DE102005036822A1

DE102005036822A1 - Elektromechanischer Motor

Info

Publication number: DE102005036822A1
Application number: DE200510036822
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Tim Dr. Schwebel; Carsten Wallenhauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-15
Also published as: WO2007014837A1

Abstract

Der elektromechanische Motor weist wenigstens zwei elektromechanische Antriebselemente, sowie wenigstens einen Antriebsring auf, der durch einen Hub der Antriebselemente zu einer umlaufenden Verschiebebewegung angeregt wird. Weiterhin weist er eine Welle auf, die an den Antriebsring aufgesetzt ist, so dass durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings die Welle rotiert wird. Ferner weist der elektromechanische Motor eine Beschichtung zur Erhöhung der Reibung zwischen Welle und Antriebsring auf. Die Beschichtung zur Erhöhung der Reibung kann dabei auf der Welle angebracht sein, auf dem Antriebsring angebracht sein, oder sowohl auf der Welle als auch auf dem Antriebsring angebracht sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Motor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus der europäischen Patentschrift EP 1 098 429 B1 ist ein elektromechanischer Motor bekannt, der aus wenigstens zwei elektromechanischen Antriebselementen, wenigstens einem Antriebsring und einer antreibbaren Welle aufgebaut wird. Der Antriebsring kann durch einen Hub der elektromechanischen Antriebselemente, d. h. durch Steuerung der Hubamplituden der einzelnen Antriebselemente und die zeitliche Abstimmung dieser Hubamplituden untereinander zu einer umlaufenden Verschiebebewegung angeregt werden. Unter einer umlaufenden Verschiebebewegung des Antriebsrings wird verstanden, dass dieser auf einer gekrümmten Bahn verschoben wird, aber dabei nicht oder nur unwesentlich rotiert. Die gekrümmte Bahn kann z.B. kreisförmig oder elliptisch sein, ist aber nicht auf diese Bahnformen eingeschränkt. Der Antriebsring muss die gekrümmte Bahn nicht kontinuierlich durchlaufen, sondern kann auch beliebig gestoppt und in seiner Bewegungsrichtung umgekehrt werden.
Die Welle ist auf den Antriebsring aufsetzbar, so dass die Verschiebebewegung des Antriebsrings durch den Kontakt zwischen Welle und Antriebsring auf die Welle übertragbar ist. Weil der Antriebsring auf einer gekrümmten Bahn läuft, wird die Welle bei bewegtem Antriebsring durch einen Reibkontakt rotierend mitgeführt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle hängt dabei neben der Bewegungsgeschwindigkeit des Antriebsrings u.a. auch von der Form der Welle und des Antriebsrings ab.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, einen elektromechanischen Motor mit einem erhöhten maximal erreichbaren Drehmoment anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Motor gemäß Anspruch 1 gelöst. Der elektromechanische Motor weist dabei wenigstens zwei elektromechanische Antriebselemente, sowie wenigstens einen Antriebsring auf, der derart ausgestaltet ist, dass er durch einen Hub der Antriebselemente zu einer umlaufenden Verschiebebewegung angeregt wird. Weiterhin weist er eine Welle auf, die an den Antriebsring aufgesetzt ist, so dass durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings die Welle rotiert wird. Ferner weist der elektromechanische Motor eine Beschichtung zur Erhöhung der Reibung zwischen Welle und Antriebsring auf.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Reibungskraft zwischen Welle und Antriebsring durch die Beschichtung erhöht wird. Da die Erzeugung eines Drehmoments bei dem elektromechanischen Motor auf der Reibung zwischen Welle und Antriebsring basiert, erhöht sich durch die Beschichtung das maximal erreichbare Drehmoment.

Besonders bevorzugt wird als Beschichtung eine Partikel-Metall-Beschichtung eingesetzt, bei der Partikel eines harten Materials in eine Metall-Matrix eingebettet sind. Der Vorteil dieser Partikel-Metall-Beschichtung besteht darin, dass durch diesen Aufbau die Reibung zwischen Welle und Antriebsring besonders stark erhöht werden kann. Weiterhin besteht die Wirkung der Beschichtung auch, wenn Schmierstoffe auf die Oberfläche der Beschichtung kommen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Antriebselemente mechanisch steif mit dem Antriebsring verbunden sind. Hierdurch werden Verluste durch Freiheitsgrade der Elemente vermieden und somit der Wirkungsgrad erhöht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Antriebselemente als Piezoaktoren ausgestaltet sind.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass der Aufbau der Antriebselemente kostengünstig zu realisieren ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist der Antriebsring kreisförmig und die Antriebselemente so am Antriebsring angebracht, dass ihr jeweiliger Hub radial auf den Antriebsring wirkt. Hierdurch wird die Kraft- und Momentübertragung optimiert.

Vorzugsweise befindet sich die Welle innerhalb des Antriebsrings.

In einer alternativen Weiterbildung befindet sich die Welle außerhalb des Antriebsrings.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zwischen Antriebsring und Welle ein dauernder Druckkontakt besteht. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass der elektromechanische Motor keinen Schlupf aufweist; dies führt somit u. a. zu einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrads des Antriebs. Des Weiteren ergibt sich daraus der Vorteil, dass die Welle in jeder beliebigen Winkelstellung mit hoher Kraft angehalten werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass an einer Welle mehrere Motoreinheiten mit jeweils einem Antriebsring benachbart angeordnet sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Kippmoment, das durch die Anpresskraft zwischen Antriebsring und Welle auf die Welle entsteht, reduziert wird oder sogar ganz eliminiert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich daraus, dass die Beschichtung auf der Abrollfläche der Welle angebracht ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Beschichtung besonders einfach in den Motor zu integrieren ist, da die Welle einfach zu beschichten ist.

Dabei kann die gesamte Welle beschichtet sein, was den Vorteil hat, dass die Beschichtung einfach zu realisieren ist.

Alternativ kann auch nur ein Teil der Welle beschichtet sein. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Lagerung der Welle, die durch die reibungserhöhende Beschichtung möglicherweise erschwert wird, einfacher durchzuführen ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Beschichtung auf der Abrollfläche des Antriebsrings angebracht ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Beschichtung besonders wirkungsvoll die Reibung erhöht.

In dem Fall, dass sowohl die Abrollfläche der Welle als auch die Abrollfläche des Antriebsrings beschichtet werden, kann bspw. durch eine Abstimmung der Beschichtungen aufeinander eine besonders starke Reibungserhöhung bewirkt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Metallmatrix eine Nickelmatrix. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Beschichtung besonders einfach auf die Welle oder den Antriebsring aufgebracht werden kann. Weiterhin ist die Nickelmatrix besonders hart, wodurch die Lebensdauer der Beschichtung und somit des Motors gesteigert wird. Insbesondere kann die Nickelmatrix mittels stromloser Abscheidung aufgebracht werden, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass die Beschichtung formtreu ist und somit die Dicke der Schicht überall gleich groß ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich daraus, dass die eingebetteten Partikel Diamant-, Carbid- oder Nitrid-Partikel sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die eingebetteten Partikel besonders abriebfest und haltbar sind. Dadurch weist die Beschichtung eine besonders große Lebensdauer auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Beschichtung derart ausgestaltet, dass die Körnung und/oder Flächenbelegung der Partikel bestimmbare Werte annimmt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Reibung zwischen Welle und Antriebsring optimal ausgelegt werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Motors mit innen liegender Welle mit reibungserhöhender Beschichtung
2 einen schematischen Aufbau der reibungserhöhenden Beschichtung.
1 zeigt schematische Darstellung eines elektromechanischen Motors. Dieser ist auf ein Gehäuse, insbesondere eine mechanischen Grundplatte montiert. Eine Welle W des Motors ist mittels eines am Gehäuse befestigten Lagers möglichst spielfrei geführt. Weiterhin sind zwei elektromechanische Antriebselemente A1, A2 vorhanden, die in diesem Beispiel piezoelektrische Niedervolt-Multilayer-Aktoren (PMA) enthalten. Ein elektromechanisches Antriebselement A1, A2 kann aber auch einen beliebigen anderen, sich gesteuert longitudinal ausdehnenden Aktor verwenden, wie z.B. einen elektromagnetischen, elektrodynamischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor.
Durch elektromagnetische Ansteuerung des PMA dehnt sich dieser gemäß dem Verhalten eines piezoelektrischen Längsaktors näherungsweise proportional der angelegten elektrischen Spannung in axialer Richtung aus.
Der elektromechanische Motor weist einen möglichst steifen und massearmen konzentrischen Antriebsring R mit einem Innendurchmesser auf, der etwas größer ist als der Durchmesser der Welle W. Der Antriebsring R ist mit den Antriebselementen A1, A2 so verbunden, dass er zur Grundplatte einen Abstand aufweist, er über der Grundplatte somit frei beweglich ist. Die mit der Grundplatte fest verbundenen Antriebselemente A1, A2 sind in der Ebene der Grundplatte, die hier der Bewegungsebene entspricht, in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, wobei ihre Hauptwirkrichtung auf den Mittelspunkt des Antriebsrings R gerichtet ist.
Zur Erzeugung der kreisförmigen Verschiebebewegung des Antriebsrings R werden die beiden Antriebselemente A1, A2 mit um 90° phasenverschobenen sinusförmigen Spannungssignalen gleicher Spitzenamplitude angesteuert. Das Spaltmaß zwischen Welle W und Innenfläche des Antriebsrings R ist in Verbindung mit den Eigenschaften der PMAs und einer Montage des Motors so ausgelegt, dass während jeder Phase der Abrollbewegung ein starker Reibschluss zwischen Welle W und Antriebsring R besteht, insbesondere auch bei ausgeschaltetem Motor, d.h. wenn beide PMAs entladen sind.
Die Innenseite des Antriebsrings R, d.h. seine Abrollfläche ist mit einer reibungserhöhenden Beschichtung B versehen; diese besteht hierbei aus einer 7μm dicken Nickelmatrix mit eingebrachten Partikeln aus Diamant, die selbst ca. 15μm in die Höhe ragen. Diese Höhenwerte sind beispielhaft.
In Versuchen mit einem Motor gemäß obigem Ausführungsbeispiel, d.h. mit beschichtetem Antriebsring und unbeschichteter Welle, wurden Leistungs- und Drehmomentssteigerungen von 50–100% erreicht im Vergleich zu baugleichen Motoren ohne Beschichtung.
2 zeigt schematisiert den Aufbau einer Reibung erhöhenden Beschichtung B auf einem Ausschnitt des Antriebsrings R. Die Beschichtung besteht hierbei aus einer Nickelmatrix N, d.h. einer Grundschicht aus Nickel. Darin eingebettet sind Partikel P, beispielsweise aus Diamant, Karbid oder Nitrid. Diese Partikel P stehen dabei über die Oberfläche der Nickelmatrix N hinaus und sind ursächlich für die reibungserhöhende Wirkung der Beschichtung B.
Das maximal erreichbare Drehmoment M = r·FT und die maximal abgebbare mechanische Leistung eines elektromechanischen Motors wird bei gegebenen Motorparametern, d.h. Aktorauslenkung s0 = 2·a, Aktorsteifigkeit c, Ringdurchmesser D und Wellendurchmesser d durch die maximal übertragbare Tangentialkraft F_T im momentanen Kraftpunkt bzw. der momentanen Kontaktlinie zwischen Ring und Welle begrenzt. Einer einfachen Abschätzung zufolge berechnet sich die Andruckkraft F_N zwischen Ring und Welle (Normalkraft) aus den Motorparametern zu FN = c·(a – s)mit
Spaltmaß s = R – r
Ringdurchmesser D = 2·R
Wellendurchmesser d = 2·r
Nach dem Coulombschen Reibungsgesetz gilt: FT < μ·FN
Durch die reibungserhöhende Beschichtung wird der Reibwert μ der Ringwellepaarung gesteigert.

Claims

Elektromechanischer Motor mit – wenigstens zwei elektromechanischen Antriebselementen (A1, A2), – wenigstens einem Antriebsring (R), der derart ausgestaltet ist, dass er durch einen Hub der Antriebselemente (A1, A2) zu einer umlaufenden Verschiebebewegung angeregt wird, – einer Welle (W), die an den Antriebsring (R) aufgesetzt ist, so dass durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings (R) die Welle (W) zur Rotation angeregt wird, gekennzeichnet durch eine Beschichtung (B) zur Erhöhung der Reibung zwischen Welle (W) und Antriebsring (R).
Elektromechanischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) eine Partikel-Metall-Beschichtung, bestehend aus einer Metallmatrix mit eingebetteten Partikeln (P), ist.
Elektromechanischer Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (A1, A2) mechanisch steif mit dem Antriebsring (R) verbunden sind.
Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (A1, A2) als Piezoaktoren ausgestaltet sind.
Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsring (R) kreisförmig ist und die Antriebselemente (A1, A2) so am An triebsring (R) angebracht sind, dass ihr jeweiliger Hub radial auf den Antriebsring (R) wirkt.
Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Welle (W) innerhalb des Antriebsrings (R) befindet.
Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Welle (W) außerhalb des Antriebsrings (R) befindet.
Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Antriebsring (R) und Welle (W) ein dauernder Druckkontakt besteht.
Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Welle (W) mehrere Motoreinheiten mit jeweils einem Antriebsring (R) benachbart angeordnet sind.
Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) auf der Abrollfläche der Welle (W) angebracht ist.
Elektromechanischer Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Welle (W) mit der Beschichtung (B) versehen ist.
Elektromechanischer Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Welle (W) mit der Beschichtung (B) versehen ist.
Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) auf der Abrollfläche des Antriebsrings (R) angebracht ist.
Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmatrix als eine Nickelmatrix (N) ausgestaltet ist.
Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Partikel (P) Diamant-, Karbid- oder Nitrid-Partikel sind.
Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) derart ausgestaltet ist, dass die Körnung und/oder Flächenbelegung der Partikel (P) festgelegt ist.