Aktive Gewichtskraftkompensation durch Nutzung der Multistabilität von magnetischen Formgedächtnislegierungen

Durch den geschickten Einsatz von magnetischen Formgedächtnislegierungen (MSM) wird eine aktiv stufenlos verstellbare und praktisch partikelfreie Gewichtskraftkompensation für Positionieranwendungen möglich.

Die Formänderung von MSM wird durch den Einsatz von magnetischen Feldern erreicht und beruht auf Festkörpereffekten, was sie im Vergleich zu klassischen Aktoren sehr langlebig macht und gleichzeitig verschleißarm arbeiten lässt. Durch die innerhalb des Gefüges auftretende Reibung kann jeder Zustand energielos gehalten werden – sie können in der richtigen Konfiguration als Einstellelement sowie auch als verschleißfreie Bremse dienen.

In magnetischen Linearantrieben bzw. Positioniersystemen kommen leistungsstarke Magnetsysteme zum Einsatz, um Gewichtskräfte von zu positionierenden Objekten auszugleichen. Diese sind i.d.R. fest im Raum angeordnet, was die Flexibilität eines solchen Systems stark einschränkt. Um bewegliche Objekte – also verschiedene Positionen oder auch wechselnde Gewichtskräfte kompensieren zu können, standen bisher nur Systeme mit mechanischem Verschleiß und einer damit verbundenen Partikelfreisetzung zur Verfügung.

Am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik der Universität Stuttgart wurde nun ein System entwickelt, das die Eigenschaften von MSM zur Gewichtskraftkompensation in Positionieranwendungen nutzt.
Durch die interne Haltekraft des MSM Elementes kann dieses auf verschiedene Längen (Dehnungen) eingestellt werden. Somit ist es möglich, z. B. den Abstand zwischen einem Permanentmagneten und einem ferromagnetischen Objekt partikelfrei einzustellen. Um diesen Effekt für die Gewichtskraftkompensation zu nutzen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. In einem möglichen Setup werden zwei solcher MSM-Elemente (C, siehe Bild) antagonistisch über zwei Aktorspulen (D) betrieben. Durch die stufenlose Einstellmöglichkeit beider MSM-Elemente durch ein per Bestromung der Spulen erzeugtes, magnetisches Feld, kann eine beliebige Position angefahren und leistungslos gehalten werden. An diese Aktor-Einheit ist ein weiteres magnetisches Element (E) über eine Hebelage gekoppelt (bspw. Ferro- oder Permanentmagnet), das dadurch berührungslos und in Abhängigkeit des Kompensationsobjektes (G) positioniert werden kann. Die hier gezeigte Variante ist nur eine von vielen möglichen Setups, die diverse Vorteile im Vergleich zu bisher verfügbaren Lösungen bieten.

• stufenlos verstellbar
• keine dauerhafte Energiezufuhr notwendig, leistungsloses Halten
• kaum mechanischer Kontakt zwischen Komponenten
• partikelarmer Betrieb – für Reinräume geeignet

Die praktisch abriebsfreien Systeme eignen sich insbesondere für staubempfindliche Einsatzorte wie Reinräume. Das System eignet sich bspw. auch zur Führung von Lineardirektantrieben.

Raab, M.: Gewichtskraftkompensierte Feinwerktechnische Magnet­schwebeantriebe bei variierenden Lasten, Dissertation 2019, Universität Stuttgart

M. Raab, M. Hutter, A. Kazi, B. Gundelsweiler and W. Schinkoethe, "Magnetically Levitated Linear Drive Using an Active Gravity Compensation based on Hybrid Shape Memory Actuators", in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics;
https://doi.org/10.1109/TMECH.2020.3019369