DE19742447C2

DE19742447C2 - Wanderwellenmotor mit Temperaturmeßeinrichtung und Verfahren zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE19742447C2
Application number: DE1997142447
Authority: DE
Inventors: Michael Schreiner; Walter Huber
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2017-09-27
Also published as: FR2769149A1; JPH11215860A; JP3094333B2; DE19742447A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wanderwellenmotor mit einem eine elektrisch anregbare Piezokeramik 1 aufweisenden Stator und einem damit in Reibkontakt bringbaren Rotor, wobei die Piezokeramik 1 aus zwei Gruppen von sich abwechselnden, unterschiedlich polarisierten piezoelektrischen Zonen besteht, die beiden Gruppen mit um 90 DEG gegeneinander phasenverschobenen Wechselspannungen 2, 3 angeregt werden und in einem ersten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbaren Teilbereich 4 der Piezokeramik 1 zwei Elektroden 5, 6 im Abstand von mindestens lambda/4 zur sensorischen Erfassung des Motorzustands ausgebildet sind. DOLLAR A In einem zweiten, ebenfalls nicht genutzten Teilbereich 7 der Piezokeramik 1 ist eine Meßelektrode 8 angebracht und ein in seinem Kapazitätswert temperaturstabiler Kondensator 9 ist so zugeschaltet, daß die Meßelektrode 8 und der temperaturstabile Kondensator 9 einen kapazitiven Teiler bilden. DOLLAR A Das Anbringen einer Meßelektrode in einem für die Erzeugung von Wanderwellen ohnehin nicht genutzten Teilbereich der Piezokeramik erlaubt eine äußerst exakte Messung der Temperatur direkt am zu messenden Objekt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wanderwellenmotor mit einem eine elektrisch anregbare Piezokeramik aufweisenden Stator und einem mit dem Stator in Reibkontakt bring baren Rotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei den in ihrem Aufbau, ihrer Funktionsweise und den bevorzugten Einsatzmöglich keiten bekannten Wanderwellenmotoren werden mechanische Schwingungen zur Erzeugung einer Drehbewegung ausgenutzt. Zu diesem Zweck weist der Stator ein Piezoelement auf, das die Umwandlung von elektrischen Schwingungen in mechani sche Wanderwellen ermöglicht.

Wanderwellenmotoren, auch Ultraschallmotoren genannt, sind z. B. beschrieben in US Patent 4,562,374, in Yukihiko Ise "Travelling Wave Ultrasonic Motors Offer High Conversion Efficiency" (JEE, Juni 1986, Seiten 66-70) und in Schadebrodt und Salomon "The Piezo Travelling Wave Motor - A New Element in Actuation" (Control Engineering, Mai 1990, Seiten 10-18).

Zur Anregung der Wanderwellen wird aus Symmetriegründen eine piezokeramische Ringstruktur benutzt. Diese ist aufgeteilt in zwei Gruppen von abwechselnd positiv und negativ vorpolarisierten piezoelektrischen Zonen im Abstand λ/4 und 3λ/4, die zwei Elektroden bilden. Die beiden Gruppen werden mit um 90° gegeneinander phasenverschobenen Wechselspannungen angeregt. Zur Ansteuerung für den be kannten Wanderwellenmotor dient ein Treiberkreis, bei dem ein Oszillator eine auf die mechanische Resonanzfrequenz f_m des Stators abgestimmte elektrische Fre quenz f_e erzeugt, um den Stator wirksam anzusteuern. Die Drehung des Rotors wird bewirkt durch eine Wanderwelle, die sich entgegengesetzt zur Rotordrehrichtung ausbreitet.

In einem ersten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbaren Teilbereich der Piezokeramik sind zwei Elektroden im Abstand von mindestens λ/4 ausgebildet, die unter Ausnutzung des umgekehrten Piezoeffekts zum Erfassen des Verhältnisses zwischen Steh- und Wanderwellenanteil bzw. der Schwingamplitude genutzt werden.

Wanderwellenmotoren sind vielfältig einsetzbar, z. B. als Verstellaktoren oder als Gelenkmodul für Robotersysteme. Insbesondere bei Anwendungen mit Leistungs anforderungen ist mit erhöhter Wärmeentwicklung zu rechnen.

Die Wanderwellenmotoren erreichen derzeit mechanische Leistungen von ungefähr 50 Watt bei einem Wirkungsgrad von etwa 25%. Der angestrebte Einsatztempera turbereich liegt zwischen -40°C und +80°C.

Zusätzliche Randbedingungen wie unterschiedliche Lastanforderungen bezüglich Drehzahl oder Drehmoment bewirken große und vergleichsweise schnelle Tempe raturänderungen im Motor. Mit zunehmender Motortemperatur ist eine Verringerung der Statorresonanzfrequenz f_m zu beobachten.

Die Kapazität der Piezokeramik zeigt ebenfalls ein stark ausgeprägtes und reprodu zierbares Temperaturverhalten. Aus Fig. 4 ist erkennbar, daß im angestrebten Ein satztemperaturbereich von -40°C bis +80°C die Kapazität der Piezokeramik um un gefähr 50% zunimmt, bezogen auf den Wert bei -40°C.

Das Erfassen der Temperaturänderungen ist daher von entscheidender Bedeutung für eine optimale Ansteuerung des Motors, für einen Überlastschutz und für das Vermeiden von Defekten durch das Abplatzen der Keramik.

In US Patent 5,585,686 ist ein Wanderwellenmotor beschrieben, an dem zur Kontrolle der über ein Heizelement einzustellenden vorgegebenen Statortemperatur auf der Statorumfangseite ein Temperatursensor angebracht ist. Ein weiterer Wanderwellenmotor, der mit einem Temperatursensor ausgerüstet ist, ist in US Patent 5,477,100 beschrieben. Der in JP 2-7879 dargestellte Wanderwellenmotor verfügt über eine Temperaturmeßeinrichtung, bei der der Temperatursensor, ein Vergleichswiderstand und ein Kondensator einen ohmschen Spannungsteiler bilden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wanderwellenmotor und ein Ver fahren bereitzustellen, die eine einfache und exakte Messung der Statortemperatur ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Wanderwellenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Das Anbringen einer Meßelektrode in einem für die Erzeugung von Wanderwellen ohnehin nicht nutzbaren Teilbereich der Piezokeramik ist einerseits platzsparend und erlaubt eine äußerst exakte Messung der Temperatur direkt am zu messenden Objekt. Ein spezieller und zudem zusätzlich anzubringender Temperatursensor ent fällt und so sind auch die damit zusammenhängenden Kontaktierungsprobleme ei nes Temperaturmeßfühlers an einem schwingenden Meßobjekt umgangen.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte temperaturabhängige Signal wird als Spannungswert in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Diese Dar stellung erlaubt die Nutzung der Temperaturerfassung zur Steuerung und Regelung des Wanderwellenmotors, insbesondere läßt sich damit ein Übertemperaturschutz realisieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors und des erfindungsgemäßen Temperaturmeßverfahrens sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Konfiguration der Piezokeramik für den Wanderwellenmotor,

Fig. 2 ist ein schematisiertes Diagramm einer Schaltung mit den zur Durch führung des Temperaturmeßverfahrens wesentlichen Elementen,

Fig. 3 zeigt die Kapazitätskennlinie der Piezokeramik in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 4 ist die Darstellung des temperaturabhängigen Signals als Spannungswert in Abhängigkeit von der Temperatur.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der auf dem Stator aufgebrachten elek trisch anregbaren Piezokeramik 1. Diese ist in zwei Gruppen von sich abwechseln den Zonen unterteilt, die unterschiedlich polarisiert sind. Eine positiv polarisierte und eine negativ polarisierte piezoelektrische Zone sind jeweils in einem Winkelbereich von 2/13π bzw. 1/13λ angeordnet. Andere für die Anordnung vorteilhafte Winkel bereiche wären z. B. 2/9π oder 2/11π bzw. 1/9λ oder 1/11λ.

In einem ersten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen genutzten Teilbereich 4 der Piezokeramik 1 sind zwei Elektroden 5, 6 zur sensorischen Erfassung des Motor zustands angeordnet. Damit kann z. B. die Schwingungsamplitude bestimmt werden. Die Elektroden 5, 6 sind im Abstand von mindestens λ/4 oder ungeraden Vielfachen von λ/4 ausgebildet und werden beispielsweise zum Erfassen der Schwingamplitude genutzt. Jeweils sechs bzw. fünf oder vier Paare positiv und negativ vorpolarisierter Zonen bilden eine Arbeitselektrode oder ein Anregesystem beidseits der Sensor elektroden 5, 6. Die Arbeitselektroden 2, 3 werden mittels um 90° gegeneinander phasenverschobenen Wechselspannungen angeregt.

In einem zweiten, ebenfalls nicht für die Erzeugung von Wanderwellen genutzten Teilbereich 7 der Piezokeramik 1 ist eine Meßelektrode 8 angebracht. Die Meßelek trode 8 kann nur eine Teilfläche des zweiten nicht für die Erzeugung von Wander wellen nutzbaren Teilbereichs 7 einnehmen oder die gesamte Fläche dieses nicht nutzbaren Teilbereichs 7. Die Meßelektrode kann symmetrisch in einer Teilfläche des für die Erzeugung von Wanderwellen nicht nutzbaren Bereichs 7 sitzen oder asymmetrisch angebracht sein.

Der zweite nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbare Teilbereich 7 der Piezokeramik 1 kann als Teil einer piezoelektrischen Zone ebenfalls polarisiert sein. Er kann aber auch unpolarisiert sein.

Zu den angrenzenden unterschiedlich polarisierten piezoelektrischen Zonen muß die Meßelektrode auf jeden Fall einen Mindestisolationsabstand einhalten.

Aus der Schaltungsskizze der Fig. 2 ist ersichtlich, daß ein Kondensator 9 so zuge schaltet ist, daß die Meßelektrode 8 und der Kondensator 9 einen kapazitiven Teiler bilden. Der zugeschaltete Kondensator 9 kann in der Meß- und Auswerteelektronik untergebracht sein.

Die Arbeitselektroden 2, 3 und die Meßelektrode 8 sind über die Piezokeramik ther misch gekoppelt. Die Kapazität der Piezokeramik zeigt, wie aus Fig. 4 erkennbar, ein stark ausgeprägtes Temperaturverhalten im üblicherweise angestrebten Einsatztem peraturbereich von -40°C bis +80°C. Dort nimmt die Kapazität der Piezokeramik um ungefähr 50% zu, bezogen auf den Wert bei -40°C. Dieses Meßergebnis ermöglicht es, durch den Aufbau eines kapazitiven Teilers eine Kapazitätsbestimmung vorzu nehmen und mittels dieser die Statortemperatur zu ermitteln. Als zugeschalteter Kondensator 9 wird daher ein in seinem Kapazitätswert tempe raturstabiler Kondensator ausgewählt. Vorteilhaft für die Kapazitätsbestimmung ist es, wenn der Kapazitätswert des temperaturstabilen Kondensators 9 bei einer defi nierten Temperatur, z. B. bei Raumtemperatur, gleich groß ist wie der entsprechende Kapazitätswert der Meßelektrode 8.

Der temperaturstabile Kondensator 9 und die Meßelektrode 8 können in Reihe oder parallel geschaltet sein. Im Schaltungsdiagramm der Fig. 2 z. B. sind der Kondensator 9 und die Meßelektrode 8 in Reihe geschaltet.

Zur Messung der Temperatur des Stators wird der kapazitive Teiler mit einer Wech selspannung konstanter Amplitude und Frequenz f_meß, erzeugt von einem digitalen Oszillator, beaufschlagt.

Ist der zweite nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbare Teilbereich 7 der Piezokeramik 1 nicht polarisiert, so kann beim Beaufschlagen des kapazitiven Teilers mit einer Wechselspannung eine Wechselspannung beliebiger Frequenz f_meß gewählt werden. Vorteilhaft ist es, eine Frequenz zwischen den Nutzfrequenzbän dern zu wählen.

Ist der zweite nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbare Teilbereich 7 der Piezokeramik 1 polarisiert, so muß beim Beaufschlagen des kapazitiven Teilers mit einer Wechselspannung eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz gewählt werden. Die Frequenz f_meß muß in einem Bereich zwischen zwei Frequenz bändern liegen, die sich als Vielfache der für den Antrieb des Wanderwellenmotors genutzten Arbeitsfrequenzen ergeben.

An der Meßelektrode 8 wird das temperaturabhängige Signal C(T) und an dem tem peraturstabilen Kondensator 9 wird das temperaturstabile Referenzsignal C_ref abgegriffen. In einer Subtrahierschaltung 10 werden die beiden Signale miteinander verglichen und das so ermittelte temperaturabhängige Signal C(T) wird nach Durch laufen konventioneller elektronischer Bauteile wie Verstärker 12 und ggfs. zusätzlich noch Analog/Digitalwandler 13 und Mikroprozessor 14 als Spannungswert U_meß in Abhängigkeit von der Temperatur, wie in Fig. 4 gezeigt, dargestellt.

Ist der zweite nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbare Teilbereich 7 der Piezokeramik polarisiert, so empfehlt es sich, ein Bandpassfilter 11 einzusetzen, das nur das Meßsignal U_meß durchläßt. Damit können störende Spannungen heraus gefiltert werden, die in der Meßelektrode bei Motorbetrieb auftreten und die Fre quenz der Motoransteuerung aufweisen.

Ist der zweite nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbare Teilbereich 7 der Piezokeramik nicht polarisiert, so kann die Komplexität des Filters reduziert werden bzw. ein solches ganz weggelassen werden, da in diesem Fall nur kleinere Störungen auftreten.

Die Darstellung des temperaturabhängigen Signals als Spannungswert U_meß in Ab hängigkeit von der Temperatur ermöglicht die einfache Nutzung des Meßverfahrens für Steuerungszwecke. Auch ein effektiver Übertemperaturschutz läßt sich durch einen einfachen Abschaltmechanismus, z. B. mittels des Mikroprozessors 14, reali sieren.

Claims

1. Wanderwellenmotor mit einem eine elektrisch anregbare Piezokeramik (1) aufwei senden Stator und einem mit dem Stator in Reibkontakt bringbaren Rotor, wobei die Piezokeramik (1) aus zwei Gruppen von sich abwechselnden und unterschiedlich polarisierten piezoelektrischen Zonen besteht, die beiden Gruppen mit um 90° gegeneinander phasenverschobenen Wechselspannungen (2, 3) angeregt werden und in einem ersten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbaren Teil bereich (4) der Piezokeramik (1) zwei Elektroden (5, 6) im Abstand von mindestens λ/4 zur sensorischen Erfassung des Motorzustands ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbaren Teilbereich (7) der Piezokeramik (1) eine Meßelektrode (8) angebracht ist und ein in seinem Kapazitätswert temperaturstabiler Kondensator (9) so zugeschaltet ist, daß die Meßelektrode (8) und der temperaturstabile Kondensator (9) einen kapazitiven Teiler bilden.

2. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der temperatur stabile Kondensator (9) und die Meßelektrode (8) in Reihe geschaltet sind.

3. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der temperatur stabile Kondensator (9) und die Meßelektrode (8) parallel geschaltet sind.

4. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des temperaturstabilen Kondensators (9) bei einer definierten Temperatur gleich groß ist wie die Kapazität der Meßelektrode (8).

5. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (8) eine Teilfläche des zweiten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbaren Teilbereichs (7) einnimmt.

6. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (8) die gesamte Fläche des zweiten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbaren Teilbereichs (7) einnimmt mit einem Mindestisolations abstand zu den angrenzenden polarisierten piezoelektrischen Zonen.

7. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbare Teilbereich (7) der Piezokeramik (1) nicht polarisiert ist.

8. Verfahren zur Messung der Temperatur des Stators eines Wanderwellenmotors mit einem eine elektrisch anregbare Piezokeramik (1) aufweisenden Stator und einem mit dem Stator in Reibkontakt bringbaren Rotor, wobei die Piezokeramik (1) aus zwei Gruppen von sich abwechselnden polarisierten piezoelektrischen Zonen besteht, die beide Gruppen mit um 90° gegeneinander phasenverschobenen Wechselspannun gen (2, 3) angeregt werden und in einem ersten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbaren Teilbereich (4) der Piezokeramik (1) zwei Elektroden (5, 6) im Abstand von mindestens λ/4 ausgebildet sind, die zum Erfassen der Schwingamplitude genutzt werden, in einem zweiten nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbaren Teilbereich (7) der Piezokeramik (1) eine Meßelektrode (8) angebracht ist und ein in seinem Kapazitätswert temperaturstabiler Kondensator (9) so zugeschaltet ist, daß die Meßelektrode (8) und der temperaturstabile Kondensator (9) einen kapazitiven Teiler bilden, mit den Schritten

1. Beaufschlagen des kapazitiven Teilers mit einer Wechselspannung,
2. Abgreifen des temperaturabhängigen Signals C(T) an der Meßelektrode (8) und des temperaturstabilen Referenzsignals C_ref an dem temperaturstabilen Kondensator (9),
3. Vergleichen des temperaturabhängigen Signals C(T) und des temperaturstabilen Referenzsignals C_ref mittels einer Subtrahierschaltung (10) und
4. Darstellen des so ermittelten temperaturabhängigen Signals C(T) als Spannungs wert U_meß in Abhängigkeit von der Temperatur.

9. Verfahren zur Messung der Temperatur des Stators eines Wanderwellenmotors nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß daß der zweite nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbare Teilbereich (7) der Piezokeramik (1) nicht polarisiert ist und beim Beaufschlagen des kapazitiven Teilers mit einer Wechselspannung eine Wechselspannung beliebiger Frequenz ge wählt wird.

10. Verfahren zur Messung der Temperatur des Stators eines Wanderwellenmotors nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß daß der zweite nicht für die Erzeugung von Wanderwellen nutzbare Teilbereich (7) der Piezokeramik (1) polarisiert ist und beim Beaufschlagen des kapazitiven Teilers mit einer Wechselspannung eine Wechselspannung gewählt wird mit einer Fre quenz, die zwischen den Vielfachen der für den Antrieb des Wanderwellenmotors genutzten Frequenzen liegt.

11. Verfahren zur Messung der Temperatur des Stators eines Wanderwellenmotors nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt Abgreifen des temperaturabhängigen und des temperaturstabilen Signals die abgegriffenen Signale C(T) und C_ref durch ein Bandpassfilter (11) ge schickt werden.