WO2008009577A1 - Elektromechanischer motor - Google Patents

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WO2008009577A1
WO2008009577A1 PCT/EP2007/056928 EP2007056928W WO2008009577A1 WO 2008009577 A1 WO2008009577 A1 WO 2008009577A1 EP 2007056928 W EP2007056928 W EP 2007056928W WO 2008009577 A1 WO2008009577 A1 WO 2008009577A1
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WO
WIPO (PCT)
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electromechanical
drive ring
spring wire
drive
ring
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/056928
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP07787210A priority Critical patent/EP2041812A1/de
Publication of WO2008009577A1 publication Critical patent/WO2008009577A1/de

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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 motor, in particular a piezoelectric ring motor.
  • Electromechanical motors and in particular piezoelectric ring motors are known from European Patent 1,098,429 Bl and 102005022355.9.
  • a known piezoelectric ring motor 1 is shown schematically in FIG.
  • the piezoelectric ring motor 1 comprises a drive ring 20, on the sides of which act in a rectangular orientation electromechanical drive elements 10.
  • the electromechanical drive elements 10 are designed as piezoelectric multilayer actuators.
  • hollow springs 14 are used to mechanically bias the piezoelectric multilayer actuators 10. The hollow springs 14 save space
  • hollow springs 14 of different designs are used. They are stamped from flat sheet metal, subsequently rolled and finally welded longitudinally, so that a structured and single-ply hollow cylindrical spring with slot-like structure is created.
  • a hollow spring 14 is shown by way of example in FIG. 2, while at the same time an example of a piezoelectric multilayer actuator 10 to be pretensioned by the hollow spring 14 is shown.
  • the piezoelectric multilayer actuator 10 is typically used in injector applications in motor vehicles with a compressive force of about 600 to 850 N installed.
  • the compressive stress is between suitably dimensioned end plates 16 to avoid damaging tensile stresses in the highly dynamic actuator operation and the mechanically rigid connection to the elements to be driven and the counter bearing of an actuator generated.
  • the piezoelectric multilayer actuators 10 are installed between end plates 16, end caps 11 and hollow cylindrical springs 14, which together form the named actuator unit. This can also be seen in the schematic diagram in Fig. 1.
  • the piezoelectric motors 1 With regard to the end caps 11 adapted actuator units of this type are hitherto used to construct the piezoelectric motors 1.
  • the housing parts of the piezoelectric ring motor are not shown in Fig. 1. Instead, the power connection or mounting of the drive on the housing is represented by the triangular symbols.
  • the snapshot shown shows the drive ring 20 and the shaft 30 with the contact point between the drive ring 20 and shaft 30 lying right on the positive X-axis. In this situation, the contact force required for torque transmission between drive ring 20 and shaft 30 is mediated as a tensile force from the acting in the X direction actuator units between the housing and the drive ring 20.
  • the tensile force is generated by redistribution of the pressure prestressing force provided by the tubular spring or hollow spring 14 from the piezoelectric multilayer actuator 10 to the drive ring 20.
  • the piezoelectric multilayer actuator 10 is shortened by discharging.
  • the piezoelectric multilayer actuator 10 is too strong or completely relieved.
  • the rigid coupling of the drive ring 20 is weakened via the actuator unit to the housing, so that the also mediated by the actuator unit torque transmission from the shaft 30 via the drive ring 20 to the housing is adversely affected.
  • the series coil springs 14, dimensioned for a tensile force of 850 N were used for laboratory samples all safety reserves with a tensile force of up to 1,200 N biased in the construction of the actuator units. Although such constructions are suitable for laboratory samples, they do not represent an alternative for large-scale production.
  • the electromechanical motor according to the invention has the following features: two groups of 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 by the displacement movement the drive ring is rotatable, and at least one biasing element which extends parallel to the effective direction of one of the electromechanical drive elements and beyond the electromechanical drive element and at least partially along at least one side surface of the drive ring, so that the electromechanical drive element against the drive ring is mechanically biased.
  • the present invention is based on a known construction of a piezoelectric ring motor.
  • the electromechanical drive elements in this preferred case piezoelectric multilayer actuators, are biased in place of hollow springs by means of biasing elements that extend over both the length of the piezoelectric multilayer actuators also extend at least partially over the length of the drive ring.
  • the biasing elements used here were specifically extended to increase their carrying capacity and in this way to optimize the bias of the piezoelectric multilayer actuators compared to the prior art.
  • a spring wire is used as a biasing element.
  • This is a cross member and the drive ring at least partially arranged circumferentially, so that the electromechanical drive element between the drive ring and cross member is mechanically biased.
  • the piezoelectric multilayer actuators or generally the electromechanical drive elements are supported between the cross member and the drive ring.
  • the cross member is thus arranged perpendicular to each supporting piezoelectric multilayer actuators.
  • the mechanically biasing spring wire extends at least partially along a plurality of side surfaces of the drive ring and the cross member.
  • the spring wire utilizes the circumferential surfaces of the drive ring and cross member to provide the desired bias conditions for the piezoelectric multilayer actuators by providing sufficient length.
  • the biasing spring wire thus extends in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, while at least partially circulating the drive ring and / or the cross member.
  • the spring wire is guided over deflection points, which are designed as a rigid guide and / or as a movable guide, such as a roller.
  • the spring wire is attached to the drive ring and / or cross member or the spring wire is endlessly circulating around at least a part of drive ring and cross member designed.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a piezoelectric ring motor according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic representation of various components of a piezoelectric ring motor according to the prior art
  • Fig. 3 is a schematic representation of a preferred embodiment of the present invention.
  • Fig. 4 is a schematic representation of another preferred embodiment of the present invention.
  • the electromechanical motor 1 is formed by a ring motor with piezoelectric multi-layer actuators 10 as electromechanical drive elements. It is also conceivable to realize the electromechanical drive elements 10 by other linear actuators which, like the piezoelectric multilayer actuators, can excite a displacement movement of the shaft 30 in the drive ring 20.
  • two groups of at least two piezoelectric multilayer actuators 10 are arranged perpendicular to each other. It is also conceivable to use three or four groups of at least two piezoelectric multilayer actuators 10, which would then also be arranged at right angles in relation to the adjacent groups of piezoelectric multilayer actuators 10.
  • the piezoelectric multilayer actuators 10 are arranged between a cross member 50 and the drive ring 20.
  • the cross member 50 is preferably aligned transversely to a direction of action 12 of the piezoelectric multilayer actuators 10 and extends over at least two combined into a group piezoelectric multilayer actuators 10th
  • biasing elements 40 are used.
  • the biasing elements 40 extend parallel to the direction of action 12 of the respective piezoelectric multilayer actuator 10 and beyond its length.
  • the drive ring 20 and the cross member 50 parallel to a rotational axis of the shaft 30, they each have a top and bottom. Parallel to the axis of rotation of the shaft 30 thus extends the thickness direction of the drive ring 20 and cross member 50, so that the thickness of the drive ring 20 and cross member 50 each determines the width of a circumferential side surface of the drive ring 20 and the width of the circumferential side surface of the cross member 50.
  • the drive ring 20 is quadrangular, so that the peripheral side surface is divided into four side surfaces 24.
  • the circumferential side surface of the cross member 50 is divided into four side surfaces 54.
  • the spring wire 40 extends at least partially along at least one of the side surfaces 24 of the drive ring 20th It is further preferred to arrange the spring wire 40 along at least part of the side surfaces 54 of the cross member 50. In order to achieve sufficient spring properties of the spring wire 40 or generally of the biasing member, this is made of metal, such as common spring steel, steel or other suitable resilient metals.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • GFP glass fiber reinforced plastic
  • Kevlar Kevlar in the form of fibers or tapes.
  • the spring wire 40 generally materials with high tensile strength and elasticity are suitable, which have the spring properties for mechanical prestressing of the piezoelectric multilayer actuators 10. As shown in the schematic illustration in FIGS. 3 and 4, the respective piezoelectric multilayer actuator 10 is held under pressure prestress against the drive ring 20 and the respective cross member 50 via the spring wire 40. In this arrangement, the spring wire 40 is under tension.
  • the spring wire 40 is formed as an endless wire.
  • the ends of the spring wires 40 according to the partial circulation shown in Fig. 3 around the drive ring 20 and cross member 50 non-positively or positively connected to each other.
  • the spring wires 40 thus run on a plurality of side surfaces 24 of the drive ring 20 and on a plurality of side surfaces 54 of the cross member 50.
  • the spring wire 50 at any point one of the side surfaces 24, 54 to fix, whereby also any length of the spring wire 40 and thus the desired spring properties are adjustable.
  • the spring wire 40 is guided over a plurality of deflection points 60 to drive ring 20 and cross member 50.
  • the deflection points 60 are each arranged as close as possible to the side surfaces 24, 54 of drive ring 20 and cross member 50. According to In various embodiments, these deflection points 60 are formed differently.
  • deflecting rollers 22, 52 are arranged at the deflection points 60 on the drive ring 20 and cross member 50 for minimizing friction force.
  • the deflection rollers 22, 52 are rotatably mounted and have a groove for guiding the spring wire 40.
  • the deflecting rollers 56 on the cross member 50 and / or drive ring 20 are arranged.
  • the guide roller 56 has a plurality of grooves for guiding the spring wire 40. About the number of grooves is determined whether the spring wire several times next to each other via a guide roller 54, 56 can be driven. This opens up the alternative, the spring wire 40 several times around drive ring 20 and / or cross member 50 to rotate, thereby selectively increase the length of the spring wire 40 and to increase its carrying capacity.
  • a respective prestressing element or spring wire 40 serves for compressive prestressing of two piezoelectric multilayer actuators 10.
  • These two jointly prestressed piezoelectric multilayer actuators 10 are preferably referred to as a drive unit of the ring motor 1.
  • Cross member 50 realizes a rigid connection of this drive unit of the ring motor 1 to the motor housing (not shown).
  • the biasing device of the piezoelectric multilayer actuators 10 shown schematically in FIGS. 3 and 4 offers the advantage that the spring wire 40 has a particularly long length. He is therefore able, material contractually high biasing forces for the piezoelectric multilayer 10 goals. At the same time, the spring wire 40 in addition to the high biasing forces on a tube spring typically low spring constant. The length of a typical spring wire 40 or an endless spring wire 40 is approximately 240 mm. For each piezoelectric multilayer actuator 10, a pressure biasing force of approximately 1200 N is required, in this case a total of 2,400 N, since a drive unit comprises two piezoelectric multilayer actuators 10.
  • the tensile force F along the spring element is only 1,200 N.
  • the material tension ⁇ in the resting state of the spring wire 40 should not exceed about 1,000 N / mm 2 . Therefore, the following equation applies to the cross-sectional area A of the spring wire 40
  • the spring rate c F of the spring wire 40 is calculated on the basis of the inserted elastic modulus E of 200 ⁇ 10 9 N / m 2 and a length 1 of the spring wire 40 of 120 mm according to the following equation due to the parallel connection of two sections of the spring wire 40
  • the above equation thus provides a spring rate c F for the actuator pair of 4 N / ⁇ m and for the single piezoelectric multilayer actuator 10 a spring rate c F of 2 N / ⁇ m.
  • the spring rate c F per piezoelectric multilayer actuator 10 is thus significantly below a typical value of 3.3 N / ⁇ m for conventional hollow or tube springs while significantly increased carrying capacity of the biasing member 40.
  • the spring wire 40 therefore provides a more optimal and reliable bias the piezoelectric multilayer actuators 10 of the ring motor 1 in comparison to the prior art.
  • the ring motors 1 with the spring wires 40 as a biasing element industrially produced with less effort.
  • kraftumlenkende fillets on the drive ring 20 and the cross member 50 are used instead of the deflection rollers 22, 52, 56 kraftumlenkende fillets on the drive ring 20 and the cross member 50 .
  • kraftumlenkenden rounding (not shown) is required that, for example by means of lubrication or other suitable measures, the force and sliding friction between the drive ring 20 and spring wire 40 and between the cross member 50 and spring wire 40 is reduced in the operating case of the ring motor 1 to a harmless level .
  • the sliding surfaces of the deflecting fillets formed very smooth and optionally coated suitably.
  • the deflection rollers 22 are shared by two spring wires 40 for power deflection on the drive ring 20.
  • a plurality of deflection rollers 22 per deflection roller axis is preferably installed as a function of the number of spring wires 40 to be guided. In this way, it is ensured that the spring wires 40 running around the deflection points 60 operate completely independently of one another.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the present invention. 4, the components already known from the description of FIG. 3 are identified by the same reference symbols, so that reference is made to the above description for their explanation.
  • the horizontally acting piezoelectric multilayer actuators 10 have been omitted and only the vertically acting piezoelectric multilayer actuators 10 and the drive ring 20 are shown are.
  • the spring wire 40 is compared to the embodiment of FIG. 3 once additionally led to the outer contour of the drive ring 20.
  • the effective spring length of the spring wire 40 is significantly increased and the spring properties of the spring wire 40 are optimally adapted to the requirements of the ring motor 1.
  • this arrangement can also be applied to the remaining piezoelectric multilayer actuators 10 acting on the drive ring 20.

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen elektromechanischen Motor (1), insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor. Dieser Ringmotor weist einen Antriebsring (20) mit piezoelektrischen Vielschichtaktoren (10) als Antriebselemente auf. Die piezoelektrischen Vielschichtaktoren (10) sind über Vorspannelemente (40) vorgespannt, die sich parallel zur Wirkrichtung (12) der piezoelektrischen Vielschichtaktoren (10) sowie über die piezoelektrischen Vielschichtaktoren (10) hinaus und zumindest teilweise entlang mindestens einer Seitenfläche (24) des Antriebsrings (20) erstrecken.

Description

Beschreibung
Elektromechanischer Motor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Motor, insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor.
Elektromechanische Motoren und insbesondere piezoelektrische Ringmotoren sind aus dem europäischen Patent 1 098 429 Bl und der 102005022355.9 bekannt. Beispielgebend ist ein bekannter piezoelektrischer Ringmotor 1 schematisch in Fig. 1 dargestellt.
Der piezoelektrische Ringmotor 1 umfasst einen Antriebsring 20, an dessen Seiten in rechtwinkliger Ausrichtung elektromechanische Antriebselemente 10 angreifen. Die elektromechanischen Antriebselemente 10 sind als piezoelektrische Viel- schichtaktoren ausgebildet. Um die piezoelektrischen Viel- schichtaktoren 10 mechanisch vorzuspannen, werden Hohlfedern 14 eingesetzt. Die Hohlfedern 14 bringen bauraumsparend
Druckspannungen auf die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 unterschiedlicher Bauformen auf. In Abhängigkeit von der Bauform der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 werden ebenfalls Hohlfedern 14 unterschiedlicher Bauform genutzt. Sie werden aus ebenem Blech gestanzt, nachfolgend gerollt und schließlich längsnahtgeschweißt, so dass eine strukturierte und einlagig hohlzylindrische Feder mit schlitzartiger Struktur entsteht. Eine derartige Hohlfeder 14 zeigt beispielgebend Fig. 2, während gleichzeitig ein Beispiel für einen durch die Hohlfeder 14 vorzuspannenden piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 dargestellt ist.
Der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 wird unter anderem bei Injektoranwendungen in Kraftfahrzeugen typischerweise mit einer Druckkraft von ca. 600 bis 850 N verbaut. Die Druckspannung wird zwischen geeignet dimensionierten Endplatten 16 zur Vermeidung schädlicher Zugspannungen im hochdynamischen Aktorbetrieb und zur mechanisch steifen Anbindung an die anzutreibenden Elemente und das Gegenlager einer Aktoreinheit erzeugt. Somit werden die piezoelektrischen Vielschichtakto- ren 10 zwischen Endplatten 16, Endkappen 11 und hohlzylindri- schen Federn 14 verbaut, die gemeinsam die genannte Aktoreinheit bilden. Dies ist auch in der Prinzipskizze in Fig. 1 zu erkennen.
Hinsichtlich der Endkappen 11 angepasste Aktoreinheiten dieser Art werden bislang zum Aufbau der piezoelektrischen Motoren 1 eingesetzt. Die Gehäuseteile des piezoelektrischen Ringmotors sind in Fig. 1 nicht gezeigt. Stattdessen wird die Kraftanbindung bzw. Lagerung des Antriebs am Gehäuse durch die Dreieckssymbole dargestellt. Die dargestellte Momentaufnahme zeigt den Antriebsring 20 und die Welle 30 mit dem Kontaktpunkt zwischen Antriebsring 20 und Welle 30 rechts auf der positiven X-Achse liegend. In dieser Situation wird die zur Drehmomentübertragung zwischen Antriebsring 20 und Welle 30 benötigte Kontaktkraft als Zugkraft von den in X-Richtung wirkenden Aktoreinheiten zwischen dem Gehäuse und dem Antriebsring 20 vermittelt. Da mit den zur Aktoreinheit verbau- ten piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 aktiv keine Zugkraft erzeugt werden kann, erfolgt die Erzeugung der Zugkraft durch Umverteilung der durch die Rohrfeder bzw. Hohlfeder 14 bereitgestellten Druckvorspannkraft vom piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 auf den Antriebsring 20. Um dies zu er- reichen wird der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 durch Entladen verkürzt.
Bei diesem Vorgang besteht jedoch die Gefahr, dass der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 zu stark bzw. völlig entlas- tet wird. Infolgedessen wird die steife Ankopplung des Antriebsrings 20 über die Aktoreinheit an das Gehäuse geschwächt, so dass die ebenfalls durch die Aktoreinheit vermittelte Drehmomentübertragung von der Welle 30 über den Antriebsring 20 auf das Gehäuse negativ beeinflusst wird. Um dieser Gefahr zu begegnen und eine größere Kraftreserve zur Vorspannung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 bereitzustellen, wurden für Labormuster die für eine Zugkraft von 850 N dimensionierten Serien-Rohrfedern 14 unter Nutzung aller Sicherheitsreserven mit einer Zugkraft von bis zu 1.200 N beim Aufbau der Aktoreinheiten vorgespannt. Derartige Konstruktionen sind zwar für Labormuster geeignet, sie stellen jedoch keine Alternative für eine großtechnische Herstellung dar .
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen Motor mit einem im Vergleich zum Stand der Technik produktionsfreundlicheren Druckvorspannsystem be- reitzustellen.
Die obige Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Motor, insbesondere ein piezoelektrischer Ringmotor, gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weiterentwicklungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den anhängenden Ansprüchen.
Der erfindungsgemäße elektromechanische Motor weist die fol- genden Merkmale auf: zwei Gruppen von jeweils mindestens zwei elektromechanischen Antriebselementen mit einer Wirkrichtung, mindestens einen Antriebsring, der durch eine Längenänderung der elektromechanischen Antriebselemente zu einer Verschiebebewegung anregbar ist, so dass eine Welle durch die Verschie- bebewegung des Antriebsrings drehbar ist, und mindestens ein Vorspannelement, das sich parallel zur Wirkrichtung eines der elektromechanischen Antriebselemente sowie über das elektromechanische Antriebselement hinaus und zumindest teilweise entlang mindestens einer Seitenfläche des Antriebsrings er- streckt, so dass das elektromechanische Antriebselement gegen den Antriebsring mechanisch vorspannbar ist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf einer bekannten Konstruktion eines piezoelektrischen Ringmotors. Die elektrome- chanischen Antriebselemente, in diesem bevorzugten Fall piezoelektrische Vielschichtaktoren, sind an Stelle von Hohlfedern mittels Vorspannelementen vorgespannt, die sich sowohl über die Länge der piezoelektrischen Vielschichtaktoren als auch zumindest teilweise über die Länge des Antriebsrings erstrecken. Im Vergleich zu bekannten Hohlfedern wurden die hier genutzten Vorspannelemente gezielt verlängert, um ihre Tragkraft zu steigern und auf diese Weise die Vorspannung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren im Vergleich zum Stand der Technik zu optimieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Vorspannelement ein Federdraht eingesetzt. Dieser ist einen Querträger und den Antriebsring zumindest teilweise umlaufend angeordnet, so dass das elektromechani- sche Antriebselement zwischen Antriebsring und Querträger mechanisch vorspannbar ist.
Die piezoelektrischen Vielschichtaktoren oder allgemein die elektromechanischen Antriebselemente stützen sich zwischen dem Querträger und dem Antriebsring ab. Der Querträger ist somit senkrecht zu den sich jeweils abstützenden piezoelektrischen Vielschichtaktoren angeordnet. Ordnet man dem Quer- träger und dem Antriebsring jeweils eine Seitenfläche parallel zur Drehachse einer Welle und in Dickenrichtung von Querträger und Antriebsring zu, verläuft der mechanisch vorspannende Federdraht zumindest teilweise entlang einer Mehrzahl von Seitenflächen des Antriebsrings und des Querträgers. Auf diese Weise nutzt der Federdraht die Umfangsflachen von Antriebsring und Querträger, um über die Bereitstellung einer ausreichenden Länge die gewünschten Vorspannbedingungen für die piezoelektrischen Vielschichtaktoren bereitzustellen. Der vorspannende Federdraht verläuft somit in einer Ebene senk- recht zur Drehachse der Welle, während er den Antriebsring und/oder den Querträger zumindest teilweise umläuft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Federdraht über Umlenkpunkte geführt, die als starre Führung und/oder als bewegliche Führung, wie beispielsweise eine Rolle, ausgebildet sind. Gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung ist der Federdraht an Antriebsring und/oder Querträger befestigt oder der Feder- draht ist endlos umlaufenden um zumindest einen Teil von Antriebsring und Querträger ausgestaltet. Die obige Erfindung hat den Vorteil, dass durch Bereistellen im Vergleich zu bekannten Hohlfedern längere Vorspannelemente die Federrate der Vorspannelemente hohl- bzw. rohrfedertypisch klein gehalten wird, während gleichzeitig ein Vorspannelement mit gesteigerter Tragkraft entsteht.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wer- den unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Ringmotors gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung verschiedener Komponenten eines piezoelektrischen Ringmotors gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Der elektromechanische Motor 1 wird durch einen Ringmotor mit piezoelektrischen Vielschich- taktoren 10 als elektromechanische Antriebselemente gebildet. Es ist ebenfalls denkbar, die elektromechanischen Antriebselemente 10 durch andere lineare Stellglieder zu realisieren, die wie die piezoelektrischen Vielschichtaktoren eine Verschiebebewegung der Welle 30 im Antriebsring 20 anregen können .
Gemäß einer Alternative des in Fig. 3 dargestellten Ringmotors sind zwei Gruppen von zumindest zwei piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 senkrecht zueinander angeordnet. Es ist ebenfalls denkbar, drei oder vier Gruppen von mindestens zwei piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 zu nutzen, die dann ebenfalls im Verhältnis zu den benachbarten Gruppen von piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 rechtwinklig angeordnet wären.
Wie man in Fig. 3 erkennen kann, sind die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 zwischen einem Querträger 50 und dem Antriebsring 20 angeordnet. Der Querträger 50 ist bevorzugt quer zu einer Wirkrichtung 12 der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 ausgerichtet und erstreckt sich über zumindest zwei zu einer Gruppe zusammengefasster piezoelektrischer Vielschichtaktoren 10.
Um die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 mechanisch vorzuspannen, werden Vorspannelemente 40 eingesetzt. Die Vorspannelemente 40 erstrecken sich parallel zur Wirkrichtung 12 des jeweiligen piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 sowie über dessen Länge hinaus. Betrachtet man den Antriebsring 20 und die Querträger 50 parallel zu einer Drehachse der Welle 30, weisen sie jeweils eine Ober- und Unterseite auf. Parallel zur Drehachse der Welle 30 erstreckt sich somit die Dickenrichtung von Antriebsring 20 und Querträger 50, so dass die Dicke von Antriebsring 20 und Querträger 50 jeweils die Breite einer umlaufenden Seitenfläche des Antriebsrings 20 und die Breite der umlaufenden Seitenfläche des Querträgers 50 bestimmt. Gemäß der in Fig. 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der Antriebsring 20 viereckig ausgebildet, so dass sich die umlaufende Seitenfläche in vier Seitenflä- chen 24 unterteilt. In gleicher Weise unterteilt sich die umlaufende Seitenfläche des Querträgers 50 in vier Seitenflächen 54. Um die Länge des Federdrahts 40 und somit zumindest einen Teil seiner Federeigenschaften gezielt einstellen zu können, erstreckt sich der Federdraht 40 zumindest teilweise entlang mindestens einer der Seitenflächen 24 des Antriebsrings 20. Es ist weiterhin bevorzugt, den Federdraht 40 entlang zumindest eines Teils der Seitenflächen 54 des Querträgers 50 anzuordnen. Um ausreichende Federeigenschaften des Federdrahts 40 oder allgemein des Vorspannelements zu erzielen, ist dieser aus Metall, wie beispielsweise gängiger Federstahl, Stahl oder andere geeignete federnde Metalle hergestellt. Eine weitere Materialalternative bilden Metalllegierungen, Verbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) , sowie Kevlar in Form von Fasern oder Bändern. Für den Federdraht 40 sind somit gene- rell Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit und Elastizität geeignet, die die Federeigenschaften zur mechanischen Vorspannung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 aufweisen. Wie in der schematischen Darstellung in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist, wird über den Federdraht 40 der jeweilige piezo- elektrische Vielschichtaktor 10 unter Druckvorspannung auf Anlage an dem Antriebsring 20 und dem jeweiligen Querträger 50 gehalten. Bei dieser Anordnung steht der Federdraht 40 unter Zugspannung.
Gemäß einer Ausführungsform des Ringmotors 1 ist der Federdraht 40 als Endlosdraht ausgebildet. Zu diesem Zweck sind die Enden der Federdrähte 40 nach dem in Fig. 3 dargestellten teilweisen Umlauf um Antriebsring 20 und Querträger 50 kraft- oder formschlüssig miteinander verbunden. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, laufen die Federdrähte 40 somit auf einer Mehrzahl von Seitenflächen 24 des Antriebsrings 20 und auf einer Mehrzahl von Seitenflächen 54 des Querträgers 50. Anstelle eines Endlosdrahts ist es ebenfalls denkbar, den Federdraht 50 an einem beliebigen Punkt auf einer der Seitenflächen 24, 54 zu befestigen, wodurch ebenfalls eine beliebige Länge des Federdrahts 40 und somit der gewünschten Federeigenschaften einstellbar sind.
Der Federdraht 40 ist über eine Mehrzahl von Umlenkpunkten 60 an Antriebsring 20 und Querträger 50 geführt. Die Umlenkpunkte 60 sind jeweils möglichst nahe an den Seitenflächen 24, 54 von Antriebsring 20 und Querträger 50 angeordnet. Gemäß ver- schiedener Ausfuhrungsformen sind diese Umlenkpunkte 60 unterschiedlich ausgebildet.
Gemäß einer Alternative sind an den Umlenkpunkten 60 an An- triebsring 20 und Querträger 50 zur Reibungskraftminimierung Umlenkrollen 22, 52 angeordnet. Die Umlenkrollen 22, 52 sind drehbar gelagert und weisen eine Nut zur Fuhrung des Federdrahts 40 auf. Gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 4 dargestellt ist, sind die Um- lenkrollen 56 am Querträger 50 und/oder Antriebsring 20 angeordnet. Die Umlenkrolle 56 weist eine Mehrzahl von Nuten zur Fuhrung des Federdrahts 40 auf. Über die Anzahl der Nuten wird festgelegt, ob der Federdraht mehrfach nebeneinander über eine Umlenkrolle 54, 56 fuhrbar ist. Dies eröffnet die Alternative, den Federdraht 40 mehrfach um Antriebsring 20 und/oder Querträger 50 umlaufen zu lassen, um dadurch gezielt die Lange des Federdrahts 40 zu vergrößern und dessen Tragkraft zu erhohen.
Zur Durchleitung des Federdrahts 40 der jeweiligen Querrichtung unter den piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10, die senkrecht dazu ausgerichtet sind, werden Bodenplatten 26 mit passenden Nuten eingesetzt, auf denen sich die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 am Antriebsring 20 abstutzen (vgl. Fig. 3 und 4) . Wie aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht, dient jeweils ein Vorspannelement oder Federdraht 40 zur Druckvorspannung von zwei piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10. Diese zwei gemeinsam vorgespannten piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 werden bevorzugt als eine Antriebsein- heit des Ringmotors 1 bezeichnet. Querträger 50 realisiert eine steife Anbindung dieser Antriebseinheit des Ringmotors 1 an das Motorgehäuse (nicht gezeigt) .
Die in den Figuren 3 und 4 schematisch dargestellte Vorspann- einrichtung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 bietet den Vorteil, dass der Federdraht 40 eine besonders große Lange aufweist. Er ist daher in der Lage, materialvertraglich hohe Vorspannkrafte für die piezoelektrischen Vielschichtak- toren 10 bereitzustellen. Gleichzeitig weist der Federdraht 40 neben den hohen Vorspannkräften eine rohrfedertypisch geringe Federkonstante auf. Die Länge eines typischen Federdrahts 40 oder eines endlos ausgebildeten Federdrahts 40 be- trägt ca. 240 mm. Für jeden piezoelektrischen Vielschichtak- tor 10 ist eine Druckvorspannkraft von ca. 1.200 N erforderlich, hier also insgesamt 2.400 N, da eine Antriebseinheit zwei piezoelektrische Vielschichtaktoren 10 umfasst. Da zwei Abschnitte des Federdrahts 40 zur Druckvorspannkraft je Paar piezoelektrischer Vielschichtaktoren 10 beitragen, beträgt die Zugkraft F entlang des Federelements nur 1.200 N. Die Materialspannung σ im Ruhezustand des Federdrahts 40 soll ca. 1.000 N/mm2 nicht überschreiten. Daher gilt für den Querschnittsflächeninhalt A des Federdrahts 40 folgende Gleichung
F 1200 N 7 F 7 σ = — = = 1000 N / mm2 => A = — => A = 1,2 mm2
A A σ
Es ergibt sich somit ein Querschnittsflächeninhalt A des Federdrahts 40 von 1,2 mm . Die Federrate cF des Federdrahts 40 berechnet sich aufgrund der Parallelschaltung zweier Abschnitte des Federdrahts 40 auf Grundlage des eingesetzten Elastizitätsmoduls E von 200 • 109 N/m2 und einer Länge 1 des Federdrahts 40 von 120 mm gemäß folgender Gleichung
cF
Figure imgf000011_0001
Die obige Gleichung liefert somit eine Federrate cF für das Aktorpaar von 4 N/μm und für den einzelnen piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 eine Federrate cF von 2 N/μm. Die Feder- rate cF pro piezoelektrischem Vielschichtaktor 10 liegt damit deutlich unterhalb eines typischen Werts von 3,3 N/μm für herkömmliche Hohl- bzw. Rohrfedern bei gleichzeitig deutlich gesteigerter Tragfähigkeit des Vorspannelements 40. Der Federdraht 40 liefert daher eine optimalere und betriebssichere Vorspannung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 des Ringmotors 1 im Vergleich zum Stand der Technik. Zudem sind ebenfalls im Vergleich zum Stand der Technik die Ringmotoren 1 mit den Federdrähten 40 als Vorspannelement großtechnisch mit geringerem Aufwand herstellbar.
Gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung werden anstelle der Umlenkrollen 22, 52, 56 kraftumlenkende Verrundungen am Antriebsring 20 und am Querträger 50 eingesetzt. Für diese kraftumlenkenden Verrundungen (nicht dargestellt) ist erforderlich, dass beispielsweise mittels Schmie- rung oder anderer geeigneter Maßnahmen die Kraft- und Gleitreibung zwischen Antriebsring 20 und Federdraht 40 und zwischen Querträger 50 und Federdraht 40 im Betriebsfall des Ringmotors 1 auf ein unschädliches Maß reduziert wird. Neben der Anwendung von Schmiermitteln werden zu diesem Zweck bei- spielsweise die Gleitflächen der umlenkenden Verrundungen sehr glatt ausgebildet und gegebenenfalls geeignet beschichtet.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, werden zur Kraftumlenkung am Antriebsring 20 die Umlenkrollen 22 durch zwei Federdrähte 40 gemeinsam genutzt. Um an diesen Stellen einen optimaleren Betrieb des Ringmotors 1 zu gewährleisten, wird bevorzugt eine Mehrzahl von Umlenkrollen 22 pro Umlenkrollenachse in Abhängigkeit von der Anzahl der zu führenden Federdrähte 40 in- stalliert. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die um die Umlenkpunkte 60 laufenden Federdrähte 40 völlig unabhängig voneinander arbeiten.
Wie bereits oben kurz erwähnt worden ist, zeigt Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 4 sind die bereits aus der Beschreibung der Fig. 3 bekannten Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung verwiesen wird. Man sollte erkennen, dass in Fig. 4 zur Verdeutli- chung des Prinzips dieser Ausführungsform die horizontal wirkenden piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 weggelassen worden sind und lediglich die vertikal wirkenden piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 und der Antriebsring 20 gezeigt sind. Auf der konstruktiven Basis der paarweise ausgeführten Umlenkrollen 22 an jeder Ecke des Antriebsrings 20 wird der Federdraht 40 im Vergleich zur Ausführungsform der Fig. 3 einmal zusätzlich um die Außenkontur des Antriebsrings 20 ge- führt. Dadurch wird die wirksame Federlänge des Federdrahts 40 deutlich gesteigert und die Federeigenschaften des Federdrahts 40 sind optimaler an die Erfordernisse des Ringmotors 1 anpassbar. In gleicher Weise, wie es für die senkrecht wirkenden piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 und den ent- sprechenden Federdraht 40 gezeigt ist, ist diese Anordnung auch auf die übrigen an dem Antriebsring 20 angreifenden piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 anwendbar.
Weitere Alternativen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Vervielfältigung unabhängiger Umlenkrollen 22, 52, 56 und dem mehrfachen Umschlingen des Antriebsrings 20 und/oder des Querträgers 50 mit Federdraht 40. Eine natürliche Grenze für dieses Vorgehen ist durch die Dicke des Antriebsrings 20 gesetzt, da sich verteilt auf die Dicke von Antriebsring 20 und Querträger 50 nur eine begrenzte Anzahl von Umlenkrollen sinnvoll unterbringen lässt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanischer Motor (1), insbesondere ein piezoelektrischer Ringmotor, der die folgenden Merkmale auf- weist:
a. zwei Gruppen von jeweils mindestens zwei elektromecha- nischen Antriebselementen (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 (12) eines der elektromechanischen Antriebselemente (10) sowie über das elektromechani- sehe Antriebselement (10) hinaus und zumindest teilweise entlang mindestens einer Seitenfläche (24) des Antriebsrings (20) erstreckt, so dass das elektrome- chanische Antriebselement (10) gegen den Antriebsring (20) mechanisch vorspannbar ist.
2. Elektromechanischer Motor (1) gemäß Anspruch 1, dessen elektromechanisches Antriebselement (10) ein piezoelektrischer Vielschichtaktor ist.
3. Elektromechanischer Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Vorspannelement (40) ein Federdraht ist.
4. Elektromechanischer Motor (1) gemäß Anspruch 3, dessen Federdraht (40) einen Querträger (50) und den Antriebsring (20) zumindest teilweise umlaufend angeordnet ist, so dass das elektromechanische Antriebselement (10) zwi- sehen Antriebsring (20) und Querträger (50) mechanisch vorspannbar ist.
5. Elektromechanischer Motor (1) gemäß Anspruch 4, dessen Federdraht (40) in einer Ebene senkrecht zu einer Drehachse der Welle (30) den Antriebsring (20) und/oder den Querträger (50) zumindest teilweise umlaufend angeordnet ist.
6. Elektromechanischer Motor (1) gemäß Anspruch 4, dessen Federdraht (40) über Umlenkpunkte (60) geführt ist, die als starre Führung und/oder Rolle (22, 52, 56) realisiert sind.
7. Elektromechanischer Motor (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dessen Federdraht (40) an Antriebsring (20) und/oder Querträger (50) befestigt ist oder dessen Federdraht (40) endlos umlaufend ausgebildet ist.
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