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Die
Erfindung betrifft einen piezokeramischen Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor,
durch welchen der beim Betrieb herkömmlicher Elektromagnetmotoren
erzeugte elektromagnetische Interferenzeffekt sowie die Unausgeglichenheit
des Ausgangsdrehmomentes bei Rechts- und Linksdrehung herkömmlicher
Ultraschallmotoren verhindert werden. Außerdem ist die Drehzahl des
erfindungsgemäßen Ultraschallmotoren mehr
als 3000 Umdrehungen pro Minute (U/min.) zu erreichen, so dass er
als Aktuator im biomedizinischen Bereich dienen oder im Kühlungsventilator
der Computer-Zentraleinheit eingesetzt werden kann.
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Piezokeramik
spielt eine bedeutende Rolle im piezoelektrischen Aktuator. Von
piezoelektrischen Eigenschaften hängt die Leistung des Aktuators
ab. Mit der Entwicklung des Piezomaterials wird der piezoelektrische
Aktuator, insbesondere der Aktuator in gestapelter Bauweise, im
Bereich der präzisen
Positioniersteuerung verwendet. Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor
ist als gemischtes Modell eines Bimorph-Aktuators und eines Ultraschallmotors
ausgebildet, wobei das Unimorph-Piezomaterial Verwendung findet.
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Der
Ultraschallmotor ist von russischen Wissenschaftlern entwickelt
worden. Ein ursprüngliches
Experiment-Modell des Ultraschallmotors wurde 1963 bis 1964 von
M.E. Archangelskij und V. Lavrinenko [1] vorgestellt. Danach wurden
viele Untersuchungen hinsichtlich des Ultraschallmotors durchgeführt und
beschränkten sich
aber nur auf die Struktur von ringförmigen Wanderwellen. Diese
Untersuchungen sind in mathematische Deduktion, Deformation und
Verbesserung der Konfiguration gemäß Antriebsprinzip sowie Analyse
der Schwingungsart gemäß der Finite-Elemente-Methode, usw. [2-9]
unterteilt.
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In
Hinsicht auf die mathematische Untersuchung des ringförmigen Ultraschallmotors
hat Oleg Yu. Zharii eine Theorie vorgeschlagen, um die Drehzahl
des Rotors und die Energieumwandlungseffizienz, usw. [10] zu kalkulieren.
Bezüglich
der Analyse der Schwingungsart gemäß der Finite-Elemente-Methode
[11] verwendeten J. W. Krome und J. Wallaschek ANSYS-Software, die
Schwingungsart zu simulieren. Bezüglich der Deformation und der
Verbesserung der Konfiguration benutzte T. Zamazaki den berührungslosen
Ultraschallmotor [12], wobei die Oberflächen-Ultraschallwellen im Zwischenraum zwischen
dem Stator und dem Rotor übertragen
werden, um den Rotor in Drehung zu versetzen sowie die Einschränkung der
Geschwindigkeit des herkömmlichen
berührungslosen
Ultraschallmotors zu beseitigen. Außerdem verwandt Anita M. Flynn
die MEMS-Technik
zur Herstellung eines Mikroaktuators als Motorstatorvorrichtung
am Siliciumwafer, dessen ferroelektrische Dünnschicht zur Anwendung auf
die piezoelektrischen Ultraschallwellenmotoren [13] gefertigt war.
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Durch
die Erfindung ist ein piezokeramischer Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor
entwickelt, welcher von einer Beschränkung befreit ist, dass herkömmliche
Ultraschallwellenmotoren eine Zweiphasen-Antriebsleistung zum Konstruieren
von Wanderwellen und einen eingespeisten Wechselstrom mit hoher
Schwingungsamplitude benötiger.
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Ferner
ist ein piezokeramischer Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor entwickelt, durch
welchen der beim Betrieb herkömmlicher
Elektromagnetmotoren erzeugte elektromagnetische Interferenzeffekt
sowie die Unausgeglichenheit des Ausgangsdrehmomentes bei Rechts-
und Linksdrehung herkömmlicher
Ultraschallmotoren verhindert werden.
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Außerdem ist
ein piezokeramischer Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor entwickelt, dessen
Drehzahl des erfindungsgemäßen Ultraschallmotoren
mehr als 3000 U/min. zu erreichen ist, so dass er als Aktuator im
biomedizinischen Bereich dienen oder im Kühlungsventilator der Computer-Zentraleinheit
eingesetzt werden kann.
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Der
oben erwähnte
erfindungsgemäße piezoelektrische
Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor ist hauptsächlich von einer Piezoscheibe
gebildet, welche als Antriebsstator des Motors wirkt, wobei ein
am Stator angeordneter Schraubkopf als Kraftübertragungslager dient. Die
Welle des angetriebenen Rotors ist unmittelbar in einem Lager gelagert,
wobei die Kraft unter Einwirkung der Reibungskraft übertragen
wird. Die Gestaltung und die Fertigung des Motors umfasst die Beobachtung
und die Simulierung der Statorschwingungsart, die Messung des Impedanz-Frequenzgang-Verhältnisses
von Piezomaterialien, die Gestaltung des Mechanismuses von Wanderwellen,
Identifizierung des dynamischen Systems, Ableitung einer Äquivalenzschaltung, die
Messung der Drehzahl und des Drehmoments, usw. Wird der gegenwärtig hergestellte
ursprüngliche
Motor unter Wechselspannung von 74 kHz, Schwingungsamplitude von ± 10V und
Strom von 0.2 A angetrieben, kann der Motor eine Drehzahl von 3000
U/min., ein Anlaufdrehmoment von 0.003 N·m erreichen, wobei er im CD-Laufwerk,
im Kühlungsventilator
des biomedizinischen Aktuators oder in der Computer-Zentraleinheit
einsetzbar ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In
dieser zeigten:
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1a eine schematische Darstellung
des Piezosummers des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotors;
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1b eine schematische Darstellung
des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotors;
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2a eine perspektivische
Explosionsansicht des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotors;
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2b eine perspektivische
Gesamtansicht des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotors;
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2c eine Seitenansicht des
erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotors;
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3 eine schematische Darstellung
des Kohlenstaubs, welcher von statischer Elektrizität am Piezoaktuator
angehaftet ist;
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4a eine Abbildung der Kohlenstaub-Mustererkennung
in einer Frequenz von 20 kHz, wenn die Grenze des Piezosummers offen
ist;
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4b eine Abbildung der Kohlenstaub-Mustererkennung
in einer Frequenz von 74 kHz, wenn die Grenze des Piezosummers offen
ist;
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5a eine Simulierungsabbildung
von ANSYS in einer Frequenz von 20 kHz, wenn die Grenze des Piezosummers
offen ist;
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5b eine weitere Simulierungsabbildung
von ANSYS in einer Frequenz von 20 kHz, wenn die Grenze des Piezosummers
offen ist;
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6 den Zusammenhang zwischen
der Impedanz und dem Frequenzgang;
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7a eine Abbildung der Kohlenstaub-Mustererkennung,
wenn die Bolzen befestigt sind;
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7b eine ANSYS-Simulierungsabbildung;
wenn die Bolzen befestigt sind;
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8a eine Abbildung der Kohlenstaub-Mustererkennung
des Stators, an dem drei in gleichen Winkelabständen (120°) angeordnete Bolzen befestigt
sind;
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8b eine ANSYS-Simulierungsabbildung,
wenn drei in gleichen Winkelabständen
(120°) angeordnete
Bolzen befestigt sind;
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9 eine schematische Darstellung
der exzentrischen Bewegung von Bolzen;
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10 eine schematische Darstellung
einer bevorzugten Stelle für
Bolzen;
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11 eine Frequenzgangkennlinie
nach der Verstärkungskompensation
und ein Simulierungsausgangssignaldiagramm;
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12 ein Äquivalenzschaltbild des Stators
während
des Motorbetriebs; und
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13 den Zusammenhang zwischen
der Motordrehzahl (U/min.) und der Zeit (Sek.) in einem Diagramm.
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Bezugnehmend
auf 1a findet beim erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor ein scheibenförmiger Piezosummer
in einfacher Bauform Verwendung, welcher aus einer Piezokeramikscheibe 11 und
einer federnden metallischen Rückplatte 12 bestehen,
was geringeren Stromverbrauch und stabilere Schwingung zur Folge
hat.
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Wie
aus 1b ersichtlich wird
die dynamische Energie beim piezoelektrischen Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor
durch Fixierbolzen an der metallischen Rückplatte unter Einwirkung der
Schwingung eines Piezoaktuators ausgegeben. Die Konfiguration weist
zwei gegenüberliegende
Piezosummer auf, wobei drei Bolzen am Rand der Scheibe in gleichen
Winkelabständen
(120°) angeordnet
sind, während
ein weiterer Bolzen als Antriebskörper an einer exzentrischen
Stelle der Scheibe befestigt ist. Eine Welle verläuft durch
den Mittelpunkt des Rotors 22 hindurch.
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Wie
in den 2a, 2b und 2c gezeigt, weist der piezoelektrische
Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor einen von einem Befestigungswinkel 203 und
einer Grundplatte 204 gebildeten hohlen Gehäuse-Hauptkörper, eine
oben in einem Rotorlager 205 und unten in einem Statorlager 206 aufgenommene
Rotorwelle 207, eine Ausgleichscheibe 209, durch
welche die Rotorwelle 207 verläuft, auf. Der Gehäuse-Hauptkörper ist
unten mit einer Schwingungsscheibe 210 versehen, wobei
die Rotorwelle 207 die Ausgleichscheibe 209 zur
freien Drehung abstützt.
Durch Impulssignale wird die Schwingungsscheibe 210 zwischen
der Tonfrequenz und der Ultraschallfrequenz vibriert, wodurch sich
die Rotorwelle 207 frei dreht und somit die Schwingungsenergie
ausgeführt
wird. Außerdem
liegt die Betriebsfrequenz vorzugsweise im Bereich von 20 bis 200
kHz.
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Die
Scheibenschwingung ist im Wesentlichen in Schwingung von Steh- und
Wanderwellen unterteilt. Die Beobachtung der Schwingungsart in relevanter
Literatur ist meist durch die Laserinterferenztechnik durchgeführt, während die
erfindungsgemäße Schwingung
an der metallischen Rückplatte
durch Kohlenstaub-Mustererkennung beobachtet wird. Gemäß dem Arbeitsprinzip
wird die kapazitive Eigenschaft des polarisierten Piezomaterials
ausgenutzt. Wenn dem Hochfrequenzfeld die Piezoscheibe ausgesetzt
wird und der Kohlenstaub 31 auf der metallischen Rückplatte 12 gestreut
wird, wie in 3 gezeigt,
wird der Kohlenstaub durch die Energie der im Moment der Bildung
des elektrischen Felds erzeugten elektrischen Ladung 32 auf
die metallische Rückplatte 12 verteilt.
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Konzentriert
sich der Kohlenstaub bei der Stehwellenart auf den Radialknotenring
und die Bogenknoten-Durchmesserlinie, wie in 4a, 4b, 7a, 7b, 8a und 8b, dann ergibt sich eine
von Wellenbauch und Knotenpunkten gebildeten Statusabbildung zur
unmittelbaren Beobachtung. Im Vergleich zur Michelson-Interferenzmethode
in Beobachtung der Schwingungsart an der metallischen Rückplatte
hat die in der erfindungsgemäßen Untersuchung
verwendete Entwicklungsmethode die Funktion der Direkt- und Gesamtfeld-Beobachtung.
Außerdem
ist sie eine einfache und wirksame Methode. Bei der Kohlenstaub-Mustererkennungsmethode zur
Beobachtung der Scheibenschwingung kann die Schwingungsart (Wander-
oder Stehwellenart) an der Scheibe dadurch beurteilt werden, dass
die Kohlenstaubabbildung klar oder unklar ist. Der Grund dafür ist, dass
die dynamische Abbildung des Kohlenstaubs entlang der Wellenwanderrichtung
entsteht. Außerdem
wird aus der Kohlenstaubverteilungsabbildung deutlich, dass die
Reflexionswellen vorhanden sind, wenn die Wanderwellen. bei Fortbewegung
auf harte Reflexionsbolzen stoßen
und der Kohlenstaub an der Stelle von Wellenknoten eine Abbildung
der Stehwellenart in Reflexionsrichtung hinterlässt. Wird ein Vergleich zwischen
der durch die Entwicklungsmethode ermittelten Kohlenstaubverteilungsabbildung
und der in Anwendung der Finite-Elemente-Methode simulierten Ultraschallwellenschwingungsabbildung
durchgeführt,
dann sind die Schwingungsamplitude an der Außenseite der metallischen Rückplatte
und die Verschiebung (Kontraktionsmenge) sowie die Deformationsrichtung
an der Innenseite der metallischen Rückplatte ermittelbar.
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Hinsichtlich
des Ultraschallmotors sind schon viele unterschiedliche Formeln
veröffentlicht
worden. Das physikalische Modell des Ultraschallaktuators ist normalerweise
sehr kompliziert. Außerdem
ist die mathematische Formel durch die Veränderung der Konfiguration des
Ultraschallaktuators variiert. Daher sind die Simulierung und die
Analyse des Ultraschallaktuators durch die ANSYS-Software der Finite-Elemente-Analyse (FEA)
praktischer und schneller als durch die mathematische Formel des
physikalischen Modells. Darüber
hinaus ist der dynamische Reaktionsstatus der metallischen Rückplatte
auf den Antrieb der piezoelektrischen Wellen durch die ANSYS-Analyse ermittelbar.
Dadurch wird das Prinzip der Grundgestaltung des Antreibers nachgeprüft, um die
Richtung bei Gestaltung der Konfiguration zu leiten. Daher ist die
Finite-Elemente-Analyse notwendig. In anderen Worten bezweckt die
mit der ANASYS-FEA-Software ausgeführte Computersimulisierung
wie folgt:
- 1. Optimierung der Gestaltung des
Ultraschallaktuaktors innerhalb geringster Zeitdauer;
- 2. Simulierung der Einwirkung unterschiedlicher Materialien
auf die Gestaltung des Ultraschallaktuaktors; und
- 3. Ermittlung der Wellenveränderung
an der metallischen Rückplatte.
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Die
FEA-Durchführung
ist in zwei Teile eingeteilt, nämlich
Modalanalyse und harmonische Analyse. Durch die Modalanalyse ist
die Eigenresonanzfrequenz der Piezoscheibe ermittelbar, während durch
die harmonische Analyse die dynamische Reaktion der angelegten Wechselspannung
ermittelt werden kann (siehe 5).
Ist die Frequenz der angelegten Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz
der Ultraschallwellen der Piezoscheibe identisch, bekommt die Piezoscheibe
die größte Ausgangsleitung.
Außerdem
ist die simulierte Schwingungsart, wie in 6 gezeigt, mit den sich aus der Kohlenstaub-Mustererkennung
ergebenden, in den 5a und 5b dargestellten Abbildungen
vergleichbar.
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Um
die Richtigkeit des Parameters der Piezomaterialien nachzuprüfen, werden
die Eigen- und Parallelresonanz der Piezoscheibe durch die FEA-Software
berechnet, wobei das berechnete Ergebnis mit dem durch HP-Impedanz-Analysator
gemessenen Wert verglichen wird. Sind die beiden Werte fast identisch,
dann bedeutet es, dass der simulierte Piezokoeffizient dem Istwert
nahezu entspricht. Der Wellenleitwert ist mittels der folgenden
Formel darstellbar:
I: elektrischer Strom; V:
angelegte Spannung (1 Volt);
Q: Gesamtwert der elektrischen
Ladung, die bei der Spannung von 1 Volt an der Piezoscheibe induziert
ist;
ω:
Echofrequenz
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6 stellt den Zusammenhang
zwischen der durch die Finite-Elemente-Methode(FEM)-Software bzw.
durch den Impedanzanalysator ermittelten Impedanz und dem Frequenzgang
in einem Diagramm dar. Durch Kalkulierung mit der FEA-Software beträgt die Eigenresonanzfrequenz
67.5 kHz, während
sie durch den Impedanzanalysator 72.5 kHz darstellt, so dass der
Unterschied dazwischen 6.9% beträgt.
Daraus wird deutlich, dass das für
die FEA-Simulierung verwendete Piezomaterial dem Piezomaterial der
tatsächlichen
Piezoscheibe ähnelt
und aber damit nicht identisch ist, d.h. der durch FEA-Software
simulierte Piezokoeffizient braucht korrigiert zu werden. Außerdem ist
aus 6 ersichtlich, dass
die durch die FEA-Software ermittelte Eigenresonanzfrequenz höher ist
als der durch den Impedanzanalysator ermittelte Wert. Der Grund
dafür liegt darin,
dass die Dämpfung
der Materialien und der Konfiguration bei FEA-Simulisierung nicht
berücksichtigt wird.
Trotz der Eingabe unterschiedlicher Materialparameter für Piezoscheiben
werden beim Aufbau eines geometrischen Strukturmodells die metallische
Rückplatte
und die Piezokeramikscheibe als Baueinheit betrachtet. In der Realität ist die
Piezosummerscheibe dadurch gebildet, dass die Piezokeramik mit Silberkleber
an der metallischen Rückplatte
angeklebt wird. Die Optimierung der Simulierung erfolgt nur dann,
wenn die Formgebungsfunktion vom SHELL63-Element in Kopplung mit dem SOLID5-Element
aus Piezomaterial gebraucht wird, um das Wellenverhalten an der
metallischen Rückplatte
zu analysieren. Daraus ergibt sich, dass eine genauere Simulisierung
nur dann möglich
ist, wenn der Koeffizient des Piezomaterials oder des Metallmaterials sowie
die Modellkonstruktion geändert
werden. Der oben erwähnte
Unterschied wirkt sich aber nicht auf die qualitative Analyse der
vorliegenden Untersuchung, wobei er aber als Grundlage bei der Betätigungsanalyse dienen
kann.
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Normalerweise
wird die Scheibe in radialer Richtung geschwungen, wobei die Piezokeramikscheibe in
radialer und axialer Richtung vibriert wird. Wird die Spannung angelegt,
verläuft
die Scheibe in radialer Richtung. Aufgrund von Poissonschem Verhältnis zieht
sich die Scheibe in Richtung von deren Dicke zusammen. Daher ist
eine Reihe von Knotenringen sichtbar, wobei deren Anzahl mit der
Erhöhung
der Frequenz zunimmt. Die Stelle der Knotenringe entspricht etwa
dem Lösungswert
der Bessel-Funktion (siehe
5a und
5b). Die Wellengleichung
an der Statorscheibe für
nichtaxial symmetrische freie Schwingung ist wie folgt darstellbar:
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Wenn α Radius der
Scheibe bezeichnet, dann ist das Merkmal der Schwingung wie folgt
darstellbar:
(n stellt die Anzahl von
radialen Knotenlinien dar.)
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Bei
nichtaxial symmetrischer freier Schwingung sind nicht alle Wellengleichungen
an der Scheibe die Bessel-Funktion null-ter Ordnung, und deren Ordnung
wird von n in (2) bestimmt. Bessel-Funktion ist eine fast zyklische
Schwingungsfunktion mit allmählich
verkleinerter Schwingungsamplitude. Die zyklische Schwingung ist
im Wesentlichen aus der durch Kohlenstaub-Mustererkennung dargestellten
Abbildung ersichtlich. Werden Stehwellen in der Bogenrichtung an
der Schwingungsebene gebildet, wird der n-Wert von der Anzahl von
Knotenlinien bestimmt.
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Durch
die oben erwähnten
Deduktionsergebnisse unter Berücksichtung
der durch das Kohlenstaub-Mustererkennungsexperiment
und die FEA-Simulierung ermittelten Abbildungen kann die Wellengleichung
der nichtaxial symmetrischen ausgeführten Schwingung der Piezoscheibe
als Bessel-Funktion n-ter. Ordnung der ersten Klassifikation bezeichnen
werden.
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Die
durch das Kohlenstaub-Mustererkennungsexperiment und durch die FEA-Simulierung
ermittelten Stehwellen haben zwei Sorten von Randstatus zur Auseinandersetzung:
- a) Abbildung der Schwingungsart der bei freiem
Rand befindliche Tonfrequenz bis zur Ultraschallwellen; und
- b) Varianz der Schwingungsart der Piezoscheibe, deren Ränder abgestützt und
mit Bolzen positioniert sind.
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a) Unter Umständen von
freien Rändern
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4a und 4b stellen Abbildungen der Kohlenstaub-Mustererkennung der
Stehwellen dar, welche im Bereich der Tonfrequenz und der Ultraschallfrequenz
erzeugt sind. 5a und 5b stellen entsprechende
Simulierungsabbildungen der FEA-Schwingungsart dar. Daraus ist ersichtlich,
dass nur die Knotenstelle bei der Tonfrequenz undeutlich sichtbar
ist, während
die ringförmige
Verteilung der Knoten bei der Ultraschallwellenfrequenz deutlich
sichtbar ist. Daraus ergibt sich, dass die ausgegebene Leistung
des Piezosummers bei der Schwingung im Bereich der Tonfrequenz geringer
ist als die bei der Schwingung im Bereich der Ultraschallwellen,
wobei die Wellenlänge
mit der Erhöhung
der Frequenz verkleinert wird. Außerdem steht die benötigte Energie
von Kohlenstaub in Bewegung zur Knotenstelle in direktem Verhältnis mit
der Entfernung. Daher je kürzer die
Wellenlänge
ist und je kürzer
die Bewegungsentfernung ist, desto deutlicher zeigt sich die Ultraschallabbildung.
Die Deutlichkeit der Kohlenstaubabbildung hängt nicht nur von der Wellenlänge, sondern
auch von der durch die Schwingung ausgegebenen Leistung ab. Durch
die Kohlenstaub-Mustererkennung
kann die Oberflächenwellen
des Piezosummers deutlich beobachtet werden. Außerdem beträgt die optimale Antriebsspannung
mehr als 10 kHz, so dass eine größere Ausgangsleistung
gewährleistet
ist.
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b) Unter Umständen von
abgestützten
Rändern
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In
den 7a und 7b sind die Kohlenstaubabbildung
und die Simulierungsabbildung dargestellt, wobei die Bolzen an dem
zusätzlichen
Befestigungswinkel angebracht sind und die Schwingungsamplitude
null beträgt.
Daraus ist die Verteilung von ringförmigen Knotenkreisen und radialen
Knotenpunkten ersichtlich. Dies zeigt sich, dass zwei Stehwellenbewegungen
auf der dünnen
Scheibe vorhanden sind. Die eine Stehwellenbewegung ist die Verteilung
der durch den radialen Verlauf gebildeten, ringförmigen Knotenringe, während die andere
Stehwellenbewegung die Verteilung der durch den gebogenen Verlauf
gebildeten Radialknotenlinien ist. Die Bolzen dienen starr befestigt
und den Wellen gegenüber
als Reflektor (dessen Mitteldichte relativ größer ist), so dass die Reflexion
stärker
ist als die Diffraktion, was eine deutliche Verteilung der radialen
Knotenlinien verursacht. Befinden sich die Bolzen an der Stelle
der radialen Ringknoten oder an der Stelle des radialen Ringwellenbergs,
werden unterschiedliche Stehwellenarten erzeugt. Daher kann die
Kraftübertragungsart des
PiezoAktuators gestaltet werden, indem die Schwingungsart der Scheibe
durch Bolzen verändert
wird.
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8a und 8b stellen die Verteilung von Knotenpunkten
an der metallischen Rückplatte
mit drei in gleichen Winkelabständen
von 120° angeordneten
Reflexionsbolzen dar. Die Schubkraft für die Drehung des Rotors wird
durch die Wellenbewegung von am Stator befindlichen Partikeln übertragen,
so dass die Kontaktpunkte an der Stelle der größten Schwingungsamplitude angeordnet
sein müssen.
Die Kraftübertragung
der Kontaktpunkte erfolgt dadurch, dass die Bolzen an der metallischen
Rückplatte
befestigt sind. Wird den Impulssignalen der Stator ausgesetzt, wirkt
eine Schubkraft aus drei Richtungen nacheinander auf das Umfeld der
Bolzen, so dass die Bolzen eine wie in 9 gezeigte exzentrische Schwingung erzeugen.
Wird von Bolzen selbst beobachtet, wird es angenommen, dass Wanderwellen
um die Bolzen vorhanden sind. In 10 ist
eine optimale Anordnung von Kontaktpunkten dargestellt.
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Das
Arbeitsprinzip wird wie folgt beschrieben. Die Piezoscheibe dient
als Mittel zum Umwandeln der elektrischen in mechanische Energie.
Wird die Wechselspannung an die Piezoscheibe angelegt, wird eine
Gegentaktkraft durch Piezokeramik unter Einwirkung des inversen
piezoelektrischen Effekts erzeugt, was die metallische Rückplatte
andrückt,
um mechanische Wellen zu erzeugen, welche in radialer Richtung und
in Umfangsrichtung verlaufen. Das Material der Bolzen unterscheidet
sich von der Nickellegierung der metallischen Rückplatte, so dass die Bolzen
bei der Wellenübertragung
als Reflexionspunkt wirken. Durch die von drei außen befindlichen
Bolzen gebildeten Reflexionspunkte können die Reflexionswellen auf
den Kreismittelpunkt zurückgeführt werden,
um die exzentrischen Bolzen zu schwingen. 8a und 8b sind
Abbildungen der Kohlenstaub-Mustererkennung und der Simulierung.
Unterschiedliche Wanderentfernung der Reflexionswellen ruft bei
der Ankunft einen gegenseitigen Wanderphasenunterschied hervor,
wobei ein geeigneter Antriebspunkt gewählt wird, so dass um den Antriebspunkt
umlaufende Dreiphasen-Wanderwellen an dieser Stelle erzeugt werden
und somit der Dreiphasenantrieb erreichbar ist, was der Welle das
Drehmoment verleiht, um den Rotor in Rotation zu versetzen.
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Einige
Aspekte des Piezomaterials hinsichtlich des Temperaturanstiegs und
der Wellenbewegung sind bei Stand der Technik noch nicht erklärt. Wird
das System gemäß diesem
komplizierten physikalischen Modell konstruiert, dann kann der dynamische
Status des Motors komplett und korrekt nicht beschrieben werden.
Das erfindungsgemäße Experiment
wird derart gestaltet, dass die Spannungs- und Stromsignale an beiden
Enden des Piezoaktuator-Stators beim Motorbetrieb ermittelt werden.
Durch die Systemidentifikation ist eine dynamische Verschiebungsfunktion
dieses Systems erhältlich.
Diese Funktion dient zum Aufbau des Systems und zur Ableitung der
weiteren Äquivalenzschaltung.
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Bei
Ermittlung der Signale der Eingangsspannung und des Ausgangsstroms
wird eine Abtastfrequenz von 1 MHz verwendet. Dadurch wird divergierende Übertragungsfunktion
G(B) erster Ordnung (5/5) erzeugt, wobei diese Übergangsfunktion wie folgt
darstellbar ist:
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Dann
wird die Funktion (3) in folgende Funktion (4) verwandelt, wobei
der relevante Koeffizient wie folgt darstellbar ist:
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In
der Tabelle ist λ5 in Teil (c) als Übergangsfunktion erster Ordnung
dargestellt. Da die Piezokeramik selbst kapazitives Material ist,
wird der dynamische Modus von λ5 erster Ordnung durch das Merkmal der Keramik
zur Hemmung der Kapazitanz erzeugt. Der dynamische Modus von λ3,4 in
Teil (b) hat eine Resonanzfrequenz von 64.3 kHz, welche dem Resonanzbereich
der Piezokeramik mit einer Frequenz von 72 kHz ähnelt. Daraus ergibt sich,
dass dieser dynamische Modus das Merkmal dieses Resonanzbereichs
darstellt. Der dynamische Modus von λ1,2 in
Teil (a) hat eine Resonanzfrequenz von 383.69 kHz, welche von der
Betriebsfrequenz des Motors weit abgewichen ist. Daher spielt dieser
dynamische Modus eine unbedeutende Rolle für die Stabilisierung dieses
Systems. Daher wird der dynamische Modus von λ1,2 abgewichen,
während
die dynamischen Modi von λ3,4 und λ5 beibehalten werden.
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Dadurch
wird die ursprüngliche Übergangsfunktion
wie folgt geändert:
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Durch
derselbe Gleichstromverstärkungswert
(B=1 oder w=0) der Systemübergangsfunktion
vor und nach der Ordnungsreduktion ist der zu kompensierende Gleichstromverstärkungswert
von -0,021 zu ermitteln. Nach dem Einsetzen in (5)-Funktion ist
die sich nach dem Kompensieren ergebende Systemübergangsfunktion (6) (G·(B)) wie
folgt darstellbar:
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11 stellt eine Simulierung
des Systems gemäß der Übergangsfunktion
dar. Daraus ist ersichtlich, dass fast kein Unterschied zwischen
dem simulierten Stromausgabensignal und dem Istsignal vorhanden
ist.
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Aufgrund
der kurzen Zykluszeit wird das divergierende System der (7)-Funktion
durch die bilineare Umwandlung in kontinuierliche Übergangsfunktionen
(8), (9) und (10) verwandelt.
(d.M.:dynamischer
Modus; GS-V: Gleichstrom-Verstärkung)
(Gleichstrom-Verstärkung bleibt
unveränderlich.)
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Die
endgültige
dynamische Übergangsfunktion
des kontinuierlichen Systems ist wie folgt darstellbar:
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Daraus
ergibt sich das Modell einer in 12 gezeigten Äquivalenzschaltung
des Ultraschallmotors. Dabei sind die jeweiligen Werte aller in 12 gezeigten Elemente wie
folgt dargestellt: Cd=148,8nF; Rd=2,781Ω; Cm=89,6nF; Rm1=37,3Ω; Rm2=-9,943Ω; Lm=48,8μH; RL=-8,15Ω. Da die
Piezokeramik selbst positive Piezoelektrizität hat, kann die Schwingung
des Stators in Spannung zum Ausgang umgewandelt werden. Hinsichtlich
des Betriebssystems hat die Piezokeramik die Eigenschaft der Spannungsrückkopplung.
RL stellt die Eigenschaft der Äquivalenzschaltung
des negativen Widerstands dar, was das herkömmliche piezoelektrische physikalische
Modell nicht erreichen kann.
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Die
Messung des Drehmoments und der Drehzahl des Ultraschallmotors erfolgt
vom Starten des Rotors, dann durch stabile Drehung und bis zu dessen
Stoppen, wobei der Zusammenhang zwischen der Drehzahl und der Zeit
in 13 dargestellt ist.
Im Zeitbereich vom Betriebsstart bis zum stabilen Betrieb stehen
die Drehzahlveränderung
und die Zeit im Kurven-Verhältnis,
d.h. die Beschleunigung soll eine veränderliche Beschleunigung sein.
Im Zeitbereich vom stabilen Betrieb bis zum Stoppen stehen die Drehzahlveränderung
und die Zeit in linearem Verhältnis,
was eine konstante Geschwindigkeitsabnahme bedeutet. Die veränderliche
Beschleunigung besagt, dass die Kraftübertragung die Eigenschaft
der Trockenreibung aufweist. Der Rotorbetrieb wird durch die Reibungskraft ermöglicht oder
gehemmt, welche durch die relative Bewegung des Piezoaktuator-Stators
entsteht, wenn der Ultraschallmotor in Betrieb gesetzt wird. Mit
der Erhöhung
der Rotorgeschwindigkeit ist der Bereich, wo der Stator schneller
ist als der Rotor, verkleinert, was eine Annäherung an ein Gleichgewicht
zwischen dem Schubkraft und dem Widerstand zur Folge hat, während die
Ausgangstorsion null ist. Wird der Motor gestoppt, führt der
Stator dem Rotor keine Energie zur Schwingung, sondern nur den konstanten
Widerstand zu.
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Durch
den erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor wird die herkömmliche
Einschränkung
dessen beseitigt, dass die Wanderwellen durch zwei Antriebsenergien
gebildet sind und die hohe Schwingungsamplitude in die Impulswellen
eingegeben wird. Bei der Konstruierung einer Äquivalenzschaltung wird der
beim Motorbetrieb gebildete Temperaturanstieg gehemmt, wenn die
Bedeutung jedes Widerstands, jeder Kapazitanz und jeder Induktanz
in der Schaltung herausgefunden wird. Weiterhin wird die Unausgeglichenheit
der erzeugten Torsion bei Rechts- und Linksdrehung des Motors verbessert,
wobei der erfindungsgemäße piezoelektrische
Wellenantriebs-Ultraschallwellenmotor
in dem Kühlungsventilator
des biomedizinischen Aktuators oder der Computer-Zentraleinheit
eingesetzt wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr
ergeben sich für
den Fachmann im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.
Insbesondere wird der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche festgelegt.