DE2560628C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrostriktiven Motor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind bereits mehrere Elektromotoren mit piezoelektrischen Schwingern bekannt geworden. Bei einer bekannten Ausführungsform (vgl. DE-AS 14 88 698) wird ein mechanischer Biegeresonator verwendet, dessen Abmessungen so gewählt sind, daß im Biegeresonator zwei aufeinander senkrecht stehende Schwingungen, näherungsweise bei der gleichen Frequenz, auftreten. Bei diesem bekannten Elektromotor besteht zwischen dem Schwinger und dem Läufer kein definierter Reibschluß.

Bei einer anderen Ausführungsform (vgl. DE-OS 19 45 448) treibt ein piezoelektrisches Biegeelement über eine Klinke ein Zahnrad an. Die Antriebsmittel unterliegen auch hier einem relativ großen Verschleiß. Diese bekannte Konstruktion ist zudem nur für die Abgabe einer geringen Leistung geeignet. Bei einer anderen bekannten Ausführungsform (vgl. DE-OS 20 50 922) wird die Kopplung zwischen einer Schwingfeder, deren Eigenfrequenz von der Frequenz der anliegenden Wechselspannung verschieden ist, und einem Rad magnetisch bewirkt. Mit diesem Motor kann nur ein geringes Drehmoment übertragen werden.

Ebenfalls nur ein kleines Drehmoment gibt eine weiter bekanntgewordene Anordnung ab (vgl. DE-OS 20 35 587, aus der der Abb. des Patentanspruches 1 hervorgeht). Hierbei wird ein Antriebsrad durch eine Stimmgabel in Drehung versetzt. Auch hier dient eine Klinke zur Übertragung der Kraft von einem piezoelektrischen Element auf einen Läufer. Die Klinke ist dabei reibschlüssig mit dem Läufer sowohl in der Hin- als auch in der Herbewegung verbunden. Die verfügbare Kraft zum Antrieb des Läufers ergibt sich aus der Differenz der Reibungskräfte in diesen beiden Richtungen. Die Reibungskraft ist hierbei u. a. vom Winkel abhängig, mit dem die Klinke auf der Oberfläche des Läufers im Berührungspunkt auftrifft. Die Winkeländerung ist aber zwischen den beiden Bewegungsrichtungen der Klinke sehr gering, so daß auch die verfügbare Kraft zum Antrieb des Läufers nur für eine geringe Belastung ausreicht. Motoren dieser Art haben einen geringen Wirkungsgrad und nur eine geringe Leistung.

Das gleiche trifft auf einen weiteren bekannten Elektromotor zu, der hauptsächlich als Synchronmotor zum Antrieb von Uhren verwendet wird (US-PS 33 02 043). Auch dieser Motor hat die aufgezeigten Mängel, die mit einem Klinkenantrieb verbunden sind. Weiterhin ist ein piezoelektrischer Motor bekannt (US-PS 32 11 931), bei dem die in einem piezoelektrischen Wandler erzeugten mechanischen Kräfte mit Hilfe von lamellenartigen mechanischen Zwischengliedern zum Antrieb eines Läufers eingesetzt werden. Diese Zwischenglieder sind in ihrer Funktion mit den beschriebenen Klinken zu vergleichen. Deshalb weist auch der letztgenannte Motor die typischen Nachteile auf, die vorstehend aufgeführt sind.

Alle bisher betrachteten Motoren weisen im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung lediglich nur in einem Motorteil, entweder im Stator oder im Läufer, einen oder mehrere piezoelektrische Schwingungserzeuger auf.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung eines bereits vorgeschlagenen elektrostriktiven Motors dar (siehe Stammanmeldung DE-OS 25 30 045), bei dem der Ständer mindestens einen piezoelektrischen Schwinger aufweist, der gegen die Oberfläche des Läufers in Antriebsrichtung reibschlüssig andrückbar ist, wobei der Schwinger ein Piezoelement enthält, das mit an eine Wechselspannungs-Quelle anschließbaren Elektroden auf seinen parallelen Außenflächen versehen, in Richtung senkrecht zur Elektroden-Oberfläche polarisiert, und in seiner Resonanz-Abmessung durch Abstimmung seiner Längs-Schwingungen auf die Frequenz der Wechselspannungs- Quelle ausgelegt ist, wobei der piezoelektrische Schwinger zur antriebsmäßig direkten Weiterleitung der Längs-Schwingungen des Piezoelementes ausgebildet ist, die in Verbindung mit Querschwingungen gleicher Frequenz, die durch ihre Wechselwirkung mit dem Läufer des Motors entstehen, den Läufer antreiben.

Dieser Motor weist jedoch nur im Ständer einen oder mehrere piezoelektrische Schwinger auf. Es wird somit nur ein Teil der konstruktiven Möglichkeiten genutzt zur Schaffung leistungsfähiger elektrostriktiver Motoren.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von einem Motor der vorstehend beschriebenen bereits vorgeschlagenen Art, die Leistungsfähigkeit elektrostriktiver Motoren weiter zu erhöhen, ohne dabei deren Abmessungen wesentlich zu vergrößern.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem elektrostriktiven Motor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Ausbildungen des Gegenstandes des Patentanspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die grundlegende Schaltung des Elektromotors mit piezoelektrischem Schwinger;

Fig. 2 einen Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer;

Fig. 3 einen flachen Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer;

Fig. 4 einen Elektromotor, bei dem mehrere Schwinger des Ständers in beweglichen Rahmen befestigt sind;

Fig. 5 einen Elektromotor, bei dem der Schwinger des Ständers einen veränderlichen Querschnitt aufweist;

Fig. 6 einen mehrschichtigen Schwinger, ausgebildet in Form eines Zylinders;

Fig. 7 einen Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer, bei welchem der Läufer als Hohlzylinder ausgebildet ist;

Fig. 8 einen Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer, welche als Rotationskörper ausgebildet sind, in Seitenansicht;

Fig. 9 den Elektromotor gemäß Fig. 8 in Vorderan­ sicht;

Fig. 10 die Schaltung eines Reversiermotors mit zwei Elektrodenpaaren als Spannungs­ generator.

Der Elektromotor enthält einen gegenüber der Grundplatte 1 (Fig. 1) unbeweglichen Teil des Elektromotors, den Ständer 2, und einen rotierenden Teil, den Läufer 3, der am Ständer 2 in einem Lager 4 angeordnet ist. Der Elektromotor wird an eine Spannungsquelle 5 direkt oder über eine Phasenschiebereinrichtung 6, welche die elektrische Reversierung des Elektromotors besorgt, angeschlossen. Da in diesen Elektromotoren die elektrische Energie mit Hilfe von Piezoelementen in die mechanische Drehung des Läufers umgewandelt wird, werden sie piezoelektrische Motoren genannt.

Ein unbedingt notwendiges Merkmal des Elektromotors ist, daß der Ständer 2 mindestens einen Schwinger 7 (Fig. 1, 2, 3, 4, 5) und der Läufer 3 mindestens einen Schwinger 7′ (Fig. 1, 2, 3, 4, 5) enthält. Der Schwinger 7 des Ständers 2 enthält ein Piezoelement 8 (Fig. 2, 3, 4, 5). Der Schwinger 7′ des Läufers 3 enthält ebenfalls ein Piezoelement 8′ (Fig. 2, 3, 4, 5). Die Polarisationsrichtung in den Piezoelementen 8 und 8′ wird in allen Figuren durch Pfeile bezeichnet. Hierbei wird unter Schwinger ein akustischer Resonator verstanden, der ein piezoelektrisches Element einschließt, welches fähig ist, mechanische Energie in Form von elastischen Schwingungen zu speichern.

Im folgenden werden der Ständer und der Läufer, der einen Schwinger oder mehrere Schwinger und folglich ein oder mehrere Piezoelemente enthält, piezoelektrisch aktiv genannt, wobei darunter verstanden wird, daß im Ständer und im Läufer durch reziproken Piezoeffekt die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische vor sich geht.

Zur Steigerung der Leistung des Elektromotors enthält der Ständer 2 mehrere Schwinger 7. (Fig. 4).

Nach dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel enthalten sowohl der Ständer 2 als auch der Läufer 3 einen Schwinger 7 bzw. 7′, weshalb hier ein solcher Motor ein Elektromotor mit piezoelektrisch aktivem Läufer und Ständer oder einfach mit aktivem Läufer und Ständer genannt wird.

Im angeführten Ausführungsbeispiel des Elektromotors mit piezoelektrisch aktivem Läufer und Ständer enthält der Schwinger 7′ des Läufers 3 ein Piezoelement 8′ in Form einer Scheibe. Die Elektroden 10′ und 11′ des Piezoelements 8′ des Läufers 3 sind über Gleitkontakte 17 an eine Spannungsquelle angeschlossen. Der Schwinger 7 des Ständers 2 enthält ein Piezoelement 8, das über eine Zwischenlage 18 an den Läufer 3 mittels des Andrückelements 13 angedrückt wird.

Die Lager 4, die Andrückelemente 13, die Gleitkontakte 17, welche Teile des Ständers 2 darstellen, sind am Gehäuse des Ständers 2 befestigt.

Die Kennlinien und Parameter der Elektromotoren hängen in bedeutendem Maße von der Bauart des Schwingers ab.

Bekannt sind Schwinger mit Erregung von Längs-, Radial-, Biege-, Scher- und Torsionsschwingungen sowie Schwinger mit unterschiedlicher Kombination der aufgezählten Schwingungen (Ultrasonic transducers, Edited by Yoshimitiu Kikuchi, Professor; Research Institure of Electrical Communication Tohoki University, Corona publishing company, LTD, Tokyo, 1969).

Es sei bemerkt, daß in den vorerwähnten Schwingern die akustischen Schwingungen gleichzeitig in mehreren Richtungen erregt werden. Ist beispielsweise der Schwinger 7 als Platte ausgebildet (Fig. 2, 4), so werden die Schwingungen über die Länge, die Breite und die Dicke der Platte gleichzeitig erregt, wenn aber der Schwinger 7 (7′) als Scheibe (Fig. 2) gestaltet ist, so werden die Schwingungen gleichzeitig längs dem Radius und der Dicke der Scheibe erregt. In den oben erwähnten Richtungen breiten sich auch elastische mechanische Wellen aus. Falls nach ihrer Abmessung in eine der genannten Richtungen eine ganze Zahl von Halbwellen mechanischer Schwingungen hineinpassen, so ist eine Resonanz der mechanischen Schwingungen zu verzeichnen. Wenn dabei in die gegebene Richtung nach der Abmessung eine Halbwelle hineinpaßt, so spricht man von der Resonanz der ersten Oberschwingung, bei zwei Halbwellen von der Resonanz der zweiten Oberschwingung, bei 3 Halbwellen der dritten Oberschwingung.

Außerdem können im Schwinger zu gleicher Zeit auch parasitäre Typen der mechanischen Schwingungen erregt werden. Die parasitären Schwingungen führen zur Abnahme des Faktors der elektromechanischen Kopplung derjenigen Schwingungen, die zur Arbeit des Elektromotors notwendig sind und Betriebsschwingungen genannt werden. Im Schwinger werden beispielsweise außer den Betriebsschwingungen wie Torsions- und Längsschwingungen, die sich längs der Mantellinie des Zylinders ausbreiten können, auch parasitäre Radialschwingungen erregt. Unter der Bezeichnung eines Schwingers, z. B. als Schwinger für Längsschwingungen wird deshalb verstanden, daß nur die Längsschwingungen die Betriebsschwingungen sind.

In Fig. 2 ist der Schwinger 7′ des Läufers 3 als Schwinger für Radialschwingungen ausgeführt. Zur Erhöhung der Frequenz der Speisespannung kann der Schwinger 7′ des Läufers 3 als Schwinger für Scherschwingungen (Fig. 3) ausgebildet werden.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Wahl des Schwingeraufbaus durch die Gesamtheit der Anforderungen bestimmt wird, die an einen Elektromotor gestellt werden. Beispielsweise ist der Schwinger 7 des Ständers 2 zur Erregung von Torsions- und Scherschwingungen bei der Ausbildung als Hohlzylinder schwierig, dagegen ein in Form von Platten gestalteter Schwinger 7 (Fig. 2) einfach in der Herstellung.

Die Erregung von Torsionsschwingungen im Schwinger setzt die Frequenz der Speisespannung des Elektromotors herab, während die Erregung von Scher- sowie Längsschwingungen zur Erhöhung der Speisespannungsfrequenz führt.

Läufer und Ständer (Fig. 2, 3, 4, 5) sind Reversiermotoren, da in ihnen durch Umschalten der Herausführungen die Drehrichtung des Läufers 3 verändert werden kann.

Bei Kenntnis des Typs der zu erregenden Schwingungen und der Ausbreitungsrichtung der Welle führt man die Befestigung des Schwingers 7 an der Lagerung 19 des Ständers 2 unter minimalen Verlusten der Schallenergie durch, indem man dazu praktisch beliebig harte Stoffe verwendet. So befestigt man den Schwinger 7 an der Lagerung 19 (Fig. 4) in mindestens einem Minimum der Schallschnellen (s. "Magnetische und dielektrische Geräte", herausgegeben von G. W. Katz, Verlag "Energÿa", Moskau 1964).

Es ist bekannt, daß für die Längs-, Scher- und Torsionsschwingungen die Minima der Schallschnellen sich in Abständen befinden, die ein Vielfaches der die Betriebsfrequenz des Schwingers vorgebenden Abmessung sind, geteilt durch die doppelte Ordnungszahl der Oberschwingung. Hierbei wird die die Betriebsfrequenz vorgebende Abmessung in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle bestimmt, während das erste Minimum der Schallschnellen sich im Abstand L vom Ende des Schwingers befindet

dabei bedeuten:
S- die die Frequenz vorgebende Abmessung; n- die Ordnungszahl der Oberschwingung der Längsschwingungen.

Für Biegespannungen befindet sich das erste Minimum der Schwingungen in einem Abstand L vom Ende des Stabs, welcher angenähert nach folgender Formel bestimmt wird:

wobei n′ die Ordnungszahl der Oberschwingung der Biegeschwingungen bedeutet.

Die Befestigung der Schwinger im Minimum der Schallschnellen erfolgt mit Haltern 9 in Form von Rahmen (Fig. 4). Der Schwinger 7 des Ständers 2 wird in ihnen z. B. eingeklebt.

Der Schwinger 7 des Ständers 2 (Fig. 2) enthält außer dem Piezoelement 8 die Zwischenlage 18 aus nicht piezoelektrischem Material. Diese Zwischenlage wird aus einem verschleißfesten Material angefertigt. Sie ist an das Piezoelement 8 zur Gewährleistung der akustischen Kopplung zwischen Läufer 3 und Ständer 2 angeschlossen und gestattet es, die Betriebsdauer des Elektromotors um ein Mehrfaches zu erhöhen. Beispielsweise überschreitet die Lebensdauer eines solchen Elektromotors mit der Zwischenlage aus Hartmetall 2000 Stunden. Falls eine Betriebsdauer von 100 Stunden ausreicht, enthält der Schwinger 7 des Ständers 2 und des Läufers 3 zur Verringerung der Anzahl von Motorteilen nur das Piezoelement 8 oder 8′ (Fig. 4). In denjenigen Fällen, in denen der Verschleiß des Schwingers 7 (Fig. 2) des Ständers 2 gegenüber dem Verschleiß des Läufers 3 bedeutend größer ist, wie dies beispielsweise für die Elektromotoren mit aktivem Läufer und Ständer (Fig. 2) der Fall ist, wird die Zwischenlage 18 aus verschleißfestem Material zweckmäßigerweise nur am Ständer 2 angeordnet und der Schwinger 7′ des Läufers 3 in Form des Piezoelements 8′ ausgeführt, das im Bereich des Minimums der Schallschnellen an der Welle 15 des Läufers 3 befestigt ist.

Die Form der Zwischenlage 18 muß eine maximale Zuverlässigkeit ihrer Verbindung mit dem Piezoelement 8 gewährleisten.

Außer dem Typ des Schwingers ist es zur eindeutigen Bestimmung der Ausführung des Elektromotors notwendig, auch die Ausführungsform des Schwingers zu definieren. Es ist technologisch am wirksamsten, den Schwinger als rechtwinklige Platte (Fig. 2, 4) auszubilden. Zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades wird der Schwinger 7 des Ständers 2 als Stab mit abnehmenden Querschnitt oder beispielsweise als abgestufter Körper (Fig. 5) ausgebildet, wobei der Läufer 3 den Schwinger 7 am Ende dieses Stabes mit minimalem Querschnitt berührt.

Zur Verringerung der Abmessungen des Elektromotors und zur Erweiterung des Bereichs seiner Betriebsfrequenzen durch Ausnutzung von Torsions-, Radial- und Scherschwingungen wird der Schwinger 7 des Ständers 2 oder der Schwinger 7′ des Läufers 3 (Fig. 3) als Hohlzylinder ausgebildet. Es ist zweckmäßig, die Konstruktion des Läufers 3 in Form des Hohlzylinders auch in Elektromotoren flacher Bauart zu verwenden, bei denen die Höhe erheblich kleiner als der Durchmesser (Fig. 3) ist.

Die betrachteten Ausführungsformen der Schwinger schöpfen aber nicht alle möglichen Varianten aus, sondern sind nur die Hauptformen, und eine Abweichung von ihnen führt nicht zu einer wesentlichen Verbesserung der Kenndaten des Elektromotors, wie der spezifischen Leistung an der Welle des Elektromotors, der Drehzahl und des Wirkungsgrades.

Für die Elektromotoren mit dem Piezoelement 8 (oder 8′) in Form eines Hohlzylinders ist die Zwischenlage 18 zweck­ mäßigerweise auch als Hohlzylinder oder als dünnwandiger Becher (Fig. 3, 5) zu gestalten. Durch Kleben, Löten oder nach anderen Verfahren wird die Zwischenlage 18 zuverlässig am Piezoelement 8 (8′) befestigt, wobei auf diese Weise die akustische Kopplung zwischen ihnen sichergestellt wird.

Die betrachteten Formen der Schwinger sind die einfachsten. Es ist zweckmäßig, daß auch das Piezoelement 8 einfachste Formen annimmt und überdies der Schwingerform gleicht, d. h., es ist wünschenswert, daß das Piezoelement 8 (oder 8′) als rechtwinklige Platte (Fig. 2, 4), als Stab mit abnehmendem Querschnitt, beispielsweise in Form eines abgestuften Körpers (Fig. 5), als Hohlzylinder (Fig. 3, 5) oder als Scheibe (Fig. 2, 4) ausgebildet ist.

Nachdem der Typ des Schwingers, seine Form sowie die Form des Piezoelementes gewählt sind, ist es notwendig, das Verfahren zur Erregung des gewählten Typs der Schwingungen zu bestimmen. Wie bereits eben angegeben wird die Polarisation des Materials in den Figuren durch einen Pfeil bezeichnet. Die Polarisationsrichtung, angedeutet durch einen Pfeil für das als Hohlzylinder ausgebildete Piezoelement, hat Sinn nur für Piezoelemente, die aus seignetteelektrischen, keramischen Materialien bestehen. Diese Materialien können in einer beliebigen, bei der Polarisation vorgegebenen Richtung polarisiert werden. Bei der Bezeichnung der Polarisationsrichtung des Hohlzylinders längs der Kreislinie bezieht sich ⊕ auf das Ende des Pfeils der Polarisationsrichtung und ⊗ auf dessen Anfang (z. B. Fig. 3). Die piezoelektrische Keramik ist billiger als kristalline piezoelektrische Materialien, weshalb sie zur praktischen Anwendung zwecks Reduzierung der Herstellungskosten des Elektromotors empfohlen wird. Jedoch besitzen die kristallinen piezoelektrischen Materialien in der Regel bessere piezoelektrische Eigenschaften, so daß in den Fällen, wenn die Anforderungen an die elektrischen Parameter der Elektromotoren wichtiger als die Herstellungskosten sind, es zweckmäßig ist, für Piezoelemente der Schwinger, ausgeführt in Form von Platten und Scheiben, kristalline Werkstoffe zu verwenden.

Unter den Piezoelektrika, die nicht zu den Seignetteelektrika gehören, besitzt Quarz hohe mechanische Festigkeit und hohe mechanische Güte. Deswegen kann Quarz für Elektromotoren empfohlen werden, die eine hohe spezifische Leistung an der Welle und einen hohen Wirkungsgrad haben.

Die beschriebenen Formen der Schwinger und die Formen der Piezoelemente bestimmen noch nicht eindeutig den Typ der akustischen Schwingungen im Schwinger. Zur vollständigen Bestimmung des Schwingers muß man noch wissen, wie das Piezoelement polarisiert ist, wie die Elektroden aufgebracht und wie sie verbunden sind. Die Polarisationsrichtung wird durch den Winkel zwischen der Richtung des mittleren Polarisationsvektors und der Elektrodenebene gekennzeichnet. Wenn dabei das Piezoelement senkrecht zu seinen Elektroden polarisiert ist, so bedeutet dies, daß, wenn an diese Elektroden ein elektrisches Feld gelegt wird, die Richtung des Vektors des elektrischen Feldes in jedem Punkt mit der Richtung des Polarisationsvektors in diesem Punkt zusammenfällt. Ist aber der Polarisationsvektor zum Vektor des elektrischen Feldes in jedem Punkt des Piezoelementes senkrecht, so ist das Piezoelement parallel den Elektroden polarisiert.

Zur Erregung von Längs- und Biegeschwingungen ist es zweckmäßig, daß mindestens ein Teil des Piezoelementes senkrecht zu seinen Elektroden polarisiert ist. Für piezoelektrische Platten, Scheiben und Hohlzylinder, falls diese senkrecht zu den Elektroden polarisiert sind, nennt man eine solche Polarisation auch Polarisation nach der Dicke (Fig. 2, 4, 5).

Zur Erregung von Scher- und Torsionsschwingungen ist es zweckmäßig, mindestens einen Teil des Piezoelementes parallel zu seinen Elektroden zu polarisieren.

Im Unterschied zu den bekannten Elektromotoren mit frei beweglichem Läufer, sind der Ständer und der Läufer eines piezoelektrischen Motors aneinander angedrückt.

Als Andrückelement 13 wird in den einfachsten Ausführungen eine Feder benutzt, die an der Lagerung 19 des Schwingers 7 angebracht ist.

Als Andrückelement 13 (13′) kann eine elastische Zwischenlage oder eine Gummischnur verwendet werden. Bei kleinem Drehmoment an der Welle ist als Andrückelement 13 (13′) auch die Verwendung eines Dauermagneten, der nicht abgebildet ist, möglich.

Für Elektromotoren mit aktivem Läufer und Ständer werden die Anschlüsse der Piezoelemente 8′ des Läufers 3 an eine Spannungsquelle mittels der Gleitkontakte 17 (Fig. 2, 3, 4, 5) angeschlossen. Üblicherweise bringt man für diese Zwecke an der Welle 15 des Läufers 3 Schleifringe 25 (Fig. 2, 5) an.

Die Kontakte 17 können direkt an die Elektroden 10′, 11′ (Fig. 3, 4) des Läufers 3 angedrückt werden. Eine solche Lösung gestattet es, die Ausführung der Elektromotoren bedeutend zu vereinfachen.

Zur Verminderung der elektrischen Spannung der Spannungsquelle wird das als Scheibe ausgebildete Piezoelement 8′ aus mehreren Schichten 22 (Fig. 6) ausgeführt. Die Schichten 22 sind parallel zu den Elektroden 10′, 11′ angeordnet und untereinander parallelgeschaltet. Die Parallelschaltung der Schichten 22 wird zweckmäßigerweise mit Hilfe von leitenden Streifen 27 zustandegebracht. An der Zylinderfläche des Piezoelementes 8′ ist eine dünnwandige zylindrische Zwischenlage 18 aus keramischem, verschleißfestem Material befestigt.

Der Läufer 3 vom Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer (Fig. 5), der einen Hohlzylinder darstellt, der in radialer Richtung polarisiert ist, Elektroden 10′, 11′ an den zylindrischen Flächen aufweist und in eine Zwischenlage 18 eingebracht ist, die in Gestalt einer dünnwandigen Hülse 18 aus verschleißfestem Material ausgeführt ist, gestattet es, die Leistung an der Motorwelle beträchtlich zu vergrößern.

Elektromotoren mit aktivem Läufer 3 und Ständer 2 (Fig. 2, 4, 3) sind reversierbar.

In der Ausführung des Reversiermotors (Fig. 7) enthält der Ständer 2 zwei Schwinger 7 der Längsschwingungen mit Erregung der zweiten Oberschwingung. Hierbei sind die Elektroden 10 ebenso wie die Elektroden 11 der zwei Schwinger 7 miteinander verbunden. Zur Vergrößerung des Wertes der den Elektromotor speisenden Spannung wird in der betrachteten Ausführung ein Rotor 3 verwendet, der einen als Hohlzylinder ausgebildeten Schwinger 7′ enthält. Als solcher Läufer wird zweckmäßigerweise der Läufer 3 (Fig. 5) vom Elektromotor mit dem abgestuften Schwinger 7 des Ständers 2 verwendet. Für das Andrücken des Ständers 2 und des Läufers 3 aneinander (Fig. 7) sorgen die Andrückelemente 13, die an der (nicht dargestellten) Lagerung des Ständers befestigt sind und sich auf die Oberflächen der Schwinger 7 des Ständers 2 abstützen.

Zur Verringerung der Außenabmessungen des Elektromotors und Vergrößerung seiner Leistung an der Welle ist der Schwinger 7 des Ständers als Hohlzylinder ausgebildet, welcher den Läufer 3 (Fig. 8, 9) symmetrisch umfaßt. Das Piezoelement 8 des Schwingers ist ebenfalls als Hohlzylinder ausgeführt und besitzt Elektroden 10, 11 an seinen Mantelflächen. Durch die Polarisationsrichtungen wird es in eine gerade Zahl der Teile (in Fig. 9 sind es vier Teile) aufgeteilt, welche hier Zonen 28 und 28′ genannt werden. Jede Zone 28 und 28′ des Piezoelementes ist nach der Dicke polarisiert, wobei die Polarisationsrichtungen der benachbarten Zonen entgegengesetzt sind. Die betrachtete Ausführung des Piezoelementes 8 gewährleistet in ihm die Resonanz der Längsschwingungen über die Kreislänge des Piezoelementes 8 in einer Oberschwingung, deren Ordnungszahl der Anzahl der Zonen gleich ist (in der in Fig. 8, 9 dargestellten Ausführung wird die Resonanz in der vierten Oberschwingung sichergestellt). Zur Übertragung des Drehmoments zum Läufer 3 vom Ständer 2 des Elektromotors sind an der Innenfläche des Hohlzylinders des Piezoelementes 2 symmetrisch in bezug auf die Drehachse des Läufers 3 Zwischenlagen 18 aus verschleißfestem Material befestigt. Die Anzahl der Zwischenlagen 18 ist gleich der halben Zahl der Zonen 28 und 28′, also gleich zwei. Es ist zweckmäßig, daß die Zwischenlagen 18 im Querschnitt in Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgeführt sind, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Die Schwinger 7′ des Läufers 3 für die beschriebene Ausführung des Ständers 2 werden zweckmäßigerweise als zwei auf der Welle 15 des Läufers 3 axial verschiebbare Scheiben ausgeführt. Die Schwinger 7′ enthalten als Hohlzylinder gestaltete Piezoelemente 8′ mit Elektroden 10′, 11′ an den Grundflächen der Zylinder. Die Piezoelemente 8′ sind senkrecht zu den Elektroden 10′, 11′ polarisiert.

Dabei sind sowohl die Elektroden 10′ als auch die Elektroden 11′ untereinander verbunden, während die Piezoelemente 8′ selbst in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Eine solche Anordnung und Verbindung der Elektroden 10′, 11′ sowie die Polarisation der Piezoelemente 8′ gewährleisten die Erregung von radialen Gleichtaktschwingungen in dem Schwinger 7′ des Läufers 3.

An den Seitenflächen des Schwingers 7′ (Fig. 8) des Läufers 3 sind die Enden von Andrückelementen 13′ befestigt, welche die Schwinger 7′ des Läufers 3 an die Zwischenlagen 18 des Schwingers 7 des Ständers 2 andrücken. Auf diese Weise kommt das Andrücken des Läufers 3 und des Ständers 2 aneinander zustande. Ausgehend davon werden die beiden Schwinger 7′ des Läufers 3 zweckmäßigerweise symmetrisch in bezug auf den Schwinger 7 des Ständers 2 angeordnet.

Es sei auch bemerkt, daß für alle piezoelektrischen Motoren wie auch für alle anderen Elektromotoren die Plätze von Läufer und Ständer ausgetauscht werden können.

Ebenso wie Elektromotoren mit Wechselwirkung der magnetischen Felder stellen die piezoelektrischen Elektromotoren ein umkehrbares System dar. Das bedeutet, daß, wenn man die Welle 15 (Fig. 10) des Läufers 3 des piezoelektrischen Motors mit einem äußeren Antrieb verbindet (45) und wenigstens ein Elektrodenpaar zumindest eines Schwingers an eine elektrische Belastung 46 anschließt, an der Belastung 46 Wechselspannung auftritt. Dieser Effekt wird für alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektromotors beobachtet, weshalb alle im Generatorbetrieb als wicklungslose Geber der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische eingesetzt werden können.

Beim Elektromotor mit aktivem Läufer 3 und Ständer 2 (Fig. 2) befindet sich eines der Maxima der Schallschnellen im Zentrum der Platte des Schwingers 7, da in seinem Piezoelement 8 die zweite Oberschwingung der Längsschwingungen erregt wird. Auf diese Weise schwingt die am Ständer 2 befestigte Zwischenlage 18 in horizontaler Richtung und überträgt bei der Berührung mit dem Läufer 3 auf diesen einen Bewegungsimpuls. Die Schwingungen im Piezoelement 8′ des Läufers 3 verändern den Anpreßdruck zwischen Läufer 3 und Ständer 2. Wenn dabei der Eingriff in dem Augenblick geschieht, wenn sich die Zwischenlage 18 nach rechts bewegt, so bewegt sich der Läufer 3 im Uhrzeigersinn. Es genügt, die Enden des Piezoelementes 8 (oder 8′) umzuschalten, und der Eingriff findet in dem Augenblick statt, in dem sich die Zwischenlage 18 nach links bewegt, wobei infolgedessen der Läufer 3 sich im Gegenuhrzeigersinn bewegt.

In den Elektromotoren mit zwei Typen elektrisch erregter Schwingungen in einem Schwinger verändert der eine Typ der Schwingungen das Andrücken des Läufers 3 an den Ständer 2, während der andere Typ der Schwingungen den Bewegungsimpuls zum Läufer 3 überträgt.

Bei Elektromotoren mit aktivem Läufer 3 und Ständer 2 bringt in der Regel der Läufer 3 die Veränderung des Andrückens von Läufer 3 und Ständer 2 zustande. Beispielsweise bewirkt bei Elektromotoren mit aktivem Läufer 3 und Ständer 2 (Fig. 4, 5, 8, 9) der Schwinger 7′ des Läufers 3 die Veränderung des Andrückens von Läufer 3 und Ständer 2, in welchem Radialschwingungen erregt werden. Bei Elektromotoren mit dem Schwinger 7 (Fig. 3) des Ständers 2 mit Erregung von Radialschwingungen der dritten Oberschwingung bewirkt der Schwinger 7 des Ständers 2 die Veränderung des Andrückens von Läufer 3 und Ständer 2. Hierbei erklärt sich die Wahl der höchsten Oberschwingung der Radialschwingungen durch die Notwendigkeit der Übereinstimmung der hochfrequenten Scherschwingungen mit den verhältnismäßig niederfrequenten Radialschwingungen.

In den Ausführungen, in denen der Läufer 3 den Ständer 2 an mehreren Stellen berührt, die symmetrisch am Kreisumfang (Fig. 4, 8, 9) verteilt sind, wird der Verschleiß der Lager 4 durch gegenseitige Kompensation sämtlicher seitens des Läufers 3 auf die Lager 3 wirkenden Kräfte ausgeschlossen. Hierbei genügt es, das Andrücken von Läufer 3 und Ständer 2 an drei Stellen sicherzustellen, damit der Elektromotor ohne Lager arbeiten kann.

In den Elektromotoren, bei denen das Andrückelement 13 an der Welle 15 angebracht und zwischen dem Lager 4 und dem Läufer 4 angeordnet ist, wird aufgrund des Andrückelementes 13′ eine gewisse Bremsung des Läufers 3 erzeugt. Dies beseitigt die Anordnung von zwei Andrückelementen 13′ am Läufer 3 (Fig. 8, 9).

Bei der Erregung von zwei Schwingungstypen im piezoelektrischen Reversiermotor ergibt sich nicht immer das optimale Phasenverhältnis zwischen den Typen der Schwingungen, welche die Übertragung des Bewegungsmomentes und die Veränderung des Andrückens von Läufer und Ständer zustandebringen. Deshalb wird zur Korrektur der Phasenverhältnisse das Paar aus Elektroden 11, 21, die für die Erregung eines Schwingungstyps sorgen, zweckmäßigerweise über die Phasenschiebereinrichtung 6 angeschlossen. Da hierbei die für die Veränderung des Andrückens von Läufer 3 und Ständer 2 aufgenommene Leistung meist beträchtlich geringer ist als die für die Erzeugung des Bewegungsmomentes des Läufers 3 aufgenommene Leistung, wird die Phasenschiebereinrichtung 6 zweckmäßig an die Elektroden angeschlossen, welche die Veränderung des Andrückens von Läufer 3 und Ständer 2 zustande­ bringen.

Durch Verbrauch einer gewissen Energie der äußeren Spannungsquelle 5 (Fig. 10) für die Erregung von Schwingungen im Schwinger des Ständers oder des Läufers 3 (Fig. 10) für den Angriff des Läufers 3 an dem Ständer 2, kann man einen zur Stromerzeugung geeigneten Generator erhalten. In diesem Fall überträgt der Läufer 3 bei seiner Rotation Impulse mechanischer Energie zum Piezoelement 8 mit der Angriffshäufigkeit und werden in ein elektrisches Signal im Piezoelement 8 mit einer Frequenz umgewandelt, die der Betriebsfrequenz des piezoelektrischen Motors gleich ist.

Die Verwendung des piezoelektrischen Motors als Generator ist zur Gewinnung kleiner Leistungen gerechtfertigt. Sie stimmen gut mit Antrieben überein, die mit geringen Drehzahlen arbeiten. Einfache Ausführung und hohe Frequenz sind deren Hauptvorteile.

Claims (21)

1. Elektrostriktiver Motor, dessen Teile, Ständer und Läufer, reibschlüssig durch ein federndes Andrückelement gegeneinander angedrückt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl der Ständer (2) als auch der Läufer (3) mindestens je einen piezoelektrischen Wandler mit einem Schwinger (7, 7′) zur Erzeugung der mechanischen Kräfte aufweisen,
daß die in einem der Motorteile (2, 3) erzeugte mechanische Kraft zur Bildung einer Drehbewegung des Läufers (3) dient, und
daß die in dem anderen Motorteil (2, 3) erzeugte mechanische Kraft zur Änderung der Andruckkraft des Andrückelements (13, 13′) eingesetzt ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer (2) ein Schwinger (7) für Längsschwingungen angeordnet ist.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer (3) ein Schwinger (7′) für Radialschwingungen angeordnet ist.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer (3) ein Schwinger (7′) für Scherschwingungen angeordnet ist.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer (3) ein Schwinger (7′) für Torsionsschwingungen angeordnet ist.

6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Schwinger (7) des Ständers (2) als Hohlzylinder ausgebildet ist.

7. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (7′) des Läufers (3) als Zylinder ausgebildet ist.

8. Motor nach Anspruch 1, bei dem eine Zwischenlage aus verschleißfestem Material (18) an der Berührungsstelle von Läufer (3) und Ständer (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (18) als dünnwandiger Zylinder ausgebildet ist.

9. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Andrückelement (13′) am Läufer (3) angeordnet ist.

10. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungszuführung an die Elektroden (10′, 11′) der Piezoelemente (8′) des Läufers (3) über Gleitkontakte (17) erfolgt.

11. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (8′) des Läufers (3) scheibenförmig ausgebildet und senkrecht zur Oberfläche der Elektroden (10′, 11′) polarisiert ist.

12. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 10′, 11, 11′) auf den Mantelflächen eines Hohlzylinders aufgebracht sind, wobei das zugehörige Piezoelement (8, 8′) senkrecht zur Oberfläche der Elektroden polarisiert ist.

13. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Piezoelemente (8) des Ständers (2) zueinander parallel angeordnet, plattenförmig ausgebildet sind mittels zwei der Andrückelemente (13), die an vier Haltern (9) des Schwingers (7) befestigt sind, gegen den Läufer (3) angedrückt werden.

14. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die außen- als auch die innenliegenden Elektroden (10, 11) der beiden Schwinger des Ständers (2) jeweils miteinander verbunden sind.

15. Motor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halter (9) in Nuten einer Haltevorrichtung (19) frei beweglich sind.

16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halter (9) vom jeweiligen Ende der Schwinger (7) des Ständers (2) einen Abstand haben, der gleich einem Viertel der Gesamtlänge der Schwinger (7) entspricht.

17. Motor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger (7) des Ständers (2) senkrecht zur Oberfläche der Elektroden (10, 11) polarisiert sind, wobei die Polarisationsrichtung jeweils nach einem Viertel der Länge der Schwinger (7) um 180° wechselt.

18. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger des Ständers (7) und des Läufers (7′) als konzentrisch zueinander angeordnete Hohlzylinder ausgebildet sind.

19. Motor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger des Ständers (7) senkrecht zur Oberfläche der Elektroden (10, 11) polarisiert ist, wobei die Polarisationsrichtung aufeinanderfolgender Sektoren um 180° abwechselt und die Anzahl der Sektoren geradzahlig ist.

20. Motor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Schwingers (7) des Ständers (2) nach jeweils zwei Sektoren unterschiedlicher Polarisationsrichtung Zwischenlagen (18) aus verschleißfestem Material angebracht sind, deren Querschnitte, die Form eines gleichschenkligen Dreiecks haben.

21. Motor nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Läufer (3) axial verschiebbar zwei einander gegenüberliegende Schwinger (7′) angebracht sind, die in zueinander entgegengesetzter Richtung senkrecht zur Oberfläche der Elektroden (10′, 11′) polarisiert sind und die mit den Andrückelementen (13′) gegen die dreieckförmigen Zwischenlagen (18) gedrückt werden.