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Integrierte dielektrische Elastomerwandler für aktive Schwingungsdämpfung

Karsten, Roman :
Integrierte dielektrische Elastomerwandler für aktive Schwingungsdämpfung.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Integrierte dielektrische Elastomerwandler für aktive Schwingungsdämpfung
Language: German
Abstract:

Dielektrische Elastomere sind adaptive Materialsysteme, welche als Aktoren, Sensoren oder als Generatoren eingesetzt werden können. Ein dielektrischer Elastomeraktor ist wie ein nachgiebiger Kondensator aufgebaut. Er besteht aus zwei elastischen Elektroden. Dazwischen befindet sich ein weiches Elastomer, welches als Dielektrikum und Rückstellfeder dient. Eine angelegte elektrische Spannung bewirkt die Ausbildung des elektrostatischen Drucks auf die Elektroden, wodurch sich der Aktor zusammenzieht und aufgrund der Volumenkonstanz des Elastomers sich gleichzeitig lateral ausdehnt. Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen wurde ein vollautomatisierter Prozess für die Herstellung von Stapelaktoren entwickelt. Diese Multilayer-Technologie ermöglicht eine Erhöhung der longitudinalen Auslenkung des Aktors bei gleichbleibender elektrischer Spannung. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einsatz der dielektrischen Elastomerstapelaktoren (DESA) für die aktive Schwingungsunterdrückung erforscht. Dafür wird eine neuartige Geometrie des Lagerelementes entworfen, welche die Grundform eines pneumatischen Lagerelements übernimmt. Der DESA ist nur am Rand mit einer hohlen Halterung befestigt, im Inneren ist Luft eingeschlossen. Dank dieser Geometrie kann sich ein DESA ungehindert lateral ausdehnen und dadurch einen hohen vertikalen Hub erzeugen, was insbesondere für die Schwingungskompensation im unteren Frequenzbereich wichtig ist. Die Geometrie des Lagerelements wird mit ANSYS FEM-Software optimiert und der Einfluss einzelner Parameter analysiert. Die entwickelten Lagerelemente werden in eine aktive Dämpfungsmatte zusammengefasst. Sie besteht aus 5 DESA und ihre Abmessungen betragen 140 x 140 x 20 mm3. Die aufgebaute aktive Dämpfungsmatte bietet eine günstige Alternative zu den auf dem Markt vorhandenen aktiven Isolationsplattformen. Ihre Besonderheit ist die Kombination von passiven und aktiven Eigenschaften einer Lagerung. Im unteren Frequenzbereich unterdrücken die Aktoren aktiv die Vibrationen. Dagegen werden die hochfrequenten Störungen ab ca. 100 Hz passiv aufgrund der Materialdämpfung des Elastomers, welches als Grundmaterial für die Herstellung der DESA dient, eliminiert. Außerdem hat die entwickelte aktive Dämpfungsmatte eine einfache feinmechanische Konstruktion im Vergleich zu gängigen Systemen. Für die Detektion der störenden Schwingungen wird ein neuartiger resistiver Wegsensor entwickelt und auf die Innenseite des DESA aufgebracht. Der Verformungskörper des Sensors ist der Aktor selbst. Die Dehnungsmessstreifen (DMS) des Sensors, die als eine Viertelbrücke verschaltet sind, werden aus gestempeltem Graphitpulver hergestellt. Der Sensor kann sowohl für statische als auch für dynamische Messungen der Auslenkung eingesetzt werden, insbesondere in der Resonanz hat er eine hohe Empfindlichkeit. Die entwickelte aktive Dämpfungsmatte mit dem integrierten resistiven Sensor wird in einen geschlossenen Regelkreis mit einem Skyhook-Regler integriert, um aktiv die störenden Vibrationen zu kompensieren. Des Weiteren werden in dieser Arbeit zwei Typen der Inertialmassenerreger auf Basis von DESA entwickelt und aufgebaut, die sowohl für die aktive Schwingungskompensation als auch für haptische Anwendungen eingesetzt werden können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Dielectric elastomers are adaptive material systems, which can be used as actuators, sensors or as generators. A dielectric elastomer actuator is constructed as a compliant capacitor. It consists of two elastic electrodes and a soft elastomer in between them, which serves as a dielectric and return spring. An applied electrical voltage causes the formation of electrostatic pressure on the electrodes, thereby the actuator contracts and because of the constant volume the elastomer simultaneously expands laterally. At the Institute of Electromechanical Constructions was developed a fully automated process for the production of stack actuators. This multilayer technology enables an increase the longitudinal deflection of the actuator for the same driving voltage. During this research work the use of the dielectric elastomer stack actuators (DESA) for the active vibration suppression is explored. A novel design for the active bearing element is developed, which takes over the basic shape of the pneumatic bearing element. The DESA is attached only at the edges with a hollow support, the air is trapped inside. Therefore, DESA can unhindered extend laterally and thereby produce a high vertical lift, which is particularly important for the compensation of vibrations in the lower frequency range. To get better performance the geometry of the bearing element is optimized by ANSYS FEM software and the influence of individual parameters is analyzed. The developed bearing elements are consolidated in an active isolation mat. It consists of 5 round 50-layer DESA and its dimensions are 140 x 140 x 20 mm3. The constructed active isolation mat provides a convenient alternative to available on the market active isolation platforms. A special feature of the active isolation mat is the combination of passive and active properties of a suspension. In the low frequency range it cancels the disturbing vibrations actively. Instead, the disturbances with higher frequencies above 100 Hz are eliminated passively due to material damping of elastomer. Besides, main advantage of the developed active mat is a simple fine mechanical construction compared to series active isolation systems. For the detection of the disturbing vibrations is a novel resistive displacement sensor developed and applied to the inside of DESA. The deformation body of sensor is the actuator itself. The strain gauges of the sensor are connected as a quarter Wheatstone bridge. They are made of stamped graphite powder. The sensor can be used for static and dynamic measurements of the vertical deflection. Especially, in the resonance of actuator it has a high sensitivity. The active isolation mat with integrated resistive sensor is integrated in a control loop with a Skyhook controller for active compensation of disturbing vibrations. Additionally, in this work two types of inertial exciters based on DESA are developed and set up. The novel inertial exciter can be used for the active vibration compensation and for haptic applications.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: DEA, DESA, EAP, dielektrischer Elastomeraktor, aktive Vibrationskontrolle, resistiver Sensor, FEM-Simulation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
DEA, DESA, EAP, Dielectric elastomer, actuator, active vibration control, resistive sensor, FEM simulationEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 06 Dec 2016 13:13
Last Modified: 06 Dec 2016 13:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56876
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. and Bein, Prof. Dr. Thilo
Refereed: 16 August 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5687
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