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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug, auf ein Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung, auf ein entsprechendes Steuergerät und auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) wird in unterschiedlichen Dämpfern, Bremsen und Aktoren eingesetzt. Bremsen auf Basis von MRF basieren in der Regel auf einer oder mehreren Scheiben, die von MRF umgeben und bei Aktivierung der Bremse mit einem magnetischen Feld durchflossen werden. Die MRF wird bei diesem Prinzip auf Scherung belastet und erzeugt ein Haltemoment proportional zum Spulenstrom. Ein entsprechendes mechanisches Konzept mit einem zusätzlichen Permanentmagneten, der ein Grundmoment erzeugt, ist ebenfalls entwickelt. Ein alternatives Wirkprinzip verwendet ein mit MRF geflutetes Tonnenlager sowie verschiedene Ausführungen mit verzahnten Wälzkörpern und eine als Sterngeometrie bezeichnete Konturscheibe. Permanentmagneten in Verbindung mit magnetorheologischem Medium können beispielsweise in Dichtungen verwendet werden, bei denen die Partikel des magnetorheologischen Mediums gegenüber der Umgebung der Stellvorrichtung eine Barriere bilden.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Stell-vorrichtung für ein Fahrzeug, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung und ein verbessertes Steuergerät gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Stellvorrichtung mit verschiedenen Stromstärken betrieben werden kann, wobei die Stromstärken unterschiedliche Widerstandscharakteristiken, insbesondere Widerstandsmomente, für eine Drehbewegung eines Rotors bewirken können.
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Eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug weist einen Rotor, einen Stator, ein magnetorheologisches Medium, zumindest einen Permanentmagneten und zumindest eine Spule auf. Der Rotor ist mit einem Stellelement koppelbar. Der Rotor ist relativ zu dem Stator drehbar gelagert. Das magnetorheologische Medium ist in einem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator angeordnet und ausgebildet, um abhängig von einem auf den Zwischenraum wirkenden Magnetfeld unterschiedliche Zustände einzunehmen, die unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Drehbewegung des Rotors bewirken. Der Permanentmagnet ist ausgebildet, um ein auf den Zwischenraum wirkendes Permanentmagnetfeld mit einem ersten Magnetflusspfad zu erzeugen, welches das magnetorheologische Medium in einen Geringaktivierungszustand versetzt, der eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Die Spule ist an dem Stator angeordnet. Die Spule ist ausgebildet, um abhängig von einer Stromstärke einer Bestromung der Spule ein Spulenmagnetfeld mit dem ersten Magnetflusspfad und/oder einem zweiten Magnetflusspfad zu erzeugen. Das Permanentmagnetfeld und das Spulenmagnetfeld mit dem ersten Magnetflusspfad versetzen das magnetorheologische Medium in einen Mittelaktivierungszustand, der eine mittlere Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Das Permanentmagnetfeld und das Spulenmagnetfeld mit dem ersten Magnetflusspfad und mit dem zweiten Magnetflusspfad versetzen das magnetorheologische Medium in einen Hochaktivierungszustand, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Die mittlere Widerstandscharakteristik liegt zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der hohen Widerstandscharakteristik.
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Bei einer Stellvorrichtung kann es sich um eine Vorrichtung zum Bedienen einer beliebigen Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs handeln. Die Stellvorrichtung kann als eine Bedienvorrichtung oder als eine Betätigungsvorrichtung bzw. ein Aktor ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine solche Bedienvorrichtung von einem Insassen des Fahrzeugs bedient werden. Unter einem Rotor kann ein bewegliches, rotierendes Teil der Vorrichtung verstanden werden. Unter einem Stator kann ein feststehendes, unbewegliches Teil der Vorrichtung verstanden werden. Der Rotor kann außenliegend und der Stator innenliegend angeordnet sein. Bei einem magnetorheologischen Medium kann es sich um ein heterogenes Stoffgemisch von magnetisch polarisierbaren Partikeln handeln, das auch als magnetorheologische Flüssigkeit bezeichnet werden kann. Bei dem magnetorheologischen Medium kann es sich alternativ auch um ein Pulver handeln. Durch Anlegen des äußeren Magnetfelds können viskoelastische oder dynamisch-mechanische Eigenschaften des magnetorheologischen Mediums schnell und reversibel verändert werden. Beim Anlegen eines Magnetfeldes, hervorgerufen durch einen Permanentmagneten und/oder durch das Bestromen einer Spule, verfestigt sich das magnetorheologische Medium. Der Permanentmagnet kann für die Stellvorrichtung optional sein. Der Geringaktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums kann als Zustand verstanden werden, in das Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten mit oder auf einem ersten Magnetflusspfad auf das magnetorheologische Medium wirkt, wobei die Spule unbestromt ist. Der Mittelaktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem das Permanentmagnetfeld und das Spulenmagnetfeld mit oder auf dem ersten Magnetflusspfad auf das magnetorheologische Medium wirkt, wobei die Spule mit einer ersten Stromstärke bestromt ist. Der Hochaktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem das Permanentmagnetfeld und das Spulenmagnetfeld mit oder auf dem ersten Magnetflusspfad und dem zweiten Magnetflusspfad auf das magnetorheologische Medium wirkt, wobei die Spule mit einer zweiten Stromstärke bestromt ist. Die zweite Stromstärke kann betragsmäßig größer als die erste Stromstärke sein. Bei einer geringen Widerstandscharakteristik kann es sich um einen Geringaktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums handeln. Die geringe Widerstandscharakteristik kann durch den Permanentmagneten bewirkt werden, wodurch der Rotor gering drehbar ist. Bei einer mittleren Widerstandscharakteristik kann der Mittelaktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums vorliegen. Die mittlere Widerstandscharakteristik kann durch eine erste Stromstärke bewirkt werden, wodurch der Rotor weniger drehbar ist, als in dem Geringaktivierungszustand. Bei einer hohen Widerstandscharakteristik kann der Hochaktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums vorliegen. Die hohe Widerstandscharakteristik kann durch eine zweite Stromstärke bewirkt werden, wodurch der Rotor noch weniger drehbar ist als in dem Mittelaktivierungszustand bzw. nicht oder kaum drehbar ist. In dem unbestromten Zustand kann der Permanentmagnet ein Permanentmagnetfeld mit oder auf einem ersten Magnetflusspfad bewirken. Bei der ersten Stromstärke kann es sich um eine Bestromung der Spule handeln, die das Spulenmagnetfeld mit oder auf dem ersten Magnetflusspfad erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Mittelaktivierungszustand zu versetzen. Bei der zweiten Stromstärke kann es sich um eine Bestromung der Spule handeln, die das Spulenmagnetfeld mit oder auf dem ersten Magnetflusspfad und mit oder auf dem zweiten Magnetflusspfad erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Hochaktivierungszustand zu versetzen. Unter einem Permanentmagneten kann ein Dauermagnet verstanden werden, der unabhängig von einer Bestromung ein Magnetfeld erzeugen kann. Der Permanentmagnet weist einen Nordpol und einen Südpol auf. Bei magnetischen Nordpolen kann es sich um Gebiete handeln, aus denen Feldlinien austreten. Gebiete, in denen die Feldlinien eintreten, werden als Südpole bezeichnet. Bei der Spule kann es sich um ein elektrisches Bauelement handeln, das Windungen aufweist, um bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Jede Widerstandscharakteristik kann durch ein Bremsmoment oder Widerstandsmoment gegenüber einer Betätigung gekennzeichnet sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz, der auch als MRF-Glockenaktor mit permanenterregtem Grundmoment und verstärktem Maximalmoment bezeichnet werden kann, ermöglicht insbesondere einen kompakten adaptiven Drehsteller mit regelungsoptimierter Drehmoment-Strom-Kennlinie für haptische Anwendungen. Aufgrund eines Sättigungsverhaltens des magnetischen Kreises und der damit einhergehenden Drehmoment-Stromstärke-Kennlinie kann der hier vorgestellte Ansatz für eine Regelung des haptischen Kraftbereichs einen vergrößerten Steuerbereich einer Leistungsregelung bewirken.
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Die Stellvorrichtung kann mindestens einen Begrenzungsabschnitt zum Begrenzen eines magnetischen Flusses auf einem vordefinierten Sättigungswert aufweisen, wobei der erste Magnetflusspfad durch den mindestens einen Begrenzungsabschnitt verlaufen kann. Durch die Begrenzung des magnetischen Flusses und den dadurch bewirkten Verlauf des ersten Magnetflusspfades kann die mittlere Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirken werden. Hat der magnetische Fluss den vordefinierten Sättigungswert erreicht, kann der restliche magnetische Fluss über den zweiten Magnetflusspfad verlaufen und dadurch die hohe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors bewirken. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der magnetische Fluss der Magnetfelder zuverlässig und definiert gelenkt werden kann.
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Jeder Begrenzungsabschnitt kann eine Engstelle aufweisen, an der ein magnetisch leitendes Material relativ zu außerhalb der Engstelle mengenmäßig reduziert sein kann. Die Engstelle im Begrenzungsabschnitt kann durch eine Querschnittsverringerung erzielt werden. Dadurch kann der magnetische Fluss durch den Begrenzungsabschnitt zuverlässig geleitet werden. Anders ausgedrückt kann eine genau definierte magnetische Leitfähigkeit in dem Begrenzungsabschnitt erreicht werden.
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In jedem Begrenzungsabschnitt kann ein magnetisch leitendes Material relativ zu außerhalb des Begrenzungsabschnitts eine verringerte magnetische Leitfähigkeit aufweisen. Der Begrenzungsabschnitt kann durch ein anderes Material verglichen mit außerhalb des Begrenzungsabschnitts oder durch ein im Begrenzungsabschnitt anders als außerhalb behandeltes Material realisiert sein. Dadurch kann der Magnetflusspfad durch den Begrenzungsabschnitt zuverlässig geleitet werden. Somit kann durch eine präzise definierte magnetische Leitfähigkeit in dem Begrenzungsabschnitt der magnetische Fluss zuverlässig gelenkt werden.
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Der mindestens eine Begrenzungsabschnitt kann auch durch eine Wahl einer Wandstärke exakt derart realisiert sein, dass eine vertikale Sättigung im Mantel erreicht wird, um den magnetischen Pfad umzuschalten.
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Jeder Begrenzungsabschnitt kann zwischen einem magnetisch leitenden Führungselement und einem magnetisch nichtleitenden Führungselement der Stellvorrichtung angeordnet sein. Zwischen jedem Führungselement und jedem Begrenzungsabschnitt kann sich ein Teilabschnitt des Zwischenraums mit dem magnetorheologischen Medium erstrecken. Bei den magnetisch leitenden Führungselementen kann es sich um eine innere Hülse und eine äußere Hülse handeln. Bei den magnetisch nichtleitenden Führungselementen kann es sich um ein oberes Lager und ein unteres Lager handeln. Das mindestens eine magnetisch leitende Führungselement und das mindestens eine magnetisch nichtleitende Führungselement können eine Führung oder Lenkung des magnetischen Flusses auf dem ersten Magnetflusspfad und dem zweiten Magnetflusspfad bewirken.
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Der Rotor kann den mindestens einen Begrenzungsabschnitt aufweisen und alternativ oder zusätzlich kann der Rotor aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformt sein. Dies bietet den Vorteil, dass eine Drehbewegung des Rotors mit unterschiedlichen Widerstandscharakteristiken erreicht werden kann.
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Die Stellvorrichtung kann eine Welle aufweisen, die an dem Rotor angeordnet ist, wobei die Welle aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt ist und wobei die Welle mit dem Stellelement gekoppelt und alternativ oder zusätzlich koppelbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass ein Benutzer das Stellelement manuell betätigen kann, beispielsweise durch eine Drehbewegung und dem Benutzer durch die Stellvorrichtung eine präzise haptische oder taktile Rückkopplung vermittelt werden kann. Dabei kann die Welle von dem magnetischen Fluss ausgenommen sein.
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Die Stellvorrichtung kann ausgebildet sein, um den ersten Magnetflusspfad ausgehend von dem Permanentmagneten durch mindestens ein magnetisch leitendes Gehäuseelement, den Zwischenraum, den Rotor, den Zwischenraum und den Stator zurück zu dem Permanentmagneten zu führen. Erreicht werden kann dies durch die Anordnung magnetisch leitender und magnetisch nichtleitender Elemente in der Stellvorrichtung. Bei jedem Sprung über den Zwischenraum kann das magnetorheologische Medium beeinflusst werden. Dies bietet den Vorteil, dass das magnetorheologische Medium auf einfache Weise durch die erste Stromstärke von dem Niedrigaktivierungszustand in den Mittelaktivierungszustand versetzt werden kann.
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Die Stellvorrichtung kann ausgebildet sein, um den zweiten Magnetflusspfad ausgehend von dem Permanentmagneten durch mindestens ein magnetisch leitendes Gehäuseelement, den Zwischenraum, den Rotor, den Zwischenraum, ein erstes magnetisch leitendes Führungselement, den Zwischenraum, den Rotor, den Zwischenraum, ein zweites magnetisch leitendes Führungselement, den Zwischenraum, den Rotor, den Zwischenraum und den Stator zurück zu dem Permanentmagneten zu führen.
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Dies bietet den Vorteil, dass das magnetorheologische Medium in einen Hochaktivierungszustand versetzt werden kann, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirken kann.
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Die Stellvorrichtung kann eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweisen, wobei die Wälzkörper in dem Zwischenraum kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rotor und dem Stator gekoppelt sein können. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bei verhältnismäßig geringem Bauraumbedarf ein hoher Betätigungswiderstand bzw. ein hohes Haltemoment erreicht werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Stellvorrichtung eine Mehrzahl von Vorsprungselementen aufweisen. Die Vorsprungselemente können in dem Zwischenraum an dem Stator und zusätzlich oder alternativ an dem Rotor angeordnet sein. Die Vorsprungselemente können ausgeformt sein, um bei einer Drehbewegung des Rotors relativ zu dem Stator eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium auszuüben. Auf diese Weise kann ein Betätigungswiderstand der Stellvorrichtung in Aktivierungszuständen des magnetorheologischen Mediums weiter erhöht werden.
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Die Stellvorrichtung kann einen Versorgungsanschluss zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben der Spule aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass die Spule mit der ersten Stromstärke und der zweiten Stromstärke zuverlässig bestromt werden kann.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform einer hierin genannten Stellvorrichtung weist einen Schritt des Bestromens der Spule mit der ersten Stromstärke und einen Schritt des Bestromens der Spule mit der zweiten Stromstärke auf. Im Schritt des Bestromens der Spule mit der ersten Stromstärke wird das Spulenmagnetfeld mit dem ersten Magnetflusspfad erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Mittelaktivierungszustand zu versetzen, der die mittlere Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors bewirkt. Im Schritt des Bestromens der Spule mit der zweiten Stromstärke wird das Spulenmagnetfeld mit dem ersten Magnetflusspfad und mit dem zweiten Magnetflusspfad erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Hochaktivierungszustand zu versetzen, der die hohe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors bewirkt.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 ein schematisches Diagramm eines Verlaufs eines Bremsmoments eines Ausführungsbeispiels einer Stellvorrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Stellvorrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Stellvorrichtung 100 für ein Fahrzeug. Die Stellvorrichtung 100 ist beispielsweise dazu ausgebildet, um eine beliebige Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs zu bedienen. Beispielsweise kann die Stellvorrichtung 100 durch einen Insassen des Fahrzeugs manuell betätigt werden, z. B. über ein Stellelement. Die Stellvorrichtung 100 weist einen Rotor 120, einen Stator 125, ein magnetorheologisches Medium 130, einen Permanentmagneten 135 und eine Spule 140 auf. Der Permanentmagnet 135 kann gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel weggelassen sein.
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In 1 ist eine Trennlinie 105 dargestellt, die mittig durch die Stellvorrichtung 100 verläuft und exemplarisch mit der Drehachse des Rotors 120 zusammenfällt. Die Trennlinie 105 fungiert rein zu Veranschaulichungszwecken als Trennung der Stellvorrichtung 100, wobei links der Trennlinie 105 in 1 eine erste Betriebsart mit einer ersten Stromstärke 110 einer Bestromung der Spule 140 dargestellt ist und rechts der Trennlinie 105 in 1 eine zweite Betriebsart mit einer zweiten Stromstärke 115 der Bestromung der Spule 140 dargestellt ist.
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Der Rotor 120 ist aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformt. Der Rotor 120 ist relativ zu dem Stator 125, der auch als Statorkern bezeichnet werden kann, drehbar gelagert. Der Stator 125 ist aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformt. Der Rotor 120 ist außenliegend angeordnet und der Stator 125 ist innenliegend angeordnet. Der Rotor 120 greift in eine Aussparung des Stators 125 ein oder genauer gesagt umgibt der Rotor 120 zumindest partiell den Stator 125 bzw. Statorkern. An dem Rotor 120 ist eine Welle 145 angeordnet, die auch als Rotorwelle bezeichnet werden kann. Die Welle 145 ist ausgebildet, um mit dem Stellelement gekoppelt und/oder koppelbar zu werden. Die Welle 145 ist aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt.
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Das magnetorheologische Medium 130 ist in einem Zwischenraum 150 zwischen Rotor 120 und Stator 125 angeordnet. Das magnetorheologisches Medium 130 ist ausgebildet, um abhängig von einem auf den Zwischenraum 150 wirkenden Magnetfeld unterschiedliche Zustände einzunehmen, die unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Drehbewegung des Rotors 120 bewirken.
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Der Permanentmagnet 135 ist an dem Stator 125 angeordnet. Der Permanentmagnet 135 ist ausgebildet, um ein auf den Zwischenraum 150 wirkendes Permanentmagnetfeld mit oder auf einem ersten Magnetflusspfad 155 zu erzeugen. Das Permanentmagnetfeld versetzt das magnetorheologische Medium 130 in einen Geringaktivierungszustand, der eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors 120 bewirkt. Der Permanentmagnet 135 weist einen Nordpol 160 und einen Südpol 162 auf. Bei magnetischen Nordpolen kann es sich um Gebiete handeln, aus denen Feldlinien austreten. Gebiete, in denen die Feldlinien eintreten, werden als Südpole bezeichnet.
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Die Spule 140 ist an dem Stator 125 angeordnet. Die Spule 140 ist ausgebildet, um abhängig von einer Bestromung der Spule 140 mit einer Stromstärke ein Spulenmagnetfeld mit dem ersten Magnetflusspfad 155 und/oder einem zweiten Magnetflusspfad 168 zu erzeugen. Bei einer Bestromung der Spule 140 mit der ersten Stromstärke 110 versetzen das Permanentmagnetfeld und das Spulenmagnetfeld mit oder auf dem ersten Magnetflusspfad 155 das magnetorheologische Medium 130 in einen Mittelaktivierungszustand. Der Mittelaktivierungszustand bewirkt eine mittlere Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors 120. Bei einer Bestromung der Spule 140 mit der zweiten Stromstärke 115 versetzen das Permanentmagnetfeld und das Spulenmagnetfeld mit oder auf dem ersten Magnetflusspfad 155 und dem zweiten Magnetflusspfad 168 das magnetorheologische Medium 130 in einen Hochaktivierungszustand. Der Hochaktivierungszustand bewirkt eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors 120. Die mittlere Widerstandscharakteristik liegt zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der hohen Widerstandscharakteristik. Die Spule 120 weist einen Versorgungsanschluss auf, der in 1 nicht dargestellt ist. Der Versorgungsanschluss ist ausgebildet, um elektrische Energie zum Bestromen der Spule 120 bereitzustellen.
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Die Stellvorrichtung 100 bzw. gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel genauer gesagt der Rotor 120 weist eine Mehrzahl von Begrenzungsabschnitten 170; 172 zum Begrenzen eines magnetischen Flusses auf einem vordefinierten Sättigungswert auf. Die Begrenzungsabschnitte 170; 172 sind durch eine relativ zu außerhalb derselben reduzierte magnetische Leitfähigkeit gekennzeichnet. Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft der erste Magnetflusspfad 155 durch zwei Begrenzungsabschnitte 170; 172. Übersteigt der gesamte magnetische Fluss der Magnetfelder den vordefinierten Sättigungswert der Begrenzungsabschnitte 170; 172, verläuft der magnetische Fluss zusätzlich teilweise über den zweiten Magnetflusspfad 168.
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Jeder Begrenzungsabschnitt 170, 172 weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Engstelle auf. Die reduzierte magnetische Leitfähigkeit kann je nach Ausführungsbeispiel durch die eine Querschnittsverringerung und/oder durch ein verglichen mit außerhalb des Begrenzungsabschnittes 170, 172 anderes Material und/oder anders behandeltes oder anders ausgeformtes Material erzielt werden. Dadurch kann der magnetische Fluss durch den Begrenzungsabschnitt zuverlässig geleitet bzw. gelenkt werden.
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Jeder Begrenzungsabschnitt 170, 172 ist zwischen einem magnetisch leitenden Führungselement und einem magnetisch nicht leitenden Führungselement der Stellvorrichtung 100 angeordnet. Bei dem magnetisch leitenden Führungselement handelt es sich um eine äußere Hülse 174 und eine innere Hülse 176. Bei dem magnetisch nichtleitenden Führungselement handelt es sich um ein oberes Lager 178, welches auch als Trennstelle bezeichnet werden kann, und ein unteres Lager 180, welches ebenfalls als Trennstelle bezeichnet werden kann. Zwischen jedem Führungselement 174, 176, 178, 180 und jedem Begrenzungsabschnitt 170, 172 erstreckt sich ein Teilabschnitt des Zwischenraumes 150 mit dem magnetorheologischen Medium 130.
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Der erste Magnetflusspfad 155 verläuft ausgehend vom Nordpol 160 des Permanentmagneten 135 durch einen inneren Boden 182 und einen äußeren Boden 184 der Stellvorrichtung 100. Der innere Boden 182 und der äußere Boden 184 sind aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformt und können auch als Gehäuseelement bezeichnet werden. Der erste Magnetflusspfad 155 verläuft anschließend durch den Zwischenraum 150, den Rotor 120, wieder durch den Zwischenraum 150 und den Stator 125 zurück durch den Südpol 162 des Permanentmagneten 135. Der erste Magnetflusspfad 155 verläuft dabei durch die zwei Begrenzungsabschnitte 170, 172 des Rotors 120. Ferner wird der erste Magnetflusspfad 155 durch die Böden 182, 184 des Gehäuseelements zu dem einen Begrenzungsabschnitt 170 geführt. Auf dem Weg vom Gehäuseelement 182, 184 zu dem einen Begrenzungsabschnitt 170 passiert der erste Magnetflusspfad 155 den Zwischenraum 150. In dem Zwischenraum 150 ist das magnetorheologische Medium 130 angeordnet. Anschließend verläuft der erste Magnetflusspfad 155 zu dem zweiten Begrenzungsabschnitt 172. Nachdem der erste Magnetflusspfad 155 den zweiten Begrenzungsabschnitt 172 passiert hat, verläuft der erste Magnetflusspfad 155 erneut durch den Zwischenraum 150, in dem das magnetorheologische Medium 130 angeordnet ist, und anschließend durch den Stator 125 zu dem Permanentmagneten 135. Der erste Magnetflusspfad 155 bewirkt durch den beschriebenen Verlauf zwei mit dem magnetorheologischen Medium 130 gefüllte Wirkbereiche.
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Wird die Spule 140 mit der zweiten Stromstärke 115 bestromt, bewirkt dies einen magnetischen Fluss eines Teils des Spulenmagnetfeldes mit oder auf dem zweiten Magnetflusspfad 168. Der zweite Magnetflusspfad 168 verläuft ausgehend vom Nordpol 160 des Permanentmagneten 135 durch die Böden 182, 184 des Gehäuseelements zu dem Rotor 120. Auf diesem Weg passiert der zweite Magnetflusspfad 168 den Zwischenraum 150, in dem das magnetorheologische Medium 130 angeordnet ist. Von dem Rotor 120 aus verläuft der zweite Magnetflusspfad 168 zu der inneren Hülse 176. Auf dem Weg vom Rotor 120 zu der inneren Hülse 176 verläuft der zweite Magnetflusspfad 168 erneut durch den Zwischenraum 150, in dem das magnetorheologisches Medium 130 angeordnet ist. Anschließend verläuft der zweite Magnetflusspfad 168 von der inneren Hülse 176 wieder zu dem Rotor 120. Hier überquert der zweite Magnetflusspfad 168 wieder den Zwischenraum 150. Vom Rotor 120 aus verläuft der zweite Magnetflusspfad 168 anschließend zu der äußeren Hülse 174. Der zweite Magnetflusspfad 168 verläuft auch hier wieder durch den Zwischenraum 150. Anschließend verläuft der zweite Magnetflusspfad 168 von der äußeren Hülse 174 wieder zu dem Rotor 120. Auch hier durchquert der zweite Magnetflusspfad 168 wieder den Zwischenraum 150. Vom Rotor 120 aus verläuft der zweite Magnetflusspfad 168 zu dem Stator 125, auch hier durchläuft der zweite Magnetflusspfad 168 wieder den Zwischenraum 150. Vom Stator 125 aus verläuft der zweite Magnetflusspfad 168 zum Südpol 162 des Permanentmagneten 135. Der zweite Magnetflusspfad 168 bewirkt durch den beschriebenen Verlauf insgesamt beispielsweise sechs mit dem magnetorheologisches Medium 130 gefüllte Wirkbereiche, eine bei jeder Überquerung des Zwischenraums 150. Dadurch wird das magnetorheologisches Medium 130 in einen Hochaktivierungszustand versetzt. Der Hochaktivierungszustand bewirkt eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors 120. Die Bestromung der Spule 140 mit der zweiten Stromstärke 115 bewirkt den beschriebenen Verlauf des zweiten Magnetflusspfades 168.
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Die Stellvorrichtung 100 weist ein Gehäuse 186 auf. Das Gehäuse 186 ist aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt. Das Gehäuse 186 ist ausgebildet, um ein Austreten des magnetorheologischen Mediums 130 aus dem Zwischenraum 150 in eine Umgebung der Stellvorrichtung 100 zu verhindern. Das Gehäuse 186 weist beispielhaft ein Vorsprungselement auf, welches sich zwischen der äußeren Hülse 174 und dem äußeren Boden 184 erstreckt. Die Welle 145 ragt aus dem Gehäuse 186 heraus. Die Spule 140 ist von einem Spulenträger 164 umgeben und getragen, der magnetisch nichtleitend ist. Der Spulenträger 164 erstreckt sich zwischen dem Stator 125 und dem äußeren Boden 184. An dem Spulenträger sind die innere Hülse 176, das obere Lager 178 und das untere Lager 180 angeordnet. Die innere Hülse 176 ist zwischen dem oberen Lager 178 und dem unteren Lager 180 angeordnet. Zwischen dem Spulenträger 164 und dem äußeren Boden 184 ist ferner eine Steuerhülse 166 angeordnet, die magnetisch leitend ist. Zwischen dem äußeren Boden 184 und dem Spulenträger 165 sowie der Steuerhülse 166 ist ein Steuerspalt 196 angeordnet, der magnetisch nichtleitend ist. Der Permanentmagnet 135 ist zwischen dem Stator 125 bzw. Statorkern und dem inneren Boden 182 angeordnet.
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Die Stellvorrichtung 100 weist beispielhaft ein Wälzlager 188 auf, das an der Welle 145 angeordnet ist. Zwischen dem Wälzlager 188 und dem Rotor 120 ist eine Dichtung 190 angeordnet, die auch als Volumenausgleich bezeichnet werden kann. Die Dichtung 190 erstreckt sich radial von der Welle 145, um den Rotor 120 abzudichten. Das Wälzlager 188 und die Dichtung 190 sind von einem Deckel 192 umgeben. Der Deckel 192 ist aus einem magnetisch nicht leitenden Material ausgeformt.
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Die Stellvorrichtung 100 weist mehrere Dichtelemente 194 auf. Die Dichtelemente 194 sind beispielsweise zwischen dem Gehäuse 186 und dem Spulenträger 164 und/oder zwischen dem Gehäuse 186 und dem äußeren Boden 184 angeordnet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Stellvorrichtung 100 eine Mehrzahl von Wälzkörpern umfassen, die in 1 nicht dargestellt sind. Die Wälzkörper sind in dem Zwischenraum 150 kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rotor 120 und dem Stator 125 gekoppelt.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Stellvorrichtung 100 beispielhaft eine Mehrzahl von Vorsprungselementen aufweisen. Die Vorsprungselemente sind in 1 nicht dargestellt. Die Vorsprungselemente sind in den Zwischenraum 150 angeordnet und an dem Stator 125 und/oder dem Rotor 120 angeordnet oder ausgeformt. Die Vorsprungselemente sind ausgeformt, um bei einer Drehbewegung des Rotors 120 relativ zu dem Stator 125 eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium 130 auszuüben.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verlaufs eines Bremsmoments eines Ausführungsbeispiels einer Stellvorrichtung. Die Stellvorrichtung entspricht oder ähnelt hierbei der Stellvorrichtung aus 1. Die Abszissenachse 200 repräsentiert eine Stromstärke, mit der die Spule der Stellvorrichtung bestimmt wird, in Ampere. Die Ordinatenachse 205 repräsentiert ein Bremsmoment in Newtonmeter. Ein Graph 210 repräsentiert einen Verlauf des Bremsmoments in Abhängigkeit des Spulenstroms.
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In 2 ist auch eine Trennlinie 215 dargestellt. Links der Trennlinie 215 ist der Verlauf des Graphen 210 bei der Bestromung der Spule mit der ersten Stromstärke dargestellt. Rechts der Trennlinie 215 ist der Verlauf des Graphen 210 bei der Bestromung der Spule mit der zweiten Stromstärke dargestellt.
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Die Nullstelle 220 des Graphen 210 liegt im negativen Strombereich. Bei einer Stromstärke von 0 Ampere ist aufgrund des Permanentmagnetfeldes des Permanentmagneten das Bremsmoment größer null.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in 1 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung. Gezeigt ist die Bestromung der Spule 140 der Stellvorrichtung 100 mit einer ersten Stromstärke und einer zweiten Stromstärke.
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Die Stellvorrichtung 100 weist ein Steuergerät 300, einen Versorgungsanschluss 305 und eine Stromregeleinrichtung 310 auf. Ferner sind die Spule 140 und der Permanentmagnet 135 gezeigt. Der Versorgungsanschluss 305 ist ausgebildet, um elektrische Energie einzuspeisen, um die Spule 140 zu betreiben. Die Stromregeleinrichtung 310 ist über den Versorgungsanschluss 305 elektrisch mit der Spule 140 verbunden. Das Steuergerät 300 ist signalübertragungsfähig mit der Stromregeleinrichtung 310 verbunden. Das Steuergerät 300 ist ausgebildet, um ein erstes Steuersignal 315 zum Bewirken der ersten Stromstärke an die Stromregeleinrichtung 310 auszugeben. Das Steuergerät 300 ist außerdem ausgebildet, um ein zweites Steuersignal 320 zum Bewirken der zweiten Stromstärke an die Stromregeleinrichtung 310 auszugeben.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die in 1 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung handeln. Die Stellvor-richtung 100 ist beispielhaft an einem Lenkrad 400 eines Fahrzeugs angeordnet. An dem Rotor der Stellvorrichtung 100 ist beispielhaft das Stellelement 405 starr angeordnet. Das Stellelement 405 ist von einem Insassen des Fahrzeugs manuell durch eine Drehbewegung 410 betätigbar, genauer gesagt drehbar. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiel ist das Stellelement 405 Teil der Stellvorrichtung 100 oder mit der Stellvorrichtung 100 koppelbar.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer Stellvorrichtung. Die Stellvorrichtung entspricht oder ähnelt hierbei der Stellvorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Das Verfahren 500 ist insbesondere mittels des Steuergeräts, der Stromregeleinrichtung und des Versorgungsanschlusses aus 3 ausführbar. Das Verfahren 500 weist einen Schritt 505 des Bestromens der Spule mit einer ersten Stromstärke und einen Schritt 510 des Bestromens der Spule mit einer zweiten Stromstärke auf.
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Im Schritt 505 des Bestromens der Spule mit der ersten Stromstärke wird das Spulenmagnetfeld mit dem ersten Magnetflusspfad erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Mittelaktivierungszustand zu versetzen, der die mittlere Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors bewirkt.
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Im Schritt 510 des Bestromens der Spule mit einer zweiten Stromstärke wird das Spulenmagnetfeld mit dem ersten Magnetflusspfad und mit dem zweiten Magnetflusspfad erzeugt, um das magnetorheologische Medium in einen Hochaktivierungszustand zu versetzen, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt.
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Die Schritte 505, 510 können in beliebiger Reihenfolge und/oder wiederholt ausgeführt wer-den. Bei der Ausführung des Schrittes 505 des Bestromens der Spule mit der ersten Stromstärke befindet sich das magnetorheologische Medium in dem Mittelaktivierungszustand. Bei der Ausführung des Schrittes 510 des Bestromens der Spule mit der zweiten Stromstärke befindet sich das magnetorheologische Medium in dem Hochaktivierungszustand. Wenn die Spulen stromlos geschaltet werden, befindet sich das magnetorheologische Medium in einem Geringaktivierungszustand.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren die bereits genannten Ausführungsbeispiele zusammengefasst kurz erläutert.
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Um eine bestmögliche Regelbarkeit des MRF-Systems zu erreichen, bei gleichzeitiger Reduzierung des Fluidvolumens und Maximierung des erreichbaren Bremsmoments ist ein Scheibenaktor in Glockenbauform vorgesehen.
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Bei dieser Bauform ist ein als Hohlzylinder ausgeführter Rotor 120 in einem senkrechten MRF-Spalt geführt und magnetisch durchflossen. Die MRF-Bremswirkung erfolgt hierbei an den Übergangsstellen des magnetischen Feldes zwischen den statischen Spalträndern und den Oberflächen des zylindrischen Rotors 120.
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Um den Arbeitspunkt des Systems zu verschieben und somit insbesondere geringe Momente exakt regeln zu können, ist über einen Permanentmagneten 135 eine Grundmagnetisierung realisiert. Hierdurch sind zudem die MR-Partikel im Wirkbereich des magnetischen Feldes gehalten und eine Sedimentation ist unterbunden.
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Um bei einem hohen Bremsmoment, beispielsweise einem Endanschlag, zusätzliche Bremsleistung zu generieren, ist die Geometrie des Spaltes und des Rotors 120 derart ausgestaltet, dass sich zwei unterschiedliche Betriebsmodi ausprägen.
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Für geringere magnetische Flüsse schließt der magnetische Kreis radial von der inneren Hülse 176, die auch als innere Spaltoberfläche bezeichnet werden kann, durchläuft den Rotor 120 in senkrechter Richtung und springt vom Rotor 120 auf die äußere Hülse 174, die auch als äußere Spaltoberfläche bezeichnet werden kann.
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Hierbei entstehen zwei mit magnetorheologischem Medium 130 gefüllte Wirkbereiche, die auch als Wirkspalte bezeichnet werden können, zur Bremsmomenterzeugung.
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Ab einem geometrisch definierten magnetischen Fluss wird in senkrechter Flussrichtung des Rotors 120 Sättigung erreicht. Bei einer weiteren Steigerung des magnetischen Flusses überspringen die Feldlinien die gesättigten Rotorbereiche, indem sie über weitere Spaltoberflächen verlaufen, die magnetisch vom Rest des Stators 125 getrennt sind. Hierdurch entstehen zusätzliche mit magnetorheologischem Medium 130 gefüllte Wirkspalte, die zur Bremskrafterzeugung beitragen.
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Die erzeugte Strom/Momenten-Kennlinie, wie sie in 2 dargestellt ist, weißt einen flachen Anfangsbereich auf und einen Knick im höheren Strombereich. Sie verfügt über ein verbleibendes Drehmoment bei 0 Ampere Strom, so dass negative Stromwerte für Drehmoment in 0 Newtonmeter eingestellt werden müssen.
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Der Aktor kann mit einer Ausprägung der Sterngeometrie oder mit Wälzkörpern kombiniert werden, um zusätzliche Leistungssteigerungen zu ermöglichen. Auch kann die Gestaltung des Rotors 120 als Wellenkontur umgesetzt werden. Die Anzahl der Wirkbereiche, die auch als wirksame Spaltflächen bezeichnet werden können, können variieren, in 1 sind maximal 6 Wirkbereiche für den magnetischen Fluss dargestellt.
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Der magnetische Fluss, ab dem der senkrecht durchflossene Rotor 120 in Sättigung gelangt, kann unterschiedlich realisiert werden. Alternativ zu der in 1 dargestellten geometirischen Variante mit eine gezielten Querschnittsverringerung, kann auch ein anderes Fertigungsmaterial verwendet werden, ein Materialverbund oder eine lokalisierte Änderung der Materialeigenschaften.
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Um das beschriebene Prinzip umzusetzen, ist nicht zwingend eine Glockenbauform des Aktors erforderlich, auch andere geometrische Realisierungen des Prinzips beispielsweise mit einer liegenden Scheibe sind realisierbar.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichen
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- 100
- Stellvorrichtung
- 105
- Trennlinie
- 110
- erste Stromstärke
- 115
- zweite Stromstärke
- 120
- Rotor
- 125
- Stator
- 130
- magnetorheologisches Medium
- 135
- Permanentmagnet
- 140
- Spule
- 145
- Welle
- 150
- Zwischenraum
- 155
- erster Magnetflusspfad
- 160
- Nordpol
- 162
- Südpol
- 164
- Spulenträger
- 166
- Steuerhülse
- 168
- zweiter Magnetflusspfad
- 170
- Begrenzungsabschnitt
- 172
- Begrenzungsabschnitt
- 174
- äußere Hülse
- 176
- innere Hülse
- 178
- oberes Lager
- 180
- unteres Lager
- 182
- innerer Boden
- 184
- äußerer Boden
- 186
- Gehäuse
- 188
- Wälzlager
- 190
- Dichtung
- 192
- Deckel
- 194
- Dichtelement
- 196
- Steuerspalt
- 200
- Abszissenachse
- 205
- Ordinatenachse
- 210
- Graph
- 215
- Trennlinie
- 220
- Nullstelle
- 300
- Steuergerät
- 305
- Versorgungsanschluss
- 310
- Stromregeleinrichtung
- 315
- erstes Steuersignal
- 320
- zweites Steuersignal
- 400
- Lenkrad
- 405
- Stellelement
- 410
- Drehbewegung
- 500
- Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung
- 505
- Schritt des Bestromens
- 510
- Schritt des Bestromens