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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb,
insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor.
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Aus
dem Stand der Technik sind elektromechanische Stellantriebe bekannt,
die beispielsweise in der
EP
1 098 429 B1 beschrieben sind. Eine Weiterentwicklung dieser
Stellantriebe geht aus der noch unveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen
Aktenzeichen 10 2005 022 355.9 hervor.
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Typischerweise
dienen zwei Paare piezoelektrischer Vielschichtaktoren, die im rechten
Winkel zueinander an einem Antriebsring angeordnet sind, als Antrieb
für einen
piezoelektrischen Ringmotor. Die beiden parallelen piezoelektrischen
Vielschichtaktoren eines Paares weisen einen möglichst großen Abstand voneinander auf,
um eine möglichst
hohe Torsionssteifigkeit des Ringmotors bezüglich einer Drehachse einer
Welle innerhalb des Antriebsrings zu erreichen. Um die piezoelektrischen
Vielschichtaktoren mechanisch vorzuspannen, werden gewöhnlich Hohlfedern
eingesetzt. Die Hohlfedern bringen bauraumsparend Druckspannungen
auf die piezoelektrischen Vielschichtaktoren unterschiedlicher Bauform
auf. Die Hohlfedern werden in aufwendigen Arbeitsschritten aus Blech
gestanzt, nachfolgend gerollt und schließlich längsnahtgeschweißt, so dass eine
strukturierte und einlagig hohlzylindrische Feder mit schlitzartiger
Struktur entsteht.
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Zum
Erzeugen der Verschiebebewegung des Antriebsrings wird dieser über Zug-
und Druckspannungen gezielt verformt. Mit den zur Aktoreinheit verbauten
piezoelektrischen Vielschichtaktoren innerhalb eines bekannten Ringmotors
sind jedoch aktiv keine Zugkräfte
generierbar. Daher erfolgt die Erzeugung der auf den Antriebsring
wirkenden Zugkraft durch Umverteilung der durch die Hohlfeder bereitgestellten
Druckvorspannkraft des piezoelektrischen Vielschichtaktors auf den
Antriebsring. Um dies zu erreichen wird der piezoelektrische Vielschichtaktor
durch Entladen verkürzt.
Bei diesem Vorgang besteht jedoch die Gefahr, dass der piezoelektrische
Vielschichtaktor zu stark bzw. völlig
entlastet wird. Infolgedessen wird die steife Ankopplung des Antriebsrings über die
Aktoreinheit an ein Gehäuse
des Ringmotors geschwächt.
Durch diese Schwächung
wird ebenfalls die durch die Aktoreinheit vermittelte Drehmomentübertragung
von der Welle des Ringmotors über
den Antriebsring auf das Gehäuse
des Ringmotors negativ beeinflusst. Des Weiteren leidet die Torsionssteifigkeit
des Antriebsrings 20 durch die verminderte Anbindung der
piezoelektrischen Vielschichtaktoren.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass bekannte Stellantriebe für die Massenproduktion
noch zu teuer und aufwendig sind. Dies wirkt sich gerade dann negativ
aus, wenn die Nachfrage für
diese Stellantriebe steigt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen
Stellantrieb mit einer im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten
Stabilität
und kostengünstigen
Herstellung bereitzustellen.
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Die
obige Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Stellantrieb
gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des elektromechanischen
Stellantriebs gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen
und den anhängenden Ansprüchen hervor.
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Die
obige Aufgabe löst
ein elektromechanischer Stellantrieb, insbesondere ein piezoelektrischer
Ringmotor. Dieser Stellantrieb weist die folgenden Merkmale auf:
mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente mit einer Wirkrichtung,
mindestens einen Antriebsring, der durch eine Längenänderung der elektromechanischen
Antriebselemente zu einer Verschiebebewegung anregbar ist, so dass
eine Welle durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings drehbar
ist, und mindestens ein Vorspannelement, dass sich parallel zur
Wirkrichtung eines der elektromechanischen Antriebselemente sowie über das
elektromechanische Antriebselement hinaus und zumindest teilweise über den
Antriebsring erstreckt, so dass das elektromechanische Antriebselement
gegen den Antriebsring mechanisch vorspannbar ist.
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Die
vorliegende Erfindung liefert einen piezoelektrischen Ringmotor,
der sich durch eine kostengünstige
Herstellung und hohe Stabilität
auszeichnet. Dies wird dadurch realisiert, dass nur zwei rechtwinklig
zueinander angeordnete elektromechanische Antriebselemente, vorzugsweise
piezoelektrische Vielschichtaktoren, zum Antrieb des Antriebsrings
genutzt werden. Diese piezoelektrischen Vielschichtaktoren werden
mit Hilfe von in ihrer Länge
einstellbaren Vorspannelementen gegen den Antriebsring mechanisch
vorgespannt. Aufgrund der Vorspannelemente und gerade deren Länge, die
sich über
die Länge
der piezoelektrischen Vielschichtaktoren und teilweise über den
Antriebsring erstreckt, wird eine verbesserte Anbindung der piezoelektrischen
Vielschichtaktoren an den Antriebsring im Vergleich zum Stand der
Technik realisiert. Des Weiteren sind die Vorspannelemente, die
gemäß einer
Ausführungsform
als Federband ausgestaltet sind, kostengünstiger, mechanisch effektiver
und leichter austauschbar im Vergleich zu den im Stand der Technik
bekannten Hohlfedern.
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Die
Federbänder
sind an einem Querträger und
dem Antriebsring derart angeordnet, dass jeweils ein piezoelektrischer
Vielschichtaktor mit vorzugsweise zwei Federbändern zwischen Antriebsring und
Querträger
mechanisch vorspannbar ist. Um eine ausreichende Länge der
Federbänder
gewährleisten
zu können,
ist es zudem bevorzugt, das Federband an Antriebsring und/oder Querträger zu befestigen
oder es endlos umlaufend um Querträger, piezoelektrischen Vielschichtaktor
und Antriebsring auszubilden. Die Gestaltungsfreiheit bezüglich der Länge des
Federbands eröffnet
die Möglichkeit,
dass eine Tragkraft des Federbands optimal auf die Vorspannerfordernisse
des verwendeten piezoelektrischen Vielschichtaktors abstimmbar ist.
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Gemäß einer
weiteren Alternative ist das Federband bezogen auf das elektromechanische
Antriebselement und in Wirkrichtung gesehen am entferntesten Ort
des Antriebsrings befestigt oder umgelenkt. Um beispielsweise die
Umlenkung zu gewährleisten,
weisen Antriebsring und/oder Querträger Umlenkpunkte auf, die beispielsweise
durch Ausrundungen oder Umlenkrollen realisiert sind. Es ist zudem
vorteilhaft, die Federbänder
innerhalb des Stellantriebs in Nuten anzuordnen, die im Antriebsring und/oder
Querträger
ausgebildet sind. Diese Nuten gewährleisten eine stabile Positionierung
der Federbänder,
so dass diese während
des Betriebs des Stellantriebs nicht verrutschen. In einer weiteren Ausgestaltung
sind diese Nuten unterschiedlich tief ausgebildet, so dass sich
kreuzende Federbänder nicht
behindern oder aufgrund von Reibung verschleißen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
weisen die mindestens zwei elektrischen Antriebselemente oder piezoelektrischen
Vielschichtaktoren eine Breite parallel zu und größer als
ein Innendurchmesser der Öffnung
im Antriebsring auf. Zudem ist die Breite des piezoelektrischen
Vielschichtaktors ein Mehrfaches einer Höhe des piezoelektrischen Vielschichtaktors,
so dass der piezoelektrische Vielschichtaktor durch zumindest mittelbare
Anlage am Antriebsring zu einer verbesserten Torsionssteifigkeit des
Antriebsrings beiträgt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des piezoelektrischen Ringmotors,
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2 eine
schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Ausführungsform
des piezoelektrischen Ringmotors,
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3 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der piezoelektrischen
Vielschichtaktoren des Ringmotors,
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4 schematische
Darstellungen einer Ausführungsform
des Querträgers
des piezoelektrischen Ringmotors, und
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5 schematische
Darstellungen einer Ausführungsform
des Antriebsrings des piezoelektrischen Ringmotors.
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Zur
Lösung
der obigen Aufgabe erscheint es besonders vorteilhaft, an Stelle
eines Paares piezoelektrischer Vielschichtaktoren nur einen einzigen
piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 mit rechteckigem Querschnitt
zum Aufbau eines Stellantriebs 1 einzusetzen, der senkrecht
zu einem weiteren piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 angeordnet
ist (vgl. 1). Ein derartiger piezoelektrischer
Vielschichtaktor 10 ist in 3 schematisch
dargestellt. 1 zeigt eine perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform
des elektromechanischen Stellantriebs 1 in Form eines piezoelektrischen
Ringmotors, in dem der oben genannte piezoelektrische Vielschichtaktor 10 genutzt
wird. Der piezoelektrische Ringmotor 1 weist einen Antriebsring 20 auf.
Der Antriebsring 20 umfasst eine zentrale Öffnung,
durch die eine nicht dargestellte anzutreibende Welle 30 laufen
würde.
In Abstimmung auf den Durchmesser dieser Welle 30 weist
die Öffnung
am Antriebsring einen Innendurchmesser d auf (vgl. 5).
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In
rechtwinkeliger Ausrichtung zueinander greifen die zwei piezoelektrischen
Vielschichtaktoren 10 unmittelbar oder mittelbar am Antriebsring 20 an. Werden
diese piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 elektrisch
angesteuert, ist auf diese Weise eine Verschiebbewegung im Antriebsring 20 anregbar,
so dass die nicht dargestellte Welle 30 durch diese Verschiebebewegung
drehbar wäre.
Es ist ebenfalls denkbar, drei oder vier dieser piezoelektrischen
Vielschichtaktoren 10 in recht winkeliger Ausrichtung zueinander
am Antriebsring 20 anzuordnen.
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Die
piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 sind zwischen dem
Antriebsring 20 und jeweils einem Querträger 50 unter
mechanischer Vorspannung stehend angeordnet. Diese mechanische Vorspannung wird
in Form von Druckspannungen durch Federbänder 40 erzeugt. Die
Federbänder 40 stehen
daher unter Zugspannung und sind parallel zu einer Wirkrichtung 12 des
jeweiligen piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 angeordnet.
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Gemäß einer
Alternative der vorliegenden Erfindung sind die Federbänder 40 am
Querträger 50 und
Antriebsring 20 befestigt. Sie erstrecken sich jeweils
in Längsrichtung
des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 über dessen
Länge hinaus
und zumindest teilweise über
den Antriebsring 20, so dass der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 optimal
gegen den Antriebsring 20 mechanisch vorspannbar ist. Die
aufwendigen und teuren Hohlfedern des Standes der Technik samt ihrer
Kopf- und Bodenplatten
und der erforderlichen Schweißprozesse
entfallen daher zugunsten der oben genannten Federbänder 40.
Diese sind beispielsweise als preiswerte Stahlbänder oder aus ähnlich effektivem,
aber kostengünstigem Material
hergestellt. Da alle Teile des piezoelektrischen Ringmotors entweder
kraftschlüssig
oder mit wenig Aufwand lösbar
durch die Federbänder 40 miteinander
verbunden sind, kann im Falle von Produktionsausschuss durch einfaches
Kappen oder Lösen der
Federbänder 40 der
Antrieb zerlegt und das fehlerhafte Teil entfernt werden. Die anderen
Komponenten des Ringmotors 1 werden weiter verwendet. Auf
diese Weise wird sowohl bei der Herstellung als auch bei der Wartung
des Ringmotors eine wesentliche Kostensenkung im Vergleich zum Stand
der Technik erzielt.
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Die
Federbänder 40 sind
in Wirkrichtung 12 gesehen an einem beliebigen Punkt des
Antriebrings 20 befestigt. Dies ermöglicht, die Federbänder 40 möglichst
lang auszuführen
und deren Länge
gezielt einzustellen, so dass die Federeigenschaf ten des Federbands 40 optimal
auf eine mechanische Vorspannung des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 abgestimmt
sind. Es ist des Weiteren bevorzugt, zu diesem Zweck die Federbänder 40 in
Wirkrichtung 12 gesehen und bezogen auf den angrenzenden
piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 am entferntesten
Ort des Antriebsrings 20 zu befestigen.
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Gemäß weiterer
Alternativen der vorliegenden Erfindung laufen die Federbänder 40 zumindest teilweise
um den Querträger 50 und/oder
den Antriebsring 20 herum (vgl. 1). Basierend
auf dieser Konstruktion ist es ebenfalls denkbar, die Enden eines
Federbands 40 miteinander zu verbinden, um ein endlos verlaufendes
Federband 40 bereitzustellen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
weisen Querträger 50 und
Antriebsring 20 Nuten 22 und 52 auf,
in denen die Federbänder 40 geführt sind
(vgl. 1, 4, 5). Die
Nuten 22, 52 stellen sicher, dass die Federbänder 40 lateral
fixiert sind, so dass sie nicht während des Betriebs der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 oder
allgemein des Ringmotors 1 seitlich verrutschen. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind beispielsweise sich kreuzende Nuten 22 für sich kreuzende
Federbänder 40 am
Antriebsring 20 unterschiedlich tief ausgebildet. Die unterschiedliche
Tiefe der Nuten 22 verhindert eine gegenseitige Behinderung
der sich kreuzenden Federbänder 40 sowie
einen Verschleiß durch
eine mögliche
Reibung der Federbänder 40 aneinander.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weisen die Nuten 22 und 52 Ausrundungen
R auf (vgl. 4, 5). Diese
Ausrundungen R dienen als Umlenkpunkte der Federbänder 40.
Als Alternative zu den als starre Umlenkpunkte ausgestalteten Ausrundungen
R ist es ebenfalls denkbar, die Umlenkung der Federbänder 40 mit
Hilfe von Umlenkrollen zu realisieren.
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Gemäß einer
weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung sind die Federbänder 40 als
Federdrähte
ausgestaltet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Querträger 50 weisen diese
an den seitlichen Stirnflächen
verlaufende Nuten 54 auf. In diesen Nuten 54 sind
die elektrischen Zuleitungen 12 der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 angeordnet.
Die Nuten 54 gewährleisten,
dass die elektrischen Zuleitungen 12 der piezoelektrischen
Vielschichtaktoren 10 gegen Beschädigungen während des Aktorbetriebs geschützt sind.
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Die
mittels der in 3 gezeigten piezoelektrischen
Vielschichtaktoren 10 erzielbare mechanische Leistung ist
direkt proportional zum elektromechanisch aktiven piezoelektrischen
Keramikvolumen. Die Kraft des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 ist
proportional zu dessen Querschnittsfläche und die Längsdehnung
des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 ist proportional
zu seiner Länge.
Bei gegebenen Leistungsdaten eines piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 in
Form von Längsdehnung
und Kraft, d.h. bei gegebener Länge
und bei gegebenem Querschnittsflächeninhalt,
ist es für
den piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 mechanisch vorteilhaft, seinen
Querschnittsflächeninhalt
mit einem möglichst
hohen Aspektverhältnis
auszubilden. D.h., dass der Querschnitt des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 möglichst
dünn mit
einer Höhe
h und möglichst
breit mit einer Breite b ausgebildet ist (vgl. 3).
Diese Geometrie fördert
die Torsionssteifigkeit des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 und somit
auch des gesamten Ringmotors 1, weil der piezoelektrische
Vielschichtaktor 10 am Antriebsring 20 anliegt.
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Die
Torsionssteifigkeit verhält
sich direkt proportional zum Flächenträgheitsmoment
I der Querschnittsfläche
des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 bezüglich der
Mittellinie der Breitseite. Das Flächenträgheitsmoment I lässt sich
daher nach folgender Formal berechnen: I = h·b3/12
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Hieraus
ist ersichtlich, dass bei gegebenem Flächeninhalt eine dünne aber
breite Querschnittsgeometrie des piezoelektri schen Vielschichtaktors
zu bevorzugen ist. Die Breite b des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 ist
daher bevorzugt ein Mehrfaches seiner Höhe h. Neben der Unterstützung der Torsionssteifigkeit
bedeutet die Anwendung obiger Geometrie des piezoelektrischen Vielschichtaktors an
Stelle der Doppelaktor-Ausführung
zudem eine Kostenreduktion bei der Herstellung des Ringmotors 1.
Es werden beispielsweise bei der Herstellung des Ringmotors 1 Kontaktierungsprozesse
eingespart, da nur ein Aktor eingesetzt wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform übersteigt
die Breite b des piezoelektrischen Vielschichtaktors einen Innendurchmesser
d (vgl. 5) des Antriebsrings 20 in
ausreichendem Maße.
Mit Hilfe dieser Geometrie ist jeweils mindestens ein Federband 40 jeweils
seitlich von der mittigen Öffnung des
Antriebsrings 20 anordenbar. Dadurch sind Antriebsring 20,
Federband 40 und piezoelektrischer Vielschichtaktor 10 in
ihrer Breite aufeinander abgestimmt ausgestaltet.
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Neben
den bereits oben genannten Kostenvorteilen auf Grund der Verwendung
von nur zwei piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 ist
es zudem günstig,
den piezoelektrischen Ringmotor 1 mit einer reduzierten
Anzahl von Bestandteilen im Vergleich zum Stand der Technik herzustellen.
Kostenvorteile ergeben sich zudem durch den Ersatz der komplexen Rohrfeder
und der damit verbundenen Schweißprozesse zugunsten der preiswerteren
Federbänder und/oder
Federdrähte.
Es ist ebenfalls hilfreich, dass im Falle von Ausschuss bei der
Herstellung des Ringmotors 1 eine hohe Recyclingrate in
Bezug auf die einzelnen Komponenten des Ringmotors 1 besteht. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der piezoelektrische
Ringmotor 1 auf Grund der Nutzung der oben beschriebenen
piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 wesentlich schmaler
und mit einem Geometrie- und Bauraumvorteil herstellbar ist. Auf
diese Weise sind Stellantriebe flacher Bauform realisierbar.