DK177268B1 - Et aktuatorelement til at generere en kraft eller bevægelse - Google Patents

Et aktuatorelement til at generere en kraft eller bevægelse Download PDF

Info

Publication number
DK177268B1
DK177268B1 DKPA201100123A DKPA201100123A DK177268B1 DK 177268 B1 DK177268 B1 DK 177268B1 DK PA201100123 A DKPA201100123 A DK PA201100123A DK PA201100123 A DKPA201100123 A DK PA201100123A DK 177268 B1 DK177268 B1 DK 177268B1
Authority
DK
Denmark
Prior art keywords
rubber
actuator element
actuator
rubber layer
coil spring
Prior art date
Application number
DKPA201100123A
Other languages
English (en)
Inventor
Jan Olsen
Original Assignee
JOLTECH ApS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JOLTECH ApS filed Critical JOLTECH ApS
Priority to DKPA201100123A priority Critical patent/DK177268B1/da
Priority to CN201280010225.4A priority patent/CN103392070B/zh
Priority to US13/984,627 priority patent/US20140086772A1/en
Priority to EP12716207.1A priority patent/EP2678561A1/en
Priority to PCT/DK2012/000017 priority patent/WO2012113398A1/en
Publication of DK201100123A publication Critical patent/DK201100123A/da
Application granted granted Critical
Publication of DK177268B1 publication Critical patent/DK177268B1/da

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F03G7/06143—Wires
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/062—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the activation arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/20—Other positive-displacement pumps
    • F04B19/22—Other positive-displacement pumps of reciprocating-piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F03G7/06146—Torque tubes or torsion bars

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Springs (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Den foreliggende opfindelse vedrører et aktuator element baseret på gummi indstøbt form hukommelse legeringer. Aktuatoren elementet er cylindrisk og er opbygget af koncentrisk strukturer bestående af, i radial rækkefølge inde fra, et cylindrisk hulrum, en spiralfjeder, et gummi lag, en form hukommelse legerings spiral og et gummi lag.

Description

- i - DK 177268 B1
Et aktuatorelement til at generere en kraft eller bevægelse INDLEDNING
5 Den foreliggende opfindelse vedrører et aktuatorelement til at generere en kraft eller bevægelse, hvor elementet omfatter en cylindrisk gummidel, hvori der indgår mindst en spiralfjeder og mindst en formhukommelseslegeringstråd viklet i spiralform. Opfindelsen angår endvidere en aktuator, som indeholder mindst et aktuatorelement.
10 BAGGRUND FOR OPFINDELSEN
Formhukommelseslegeringer bliver i engelsksproget litteratur refereret til med forkortelsen SMA, som står for “Shape Memory Alloys”. I denne ansøgning vil forkortelsen SMA blive brugt for formhukommelseslegeringer. SMA er en gruppe af metallegeringer, der har den egenskab, at de kan ’’huske” en oprindelig form. Det vil sige, de er i 15 stand til at gå tilbage til en forud defineret form, når de bliver opvarmet op over en fasetransformationstemperatur. Denne egenskab fremkommer, fordi der sker et skift i legeringens krystallografiske struktur mellem to faser, en lavtemperaturfase (martensi-tisk) og en højtemperaturfase (austenitisk). Den martensitiske og den austenitiske fase har den samme kemiske sammensætning, men de har to forskellige krystallografiske 20 strukturer. Når en SMA bliver deformeret, når den er i sin martensitiske fase, kan deformationen fjernes igen ved at opvarme SMA’en til den skifter til den austenitiske fase. Opvarmningen fører med andre ord SMA’en tilbage til sin oprindelige form. Denne egenskab kan med fordel udnyttes i designet af aktuatorer og andre indretninger, ved at man ’’programmerer” SMA’en til at ’’huske” en bestemt form i sin austenitiske fase.
25
Til anvendelse i lineære aktuatorer, er SMA kommercielt tilgængeligt i form af en fortrukket martensitisk tråd, som er ’’programmeret” til at huske en kortere længde ved opvarmning. Med andre ord, når tråden opvarmes over overgangstemperaturen, vil tråden transformeres til sin austenitiske fase, hvorved tråden bliver kortere. Under 30 transformationen kan tråden generere en meget stor kraft, når den møder en ekstern - 2 - DK 177268 B1 modstand. Når tråden køles til under overgangstemperaturen, vil der ske en transformation tilbage til den martensitiske fase, hvorved tråden bliver blød. Når tråden under transformationen tilbage er påvirket af en forspændingskraft:, vil den returnere til sin oprindelige længde. Denne forspændingskraft kan for eksempel være frembragt ved 5 hjælp af tyngdekraften, en fjeder, en magnetisk kraft eller en anden SMA tråd.
Aktuatorer baseret på SMA har været anvendt siden 1970’erne i kommercielle produkter. En af de første beskrivelser af sådanne aktuatorer i patentlitteraturen kan ses i US-patent US-3.403.238.1US patent US-7.021.055, US-6.326.707, US-6.574.958, US-10 4.841.730 og US-5.172.551 ses flere eksempler på anordninger, som anvender SMA
som aktuator.
Europæisk patentskrift, EP 0628385, beskriver en protese, som aktiveres ved hjælp af adskillige spiralfjedre fremstillet af et SMA materiale. Spiralfjedrene er indlejret i et 15 massivt elastisk materiale og virker som en slags aktuator.
Der er tre grupper af SMA, som er kommercielt tilgængelige, NiTi-, CuAl- og FeMn-legeringer. NiTi- legeringerne er dominerende på det kommercielle marked på grund af deres store formhukommelseseffekt, samt deres mekaniske og kemiske egenskaber.
20 Forskellen i længden af NiTi SMA tråd, i henholdsvis martensitisk fase og austenitisk fase, kan være op til 8 %, men er typisk 5 %. NiTi SMA tråd er kommercielt tilgængelig med fasetransformationstemperaturer i intervallet fra -100 °C til 110 °C, hvor SMA tråde med transformationstemperaturer på 36 0 C, 70 ° C og 90 ° C er mest anvendt.
25 Formhukommelsen skal ’’programmeres” ind i SMA materialer ved hjælp af en hertil egnet termisk procedure. Proceduren består i at formgive materialet og fastholde materialet i den ønskede form ved hjælp af et fikstur. Materialet fastholdes i fiksturen i den form, det skal have, når det er i den austenitiske fase og varmebehandles så ved en bestemt temperatur og i et bestemt tidsinterval. For NiTi SMA anvendes en temperatur 30 på 500 °C i 5 minutter. NiTi SMA tråd er forholdsvis nem at ’’programmere”, fordi - 3 - DK 177268 B1 programmeringen kan foregå kontinuert, som en delproces i en rørovn, under trækningen af tråden. Selve programmeringen af SMA tråden i sin enkle form vil derfor ikke bidrage væsentligt til prisen på tråden. Hvis formen er lidt mere kompleks, som for eksempel spiralfjeder, er omkostningerne ved den termiske procedure så store, at det i 5 praksis ikke kan svare sig at masseproducere en sådan komponent.
Der er to metoder til at opvarme SMA for derved at aktivere formhukommelseseffekten. Den ene er termisk opvarmning igennem overfladen og den anden er joule opvarmning ved at lede en strøm igennem, for eksempel en SMA tråd.
10 I en aktuator, hvor der anvendes NiTi SMA tråd og hvor aktiveringen af formhukommelseseffekten sker ved joule opvarmning, er udformningen af den elektriske termine-ring af trådenderne, ofte en teknisk udfordring. NiTi tråd lader sig kun meget vanskeligt svejse, andre sammenføjnings metoder som lodning, limning med elektriske leden-15 de lim eller crimpning kan anvendes, men tråden har en tendens til over tid at arbejde sig løs på grund af den store ændring af trådlængden under fasetransformation. Når aktuatorer svigter efter et antal aktiveringer, er en af de typiske årsager hertil, at SMA tråden er knækket ved, eller har revet sig løs fra termineringen.
20 Ved anvendelse af SMA tråd i en aktuator, hvor opvarmningen sker ved joule opvarm ning, opstår det praktiske problem, at det er nødvendigt at afskærme tråden, idet tråden kan blive meget varm, >100 °C, samtidig med at den er strømførende.
BESKRIVELSE AF OPFINDELSEN
25 Det er formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe et aktuatorelement, hvis funktion er baseret på en SMA tråds formhukommelseseffekt og hvor elementets enkle geometriske udformning muliggør en rentabel masseproduktion.
- 4 - DK 177268 B1
Det er yderligere et formål med opfindelsen at tilvejebringe en konstruktion for et ak-tuatorelement, hvor den elektriske terminering af SMA tråden kan foregå på en enkel og pålidelig måde.
5 Det er yderligere et formål med opfindelsen at tilvejebringe en aktuator, hvor SMA tråden er indkapslet, således at det ved normal anvendelse af aktuatoren ikke er muligt for en bruger at komme i termisk eller elektrisk kontakt med SMA tråden.
Dette opnås ifølge opfindelsen ved et aktuatorelement, hvor elementet omfatter en cy-10 lindrisk gummidel, hvori der indgår mindst en spiralfj eder og mindst en formhukommelseslegeringstråd viklet i spiralform, hvor den cylindriske gummidel i sin aksiale retning indeholder et cylindrisk hulrum og hvor spiralfjederen og den spiralviklede hukommelsestråd i aksial retning er placeret uden om det cylindriske hulrum. Aktuator-elementet fremstår som en færdig enhed, der på komponentniveau kan indgå i mekani-15 ske anordninger, hvor den kan udføre en aktiveringsfunktion i form af en lineær bevægelse med en synkron og parallelt hertil genereret kraft.
Aktuatorelementet består af en koncentrisk opbygget cylindrisk struktur, hvor der inderst er et cylindrisk hulrum som er afgrænset af spiralfjederens indre diameter og 20 længde. Uden om spiralfjederen er der støbt et blødt og fleksibelt gummilag, således at spiralfjederen er omstøbt af gummiet. Uden om gummilaget er der viklet en SMA tråd.
Tråden fremstår som en tæt viklet spiral, hvor de enkelte viklinger ikke kommer i berøring med hinanden. Uden om SMA tråden er der støbt et gummilag, som fastholder og indkapsler SMA trådens spiralform. Når SMA tråden bliver opvarmet til op over sin 25 fasetransformationstemperatur, vil den blive 5 % kortere og herved vil diameteren på SMA spiralen blive 5 % mindre. Dette bevirker, at gummilaget mellem SMA spiralen og spiralfjederen vil blive sammenpresset med stor kraft. Spiralfjederen vil modsætte sig en radial sammenpresning, men tillade en udvidelse i den aksiale retning. Dette bevirker samlet, at aktuatorelementet vil udvide sig lineært i aksial retning og samtidig vil 30 være i stand til at generere en stor kraft i aksial retning. Ved at variere forholdet mellem - 5 - DK 177268 B1 diametrene på spiralfjederen og SMA spiralen er det muligt at variere aktuatorelemen-tets egenskaber. Det er således muligt, med de samme ydre dimensioner på aktuator-elementet, at frembringe, en aktuator med en stor udvidelse og en mindre kraft, eller en aktuator med en mindre udvidelse og en stor kraft.
5
Aktuatorelementet har den fordelagtige funktion, at den omformer den anvendte SMA tråds 5 % sammentrækning til en 10 % - 25 % lineær udvidelse i elementets aksiale retning.
10 Yderligere har aktuatorelementet den fordelagtige funktion, at kraften, den kan generere samtidig med sin lineære udvidelse i den aksiale retning, er mangedoblet i forhold til den anvendte SMA tråds maksimale trækkraft.
Yderligere er det en fordel, at aktuatorelementet, på grund af sin enkle geometri og op-15 bygning, vil være nemt at masseproducere på for eksempel en sprøjtestøbemaskine. En sådan sprøjtestøbemaskine vil nemt kunne omstilles til at producere aktuatorelementer i forskellige størrelser og længder.
Ved at bytte om på placeringen af spiralfjederen og SMA spiralen et det muligt at kon-20 struere et aktuatorelement, der trækker sig sammen ved opvarmningen af SMA tråden.
Gummimaterialet, der anvendes til indstøbning af spiralfjederen og SMA spiralen, kan med fordel være silikonegummi eller fluorsilikonegummi. Der findes flere forskellige, kommercielt tilgængelige gummityper med forskellige mekaniske, termiske og elektri-25 ske egenskaber. Det er således muligt at tilpasse et aktuatorelements mekaniske og dynamiske egenskaber til en specifik anvendelse ved at vælge en gummitype med de hertil optimale egenskaber.
Såfremt aktuatorelementet skal aktiveres ved joule opvarmning, det vil sige, at SMA 30 spiralen bliver opvarmet ved, at der løber en strøm igennem tråden, vil det være en for- - 6 - DK 177268 B1 del at anvende to typer af gummi. En blød, elektrisk isolerende gummi til at udføre den mekaniske funktion i aktuatorelementet og en elektrisk ledende gummi til at skabe termineringen til SMA tråden. Den elektrisk ledende gummi indgår i den koncentriske struktur af elementet i form af et tyndvægget rør, hvori SMA spiralen er indstøbt og et 5 tyndvægget rør, hvori spiralfj ederen er indstøbt.
Aktuatorelementer, hvor der indgår en blød elektrisk isolerende gummi og en elektrisk ledende gummi, omfatter en koncentrisk cylindrisk struktur, hvor der inderst er et cylindrisk hulrum, som er afgrænset af spiralfjederens indre diameter og længde. Uden 10 om spiralfjederen er der støbt et elektrisk ledende gummilag, således at spiralfj ederen er omstøbt af gummiet. Uden om det elektrisk ledende gummilag med spiralfjederen er der støbt et blødt, elektrisk isolerende gummilag. Uden om det bløde, elektriske isolerende gummilag er der støbt et elektrisk ledende gummilag, hvori en SMA spiral er indstøbt, således at SMA spiralen er omstøbt af gummiet. Uden om det elektriske le-15 dende gummilag med SMA spiralen er der støbt et blødt, elektrisk isolerende gummilag.
En af fordelene ved at indstøbe SMA spiralen i et elektrisk ledende gummilag er, at hvis der i aktuatorelementets levetid skulle ske et brud på SMA tråden, vil dette kun have 20 minimal indflydelse på aktuatorelementets funktion.
Termineringen til enderne af aktuatorelementet kan med fordel ske ved hjælp af to skiver, hvorimellem aktuatorelementet er indspændt. Den ene skive består af et elektrisk isolerende materiale, hvor der på den ene side er fastgjort to koncentriske kontaktflader 25 af et elektrisk ledende materiale, som for eksempel kobber. De to kontaktflader, er udformet og placeret således, at den inderste flade kun kommer i kontakt med det elektrisk ledende gummilag, hvori spiralfjederen er indstøbt, og den yderste flade kun kommer i kontakt med det elektrisk ledende gummilag, hvori SMA spiralen er indstøbt, når en af enderne på aktuatorelementet presses mod skiven. Den anden skive be-30 står af et elektrisk isolerende materiale, hvor der på den ene side er fastgjort en kontakt- - 7 - DK 177268 B1 flade, som er udformet og placeret således, at de to elektrisk ledende gummilag kommer i elektrisk forbindelse med hinanden, når en af enderne på aktuatorelementet presses mod skiven. Når et således indspændt aktuatorelement skal bringes til aktivering, kan dette ske ved, at der påtrykkes en elektrisk spænding over kontaktfladerne på den 5 første skive. Herved vil der løbe en strøm igennem det elektrisk ledende gummilag, hvori SMA spiralen er indstøbt. SMA tråden vil derved blive opvarmet og gennemgå en fasetransformation. Strømmen vil løbe retur til den første skive via kontaktfladen på den anden skive og det elektrisk ledende gummilag med spiralf)ederen.
10 For at få en fordelagtig funktion fra det elektrisk ledende gummilag, skal gummimaterialets elektriske ledningsevne ligge i intervallet 0.1 S/m til 100 S/m, hvor området omkring 1 S/m vil være mest fordelagtig.
Det er en praktisk fordel, at termineringen til aktuatorelementet kan ske fra den ene 15 ende af elementet.
Yderligere har termineringsmetoden den fordelagtige funktion, at den muliggør sammensætning af en aktuator ved at stakke to eller flere aktuatorelementer i serie mellem to termineringsskiver og derved opnå en samlet, længere lineær bevægelse.
20
Opfindelsen vedrører endvidere en aktuator omfattende mindst et aktuatorelement ifølge opfindelsen, hvor elementet er indspændt mellem to skiver, hvorpå der er anbragt elektriske kontaktflader.
25 Den foreliggende opfindelse kan med fordel anvendes på komponentniveau i forskellige anordninger, som for eksempel: - Som aktuatorelement i en termostat.
Som aktuatorelement i en lineær aktuator, hvor en aktuator, der er sammensat 30 af en eller flere elementer, kan erstatte elektriske spindelaktuatorer, pneumati- - 8 - DK 177268 B1 ske cylindre eller hydrauliske cylindre. Den typiske anvendelse vil være der, hvor der er behov for en stor kraft og en lineær bevægelse på 5% - 25% samt at aktiveringsfrekvensen er mindre end 1 Hz.
- Som aktuator i konsumprodukter, hvor den lave fremstillingspris og nemme 5 implementering er en fordel.
- Som aktuator i håndværktøj, hvor der er behov en stor kraft og den samlede vægt af værktøjet er af betydning. Det kunne være håndværktøj med en klippe-/klemmefunktion eller en trækkefunktion, som for eksempel popnitteværktøjer eller sømpistoler.
10 - I aktuatorer inden for transportområdet, i for eksempel biler, fly og skibe, hvor den lave vægt i forhold til størrelsen af den kraft, aktuatorelementet kan yde, er en fordel.
I aktuatorer inden for robotteknologi.
- Som aktuatorelement til forskellige typer af ventiler.
15
UDFØRLIG BESKRIVELSE AF OPFINDELSEN
Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegninger, som viser 20 Fig. 1 et eksempel på et aktuatorelement i den enkleste udførelse, og hvor der på tegningen er et tværsnit af aktuatorelementet i henholdsvis inaktiveret og aktiveret tilstand;
Fig. 2 et eksempel på et aktuatorelement, hvor SMA tråden er termineret ved hjælp 25 af en elektrisk ledende gummi, og hvor der på tegningen er et tværsnit af ak tuatorelementet, samt et tværsnit af to aktuatorelementer, der er stakket og termineret mellem to skiver.
Fig. 3 et eksempel på en aktuator, hvori der indgår et aktuatorelement; 30 - 9 - DK 177268 B1 I fig. 1 ses et aktuatorelement (1), som består af en rørformet gummidel (4), hvori der er indstøbt en SMA tråd (2) i form af en spiral og en spiralfjeder (3). Når SMA tråden 5 (2) undergår en fasetransformation til austenitisk struktur, vil SMA tråden (2) blive forkortet, hvorved SMA spiralens diameter bliver mindre, hvorved den rørformede gummidel (4) bliver sammenpresset radialt. Dette bevirker, at aktuatorelementet (1) overgår til aktiveret tilstand (5), hvor der sker en tilvækst (6) i den rørformede gummidels (4) længde.
10 I fig. 2 ses et aktuatorelement (1), som består af fire rørformede gummidele (9, 7, 27,8), som er samlet i en koncentrisk struktur. Den koncentriske struktur er opbygget i radial rækkefølge indefra, af en spiralfjeder (3) indstøbt i en elektrisk ledende gummi (8), en rørformet gummidel (27) støbt i en blød gummi, en SMA tråd (2) i spiralform indstøbt 15 i en elektrisk ledende gummi (7) og en rørformet gummidel (9) støbt i en blød gummi.
På figuren ses yderligere to aktuatorelementer (1) af den beskrevne type stakket mellem to skiver (10,11). På bundskiven (11), som består af et elektrisk isolerende materiale, er der på den ene side fastgjort to koncentriske kontaktflader (13,14) af kobber. På topskiven (10), som består af et elektrisk isolerende materiale, er der på den ene side fast-20 gjort en koncentrisk kontaktflade (12) af kobber. Når der påtrykkes en elektrisk spænding over kontaktfladerne (13,14), vil der løbe en strøm fra den yderste kontaktflade (13), igennem SMA tråden (2) og den elektrisk ledende gummi i de to rørformede gummidele (7), til den koncentriske kontaktflade (12) på topskiven (10), og herfra igennem de to spiralfjedre (3) og den elektrisk ledende gummi, hvori de er indstøbt, og 25 herfra retur til den inderste kontaktflade (14) på bundskiven (11).
På fig. 3 ses et eksempel på en aktuator, hvori der indgår et aktuatorelement. Aktuatorelement (1) har en diameter på 50 mm og længde på 100 mm. Elementet (1) indeholder 9,7 m 0 0,5 mm SMA tråd (2) indstøbt i en elektrisk ledende gummi (7), en spiralfjeder 30 (3) fremstillet af 02 mm tråd, i en hård kobberlegering, indstøbt i en elektrisk ledende - 10 - DK 177268 B1 gummi (8) og to rørformede gummidele (27,9) støbt i blød gummi. Et aktuatorelement (1) af denne størrelse og udførelse, er i stand til at generere en lineær bevægelse på 15 mm i aksial retning, og synkront og parallelt hermed en kraft på 2000 N. Aktuatorele-mentet er indspændt mellem en bundskive (11) og en topskive (10), som er fremstillet i 5 glasfiberkompositmaterialet FR4. På den ene side af topskiven (10) er der anbragt en koncentrisk kontaktflade (12) i 0,1 mm kobber, der skaber elektrisk kontakt mellem de to rørformede gummidele (7,8). På den ene side af bundskiven (11) er der anbragt en ydre koncentrisk kontaktflade (14) og en indre koncentrisk kontaktflade (13) i 0,1 mm kobber, som henholdsvis skaber elektrisk kontakt til den rørformede gummidel (7), 10 hvori SMA tråden (2) er indstøbt og den rørformede gummidel (8), hvori spiralfjederen (3) er indstøbt. De to koncentriske kontaktflader (14,13) på bundskiven (11) er elektrisk forbundet til et forbindelseskabel (24).
Kraften og bevægelsen, aktuatorelementet genererer, bliver via bundskiven (11) og top-15 skiven (10), overført til bundpladen (15) og toppladen (16). I midten af bundpladen (15) er der fastgjort et centerrør(17), som næsten rækker hele vejen igennem aktuatorelementet (1), og som har en ydre diameter, der er lidt mindre end den indre diameter på aktuatorelementet (1). I enden af centerrøret (17) er der indvendigt fastgjort et gli-deleje (23), hvori centerstangen (18), der ved hjælp af en bolt (19) er fastgjort til top-20 pladen (16), kan glide frem og tilbage, når aktuatorelementet (1) aktiveres. I enden af centerstangen (18) er der, ved hjælp af en bolt (20), fastspændt et glideleje (21), der kan glide frem og tilbage på indersiden af centerrøret (17), når aktuatorelementet (1) aktiveres. Mellem de to glidelejer (21,23) er der indspændt en forspændingsfjeder (22), der har til opgave at trække aktuatorelementet (1) sammen igen, når det har været aktiveret 25 uden en modkraft. I bundpladen (15) og toppladen (16) er der anbragt et antal huller (25, 26) til montageformål.

Claims (13)

1. Et aktuatorelement (1) til at generere en kraft eller bevægelse, hvor elementet (1) omfatter en cylindrisk gummidel (4), hvori der indgår mindst en spiralfjeder (3) 5 og mindst en formhukommelseslegeringstråd (2) viklet i spiralform, kendetegnet ved, at den cylindriske gummidel (4) i sin aksiale retning indeholder et cylindrisk hulrum, og hvor spiralfjederen (3) og den spiralviklede hukommelsestråd (2) i den aksiale retning er placeret uden om det cylindriske hulrum.
2. Et aktuatorelement (1) i henhold til krav 1, kendetegnet ved, at gummidelen (4) er opbygget af koncentriske strukturer omfattende, i radial rækkefølge indefra, et cylindrisk hulrum, en spiralfjeder (3) indstøbt i gummi (8), et gummilag (27), mindst en formhukommelseslegeringstråd (2) i spiralform indstøbt i gummi (7) og et gummilag (9). 15
3. Et aktuatorelement (1) i henhold til krav 1, kendetegnet ved, at gummidelen (4) er opbygget af koncentriske strukturer omfattende, i radial rækkefølge indefra, et cylindrisk hulrum, mindst en formhukommelseslegeringstråd(2) i spiralform indstøbt i gummi (7), et gummilag (27), en spiralf jeder (3) indstøbt i gummi (8) 20 og et gummilag (9).
4. Et aktuatorelement (1) i henhold til krav 1, kendetegnet ved, at gummidelen (4) er opbygget af koncentriske strukturer omfattende, i radial rækkefølge indefra, et cylindrisk hulrum, mindst en formhukommelseslegeringstråd (2) i spiralform 25 indstøbt i gummi (7), et gummilag (27), en spiralfjeder (3) indstøbt i gummi (8), et yderligere gummilag, mindst en yderligere formhukommelseslegeringstråd (2) i spiralform indstøbt i gummi og et gummilag (9).
5. Et aktuatorelement (1) i henhold til krav 2, 3 eller 4, kendetegnet ved, at det 30 gummilag (7), som formhukommelseslegeringstråden (2) er indstøbt i, er frem stillet af en elektrisk ledende gummi. DK 177268 B1 - 12 -
6. Et aktuatorelement (1) i henhold til krav 2,3,4 eller 5, kendetegnet ved, at det gummilag (8), som spiralfjederen (3) er indstøbt i, er fremstillet af en elektrisk ledende gummi. 5
7. Et aktuatorelement (1) i henhold til krav 5 eller 6, kendetegnet ved, at den elektrisk ledende gummi har en elektrisk ledningsevne, der ligger i intervallet fra 0,1 S/m til 100 S/m.
8. Et aktuatorelement (1) i henhold til krav 1,2,3,4,5,6 eller 7, kendetegnet ved, at formhukommelseslegeringen er en nikkel-titanium (NiTi) legering.
9. En aktuator, kendetegnet ved, at denne omfatter mindst et aktuatorelement (1) i henhold krav 5 eller 6, der er indspændt mellem to skiver (10,11), hvorpå der er 15 anbragt elektriske kontaktflader (12,13,15).
10. En aktuator i henhold til krav 9, kendetegnet ved, at aktuatoren har en central føring omfattende et centerrør (17) og en centerstang (18).
11. En aktuator i henhold til krav 10, kendetegnet ved, at der er fastgjort mindst et glideleje (23) til centerrøret (17).
12. En aktuator i henhold til krav 10, kendetegnet ved, at der er fastgjort mindst et glideleje (21) til centerstangen (18). 25
13. En aktuator i henhold til krav 10, kendetegnet ved, at den centrale føring indeholder mindst en fjeder (22). 30 DK 177268 B1 O) —ΓΓ—^ IrtB lliié!! II ^l!!iW*l«iillrtl ^t i i I u i J] η co m ^ -=3- DK 177268 B1 / CNI / _l_r. CNJ ^ Æ11»I^ '/ N. τ- Ο N. CO T·— ^1 T- ™ nnn\ \ ^ DK 177268 B1 ^lljlplp " i! νΛρΒ " o T- co t— CNJ CNI t— "c- _ LO ^ > Y x- cn ®/Y\® \ \ \ \ \ \n π·ρΦ^π /y\ Mf-4j \\\ i v>
DKPA201100123A 2011-02-23 2011-02-23 Et aktuatorelement til at generere en kraft eller bevægelse DK177268B1 (da)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201100123A DK177268B1 (da) 2011-02-23 2011-02-23 Et aktuatorelement til at generere en kraft eller bevægelse
CN201280010225.4A CN103392070B (zh) 2011-02-23 2012-02-22 致动器元件以及用于产生力和/或运动的致动器
US13/984,627 US20140086772A1 (en) 2011-02-23 2012-02-22 Actuator element and an actuator for generating a force and/or a movement
EP12716207.1A EP2678561A1 (en) 2011-02-23 2012-02-22 An actuator element and an actuator for generating a force and/or a movement
PCT/DK2012/000017 WO2012113398A1 (en) 2011-02-23 2012-02-22 An actuator element and an actuator for generating a force and/or a movement

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201100123A DK177268B1 (da) 2011-02-23 2011-02-23 Et aktuatorelement til at generere en kraft eller bevægelse
DK201100123 2011-02-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DK201100123A DK201100123A (da) 2012-08-24
DK177268B1 true DK177268B1 (da) 2012-09-10

Family

ID=45999509

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DKPA201100123A DK177268B1 (da) 2011-02-23 2011-02-23 Et aktuatorelement til at generere en kraft eller bevægelse

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20140086772A1 (da)
EP (1) EP2678561A1 (da)
CN (1) CN103392070B (da)
DK (1) DK177268B1 (da)
WO (1) WO2012113398A1 (da)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9556858B2 (en) * 2013-06-20 2017-01-31 Simmonds Precision Products, Inc. Rotational actuators
US9611838B2 (en) * 2014-04-08 2017-04-04 Raytheon Company Fracturing shape memory mechanical actuators and systems
CN105370779A (zh) * 2014-08-30 2016-03-02 杨春 一种船用设备减振减噪阻尼器
US10448805B2 (en) 2015-09-28 2019-10-22 Bio-Medical Engineering (HK) Limited Endoscopic systems, devices and methods
US10136799B2 (en) 2015-09-28 2018-11-27 Bio-Medical Engineering (HK) Limited Endoscopic systems, devices, and methods
US10765304B2 (en) 2015-09-28 2020-09-08 Bio-Medical Engineering (HK) Limited Endoscopic systems, devices, and methods for performing in vivo procedures
US9897078B2 (en) 2016-05-24 2018-02-20 The Boeing Company Bi-directional rotary shape memory alloy element actuator assemblies, and systems and methods including the same
CN106151342A (zh) * 2016-07-05 2016-11-23 苏州市虎丘区浒墅关弹簧厂 一种轴承用阻尼减震弹簧
US10428805B2 (en) * 2016-09-14 2019-10-01 The Boeing Company Shape memory alloy actuators with heat transfer structures, actuated assemblies including the shape memory alloy actuators, and methods of manufacturing the same
KR101886361B1 (ko) * 2017-05-26 2018-08-09 주식회사 동운아나텍 액츄에이터 이동감지 소자의 슬레이브 식별정보 설정방법
US10612867B2 (en) 2018-02-21 2020-04-07 The Boeing Company Thermal management systems incorporating shape memory alloy actuators and related methods
CN109811926B (zh) * 2019-02-26 2020-10-27 西安理工大学 一种基于自锁螺纹的形状记忆合金丝阻尼器
IT201900004715A1 (it) * 2019-03-29 2020-09-29 Getters Spa Attuatore lineare comprendente una molla a spirale in lega a memoria di forma funzionante a bassa potenza elettrica
EP3754183B1 (en) 2019-06-17 2022-12-14 Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation & Technology, S.L. Plastic helical strake
US11525438B2 (en) 2019-06-28 2022-12-13 The Boeing Company Shape memory alloy actuators and thermal management systems including the same
US11143170B2 (en) 2019-06-28 2021-10-12 The Boeing Company Shape memory alloy lifting tubes and shape memory alloy actuators including the same
US11168584B2 (en) 2019-06-28 2021-11-09 The Boeing Company Thermal management system using shape memory alloy actuator
CN112610435B (zh) * 2020-12-18 2022-04-19 深圳职业技术学院 基于记忆合金丝驱动的柱状驱动器及其方法
CN119508425B (zh) * 2024-11-12 2025-11-28 珠海格力电器股份有限公司 一种吸振装置、压缩机及方法

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3403238A (en) 1966-04-05 1968-09-24 Navy Usa Conversion of heat energy to mechanical energy
US3613732A (en) * 1969-07-17 1971-10-19 Robertshaw Controls Co Temperature-responsive valve operators
US4553393A (en) * 1983-08-26 1985-11-19 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Memory metal actuator
US4524343A (en) * 1984-01-13 1985-06-18 Raychem Corporation Self-regulated actuator
US4840346A (en) * 1985-04-11 1989-06-20 Memory Metals, Inc. Apparatus for sealing a well blowout
US4790624A (en) * 1986-10-31 1988-12-13 Identechs Corporation Method and apparatus for spatially orienting movable members using shape memory effect alloy actuator
US4841730A (en) 1987-07-02 1989-06-27 Pda Engineering Thermal actuator
US4811564A (en) * 1988-01-11 1989-03-14 Palmer Mark D Double action spring actuator
JP3068638B2 (ja) 1990-09-26 2000-07-24 アイシン精機株式会社 熱操作によるアクチュエータ
DE4200553C2 (de) * 1992-01-11 1995-02-09 Daimler Benz Ag Federkern für Polster
JPH06159250A (ja) * 1992-11-19 1994-06-07 Tokin Corp マイクロポンプ
US5556370A (en) * 1993-07-28 1996-09-17 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Electrically activated multi-jointed manipulator
US5577992A (en) * 1993-10-05 1996-11-26 Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha Bendable portion of endoscope
US6425343B1 (en) * 1998-04-28 2002-07-30 Jeffrey W. Akers Shape memory alloy thermal exposure monitor
JP4096325B2 (ja) * 1998-12-14 2008-06-04 正喜 江刺 能動細管及びその製造方法
ATE344388T1 (de) 1999-08-12 2006-11-15 Perihelian Llc Antrieb aus einer formgedächtnislegierung und verfahren zur steuerung
US6326707B1 (en) 2000-05-08 2001-12-04 Mark A. Gummin Shape memory alloy actuator
US6832477B2 (en) 2000-05-08 2004-12-21 Mark A Gummin Shape memory alloy actuator
US7011507B2 (en) * 2002-06-04 2006-03-14 Seiko Epson Corporation Positive displacement pump with a combined inertance value of the inlet flow path smaller than that of the outlet flow path
AU2003245873A1 (en) * 2002-07-24 2004-02-09 M 2 Medical A/S Shape memory alloy actuator
CA2557325A1 (en) * 2003-02-24 2004-09-10 Mark Banister Pulse activated actuator pump system
US7299630B2 (en) * 2004-03-12 2007-11-27 Gm Global Technology Operations, Inc. Positioning and locking mechanisms and articles that employ the same
CN101208515A (zh) * 2005-03-28 2008-06-25 因苏雷特公司 流体输送设备
US8187758B2 (en) * 2005-08-11 2012-05-29 Ardica Technologies Inc. Fuel cell apparatus with a split pump
US8776515B2 (en) * 2011-10-25 2014-07-15 GM Global Technology Operations LLC Pumping assembly using active materials

Also Published As

Publication number Publication date
EP2678561A1 (en) 2014-01-01
US20140086772A1 (en) 2014-03-27
WO2012113398A1 (en) 2012-08-30
CN103392070A (zh) 2013-11-13
DK201100123A (da) 2012-08-24
CN103392070B (zh) 2016-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103392070B (zh) 致动器元件以及用于产生力和/或运动的致动器
US9759203B2 (en) Integrated spring and induction coil for shape-memory alloy (SMA) apparatus
AU657900B2 (en) Hydraulic shape memory material force converter
US9790930B2 (en) Memory alloy-actuated apparatus
JP6636536B2 (ja) エネルギー回収デバイスにおけるワイヤ要素配置
CN104047820B (zh) 一种混合驱动式形状记忆合金直线驱动装置
CN108916312A (zh) 一种基于pid控制的形状记忆合金智能减震支座
CN106141987A (zh) 一种基于记忆合金丝的拔销器
US10273943B2 (en) Heat sensitive actuator device
Singh et al. Development of non-linear models to evaluate the NiTi SMA spring actuator
Saharan et al. A novel design of thermostat based on fishing line muscles
CN108666182A (zh) 一种摆动式记忆合金重合闸
CN205047379U (zh) 一种形状记忆合金作动器
Zanotti et al. Response of NiTi SMA wire electrically heated.
CN110918840A (zh) 一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法
WO2009042306A1 (en) Shape memory alloy and actuator
JPH07167037A (ja) 形状記憶合金アクチュエータ
Paciotti et al. Development and testing of a bi-stable actuator based on a high transition temperature shape memory alloy
KR102573724B1 (ko) 낮은 전력에서 작동하는 형상 기억 합금 코일 스프링을 포함하는 선형 작동기
JPH0254823A (ja) 電気機械継電器
KR101844959B1 (ko) 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법
US20150152853A1 (en) Winding actuator made of shape memory material
Pequegnat et al. Dynamic actuation of a multiple memory material processed nitinol linear actuator
JPS59120791A (ja) 形状記憶合金よりなる駆動体の加熱方法
UA17994U (en) Thermo-drive of pipeline valve

Legal Events

Date Code Title Description
PBP Patent lapsed

Effective date: 20240223