Magnetostriktiv
Grundeigenschaften
Unter Magnetostriktion versteht man jegliche Änderung der Dimension eines ferromagnetischen Körpers (für die Endanwendung meistens die Länge) durch die Änderung seines magnetischen Zustandes.
Das heisst, liegt bei einem ferromagnetischen Körper ein magnetisches Feld H an, so erfährt dieser aufgrund der Ausrichtung seiner magnetischen Domänen eine Längenausdehnung. Das Terfenol-D ist eine Aluminiumlegierung, die besonders starke magnetostriktive Eigenschaften aufweist.
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Bauformen
Serieprodukte sind zurzeit noch keine auf dem Markt. Diese Aktoren werden erst anwendungsspezifisch in kleinen Mengen hergestellt. Erste konkrete Entwicklungen konzentrieren sich auf Einspritzventile und aktive Schwingungsdämpfer. Die Vorteile gegenüber dem Piezokristall liegen genau bei den Bauformen. Ein magnetostriktiver Aktor mit relativ grosser Längeänderung braucht nicht wie ein Piezoaktor in Stapelbauweise hergestellt zu werden. Dieser besteht aus einem Guss.
Aufbau und Funktionsweise
Für eine praktische Umsetzung (lineare Bewegung) wird zum Beispiel der folgende Aufbau verwendet. Ein Tubus aus ferromagnetischem Material wird mit einer Spule umwickelt. Fliesst durch die Spule ein Strom i, so entsteht das magnetische Feld H, der aufgrund der obigen Erklärung die Längenänderung des Tubus bewirkt.
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Die relative Längenausdehnung dl/l beträgt ca 0.15-0.2%. Magnetostriktive Aktoren werden daher in Anwendungen eingesetzt, bei denen zwar kleine Stellwege, aber grosse Stellkräfte, Dynamik und Positioniergenauigkeit gefragt sind.
Kenngrössen
Kraft [N]:
Steht für die Schubkraft des Aktors. Ein typischer Wert ist 500N.
Erregung [kA/m]:
Mit diesem Wert kann die Auslenkung pro Ampere berechnet werden. Ein typischer Wert ist 50kA/m
Hub [μm]:
Steht für den maximalen Hub des Aktors. Ein typischer Wert ist 50μm
Stromaufnahme [A]:
Ein typischer Wert für die Stromaufnahme ist 2A
Eigenfrequenz [Hz]:
Die Eigenfrequenz sollte wenn möglich vermieden werden. Diese bewegt sich typischerweise oberhalb der 1000Hz.
Ansteuerung
Die Ansteuerung erfolgt durch das Bestromen einer Spule. Daher eignet sich im einfachsten Fall schon eine proportionale Leistungsstufe, die ein Steuersignal (Spannung) verstärkt.
Anwendungsgebiete
Als potentielle Anwendungsgebiete gelten Mikropositionierungen, Linearmotoren, rotatorische Antriebe, Servoventile, Einspritzventile in Fahrzeugen und die aktive Schwingungsdämpfung.
Verbindungsmöglichkeiten magnetostriktiver Aktor
| Sensortyp | Bemerkung zur Kombination |
|---|---|
| Kapazitiv | Kann im Bereich der Drehzahlmessung oder zur Ermittlung einer Endanschlagsfahrt verwendet werden. Für eine direkte lineare Messung muss auf die Nichtlinearität des Sensors geachtet werden. Dieser Sensor eignet sich auch für statische Anwedungen. |
| Induktiv | Kann im Bereich der Drehzahlmessung oder zur Ermittlung einer Endanschlagsfahrt verwendet werden. Für eine direkte lineare Messung muss auf die Nichtlinearität des Sensors geachtet werden. Dieser Sensor eignet sich auch für statische Anwedungen. |
| Magnetostriktiv | Es können Auflösungen bis zu 1um gemessen werden. Typischerweise besitzen magnetostriktive Sensoren lineare Messwege ab von 25mm bis zu 7600mm. |
| Piezo | Bei dynamischen Anwendungen kann der Piezo als Messglied verwendet werden. |
| Potentiometrisch | Einget sich für grosse Hübe gut für lineare Bewegungen als Absolutpositionsgeber. Bei kleinen Auslenkungen wie beim Piezoaktor, kann es zu Auflösungseinbüssungen kommen. Bei rotativen Bewegungen kann der Drehgeber nicht beliebige Umdrehungen in der selben Richtung ausführen. |
| DMS | Nicht geeignet. |
| Fotoelektrisch | Kann sowohl für Drehzahlmessungen, oder auch als linearer absoluter Positionsgeber eingesetzt werden. |
| Ultraschall | Bei akustischen Systemen kann mit einer Aufslösung von 0.3mm gerechnet werden. Für hochdynamische Anwendungen eher nicht geeignet. |
| Magnetisch |
Verbindungsmöglichkeiten magnetostriktiver Aktor
| Controllertyp | Bemerkung zur Kombination |
|---|---|
| ASIC | Kann über eine Leistungselektronik oder Treiber angesteuert werden. |
| SPS | Eher unübliche Kombination. |
| Prozessrechner | Kann über eine Leistungselektronik oder Treiber angesteuert werden. |
| Microcontroller | Kann über eine Leistungselektronik oder Treiber angesteuert werden. |
| Industrie-PC | Kann über eine Leistungselektronik oder Treiber angesteuert werden. |
Verbindungsmöglichkeiten magnetostriktiver Aktor
| Identifikationstyp | Bermerkung zur Kombination |
|---|---|
| Barcode | Zurzeit keine Kombination bekannt |
| 2D-Code | Zurzeit keine Kombination bekannt |
| RFID | Zurzeit keine Kombination bekannt |
| Magnetisch | Zurzeit keine Kombination bekannt |
| Bildverarbeitung | Zurzeit keine Kombination bekannt |
| Elektro-Mechanisch | Zurzeit keine Kombination bekannt |
Verbindungsmöglichkeiten magnetostriktiver Aktor
| Kommunikationstyp | Bemerkung zur Kombination |
|---|---|
| ASI | Kommuniziert in der Regel über den ASI-Bus mit einer SPS. Dabei werden hauptsächlich binäre und durch Erweiterungen auch analoge Werte übertragen. |
| CAN | Mit einer digitalen Schnittstelle können die Daten über einen CAN-Bus weitergeleitet werden. Somit bleiben grosse Kabelbäume erspart. |
| Profibus | Mit einer digitalen Schnittstelle können die Steuerdaten über einen Profibus weitergeleitet werden. Vor allem ürsprünglich analoge Signale können ohne Einflüsse wie Spannungsabfall oder Induzierte Spannungen über weite Distanzen trasportiert werden. |
| Industrial Ethernet / Profinet | Mit dem industrial Ethernet können Steuersignale über grosse Distanzen transportiert werden. Somit können Aktoren ferngesteuert und ferngewartet werden. |