DE1488698C3 - Elektrische Antriebsvorrichtung, insbesondere Antriebsvorrichtung fur eine kleine mechanische Nutzlast - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung, insbesondere Antriebsvorrichtung für eine kleine mechanische Nutzlast, zur Umsetzung einer mechanischen Schwingungsbewegung des treibenden Organs in eine mechanische Drehbewegung des getriebenen Organs unter Verwendung elektromechanischer Wandlerelemente. '.:

Für Regel- und Steuerzwecke werden häufig elektrische Antriebsvorrichtungen benötigt, die nur eine verhältnismäßig kleine mechanische Nutzlast anzutreiben haben. In erster Linie wäre hierbei zur Lösung dieser Aufgabe an einen Elektromotor zu denken, der entsprechend des kleinen von ihm geforderten Drehmoments verhältnismäßig klein ausgebildet sein könnte. Wegen der relativ kleinen zu treibenden mechanischen Nutzlast läßt sich mit guter Näherung sagen, daß ein derartiger Elektromotor praktisch im Leerlauf betrieben wird. Bekanntlich sind die Leerlaufverluste eines Elektromotors im wesentlichen durch seine Kupfer- und Eisenverluste sowie durch die mechanischen Verluste gegeben, die durch die Reibung der Antriebswelle entstehen. Diese Leer-Iaufverluste lassen sich jedoch unter ein gewisses, der Bauart des Elektromotors entsprechendes Minimum nicht herabdrücken, d. h. sie können nicht entsprechend der mechanischen Nutzlast verkleinert werden. Aus diesem Grund ergibt sich für Elektromotoren, die nur eine kleine mechanische Nutzlast anzutreiben haben, ein verhältnismäßig schlechter Wirkungsgrad. Dieser Umstand wird insbesondere dann als störend empfunden, wenn der Elektromotor beispielsweise in einer Regelschaltung verwendet werden soll, bei der die übrigen Schaltelemente selbst einen nur geringen Leistungsbedarf haben und bei der die vom Elektromotor aufgenommene Leistung bereits einen erheblichen Teil der insgesamt zur Verfügung stehenden Leistung beanspruchen würde.

Durch die französische Patentschrift 754 305 ist bereits ein auf dem elektrostatischen Prinzip beruhender Motor bekanntgeworden. Der Rotor dieses Motors besteht dabei aus einer kreisförmigen Scheibe eines Piezokristall, der mit Hilfe wenigstens zweier sich diametral gegenüberliegender Kondensatorplatten zu Schwingungen in seiner Eigenfrequenz angeregt wird. Auf Grund der Eigenschwingungen des Piezokristalls entstehen an seiner Oberfläche elektrische Ladungen, so daß der Kristall unter dem Einfluß der elektrostatisehen Wechselfelder eine rotierende Bewegung ausführt. Zur Erzielung dieser Wirkung ist es deshalb erforderlich, daß zwischen den das elektrostatische Feld erzeugenden Kondensatorplatten und dem Piezokristall ein Luftspalt verbleibt, weshalb eine verhältnismäßig hohe elektrische Wechselspannung zur Schwingungsanregung erforderlich ist. Damit wird die Anordnung verhältnismäßig hochohmig und es wird zur Erzielung der erforderlichen Wechselspannung ein Transformator erforderlich, an dessen Sekundärwicklung die die Schwingungsanregung bewirkenden Kondensatorplatten angeschlossen sind. Gegebenenfalls wird der Sekundärkreis durch Parallelschalten eines Kondensators zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt. Abgesehen davon, daß verhältnismäßig hohe elektrische Wechselspannungen in vielerlei Schaltungsanordnungen gerade vermieden werden sollen, treten wegen der Verwendung von Transformatoren bei der bekannten Anordnung auch zusätzliche Verluste auf. Die gleichen Überlegungen gelten auch für eine in der gleichen Patentschrift angegebenen Abwandlung dieser Ausführungsform, bei der der Rotor durch eine metallische Scheibe gebildet wird, deren Drehbewegung durch Wirbelströme zustande kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen. Unter anderein soll ein Weg zur Schaffung einer elektrischen Antriebsvorrichtung gezeigt werden, die trotz einer verhältnismäßig kleinen anzutreibenden Nutzlast einen hohen Wirkungsgrad hat, ohne daß hierfür besonders hohe elektrische Wechselspannungen erforderlich sind.

Von einer elektrischen Antriebsvorrichtung, insbesondere Antriebsvorrichtung für eine kleine mechanische Nutzlast, zur Umsetzung einer mechanischen Schwingungsbewegung des treibenden Organs in eine mechanische Drehbewegung des getriebenen Organs unter Verwendung elektromechanischer Wandlerelemenjte ausgehend, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als treibendes Organ ein mechanischer Biegeresonator verwendet ist, dessen mechanische Abmessungen und dessen der Schwingungsanregung dienenden Anregungselemente derart gewählt sind, daß im Biegeresonator zwei aufeinander senkrecht stehende Biegeeigenschwingungen zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftreten und daß die Schwingungsanregung der beiden aufeinander senkrecht stehenden Biegeeigenschwingungen mit einer um etwa 90 Grad unterschiedlichen Phasenlage erfolgt. :

Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, dem mechanischen Biegeresonator einen quadratischen oder einen kreisförmigen Querschnitt zu geben. Dabei kann der mechanische Biegeresonator aus einem elektrostriktiv inaktiven Material, wie beispielsweise Stahl, oder aus einem elektrostriktiv aktiven Material hoher mechanischer Güte,· wie beispielsweise einer Piezokeramik oder Quarz bestehen. ·

Zur Schwingüngsanregung werden zweckmäßig als Plättchen elektrostriktiven Materials ausgebildete Anregungselemente verwendet, die am Biegeresonator befestigt und auf den dem Biegeresonator abgewandten Oberflächen mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen sind.

Für einen mechanisch stabilen Aufbau ist es zweckmäßig, den Biegeresonator in dem den Biegeeigenschwingungen entsprechenden Schwingungsknoten mittels eines Halteelemenfs zu haltern.

Ferner hat es^: sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das als mechanischer Biegeresonator ausgebildete treibende Organ über eine Reibungskupplung mit dem die mechanische Drehbewegung ausführenden getriebenen Organ gekuppelt ist.

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß ein mechanischer Resonator mit beispielsweise rundem oder quadratischem Querschnitt mit Hilfe von elektromechanischen Wandlersystemen zu zwei aufeinander senkrecht stehenden Biegeschwingungen angeregt werden kann. Wenn dabei die Amplituden der dem Wandlersystem zugeführten Antriebsspannungen vorzugsweise gleich groß sind, wenn die Frequenz der Antriebsspannungen den Eigenfrequenzen des Biegeresonators zumindest näherungsweise entspricht und wenn die dem Wandlersystem zugeführten Antriebsspannungen eine um genau oder zumindest näherungsweise 90° unterschiedliche Phasenlage haben, dann beschreiben die Enden eines derart angetriebenen Biegeresonators in der Art einer Lissajouschen Figur einen Kreis. Diese Bewegung läßt sich mit Hilfe einer geeigneten Anordnung, wie beispielsweise einer Reibungskupplung, in eine Drehbewegung des anzutreibenden Organs überführen. Wegen der hohen mechanischen Güte des mechanischen Biegeresonators bleiben die Leerlaufverluste außerordentlich gering, wodurch sichiwiederum ein großer Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung bei kleiner mechanischer Nutzlast ergibt. An Hand von Ausführungsbeispieleri.soll nachstehend die Erfindung noch näher erläutert werden. ^r ■ ■'

Die Fig. 1 zeigt einen mechanischen Biegeresonator 5, der beispielsweise quadratischen Querschnitt

ίο hat und der in seinem mittleren Bereich mit zwei elektromechanischen Wandlersystemen W₁ und W₂ versehen ist. Die Wandlersysteme W₁ und W₂ sind dabei an zwei zueinander senkrechten Oberflächen des Biegeresonators befestigt und bestehen jeweils aus einem dünnen Plättchen 6 bzw. 6' eines elektrostriktiven Materials. Als elektrostriktives Material eignet sich hierzu insbesondere eine Piezokeramik, wie beispielsweise eine Kalziüm-Bariurn-Titanat-Keramik. Die Plättchen 6 und 6' sind dabei auf den dem Resonator zugewandten Oberflächen mit einer metallischen Schicht versehen, die beispielsweise in bekannter Weise durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht sein kann. Wenn der Biegeresonatör 5 aus einem metallischen Material besteht, dann lassen sich dife Platt-, chen 6 und 6' am Biegeresonator 5 auflöten. Wenn der Biegeresonator 5 aus einem nichtmetallischen Material besteht, dann können' die Plättchen 6 und 6' beispielsweise durch Klebung am Biegeresonator 5 befestigt werden. Auf den dem Resonator abgewandten Oberflächen sind die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen 6 und 6' ebenfalls mit einer dünnen metallischen Schicht versehen, an die die zu den Anschlußklemmen 1' und 2' führenden Anschlußdrähte 7 bzw. 8 beispielsweise durch Lötung befestigt sind. Wenn der Resonator 5 aus einem metallischen Material besteht, dann können die zu den Anschlußklemmen 1 bzw. 2 führenden Anschlüßdrähte 9 bzw. 10 in der gezeichneten Weise direkt mit dem-Resonator 5 verbunden sein. Falls der Resonator 5 aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht, dann müssen die Anschlußdrähte 9 bzw: 10 mit den den Resonatoroberflächen zugewandten metallischen Schichten der Plättchen 6 bzw. 6' beispielsweise durch Lötung elektrisch leitend verbunden sein., Als Resonatormaterial ist ferner ein elektrostriktiv aktives Material hoher mechanischer Güte geeignet, wie beispielsweise Quarz oder eine Piezokeramik. Bei Verwendung derartiger Materialien können deren elektrostriktive Eigenschaften zugleich zur Anregung der Biegeschwingungen herangezogen werden.

Die elektrische Wirkungsweise einer derartigen Anordnung läßt sich folgendermaßen erklären.

Legt man an die Eingangsklemmen 1-1' eine elektrische Wechselspannung U₁, dann wird das aus elektrostriktiverri Material bestehende Plättchen 6 im Rhythmus der elektrischen Wechselspannung gedehnt und verkürzt. Über den Querkontraktionseffekt ergibt sich dadurch auch eine Dehnungs- und Verkürzungsbewegung des Plättchens 6 in Richtung der Längsachse 12 des Resonators, wodurch der Resonator 5 immer dann zu Biegeschwingungen entsprechend der elastischen Linie E₁ angeregt wird, wenn die Frequenz der anregenden Wechselspannung U₁ mit einer der Biegeeigenfrequenzen des Resonators 5 zumindest näherungsweise übereinstimmt. Durch eine an den Klemmen 2-2' anliegende Wechselspannung U₂, deren Frequenz mit der Frequenz der Wechselspannung U₁ übereinstimmt, wird in genau

der gleichen Weise der Resonator 5 zu einer Biegeschwingung entsprechend der elastischen Linie E₂ angeregt, deren Ebene senkrecht auf der Ebene der elastischen Linie E₁ steht. Sind dabei die Amplituden der Spannungen U_x und U₂ gleich groß, dann führt der Resonator 5 zwei aufeinander senkrecht stehende Biegeeigenschwingungen gleicher Frequenz aus, die am Ende des Resonators gleich große Amplituden A, und A₂ haben. Voraussetzung zur Erzielung gleich großer Schwingungsamplituden ist, daß die Querschnittsabmessungen des Resonators so gewählt sind, daß die Schwingungsbewegungen in beiden zueinander senkrechten Richtungen etwa den gleichen Bedingungen unterworfen sind. Im einfächsten Fall läßt sich diese Voraussetzung durch einen quadratischen oder einen kreisförmigen Querschnitt erfüllen, der homogen über die gesamte Länge des Resonators verläuft. Bei Verwendung eines derartigen Querschnittes ist dann lediglich darauf zu achten, daß der sogenannte elektromechanische Kopplungsfaktor, der bekanntlich ein Maß für die Umwandlung der einem Wandlersystem zugeführten elektrischen Energie in mechanische Schwingungsenergie darstellt, für die beiden Wandlersysteme W₁ und W₂ gleich groß ist. Diese Bedingung läßt sich beispielsweise dadurch erfüllen, daß die Wandlersysteme W₁ und W₂ untereinander gleichartig ausgebildet und innerhalb gleicher Längenabschnitte am Resonator befestigt werden. Wenn zusätzlich die Anregungsspannungen U₁ und U₂ eine um 90° unterschiedliche Phasenlage haben, dann haben auch die in den Schwingungsebenen E₁ bzw. E₂ verlaufenden Biegeschwingungen eine um 90° unterschiedliche Phasenlage, wodurch wiederum die Enden des Resonators 5 sich auf einer Kreisbahn K bewegen, deren Mittelpunkt auf der Mittelachse 12 liegt und deren Radius die Größe A, bzw. A₂ hat. Zweckmäßig werden hierzu die Wechselspannungen U₁ und U₂ aus einer einzigen Wechselspannungsquelle, beispielsweise einem mit Transistoren aufgebauten Oszillator abgeleitet und durch ein Phasenverschiebungsglied bekannter Art den Klemmen 1-1' bzw. 2-2' zugeführt. Um die Biegeeigenbewegungen des Resonators 5 nicht nachteilig zu beeinflussen, beispielsweise zu bedampfen, ist es zweckmäßig, die Anschlußdrähte 7 bis 10 verhältnismäßig dünn auszubilden, so daß diese Drähte gegenüber dem Resonator 5 ein nur geringes Gewicht haben. Aus den gleichen Gründen ist es ferner zweckmäßig, den Resonator 5 in einem den Biegeeigenschwingungen entsprechenden Schwingungsknoten zu haltern. Hierzu ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 der metallische Haltedraht 13 vorgesehen, der im Schwingungsknoten der Biegeschwingungen am Resonator befestigt ist und der der Verankerung des Resonators in einem zur besseren Übersicht nicht näher dargestellten Gehäuse dient. ■

In der Fig. 2 ist eine Möglichkeit gezeigt, wie die von den Enden des Resonators 5 als treibendes Organ ausgeführte .Kreisbewegung in eine Drehbewegung des getriebenen Organs übergeführt werden kann. Der Resonator 5 ist dabei nur noch teilweise gezeichnet. Auf der bereits erwähnten Kreisbahn K ist hierzu ein Band 16 aus einem festen Material an einem Ritzel

ίο 17 befestigt, in das der am Resonatorende angebrachte Zapfen 15 an der Innenfläche des Bandes 16 entlanggleiten kann. Das Ritzel 17 ist mit einer Welle 19 verbunden, deren Mittelachse 12' mit der Mittelachse 12 des sich in Ruhe gedachten Resonators 5 fluchtet. Die Welle 19 ist in einem nur schematisch angedeuteten Lager 18 gelagert. Durch die Reibung zwischen dem iZapfen 15 und der Innenfläche des Bandes 16 wird das Ritzel 17 in eine Drehbewegung versetzt. Das Ritzel 17 kann als Antrieb eines in der F i g. 2 nicht näher gezeichneten Getriebes dienen, das die durch die Abmessungen des Biegeresonators ge^ gebene Drehzahl in der erforderlichen Weise übersetzt.

Bekanntlich ist die Güte eines mechanischen Resonators verhältnismäßig groß, weswegen die Leerlaufverluste der beschriebenen Antriebsvorrichtung im Gegensatz zu einem Elektromotor klein gehalten werden können. Der Wirkungsgrad einer derartigen Vorrichtung wird nämlich praktisch nur noch durch die mechanischen Verluste des Resonators bestimmt, die bei kleiner Nutzlast ebenfalls entsprechend klein sind, insbesondere dann, wenn das Ritzel 17 nach einer kurzen Anlaufzeit etwa dieselbe Drehzahl wie der Biegeresonatpr erreicht hat.

Die Umsetzung der mechanischen Schwingungsbewegung in eine Drehbewegung wurde an Hand einer Anordnung erläutert, die in der Art einer Reibungskupplung ausgebildet ist. In ähnlicher Weise eignen sich auch beliebige andere Arten von Kupplungen, wenn dabei nur darauf geachtet wird, daß der Schwingungsvorgang des mechanischen Biegeresonators nicht in unzulässiger Weise bedämpft wird.

Im Beispiel der Fig. 1 sind zur Anregung der Biegeschwingungen elektromechanische Wandlersysterne W₁ und W₂ vorgesehen, die den sog. Querkontraktionseffekt zur Anregung von Biegeschwingungen ausnutzen. Gleiche elektrische Verhältnisse ergeben sich auch dann, wenn zur Anregung der Biegeschwingungen elektrostriktive Wandlersysteme verwendet werden, bei denen der sogenannte direkte piezoelektrische Effekt zur Anregung der Biegeschwingungen herangezogen wird. Derartige Wandlersysteme sind bereits in älteren Anmeldungen vorgeschlagen worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrische Antriebsvorrichtung, insbesondere Antriebsvorrichtung für eine kleine mechanische Nutzlast, zur Umsetzung einer mechanischen Schwingungsbewegung des treibenden Organs in eine mechanische Drehbewegung des getriebenen Organs unter Verwendung elektromechanischer Wandlerelemente, dadurch gekennzeichnet, daß als treibendes Organ ein mechanischer Biegeresonator (5) verwendet ist, dessen mechanische Abmessungen und dessen der Schwingungsanregung dienenden Anregungselemente ( W₁, ΗΛ) derart gewählt sind, daß im Biegeresonator (5) zwei aufeinander senkrecht stehende Biegeeigenschwingungen (A₁, A₂) zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftreten, und daß die Schwingungsanregung der beiden aufeinander senkrecht stehenden Biegeeigenschwingungen (A₁, A₁) mit einer um etwa 90 Grad unterschiedlichen Phasenlage erfolgt.

2. Elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Biegeresonator (5) quadratischen Querschnitt h?t

3. Elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Biegeresonator (5) kreisförmigen Querschnitt hat.

4. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Biegeresonator (5) aus einem elektrostriktiv inaktiven Material, beispielsweise Stahl, besteht.

5. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Biegeresonator (5) aus einem elektrostriktiv aktiven Material hoher mechanischer Güte, beispielsweise einer Piezokeramik oder Quarz, besteht.

6. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die. der Schwingungsanregung dienenden Anregungselemente als Plättchen (6, 6') elektrostriktiven Materials ausgebildet sind, die am Biegeresonator (5) befestigt und auf den dem Biegeresonator (5) abgewandten Oberflächen mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen sind.

7. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeresonator (5) in den den Biegeeigenschwingungen entsprechenden Schwingungsknoten mittels eines Halteelementes (13) gehaltert ist.

8. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das als mechanischer Biegeresonator (5) ausgebildete treibende Organ über eine Reibungskupplung (15,16) mit dem die mechanische Drehbewegung ausführenden getriebenen Organ (17) gekuppelt ist.