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E-Book

Unkonventionelle Aktoren

Eine Einführung

AutorHartmut Janocha
VerlagDe Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr2013
Seitenanzahl338 Seiten
ISBN9783486756920
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis59,95 EUR

Nach der Beschreibung des Funktionsprinzips der unkonventionellen Aktoren werden deren Vor- und Nachteile mit konkurrierenden Prinzipien verglichen. Ausgewählte kommerzielle Aktorprodukte und Anwendungsbeispiele vermitteln einen Eindruck von ihrem Einsatzpotenzial. Die Messung wichtiger aktorischer Kenngrößen sowie der Aufbau von elektrischen Steuerschaltungen werden ebenso thematisiert wie die grundsätzliche Vorgehensweise beim Aktorentwurf.



Hartmut Janocha, Saarbrücken

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Inhaltsverzeichnis
Vorworte5
1. Einführung15
1.1 Was sind unkonventionelle Aktoren?15
1.2 Aktoren als Systemkomponente16
1.3 Aktoren im Zentrum von Mechatronik, Mikrosystemtechnik und Adaptronik19
1.4 „Intelligente“ und Self-sensing-Aktoren21
1.4.1 „Intelligente“ Festkörperaktoren21
1.4.2 Self-sensing-Festkörperaktoren23
1.5 Entwurf von Aktoren24
1.6 Charakterisierung von Aktoren27
1.6.1 Kenngrößen27
1.6.2 Kenngrößen-Diagramme33
2. Piezoelektrische Aktoren37
2.1 Physikalischer Effekt37
2.2 Piezoelektrische Bauelemente39
2.2.1 Piezoelektrische Werkstoffe39
2.2.2 Piezokeramische Elemente44
2.3 Piezoaktoren mit begrenzter Auslenkung45
2.3.1 Stapelaktoren und Multilayer-Aktoren45
2.3.2 Streifentranslatoren51
2.3.3 Biegewandler51
2.3.4 Komposite-Wandler52
2.3.5 Piezowandler mit Wegübersetzung53
2.4 Aktoren mit unbegrenzter Auslenkung (Piezomotoren)55
2.4.1 Motoren für den quasistatischen Betrieb56
2.4.1.1 Wurm- und Schreitantriebe18
2.4.1.2 Trägheitsantriebe59
2.4.1.3 Piezo Actuator Drive (PADTM)59
2.4.2 Motoren für den resonanten Betrieb (Ultraschallmotoren)61
2.4.2.1 Stehwellen-Motoren62
2.4.2.2 Wanderwellen-Motoren66
2.5 Messen von piezoelektrischen Kenngrößen68
2.6 Steuerelektronik für Piezoantriebe70
2.6.1 Leistungsverstärker71
2.6.2 Linearisierung des Aktor-Übertragungsverhaltens74
2.7 Anwendungsbeispiele75
2.7.1 Positioniertisch75
2.7.2 Dieselinjektor76
2.7.3 Hautscanner77
2.7.4 Entwurfsaufgabe Piezotranslator79
2.8 Entwicklungstendenzen82
3. Magnetostriktive Aktoren85
3.1 Physikalischer Effekt85
3.2 Magnetostriktive Bauelemente86
3.2.1 Werkstoffe86
3.2.2 Magnetostriktive Elemente90
3.3 Magnetostriktive Aktoren mit begrenzter Auslenkung90
3.3.1 Translator91
3.4 Magnetostriktive Aktoren mit unbegrenzter Auslenkung96
3.5 Messen von magnetostriktiven Kenngrößen98
3.6 Elektronischer Leistungsverstärker99
3.7 Anwendungsbeispiele100
3.7.1 Unterwasser-Sonarsystem100
3.7.2 Dynamischer Vibrationsabsorber100
3.7.3 Hybrider Linearmotor102
3.7.4 Entwurfsablauf103
3.8 Vergleich zwischen piezoelektrischen und magnetostriktiven Wandlern108
3.9 Entwicklungstendenzen109
4. Aktoren mit elektrorheologischer Flüssigkeit111
4.1 Einige rheologische Grundlagen111
4.2 Elektrorheologischer Effekt113
4.3 Technische Realisierung115
4.3.1 Werkstoffe115
4.3.2 Wirkprinzipien und Entwurfshinweise120
4.4 Messen von ERF-Kenngrößen124
4.4.1 Rheologische Kenngrößen124
4.4.2 Elektrische Kenngrößen128
4.5 Elektronischer Leistungsverstärker129
4.6 Anwendungsbeispiele131
4.6.1 Stellantrieb131
4.6.2 Tastelement132
4.6.3 Entwurfsaufgabe Stoßdämpfer133
4.7 Entwicklungstendenzen137
5. Aktoren mit magnetorheologischer Flüssigkeit139
5.1 Physikalischer Effekt139
5.2 Technische Realisierung140
5.2.1 Werkstoffe140
5.2.2 Wirkprinzipien143
5.2.3 Wandlerentwurf146
5.3 Messen von MRF-Kenngrößen150
5.3.1 Rheologische Kenngrößen150
5.4 Elektronische Leistungsverstärker153
5.4.1 Analoge Leistungsverstärker154
5.4.2 Schaltende Leistungsverstärker155
5.5 Anwendungsbeispiele156
5.5.1 Bremse156
5.5.2 Motorlager157
5.5.3 Spannvorrichtung für Werkstücke160
5.5.4 Entwurfsaufgabe Kupplung161
5.6 Vergleich zwischen ERF- und MRF-Aktoren165
5.7 Entwicklungstendenzen166
6. Aktoren mit thermischen Formgedächtnis-Legierungen169
6.1 Physikalischer Effekt169
6.2 Kommerzielle Formgedächtnis-Legierungen172
6.3 Aufbau von thermischen FG-Aktoren175
6.3.1 Aktorkonzepte175
6.3.2 Beheizung von thermischen FG-Bauteilen177
6.3.3 Dimensionierung von NiTi-Bauteilen178
6.4 Anwendungsbeispiele180
6.4.1 Klappenantrieb180
6.4.2 Modellbau181
6.4.3 Stellzylinder für große Lasten182
6.4.4 AF-/ OIS-Aktor182
6.5 Entwicklungstendenzen183
6.6 Vergleich mit direkt konkurrierenden Aktorprinzipien184
7. Aktoren mit magnetischen Formgedächtnis-Legierungen189
7.1 Physikalischer Effekt189
7.2 Kommerzielle Formgedächtnis-Legierungen191
7.3 Aufbau von magnetischen FG-Aktoren193
7.3.1 Entstehung der aktorischen Kennlinienverläufe194
7.3.2 Betriebsarten von MFG-Aktoren195
7.3.3 Erzeugung orthogonaler Magnetfelder199
7.3.4 Dynamisches und statisches Verhalten201
7.4 Messen von Aktor-Kenngrößen203
7.5 Elektronische Ansteuerung204
7.6 Anwendungsbeispiele206
7.6.1 Experimentier-Aktor von AdaptaMat206
7.6.2 Positionsregelung207
7.6.3 Multistabiler Aktor210
7.6.4 Entwurfsablauf211
7.7 Vergleich zwischen MFG-Aktoren und magnetostriktiven sowie TFG-Aktoren213
7.8 Entwicklungstendenzen213
8. Elektrochemische Aktoren215
8.1 Elektrochemische Reaktionen215
8.2 Technische Realisierung216
8.2.1 Nickel-Wasserstoff-Zelle216
8.2.2 Zink-Luft-Zelle219
8.3 Anwendungsbeispiele219
8.4 Entwicklungstendenzen221
8.5 Vergleich mit direkt konkurrierenden Aktorprinzipien221
8.5.1 Dehnstoff-Elemente221
8.5.2 Metallhydrid-Aktoren223
9. Aktoren mit elektroaktiven Polymeren225
9.1 Dielektrische Elastomeraktoren226
9.1.1 Physikalischer Effekt226
9.1.2 Werkstoffe228
9.1.3 Aufbau von DE-Aktoren231
9.1.3.1 Membranaktoren231
9.1.3.2 Weitere Bauformen236
9.1.4 Messen von Aktor-Kenngrößen237
9.1.5 Elektronischer Leistungsverstärker239
9.1.6 Anwendungsbeispiele241
9.1.6.1 Experimentier-Aktor von Danfoss241
9.1.6.2 Laser Speckle Reducer242
9.1.6.3 Stapelaktor für hohe Frequenzen244
9.1.6.4 Rechenbeispiel Membranaktor244
9.1.7 Entwicklungstendenzen247
9.2 Ionenaktive Polymeraktoren248
10. Mikroaktoren251
10.1 Krafterzeugungsprinzipien251
10.2 Herstellungsverfahren und Werkstoffe255
10.3 Anwendungsbeispiele256
10.3.1 Mikrofluidische Komponenten und Systeme256
10.3.2 Aktoren für mikrooptische Systeme259
10.3.3 Mikroantriebe und Greifersysteme260
10.4 Entwicklungstendenzen263
11. Leistungsverstärker für unkonventionelle Aktoren265
11.1 Einführung266
11.1.1 Ein-, Zwei- und Vierquadranten-Betrieb266
11.1.2 Schaltende, analoge und hybride Leistungsverstärker268
11.1.3 Vergleich der Schaltungskonzepte274
11.2 Leistungselektronik für Piezoaktoren und ERF-Aktoren276
11.2.1 Ansteuerung von Piezoaktoren276
11.2.2 Ansteuerung von elektrorheologischen Flüssigkeiten278
11.2.3 Wichtige Kenngrößen für den Verstärkerentwurf278
11.3 Leistungselektronik für magnetostriktive Aktoren und MRF-Aktoren280
11.3.1 Ansteuerung von magnetostriktiven und magnetorheologischen Aktoren281
11.3.2 Wichtige Kenngrößen für den Verstärkerentwurf282
11.4 Vorgehensweise bei der Auswahl eines Verstärkers283
12. Self-sensing-Aktoren285
12.1 Einführung285
12.2 Operatorbasierte Modellierung von Festkörperaktoren287
12.2.1 Modellbeschreibung in Gleichungsform288
12.2.2 Modellbildung in Form von Signalflussplänen289
12.3 Methoden zur Nutzung des Self-sensing-Effektes291
12.3.1 Zustandsgrößenbasierte Methode291
12.3.2 Parameterbasierte Methode293
12.3.3 Voraussetzungen für die Rekonstruktion der mechanischen Größen294
12.4 Mess- und Leistungselektronik295
12.4.1 Messkreis für Spannung und Polarisationsladung295
12.4.2 Leistungselektronik296
12.5 Linearisierung der Ausgang-Eingang-Charakteristik296
12.6 Anwendungsbeispiel: Piezoelektrischer Mikropositionierantrieb299
Nachwort303
Literatur305
Index317

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