WO2008009561A2 - Elektromechanischer stellantrieb - Google Patents

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WO2008009561A2
WO2008009561A2 PCT/EP2007/056808 EP2007056808W WO2008009561A2 WO 2008009561 A2 WO2008009561 A2 WO 2008009561A2 EP 2007056808 W EP2007056808 W EP 2007056808W WO 2008009561 A2 WO2008009561 A2 WO 2008009561A2
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electromechanical
drive ring
ring
actuator
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Armin Dietz
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Harald Johannes Kastl
Roland Keller
Andreas Lenk
Carsten Schuh
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

Definitions

  • the present invention relates to an electromechanical actuator, in particular a piezoelectric ring motor.
  • Electromechanical Stellan ⁇ drives are known from the prior art, which are described for example in EP 1 098 429 Bl. A further development of these actuators is apparent from the still unpublished German patent application with the official file number 10 2005 022 355.9.
  • the two parallel piezoelectric multilayer actuators of a pair have the greatest possible distance from one another in order to achieve the highest possible torsional rigidity of the ring motor relative to a rotation axis of a shaft within the drive ring.
  • To mechanically bias the piezoelectric ⁇ multilayer actuators usually hollow springs are used.
  • the hollow springs provide space-saving compressive stresses on the piezoelectric multilayer actuators of different designs.
  • the hollow springs are punched in elaborate steps from sheet metal, rolled below and finally longitudinally welded, so that a structured and single-layer hollow cylindrical spring with slit-like structure is formed.
  • an electromechanical actuator in particular a piezoelectric ring motor.
  • This actuator has the following features: at least two electromechanical drive elements with a direction of action, at least one drive ring which can be excited by a change in length of the electromechanical drive elements to a sliding ⁇ movement, so that a shaft is rotatable by the Verschie ⁇ movement of the drive ring, and at least one biasing element that is parallel to the direction of action of a the electromechanical drive elements as well as beyond the electromechanical drive element and at least partially ⁇ extends over the drive ring, so that the electromechanical ⁇ drive element is mechanically biased against the drive ring.
  • the present invention provides a piezoelectric ring motor, which is characterized by a cost-effective production and high stability. This is realized in that only two mutually perpendicular elektrome ⁇ -mechanical drive elements, preferably piezoelectric multilayer actuators are used to drive the drive ring. These piezoelectric multilayer actuators are mechanically biased by means of adjustable in length biasing elements against the drive ring. Due to the biasing elements and just their length, which extends over the length of the piezoelectric multilayer actuators and partially over the drive ring, an improved Anbin ⁇ tion of the piezoelectric multilayer actuators to the drive ring is realized in comparison to the prior art. Further, the biasing members, which are configured as spring band according to an exporting ⁇ approximate shape, low cost, more effective and easier mechanically interchangeable in comparison to the known in the prior art hollow springs.
  • the spring strips are arranged on a cross carrier and the drive ring in such a way that in each case a piezoelectric multi ⁇ tikaktor is mechanically prestressed with preferably two spring bands between ⁇ An operating ring and crossbeam.
  • the freedom of design with respect to the length of the spring band opens up the possibility that a load capacity of the spring band can be optimally adapted to the pretensioning requirements of the used piezoelectric multilayer actuator.
  • the spring band is fixed or deflected relative to the electromechanical drive element and seen in Wirkrich ⁇ tion at the farthest location of the drive ring.
  • the deflection have drive ring and / or cross member deflection points, which are realized for example by fillets or pulleys.
  • the spring bands within the actuator in grooves which are formed in the on ⁇ drive ring and / or cross member. These grooves ensure a stable positioning of the spring strips, so that they do not slip ver ⁇ during operation of the actuator. In a further embodiment, these grooves are formed differently deep, so that crossing Fe ⁇ derbands do not hinder or wear due to friction.
  • the at least two electric drive elements or piezoelectric multilayer actuators have a width parallel to and larger than an inner diameter of the opening in the drive ring.
  • the width of the piezoelectric multilayer actuator is a multi ⁇ times a height of the piezoelectric multilayer actuator, so that the piezoelectric multilayer actuator contributes by at least indirect system on the drive ring to an improved torsional rigidity of the drive ring.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a BE ⁇ preferred embodiment of the piezoelectric ring motor
  • 2 shows a schematic illustration of a plan view of an embodiment of the piezoelectric ring motor
  • 3 is a schematic representation of an embodiment of the piezoelectric multilayer actuators of the ring motor
  • Fig. 4 are schematic representations of an embodiment of the cross member of the piezoelectric ring motor.
  • Fig. 5 are schematic representations of an embodiment of the drive ring of the piezoelectric ring motor.
  • FIG. Fig. 1 shows a perspectives asset-side view of one embodiment of the electromechanical actuator 1 in the form of a piezo-electric ring motor, in which the above-mentioned piezoelectric Learnschich ⁇ taktor 10 is used.
  • the piezoelectric ring motor 1 has a drive ring 20.
  • the drive ring 20 comprises a central opening through which an unillustrated on ⁇ driving shaft 30 would run. In agreement with the diameter of this shaft 30, the opening on the drive ring has an inner diameter d (see Fig. 5).
  • the two piezoelectric multilayer actuators 10 In a rectangular orientation to each other, the two piezoelectric multilayer actuators 10 directly or indirectly engage the drive ring 20. If these piezoelectric multilayer actuators 10 are electrically driven, a displacement movement in the drive ring 20 can be excited in this way, so that the shaft 30, not shown, would be rotatable by this displacement ⁇ movement. It is likewise conceivable to use three or four of these piezoelectric multilayer actuators 10 in legal angular alignment with each other on the drive ring 20 to arrange.
  • the piezoelectric multilayer actuators 10 are arranged standing between the drive ring 20 and a respective cross member 50 under mechanical bias. This mechanical bias is generated in the form of compressive stresses by spring bands 40.
  • the spring strips 40 are therefore under tension and are arranged parallel to a direction of action 12 of the respective piezoelectric multilayer actuator 10.
  • the spring bands 40 are secured to the cross member 50 and drive ring 20. They each extend in the longitudinal direction of the piezoelectric multilayer actuator 10 beyond its length and at least partially via the drive ring 20, so that the piezoelectric multilayer actuator 10 can be optimally mechanically prestressed against the drive ring 20.
  • the complex and expensive hollow springs of the prior art, including their top and bottom plates and the required welding processes therefore accounts for the benefit of the above-mentioned spring strips 40. These are made for example as inexpensive steel strips or similarly effective, but inexpensive material. Since all parts of the piezoelectric ring motor either non-positively or with little effort solvable by the
  • Spring bands 40 are connected to each other, in the case of production committee by simply capping or loosening the spring strips 40, the drive can be disassembled and the faulty part can be removed.
  • the other components of the ring motor 1 continue to be used. In this way, we ⁇ sentliche cost reduction in comparison with the prior art is achieved both in the production and in the maintenance of the ring motor.
  • the spring strips 40 are seen in the direction of action 12 attached to any point of the drive ring 20. This allowed ⁇ light to carry out the spring strips 40 as long as possible and targeted manner de ⁇ ren length so that the Federeigenschaf- th of the spring band 40 are optimally matched to a mechanical Vorspan ⁇ tion of the piezoelectric multilayer actuator 10. It is further preferred for this purpose, the Fe ⁇ derb selected 40 seen in the direction of action 12 and based on the adjacent piezoelectric multilayer actuator 10 at the farthest location of the drive ring 20 to fix.
  • the spring bands 40 run at least partially around the cross member 50 and / or the drive ring 20 (see FIG. Based on this construction, it is also conceivable to connect the ends of a spring band 40 together to provide an endlessly extending spring band 40.
  • cross member 50 and drive ring 20 have grooves 22 and 52, in which the spring strips 40 are guided (see Figures 1, 4, 5).
  • the grooves 22, 52 ensure that the spring bands 40 are laterally fixed so that they do not slip laterally during operation of the piezoelectric multilayer actuators 10 or generally of the ring motor 1.
  • intersecting grooves 22 for intersecting Fe ⁇ derb selected 40 on the drive ring 20 are formed differently deep. The different depth of the grooves 22 prevents mutual interference of the intersecting spring strips 40 and wear due to a possible friction of Fe ⁇ derb selected 40 together.
  • the grooves 22 and 52 have fillets R (compare Figures 4, 5). These fillets R serve as deflection points of the spring strips 40. As an alternative to the fillets R designed as rigid deflection points, it is likewise conceivable to realize the deflection of the spring strips 40 with the aid of deflection rollers.
  • the spring strips 40 are designed as spring wires.
  • these have on the lateral end faces extending grooves 54.
  • the electrical leads 12 of the piezoelectric multilayer actuators 10 are arranged.
  • the grooves 54 ensure that the electrical leads 12 of the piezoelectric multilayer actuators 10 are protected against damage during actuator operation.
  • the mechanical power achievable by means of the piezoelectric multilayer actuators 10 shown in FIG. 3 is directly proportional to the electromechanically active piezoelectric ceramic volume.
  • the force of the piezoelectric multi-layer actuator 10 is proportional to its cross-sectional area
  • the longitudinal strain of the piezoelectric multilayer actuator 10 is proportional to its length.
  • the cross section of the piezo-electric ⁇ multilayer actuator 10 h as thin as possible with a height and is formed as wide as possible with a width b (see FIG. 3).
  • This geometry promotes the Torsionssteifig- ability of the piezoelectric multilayer actuator 10 and thus the entire ring motor 1, because the piezoelectric multilayer actuator 10 rests on the drive ring 20.
  • the torsional stiffness behaves directly proportional to the area moment of inertia I of the cross-sectional area of the piezo ⁇ electric multilayer actuator 10 with respect to the center line of the broadside.
  • the area moment of inertia I can therefore be calculated according to the following formula:
  • the width b of the piezoelectric multilayer actuator 10 is therefore preferably a multiple of its height h.
  • the use of the above geometry of the piezoelectric multilayer actuator in place of the double lac ⁇ laktor execution means a cost reduction in the production of the ring motor 1. It saves one bonding processes, for example in the Her ⁇ position of the ring motor because only one actuator used becomes.
  • the width b of the piezoelectric multilayer actuator réelle exceeds (see FIG. 5) of the drive ring 20 in a sufficient degree.
  • at least one spring band 40 can each be arranged laterally from the central opening of the drive ring 20.
  • the drive ring 20, spring band 40 and piezoelectric multilayer actuator 10 are designed coordinated in their width.

Landscapes

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

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen elektromechanischen Stellantrieb (1), insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor. Dieser umfasst mindestens zwei piezoelektrische Vielschichtaktoren (10), die durch Federbänder (40) zwischen Antriebsring (20) und Querträger (50) mechanisch vorgespannt sind.

Description

Beschreibung
Elektromechanischer Stellantrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb, insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor.
Aus dem Stand der Technik sind elektromechanische Stellan¬ triebe bekannt, die beispielsweise in der EP 1 098 429 Bl be- schrieben sind. Eine Weiterentwicklung dieser Stellantriebe geht aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2005 022 355.9 hervor.
Typischerweise dienen zwei Paare piezoelektrischer Viel- schichtaktoren, die im rechten Winkel zueinander an einem Antriebsring angeordnet sind, als Antrieb für einen piezoelekt¬ rischen Ringmotor. Die beiden parallelen piezoelektrischen Vielschichtaktoren eines Paares weisen einen möglichst großen Abstand voneinander auf, um eine möglichst hohe Torsionsstei- figkeit des Ringmotors bezüglich einer Drehachse einer Welle innerhalb des Antriebsrings zu erreichen. Um die piezoelekt¬ rischen Vielschichtaktoren mechanisch vorzuspannen, werden gewöhnlich Hohlfedern eingesetzt. Die Hohlfedern bringen bauraumsparend Druckspannungen auf die piezoelektrischen Viel- schichtaktoren unterschiedlicher Bauform auf. Die Hohlfedern werden in aufwendigen Arbeitsschritten aus Blech gestanzt, nachfolgend gerollt und schließlich längsnahtgeschweißt, so dass eine strukturierte und einlagig hohlzylindrische Feder mit schlitzartiger Struktur entsteht.
Zum Erzeugen der Verschiebebewegung des Antriebsrings wird dieser über Zug- und Druckspannungen gezielt verformt. Mit den zur Aktoreinheit verbauten piezoelektrischen Vielschichtaktoren innerhalb eines bekannten Ringmotors sind jedoch ak- tiv keine Zugkräfte generierbar. Daher erfolgt die Erzeugung der auf den Antriebsring wirkenden Zugkraft durch Umverteilung der durch die Hohlfeder bereitgestellten Druckvorspannkraft des piezoelektrischen Vielschichtaktors auf den An¬ triebsring. Um dies zu erreichen wird der piezoelektrische Vielschichtaktor durch Entladen verkürzt. Bei diesem Vorgang besteht jedoch die Gefahr, dass der piezoelektrische Viel¬ schichtaktor zu stark bzw. völlig entlastet wird. Infolgedes¬ sen wird die steife Ankopplung des Antriebsrings über die Ak- toreinheit an ein Gehäuse des Ringmotors geschwächt. Durch diese Schwächung wird ebenfalls die durch die Aktoreinheit vermittelte Drehmomentübertragung von der Welle des Ringmotors über den Antriebsring auf das Gehäuse des Ringmotors ne¬ gativ beeinflusst. Des Weiteren leidet die Torsionssteifig- keit des Antriebsrings 20 durch die verminderte Anbindung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren .
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bekannte Stellan¬ triebe für die Massenproduktion noch zu teuer und aufwendig sind. Dies wirkt sich gerade dann negativ aus, wenn die Nach¬ frage für diese Stellantriebe steigt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen Stellantrieb mit einer im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Stabilität und kostengünstigen Herstellung bereitzustellen.
Die obige Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Stellantrieb gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vor- teilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des elektromechanischen Stellantriebs gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden Ansprüchen hervor .
Die obige Aufgabe löst ein elektromechanischer Stellantrieb, insbesondere ein piezoelektrischer Ringmotor. Dieser Stellantrieb weist die folgenden Merkmale auf: mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente mit einer Wirkrichtung, mindestens einen Antriebsring, der durch eine Längenänderung der elektromechanischen Antriebselemente zu einer Verschiebe¬ bewegung anregbar ist, so dass eine Welle durch die Verschie¬ bebewegung des Antriebsrings drehbar ist, und mindestens ein Vorspannelement, dass sich parallel zur Wirkrichtung eines der elektromechanischen Antriebselemente sowie über das elektromechanische Antriebselement hinaus und zumindest teil¬ weise über den Antriebsring erstreckt, so dass das elektrome¬ chanische Antriebselement gegen den Antriebsring mechanisch vorspannbar ist.
Die vorliegende Erfindung liefert einen piezoelektrischen Ringmotor, der sich durch eine kostengünstige Herstellung und hohe Stabilität auszeichnet. Dies wird dadurch realisiert, dass nur zwei rechtwinklig zueinander angeordnete elektrome¬ chanische Antriebselemente, vorzugsweise piezoelektrische Vielschichtaktoren, zum Antrieb des Antriebsrings genutzt werden. Diese piezoelektrischen Vielschichtaktoren werden mit Hilfe von in ihrer Länge einstellbaren Vorspannelementen ge- gen den Antriebsring mechanisch vorgespannt. Aufgrund der Vorspannelemente und gerade deren Länge, die sich über die Länge der piezoelektrischen Vielschichtaktoren und teilweise über den Antriebsring erstreckt, wird eine verbesserte Anbin¬ dung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren an den An- triebsring im Vergleich zum Stand der Technik realisiert. Des Weiteren sind die Vorspannelemente, die gemäß einer Ausfüh¬ rungsform als Federband ausgestaltet sind, kostengünstiger, mechanisch effektiver und leichter austauschbar im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Hohlfedern.
Die Federbänder sind an einem Querträger und dem Antriebsring derart angeordnet, dass jeweils ein piezoelektrischer Viel¬ schichtaktor mit vorzugsweise zwei Federbändern zwischen An¬ triebsring und Querträger mechanisch vorspannbar ist. Um eine ausreichende Länge der Federbänder gewährleisten zu können, ist es zudem bevorzugt, das Federband an Antriebsring und/oder Querträger zu befestigen oder es endlos umlaufend um Querträger, piezoelektrischen Vielschichtaktor und Antriebsring auszubilden. Die Gestaltungsfreiheit bezüglich der Länge des Federbands eröffnet die Möglichkeit, dass eine Tragkraft des Federbands optimal auf die Vorspannerfordernisse des ver¬ wendeten piezoelektrischen Vielschichtaktors abstimmbar ist. Gemäß einer weiteren Alternative ist das Federband bezogen auf das elektromechanische Antriebselement und in Wirkrich¬ tung gesehen am entferntesten Ort des Antriebsrings befestigt oder umgelenkt. Um beispielsweise die Umlenkung zu gewähr- leisten, weisen Antriebsring und/oder Querträger Umlenkpunkte auf, die beispielsweise durch Ausrundungen oder Umlenkrollen realisiert sind. Es ist zudem vorteilhaft, die Federbänder innerhalb des Stellantriebs in Nuten anzuordnen, die im An¬ triebsring und/oder Querträger ausgebildet sind. Diese Nuten gewährleisten eine stabile Positionierung der Federbänder, so dass diese während des Betriebs des Stellantriebs nicht ver¬ rutschen. In einer weiteren Ausgestaltung sind diese Nuten unterschiedlich tief ausgebildet, so dass sich kreuzende Fe¬ derbänder nicht behindern oder aufgrund von Reibung ver- schleißen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die mindestens zwei elektrischen Antriebselemente oder piezoelektrischen Vielschichtaktoren eine Breite parallel zu und größer als ein Innendurchmesser der Öffnung im Antriebsring auf. Zudem ist die Breite des piezoelektrischen Vielschichtaktors ein Mehr¬ faches einer Höhe des piezoelektrischen Vielschichtaktors, so dass der piezoelektrische Vielschichtaktor durch zumindest mittelbare Anlage am Antriebsring zu einer verbesserten Tor- sionssteifigkeit des Antriebsrings beiträgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher er¬ läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer be¬ vorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Ringmotors,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Ausführungsform des piezoelektrischen Ringmotors, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der piezoelektrischen Vielschichtaktoren des Ringmotors,
Fig. 4 schematische Darstellungen einer Ausführungsform des Querträgers des piezoelektrischen Ringmotors, und
Fig. 5 schematische Darstellungen einer Ausführungsform des Antriebsrings des piezoelektrischen Ringmotors.
Zur Lösung der obigen Aufgabe erscheint es besonders vorteil¬ haft, an Stelle eines Paares piezoelektrischer Vielschichtaktoren nur einen einzigen piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 mit rechteckigem Querschnitt zum Aufbau eines Stellan¬ triebs 1 einzusetzen, der senkrecht zu einem weiteren piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 angeordnet ist (vgl. Fig. 1) . Ein derartiger piezoelektrischer Vielschichtaktor 10 ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Fig. 1 zeigt eine perspek- tivische Ansicht einer Ausführungsform des elektromechani- schen Stellantriebs 1 in Form eines piezoelektrischen Ringmotors, in dem der oben genannte piezoelektrische Vielschich¬ taktor 10 genutzt wird. Der piezoelektrische Ringmotor 1 weist einen Antriebsring 20 auf. Der Antriebsring 20 umfasst eine zentrale Öffnung, durch die eine nicht dargestellte an¬ zutreibende Welle 30 laufen würde. In Abstimmung auf den Durchmesser dieser Welle 30 weist die Öffnung am Antriebsring einen Innendurchmesser d auf (vgl. Fig. 5) .
In rechtwinkeliger Ausrichtung zueinander greifen die zwei piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 unmittelbar oder mittelbar am Antriebsring 20 an. Werden diese piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 elektrisch angesteuert, ist auf diese Weise eine Verschiebbewegung im Antriebsring 20 anregbar, so dass die nicht dargestellte Welle 30 durch diese Verschiebe¬ bewegung drehbar wäre. Es ist ebenfalls denkbar, drei oder vier dieser piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 in recht- winkeliger Ausrichtung zueinander am Antriebsring 20 anzuordnen .
Die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 sind zwischen dem Antriebsring 20 und jeweils einem Querträger 50 unter mechanischer Vorspannung stehend angeordnet. Diese mechanische Vorspannung wird in Form von Druckspannungen durch Federbänder 40 erzeugt. Die Federbänder 40 stehen daher unter Zugspannung und sind parallel zu einer Wirkrichtung 12 des je- weiligen piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 angeordnet.
Gemäß einer Alternative der vorliegenden Erfindung sind die Federbänder 40 am Querträger 50 und Antriebsring 20 befestigt. Sie erstrecken sich jeweils in Längsrichtung des piezo- elektrischen Vielschichtaktors 10 über dessen Länge hinaus und zumindest teilweise über den Antriebsring 20, so dass der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 optimal gegen den Antriebsring 20 mechanisch vorspannbar ist. Die aufwendigen und teuren Hohlfedern des Standes der Technik samt ihrer Kopf- und Bodenplatten und der erforderlichen Schweißprozesse entfallen daher zugunsten der oben genannten Federbänder 40. Diese sind beispielsweise als preiswerte Stahlbänder oder aus ähnlich effektivem, aber kostengünstigem Material hergestellt. Da alle Teile des piezoelektrischen Ringmotors entwe- der kraftschlüssig oder mit wenig Aufwand lösbar durch die
Federbänder 40 miteinander verbunden sind, kann im Falle von Produktionsausschuss durch einfaches Kappen oder Lösen der Federbänder 40 der Antrieb zerlegt und das fehlerhafte Teil entfernt werden. Die anderen Komponenten des Ringmotors 1 werden weiter verwendet. Auf diese Weise wird sowohl bei der Herstellung als auch bei der Wartung des Ringmotors eine we¬ sentliche Kostensenkung im Vergleich zum Stand der Technik erzielt .
Die Federbänder 40 sind in Wirkrichtung 12 gesehen an einem beliebigen Punkt des Antriebrings 20 befestigt. Dies ermög¬ licht, die Federbänder 40 möglichst lang auszuführen und de¬ ren Länge gezielt einzustellen, so dass die Federeigenschaf- ten des Federbands 40 optimal auf eine mechanische Vorspan¬ nung des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 abgestimmt sind. Es ist des Weiteren bevorzugt, zu diesem Zweck die Fe¬ derbänder 40 in Wirkrichtung 12 gesehen und bezogen auf den angrenzenden piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 am entferntesten Ort des Antriebsrings 20 zu befestigen.
Gemäß weiterer Alternativen der vorliegenden Erfindung laufen die Federbänder 40 zumindest teilweise um den Querträger 50 und/oder den Antriebsring 20 herum (vgl. Figur 1) . Basierend auf dieser Konstruktion ist es ebenfalls denkbar, die Enden eines Federbands 40 miteinander zu verbinden, um ein endlos verlaufendes Federband 40 bereitzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen Querträger 50 und Antriebsring 20 Nuten 22 und 52 auf, in denen die Federbänder 40 geführt sind (vgl. Figuren 1, 4, 5). Die Nuten 22, 52 stellen sicher, dass die Federbänder 40 lateral fixiert sind, so dass sie nicht während des Betriebs der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 oder allgemein des Ringmotors 1 seitlich verrutschen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind beispielsweise sich kreuzende Nuten 22 für sich kreuzende Fe¬ derbänder 40 am Antriebsring 20 unterschiedlich tief ausgebildet. Die unterschiedliche Tiefe der Nuten 22 verhindert eine gegenseitige Behinderung der sich kreuzenden Federbänder 40 sowie einen Verschleiß durch eine mögliche Reibung der Fe¬ derbänder 40 aneinander.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Nuten 22 und 52 Ausrundungen R auf (vgl. Figur 4, 5) . Diese Ausrundungen R dienen als Umlenkpunkte der Federbänder 40. Als Alternative zu den als starre Umlenkpunkte ausgestalteten Ausrundungen R ist es ebenfalls denkbar, die Umlenkung der Federbänder 40 mit Hilfe von Umlenkrollen zu realisieren.
Gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung sind die Federbänder 40 als Federdrähte ausgestaltet. In weiterer Ausgestaltung der Querträger 50 weisen diese an den seitlichen Stirnflächen verlaufende Nuten 54 auf. In diesen Nuten 54 sind die elektrischen Zuleitungen 12 der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 angeordnet. Die Nuten 54 gewährleisten, dass die elektrischen Zuleitungen 12 der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 gegen Beschädigungen während des Aktorbetriebs geschützt sind.
Die mittels der in Figur 3 gezeigten piezoelektrischen Viel- schichtaktoren 10 erzielbare mechanische Leistung ist direkt proportional zum elektromechanisch aktiven piezoelektrischen Keramikvolumen. Die Kraft des piezoelektrischen Vielschich- taktors 10 ist proportional zu dessen Querschnittsfläche und die Längsdehnung des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 ist proportional zu seiner Länge. Bei gegebenen Leistungsda¬ ten eines piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 in Form von Längsdehnung und Kraft, d.h. bei gegebener Länge und bei ge¬ gebenem Querschnittsflächeninhalt, ist es für den piezoelekt¬ rischen Vielschichtaktor 10 mechanisch vorteilhaft, seinen Querschnittsflächeninhalt mit einem möglichst hohen Aspekt¬ verhältnis auszubilden. D.h., dass der Querschnitt des piezo¬ elektrischen Vielschichtaktors 10 möglichst dünn mit einer Höhe h und möglichst breit mit einer Breite b ausgebildet ist (vgl. Figur 3). Diese Geometrie fördert die Torsionssteifig- keit des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 und somit auch des gesamten Ringmotors 1, weil der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 am Antriebsring 20 anliegt.
Die Torsionssteifigkeit verhält sich direkt proportional zum Flächenträgheitsmoment I der Querschnittsfläche des piezo¬ elektrischen Vielschichtaktors 10 bezüglich der Mittellinie der Breitseite. Das Flächenträgheitsmoment I lässt sich daher nach folgender Formal berechnen:
I = h-b3/12
Hieraus ist ersichtlich, dass bei gegebenem Flächeninhalt ei¬ ne dünne aber breite Querschnittsgeometrie des piezoelektri- sehen Vielschichtaktors zu bevorzugen ist. Die Breite b des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 ist daher bevorzugt ein Mehrfaches seiner Höhe h. Neben der Unterstützung der Torsionssteifigkeit bedeutet die Anwendung obiger Geometrie des piezoelektrischen Vielschichtaktors an Stelle der Doppe¬ laktor-Ausführung zudem eine Kostenreduktion bei der Herstellung des Ringmotors 1. Es werden beispielsweise bei der Her¬ stellung des Ringmotors 1 Kontaktierungsprozesse eingespart, da nur ein Aktor eingesetzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform übersteigt die Breite b des piezoelektrischen Vielschichtaktors einen Innendurchmes¬ ser d (vgl. Figur 5) des Antriebsrings 20 in ausreichendem Maße. Mit Hilfe dieser Geometrie ist jeweils mindestens ein Federband 40 jeweils seitlich von der mittigen Öffnung des Antriebsrings 20 anordenbar. Dadurch sind Antriebsring 20, Federband 40 und piezoelektrischer Vielschichtaktor 10 in ihrer Breite aufeinander abgestimmt ausgestaltet.
Neben den bereits oben genannten Kostenvorteilen auf Grund der Verwendung von nur zwei piezoelektrischen Vielschichtak- toren 10 ist es zudem günstig, den piezoelektrischen Ringmotor 1 mit einer reduzierten Anzahl von Bestandteilen im Vergleich zum Stand der Technik herzustellen. Kostenvorteile er- geben sich zudem durch den Ersatz der komplexen Rohrfeder und der damit verbundenen Schweißprozesse zugunsten der preiswerteren Federbänder und/oder Federdrähte. Es ist ebenfalls hilfreich, dass im Falle von Ausschuss bei der Herstellung des Ringmotors 1 eine hohe Recyclingrate in Bezug auf die einzelnen Komponenten des Ringmotors 1 besteht. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der piezoelektrische Ringmotor 1 auf Grund der Nutzung der oben beschriebenen piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 wesentlich schmaler und mit einem Geometrie- und Bauraumvorteil herstellbar ist. Auf diese Weise sind Stellantriebe flacher Bauform realisierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanischer Stellantrieb (1), insbesondere ein piezoelektrischer Ringmotor, der die folgenden Merkmale aufweist:
a. mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente (10) mit einer Wirkrichtung (12),
b. mindestens einen Antriebsring (20), der durch eine
Längenänderung der elektromechanischen Antriebselemente (10) zu einer Verschiebebewegung anregbar ist, so dass eine Welle (30) durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings (10) drehbar ist, und
c. mindestens ein Vorspannelement (40), das sich parallel zur Wirkrichtung eines der elektromechanischen Antriebselemente (10) sowie über das elektromechanische Antriebselement (10) hinaus und zumindest teilweise über den Antriebsring (20) erstreckt, so dass das elektromechanische Antriebselement (10) gegen den An¬ triebsring (20) mechanisch vorspannbar ist.
2. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß Anspruch 1, dessen elektromechanisches Antriebselement (10) ein pie¬ zoelektrischer Vielschichtaktor ist.
3. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Vorspannelement (40) ein Federband ist.
4. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß Anspruch 3, dessen Federband (40) an einem Querträger (50) und dem Antriebsring (20) derart angeordnet ist, dass das elekt- romechanische Antriebselement (10) zwischen Antriebsring (20) und Querträger (50) mechanisch vorspannbar ist.
5. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß Anspruch 4, dessen Federband (40) an Antriebsring (20) und/oder Querträger (50) befestigt ist oder dessen Federband (40) end¬ los umlaufend ausgebildet ist.
6. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dessen Federband (40) bezogen auf das elektromechanische Antriebselement (10) und in Wirkrich¬ tung (12) gesehen am entferntesten Ort des Antriebsrings (20) befestigt oder umgelenkt ist.
7. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 6, in dem mindestens eins der Antriebsele¬ mente (10) mit zwei Federbändern (40) vorgespannt ist.
8. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem die mindestens zwei elektromecha- nischen Antriebselemente (10) eine Breite (b) parallel zu und größer als ein Innendurchmesser (d) des Antriebsrings (20) aufweisen.
9. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß Anspruch 8, in dem die Breite (b) des Antriebselements (10) ein Mehrfa¬ ches einer Höhe (h) des Antriebselements (10) ist und das Antriebselement (10) über seine Breite (b) zumindest mit¬ telbar am Antriebsring (20) anliegt, so dass eine Torsi¬ onssteifigkeit des Antriebsrings (20) unterstützt ist.
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