DE4244704C2 - Wanderwellenmotor mit zylinderförmigem Schwingkörper - Google Patents
Wanderwellenmotor mit zylinderförmigem SchwingkörperInfo
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- H02N2/163—Motors with ring stator
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wanderwellenmotor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger
Motor ist aus der DE 41 33 307 A1 bekannt.
Motoren solcher Art besitzen u. a. den
Vorteil, ohne Getriebe hohe Drehmomente bei anwenderfreundlichen niedrigen
Drehzahlen zu erzeugen. Ein solcher Wanderwellenmotor ist z. B. auch aus der DE 39 27 040 A1
bekannt. Er besteht aus einem Rotor und einem Schwingstator, die unter
Druck in Kontakt stehen, wobei die Kontaktfläche mit einem geeigneten Reibbelag
versehen ist.
Über die Dehnkörper werden in dem elastischen Material des Stators Wanderwellen
angeregt. Die Oberflächenelemente des Stators im Bereich der Kontaktfläche mit
dem Rotor bewegen sich dabei auf elliptischen Bahnen. Zwischen den kraftschlüssig
gekoppelten Stator- und Rotoroberflächen entstehen daher an der Kontaktzone
zwischen den beiden Oberflächen tangentiale Kräfte, die zur Ausbildung einer
Rotorbewegung führen.
In einer Platte mit endlicher Dicke lassen sich Wanderwellen mit ellipsenförmiger
Bahn der Oberflächenpunkte durch phasenrichtig überlagerte Schwingungen
gleicher Frequenz erzeugen. Auch in einem Hohlzylinder können auf diese Weise
Wanderwellen angeregt werden. Ein die Zylindermanteloberfläche berührender
Rotor wird durch die Wanderwelle um den Zylinder herum bewegt.
In der DE 39 27 040 A1 wird ein Wanderwellenmotor beschrieben, der ein
stabförmiges oder zylindrisches elastisches Glied sowie ein oder mehrere in oder
auf dem elastischen Glied angebrachte piezoelektrische, Elektrostriktions- oder
Magnetostriktionselemente aufweist und bei dem ein zylindrischer Rotor gegen das
elastische Glied angedrückt gehalten wird. Eine auf der Oberfläche des elastischen
Glieds erzeugte, von einer Längswelle und einer Querwelle gebildete fortschreitende
Welle wird dabei in eine gerichtete Drehbewegung des Rotors umgesetzt. Wie die
Fig. 3 und 4 der DE 39 27 040 A1 zeigen, sind bei diesem bekanntem Motor die
Piezokeramiken kreisringförmig ausgeführt und rotationssymmetrisch zur Zylin
derachse angeordnet. Solche Anordnungen besitzen wesentliche Nachteile. Die
Dehnkörper Piezokeramiken erweisen sich insbesondere bei größeren
Ausführungen als sehr empfindlich gegenüber von durch Verwerfungen verursach
ten Brüchen. Außerdem werden die Eigenschaften des Motors stark durch die in
ihrer Kopplungsgüte temperaturabhängige Verklebung zwischen Piezokeramik und
Stator beeinflußt.
Aus der gattungsbildenden DE 41 33 307 A1 ist bereits eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung
bekannt, die ein Substrat und eine Anzahl von auf dem Substrat angebrachten
elektromagnetischen Kreisen enthält, die in der Lage sind, in den Substrat ein sich
bewegendes magnetisches Feld zu erzeugen. Auf dem Substrat ist als
Bewegungspfad eine flexible federnde Platte angeordnet, die vollständig oder
teilweise aus einem magnetischen Material hergestellt ist. Wenn auf das
magnetische Material mittels der elektromagnetischen Kreise eine magnetische Kraft
ausgeübt wird, wird in der flexiblen Platte eine wandernde Welle erzeugt. Bei einem
Ausführungsbeispiel dieser bekannten Erfindung hat das Substrat eine zylindrische
Form und ist an der inneren zylindrischen Wand mit einer Anzahl von Spulen
versehen. Innerhalb der Spulen ist eine flexibel federnde Platte angeordnet, die eine
Ringform aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
die Angabe eines Wanderwellenmotors, bei dem die erwähnten
Nachteile vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst.
Die Erfindung geht von der Idee aus, Stehwellen vom Biegeschwingungstyp im
elastischen Zylindermantel durch die radialsymmetrisch angeordneten Dehnkörper
durch eine Stauchung bzw. Dehnung des Zylinderquerschnitts anzuregen. Ihre
Überlagerung führt bei einer räumlichen Phasenverschiebung von λ/4 (λ =
Wellenlänge der Schwingung) und einer zeitlichen Phasenverschiebung von 90° zur
Ausbildung von auf dem Zylinderumfang umlaufenden Wanderwellen. Die
Dehnkörper können sowohl im Innern des Hohlzylinders als auch außen angeordnet
sein. Bei dem erfindungsgemäßen Motor kann die Länge des Zylinders sowohl
größer als auch kleiner oder gleich dem Zylinderdurchmesser sein. Ein Drehmoment
kann dann mit einem Innen- oder Außenläufer, der in einem kraftschlüssigen
Kontakt mit dem Stator steht, abgenommen werden. Weitere vorteilhafte
Ausführungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Wanderwellenmotor anhand von
Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Stators des erfindungsgemäßen
Wanderwellenmotors;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung längs der Zylinderachse des Stators;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des
Stators des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Schwingungsanregung durch einen
Dehnkörper in einem Hohlzylinder aus einem elastischen Material;
Fig. 5 eine vorteilhafte symmetrische Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Wanderwellenmotors;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wanderwellenmotors.
In Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors
gezeigt, bei der 1 den Schwingstator, 2 den Zylindermantel des Schwingstators, 3
einen ersten Dehnkörper und 4 einen zweiten Dehnkörper bezeichnet. Die Dehnkör
per 3 und 4 bestehen vorzugsweise aus piezoelektrischen Linearelementen oder
elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen. Für den Fachmann ist es
selbstverständlich, daß Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung und
zur Ansteuerung der Dehnelemente vorzusehen sind, die jedoch der Einfachheit
halber in der Fig. 1 nicht dargestellt sind. Die beiden Dehnkörper sind um einen
Winkel von 45° gegeneinander verdreht. Sie sind durch Klemmkräfte an die
Innenseite des Zylindermantels 2 gehalten. Ein bewegbarer Körper oder Rotor ist
ebenfalls in Fig. 1 nicht dargestellt; er kann, wie an sich bekannt, als Außen- oder
Innenläufer auf der Außenoberfläche des Zylindermantels bzw. auf einem freien
Bereich der Innenseite der Zylindermanteloberfläche in Kontakt mit dem
Zylindermantel angeordnet werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Stators des
erfindungsgemäßen Rotors. Zur Übertragung der Dehnungsbewegung des
Dehnkörpers 3 auf die gesamte Länge des Zylindermantels 2 sind elastische
Übertragungsmittel 3a und 3b vorgesehen, die auch zur Vergrößerung der
Schwingamplitude dienen.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Stator, bei dem die Dehnungselemente 3, 3′, 4, 4′
außerhalb des Hohlzylinders angeordnet und über Federn 31, 32, 41, 42 an den
Zylindermantel angekoppelt sind.
Fig. 4 zeigt global Dehnungs- bzw. Stauchungsphasen eines Hohlzylinders 7.
Dabei bezeichnet 5 ein erstes Teilelement eines Dehnkörpers, 5′ ein zweites
Element. Die beiden Elemente sind radial im Zylinder 7 angeordnet und durch ein
Mittelstück 6 getrennt. Das Mittelstück 6 enthält vorteilhaft Mittel zur Erzeugung von
mechanischer Vorspannung, wie z. b. Federn, sowie elektrische Verbindungen für
die Ansteuerung der Dehnelemente. Außerdem kann mit Hilfe eines elastischen
mechanischen Koppelgliedes eine Impedanzanpassung vorgenommen werden. Die
Mittel zur Erzeugung mechanischer Vorspannung und zur Impedanzanpassung
können allerdings auch außen zwischen Dehnkörper und Zylindermantel angeordnet
werden. Fig. 4a zeigt den Zylinder zu einem Zeitpunkt T1, bei dem die Dehn
elemente 5, 5′ eine Dehnung verursachen. Fig. 4b, 4d zeigen kreissymmetrische
Konfigurationen des Zylinders zu Zeitpunkten T2 und T4. Fig. 4c zeigt den Zylinder
in gestauchter Konfiguration zu dem Zeitpunkt T3.
Die Anregung von Wanderwellen in dem Zylinder geschieht folgendermaßen. Durch
Erzeugung von Dehnungs- und Stauchungszuständen zu aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten T1 bis T4, wie in Fig. 4 gezeigt, wird im Zylinder 7 eine Stehwelle vom
Biegetyp angeregt: Im gedehnten Zustand der Dehnungselemente 5, 5′ zum Zeit
punkt T1 werden im Kontaktbereich mit dem Dehnkörper im elastischen
Zylindermantel auch lokale Stauchungen erzeugt. Umgekehrt wird zum Zeitpunkt T3
in diesen Bereichen der Zylindermantel gedehnt. Durch eine periodische Anregung
dieser Art entsteht im Zylindermantel eine Stehwelle mit = 1/2 Zylinderumfang.
Überlagert man dieser Stehwelle eine zweite Stehwelle gleicher Frequenz mit λ/4
räumlicher und 90° zeitlicher Phasenverschiebung, so bildet sich eine Wanderwelle
aus. Im einfachsten Fall ist dies durch eine Konstruktion wie in Fig. 1 zu verwirkli
chen, bei der ein zweiter Dehnkörper, der gegenüber dem ersten um 45° (λ/4)
räumlich versetzt ist, eine Schwingungsanregung wie in Fig. 2 mit einer zeitlichen
Phasenverschiebung von 90° ausführt.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors. Hier
sind unterschiedlich polarisierte piezoelektrische Elemente 8, 9, 10, 11, 8′, 9′, 10′, 11′
sternförmig im Innern eines Hohlzylindermantels 12 aus elastischem Material
angeordnet. Die Elemente sind jeweils mit einer räumlichen Verschiebung von 45°
bzw. λ/4 gegeneinander axialsymmetrisch verdreht angeordnet. Mit A bzw. B
bezeichnete Elemente werden mit jeweils gleicher Phase angesteuert, wobei die An
steuerung von B gegenüber A um 90° in der Phase verschoben ist. In Fig. 3 sind
die für den Fachmann selbstverständlichen Mittel zur Erzeugung einer
mechanischen Vorspannung sowie die Ansteuerungsmittel einfachheitshalber nicht
dargestellt. Die Erzeugung von Wanderwellen im Zylindermantel 12 geschieht fol
gendermaßen: Bei Ansteuerung der Elemente 9, 9′ mit einem Signal bestimmter
Polarität A erfolgt z. B. eine Dehnung: Die entgegengesetzt zu den Elementen 9, 9′
polarisierten Elemente 11, 11′ werden mit einem Signal gleicher Polarität A
angesteuert; sie führen dann eine Kontraktion senkrecht zur durch die Elemente 9,
9′ erzeugten Dehnungsbewegung aus. Dies entspricht der Konfiguration in Fig. 4a.
Entsprechend wird bei einer Stauchung durch die Kontraktion der
Dehnungselemente 9, 9′ eine Dehnung entlang der senkrecht hierzu verlaufende
Linie durch die Elemente 11, 11′ bewirkt (vgl. Fig. 4c). Durch die Verwendung der
zusätzlichen Dehnungselemente 11, 11′ läßt sich die Dehnungs-Stauchungs-
Deformation des Zylinders gegenüber einer einfachen Konfiguration wie in Fig. 4a
genauer kontrollieren, wenn die Dehnungselemente 11, 11′ separat gegenüber den
Elementen 9, 9′ steuerbar sind. Die mit B gekennzeichneten Dehnungselemente 8,
8′ und 10, 10′ werden mit einer zeitlichen Phasenverschiebung von 90° gegenüber
den mit A gekennzeichneten Dehnungselementen angesteuert.
In Fig. 6 ist eine dreiphasige symmetrische Ausführungsform des Stators eines
erfindungsgemäßen Motors gezeigt. Hierbei bezeichnet 13 den Zylindermantel, 14,
14′, 15, 15′,16, 16′ bezeichnen Dehnkörper, die gegeneinander mit einem
Drehwinkel von jeweils 60° angeordnet sind. Für eine dreiphasige Anregung von
Wanderwellen werden die Dehnkörper 14, 14′ mit einer Phasenverschiebung von
120° gegenüber den Dehnkörpern von 15, 15′ und einer Verschiebung von 240°
gegenüber den Dehnkörpern 16, 16′ angesteuert.
Claims (12)
1. Wanderwellenmotor, bestehend aus einem hohlzylinderförmigen Stator aus
einem elastischen Material, mindestens zwei steuerbaren Dehnkörpern zur
Anregung von Wanderwellen und einem Rotor, der unter Druck in Kontakt mit
dem Stator steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnkörper
radialsymmetrisch und senkrecht zur Zylinderachse gegeneinander verdreht
angeordnet sind und durch Klemmkräfte an den gegenüberliegenden Seiten
des Stators gehalten werden, wobei die Anregung der Wanderwellen dadurch
erfolgt, daß durch die Dehnkörper Wellen vom Biegeschwingungstyp im
elastischen Zylindermantel durch eine Stauchung bzw. Dehnung des
Zylinderquerschnitts angeregt werden, und diese Wellen mit einer räumlichen
Phasenverschiebung von λ/4 und einer zeitlichen Phasenverschiebung von
90° überlagert werden.
2. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Dehnkörper piezokeramische, magnetostriktive oder elektrostriktive Aktoren
vorgesehen sind.
3. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Dehnkörper piezokeramische Linearelemente vorgesehen sind.
4. Wanderwellenmotor nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor als Außenläufer ausgebildet ist.
5. Wanderwellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor als Innenläufer ausgebildet ist.
6. Wanderwellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß genau zwei Dehnkörper vorgesehen sind, die um einen Winkel von λ/4 (λ=
Wellenlänge der Wanderwelle) verdreht sind.
7. Wanderwellenmotor gemäß den Ansprüchen 1, 3 bis 5 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder Dehnkörper aus zwei Teilelementen gebildet und
durch eine Mittelelektrode angesteuert wird.
8. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dehnkörper jeweils aus zwei Dehnungselementen
gebildet sind, die sternförmig und senkrecht zur Zylinderachse unter einem
Drehwinkel von λ/4 zum jeweils nächsten Dehnungselement angeordnet
sind.
9. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8, dadurch
gekennzeichnet, daß einem ersten Paar gegenüberliegender
Dehnungselemente ein zweites Paar senkrecht zu dem ersten Paar stehender
Dehnungselemente zugeordnet ist und daß der Dehnung bzw. Kontraktion
des ersten Elementenpaares eine entgegengesetzte Bewegung des zweiten
Paares entspricht.
10. Wanderwellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 8, dadurch
gekennzeichnet, daß als Dehnungselemente piezokeramische Li
nearelemente vorgesehen sind und daß jeweils die neben einem in
vorgegebener Richtung polarisiertem Element angeordneten Elemente
einander entgegengesetzt polarisiert sind und daß Nächste-Nachbarelemente
mit einem Signal mit einer zeitlichen Phasendifferenz von 90° und
Übernächste-Nachbarelemente mit gleicher Phase angesteuert werden.
11. Wanderwellenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine
individuelle Ansteuerung der einzelnen Dehnungselemente zur Erzeugung
von Wanderwellen vorgesehen ist.
12. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß Dehnkörper vorgesehen sind, die sternförmig und
gegeneinander mit einem Drehwinkel von jeweils 60° angeordnet sind, wobei
eine dreiphasige Anregung von Wanderwellen erfolgt.
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