DE69406876T2

DE69406876T2 - Elektrischer Motor mit Vibrationselementen und elastischer Kupplung

Info

Publication number: DE69406876T2
Application number: DE69406876T
Authority: DE
Inventors: Frank Claeyssen; Letty Ronan Le; Nicolas Lhermet
Original assignee: Figest BV
Current assignee: Figest BV
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1994-08-11
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2014-08-12
Also published as: EP0643427A1; ATE160468T1; FR2709213A1; JPH07154979A; EP0643427B1; ES2071602T1; DE69406876D1; US5532540A; FR2709213B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Motor mit wenigstens einem Paar von Wandlern, die jeder ein Schwingungselement aufweisen und kolinear in ständigem Kontakt mit einem Gehäuse angeordnet sind und derart erregt werden, dass ihre Schwingungselemente mit derselben Frequenz entsprechend der Ausrichtung der Wandler, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 90º, schwingen, mit einem elastischen Kopplungsmittel, auf welches die Schwingungen der beiden Wandler gegeben werden, und mit wenigstens einem durch Reibung vom Kopplungsmittel angetriebenen Element, dessen Berührungszone mit dem angetriebenen Element zu einer kreisförmigen oder elliptischen Bewegung angeregt wird.
Es wurde bereits vorgeschlagen, derartige Motoren oder Betätigungsorgane mit Hilfe von piezoelektrischen Vorrichtungen herzustellen. Derartige piezoelektrische Motoren werden auf den Seiten 470 bis 473 des Kapitels "Piezokeramische Vibromotoren" der Zeitschrift "FEINGERÄTETECHNIK", Oktober 1983, beschrieben. Diese Zeitschrift beschreibt ein piezoelektrisches Betätigungsorgan, welches zwei piezoelektrische Vorrichtungen verwendet, die senkrecht zueinander angeordnet und durch ein Kopplungselement in Form einer Kugel oder eines Halbzylinders verbunden sind, derart, dass das Kopplungselement in eine kreisförmige oder elliptische Bewegung versetzt wird, was es erlaubt, dass es ein Betätigungsorgan durch Reibung antreibt, oder umgekehrt angetrieben wird.
Anwendungen dieses Antriebsprinzips werden übrigens im Patent US 4 613 782 beschrieben. Dieses Patent beschreibt insbesondere einen Motor mit zwei piezoelektrischen Mehrschichtwandlern, die kolinear auf einer Basis befestigt sind, und mit einer Kopplungsstruktur, welche die Schwingungen der piezoelektrischen Vorrichtungen kombiniert. Diese Struktur besteht aus vier Verbindungsstäben, die miteinander und mit der Basis durch sieben Gelenke verbunden sind, derart, dass eine polygonale Struktur gebildet wird, deren eine Seite von der Basis selber gebildet wird. Die Verwendung piezoelektrischer Mehrschichtelemente erlaubt es, eine verhältnismässig hohe Schwingungskraft zu erhalten, jedoch ist der Wirkungsgrad des Motors trotzdem verhältnismässig schwach, weil ein Teil der die Wandler anregenden Schwingungen von der Basis absorbiert wird. Andererseits sind die Resonanzschwingungen diffus , also nicht ausnutzbar, und die Beherrschung der Kopplungsstruktur ist schwierig. Schliesslich hat das Ganze eine gewisse Komplexität, die seine Herstellung delikat und kostspielig macht.
Aus der Patentanmeldung EP 0 370 508 kennt man einen Ultraschallmotor, der aus einem Wandler besteht, der diametral in einem Kopplungsmittel montiert ist; dieses Kopplungsmittel besteht aus einem zylindrischen Vibrator, der Motoren antreibt, die um den zylindrischen Vibrator herum angeordnet sind. Wenn der Wandler angeregt wird, verformt sich der Vibratorquerschnitt gemäss einer Ellipse, aber jeder Materialpunkt des Vibrators bewegt sich in Richtung einer linearen, hin- und hergehenden Trajektone. Es ist jedoch bekannt, dass eine lineare Trajektone wesentlich weniger wirksam ist als eine elliptische Trajektone. Ausserdem kann die Rotationsrichtung eines solchen Motors nicht umgekehrt werden. Die Anfügung eines zweiten Wandlers modifiziert diese Bedingungen nicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad dieses Motortyps zu erhöhen, die Beherrschung seiner Parameter zu erleichtern und den Anwendungsbereich zu erweitern, und zwar durch Mittel, die so einfach wie möglich sind. Zu diesem Zweck hat man vor allem versucht, bei den Kopplungsmitteln einzugreifen.
Der elektrische Motor nach der Erfindung ist durch den Anspruch 1 definiert.
In einem solchen Motor beschreibt jeder Punkt des elastischen Kopplungsteils eine elliptische Trajektone mit einer mehr oder weniger ausgeprägten Exzentrizität, und alle Punkte des elastischen Teils beschreiben eine Ellipse im selben Sinne und in Phase, unabhängig von ihrer Lage auf dem elastischen Teil. Die Bewegungsrichtung kann durch einfache Umkehr der Speisung eines der Wandler umgekehrt werden.
Die Form des Kopplungselements, welche die dreifache Rolle des Schwingungskopplers, des geometrischen Schwingungstransformators und des mechanischen Amplitudentransformators spielt, erweist sich besonders vorteilhaft. Sie ist insbesondere dazu geeignet, Bewegungsamplituden und Kraftamplituden zu transformieren. Sie trägt zur Resonanz des Ganzen bei.
Die Wandler sind vom piezoelektrischen, magnetostriktiven oder elektrostriktiven Typ.
Das Kopplungsteil hat vorzugsweise die Form eines Ringes, d.h. es arbeitet in einer Ebene, oder hat Volumform, beispielsweise die Form eines Ellipsoids, der sich in allen Richtungen verformt.
Bei einem elliptischen Ring, der in Richtung seiner grossen Achse komprimiert wird, werden die Amplituden der Radialbewegung in Richtung seiner kleinen Achse in einem Verhältnis verstärkt, welches in nicht vernachlässigbarer Weise grösser als 1 und nah dem Verhältnis grosse Achse/kleine Achse ist. In der Praxis lassen sich Verstärkungen von 2 bis 5 erreichen. Die Kräfte werden umgekehrt im gleichen Verhältnis verringert.
Es ist auch möglich, den elliptischen Ring oder den Ellipsoid in Richtung seiner kleinen Achse zu komprimieren. In diesem Falle werden die Bewegungsamplituden verringert, umgekehrt jedoch die Kräfte verstärkt.
Es sei bemerkt, dass der Effekt der Amplitudentransformation nur bei der Bildung der radialen Bewegungskomponente des Berührungspunktes mit dem angetriebenen Element eine Rolle spielt. Seine axiale Komponente ist im Prinzip von diesem Effekt und daher von der Gestalt des Ringes bzw. des Volumens unabhängig. Diese Feststellung ist sehr wichtig, wenn es sich darum handelt, eine befriedigende Funktion bei Resonanz zu erhalten.
Das Kopplungselement erlaubt es, auf einfache Weise sehr ausgeprägte Resonanzschwingungen auszunutzen, was eine elliptische Bewegung bewirkt, bei welcher die Parameter der horizontalen und der vertikalen Achse von der Frequenz der Resonanzschwingung abhängen und zu Bewegungen entweder mit sehr geringer Geschwindigkeit und starkem Moment oder mit grosser Geschwindigkeit und schwachem Moment führen können. Die Leistungen derartiger Motoren sind gegenüber denen früherer Motoren wesentlich verbessert.
Es muss auch die Einfachheit der Herstellung und folglich der verringerte Kostenaufwand hervorgehoben werden.
Die beigefügte Zeichnung zeigt beispielsweise einige Ausführungsformen des Motors nach der Erfindung.
Figur 1 veranschaulicht das Prinzip des Motors nach der Erfindung und seine Funktion.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform des ringförmigen Kopplungselements.
Figur 3 ist eine Ansicht gemäss A des Kopplungselements nach Figur 2.
Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des ringförmigen Kopplungselements.
Figur 5 ist eine Ansicht gemäss A des Kopplungselements nach Figur 4.
Figur 6 zeigt eine dritte Ausführungsform des ringförmigen Kopplungselements.
Figur 7 ist eine Ansicht gemäss A des Kopplungselements nach Figur 6.
Figur 8 zeigt ein eiförmiges Kopplungselement.
Figur 9 zeigt einen Querschnitt des Kopplungselements nach Figur 8.
Figur 10 ist ein axialer Schnitt des Kopplungselements nach Figur 8.
Figur 11 ist eine schematische axiale Ansicht eines Motors mit zwei Läufern und zwei Antriebsvorrichtungen.
Figur 12 ist ein axialer Schnitt gemäss XII-XII des Motors nach Figur 11.
Figur 13 zeigt einen Wagen mit Linearmotor mit äusseren Wandlern.
Figur 14 zeigt einen Linearmotor mit zwei symmetrischen Schienen.
Figur 15 zeigt einen Motor mit ringförmigem Kopplungselement und inneren Wandlern.
Figur 16 ist eine Schnittansicht gemäss XVI-XVI nach Figur 15.
Figur 17 zeigt einen Wagen mit Linearmotor, bei welchem die in den Figuren 15 und 16 gezeigte Struktur verwendet wird.
Figur 18 ist eine Schnittansicht gemäss XVIII- XVIII nach Figur 17.
Figur 19 zeigt schematisch einen Motor mit zwei Läufern und elliptischem Kopplungselement, das in Richtung seiner kleinen Achse komprimiert ist.
Figur 20 ist eine Schnittansicht gemäss XX-XX nach Figur 19.
Figur 21 zeigt schematisch einen Motor mit zwei Läufern mit inneren Wandlern.
Figur 22 ist ein Schnitt gemäss XXII-XXII nach Figur 21.
Figur 23 zeigt schematisch einen Motor mit Läufer und halbelliptischem Kopplungselement sowie äusseren Wandlern.
Figur 24 zeigt einen Motor desselben Typs mit inneren Wandlern.
Das Prinzip der Konstruktion des Kerns des Motors nach der Erfindung ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Er besteht aus zwei Wandlern 1 und 2, die kolinear beiderseits eines mechanischen Kopplungselements 3 angeordnet sind. Diese Wandler 1 und 2 befinden sich mit einem ihrer Enden in ständigem Kontakt mit einem Gehäuse 70 und mit dem anderen Ende in Kontakt mit dem mechanischen Kopplungselement 3. Die Wandler 1 und 2 sind dazu eingerichtet, longitudinale Schwingungen im Sinne der Ausrichtungsachse a zu erzeugen. Diese Wandler sind vom piezoelektrischen, magnetostriktiven oder elektrostriktiven Typ. Für die piezoelektrischen Wandler können bekannte Materialien verwendet werden, beispielsweise gefrittete PZT- Keramiken (kommerziale Bezeichnung P189) von BaTiO3. Wenn die Wandler vom magnetostriktiven Typ sind, dann verwendet man vorzugsweise magnetostriktives Material wie die Seltenen Erden-Eisen-Legierungen und insbesondere die unter dem eingetragenen Warenzeichen TERFENOL-D im Handel erhältliche Legierung.
Das Kopplungselement 3 besteht beispielsweise aus einem elliptischen Ring aus elastisch verformbarem Material, beispielsweise aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung. Die diametral gegenüberliegenden Enden dieses Ringes 3 befinden sich in ständigem Kontakt mit den Wandlern 1 und 2 und sind im allgemeinen an diesen Wandlern befestigt. Das Kopplungselement 3 erfüllt die dreifache Funktion der Schwingungskopplung, der geometrischen Schwingungstransformation und der mechanischen Amplitudentransformation. Die Wandler 1 und 2 werden mit derselben Frequenz erregt, jedoch mit einer Phasenverschiebung von Π/2 (90º). Figur 1 zeigt sehr stark übertrieben die Verformung des Kopplungselements 3 durch die Wandler 1 und 2 während einer Schwingung.
Es sei der Punkt A betrachtet, welcher durch den Schnittpunkt des kleines Radius des Ringes 3 mit seinem äusseren Umfang bestimmt ist. Wie es aus den in Figur 1 dargestellten verschiedenen Stellungen hervorgeht, beschreibt dieser Punkt A bei jeder Schwingung der Wandler eine Ellipse e. Diese elliptische Trajektone wird im einzelnen in den weiter oben zitierten Dokumenten beschrieben. Wenn ein Körper 4 in Berührung mit dem Kopplungselement 3 im Punkt A oder im Bereich dieses Punktes gehalten wird, dann wird er durch Reibung im Sinne des Pfeils nach rechts bewegt. Wenn umgekehrt der Körper 4 fest ist, dann wird die Gesamtheit aus Wandler-Kopplungselement in Bewegung versetzt. Das Kopplungselement 3 gewährleistet daher eine Schwingungsübertragung und eine geometrische Schwingungstransformation, weil man, ausgehend von den axialen Schwingungen in Richtung der Achse a, phasenverschobene axiale und radiale Schwingungen erhält, welche die Ellipse e erzeugen. Wenn man drei Punkte B, C und D auf dem äusseren Umfang des Kopplungselements betrachtet, die beliebig gewählt sind, dann stellt man fest, dass jeder dieser Punkte, deren längs des Ellipsenbogens des Kopplungselements gemessener Abstand von einem der Enden des Kopplungselements gezwungenermassen stets konstant bleibt, eine Ellipse mit mehr oder weniger ausgeprägter Exzentrizität beschreibt, und dass alle Punkte des äusseren Umfangs des Kopplungselements diese Ellipse in derselben Richtung und in Phase beschreiben.
Man stellt schliesslich auf Figur 1 fest, dass, wenn man eine vollständige elliptische Schale verwendet, der Schwerpunkt dieser Schale eine Hin- und Herbewegung in der Achse der Wandler beschreibt.
Die Fähigkeit, die Bewegungsamplituden und die Kraftamplituden zu transformieren, ist eine wichtige Eigenschaft der elliptischen, ovalen oder quasi elliptischen oder korbhenkelförmigen Form des Kopplungselements. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird im folgenden das Kopplungselement 3 betrachtet, das eine elliptische Form hat. Für ein elliptisches Kopplungselement, das in Richtung der grossen Achse der Ellipse durch Bewegungsamplituden uz komprimiert wird, werden die radialen Bewegungsamplituden ur in Richtung der kleinen Achse mit einem nicht vernachlässigbaren und nahe dem Verhältnis grosse Achse/kleine Achse al/a2 liegenden Verhältnis α > 1 verstärkt. Praktisch können Verstärkungsfaktoren von 2 bis 5 erhalten werden. Umgekehrt sind die Kräfte im gleichen Verhältnis α verringert.
Das Kopplungselement 3 könnte ebenfalls in Richtung der kleinen Achse der Ellipse angeregt werden. In diesem Falle hat man α < 1. Wenn die Ellipsenachsen gleich sind, d.h., wenn die Ellipse ein Kreis ist, ist α = 1.
Man sieht nun, dass die Form des Kopplungselementes die Funktionen der Bewegungsverstärkung und der Kraftverstärkung vollkommen zu beherrschen erlaubt. Man stellt ausserdem fest, dass die Wirkung der Amplitudentransformation nur bei der Erzeugung der radialen Bewegungskomponente des Berührungspunktes A eine Rolle spielt. Seine axiale Komponente ist im Prinzip unabhängig von diesem Effekt und daher unabhängig von der Form des Kopplungselements
3. Dieser Punkt ist für die Herstellung des Motors sehr wichtig, um eine befriedigende Funktion bei Resonanz zu erhalten, insbesondere für die Herstellung von piezoelektrischen Motoren. Das Kopplungselement 3 darf in der Tat kein Schwingungsdämpfungselement bilden, welches den Wirkungsgrad derartiger Motoren zu stark verringert und sie unbrauchbar macht.
Das Kopplungselement 3 kann eine ebene oder dreidimensionale Schwingungsstruktur haben. Einige Beispiele werden im folgenden beschrieben.
Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Form des Kopplungselements mit ebener Schwingungsstruktur von der gleichen Form wie die in Figur 1 dargestellte. Die äusseren und inneren Oberflächen des Kopplungselements 3 sind hier zylindrische Flächen.
Es ist möglich, die Resonanzfrequenz eines derartigen Kopplungselements sowie sein Verhalten bei Verformung zu modifizieren, d.h. die Form der Ellipse e zu modifizieren, indem Massen im Bereich des Punktes A und an einem dazu symmetrischen Punkt zugefügt werden. Beispiele sind in den Figuren 4 bis 7 dargestellt.
In dem in den Figuren 4 und 5 dargestellten Beispiel werden diese zusätzlichen Massen durch seitliche Vorsprünge 5, 6, 7 gebildet. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 6 und 7 werden diese zusätzlichen Massen durch radiale Vorsprünge 8 und 9 gebildet.
Eine dreidimensionale Struktur des Kopplungselements 3 ist in den Figuren 8 bis 10 dargestellt. Das Kopplungselement, mit 3' bezeichnet, hat die Form einer Schale, die sich wie ein Ellipsoid darstellt, die Figuren 9 und 10 zeigen Schnitte längs IX-IX und X-X. Dieses Kopplungselement kann ebenfalls mit zusätzlichen Massen in Form eines Ringes oder in Form von Ringsegmenten versehen sein.
Ein Motorbeispiel wird jetzt unter Bezugnahme auf die Figuren 11 und 12 beschrieben. Dieser Motor hat zwei Läufer 10 und 11 in Form von drehfest an einer Welle 12 angebrachten, jedoch axial auf dieser Welle frei beweglichen Scheiben, auf welcher ein innerer Ring 13 eines Kugellagers aufgepresst ist, dessen äusserer Ring 14 in einem Gehäuse 15 befestigt ist, welches sich in einer senkrecht zur Welle 12 orientierten Ebene erstreckt. Dieses Gehäuse 15, das im betrachteten Beispiel die Form eines H hat, hat zwei äussere Paare von Armen 16, 17 und 18, 19. Zwischen den Armen 16 und 17 ist eine erste Antriebsvorrichtung montiert, die nach dem in Figur 1 dargestellten Schema mit einem Kopplungselement, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, hergestellt ist. Das Kopplungselement 3 ist durch irgendein geeignetes Mittel an den Wandlern befestigt, beispielsweise durch Schrauben oder Kleben. Aus Gründen der Herstellungsvereinfachung kann die elliptische Form des Kopplungselements 3 in wirksamer Weise durch eine korbhenkelähnliche Form angenähert werden, d.h. durch eine Kurve, die lediglich durch zwei Krümmungsradien definiert ist. Zwischen den anderen beiden Armen 18 und 19, die symmetrisch zur ersten Antriebsvorrichtung und in Bezug auf die Achse 12 sind, ist eine zweite Antriebsvorrichtung montiert, die genauso aufgebaut ist wie die erste. Der Läufer 10 wird ausserdem axial durch eine Feder 20 gehalten, welche durch eine Schraubenmutter 21 unter Spannung gehalten wird. Ebenso unterliegt der Läufer 11 der Wirkung einer Feder 22, die durch eine Schraubenmutter 23 gespannt ist. Die Läufer 10 und 11 liegen auf diese Weise elastisch mit einem gewissen Druck an den Kopplungselementen 3 an, die somit vorgespannt sind. Die Kopplungselemente 3, die in Bezug auf die Welle 12 diametral gegenüberliegen, wirken auf diese Weise auf jeden der Läufer 10 und 11 an zwei Punkten, die in Bezug auf die kleine Achse jedes der Kopplungselemente diametral gegenüberliegen. Das gesamte Gehäuse 15 mit seinen Antriebsvorrichtungen bildet den Ständer des Motors.
Nach demselben Prinzip ist es möglich, einen Motor mit vier oder mehr Ständern herzustellen, die um die Welle 12 herum verteilt sind.
Wenn die Ständer in Phase angeregt werden, dann hat das eine Schwingung der Läufer 10 und 11 in Richtung der Achse der Welle 12 zur Folge. Wenn man mehrere Ständer anordnet, dann kann diese Schwingung näherungsweise unterdrückt werden, indem man eine mechanische Phasenverschiebung zwischen jedem Ständer einführt, derart, dass die Läufer auf einer näherungsweise konstanten Höhe in Schwebe gehalten werden, was es erlaubt, die Stösse zwischen den Ständern und den Läufern zu unterdrücken, und was auf eine Vergrösserung der Lebensdauer führt. Diese mechanische Phasenverschiebung kann schon bei einem Motor mit zwei Ständern, wie dargestellt eingeführt werden.
Die Läufer könnten Speichenräder sein, die durch ihre Felge angetrieben werden.
Auf der Grundlage des Prinzips des Motors nach Figur 1 ist es möglich, Linearmotoren zu konstruieren.
Beispiele derartiger Motoren sind in den Figuren 13 bis 18 dargestellt.
Figur 13 zeigt einen Wagen 24, der mit einem Paar von Rollen 26 und 27 an einer Schiene 25 aufgehängt ist. Die Rollen sind in Gabeln 28 und 29 montiert, an denen mit einem Kopf 34, 35 versehene Aufhängungsstangen 30 und 31 befestigt sind. Der Wagen 24 hat einfach die Form eines U, zwischen dessen Schenkeln eine Antriebsvorrichtung, bestehend aus zwei Wandlern 1 und 2 und einem Kopplungselement 3, montiert ist. Belleville-Federscheiben 32 und 33, die zwischen den Köpfen 34 bzw. 35 der Aufhängungsstangen 30 und 31 sowie dem Wagen 24 angeordnet sind, gewährleisten eine Vorspannung des Kopplungselements 3, welches auf diese Weise in Berührung mit der Unterseite der Schiene 25 gehalten wird. Je nach dem Sinn der Phasenverschiebung der Anregung der Wandler 1 und 2 bewegt sich der Wagen nach links oder nach rechts. Wie im Falle eines Rotationsmotors ist es möglich, die Anzahl der Antriebsvorrichtungen zu vervielfachen. In gleicher Weise ist es möglich, mechanische Phasenverschiebungen zwischen jeder Antriebsvorrichtung einzuführen, derart, dass Schwingungen des Wagens unterdrückt werden.
Gemäss einer nicht dargestellten Ausführungsform, die man sich jedoch leicht vorstellen kann, kann der Wagen eine Symmetrie in Bezug auf die Schiene aufweisen, d.h., die Wandler arbeiten auf beiden Seiten der Schiene, was es erlaubt, die Rollen wegzulassen.
Figur 14 zeigt einen Linearmotor mit zwei parallelen Schienen 36, 37, zwischen denen eine Antriebsvorrichtung von dem in Figur 1 dargestellten Typ montiert ist. Das Ganze ist axial in einem Rahmen vorgespannt, der von einem Paar paralleler Stäbe 38, 39 gebildet wird, die Joche 40 und 41 sowie Federn 42, 43 durchqueren; diese Federn bestehen aus Belleville- Federscheiben und sind zwischen einer Schraubenmutter 44 bzw. 45 und jedem der Joche 40, 41 komprimiert. Diese axiale Vorspannung bewirkt eine transversale Vorspannung, welche das Kopplungselement 3 in Kontakt mit den beiden Schienen 36 und 37 hält. Als Variante könnte auch vorgesehen sein, dass die Vorspannung auf das Kopplungselement 3 ausgeübt wird.
Indem das Kopplungselement 3 mit seiner planaren Struktur durch ein Kopplungselement 3' mit axialer Symmetrie, wie in den Figuren 8 bis 10 dargestellt, und die Stäbe 36 und 37 durch ein Rohr ersetzt werden, erhält man einen röhrenförmigen Linearmotor.
Bisher wurden immer Strukturen betrachtet, in denen die Wandler ausserhalb des Kopplungselements 3 angeordnet waren. Es ist jedoch möglich, den im Innern des Kopplungselements 3 zur Verfügung stehenden Raum dazu zu benutzen, um dort die Wandler unterzubringen. Diese Ausführungsform ist in den Figuren 15 und 16 dargestellt. Das Kopplungselement 3 hat wiederum eine elliptische oder quasi-elliptische Ringform. Die Wandler 1 und 2 sind im Innern des Ringes in Richtung der grossen Ellipsenachse angeordnet. Sie werden von einem mittleren Träger 46 gehalten. Die Wandler 1 und 2 sind mit Köpfen 47 und 48 versehen, deren Form der inneren Krümmung der Ellipse angepasst ist.
Die Figuren 17 und 18 zeigen ein Beispiel eines Linearmotors, der entsprechend dem Aufbau nach den Figuren 15 und 16 hergestellt wurde. Dieser Linearmotor hat ein Paar paralleler Schienen 49, 50, an denen ein Gehäuse 51 mittels einer zentralen Aufhängungsstange 52 aufgehängt ist, welche ihrerseits an einer Achse 53 befestigt ist, die zwei auf den Schienen 49 bzw. 50 abrollende Rollen 54 und 55 trägt. Das innere Ende der Aufhängungsstange 52 ist mit einem Kopf 56 versehen; elastische Vorspannungsscheiben 57 werden zwischen diesem Kopf 56 und dem Gehäuse 51 komprimiert. Das Gehäuse 51 trägt zwei Antriebsstrukturen, wie sie in den Figuren 15 und 16 dargestellt sind; diese Strukturen sind parallel zueinander angeordnet, und ihre Kopplungselemente 3 wirken jeweils mit einer der Schienen 49 bzw. 50 zusammen. Wie bei den vorangehenden Beispielen ist es ebenfalls möglich, mehrere Antriebselemente zu verwenden, die vorzugsweise mechanisch phasenverschoben sind und/oder eine in Bezug auf die Schiene 49 und 50 symmetrische Struktur haben.
Aus dem weiter oben gesagten geht hervor, dass die Kompression des Kopplungselements in Richtung seiner kleinen Achse die Wirkung hat, die Kraft zu verstärken und die Bewegungsamplitude zu verringern. Im Vergleich zu den existierenden Motoren erlauben es die Motore nach der Erfindung, beispielsweise vom piezoelektrischen Typ, sehr einfache Motoren herzustellen und auf komplizierte mechanische Geschwindigkeitsuntersetzungsgetriebe zu verzichten.
Die Figuren 19 und 20 zeigen schematisch einen derartigen Motor. Dieser Motor ist von dem in Figur 12 dargestellten Typ. Wie dieser Motor hat er ein Gehäuse 60 in H-Form, in welchem eine Welle 61 drehbar montiert ist; beiderseits dieser Welle sind zwei Antriebsvorrichtungen montiert, von denen jede ein Kopplungselement 3 aufweist, das an zwei in Bezug auf den grossen Durchmesser der Ellipse gegenüberliegenden Punkten an zwei piezoelektrischen Wandlern 1' und 2' befestigt ist. Jeder dieser Antriebsvorrichtungen treibt zwei Läufer 62 und 63 an, die aus parallelen Scheiben bestehen, welche auf je einem Ende der Welle 61 aufgekeilt sind und durch Vorspannungselemente 64 und 65 in Anlage an den Kopplungselementen 3 gehalten werden. Jedes der Kopplungselemente 3 befindet sich mit den Läufern 62 und 63 an zwei Punkten, die an den Enden der grossen Ellipsenachse liegen, in Kontakt.
Die Figuren 21 und 22 zeigen nunmehr einen Motor mit einer inneren Anordnung der Wandler 1' und 2', die in einem vollständig im Innern der Kopplungselemente 3 liegenden Gehäuse 66 in H-Form befestigt sind. Die Wandler 1' und 2' liegen ebenfalls im Innern der kopplungselemente, welche hier in Richtung ihrer grossen Achse komprimiert werden. Diese Struktur ist besonders kompakt und dazu geeignet, in einem Aufrollrohr montiert zu werden, welches direkt durch die Läufer 62 und 63 in Drehung versetzt werden kann.
Wenn man Figur 1 betrachtet, dann erkennt man, dass die elliptische Bewegung gemäss der Ellipse e auch nur mit einem Halbring 3 erhalten werden kann. Die Figuren 23 und 24 veranschaulichen Ausführungsformen von Motoren, welche ein Kopplungselement in Form eines Halbrings, beispielsweise in Form eines Korbhenkels, verwenden. Bei der Ausführungsform nach Figur 23 ist der Halbring 103 mit seinen Enden an zwei Wandlern 101 und 102 befestigt, welche an einem Gehäuse 104 montiert sind. Dieses Gehäuse trägt eine Welle 105, auf der ein Läufer 106 in Form einer Scheibe montiert ist. Im Prinzip hat der Motor wenigstens eine zweite Antriebsvorrichtung, die symmetrisch zur Welle 105 montiert ist.
Die in Figur 24 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorangehenden Ausführungsform darin, dass sie ein Gehäuse 107 aufweist, das mit seinen Wandlern 101 und 102 im Innern des Kopplungselements 103 angeordnet ist.

Claims

1. Elektrischer Motor mit wenigstens einem Paar von Wandlern (1, 2; 1', 101, 102), die jeder ein Schwingungselement aufweisen und kolinear derart angeordnet sind, dass longitudinale Schwingungen in Richtung ihrer Ausrichtungsachse erzeugt werden, wobei sich eines ihrer Enden in ständigem Kontakt mit einem Gehäuse (70; 15; 24; 38; 39; 46; 51; 60; 66; 104; 107) und ihr anderes Ende mit einem elastischen Kopplungsmittel (3; 3'; 103) befindet, auf welches die Schwingungen der beiden Wandler übertragen werden, welche derart erregt werden, dass ihre Schwingungselemente gemäss der Ausrichtung der Wandler mit ein und derselben Frequenz schwingen, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 90º, wobei wenigstens ein durch Reibung vom Kopplungsmittel angetriebenes Element (4; 10; 11; 25; 36, 37; 49, 50; 62, 63; 106) vorgesehen ist, dessen Berührungszone mit dem angetriebenen Element zu einer kreisförmigen oder elliptischen Bewegung angeregt wird, und wobei das Kopplungsmittel ein elastisches Teil ist, das an zwei gegenüberliegenden Punkten mit den Wandlern in Berührung steht und eine Symmetrie relativ zu einer Ebene, die senkrecht zur Wirkungslinie der Wandler orientiert ist, und einen Schnitt längs einer diese Wirkungslinie enthaltenden Ebene aufweist, dessen Form wenigstens näherungsweise elliptisch, insbesondere kreisförmig, oder halbelliptisch ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel ein Ring (3) ist.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel ein Halbring (103) ist.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel eine Schale (3') ist, die wenigstens näherungsweise die Form eines Ellipsoids oder einer Kugel hat.

5. Rotationsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Läufer (10, 11) in Form von parallelen oder koaxialen Scheiben oder Speichenrädem aufweist, zwischen denen wenigstens zwei Kopplungsringe (3) mit ihren Wandlern (1, 2) montiert sind, wobei die Ringe zwischen den Läufern vorgespannt sind.

6. Linearmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (3) auf einem Schlitten (24) montiert ist, der an einer Schiene (25) aufgehängt und mit elastischen Mitteln (32, 33) versehen ist, welche den Ring gegen die Schiene drücken.

7. Linearmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Paar von gegenüberliegenden Ringen (3) mit ihren Wandlern aufweist, die auf einem Schlitten montiert sind, und dass eine zwischen den Ringen eingeklemmte Schiene vorgesehen ist.

8. Linearmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (3) und seine Wandler (1, 2) zwischen zwei parallelen Schienen (36, 37) in einem Rahmen (38, 39, 40, 41) montiert sind, welcher Mittel zum Vorspannen (42, 43) des Rings in Richtung der Wandler aufweist, derart, dass der Ring gegen die beiden Schienen gedrückt wird.

9. Linearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (3') mit ihren Wandlern in einem zylindrischen Rohr montiert ist, mit dessen Wand die Schale (3') durch Vorspannungsmittel in Kontakt gehalten wird.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel (3; 3') mit zusätzlichen Massen versehen ist.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wandler ausserhalb des Kopplungsmittels befinden.

12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 91 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wandler im Innern des Kopplungsmittels befinden.

13. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler vom piezoelektrischen Typ sind.

14. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler vom magnetostriktiven Typ sind.

15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Material eine Seltene Erde-Eisen-Legierung ist, insbesondere TERFENOL-D (eingetragenes Warenzeichen)

16. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisefrequenz einer Resonanzschwingung des Kopplungsmittels entspricht.

17. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisefrequenz einer quasi-statischen Schwingung des Kopplungsmittels entspricht.

18. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit zwei Ständern, von denen jeder aus einem Kopplungsmittel und einem Paar von Wandlern besteht und welche ein gemeinsames Gehäuse (15) haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständer mit einer phasenverschiebung derart gespeist werden, dass der Läufer bzw. die Läufer auf einer quasi-konstanten Höhe bleiben.

19. Motor nach Anspruch 18, mit vier Ständern, deren Kopplungsmittel quadratisch um die Motorachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständer mit einer Phasenverschiebung von 180º zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ständern gespeist werden.