Experimentelle Untersuchung von Hochvolt FGL-Ansteuerung Paul Motzki (p.motzki@zema.de) Tom Gorges (tom.gorges@gmx.de) Thomas Würtz (tw@imsl.uni-Saarland.de) Stefan Seelecke (stefan.seelecke@imsl.uni-saarland.de) Department of Mechatronics, IMSL Intelligent Materials and Systems Laboratory, Saarland University, Germany Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA), Saarbrücken, Germany Motivation Stand der Technik: FGL-Draht Aktivierung über Joule‘sche Wärme Stromstärken im Bereich 0 – 4 A Notwendigkeit von Elektronik zur Spannungsanpassung Ziele: Verwendung standardisierter Versorgungsspannungen 12 V, 24 V, 48V, 230 V, 400 V, … High-Speed Aktivierung Große Hübe und Kräfte im ms-Bereich „Ballistische“ Aktivierung „künstlicher Hub“ durch extreme Beschleunigung Energieeffizienz Aktivierung unter „adiabaten“ Bedingungen Load cell SMA-wire Micro-adjustment SMA-clamps Compression spring 1 Laser displacement sensor Air bearing Abb. 1: Prüfstand zur Untersuchung der Hochvolt-Ansteuerung High-Speed Aktivierung Ballistische Aktivierung 9 mm Abb. 4: Momentaufnahme der FGL-Aktivierung mit einem HS-Kamerasystem 60 ms Abb. 2: Exemplarische Messung bei 110 V Abb. 5: Synchronisierte Messwerte und HS-Video zur Interpretation der physikalischen Effekte Abb. 3: Exemplarische Messreihe zum Kraft-Weg Verhalten Energieeffizienz Theoretisches Energieminimum bei adiabater Phasentransformation: 𝑈∙𝑖∙𝑡=𝑚∙𝑐∙∆𝑇+ℎ∙𝑚 𝑚=6.58 𝑚𝑔 𝑐=500 𝐽 𝑘𝑔∙𝐾 ∆𝑇=65 𝐾 ℎ=20 𝐽 𝑔 Zeitinterval für adiabate Bedingungen: ∆ 𝑇 0 =∆ 𝑇 0 ∙ 𝑒 − 𝑡 𝜏 𝜏= 𝐶 𝑡ℎ ∙ 𝑅 𝑡ℎ 𝐶 𝑡ℎ =𝑐∙𝑚=3.292 𝑚𝐽 𝐾 𝑅 𝑡ℎ = 1 𝛼∙𝐴 =1861.46 𝐾 𝑊 0.99= 𝑒 − 𝑡 𝜏 Beispiel: 76 µm Draht, 225 mm Länge Druckfeder: 0.056 N/mm Vorspannkraft: 0.67 N Electr. energy Heating to transform. Latent heat Hub [mm] Strom [A] Puls [ms] Energie [J] ratio [%] Datenblatt 10 0.15 (8.25 V) 1300 1.609 100 High-Speed 2.12 (123 V) 1.85 0.482 30 𝜏=6.1275 𝑠 𝑊=0.345 𝐽 𝑡=61.6 𝑚𝑠 Theoretisches Minimum: 0.345 J (21.4 %) Zusammenfassung Schnelle Aktivierungszeiten im ms-Bereich möglich Ballistische Aktivierungsform erzeugt große Hübe (7-8 %) Energie Einsparungen von 70-80 % sind möglich Interessante Alternative bei gegebener Spannungsversorgung