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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Motor,
insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor.
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Elektromechanische
Motoren und insbesondere piezoelektrische Ringmotoren sind aus dem
europäischen Patent 1 098 429 B1 und
der
10 2005 022 355.9 bekannt.
Beispielgebend ist ein bekannter piezoelektrischer Ringmotor
1 schematisch
in
1 dargestellt.
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Der
piezoelektrische Ringmotor 1 umfasst einen Antriebsring 20,
an dessen Seiten in rechtwinkliger Ausrichtung elektromechanische
Antriebselemente 10 angreifen. Die elektromechanischen
Antriebselemente 10 sind als piezoelektrische Vielschichtaktoren
ausgebildet. Um die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 mechanisch
vorzuspannen, werden Hohlfedern 14 eingesetzt. Die Hohlfedern 14 bringen
bauraumsparend Druckspannungen auf die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 unterschiedlicher
Bauformen auf. In Abhängigkeit
von der Bauform der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 werden
ebenfalls Hohlfedern 14 unterschiedlicher Bauform genutzt.
Sie werden aus ebenem Blech gestanzt, nachfolgend gerollt und schließlich längsnahtgeschweißt, so dass
eine strukturierte und einlagig hohlzylindrische Feder mit schlitzartiger
Struktur entsteht. Eine derartige Hohlfeder 14 zeigt beispielgebend 2,
während
gleichzeitig ein Beispiel für
einen durch die Hohlfeder 14 vorzuspannenden piezoelektrischen
Vielschichtaktor 10 dargestellt ist.
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Der
piezoelektrische Vielschichtaktor 10 wird unter anderem
bei Injektoranwendungen in Kraftfahrzeugen typischerweise mit einer
Druckkraft von ca. 600 bis 850 N verbaut. Die Druckspannung wird
zwischen geeignet dimensionierten Endplatten 16 zur Vermeidung
schädlicher
Zugspannungen im hochdynamischen Aktorbetrieb und zur mechanisch
steifen Anbindung an die an zutreibenden Elemente und das Gegenlager
einer Aktoreinheit erzeugt. Somit werden die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 zwischen
Endplatten 16, Endkappen 11 und hohlzylindrischen
Federn 14 verbaut, die gemeinsam die genannte Aktoreinheit
bilden. Dies ist auch in der Prinzipskizze in 1 zu
erkennen.
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Hinsichtlich
der Endkappen 11 angepasste Aktoreinheiten dieser Art werden
bislang zum Aufbau der piezoelektrischen Motoren 1 eingesetzt.
Die Gehäuseteile
des piezoelektrischen Ringmotors sind in 1 nicht
gezeigt. Stattdessen wird die Kraftanbindung bzw. Lagerung des Antriebs
am Gehäuse
durch die Dreieckssymbole dargestellt. Die dargestellte Momentaufnahme
zeigt den Antriebsring 20 und die Welle 30 mit dem
Kontaktpunkt zwischen Antriebsring 20 und Welle 30 rechts
auf der positiven X-Achse liegend. In dieser Situation wird die
zur Drehmomentübertragung
zwischen Antriebsring 20 und Welle 30 benötigte Kontaktkraft als
Zugkraft von den in X-Richtung wirkenden Aktoreinheiten zwischen
dem Gehäuse
und dem Antriebsring 20 vermittelt. Da mit den zur Aktoreinheit
verbauten piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 aktiv
keine Zugkraft erzeugt werden kann, erfolgt die Erzeugung der Zugkraft
durch Umverteilung der durch die Rohrfeder bzw. Hohlfeder 14 bereitgestellten
Druckvorspannkraft vom piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 auf
den Antriebsring 20. Um dies zu erreichen wird der piezoelektrische
Vielschichtaktor 10 durch Entladen verkürzt.
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Bei
diesem Vorgang besteht jedoch die Gefahr, dass der piezoelektrische
Vielschichtaktor 10 zu stark bzw. völlig entlastet wird. Infolgedessen
wird die steife Ankopplung des Antriebsrings 20 über die
Aktoreinheit an das Gehäuse
geschwächt,
so dass die ebenfalls durch die Aktoreinheit vermittelte Drehmomentübertragung
von der Welle 30 über
den Antriebsring 20 auf das Gehäuse negativ beeinflusst wird.
Um dieser Gefahr zu begegnen und eine größere Kraftreserve zur Vorspannung
der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 bereitzustellen,
wurden für
Labormuster die für
eine Zugkraft von 850 N dimensionierten Serien-Rohrfedern 14 unter
Nutzung aller Sicherheitsreserven mit einer Zugkraft von bis zu
1.200 N beim Aufbau der Aktoreinheiten vorgespannt. Derartige Konstruktionen
sind zwar für
Labormuster geeignet, sie stellen jedoch keine Alternative für eine großtechnische
Herstellung dar.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen
Motor mit einem im Vergleich zum Stand der Technik produktionsfreundlicheren
Druckvorspannsystem bereitzustellen.
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Die
obige Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Motor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des elektromechanischen
Motors gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und
den anhängenden
Ansprüchen
hervor.
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Der
elektromechanische Motor, insbesondere ein piezoelektrischer Ringmotor,
weist die folgenden Merkmale auf: zwei Gruppen von mindestens zwei
elektromechanischen Antriebselementen 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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Im
Vergleich zu dem oben diskutierten bekannten Ringmotor werden an
Stelle der Hohlfedern längere Vorspannelemente
eingesetzt. Diese Vorspannelemente erstrecken sich über die
Antriebselemente hinaus und zumindest teilweise über den Antriebsring. Auf diese
Weise wird die Federrate der Vorspannelemente hohl- bzw. rohrfedertypisch
klein gehalten, während gleichzeitig
ein Vorspannelement mit gesteigerter Tragkraft entsteht. Dies stellt
sicher, dass größere Kraftreserven
durch diese Vorspannelemente bereitgestellt werden, um eine ausreichend
steife und verlässliche
Ankopplung der elektromechanischen Antriebselemente, vorzugsweise
piezoelektrische Vielschichtaktoren, an den Antriebsring zu gewährleisten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte Vorspannelement durch
ein Federband realisiert. Dieses Federband ist an einem Querträger des
elektromechanischen Motors und dem Antriebsring derart angeordnet,
dass das elektromechanische Antriebselement zwischen Antriebsring
und Querträger
mechanisch vorspannbar ist.
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Das
Federband erstreckt sich parallel zu einer Wirkrichtung der piezoelektrischen
Vielschichtaktoren und ist an der dem Antriebsring abgewandten Seite
des elektromechanischen Antriebselements an einem Querträger positionsstabil
angeordnet. Das Federband ist entweder an dem Querträger permanent
befestigt oder es läuft
in einer Nut geführt
teilweise um diesen Querträger
herum. Zur weiteren Gestaltung der Federeigenschaften des Federbands
ist es ebenfalls bevorzugt, das Federband an einem in Wirkrichtung
gesehenen Punkt auf dem Antriebsring zu befestigen.
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Um
die Tragkraft des Federbands weiter zu steigern, wird gemäß einer
Alternative des vorliegenden elektromechanischen Motors das Federband
bezogen auf das elektromechanische Antriebselement am entferntesten
Ort des Antriebsrings befestigt oder umgelenkt. Zur Realisierung
dieser unterschiedlichen Anordnungen des Federbands wird selbiges
an Querträger
und/oder Antriebsring permanent befestigt oder teilweise umlaufend
um Antriebsring und Querträger
bereitgestellt. Um ein Verrutschen der umlaufend angeordneten Federbänder zu
verhindern, werden diese in Nuten geführt. Diese Nuten stehen sowohl
am Querträger
als auch am Antriebsring zur Verfügung. Sollten sich unterschiedliche
Federbänder
auf dem Antriebsring kreuzen, besteht eine weitere alternative Konstruktion darin,
diese Federbänder
in unterschiedlich tief ausgebildeten Nuten zu führen. Auf diese Weise wird
der Verschleiß der
Federbänder
minimiert.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Ringmotor,
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2 aus
dem Stand der Technik bekannte Elemente des in 1 gezeigten
piezoelektrischen Ringmotors,
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3 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Ringmotors
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4 eine
weitere Ausführungsform
des piezoelektrischen Ringmotors und
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5 eine
dritte Ausführungsform
des piezoelektrischen Ringmotors.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt.
Der elektromechanische Motor 1 wird durch einen Ringmotor
mit piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 als elektromechanische
Antriebselemente gebildet. Es ist ebenfalls denkbar, die elektromechanischen
Antriebselemente 10 durch andere lineare Stellglieder zu
realisieren, die wie die piezoelektrischen Vielschichtaktoren eine
Verschiebebewegung der Welle 30 im Antriebsring 20 anregen
können.
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Die
piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 sind zwischen einem
Querträger 50 und
dem Antriebsring 20 angeordnet. Der Querträger 50 ist
bevorzugt quer zu einer Wirkrichtung 12 des in der Nähe angeordneten piezoelektrischen
Vielschichtaktors 10 ausgerichtet.
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Um
die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 mechanisch
vorzuspannen, werden unterschiedliche Vorspannelemente 40, 60 eingesetzt.
Die Vorspannelemente 40, 60 erstrecken sich parallel
zur Wirkrichtung 12 des jeweiligen piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 sowie über dessen
Länge hinaus
und zumindest teilweise über
den Antriebsring 20. Gemäß einer ersten Ausführungsform
wird das Vorspannelement 40 durch ein Federband gebildet
(vgl. 3). Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
(siehe unten) wird das Vorspannelement 60 durch einen Federdraht
gebildet.
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Die
Vorspannelemente 40, 60 bestehen aus Metall, wie
beispielsweise gängiger
Federstahl, Stahl oder andere geeignete federnde Metalle. Eine weitere
Materialalternative stellen Metalllegierungen, Verbundwerkstoffe,
wie kohlefaserverstärkter
Kunststoff (CFK) oder glaserfaserverstärkter Kunststoff (GFK), dar.
Es ist des Weiteren denkbar, die Vorspannelemente 40, 60 aus
Kevlar in Form von Fasern oder Bändern
herzustellen. Für
die Vorspannelemente 40, 60 sind somit generell
Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit und Elastizität geeignet, die die Federeigenschaften
zur Vorspannung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 gewährleisten.
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Über das
dünnwandige
Federband 40 gemäß 3 wird
der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 unter Druckvorspannung
auf Anlage an dem Antriebsring 20 gehalten. Das Federband 40 steht
dabei unter Zugspannung. Gemäß einer
ersten Alternative werden die Federbände 40 mechanisch
steif an dem Querträger 50 befestigt.
Der Querträger 50 dient
der mechanischen Anbindung an das Motorgehäuse (nicht gezeigt) des elektromechanischen
Motors 1. Die Befestigung des Federbands 40 am
Querträger 50 erfolgt
durch Schweißen
oder andere geeignete Befestigungsverfahren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
werden die Federbänder 40 unter
Zugspannung stehend am Antriebsring 20 an einem in Wirkrichtung 12 des
vorzuspannenden piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 gesehenen beliebigen
Punkt befestigt. Diese Befestigung wird ebenfalls bevorzugt durch
Schweißen
oder in ähnlicher Weise,
wie es oben beschrieben worden ist, realisiert.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Federbänder 40 unter Zugspannung
stehend am Antriebsring 20 an einem Punkt befestigt, der
sich in Wirkrichtung 12 des vorzuspannenden piezoelektrischen
Vielschichtaktors 10 gesehen und bezogen auf den vorzuspannenden
piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 am entferntesten
Ort P des Antriebsrings 20 befindet. Diese Anordnung ist
beispielgebend in 3 dargestellt. In gleicher Weise
wie am Querträger 50 ist
das Federband 40 am Punkt P permanent befestigt. Die Befestigung
des Federbands 40 wird durch Schweißen, Nieten, Löten oder
auf ähnlich
effektive Weise erzielt. Statt der Befestigung der Federbänder 40 durch
Schweißen
sind alternativ auch formschlüssige
Verbindungsarten realisierbar.
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Weiterhin
weist der Antriebsring 20 und/oder der entsprechende Querträger 50 Nuten 22 auf,
in denen die Federbänder 40 geführt sind.
Damit sich die Federbänder 40 nicht
gegenseitig in ihrer Bewegung behindern oder verschleißen, verlaufen
sich kreuzende Federbänder 40 in
unterschiedlichen Ebenen. Diese unterschiedlichen Ebenen werden
mit Hilfe unterschiedlich tiefer Nuten 22 in Antriebsring 20 und
Querträger 50 bereitgestellt.
Zudem soll ein schädlicher
Reibkontakt zwischen dem Antriebsring 20 und den Federbändern 40 sowie
zwischen den piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 und
den Federbändern 40 vermieden
werden. Daher sind entweder der Antriebsring 20 oder die
Querträger 50 in
der Nähe
der Auflagepunkte der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 derart
gestaltet, dass die hier nicht gezeigten elektrischen Anschlüsse der
piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 kurzschlusssicher
aus dem ebenfalls nicht gezeigten Motorgehäuse herausgeführt werden.
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Gemäß einer
weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung sind die obigen
Federbänder 40 nicht am
Querträger 50 und/oder
Antriebsring 20 befestigt. Stattdessen sind die Federbänder 40 umlaufend
um den Querträger 50 und/oder
den Antriebsring 20 angeordnet. Mit dieser Konstruktion
werden die Federbänder 40 im
Vergleich zur obigen Anordnung verlängert, was die geforderten
Federeigenschaften fördert.
Auch bei der um den Querträger 50 und/oder
den Antriebsring 20 umlaufenden Anordnung des Federbands 40 ist
es vorteilhaft, das oder die Federbänder 40 in dafür vorgesehenen
Nuten am Querträger 50 und
am Antriebsring 20 anzuordnen.
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Die
Nutzung der maximal verfügbaren
Länge für die Federbänder 40 hat
den Vorteil, dass die Federrate der Federbänder 40 rohrfedertypisch
klein gehalten werden kann und trotzdem die Tragkraft gesteigert wird.
Das folgende Rechenbeispiel für
einen vorgespannten piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 des
Ringmotors 1 mit dessen typischen Dimensionen von ca. 30
bis 60 mm Länge
und 5 × 5
bis 7 × 7
mm2 Querschnitt verdeutlicht den Sachverhalt.
Als Vorspannkraft F werden 1.200 N angesetzt. Als zulässige Materialspannung σ werden 1.000
N/mm2 angesetzt. Dieser Wert ist geringer
als eine typische Elastizitätsgrenze
von Federstahl, da sich der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 während der
Montage im unausgelenkten Zustand befindet und während seines Betriebs durch
die Auslenkung noch ein dynamischer mechanischer Spannungsanteil
additiv hinzukommt. Setzt man die Werte für σ und F in die Gleichung σ = F/A ein,
ergibt sich für
den Querschnitt A eine Fläche
von 1,2 mm2. Der Querschnitt A stellt hierbei
die Summe der Querschnitte der einzelnen Federbänder 40 dar, da zwei
parallel geschaltete Federbänder 40 die
Vorspannkraft für
einen piezoelektrischen Vielschichtaktor bereitstellen.
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Eine
typische Länge
eines Federbands
40 beträgt beispielsweise 80 mm. Daher
berechnet sich die Federrate c
F der Federbänder
40 für einen
piezoelektrischen Vielschichtaktor
10 gemäß
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In
obiger Gleichung bezeichnet E den Elastizitätsmodul, A einen Querschnitt,
l die Länge
der Federbänder 40 und
cF die bereits oben erwähnte Federrate. Setzt man für den Elastizitätsmodul
einen Wert von 200·109 N/m2, für A = 1,2
mm2 und für l = 80 mm an, ergibt sich
eine Federrate cF von 3 N/μm. Diese
Federrate cF liegt ca. 10 % unter einem
typischen Wert von 3,3 N/μm
für herkömmliche
Rohr- bzw. Hohlfedern bei deutlich gesteigerter Tragfähigkeit.
Der Querschnitt eines einzelnen Federbands 40 ist basierend
auf diesem Beispiel 0,6 mm2. Das Federband 40 könnte daher
beispielsweise 4 mm breit und 0,15 mm dick sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden statt der Federbänder 40 Federdrähte 60 eingesetzt,
wie es in den 4 und 5 dargestellt
ist. Um die oben exemplarisch vorgerechneten Federeigenschaften
des Federbands 40 auch mit dem Federdraht 60 zu
erzielen, weist dieser den gleichen Querschnitt A wie das Federband 40 auf.
Der Durchmesser eines äquivalenten
Kreisquerschnitts für einen
Federdraht 60 würde
für dieses
Beispiel ca. 0,87 mm betragen.
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Wie
man in 4 erkennt, ist der Federdraht 60 entlang
der Wege des in 3 gezeigten Federbands 40 geführt. In 4 sind
zudem die aus 3 bekannten Elemente des Ringmotors 1 mit
den gleichen Bezugszeichen wie in 3 gekennzeichnet.
Die Federdrähte 60 sind
in gleicher Weise wie die oben beschriebenen Federbänder 40 befestigt
und angeordnet. Für
weitere Erläuterungen
wird daher auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Um
den aktiven Federweg des Federdrahts 60 zu verlängern, wird
bevorzugt die in 5 dargestellte Ausführungsform
genutzt. Auch hier sind bereits bekannte Komponenten des Ringmotors 1 mit
den bereits oben genutzten Bezugszeichen identi fiziert. Gemäß 5 umschlingen
die Federdrähte 60 möglichst
reibungsfrei den Antriebsring 20 und sind an der Rückseite
des Antriebsrings 20 nahe den ringseitigen Aktorauflagepunkten
AP befestigt. Zur Reibungsminimierung zwischen Antriebsring 20 und
Federdraht 60 ist der Antriebsring 20 mit Umlenkelementen 24,
beispielsweise in Form eines Zylinders, ausgestattet. Die Umlenkelemente 24 sind
entweder als separates Teil am Antriebsring 20 befestigt
oder sie sind integraler Bestandteil des Antriebsrings 20.
Neben dem genannten Umlenkhalbzylinder werden beispielsweise frei
aufliegende Umlenkvollzylinder, das heißt Umlenkwalzen, oder auch
am Antriebsring 20 befestigte Umlenkrollen eingesetzt.
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Die
mit Hilfe der in
5 dargestellten Ausführungsform
erzielte Federwegverlängerung
entspricht ungefähr
der Kantenlänge
des Antriebsrings
20. Angelehnt an obiges Rechenbeispiel
würde dann
die wirksame Federlänge
des Federdrahts
60 ca. 120 mm betragen. Für die Federrate
c
F ergibt sich dann gemäß folgender Gleichung
ein Wert von 2,0 N/μm. Auf diese
Weise ermöglicht
die Federwegverlängerung
eine weitere Steigerung der Tragfähigkeit des Federdrahts
60.
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Zur
Reduzierung der Anzahl der befestigenden Schweißpunkte sowie auftretender
Federdraht- oder Federbandenden werden vorzugsweise jeweils zwei
Vorspannelemente 40, 60 durch ein in etwa doppelt
so langes Vorspannelement 40, 60 ersetzt. Bei
dieser Anordnung umschlingt das Vorspannelement 40, 60 zumindest
teilweise den Querträger 50 und/oder
den Antriebsring 20. Als weitere Alternative werden Antriebsring 20 und
Querträger 50 mehrfach
mit dem Federdraht 60 unter Zugkraft stehend umwickelt.
Bei dieser Anordnung müssen
sowohl die Zugkraft in der Einzelwindung als auch der Querschnitt
des Fe derdrahts 60 der Windungszahl angepasst werden, um
die gewünschten
Federeigenschaften zu realisieren.