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 |