Aktoren und Sensoren für mechatronische Systeme

Frontmatter

Kapitel 1. Grundlagen mechatronischer Systeme

Zusammenfassung

Mechatronische Systeme kombinieren die Schlüsseltechnologien der Elektrotechnik und Informationsverarbeitung mit der Ingenieursdomäne des mechanischen Maschinenbaus. Die synergetische Integration der Teildomänen wird in diesem Kapitel vorgestellt.

Alexander Czechowicz

Kapitel 2. Komponenten der mechatronischen Grundstruktur

Zusammenfassung

In Kap. 1 wurde die mechatronische Grundstruktur vorgestellt. Im Folgenden werden die Funktionen der Bestandteile der Grundstruktur näher erläutert.

Alexander Czechowicz

Kapitel 3. Grundlagen der Modellbildung und Regelung mechatronischer Systeme

Zusammenfassung

Modelle dienen dazu, die Eigenschaften und Struktur von technischen Systemen und Prozessen zu beschreiben. Besonders bei mechatronischen Systemen ist es sinnvoll während einer Produktentwicklung eine Modellbildung vorzunehmen, um die ineinander verzahnten Komponenten der mechatronischen Grundstruktur zunächst einzeln, danach im Verbund, auslegen zu können. Es ist zu berücksichtigen, dass Modelle jedoch nie ein vollständiges Abbild der realen Systeme oder Prozesse darstellen.

Alexander Czechowicz

Kapitel 4. Elektromagnetische Aktoren

Zusammenfassung

Die bekanntesten elektromagnetischen Aktoren sind linear und rotatorisch arbeitende Elektromagnete, im Englischen auch Solenoid genannt. Sie werden als Aktoren mit endlichem Stellweg zum Beispiel für Entriegelungsvorgänge als auch für Komponenten für hydraulische Steller – also magnetische Ventile – flächendeckend eingesetzt. Die kleinsten Elektromagnete können nur wenige Gramm schwer sein, während große Elektromagneten von über 20 kg Eigengewicht beispielsweise schnellschaltende Notbremssysteme im Anlagen- und Gebäudetechnik sicherstellen.

Alexander Czechowicz

Kapitel 5. Elektromotorische Aktoren mit kontinuierlicher Bewegung

Zusammenfassung

Elektrodynamische Aktoren mit kontinuierlicher Bewegung werden zumeist als Elektromotoren bezeichnet. Sie bestehen aus einem Grundkörper dem Stator (auch Ständer genannt) und einem linear rotatorisch gelagertem beweglichen Körper, dem Rotor (auch Läufer oder Anker genannt). Bei Bestromung setzt sich der Rotor in Bewegung und dreht sich um seine eigene Längsachse. Elektromotoren werden in unterschiedlichsten Branchen und Applikationen eingesetzt und stellen ein enorm breites Spektrum an Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen dem Markt zur Verfügung.

Alexander Czechowicz

Kapitel 6. Elektromotorische Positionieraktoren

Zusammenfassung

Das folgende Kapitel fasst elektrodynamische Antriebe im Hinblick auf gesteuerte und geregelte Positionieraufgaben zusammen. Daher behandelt es keine physikalischen Grundlagen, sondern Erläuterungen der technischen Umsetzung unterschiedlicher Aktoraufbauten. Im ersten Teil des Kapitels werden daher die beiden dominierenden Konzepte elektrodynamischer Aktoren, also Schrittmotoren und Servomotoren, vorgestellt und anschließend in detaillierten Ausführungen und Anwendungsbeispielen näher erläutert.

Alexander Czechowicz

Kapitel 7. Elektrostatische Aktoren

Zusammenfassung

Bewegungen, Deformationen und Kräfte können in kleinsten Dimensionen durch elektrostatische Wandler realisiert werden. Diese Wandlerprinzipien nutzen elektrische Energien eines elektrostatischen Feldes zwischen zwei leitenden Komponenten (Elektroden), um eine Verschiebung mindestens einer beweglichen Komponente, oftmals eine der genutzten Elektroden, zu bewirken. Der elektrostatische Effekt wird hauptsächlich in Aktoren der Mikrosystemtechnik, sogenannten Micro-Electro-Mechanical-Systems (kurz: MEMS) genutzt.

Alexander Czechowicz

Kapitel 8. Fluidische Aktoren

Zusammenfassung

Fluidische Aktoren spielen eine bedeutende Rolle im Bereich der Mechatronik, da kraftvolle lineare und rotative Stellbewegungen auf vergleichsweise kleinem Bauraum an der Wirkstelle des Aktors realisiert werden können. Die als pneumatisch oder hydraulisch arbeitenden Aktoren tragen wesentlich zur Realisierung der gewünschten mechanischen Funktionen in mechatronischen Systemen bei, auch wenn das Wandlerprinzip keine direkte Wandlung elektrischer Energien in mechanische Energie ermöglicht. Entsprechend der Definitionen aus Kap. 2 wird zunächst elektrische Energie dazu genutzt, das aktorische Fluid im sogenannten generatorischen des Aktors bereitzustellen.

Alexander Czechowicz

Kapitel 9. Dehnstoffaktoren

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden Dehnstoffaktoren vorgestellt, die über elektrische Heizelemente eine thermisch induzierte Zustandsänderung erfahren und hierdurch einen Stellweg bzw. eine Stellkraft erzeugen. Dehnstoffaktoren, auch bekannt als Expansions- oder Wachselemente, nutzen unterschiedliche Ausdehnungseffekte des temperatursensitiven Materials, weswegen sie zu den stoffmechanischen Aktoren zugeordnet werden können.

Alexander Czechowicz

Kapitel 10. Piezoelektrische Aktoren

Zusammenfassung

Piezoelektrische Aktoren gehören zu der Gruppe stoffmechanischer Wandler. Der Piezoelektrische Effekt beschreibt die Wandlung einer mechanischen Verformung in eine elektrische Energie. Dieser Effekt ist reversibel, daher kann ein piezoelektrisches Material bei Beaufschlagung mit einem elektrischen Feld die eingesetzte elektrische Energie in mechanische Energie wandeln.

Alexander Czechowicz

Kapitel 11. Formgedächtnisaktoren

Zusammenfassung

Die kontinuierliche Fortentwicklung mechatronischer Systeme setzt gleichzeitig eine konsequente Miniaturisierung mechanischer, elektrischer und informationstechnischer Komponenten voraus. Daher haben sich in den letzten Jahren Aktoren auf Basis des Formgedächtniseffektes in beachtlichen industriellen Serien durchgesetzt. Besonders die Kombination der Miniaturisierung bei gleichzeitig hoher mechanischer Leistung, integrierter Funktionalität sowie vergleichsweise einem wirtschaftlich hohem Einsparpotential werden in Automobilkomponenten, Haushaltsgeräten oder feinoptischen Systemen eingesetzt.

Alexander Czechowicz

Kapitel 12. Neuartige Aktoren

Zusammenfassung

Dieses Kapitel fasst in kurzen Übersichten weitere Wandlerprinzipien auf Basis neuartiger stoffmechanischer Wandler zusammen. Diese Wandler zeigen ein hohes zukünftiges Anwendungspotential, das zurzeit in der Forschung für Applikationen erschlossen wird. Erste Serienanwendungen untermauern die zukünftige Bedeutung dieser Aktoren.

Alexander Czechowicz

Kapitel 13. Resistive Sensoren

Zusammenfassung

Die in diesem Kapitel betrachteten resistiven Sensoren nutzen als Wandlereffekt eine Änderung des elektrischen Widerstandes als Reaktion auf äußere mechanische, magnetische, optische und thermische Stimulanzen. Einfachste resistive Sensoren auf Basis mechanischer Kontakte bzw. Widerstände von Kontaktbahnen, sowie Effekte der Widerstandsänderung aufgrund der Verformung des resistiven Materials erfassen direkt mechanische Eingangsgrößen.

Alexander Czechowicz

Kapitel 14. Kapazitive Sensoren

Zusammenfassung

Kapazitive Sensoren werden in mechatronischen Systemen zur Detektion mechanischer Eingangsgrößen wie diskreter Positionen (Grenzwert- bzw. Näherungsschalter), mechanischer Lasten bzw. Drücke und mechanischer Beschleunigungen angewendet.

Alexander Czechowicz

Kapitel 15. Elektromagnetische Sensoren

Zusammenfassung

Elektromagnetische Wandler in Sensoren werden zumeist zur Detektion mechanischer Größen über Änderungen im elektromagnetischen Kreis genutzt. Da elektromagnetische Felder berührungslos übertragen werden, zeichnen sich diese Sensoren durch eine hohe Robustheit gegenüber Umgebungsbedingungen aus, da sie ohne bewegliche Sensorkomponenten genutzt werden. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch besonders hohe Robustheit gegenüber Verschmutzungen (z. B. durch Öle oder nicht elektrisch leitfähige Partikel) aus.

Alexander Czechowicz

Kapitel 16. Magnetfeldsensoren

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden Wandlerprinzipien vorgestellt, die eine Wandlung einer magnetischen Eingangsgröße, sei sie permanentmagnetisch oder elektromagnetisch erzeugt, in eine elektrische Ausgangsgröße vollführen. Eine mechanische Kopplung oder Modulation des Magnetfeldes kann über eine Auswertungslogik in einer nachfolgenden Informationsverarbeitung in einem mechatronischen System erfolgen. Die ausgewählten Wandlerprinzipien lassen sich nicht den bislang vorgestellten Wandlerkategorien unmittelbar zuordnen, weswegen sie hier gesammelt kurz vorgestellt werden.

Alexander Czechowicz

Kapitel 17. Fotoelektrische Sensoren

Zusammenfassung

Fotoelektrische Sensoren bestehen zumeist aus der Kombination eines Lichtsenders (Emitter), einer optischen Strecke und einem optisch-elektrischem Wandler (Empfänger). Im Folgenden werden Fotodioden als fotoelektrische Wandler vorgestellt. Dabei handelt es sich um Dioden, die elektrische Signale in Abhängigkeit der einfallenden Lichtenergie ausgeben. Aktive Fotoelemente, die ein elektrisches Signal aus Lichtenergie generieren, zeigen einen vergleichbaren Grundaufbau.

Alexander Czechowicz

Kapitel 18. Aktive monolithische Sensoren

Zusammenfassung

Wandler, die ein elektrisches Signal in Abhängigkeit einer externen nicht-elektrischen Stimulation generieren, werden in die Gruppe der aktiven Sensoren eingeordnet. Darunter kann beispielsweise ein induktiv arbeitender Wandler verstanden werden, der aus einer Bewegung eines Permanentmagneten eine elektrische Spannung induziert. In diesem Kapitel wird der Fokus auf aktive monolithische Wandler bzw. Sensoren gelegt, die nicht in einzelne bewegliche Komponenten geteilt werden.

Alexander Czechowicz

Kapitel 19. Modellierungsbeispiele mechatronischer Aktor- und Sensorsysteme

Zusammenfassung

Die Auslegung von Aktor- und Sensorsystemen für mechatronische Systeme setzt neben dem prinzipiellen Verständnis der Wandlerkomponenten auch die Einschätzung dessen Zusammenspiels mit weiteren Aktorbestandteilen, z. B. Umformern, voraus. Im folgenden Kapitel wird die Modellbildung ausgewählter Beispiele von Aktor- und Sensoranwendungen diskutiert.

Alexander Czechowicz

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