WO2008037632A1 - Festkörperaktor-antriebsvorrichtung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a solid-state actuator ⁇ device with the Oberbegriffliehen features according to claim 1.
- DE 199 52 946 A1 describes a solid-state actuator drive device with a housing, in which a drive body is arranged with a central drive body opening. Through the drive body opening leads a shaft with a slightly smaller outer diameter than an inner diameter of the drive body opening.
- the drive body via two piezoelectric actuators such be ⁇ consolidates, that the drive body is movable in a pseudo-circular displacement movement in a plane transverse to the shaft axis.
- the drive body is set in motion in such a way that the shaft resting against its drive body opening is set in rotation.
- Such a solid-state actuator ⁇ device is characterized by the provision of a high torque of, for example, about 1 Nm to 5 Nm at relatively ge ⁇ ringer speed of less than 100 U / min and is therefore especially for control tasks with high torque demand a- over low rotational speed is suitable.
- the basis for the function are actuators piezo actuator units.
- Piezoelectric actuators are non-linear components whose efficiency is less than 100%. During operation of the actuators ent ⁇ are losses that manifest themselves, inter alia, in a warming of the actuators. Previous engine variants are therefore loaded in continuous operation only up to frequencies of typically 100 Hz. The approach of larger mechanical powers, which are directly proportional to the control frequency, is possible only in short-time operation due to otherwise excessive heating.
- the actuators or actuator units are mechanically rigidly coupled to the drive body at their upper side or upper cap by crimping, welding or screw connections with respect to tensile, compressive, shear and bending stresses. On the underside of the actuator units, the connection with the housing is made by crimping, welding or screw connections via lower caps. These two contact points of the actuator units represent a low thermal coupling to the housing or to the drive body.
- piezoelectric actuators do not show sufficient stability in a moist environment when subjected to voltage. There are breakdowns with irreversible damage to the actuator structure. An aspirated moisture protection of the actuators was not addressed in previous building variants. A simple actuator protection against moisture is provided by the manufacturer of such actuators by painting. However, a lacquer coating causes an additional deterioration of the heat transport.
- the object of the invention is to propose a solid-state actuator drive device which, despite the use of standard solid-state actuators, in particular piezoelectric actuators, permits starting of larger mechanical powers, in particular over a longer period of time.
- a solid-state actuator drive ⁇ device comprising a housing having a free interior space, a drive body with a drive body opening, a shaft mounted in the drive body opening shaft and actuators which for coupling of the drive body and / or the shaft to the housing and for placing the drive body and the Shaft relative to each other in a movement which enables the shaft to rotate.
- This arrangement is advantageously characterized in that a thermally conductive medium is arranged in at least one intermediate space between at least one of the actuators and the housing and / or between at least one of the actuators and the drive body.
- the thermally conductive medium is preferably a filler, in particular ⁇ a silicone gel, a thermally conductive and thereby mechanically soft filler and / or a hydrophobic filler.
- the thermally conductive medium is preferably arranged in a plurality of intermediate spaces, in particular in all intermediate spaces between the at least one actuator and the housing.
- the thermally conductive medium encloses the at least one Ak ⁇ gate preferably material.
- the housing is preferably designed as a thermally conductive, in particular thermally high-capacitive housing.
- Such an advantageous embodiment of such a solid-state actuator drive device has a surprisingly large number of advantages. Irrespective of the design of a solid-state actuator drive device with a special insert enclosing the actuators or an elastic and possibly flowable or spreadable medium such as a paste or gel, a significantly improved ther ⁇ mical coupling of the actuators to the housing and possibly causes the drive device. As a result, the drive over a longer period of time greater performance and / or even greater benefits than previously removed.
- a further advantage consists in a further improved acoustic damping by the material of the filler, so that sound waves resulting from actuator movements are damped. Ultimately, an improvement in the stability of the drive system is effected as such.
- electro-or magnetostrictive actuators can be used in addition to piezoelectric actuators.
- FIG. 1 shows a substantially known solid-state actuator drive device 1.
- a drive body 4 is arranged via actuators 3, in particular via linearly acting piezoelectric solid state actuators.
- the actuator body 4 has a central An ⁇ drive body opening on to in which a shaft 5 for rotation whose shaft axis is mounted.
- the shaft 5 has a small ⁇ yoggig smaller outer diameter than an inner diameter of the drive body opening.
- the drive body 4 can be displaced into a pseudo-circular or translatory motion in a plane transverse to the shaft axis of the shaft 5.
- the drive body 4 is set into motion such that the voltage applied to its drive body opening shaft 5 is set in rotation.
- a heat-conducting medium is introduced.
- the medium is preferably removable ⁇ det by a filler 7.
- all interstices 6 between the actuator 3 and housing 2 are filled with a filler 7.
- it may be the filler 7 is a silicone gel.
- the thermal coupling of the actuator units to the housing 2 of the drive unit is significantly improved on the one hand.
- the resulting heat of the actuators 3 is safely dissipated via a good heat conducting medium to a large heat capacity as the housing 2.
- suitable media as a heat transport medium a moisture transport to the actuators 3, on the other hand can be significantly towards ver ⁇ Ringert which is enormously beneficial to the component stability after first Un ⁇ investigations.
- the actuators 3 Central parts of the motor or drive concept are as the actuators 3 in particular piezoelectric actuators, which are surrounded by a prestressed Bourdon tube.
- the Bourdon tube itself is bounded at the top and bottom by two piezo caps, between which the actual piezoactuator sits.
- This construction subcap tube spring piezoceramic upper cap is hereinafter referred to as Ak ⁇ gate unit and is shown in Fig. 1 illustratively in Ver ⁇ bund with a housing shell of the housing 2 and the drive ⁇ body 4 shown.
- the opposite, for example, upper housing ⁇ seschale was assumed to be removed for the sake of clarity and not shown.
- the aim is thus to use the preferably entire actuator surface of the actuators 3 for thermal exchange.
- This can be realized in particular by the use of a mechanically soft, good heat-conducting filler 7, which connects the Akto ⁇ ren 3 over a large area with the housing 2.
- a mechanically soft, good heat-conducting filler 7 which connects the Akto ⁇ ren 3 over a large area with the housing 2.
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebs- vorrichtung (1), welche ein Gehäuse (2) mit einem freien Innenraum, einen Antriebskörper (4) mit einer Antriebskörperöffnung, einer in der Antriebskörperöffnung gelagerten Welle (5) und Aktoren (3) zum Ankoppeln des Antriebskörpers (4) und/oder der Welle an das Gehäuse (2) und zum Versetzen des Antriebskörpers (4) und der Welle (5) relativ zueinander in einer die Welle in Rotation versetzbaren Bewegung aufweist. Vorteilhaft wird diese Anordnung dadurch, dass in zumindest einem Zwischenraum (6) zwischen zumindest einem der Aktoren (3) und dem Gehäuse (2) und/oder zwischen zumindest einem der Aktoren (3) und dem Antriebskörper (4) ein wärmeleitfähiges Medium angeordnet ist.
Description
Beschreibung
Festkörperaktor-AntriebsVorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebs¬ vorrichtung mit den Oberbegriffliehen Merkmalen gemäß Anspruch 1.
DE 199 52 946 Al beschreibt eine Festkörperaktor-Antriebs- Vorrichtung mit einem Gehäuse, in dem ein Antriebskörper mit einer zentralen Antriebskörperöffnung angeordnet ist. Durch die Antriebskörperöffnung führt eine Welle mit geringfügig geringerem Außendurchmesser als einem Innendurchmesser der Antriebskörperöffnung. An Innenwandungen des Gehäuses ist der Antriebskörper über zwei piezoelektrische Aktoren derart be¬ festigt, dass der Antriebskörper in eine pseudo-kreisförmige Verschiebebewegung in einer Ebene quer zur Wellenachse bewegbar ist. Durch eine geeignete Ansteuerung der Aktoren wird der Antriebskörper derart in die Bewegung versetzt, dass die an seiner Antriebskörperöffnung anliegende Welle in eine Rotation versetzt wird. Eine solche Festkörperaktor-Antriebs¬ vorrichtung zeichnet sich durch die Bereitstellung eines hohen Drehmomentes von z.B. ca. 1 Nm bis 5 Nm bei relativ ge¬ ringer Drehzahl von weniger als 100 U/min aus und ist daher insbesondere für Stellaufgaben mit hohem Drehmomentbedarf a- ber geringer Drehgeschwindigkeit geeignet ist. Basis zur Funktion sind als Aktoren Piezo-Aktor-Einheiten .
Piezoelektrische Aktoren sind nichtlineare Bauelemente, deren Wirkungsgrad kleiner 100 % ist. Beim Betrieb der Aktoren ent¬ stehen Verluste, die sich u.a. in einer Erwärmung der Aktoren äußern. Bisherige Motorvarianten werden daher im Dauerbetrieb nur bis zu Frequenzen von typisch 100 Hz belastet. Das Anfahren größerer mechanischer Leistungen, die der Ansteuerfre- quenz direkt proportional sind, ist aufgrund einer ansonsten zu hohen Erwärmung nur im Kurzzeitbetrieb möglich.
Die Aktoren bzw. Aktoreinheiten werden bei derartigen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtungen an ihrer Oberseite bzw. Oberkappe durch Quetsch-, Schweiß- oder Schraubverbindungen mechanisch steif gegenüber Zug-, Druck-, Scher- und Biege- Spannungen an den Antriebskörper gekoppelt. An der Unterseite der Aktoreinheiten erfolgt die Verbindung mit dem Gehäuse durch Quetsch-, Schweiß- oder Schraubverbindungen über Unterkappen. Diese beiden Kontaktpunkte der Aktoreinheiten stellen eine geringe thermische Kopplung zum Gehäuse bzw. zum An- triebskörper dar.
Außerdem zeigen piezoelektrische Aktoren in feuchter Umgebung bei Spannungsbeaufschlagung keine ausreichende Stabilität. Es kommt zu Durchschlägen mit irreversibler Schädigung der Ak- torstruktur. Ein daher anzustrebender Feuchtigkeitsschutz der Aktoren wurde in bisherigen Bauvarianten überhaupt nicht adressiert. Ein einfacher Aktorschutz gegen Feuchtigkeit wird seitens der Hersteller solcher Aktoren durch Lackierung vorgesehen. Eine Lackbeschichtung bewirkt jedoch eine zusätzli- che Verschlechterung des Wärmetransports.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung vorzuschlagen, welche trotz des Einsatzes von Standard-Festkörperaktoren, insbesondere piezo- elektrischen Aktoren Anfahren größerer mechanischer Leistungen insbesondere über eine längere Zeitdauer ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Festkörperaktor-Antriebs¬ vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger An¬ sprüche .
Bevorzugt wird demgemäß eine Festkörperaktor-Antriebs¬ vorrichtung, welche ein Gehäuse mit einem freien Innenraum, einen Antriebskörper mit einer Antriebskörperöffnung, einer in der Antriebskörperöffnung gelagerten Welle und Aktoren aufweist zum Ankoppeln des Antriebskörpers und/oder der Welle an das Gehäuse und zum Versetzen des Antriebskörpers und der
Welle relativ zueinander in einer die Welle in Rotation versetzbaren Bewegung. Diese Anordnung wird vorteilhaft dadurch, dass in zumindest einem Zwischenraum zwischen zumindest einem der Aktoren und dem Gehäuse und/oder zwischen zumindest einem der Aktoren und dem Antriebskörper ein wärmeleitfähiges Medium angeordnet ist.
Das wärmeleitfähige Medium ist bevorzugt ein Füllstoff, ins¬ besondere ein Silikon-Gel, ein thermisch leitender und dabei mechanisch weicher Füllstoff und/oder ein hydrophober Füllstoff.
Das wärmeleitfähige Medium ist vorzugsweise in einer Vielzahl von Zwischenräumen, insbesondere in allen Zwischenräumen zwi- sehen dem zumindest einen Aktor und dem Gehäuse angeordnet.
Das wärmeleitfähige Medium umschließt den zumindest einen Ak¬ tor bevorzugt stofflich.
Das Gehäuse ist vorzugsweise als ein thermisch leitfähiges, insbesondere thermisch hochkapazitives Gehäuse ausgebildet.
Eine derart vorteilhafte Ausführungsform einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung weist eine überraschend große Vielzahl an Vorteilen auf. Unabhängig von der Ausges- taltung einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einem speziellen, die Aktoren umschließenden Einsatz oder einem e- lastischen und ggf. fließ- oder streichfähigen Medium wie einer Paste oder einem Gel wird eine deutlich verbesserte ther¬ mische Kopplung der Aktoren an das Gehäuse und ggf. die An- triebsvorrichtung bewirkt. Dadurch sind dem Antrieb auch über eine längere Zeitdauer größere Leistungen und/oder noch größere Leistungen als bislang entnehmbar.
Bei geeigneter Wahl des Mediums bzw. Füllstoffs zur Wärmelei- tung zwischen den Aktoren und insbesondere dem Gehäuse werden weitere Vorteile hinsichtlich eines Feuchtigkeitsschutzes der insbesondere piezoelektrischen Aktoren erzielt. Gemäß ersten Versuchen zeigt sich die Verwendung von Silikon-Gelen als ei-
ne vorteilhafte Lösung. Vorteilhaft verwendet werden können insbesondere alle thermisch leitenden, aber mechanisch weichen Füllstoffe.
Besondere zusätzliche Vorteile bietet die Verwendung von hyd¬ rophoben Füllstoffen. Optional kann bei Einsatz eines elektrisch isolierenden und zugleich hydrophoben Materials sogar ganz auf den Einsatz der von Aktorherstellern standardmäßig auf den Aktoren aufgebrachten Lackschichten verzichtet wer- den, wodurch die Wärmeableitung zusätzlich verbessert werden kann .
Ein weiterer Vorteil besteht in einer weiter verbesserten a- kustischen Dämpfung durch das Material des Füllstoffs, so dass durch Aktorbewegungen entstehende Schallwellen gedämpft werden. Letztendlich wird eine Verbesserung der Stabilität des Antriebssystems als solches bewirkt.
Erzielbar sind somit erstens eine Verbesserung der thermi- sehen Kopplung zwischen Aktor und Gehäuse, zweitens eine Re¬ duktion der Feuchte-Inkubation der insbesondere piezoelektrischen Aktoreinheiten und drittens eine Schalldämpfung und viertens eine Erhöhung der allgemeinen Betriebsstabilität des Systems .
Als Festkörperaktoren können neben piezoelektrischen Aktoren beispielsweise auch elektro- oder magnetostriktive Aktoren eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der einzigen Fig. 1 beispielhaft dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine im Wesentlichen für sich bekannte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 1. In einem Innenraum eines Ge- häuses 2 ist über Aktoren 3, insbesondere über linear wirkende piezoelektrische Festkörperaktoren ein Antriebskörper 4 angeordnet. Der Antriebskörper 4 weist eine zentrale An¬ triebskörperöffnung auf in der eine Welle 5 rotationsfähig um
deren Wellenachse gelagert ist. Die Welle 5 hat einen gering¬ fügig geringeren Außendurchmesser als ein Innendurchmesser der Antriebskörperöffnung. Mittels der Aktoren 3 ist der Antriebskörper 4 in eine pseudo-kreisförmige bzw. translatori- sehe Bewegung in einer Ebene quer zur Wellenachse der Welle 5 versetzbar. Durch eine geeignete Ansteuerung der Aktoren 3 wird der Antriebskörper 4 derart in die Bewegung versetzt, dass die an seiner Antriebskörperöffnung anliegende Welle 5 in eine Rotation versetzt wird.
In einen Zwischenraum 6, vorzugsweise in alle Zwischenräume 6 zwischen den Aktoren 3 und dem Gehäuse 2 sowie ggf. auch zwischen den Aktoren 3 und dem Antriebskörper 4 wird ein wärmeleitendes Medium eingebracht.
Das Medium wird bevorzugt durch einen Füllstoff 7 ausgebil¬ det. Einsetzbar sind als Füllstoff 7 besonders vorteilhaft Silikon-Gel, verschiedenartige thermisch leitende und dabei vorzugsweise mechanisch weiche Füllstoffe und/oder hydrophobe Füllstoffe 7. Bevorzugt werden alle Zwischenräume 6 zwischen Aktor 3 und Gehäuse 2 mit einem Füllstoff 7 aufgefüllt. Bei¬ spielweise kann es sich bei dem Füllstoff 7 um ein Silikon- Gel handeln.
Durch die Einbringung einer stofflichen Umschließung der Aktoreinheiten, z.B. in Form eines Gels wird zum Einen die thermische Ankopplung der Aktoreinheiten an das Gehäuse 2 der Antriebseinheit signifikant verbessert. Die entstehende Wärme der Aktoren 3 wird über ein gut wärmeleitendes Medium an eine große Wärmekapazität wie das Gehäuse 2 sicher abgeführt. Bei geeigneten Medien als Wärmetransportmittel kann zum Anderen ein Feuchte-Transport zu den Aktoren 3 hin signifikant ver¬ ringert werden, was für die Bauteilstabilität nach ersten Un¬ tersuchungen enorm vorteilhaft ist.
Ermöglicht wird so eine großflächige, thermische Ankopplung der Aktoren 3 an das Gehäuse 2 bei gleichzeitiger Option, die Stabilität der Aktoren 3 entscheidend zu verbessern. Diese
Lösung kann einfach und kostengünstig in alle bekannten Designvarianten für sich bekannter Festkörperaktor- Antriebsvorrichtungen 1 eingebracht werden.
Zentrale Teile des Motor- bzw. Antriebskonzepts sind als die Aktoren 3 insbesondere Piezoaktoren, die von einer vorgespannten Rohrfeder umgeben sind. Die Rohrfeder selbst wird unten und oben durch zwei Piezokappen, zwischen denen der eigentliche Piezoaktor sitzt, begrenzt. Dieser Aufbau Unterkap- pe-Rohrfeder-Piezokeramik-Oberkappe wird im Folgenden als Ak¬ toreinheit bezeichnet und ist in Fig. 1 anschaulich im Ver¬ bund mit einer Gehäuseschale des Gehäuses 2 und dem Antriebs¬ körper 4 dargestellt. Die gegenüberliegende z.B. obere Gehäu¬ seschale wurde aus Gründen der Anschaulichkeit als entfernt angenommen und nicht dargestellt.
Ziel ist somit, die vorzugsweise gesamte Aktoroberfläche der Aktoren 3 zum thermischen Austausch zu verwenden. Das kann insbesondere durch den Einsatz eines mechanisch weichen, gut wärmeleitenden Füllstoffs 7 realisiert werden, der die Akto¬ ren 3 großflächig mit dem Gehäuse 2 verbindet. Vorteilhaft bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 ist, dass aufgrund der geo¬ metrischen Verhältnisse nur wenig Füllstoff 7 verwendet wer¬ den muss. Vorteilhafterweise kommt es dabei aufgrund der ge- ringen Randschichten zu einer hervorragenden Wärmeleitung zum thermisch vorzugsweise hochkapazitiv ausgebildeten Gehäuse 2.
Claims
1. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung (1), aufweisend
- ein Gehäuse (2) mit einem freien Innenraum, - einen Antriebskörper (4) mit einer Antriebskörperöffnung,
- einer in der Antriebskörperöffnung gelagerten Welle (5) und
- Aktoren (3) zum Ankoppeln des Antriebskörpers (4) und/oder der Welle an das Gehäuse (2) und zum Versetzen des Antriebs¬ körpers (4) und der Welle (5) relativ zueinander in einer die Welle in Rotation versetzbaren Bewegung, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Zwischenraum (6) zwischen zumindest einem der Aktoren (3) und dem Gehäuse (2) und/oder zwischen zumindest einem der Aktoren (3) und dem Antriebskörper (4) ein wärmeleitfähiges Medium angeordnet ist.
2. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das wärmeleitfähige Medium ein Füllstoff (7) ist.
3. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das wärmeleitfähige Medium ein Silikon-Gel ist.
4. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der das wärmeleitfähige Medium ein ther- misch leitender und dabei mechanisch weicher Füllstoff (7) ist .
5. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der das wärmeleitfähige Medium ein hyd- rophober Füllstoff (7) ist.
6. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der das wärmeleitfähige Medium in einer Vielzahl von Zwischenräumen (6), insbesondere in allen Zwi- schenräumen (6) zwischen dem zumindest einen Aktor (3) und dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
7. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der das wärmeleitfähige Medium den zumindest einen Aktor (3) stofflich umschließt.
8. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der das Gehäuse (2) als ein thermisch leitfähiges, insbesondere thermisch hochkapazitives Gehäuse (2) ausgebildet ist.
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