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Mechatronischer Wandler

Ein Mechatronischer Wandler ist ein Energiewandler, bei dem ein Energiefluss zwischen mindestens zwei unterschiedlichen physikalischen Domänen ausgetauscht wird und diese Prozesskopplung sowohl räumlich als auch funktional weitgehend integriert ist.

Grundprinzip

Energiestromprinzip

Unter einem Mechatronischen Wandler versteht man im Allgemeinen eine technische Vorrichtung zur Wandlung energetischer Grundgrößen. Da sich die Wechselwirkungen unterschiedlicher physikalischer Domäne durch das Energiestromprinzip beschreiben lassen, sind Mechatronische Wandler in erster Line Energiewandler. Dabei wird die Energieart des Energiestroms (z. B. elektrische Energie in mechanische Energie) gewandelt. Das Verhältnis der im Wandler umgesetzten Prozessleistungen drückt sich im Wandlerwirkungsgrad aus. Von einem idealen Mechatronischen Wandler spricht man immer genau dann, wenn der Wirkungsgrad gleich eins beträgt, d. h.,wenn bei der Prozesskopplung selbst keine Verluste auftreten.

Beschreibung in Reziprozitätsform

Die Beschreibung unterschiedlicher physikalischer Domäne erfolgt einheitlich durch einen Satz aus vier energetischen Grundgrößen, welche über die Massieu-Gibbs-Funktion gebildet werden. Eine Kopplung von physikalischen Teilsystemen tritt immer dann auf, wenn in jedem Einzelsystem ein Energiestrom fließt. Da jeder Energiestrom an einen Energieträger gebunden ist und ein Energieträger mit mehreren Energieformen beladen werden kann (z. B. Masse mit kinetischer Energie und thermischer Energie) tritt eine Prozesskopplung ein. Die Prozesskopplung wird durch die Superposition aller Einzelströme realisiert. Dieses Verhalten kann allgemein durch das Onsagersche Reziprozitätsbeziehung ausgedrückt werden.

Gedanklich kann dabei jeder Flussleiter in zwei unabhängige Einzelleiter zerlegt werden. Jeder Einzelleiter transportiert zunächst die im Einzelsystem formulierbare Energie über seine direkten Transportkoeffizienten $L_{ii}$ und $L_{kk}$  (Admittanzen). Die Prozesskopplung der Flussleiter untereinander erfolgt nur über die Kreuzkoeffizienten $L_{ik}=L_{ki}$.

Gleichung	Koeffizienten	Name
$f_{k}=L_{kk}\cdot e_{k}+L_{ki}\cdot e_{i}$	$L_{ii}\ ;L_{kk}$	direkte Transportkoeffizienten
$f_{i}=L_{ik}\cdot e_{k}+L_{ii}\cdot e_{i}$	$L_{ik}\ ;L_{ki}$	Kreuzkoeffizienten

Das Vorzeichen der Kreuzkoeffizienten bestimmt dabei die Art der energetischen Kopplung. Ist das Vorzeichen negativ, so handelt es sich um ein transformatorisches Wandlerprinzip. Bei einem positiven Vorzeichen findet eine gyratorische Kopplung statt. Treten nur verlustfreie Energieumladungsprozesse auf (Wirkungsgrad gleich eins), beinhalten die direkten Transportkoeffizienten nur Suszeptanzen. Bei ausschließlich dissipativen Strömen beinhalten die Transportkoeffizienten nur Konduktanzen.

Onsagersche Reziprozitätsbeziehungen

Literatur

• Rüdiger G.Ballas, Günther Pfeifer und Roland Werthschützky: Elektromechanische Systeme der Mikrotechnik und Mechatronik: Dynamischer Entwurf – Grundlagen und Anwendungen. 2. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-89317-2. 
• Jörg Grabow: Verallgemeinerte Netzwerke in der Mechatronik. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2013, ISBN 978-3-486-71261-2. 
• Klaus Janschek: Systementwurf mechatronischer Systeme: Methoden – Modelle – Konzepte. Springer, 2010, ISBN 978-3-540-78876-8. 
• Ekbert Hering, Heinrich Steinhart: Taschenbuch der Mechatronik. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2005, ISBN 978-3-446-22881-8. 
• Georg Pelz: Modellierung und Simulation mechatronischer Systeme: Vom Chip- zum Systementwurf mit Hardwarebeschreibungssprachen. Hüthig Verlag, 2001, ISBN 978-3-7785-2848-8. 
• Christoph Strunk: Moderne Thermodynamik: Von einfachen Systemen zu Nanostrukturen. De Gruyter Oldenbourg, 2005, ISBN 978-3-11-037105-5.