DE2560628C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrostriktiven Motor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrostrictive Motor according to the preamble of claim 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.There are already several electric motors with piezoelectric ones Became known to vibrators. In a known embodiment (cf. DE-AS 14 88 698) becomes a mechanical bending resonator used, whose dimensions are chosen so that in Bending resonator two mutually perpendicular vibrations, approximately at the same frequency. In this known electric motor there is between the vibrator and no defined frictional engagement for the rotor.

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.In another embodiment (see DE-OS 19 45 448) drives a piezoelectric bending element over a pawl a gear. The drive means are also subject here a relatively large wear. This well-known construction is also only suitable for the delivery of a low power. In another known embodiment (cf. DE-OS 20 50 922) the coupling between a spring, whose natural frequency depends on the frequency of the AC voltage present is different, and causes a wheel magnetically. Only a low torque can be transmitted with this motor will.

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.Only a small torque also passes on one known arrangement from (see. DE-OS 20 35 587, from which the Fig. of claim 1 emerges). Here a drive wheel is rotated by a tuning fork  transferred. Here too, a jack is used to transmit the Force from a piezoelectric element to one Runner. The pawl is frictionally engaged with the runner connected in both the float and the float. The force available to drive the rotor results from the difference in the frictional forces in these two Directions. The frictional force is u. a. from the angle dependent with which the pawl on the surface of the runner hits at the point of contact. The angle change is but between the two directions of movement of the jack very low, so that the available power to drive of the runner is only sufficient for a low load. Engines this type have a low efficiency and only a low performance.

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. The same applies to another known electric motor, mainly as a synchronous motor is used to drive clocks (US-PS 33 02 043). This engine also has the shown Defects associated with a ratchet drive. Farther a piezoelectric motor is known (US-PS 32 11 931), in which the in a piezoelectric transducer generated mechanical forces with the help of lamellar mechanical links to drive a rotor be used. These links are in their function with the handles described to compare. That is why the latter engine also shows the typical disadvantages listed above are.  

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.All of the motors considered so far have a contrast to present invention only in one engine part, either in the stator or in the rotor, one or more piezoelectric vibrators.

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.The present invention represents a further development of an already proposed electrostrictive motor (see parent application DE-OS 25 30 045) where  the stand has at least one piezoelectric vibrator has, against the surface of the rotor in the drive direction is frictionally pressed, the transducer Piezo element contains that with an AC voltage source connectable electrodes on its parallel outer surfaces provided, in the direction perpendicular to the electrode surface polarized, and in its resonance dimension by tuning its longitudinal vibrations to the frequency of the AC voltage Source is designed, the piezoelectric vibrator for direct transmission of the longitudinal vibrations of the piezo element is formed in connection with Cross vibrations of the same frequency due to their interaction arise with the rotor of the motor, drive the rotor.

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.However, this engine only shows one or more piezoelectric transducers in the stand. It only becomes part of the constructive possibilities used to create powerful electrostrictive Engines.

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.It is therefore an object of the present invention, starting from of an engine of the type already described above, which Performance of electrostrictive motors continues to increase increase without significantly increasing their dimensions enlarge.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem elektrostriktiven Motor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.This task is solved with an electrostrictive Motor according to the preamble of claim 1 that specified in the characterizing part of claim 1 Characteristics.

Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Ausbildungen des Gegenstandes des Patentanspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.Further refinements and advantageous developments of the Subject of claim 1 are in the subclaims specified.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt The invention is explained below with reference to the drawings. It shows  

Fig. 1 die grundlegende Schaltung des Elektromotors mit piezoelektrischem Schwinger; Figure 1 shows the basic circuit of the electric motor with piezoelectric vibrator.

Fig. 2 einen Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer; Figure 2 is an electric motor with an active rotor and stator.

Fig. 3 einen flachen Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer; Fig. 3 is a flat electric motor with an active rotor and stator;

Fig. 4 einen Elektromotor, bei dem mehrere Schwinger des Ständers in beweglichen Rahmen befestigt sind; Fig. 4 is an electric motor, are attached in which several vibrator of the stator in the movable frame;

Fig. 5 einen Elektromotor, bei dem der Schwinger des Ständers einen veränderlichen Querschnitt aufweist; Figure 5 is an electric motor in which the vibrator of the stator having a variable cross-section.

Fig. 6 einen mehrschichtigen Schwinger, ausgebildet in Form eines Zylinders; Fig. 6 is a multi-layer transducer, in the form of a cylinder;

Fig. 7 einen Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer, bei welchem der Läufer als Hohlzylinder ausgebildet ist; An electric motor with an active rotor and stator, wherein the rotor is formed as a hollow cylinder Fig. 7;

Fig. 8 einen Elektromotor mit aktivem Läufer und Ständer, welche als Rotationskörper ausgebildet sind, in Seitenansicht; Figure 8 is an electric motor with an active rotor and stator, which are formed as a rotation body, in a side view.

Fig. 9 den Elektromotor gemäß Fig. 8 in Vorderan­ sicht; Fig. 9, the electric motor of Figure 8 in Vorderan view.

Fig. 10 die Schaltung eines Reversiermotors mit zwei Elektrodenpaaren als Spannungs­ generator. Fig. 10 shows the circuit of a reversing motor with two pairs of electrodes as a voltage 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.The electric motor contains a part of the electric motor that is immovable relative to the base plate 1 ( FIG. 1), the stator 2 , and a rotating part, the rotor 3 , which is arranged on the stator 2 in a bearing 4 . The electric motor is connected to a voltage source 5 directly or via a phase shifter device 6 , which ensures the electrical reversal of the electric motor. Since in these electric motors the electrical energy is converted into the mechanical rotation of the rotor with the aid of piezo elements, they are called piezoelectric motors.

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.An absolutely necessary feature of the electric motor is that the stator 2 at least one oscillator 7 ( Fig. 1, 2, 3, 4, 5) and the rotor 3 at least one oscillator 7 ' ( Fig. 1, 2, 3, 4, 5th ) contains. The oscillator 7 of the stand 2 contains a piezo element 8 ( FIGS. 2, 3, 4, 5). The vibrator 7 'of the rotor 3 also contains a piezo element 8' ( Fig. 2, 3, 4, 5). The direction of polarization in the piezo elements 8 and 8 ' is indicated by arrows in all figures. Here, a vibrator is understood to be an acoustic resonator that includes a piezoelectric element that is capable of storing mechanical energy in the form of elastic vibrations.

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.The following is the stand and the runner, the one Transducers or several transducers and consequently one or contains several piezo elements, called piezoelectrically active, whereby it is understood that in the stand and in the rotor through the reciprocal piezo effect the conversion of  electrical energy goes into mechanical.

Zur Steigerung der Leistung des Elektromotors enthält der Ständer 2 mehrere Schwinger 7. (Fig. 4). To increase the power of the electric motor, the stator 2 contains several oscillators 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.According to the embodiment shown in Fig. 2, both the stator 2 and the rotor 3 contain an oscillator 7 or 7 ' , which is why such a motor is called an electric motor with a piezoelectrically active rotor and stator or simply with an active rotor and stator.

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.In the cited embodiment of the electric motor with piezoelectrically active rotor and stand, the oscillator 7 'of the rotor 3 contains a piezo element 8' in the form of a disk. The electrodes 10 ' and 11' of the piezo element 8 'of the rotor 3 are connected to a voltage source via sliding contacts 17 . The vibrator 7 of the stand 2 contains a piezo element 8 , which is pressed onto the rotor 3 by means of an intermediate layer 18 by means of the pressing element 13 .

Die Lager 4, die Andrückelemente 13, die Gleitkontakte 17, welche Teile des Ständers 2 darstellen, sind am Gehäuse des Ständers 2 befestigt. The bearings 4 , the pressing elements 13 , the sliding contacts 17 , which are parts of the stator 2 , are fastened to the housing of the stator 2 .

Die Kennlinien und Parameter der Elektromotoren hängen in bedeutendem Maße von der Bauart des Schwingers ab.The characteristics and parameters of the electric motors depend on significantly depends on the design of the transducer.

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).Vibrators with excitation of longitudinal, radial, Bending, shear and torsional vibrations as well as vibrators with different combination of the listed vibrations (Ultrasonic transducers, Edited by Yoshimitiu Kikuchi, Professor; Research Institutes 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.It should be noted that in the aforementioned vibrators, the acoustic vibrations are excited in several directions at the same time. For example, the vibrator 7 is designed as a plate ( Fig. 2, 4), the vibrations over the length, width and thickness of the plate are excited at the same time, but if the vibrator 7 ( 7 ' ) as a disc ( Fig. 2) is designed, the vibrations are simultaneously excited along the radius and the thickness of the disc. Elastic mechanical waves also propagate in the directions mentioned above. If a whole number of half-waves of mechanical vibrations fit into their dimensions in one of the directions mentioned, then a resonance of the mechanical vibrations can be recorded. If a half wave fits into the given direction according to the dimension, one speaks of the resonance of the first harmonic, for two half waves the resonance of the second harmonic, for 3 half waves the third harmonic.

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 addition, parasitic can also occur in the transducer at the same time Types of mechanical vibrations are excited. The parasitic vibrations lead to a decrease in the factor the electromechanical coupling of those vibrations, which are necessary for the work of the electric motor and operating vibrations to be named. In the transducer, for example apart from the operational vibrations such as torsional and longitudinal vibrations that extend along the surface line of the Cylinders can spread, including parasitic radial vibrations excited. Under the designation of a vibrator, e.g. B. Therefore, as an oscillator for longitudinal vibrations it is understood that only the longitudinal vibrations are the operating vibrations.  

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.In Fig. 2, the oscillator 7 'of the rotor 3 is designed as an oscillator for radial vibrations. To increase the frequency of the supply voltage, the oscillator 7 'of the rotor 3 can be designed as an oscillator for shear vibrations ( Fig. 3).

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.It should also be noted that the choice of the oscillator structure is determined by the totality of the requirements placed on an electric motor. For example, the vibrator 7 of the stator 2 is difficult to excite torsional and shear vibrations when it is designed as a hollow cylinder, whereas a vibrator 7 ( FIG. 2) designed in the form of plates is easy to manufacture.

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. The excitation of torsional vibrations in the vibrator sets the frequency of the supply voltage of the electric motor, during the excitation of shear and longitudinal vibrations leads to an increase in the supply voltage frequency.  

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.Runner and stand ( Fig. 2, 3, 4, 5) are reversing motors, since the direction of rotation of the rotor 3 can be changed in them by switching the leads.

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).Knowing the type of vibrations to be excited and the direction of propagation of the shaft, the vibrator 7 is fastened to the bearing 19 of the stator 2 with minimal losses of the sound energy by using practically any materials that are hard. So you attach the transducer 7 to the bearing 19 ( Fig. 4) in at least a minimum of the sound waves (see "Magnetic and dielectric devices", published by GW Katz, publisher "Energÿa", Moscow 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 befindetIt is known that for the longitudinal, shear and torsional vibrations, the minima of the sound waves are at intervals which are a multiple of the dimension specifying the operating frequency of the vibrator, divided by the double atomic number of the harmonic. The dimension specifying the operating frequency in the direction of propagation of the sound wave is determined, while the first minimum of the sound waves is at a distance L from the end of the vibrator

dabei bedeuten:
S- die die Frequenz vorgebende Abmessung; n- die Ordnungszahl der Oberschwingung der Längsschwingungen. mean:
S - the dimension specifying the frequency; n - the ordinal number of the harmonic of the longitudinal vibrations.

Für Biegespannungen befindet sich das erste Minimum der Schwingungen in einem Abstand L vom Ende des Stabs, welcher angenähert nach folgender Formel bestimmt wird:For bending stresses, the first minimum of vibrations is at a distance L from the end of the rod, which is determined approximately using the following formula:

wobei n′ die Ordnungszahl der Oberschwingung der Biegeschwingungen bedeutet.where n 'is the ordinal number of the harmonic of the bending vibrations.

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.The attachment of the transducers in the minimum of sound waves is carried out with holders 9 in the form of frames ( Fig. 4). The vibrator 7 of the stand 2 is z. B. glued.

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.The vibrator 7 of the stand 2 ( FIG. 2) contains, in addition to the piezo element 8, the intermediate layer 18 made of non-piezoelectric material. This intermediate layer is made of a wear-resistant material. It is connected to the piezo element 8 to ensure the acoustic coupling between the rotor 3 and the stator 2 and allows the operating time of the electric motor to be increased several times. For example, the lifespan of such an electric motor with the carbide interlayer exceeds 2000 hours. If an operating time of 100 hours is sufficient, the vibrator 7 of the stator 2 and the rotor 3 contains only the piezo element 8 or 8 ' to reduce the number of motor parts ( FIG. 4). In those cases in which the wear of the vibrator 7 ( FIG. 2) of the stator 2 is significantly greater than the wear of the rotor 3 , as is the case, for example, for the electric motors with an active rotor and stator ( FIG. 2) the intermediate layer 18 made of wear-resistant material expediently arranged only on the stand 2 and the vibrator 7 'of the rotor 3 in the form of the piezo element 8' , which is fastened to the shaft 15 of the rotor 3 in the region of the minimum of the sound waves.

Die Form der Zwischenlage 18 muß eine maximale Zuverlässigkeit ihrer Verbindung mit dem Piezoelement 8 gewährleisten.The shape of the intermediate layer 18 must ensure maximum reliability of its connection to the piezo element 8 .

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.In addition to the type of the vibrator, in order to clearly determine the design of the electric motor, it is also necessary to define the embodiment of the vibrator. It is technologically most effective to design the transducer as a rectangular plate ( Fig. 2, 4). In order to increase the motor efficiency, the oscillator 7 of the stator 2 is designed as a rod with a decreasing cross section or, for example, as a stepped body ( FIG. 5), the rotor 3 touching the oscillator 7 at the end of this rod with a minimal cross section.

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.To reduce the dimensions of the electric motor and to expand the range of its operating frequencies by utilizing torsional, radial and shear vibrations, the vibrator 7 of the stator 2 or the vibrator 7 'of the rotor 3 ( Fig. 3) is designed as a hollow cylinder. It is expedient to use the construction of the rotor 3 in the form of the hollow cylinder also in flat-type electric motors in which the height is considerably smaller than the diameter ( FIG. 3).

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.The considered embodiments of the transducers are scooped but not all possible variations, but are only the main forms, and a deviation from them does not result to significantly improve the characteristics of the electric motor, like the specific power on the shaft of the Electric motor, speed and efficiency.

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.For the electric motors with the piezo element 8 (or 8 ' ) in the form of a hollow cylinder, the intermediate layer 18 is expediently also to be designed as a hollow cylinder or as a thin-walled cup ( FIGS. 3, 5). By gluing, soldering or by other methods, the intermediate layer 18 is reliably attached to the piezo element 8 ( 8 ' ), the acoustic coupling between them being ensured in this way.

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.The shapes of the transducers considered are the simplest. It is expedient that the piezo element 8 takes on the simplest shapes and moreover resembles the oscillator shape, ie it is desirable that the piezo element 8 (or 8 ' ) as a rectangular plate ( FIGS. 2, 4), as a rod with a decreasing cross section, for example in the form of a stepped body ( Fig. 5), as a hollow cylinder ( Fig. 3, 5) or as a disc ( Fig. 2, 4).

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.After the type of the vibrator, its shape and the shape of the piezo element have been selected, it is necessary to determine the method for exciting the selected type of vibrations. As already stated, the polarization of the material in the figures is indicated by an arrow. The direction of polarization, indicated by an arrow for the piezo element designed as a hollow cylinder, only makes sense for piezo elements which consist of seignette-electrical, ceramic materials. These materials can be polarized in any direction specified in the polarization. When designating the direction of polarization of the hollow cylinder along the circular line, ⊕ refers to the end of the arrow of the polarization direction and ⊗ to the beginning thereof (e.g. FIG. 3). The piezoelectric ceramic is cheaper than crystalline piezoelectric materials, which is why it is recommended for practical use in order to reduce the manufacturing cost of the electric motor. However, the crystalline piezoelectric materials generally have better piezoelectric properties, so that in cases where the requirements for the electrical parameters of the electric motors are more important than the production costs, it is expedient for piezo elements of the vibrators, which are in the form of plates and disks to use crystalline materials.

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.Among the piezoelectrics that are not the Seignetteelectrics belong, quartz has high mechanical strength and high mechanical goodness. That is why quartz can be used for electric motors be recommended that have a high specific performance the shaft and have a high efficiency.

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.The described shapes of the transducers and the shapes of the Piezo elements do not yet clearly determine the type of acoustic vibrations in the transducer. For complete  Determining the transducer you still need to know how that Piezo element is polarized as the electrodes are applied and how they are connected. The direction of polarization is determined by the angle between the direction of the mean polarization vector and the electrode plane. If doing so the piezo element is perpendicular to its electrodes is polarized, it means that, if an electric field is applied to these electrodes, the direction of the electric field vector in each Point with the direction of the polarization vector in this Point coincides. But is the polarization vector to Vector of the electric field in every point of the piezo element perpendicular, so the piezo element is parallel to the Electrodes polarized.

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).To excite longitudinal and bending vibrations, it is expedient that at least part of the piezo element is polarized perpendicular to its electrodes. For piezoelectric plates, disks and hollow cylinders, if they are polarized perpendicular to the electrodes, such a polarization is also called polarization according to the thickness ( FIGS. 2, 4, 5).

Zur Erregung von Scher- und Torsionsschwingungen ist es zweckmäßig, mindestens einen Teil des Piezoelementes parallel zu seinen Elektroden zu polarisieren. It is for excitation of shear and torsional vibrations Appropriately, at least a part of the piezo element in parallel to polarize to its electrodes.  

Im Unterschied zu den bekannten Elektromotoren mit frei beweglichem Läufer, sind der Ständer und der Läufer eines piezoelektrischen Motors aneinander angedrückt.In contrast to the known electric motors with free movable runner, the stand and the runner are one piezoelectric motor pressed together.

Als Andrückelement 13 wird in den einfachsten Ausführungen eine Feder benutzt, die an der Lagerung 19 des Schwingers 7 angebracht ist.In the simplest versions, a spring is used as the pressing element 13 , which is attached to the bearing 19 of the vibrator 7 .

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.As a pressing element 13 ( 13 ' ), an elastic intermediate layer or a rubber cord can be used. With a small torque on the shaft, the use of a permanent magnet, which is not shown, is also possible as the pressing element 13 ( 13 ′ ).

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. For electric motors with an active rotor and stator, the connections of the piezo elements 8 'of the rotor 3 are connected to a voltage source by means of the sliding contacts 17 ( FIGS. 2, 3, 4, 5). For this purpose, 3 slip rings 25 ( FIGS. 2, 5) are usually attached to the shaft 15 of the rotor.

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. The contacts 17 can be pressed directly onto the electrodes 10 ' , 11' ( Fig. 3, 4) of the rotor 3 . Such a solution makes it possible to significantly simplify the design of the electric motors.

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.In order to reduce the electrical voltage of the voltage source, the piezo element 8 ' designed as a disk is made from several layers 22 ( FIG. 6). The layers 22 are arranged parallel to the electrodes 10 ' , 11' and connected in parallel with one another. The parallel connection of the layers 22 is expediently brought about with the aid of conductive strips 27 . On the cylindrical surface of the piezo element 8 ' , a thin-walled cylindrical intermediate layer 18 made of ceramic, wear-resistant material is attached.

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.The rotor 3 of the electric motor with an active rotor and stand ( Fig. 5), which represents a hollow cylinder which is polarized in the radial direction, electrodes 10 ' , 11' on the cylindrical surfaces and is introduced into an intermediate layer 18 , which is in shape A thin-walled sleeve 18 made of wear-resistant material allows the power on the motor shaft to be increased considerably.

Elektromotoren mit aktivem Läufer 3 und Ständer 2 (Fig. 2, 4, 3) sind reversierbar.Electric motors with active rotor 3 and stand 2 ( Fig. 2, 4, 3) are reversible.

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.In the version of the reversing motor ( FIG. 7), the stator 2 contains two oscillators 7 of the longitudinal oscillations with excitation of the second harmonic. Here, the electrodes 10 and the electrodes 11 of the two oscillators 7 are connected to one another. To increase the value of the voltage feeding the electric motor, a rotor 3 is used in the embodiment under consideration, which contains a vibrator 7 'designed as a hollow cylinder. The rotor 3 ( FIG. 5) from the electric motor with the stepped oscillator 7 of the stator 2 is expediently used as such a rotor. For pressing the stator 2 and the rotor 3 against one another ( FIG. 7), the pressing elements 13 are provided , which are fastened to the (not shown) mounting of the stator and are supported on the surfaces of the oscillators 7 of the stator 2 .

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.In order to reduce the external dimensions of the electric motor and to increase its power on the shaft, the oscillator 7 of the stator is designed as a hollow cylinder which comprises the rotor 3 ( FIGS. 8, 9) symmetrically. The piezo element 8 of the vibrator is also designed as a hollow cylinder and has electrodes 10 , 11 on its lateral surfaces. By the polarization directions it is divided into an even number of parts (in Fig. 9 there are four parts), which are called zones 28 and 28 ' here. Each zone 28 and 28 'of the piezo element is polarized according to the thickness, the polarization directions of the adjacent zones being opposite. The considered design of the piezo element 8 ensures in it the resonance of the longitudinal vibrations over the circular length of the piezo element 8 in a harmonic whose order number is equal to the number of zones (in the embodiment shown in FIGS. 8, 9, the resonance in the fourth harmonic is ensured ). To transmit the torque to the rotor 3 from the stator 2 of the electric motor, 3 intermediate layers 18 made of wear-resistant material are attached to the inner surface of the hollow cylinder of the piezo element 2 symmetrically with respect to the axis of rotation of the rotor. The number of intermediate layers 18 is equal to half the number of zones 28 and 28 ' , that is to say two. It is expedient that the intermediate layers 18 are designed in cross section in the form of an isosceles triangle, as shown in FIG. 8. The vibrator 7 'of the rotor 3 for the described embodiment of the stator 2 are expediently designed as two axially displaceable disks on the shaft 15 of the rotor 3 . The vibrators 7 ' contain a hollow cylinder designed piezo elements 8' with electrodes 10 ' , 11' on the bases of the cylinders. The piezo elements 8 ' are perpendicular to the electrodes 10' , 11 ' polarized.

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.Both the electrodes 10 ' and the electrodes 11' are connected to each other, while the piezo elements 8 ' are polarized even in opposite directions. Such an arrangement and connection of the electrodes 10 ' , 11' and the polarization of the piezo elements 8 ' ensure the excitation of radial common mode vibrations in the oscillator 7' of the rotor 3rd

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. On the side surfaces of the vibrator 7 ' ( Fig. 8) of the rotor 3 , the ends of pressing elements 13' are attached, which press the vibrator 7 'of the rotor 3 against the intermediate layers 18 of the vibrator 7 of the stand 2 . In this way, the rotor 3 and the stator 2 are pressed against one another. Based on this, the two oscillators 7 'of the rotor 3 are expediently arranged symmetrically with respect to the oscillator 7 of the stator 2 .

Es sei auch bemerkt, daß für alle piezoelektrischen Motoren wie auch für alle anderen Elektromotoren die Plätze von Läufer und Ständer ausgetauscht werden können.It should also be noted that for all piezoelectric motors as for all other electric motors the places of Runners and stands can be replaced.

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. Just like electric motors with interaction of the magnetic fields, the piezoelectric electric motors represent a reversible system. This means that if the shaft 15 ( FIG. 10) of the rotor 3 of the piezoelectric motor is connected to an external drive ( 45 ) and at least one pair of electrodes at least one transducer connects to an electrical load 46 , at which load 46 AC voltage occurs. This effect is observed for all embodiments of the electric motor according to the invention, which is why all of them can be used in generator operation as winding-free transmitters for converting mechanical energy into electrical energy.

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 the case of an electric motor with an active rotor 3 and stand 2 ( FIG. 2), one of the maxima of the sound waves is located in the center of the plate of the vibrator 7 , since the second harmonic of the longitudinal vibrations is excited in its piezo element 8 . In this way, the intermediate layer 18 fastened to the stand 2 swings in the horizontal direction and, when it comes into contact with the rotor 3, transmits a movement impulse to it. The vibrations in the piezo element 8 'of the rotor 3 change the contact pressure between the rotor 3 and the stator 2nd If the engagement occurs at the moment when the intermediate layer 18 moves to the right, then the rotor 3 moves clockwise. It is sufficient to switch the ends of the piezo element 8 (or 8 ' ), and the engagement takes place at the moment when the intermediate layer 18 moves to the left, as a result of which the rotor 3 moves counterclockwise.

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. In the electric motors with two types of electrically excited vibrations in one vibrator, one type of the vibrations changes the pressing of the rotor 3 against the stator 2 , while the other type of vibrations transmits the movement impulse to the rotor 3 .

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 electric motors with an active rotor 3 and stator 2 , the rotor 3 generally brings about the change in the pressing of the rotor 3 and the stator 2 . For example, in the case of electric motors with an active rotor 3 and stator 2 ( FIGS. 4, 5, 8, 9), the oscillator 7 'of the rotor 3 changes the pressing of the rotor 3 and stator 2 , in which radial vibrations are excited. In the case of electric motors with the oscillator 7 ( FIG. 3) of the stator 2 with excitation of radial vibrations of the third harmonic, the oscillator 7 of the stator 2 changes the pressing of the rotor 3 and the stator 2 . The choice of the highest harmonic of the radial vibrations is explained by the necessity of the high-frequency shear vibrations having to match the relatively low-frequency radial vibrations.

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 the embodiments in which the rotor 3 touches the stator 2 at several points which are distributed symmetrically on the circumference ( FIGS. 4, 8, 9), the wear of the bearings 4 is compensated for by all on the part of the rotor 3 on the bearings 3 acting forces excluded. It is sufficient to ensure that the rotor 3 and stand 2 are pressed at three points so that the electric motor can work without a bearing.

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).In the electric motors, in which the pressure element 13 is attached to the shaft 15 and is arranged between the bearing 4 and the rotor 4 , a certain braking of the rotor 3 is generated due to the pressure element 13 ' . This eliminates the arrangement of two pressure elements 13 ' on the rotor 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. When two types of oscillation are excited in the piezoelectric reversing motor, the optimum phase relationship between the types of oscillations that bring about the transmission of the moment of motion and the change in the pressing of the rotor and the stator does not always result. Therefore, to correct the phase relationships, the pair of electrodes 11 , 21 , which provide for the excitation of a vibration type, is expediently connected via the phase shifter device 6 . Since the power consumed for changing the pressing of the rotor 3 and the stator 2 is usually considerably less than the power consumed for generating the moment of movement of the rotor 3 , the phase shifter device 6 is expediently connected to the electrodes which change the pressing of the rotor 3 and stand 2 .

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.By consuming a certain amount of energy from the external voltage source 5 ( FIG. 10) for the excitation of vibrations in the vibrator of the stator or the rotor 3 ( FIG. 10) for the attack of the rotor 3 on the stator 2 , a generator suitable for generating electricity can be obtained receive. In this case, the rotor 3 transmits pulses of mechanical energy to the piezo element 8 with the frequency of attack during its rotation and are converted into an electrical signal in the piezo element 8 at a frequency which is the same as the operating frequency of the piezoelectric motor.

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.The use of the piezoelectric motor as a generator is justified for obtaining small services. they agree well with drives with low speeds work. Simple design and high frequency are their main advantages.

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. 1. Electrostrictive motor, the parts, stator and rotor of which are frictionally pressed against one another by a resilient pressing element, characterized in that
that both the stator ( 2 ) and the rotor ( 3 ) each have at least one piezoelectric transducer with an oscillator ( 7 , 7 ' ) for generating the mechanical forces,
that is used in one of the motor parts (2, 3) mechanical force generated in the formation of a rotational movement of the rotor (3), and
that the mechanical force generated in the other motor part ( 2 , 3 ) is used to change the pressing force of the pressing element ( 13 , 13 ' ). 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer (2) ein Schwinger (7) für Längsschwingungen angeordnet ist.2. Motor according to claim 1, characterized in that an oscillator ( 7 ) for longitudinal vibrations is arranged in the stator ( 2 ). 3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer (3) ein Schwinger (7′) für Radialschwingungen angeordnet ist.3. Motor according to claim 1, characterized in that an oscillator ( 7 ' ) is arranged for radial vibrations in the rotor ( 3 ). 4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer (3) ein Schwinger (7′) für Scherschwingungen angeordnet ist.4. Motor according to claim 1, characterized in that an oscillator ( 7 ' ) for shear vibrations is arranged in the rotor ( 3 ). 5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer (3) ein Schwinger (7′) für Torsionsschwingungen angeordnet ist.5. Motor according to claim 1, characterized in that an oscillator ( 7 ' ) is arranged for torsional vibrations in the rotor ( 3 ). 6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Schwinger (7) des Ständers (2) als Hohlzylinder ausgebildet ist.6. Motor according to claim 1, characterized in that at least the oscillator ( 7 ) of the stator ( 2 ) is designed as a hollow cylinder. 7. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (7′) des Läufers (3) als Zylinder ausgebildet ist.7. Motor according to claim 1, characterized in that the oscillator ( 7 ' ) of the rotor ( 3 ) is designed as a cylinder. 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. 8. Motor according to claim 1, wherein an intermediate layer of wear-resistant material ( 18 ) at the contact point of the rotor ( 3 ) and stand ( 2 ) is arranged, characterized in that the intermediate layer ( 18 ) is designed as a thin-walled cylinder. 9. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Andrückelement (13′) am Läufer (3) angeordnet ist.9. Motor according to claim 1, characterized in that the pressing element ( 13 ' ) is arranged on the rotor ( 3 ). 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.10. Motor according to claim 1, characterized in that the voltage supply to the electrodes ( 10 ' , 11' ) of the piezo elements ( 8 ' ) of the rotor ( 3 ) via sliding contacts ( 17 ). 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.11. Motor according to claim 1, characterized in that the piezo element ( 8 ' ) of the rotor ( 3 ) is disc-shaped and perpendicular to the surface of the electrodes ( 10' , 11 ' ) is polarized. 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.12. Motor according to claim 1, characterized in that the electrodes ( 10 , 10 ' , 11 , 11' ) are applied to the outer surfaces of a hollow cylinder, the associated piezo element ( 8 , 8 ' ) is polarized perpendicular to the surface of the electrodes. 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.13. Motor according to claim 1, characterized in that two of the piezo elements ( 8 ) of the stator ( 2 ) are arranged parallel to one another, are plate-shaped by means of two of the pressing elements ( 13 ) which are attached to four holders ( 9 ) of the vibrator ( 7 ) are pressed against the rotor ( 3 ). 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. 14. Motor according to claim 13, characterized in that both the outer and the inner electrodes ( 10 , 11 ) of the two oscillators of the stator ( 2 ) are each connected to one another. 15. Motor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halter (9) in Nuten einer Haltevorrichtung (19) frei beweglich sind.15. Motor according to claim 13 or 14, characterized in that the holder ( 9 ) in grooves of a holding device ( 19 ) are freely movable. 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.16. Motor according to claim 15, characterized in that the holder ( 9 ) from the respective end of the oscillator ( 7 ) of the stator ( 2 ) have a distance which is equal to a quarter of the total length of the oscillator ( 7 ). 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.17. Motor according to one of claims 13 to 16, characterized in that the oscillators ( 7 ) of the stator ( 2 ) are polarized perpendicular to the surface of the electrodes ( 10 , 11 ), the polarization direction in each case after a quarter of the length of the oscillators ( 7 ) changes by 180 °. 18. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger des Ständers (7) und des Läufers (7′) als konzentrisch zueinander angeordnete Hohlzylinder ausgebildet sind.18. Motor according to claim 1, characterized in that the oscillators of the stator ( 7 ) and the rotor ( 7 ' ) are designed as hollow cylinders arranged concentrically to one another. 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.19. Motor according to claim 18, characterized in that the oscillator of the stator ( 7 ) is polarized perpendicular to the surface of the electrodes ( 10 , 11 ), the direction of polarization of successive sectors alternating by 180 ° and the number of sectors being an even number. 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.20. Motor according to claim 18 or 19, characterized in that on the inside of the vibrator ( 7 ) of the stator ( 2 ) after two sectors of different polarization, intermediate layers ( 18 ) made of wear-resistant material are attached, whose cross sections, the shape of an isosceles triangle to have. 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.21. Motor according to one of claims 18 to 20, characterized in that on the rotor ( 3 ) axially displaceably two opposing oscillators ( 7 ' ) are attached, which are perpendicular to the surface of the electrodes ( 10' , 11 ' in the opposite direction to each other) ) are polarized and which are pressed with the pressing elements ( 13 ' ) against the triangular intermediate layers ( 18 ).