Aktoren

Im modernen Maschinenbau besteht eine Nachfrage nach leistungsstarken, aber kompakten Aktoren (auch: Stellglieder, Aktuatoren, engl.: actuator), den Verbindungsgliedern zwischen Informationsverarbeitung und Arbeitsprozess. Die konsequente Anwendung der Mechatronik forcierte die Verbesserung alter und den Einsatz neuartiger Stellsysteme. Während sich die Forschung ursprünglich auf reine Leistungssteigerung konzentrierte, verschiebt sich der Fokus aktueller Innovationen zunehmend auf kleineren Bauraum und geringere Leistungsaufnahme. 

 

Durch langjährige intensive Forschungstätigkeiten hat der Lehrstuhl für Angewandte Mechanik weitreichende Erfahrungen in folgenden Bereichen der klassischen Aktorik:

•  Magnettechnik 
•  Hydraulik 
•  Formgedächtnisaktorik
•  Piezoaktorik.

Aktuelle Forschungsprojekte beschäftigen sich mit elektromagnetischen Shakern (Bild 1) und hydraulischen Aktoren (Bild 2), die in jeder Hinsicht den Anforderungen der heutigen Industrie Rechnung tragen und Maßstäbe in ihrer Klasse setzen. Die hohe Leistungsfähigkeit in der jeweiligen Aktorklasse drückt sich insbesondere durch kompakte Abmessungen, hohe Stellkräfte und ausgezeichnete dynamische Eigenschaften aus: 

• Elektromagnetischer Linear-Aktor (je nach Baugröße): Hub (2…5) mm, Kraftvektor (1…3) kN, Frequenzbereich DC…200 Hz; 

• Hydraulischer Kurzhub-Aktor: Hub 1 mm, Kraftvektor 6 kN, Frequenzbereich DC…150 Hz.Wesentliches Ziel der gegenwärtigen Forschung ist die Verbesserung der Regelgüte des Gesamtsystems „Aktor, Ansteuerung und Stellobjekt“ unter Berücksichtigung der Betriebssicherheit und der Kosten im Sinne des industriellen Einsatzes. 

 

Jeder Aktor soll vorgegebene Beschleunigungsprofile einwandfrei reproduzieren, um als Anregungssystem z.B. in Komponentenprüfständen genormte Prüfzyklen zu realisieren. Diese Zielsetzung umfasst schwerpunktmäßig folgende Themen:

• Regelungstechnik: Zustandsregler, Kaskadenregelung, Forward-Linearization;
• Ansteuerung und Peripherie: digitale Signalverarbeitung und -darstellung, digitale Leistungsverstärker >1 kW, Sensorik, Servoventile, Hydraulikperipherie.

Weiterführende Forschungsarbeiten behandeln insbesondere magnetische Phänomene. Die Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen (Dauermagnete, Weicheisenlegierungen) schaffen ein enormes Potential zur Nutzung magnetischer Kräfte. Bisher wurden insbesondere die Anziehungskräfte des elektromagnetischen (Reluktanzantriebe, z.B. Transrapid) und elektrodynamischen (Lorentz-Kraft, z.B. Elektromotor) Wirkprinzips ausgenutzt und durch Spulen beeinflusst. Den unumstrittenen Vorteilen solcher Systeme stehen auch Nachteile wie Instabilität und Joule’sche Verluste gegenüber. Deswegen werden folgende Alternativen der oben genannten Effekte für die Anwendung in Aktoren untersucht:

• Spulenlose Magnetaktoren: Steuerung des magnetischen Flusses ohne Spulen;
• Magnetische Abstoßungskräfte: Wirbelstrominduzierte Abstoßung bei schnell-bewegten Objekten (nach Prinzip des Induktionsmotor, d.h. Asynchronmaschine).