VEB - Vollaktuierter elektromagnetischer Biegeaktor für endoskopische Anwendungen

Abbildung 1: Kennwerte des Prototyps von Aktor 4

Ziel dieses Projekts ist ein vollaktuiertes Endoskop, das die gegensätzlichen Anforderungen beim Vorschub (hohe Flexibilität) und beim Arbeiten am Zielort (hohe Steifigkeit) erfüllt. Dazu wird in diesem DFG-Projekt zusammen mit dem Institut für mechatronische Systeme (imes) ein elektromagnetischer Biegeaktor erforscht, der dieses Problem lösen soll. Dieser ist aus bistabilen Kippaktoren aufgebaut, die aus je vier um wenige Grad abgeflachten ferromagnetischen Halbringen bestehen, in deren Nuten Kupferspulen eingelegt sind (Abb. 1).

Die Kennwerte des Prototyps sind in Tab. 1 gezeigt.

Tabelle 1: Kennwerte des Prototyps von Aktor 4

Durch Aneinanderreihung mehrerer Kippaktoren entsteht eine binär aktuierte Biegeaktorkette. Der im Rahmen dieses Projekts aufgebaute Prototyp im vergrößerten Maßstab mit 45 mm Außendurchmesser ist in Abb. 2 zu sehen.

Abbildung 2: Prototyp der Aktorkette

Eine besondere Herausforderung für die Dimensionierung der Leistungselektronik sind die zwei unterschiedlichen Betriebszustände. Das Kippen erfolgt mit einem kurzzeitig sehr hohen Stromimpuls (max. 500 ms) bei Spitzen der Stromdichte von bis zu 500 A/mm2. Der Stromverlauf beim Kippen ist in Abb. 3 für das siebte Aktorelement von oben in hellblau gezeigt. Zum Halten muss der Strom dagegen auf thermisch dauerhaft zulässige Werte reduziert werden.

Abbildung 3: Stromverlauf beim Kippen (hellblau)

Um zusätzliche Verluste durch Wirbelströme zu vermeiden, wurde ein Konzept mit zwei Gleichspannungsquellen (Abb. 4) aufgebaut. Bei diesem werden die kurzzeitigen Kippströme über eine große Kapazität von 400 mF bereitgestellt. Die Funktionsfähigkeit der Aktorkette konnte erfolgreich im Testbetrieb gezeigt werden. Allerdings fiel dabei auf, dass sich die erreichbaren Momente aufgrund von Fertigungstoleranzen und Abnutzungen im Gelenk unter den Aktoren stark unterscheiden. Um diesem Problem zu begegnen, wird zurzeit ein zweiter Prototyp mit verbesserten Gelenken aufgebaut. Zur zusätzlichen Leistungssteigerung werden in diesem die bisher verwendeten Baustahl-Halbringe durch höherwertige Kerne aus Vacoflux 50 ersetzt.

Abbildung 4: Konzept mit zwei Gleichspannungsquellen

Ansprechpartner Leibniz Universität Hannover

Konsortium

Partner der Leibniz Universität Hannover

	Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL)
	Institut für Mechatronische Systeme (IMES)