DE4244704A1 - Wanderwellenmotor mit zylinderförmigem Schwingkörper - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wanderwellenmotor, bei dem ein Antriebsmoment mit Hilfe von Dehnkörpern, z. B. piezoelektrischen, Elektrostriktions- oder Magnetostriktions­ elementen, die an einen elastischen Schwingkörper gekoppelt sind, erzeugt wird. Motoren solcher Art besitzen u. a. den Vor­ teil, ohne Getriebe hohe Drehmomente bei anwenderfreundlichen niedrigen Drehzahlen zu erzeugen. Ein solcher Wanderwellenmo­ tor ist z. B. aus der DE-OS 39 27 040 bekannt. Er besteht aus einem Rotor und einem Schwingstator, die unter Druck in Kon­ takt stehen, wobei die Kontaktfläche mit einem geeigneten Reibbelag versehen ist.

Über die Dehnkörper werden in dem elastischen Material des Stators Wanderwellen angeregt. Die Oberflächenelemente des Stators im Bereich der Kontaktfläche mit dem Rotor bewegen sich dabei auf elliptischen Bahnen. Zwischen den kraftschlüs­ sig gekoppelten Stator- und Rotoroberflächen entstehen daher an der Kontaktzone zwischen den beiden Oberflächen tangentiale Kräfte, die zur Ausbildung einer Rotorbewegung führen.

In einer Platte mit endlicher Dicke lassen sich Wanderwellen mit ellipsenförmiger Bahn der Oberflächenpunkte durch phasen­ richtig überlagerte Schwingungen gleicher Frequenz erzeugen. Auch in einem Hohlzylinder können auf diese Weise Wanderwellen angeregt werden. Ein die Zylindermanteloberfläche berührender Rotor wird durch die Wanderwelle um den Zylinder herum bewegt.

In der DE-OS 39 27 040 wird ein Wanderwellenmotor beschrieben, der ein stabförmiges oder zylindrisches elastisches Glied so­ wie ein oder mehrere in oder auf dem elastischen Glied ange­ brachte piezoelektische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente aufweist und bei dem ein zylindri­ scher Rotor gegen das elastische Glied angedrückt gehalten wird. Eine auf der Oberfläche des elastischen Glieds erzeugte, von einer Längswelle und einer Querwelle gebildete fortschrei­ tende Welle wird dabei in eine gerichtete Drehbewegung des Ro­ tors umgesetzt. Wie die Fig. 3 und 4 der DE-OS 39 27 040 zeigen, sind bei diesem bekanntem Motor die Piezokeramiken kreisringförmig ausgeführt und rotationssymmetrisch zur Zylin­ derachse angeordnet. Solche Anordnungen besitzen wesentliche Nachteile. Die Dehnkörper Piezokeramiken erweisen sich insbe­ sondere bei größeren Ausführungen als sehr empfindlich gegen­ über von durch Verwerfungen verursachten Brüchen. Außerdem werden die Eigenschaften des Motors stark durch die in ihrer Kopplungsgüte temperaturabhängige Verklebung zwischen Pie­ zokeramik und Stator beeinflußt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des Standes der Technik und insbesondere die Angabe eines Wanderwellenmotors, bei dem die erwähnten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Wanderwellenmotor bestehend aus einem hohlzylinderförmigen Stator aus einem elastischen Material, mindestens zwei steuer­ baren Dehnkörpern zur Anregung von Wanderwellen und einem Ro­ tor, der unter Druck in Kontakt mit dem Stator steht, die Dehnkörper radialsymmetrisch und senkrecht zur Zylinderachse und gegeneinander um einen Winkel von 45° verdreht angeordnet und durch Klemmkräfte an gegenüberliegenden Seiten des Stators gehalten werden. Die Erfindung geht von der Idee aus, daß Stehwellen vom Biegeschwingungstyp im elastischen Zy­ lindermantel durch die radialsymmetrisch angeordneten Dehnungselemente durch eine Stauchung bzw. Dehnung des Zylin­ derquerschnitts angeregt werden. Ihre Überlagerung führt bei einer räumlichen Phasenverschiebung von λ/4 (λ = Wellenlänge der Schwingung) und einer zeitlichen Phasenverschiebung von 90° zur Ausbildung von auf dem Zylinderumfang umlaufenden Wan­ derwellen. Die Dehnkörper können sowohl im Innern des Hohlzy­ linders als auch außen angeordnet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Motor kann die Länge des Zylinders sowohl größer als auch kleiner oder gleich dem Zylinderdurchmesser sein. Ein Drehmoment kann dann mit einem Innen- oder Außenläufer, der in einem kraftschlüssigen Kontakt mit dem Stator steht, abgenommen werden. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Wanderwellenmotor an­ hand von Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Stators des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung längs der Zylinderachse des Stators;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfüh­ rungsform des Stators des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Schwingungsanregung durch einen Dehnkörper in einem Hohlzylinder aus einem elastischen Material;

Fig. 5 eine vorteilhafte symmetrische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors.

In Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors gezeigt, bei der den Schwingstator, 2 den Zylindermantel des Schwingstators, 3 einen ersten Dehn­ körper und 4 einen zweiten Dehnkörper bezeichnet. Die Dehnkör­ per 3 und 4 bestehen vorzugsweise aus piezoelektrischen Linearelementen oder elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, daß Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung und zur Ansteuerung der Dehnelemente vorzusehen sind, die jedoch der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt sind. Die beiden Dehnkörper sind um einen Winkel von 45° gegeneinander verdreht. Sie sind durch Klemmkräfte an die Innenseite des Zylindermantels 2 gehalten. Ein bewegbarer Körper oder Rotor ist ebenfalls in Fig. 1 nicht dargestellt; er kann, wie an sich bekannt, als Außen- oder Innenläufer auf der Außen­ oberfläche des Zylindermantels bzw. auf einem freien Bereich der Innenseite der Zylindermanteloberfläche in Kontakt mit dem Zylindermantel angeordnet werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Stators des erfindungsgemäßen Rotors. Zur Übertragung der Dehnungsbe­ wegung des Dehnkörpers 3 auf die gesamte Länge des Zylinder­ mantels 2 sind elastische Übertragungsmittel 3a und 3b vorge­ sehen, die auch zur Vergrößerung der Schwingamplitude dienen.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Stator, bei dem die Dehnungs­ elemente 3, 3′, 4, 4′ außerhalb des Hohlzylinders angeordnet und über Federn 31, 32, 41, 42 an den Zylindermantel angekop­ pelt sind.

Fig. 4 zeigt global Dehnungs- bzw. Stauchungsphasen eines Hohlzylinders 7. Dabei bezeichnet 5 ein erstes Teilelement eines Dehnkörpers, 5′ ein zweites Element. Die beiden Elemente sind radial im Zylinder 7 angeordnet und durch ein Mittelstück 6 getrennt. Das Mittelstück 6 enthält vorteilhaft Mittel zur Erzeugung von mechanischer Vorspannung, wie z. b. Federn, sowie elektrische Verbindungen für die Ansteuerung der Dehnelemente. Außerdem kann mit Hilfe eines elastischen mechanischen Koppelgliedes eine Impedanzanpassung vorgenommen werden. Die Mittel zur Erzeugung mechanischer Vorspannung und zur Impedanzanpassung können allerdings auch außen zwischen Dehnkörper und Zylindermantel angeordnet werden. Fig. 4a zeigt den Zylinder zu einem Zeitpunkt T1, bei dem die Dehn­ elemente 5, 5′ eine Dehnung verursachen. Fig. 4b, 4d zeigen kreissymmetrische Konfigurationen des Zylinders zu Zeitpunkten T2 und T4. Fig. 4c zeigt den Zylinder in gestauchter Konfiguration zu dem Zeitpunkt T3.

Die Anregung von Wanderwellen in dem Zylinder geschieht folgendermaßen. Durch Erzeugung von Dehnungs- und Stauchungszuständen zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten T1 bis T4, wie in Fig. 4 gezeigt, wird im Zylinder 7 eine Stehwelle vom Biegetyp angeregt: Im gedehnten Zustand der Dehnungsele­ mente 5, 5′ zum Zeitpunkt T1 werden im Kontaktbereich mit dem Dehnkörper im elastischen Zylindermantel auch lokale Stauchun­ gen erzeugt. Umgekehrt wird zum Zeitpunkt T3 in diesen Berei­ chen der Zylindermantel gedehnt. Durch eine periodische Anre­ gung dieser Art entsteht im Zylindermantel eine Stehwelle mit λ = ½ Zylinderumfang. Überlagert man dieser Stehwelle eine zweite Stehwelle gleicher Frequenz mit λ/4 räumlicher und 90° zeitlicher Phasenverschiebung, so bildet sich eine Wanderwelle aus. Im einfachsten Fall ist dies durch eine Konstruktion wie in Fig. 1 zu verwirklichen, bei der ein zweiter Dehnkörper, der gegenüber dem ersten um 45° (λ/4) räumlich versetzt ist, eine Schwingungsanregung wie in Fig. 2 mit einer zeitlichen Phasenverschiebung von 90° ausführt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Motors. Hier sind unterschiedlich polarisierte piezo­ elektrische Elemente 8, 9, 10, 11, 8′, 9′, 10′, 11′ sternför­ mig im Innern eines Hohlzylindermantels 12 aus elastischem Ma­ terial angeordnet. Die Elemente sind jeweils mit einer räumli­ chen Verschiebung von 45° bzw. λ/4 gegeneinander axialsymme­ trisch verdreht angeordnet. Mit A bzw. B bezeichnete Elemente werden mit jeweils gleicher Phase angesteuert, wobei die An­ steuerung von B gegenüber A um 90° in der Phase verschoben ist. In Fig. 3 sind die für den Fachmann selbstverständlichen Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung sowie die Ansteuerungsmittel einfachheitshalber nicht dargestellt. Die Erzeugung von Wanderwellen im Zylindermantel 12 geschieht fol­ gendermaßen: Bei Ansteuerung der Elemente 9, 9′ mit einem Si­ gnal bestimmter Polarität A erfolgt z. B. eine Dehnung: Die entgegengesetzt zu den Elementen 9, 9′ polarisierten Elemente 11, 11′ werden mit einem Signal gleicher Polarität A angesteu­ ert; sie führen dann eine Kontraktion senkrecht zur durch die Elemente 9, 9′ erzeugten Dehnungsbewegung aus. Dies entspricht der Konfiguration in Fig. 4a. Entsprechend wird bei einer Stauchung durch die Kontraktion der Dehnungselemente 9, 9′ eine Dehnung entlang der senkrecht hierzu verlaufende Linie durch die Elemente 11, 11′ bewirkt (vgl. Fig. 4c). Durch die Verwendung der zusätzlichen Dehnungselemente 11, 11′ läßt sich die Dehnungs-Stauchungs-Deformation des Zylinders gegenüber einer einfachen Konfiguration wie in Fig. 4a genauer kontrol­ lieren, wenn die Dehnungselemente 11, 11′ separat gegenüber den Elementen 9, 9′ steuerbar sind. Die mit B gekennzeichneten Dehnungselemente 8, 8′ und 10, 10′ werden mit einer zeitlichen Phasenverschiebung von 90° gegenüber den mit A gekennzeichne­ ten Dehnungselementen angesteuert.

In Fig. 6 ist eine dreiphasige symmetrische Ausführungsform des Stators eines erfindungsgemäßen Motors gezeigt. Hierbei bezeichnet 13 den Zylindermantel, 14, 14′, 15, 15′, 16, 16′ be­ zeichnen Dehnelemente, die gegeneinander mit einem Drehwinkel von jeweils 60° angeordnet sind. Für eine dreiphasige Anregung von Wanderwellen werden die Elementenpaare 14, 14′ mit einer Phasenverschiebung von 120° gegenüber den Elementen von 15, 15′ und einer Verschiebung von 240° gegenüber den Elementen­ paaren 16, 16′ angesteuert.

Abschließend sei bemerkt, daß der Motor auch als Linearmotor betrieben werden kann, d. h., der Rotor nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch ausgeführt sein muß.

Claims (11)

1. Wanderwellenmotor, bestehend aus einem hohlzylinderförmi­ gen Stator aus einem elastischen Material, mindestens zwei steuerbaren Dehnkörpern zur Anregung von Wanderwellen und einem Rotor, der unter Druck in Kontakt mit dem Stator steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnkörper radial­ symmetrisch und senkrecht zur Zylinderachse und gegeneinander verdreht angeordnet und durch Klemmkräfte an gegenüberliegenden Seiten des Stators gehalten werden.

2. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dehnkörper piezokeramische, magnetostriktive oder elektrostriktive Aktoren vorgesehen sind.

3. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dehnkörper piezokeramische Linearelemente vor­ gesehen sind.

4. Wanderwellenmotor nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Außenläufer ausgebildet ist.

5. Wanderwellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Innenläufer ausgebildet ist.

6. Wanderwellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß genau zwei Dehnkörper vorgesehen sind, die um einen Winkel von λ/4 (λ = Wellenlänge der Wanderwelle) verdreht sind.

7. Wanderwellenmotor gemäß den Ansprüchen 1, 3 bis 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Dehnkörper aus zwei Teilelementen gebildet und durch eine Mittelelektrode angesteuert wird.

8. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dehnkörper jeweils aus zwei Dehnungselementen gebildet sind, die sternförmig und senkrecht zur Zylinderachse unter einem Drehwinkel von λ/4 zum jeweils nächsten Dehnungselement angeordnet sind.

9. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß einem ersten Paar gegenüberliegender Dehnungselemente ein zweites Paar senkrecht zu dem ersten Paar stehender Dehnungselemente zugeordnet ist und daß der Dehnung bzw. Kontraktion des ersten Elementenpaares eine entgegengesetzte Bewegung des zweiten Paares entspricht.

10. Wanderwellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 8, da­ durch gekennzeichnet, daß als Dehnungselemente piezokeramische Linearelemente vorgesehen sind und daß jeweils die neben einem in vorgegebener Richtung polarisiertem Element angeordneten Elemente einander entgegengesetzt polarisiert und daß Nächste- Nachbarelemente mit einem Signal mit einer zeitlichen Phasendifferenz von 90° und Übernächste-Nachbarelemente mit gleicher Phase angesteuert werden.

11. Wanderwellenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine individuelle Ansteuerung der einzelnen Dehnungselemente zur Erzeugung von Wanderwellen vorgesehen ist.