducer 242
9.1.6.3 Stapelaktor für hohe Frequenzen 244
9.1.6.4 Rechenbeispiel Membranaktor 244
9.1.7 Entwicklungstendenzen 247
9.2 Ionenaktive Polymeraktoren 248
10. Mikroaktoren 251
10.1 Krafterzeugungsprinzipien 251
10.2 Herstellungsverfahren und Werkstoffe 255
10.3 Anwendungsbeispiele 256
10.3.1 Mikrofluidische Komponenten und Systeme 256
10.3.2 Aktoren für mikrooptische Systeme 259
10.3.3 Mikroantriebe und Greifersysteme 260
10.4 Entwicklungstendenzen 263
11. Leistungsverstärker für unkonventionelle Aktoren 265
11.1 Einführung 266
11.1.1 Ein-, Zwei- und Vierquadranten-Betrieb 266
11.1.2 Schaltende, analoge und hybride Leistungsverstärker 268
11.1.3 Vergleich der Schaltungskonzepte 274
11.2 Leistungselektronik für Piezoaktoren und ERF-Aktoren 276
11.2.1 Ansteuerung von Piezoaktoren 276
11.2.2 Ansteuerung von elektrorheologischen Flüssigkeiten 278
11.2.3 Wichtige Kenngrößen für den Verstärkerentwurf 278
11.3 Leistungselektronik für magnetostriktive Aktoren und MRF-Aktoren 280
11.3.1 Ansteuerung von magnetostriktiven und magnetorheologischen Aktoren 281
11.3.2 Wichtige Kenngrößen für den Verstärkerentwurf 282
11.4 Vorgehensweise bei der Auswahl eines Verstärkers 283
12. Self-sensing-Aktoren 285
12.1 Einführung 285
12.2 Operatorbasierte Modellierung von Festkörperaktoren 287
12.2.1 Modellbeschreibung in Gleichungsform 288
12.2.2 Modellbildung in Form von Signalflussplänen 289
12.3 Methoden zur Nutzung des Self-sensing-Effektes 291
12.3.1 Zustandsgrößenbasierte Methode 291
12.3.2 Parameterbasierte Methode 293
12.3.3 Voraussetzungen für die Rekonstruktion der mechanischen Größen 294
12.4 Mess- und Leistungselektronik 295
12.4.1 Messkreis für Spannung und Polarisationsladung 295
12.4.2 Leistungselektronik 296
12.5 Linearisierung der Ausgang-Eingang-Charakteristik 296
12.6 Anwendungsbeispiel: Piezoelektrischer Mikropositionierantrieb 299
Nachwort 303
Literatur 305
Index 317

"Ich vermisse nichts." Prof. Dr. Sabine Lepper, Hochschule Bonn-Rhein-Sieg Sankt Augustin