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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 kann die Drehzahl des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mehr als 3000 Umdrehungen pro Minute (U/min) betragen, 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.
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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 benötigen.
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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 ±10 V 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 Piezoelements 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 Piezoelements offen ist;
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4b eine Abbildung der Kohlenstaub-Mustererkennung in einer Frequenz von 74 kHz, wenn die Grenze des Piezoelements offen ist;
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5a eine Simulierungsabbildung von ANSYS in einer Frequenz von 20 kHz, wenn die Grenze des Piezoelements offen ist;
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5b eine weitere Simulierungsabbildung von ANSYS in einer Frequenz von 20 kHz, wenn die Grenze des Piezoelements 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 scheibenförmiges Piezoelement in einfacher Bauform Verwendung, welches aus einer Piezokeramikscheibe 11 und einer federnden metallischen Rückplatte 12 besteht, 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 Piezoelemente 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: Y = I / (V = 1 volt) = jQω / 1
- 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 der 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 Piezoelementscheibe 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. Dadurch 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 aus, 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 Piezoelements 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 Piezoelements 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. Werden diese vom Bolzen aus beobachtet, erscheint es, als wenn Wanderwellen um die Bolzen ausgebildet 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, indem die Bolzen eine exzentrische Schwingung erzeugen. 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:
| Dynamischer Modus | (a)
λ1,2 | (b)
λ3,4 | (c)
λ5 |
| λi | –0.7177
±0.64371 | 0.8794
±0.37351 | –0.0943 |
| gi | –0.0185
±0.00511 | 0.0031
±0.0075i | –0.1782 |
| Eigenfrequenz (fn) | fn = 383.69 kHz | fn = 64.33 kHz | |
| Übergangs-Frequenz (fb) | | | fb = 625 kHz |
| (Dämpfungs-Verhältnis) | 0.0152 | 0.1129 | - |
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In der Tabelle ist λ
5 in Teil (c) als Übergangsfunktion erster Ordnung dargestellt. Da die Piezokeramik selbst kapazitives Material ist, wird der dynamische Modus von λ
5 erster Ordnung durch das Merkmal der Keramik zur Hemmung der Kapazitanz erzeugt. Der dynamische Modus von λ
3,4 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 λ
1,2 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 λ
1,2 abgewichen, während die dynamischen Modi von λ
3,4 und λ
5 beibehalten werden. 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 = 148,8 nF; Rd = 2,781 Ω; Cm = 89,6 nF; Rm1 = 37,3 Ω; Rm2 = –9,943 Ω; Lm =48,8 μH; RL = –8,15 Ω. 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.
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Literaturliste:
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- [1] V. Snitka, V. Mizariene, D. Zukauskas, ”The Status of Ultrasonic Motors in the former Soviet Union”, Ultrasonics, Vol. 34 (1996) pp. 247–250
- [2] Kenji Uchino, Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors, Kluwer Academic Publishers, 1997.
- [3] Toshiiku Sashida, Takashi Kenjo, An Introduction to Ultrasonic Motors, Clarendon Press Oxford, 1993.
- [4] S. Ueha, Y. Tomikawa, M, Kurosawa and N. Nakamura, Ultrasonic Motors-Theory and Applications, Clarendon Press Oxford, 1993.
- [5] A. Daugelas, M. Kuwahara, H. Fujii, ”FEM Modelling of the piezoactive structures”, Proc. of ANSYS'96, pp. 203–216.
- [6] J. Hu, K. Nakamura, S. Ueha, ”An analysis of a noncontact ultrasonic motor with an ultrasonically levitated rotor”, Ultrasonics, Vol. 35 (1997), pp. 459–467
- [7] Riccardo Carotenuto, Nicola Lamberti, Antonio Iula and Massimo Pappalardo, ”A new low voltage piezoelectric micromotor based on stator precessional Motion”, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. & Freq. Contr., Vol. 45. no. 5 (1998) pp. 1427–1434.
- [8] Nicola Lamberti, Antonio Iula and Massimo Pappalardo, ”A piezoelectric motor using flexural vibration of a thin piezoelectric membrane”, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. & Freq. Contr., Vol. 45. no. 5 (1998) pp. 23–29.
- [9] A. Daugela and H. Fujii, ”FEM modeling of multilayered piezoactive structures”, ANSYS 1994 Conference in Japan.
- [10] Oleg Yu. Zharii, ”Modeling of a model conversion ultrasonic motor in the regime of slip”, IEEE Trans. Ultrasion. Ferroelec. & Freq. Contr, vol. 40, no. 4 (1993) pp. 414~417
- [11] J. W. Krome and J. Wallaschek, ”Novel disk type ultrasonic traveling wave motor for high torque”, IEEE Ultrasonic Symposium (1997) pp. 385–39.
- [12] T. Yamazaki, J. Ru, N. Nakamura, and S. Ueha, ”Trial construction of a noncontact ultrasonic motor with an ultrasonically levitated rotor”, Japan Journal of Apply Physics, vol. 35 (1996) pp. 3286–3288.
- [13] Anita M. Flynn, Lee S. Tavrow, Stephen F. Bart, Rodney A. Brooks, Daniel J. Ehrich, K. R. Udayakumar, and L. E. Cross, ”Piezoelectric micromotors for microrobots”, Journal of Micro-electromechanical System, vol. 1 (1992) pp. 44–51.
(Gleichstrom-Verstärkung bleibt unveränderlich.)
