WO2007014837A1 - Elektromechanischer motor - Google Patents

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WO2007014837A1
WO2007014837A1 PCT/EP2006/064284 EP2006064284W WO2007014837A1 WO 2007014837 A1 WO2007014837 A1 WO 2007014837A1 EP 2006064284 W EP2006064284 W EP 2006064284W WO 2007014837 A1 WO2007014837 A1 WO 2007014837A1
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shaft
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electromechanical motor
coating
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Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/005—Mechanical details, e.g. housings
    • H02N2/0065—Friction interface
    • H02N2/007—Materials

Definitions

  • the invention relates to an electromechanical motor according to the preamble of claim 1.
  • the shaft can be placed on the drive ring, so that the displacement movement of the drive ring can be transmitted by the contact between the shaft and drive ring on the shaft. Because the drive ring runs on a curved path, the shaft is carried along with the drive ring moved by a frictional contact.
  • the rotational speed of the shaft depends in addition to the speed of movement of the drive ring, inter alia, on the shape of the shaft and the drive ring.
  • the object underlying the invention is to provide an e-lektromechanischen engine with an increased maximum achievable torque.
  • the electromechanical motor in this case has at least two electromechanical drive elements, as well as at least one drive ring, which is designed such that it is excited by a stroke of the drive elements to a circulating sliding movement. Furthermore, it has a shaft which is placed on the drive ring, so that the shaft is rotated by the sliding movement of the drive ring. Furthermore, the electromechanical motor on a coating to increase the friction between the shaft and drive ring.
  • the drive ring is circular and the drive elements mounted on the drive ring so that their respective stroke acts radially on the drive ring.
  • the shaft is located outside the drive ring.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention is that there is a permanent pressure contact between the drive ring and shaft.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention consists in that a plurality of motor units, each with a drive ring are arranged adjacent to a shaft. This results in the advantage that the tilting moment, which results from the contact force between the drive ring and the shaft on the shaft, is reduced or even completely eliminated.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that the coating is mounted on the rolling surface of the shaft. This results in the advantage that the coating is particularly easy to integrate into the engine, since the shaft is easy to coat.
  • the entire shaft can be coated, which has the advantage that the coating is easy to implement.
  • a further advantageous embodiment and development of the invention results from the fact that the coating is mounted on the rolling surface of the drive ring. This results in the advantage that the coating particularly effectively increases the friction.
  • the metal matrix is a nickel matrix.
  • the coating can be particularly easily applied to the shaft or the drive ring.
  • the nickel matrix is particularly hard, which increases the life of the coating and thus of the motor.
  • the nickel matrix can be applied by means of electroless deposition, which results in the advantage that the coating is dimensionally stable and thus the thickness of the layer is the same everywhere.
  • the embedded particles are diamond, carbide or nitride particles. This has the advantage that the embedded particles are particularly resistant to abrasion and durable. As a result, the coating has a particularly long service life.
  • the coating is designed such that the grain size and / or surface coverage of the particles assumes determinable values. This results in the advantage that the friction between the shaft and drive ring can be optimally designed.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electromechanical motor with an internal shaft with a friction-increasing coating.
  • FIG. 2 shows a schematic structure of the friction-increasing
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electromechanical motor. This is mounted on a housing, in particular a mechanical base plate. A shaft W of the motor is guided as free of play as possible by means of a bearing fastened to the housing. Furthermore, two electromechanical drive elements Al, A2 are present, which in this example contain piezoelectric low-voltage multilayer actuators (PMA). However, an electromechanical drive element Al, A2 can also use any other, controlled longitudinally extending actuator, such as an electromagnetic, electrodynamic, electrostrictive or magnetostrictive actuator. By electromagnetic control of the PMA, this expands according to the behavior of a piezoelectric longitudinal actuator approximately proportional to the applied electrical voltage in the axial direction.
  • PMA piezoelectric low-voltage multilayer actuators
  • the electromechanical motor has a stiff as possible and low-mass concentric drive ring R with an inner diameter which is slightly larger than the diameter of the shaft W.
  • the drive ring R is connected to the drive elements Al, A2 so that it has a distance to the base plate, he thus freely movable over the base plate.
  • the fixedly connected to the base plate drive elements Al, A2 are arranged in the plane of the base plate, which here corresponds to the plane of movement, at an angle of 90 ° to each other, with their main direction of action is directed to the center point of the drive ring R.
  • the two drive elements Al, A2 are driven with phase-shifted by 90 ° sinusoidal voltage signals the same peak amplitude.
  • the gap between the shaft W and the inner surface of the drive ring R, in conjunction with the characteristics of the PMAs and assembly of the motor, is designed so that there is a strong frictional engagement between the shaft W and the drive ring R during each phase of the rolling motion, particularly with the engine off, i. when both PMAs are unloaded.
  • the inside of the drive ring R i. its rolling surface is provided with a friction-enhancing coating B; this consists of a 7 ⁇ m thick nickel matrix with incorporated particles of diamond, which themselves protrude about 15 ⁇ m in height.
  • a friction-enhancing coating B consists of a 7 ⁇ m thick nickel matrix with incorporated particles of diamond, which themselves protrude about 15 ⁇ m in height.
  • FIG. 2 schematically shows the structure of a friction-increasing coating B on a section of the drive ring R.
  • the coating here consists of a nickel matrix N, i. a base layer of nickel. Embedded therein are particles P, for example of diamond, carbide or nitride. These particles P project beyond the surface of the nickel matrix N and are the cause of the friction-increasing effect of the coating B.
  • Gap s R-r
  • the friction-increasing coating increases the coefficient of friction ⁇ of the ring shaft pairing.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Der elektromechanische Motor weist wenigstens zwei elektromechanische Antriebselemente (Al, A2) , sowie wenigstens einen Antriebsring (R) auf, der durch einen Hub der Antriebselemente zu einer umlaufenden Verschiebebewegung angeregt wird. Weiterhin weist er eine Welle (W) auf, die an den Antriebsring aufgesetzt ist, so dass durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings die Welle rotiert wird. Ferner weist der elektromechanische Motor eine Beschichtung (B) zur Erhöhung der Reibung zwischen Welle und Antriebsring auf . Die Beschichtung zur Erhöhung der Reibung kann dabei auf der Welle angebracht sein, auf dem Antriebsring angebracht sein, oder sowohl auf der Welle als auch auf dem Antriebsring angebracht sein.

Description

Beschreibung
Elektromechanischer Motor
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Motor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus der europäischen Patentschrift EP 1 098 429 Bl ist ein elektromechanischer Motor bekannt, der aus wenigstens zwei elektromechanischen Antriebselementen, wenigstens einem Antriebsring und einer antreibbaren Welle aufgebaut wird. Der Antriebsring kann durch einen Hub der elektromechanischen Antriebselemente, d. h. durch Steuerung der Hubamplituden der einzelnen Antriebselemente und die zeitliche Abstimmung die- ser Hubamplituden untereinander zu einer umlaufenden Verschiebebewegung angeregt werden. Unter einer umlaufenden Verschiebebewegung des Antriebsrings wird verstanden, dass dieser auf einer gekrümmten Bahn verschoben wird, aber dabei nicht oder nur unwesentlich rotiert. Die gekrümmte Bahn kann z.B. kreisförmig oder elliptisch sein, ist aber nicht auf diese Bahnformen eingeschränkt. Der Antriebsring muss die gekrümmte Bahn nicht kontinuierlich durchlaufen, sondern kann auch beliebig gestoppt und in seiner Bewegungsrichtung umgekehrt werden.
Die Welle ist auf den Antriebsring aufsetzbar, so dass die Verschiebebewegung des Antriebsrings durch den Kontakt zwischen Welle und Antriebsring auf die Welle übertragbar ist. Weil der Antriebsring auf einer gekrümmten Bahn läuft, wird die Welle bei bewegtem Antriebsring durch einen Reibkontakt rotierend mitgeführt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle hängt dabei neben der Bewegungsgeschwindigkeit des Antriebsrings u.a. auch von der Form der Welle und des Antriebsrings ab. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, einen e- lektromechanischen Motor mit einem erhöhten maximal erreichbaren Drehmoment anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Motor gemäß Anspruch 1 gelöst. Der elektromechanische Motor weist dabei wenigstens zwei elektromechanische Antriebselemente, sowie wenigstens einen Antriebsring auf, der derart ausgestaltet ist, dass er durch einen Hub der Antriebselemente zu ei- ner umlaufenden Verschiebebewegung angeregt wird. Weiterhin weist er eine Welle auf, die an den Antriebsring aufgesetzt ist, so dass durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings die Welle rotiert wird. Ferner weist der elektromechanische Motor eine Beschichtung zur Erhöhung der Reibung zwischen Welle und Antriebsring auf.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Reibungskraft zwischen Welle und Antriebsring durch die Beschichtung erhöht wird. Da die Erzeugung eines Drehmoments bei dem elektrome- chanischen Motor auf der Reibung zwischen Welle und Antriebsring basiert, erhöht sich durch die Beschichtung das maximal erreichbare Drehmoment.
Besonders bevorzugt wird als Beschichtung eine Partikel- Metall-Beschichtung eingesetzt, bei der Partikel eines harten Materials in eine Metall-Matrix eingebettet sind. Der Vorteil dieser Partikel-Metall-Beschichtung besteht darin, dass durch diesen Aufbau die Reibung zwischen Welle und Antriebsring besonders stark erhöht werden kann. Weiterhin besteht die Wir- kung der Beschichtung auch, wenn Schmierstoffe auf die Oberfläche der Beschichtung kommen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Antriebselemente mecha- nisch steif mit dem Antriebsring verbunden sind. Hierdurch werden Verluste durch Freiheitsgrade der Elemente vermieden und somit der Wirkungsgrad erhöht. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Antriebselemente als Piezoaktoren ausgestaltet sind.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass der Aufbau der Antriebselemente kostengünstig zu realisieren ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil- düng der Erfindung ist der Antriebsring kreisförmig und die Antriebselemente so am Antriebsring angebracht, dass ihr jeweiliger Hub radial auf den Antriebsring wirkt. Hierdurch wird die Kraft- und Momentübertragung optimiert.
Vorzugsweise befindet sich die Welle innerhalb des Antriebsrings .
In einer alternativen Weiterbildung befindet sich die Welle außerhalb des Antriebsrings.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zwischen Antriebsring und Welle ein dauernder Druckkontakt besteht. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass der elektromechanische Motor keinen Schlupf aufweist; dies führt somit u. a. zu einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrads des Antriebs. Des Weiteren ergibt sich daraus der Vorteil, dass die Welle in jeder beliebigen Winkelstellung mit hoher Kraft angehalten werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass an einer Welle mehrere Motoreinheiten mit jeweils einem Antriebsring benachbart angeordnet sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Kippmoment, das durch die Anpresskraft zwischen Antriebsring und Welle auf die Welle entsteht, reduziert wird oder sogar ganz eliminiert wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich daraus, dass die Beschichtung auf der Abrollfläche der Welle angebracht ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Beschichtung besonders einfach in den Motor zu integrieren ist, da die Welle einfach zu beschichten ist.
Dabei kann die gesamte Welle beschichtet sein, was den Vorteil hat, dass die Beschichtung einfach zu realisieren ist.
Alternativ kann auch nur ein Teil der Welle beschichtet sein. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Lagerung der Welle, die durch die reibungserhöhende Beschichtung möglicherweise erschwert wird, einfacher durchzuführen ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Beschichtung auf der Abrollfläche des Antriebsrings angebracht ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Beschichtung besonders wirkungsvoll die Reibung erhöht.
In dem Fall, dass sowohl die Abrollfläche der Welle als auch die Abrollfläche des Antriebsrings beschichtet werden, kann bspw. durch eine Abstimmung der Beschichtungen aufeinander eine besonders starke Reibungserhöhung bewirkt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Metallmatrix eine Nickelmatrix. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Beschichtung besonders einfach auf die Welle oder den Antriebsring aufgebracht werden kann. Weiterhin ist die Nickelmatrix besonders hart, wodurch die Lebensdauer der Beschichtung und somit des Motors gesteigert wird. Insbesondere kann die Nickelmatrix mittels stromloser Abscheidung aufgebracht werden, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass die Beschichtung formtreu ist und somit die Dicke der Schicht überall gleich groß ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich daraus, dass die eingebetteten Partikel Diamant-, Carbid- oder Nitrid-Partikel sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die eingebetteten Partikel besonders abriebfest und haltbar sind. Dadurch weist die Beschichtung eine besonders große Lebensdauer auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Beschichtung derart ausgestaltet, dass die Körnung und/oder Flächenbelegung der Partikel bestimmbare Werte annimmt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Reibung zwischen Welle und Antriebsring optimal ausgelegt werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektromechani- sehen Motors mit innen liegender Welle mit rei- bungserhöhender Beschichtung Figur 2 einen schematischen Aufbau der reibungserhöhenden
Beschichtung .
Figur 1 zeigt schematische Darstellung eines elektromechani- schen Motors. Dieser ist auf ein Gehäuse, insbesondere eine mechanischen Grundplatte montiert. Eine Welle W des Motors ist mittels eines am Gehäuse befestigten Lagers möglichst spielfrei geführt. Weiterhin sind zwei elektromechanische An- triebselemente Al, A2 vorhanden, die in diesem Beispiel piezoelektrische Niedervolt-Multilayer-Aktoren (PMA) enthalten. Ein elektromechanisches Antriebselement Al, A2 kann aber auch einen beliebigen anderen, sich gesteuert longitudinal ausdehnenden Aktor verwenden, wie z.B. einen elektromagnetischen, elektrodynamischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor. Durch elektromagnetische Ansteuerung des PMA dehnt sich dieser gemäß dem Verhalten eines piezoelektrischen Längsaktors näherungsweise proportional der angelegten elektrischen Spannung in axialer Richtung aus .
Der elektromechanische Motor weist einen möglichst steifen und massearmen konzentrischen Antriebsring R mit einem Innendurchmesser auf, der etwas größer ist als der Durchmesser der Welle W. Der Antriebsring R ist mit den Antriebselementen Al, A2 so verbunden, dass er zur Grundplatte einen Abstand aufweist, er über der Grundplatte somit frei beweglich ist. Die mit der Grundplatte fest verbundenen Antriebselemente Al, A2 sind in der Ebene der Grundplatte, die hier der Bewegungsebene entspricht, in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, wobei ihre Hauptwirkrichtung auf den Mittelspunkt des Antriebsrings R gerichtet ist.
Zur Erzeugung der kreisförmigen Verschiebebewegung des Antriebsrings R werden die beiden Antriebselemente Al, A2 mit um 90° phasenverschobenen sinusförmigen Spannungssignalen gleicher Spitzenamplitude angesteuert. Das Spaltmaß zwischen Welle W und Innenfläche des Antriebsrings R ist in Verbindung mit den Eigenschaften der PMAs und einer Montage des Motors so ausgelegt, dass während jeder Phase der Abrollbewegung ein starker Reibschluss zwischen Welle W und Antriebsring R besteht, insbesondere auch bei ausgeschaltetem Motor, d.h. wenn beide PMAs entladen sind.
Die Innenseite des Antriebsrings R, d.h. seine Abrollfläche ist mit einer reibungserhöhenden Beschichtung B versehen; diese besteht hierbei aus einer 7μm dicken Nickelmatrix mit eingebrachten Partikeln aus Diamant, die selbst ca. 15μm in die Höhe ragen. Diese Höhenwerte sind beispielhaft.
In Versuchen mit einem Motor gemäß obigem Ausführungsbeispiel, d.h. mit beschichtetem Antriebsring und unbeschichteter Welle, wurden Leistungs- und Drehmomentssteigerungen von 50-100% erreicht im Vergleich zu baugleichen Motoren ohne Be- schichtung.
Figur 2 zeigt schematisiert den Aufbau einer Reibung erhöhen- den Beschichtung B auf einem Ausschnitt des Antriebsrings R. Die Beschichtung besteht hierbei aus einer Nickelmatrix N, d.h. einer Grundschicht aus Nickel. Darin eingebettet sind Partikel P, beispielsweise aus Diamant, Karbid oder Nitrid. Diese Partikel P stehen dabei über die Oberfläche der Nickel- matrix N hinaus und sind ursächlich für die reibungserhöhende Wirkung der Beschichtung B.
Das maximal erreichbare Drehmoment
M = r-Fτ
und die maximal abgebbare mechanische Leistung eines elektro- mechanischen Motors wird bei gegebenen Motorparametern, d.h. Aktorauslenkung sθ = 2-a, Aktorsteifigkeit c, Ringdurchmesser D und Wellendurchmesser d durch die maximal übertragbare Tangentialkraft Fτ im momentanen Kraftpunkt bzw. der momentanen Kontaktlinie zwischen Ring und Welle begrenzt. Einer einfachen Abschätzung zufolge berechnet sich die Andruckkraft FN zwischen Ring und Welle (Normalkraft) aus den Motorparametern zu
FN = c- (a-s)
mit
Spaltmaß s = R-r
Ringdurchmesser D = 2 -R
Wellendurchmesser d = 2-r
Nach dem Coulombschen Reibungsgesetz gilt: FT < μ - FN
Durch die reibungserhöhende Beschichtung wird der Reibwert μ der Ringwellepaarung gesteigert.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanischer Motor mit wenigstens zwei elektromechanischen Antriebselemen- ten (Al, A2), wenigstens einem Antriebsring (R) , der derart ausgestaltet ist, dass er durch einen Hub der Antriebselemente (Al, A2 ) zu einer umlaufenden Verschiebebewegung angeregt wird, - einer Welle (W) , die an den Antriebsring (R) aufgesetzt ist, so dass durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings (R) die Welle (W) zur Rotation angeregt wird, gekennzeichnet durch eine Beschichtung (B) zur Erhöhung der Reibung zwischen Welle (W) und Antriebsring (R) .
2. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) eine Partikel-Metall- Beschichtung, bestehend aus einer Metallmatrix mit eingebet- teten Partikeln (P), ist.
3. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (Al, A2) mechanisch steif mit dem Antriebsring (R) verbunden sind.
4. Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (Al, A2) als Piezoaktoren ausgestaltet sind.
5. Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsring (R) kreisförmig ist und die Antriebselemente (Al, A2) so am An- triebsring (R) angebracht sind, dass ihr jeweiliger Hub radial auf den Antriebsring (R) wirkt.
6. Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Welle (W) innerhalb des Antriebsrings (R) befindet.
7. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Welle (W) außerhalb des Antriebsrings (R) befindet.
8. Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Antriebsring (R) und Welle (W) ein dauernder Druckkontakt besteht.
9. Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Welle (W) mehrere Motoreinheiten mit jeweils einem Antriebsring (R) benachbart angeordnet sind.
10. Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) auf der Abrollfläche der Welle (W) angebracht ist.
11. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Welle (W) mit der Beschichtung (B) versehen ist.
12. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 11, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein Teil der Welle (W) mit der Beschichtung (B) versehen ist.
13. Elektromechanischer Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) auf der Abrollfläche des Antriebsrings (R) angebracht ist.
14. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmatrix als eine Nickelmatrix (N) ausgestaltet ist.
15. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Partikel
(P) Diamant-, Karbid- oder Nitrid-Partikel sind.
16. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) derart ausgestaltet ist, dass die Körnung und/oder Flächenbelegung der Partikel (P) festgelegt ist.
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