DE69109164T2

DE69109164T2 - Piezoelektrischer Motor.

Info

Publication number: DE69109164T2
Application number: DE69109164T
Authority: DE
Inventors: Gordon Walter Van Culp
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1990-03-23
Filing date: 1991-03-14
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2011-03-15
Also published as: KR910017719A; BR9101039A; CN1055264A; CA2038465A1; EP0449048A1; JPH04229082A; CN1026744C; US5144187A; ES2074185T3; DE69109164D1; DK0449048T3; EP0449048B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Herkömmliche elektromagnetische Motore erfordern im allgemeinen Maßnahmen zum Abführen von Wärme. Wärme wird in Elektromotoren und Generatoren durch elektrischen Widerstand und durch die Gleitreibung von Schleifringen, Bürsten und Kommutatoren erzeugt, die Energie zwischen feststehenden und rotierenden Strukturen übertragen. Die Leitung selbst mäßiger Ströme durch Gleitkontakte verschweißt oder zerstört wiederholt die Kontakte, was zu einer kontinuierlichen Umordnung leitenden Materials führt. Infolgedessen werden die Kontaktoberflächen mit fortgesetztern Gebrauch rauher. Bürsten, die eine relativ kleine Kontaktoberfläche aufweisen, nutzen im allgemeinen schneller als Ringe ab. Diese Eigenschaften von Widerstandsheizung, Kontaktverschweißung und kurzer Lebensdauer von Motorteilen machen herkömmliche Elektromotoren für manche Anwendungen und Umgebungen unzufriedenstellend.
Die Beschränkung von Elektromotoren bei Umgebungen wie im Weltraum hat zur Untersuchung alternativer Typen von Übertragern, Stellgliedern und Motoren geführt. Piezoelektrische Vorrichtungen weisen z. B. Gewichts- und Wirkungsgradvorteile auf, was wichtige Überlegungen für Anwendungen im Weltraum sind. Piezoelektrische Stellglieder weisen jedoch beschränkte Verstellgeschwindigkeit auf und bekannte piezoelektrische Motoren sind nicht zu Betrieb mit hoher Drehzahl in der Lage. Demgemäß besteht Bedarf nach einem piezoelektrischen Motor für hohe Drehzahl und hohen Wirkungsgrad, um Arbeit bei strengen Umgebungen und an entfernten Stellen auszuüben.
GB-A-2 193 046 beschreibt ein Drehstellglied, bei dem ein exzentrischer Teil einer Welle ein radial versetztes kreisförmiges Kugellager mit einer Innenlaufbahn und einer Außenlaufbahn aufweist. Der Anspruch 1-von GB-A-2 193 046 zitiert "eine exzentrische Drehwelle", weiche Lehre und welcher Anspruch sich grundsätzlich von einer Welle mit geschwungenen Lappen unterscheidet. Während des Betriebs des vorbekannten Stellglieds führt die Außenlaufbahn eine Kreiselbewegung aus, dreht sich jedoch nicht. Es ist daher ersichtlich, daß die Exzentrizität keine Welligkeit der Welle ist und sich deutlich von den Welligkeiten der Welle bei der Erfindung unterscheidet.
Ferner gewinnt das vorbekannte Drehstellglied Bewegungskraft aus bimorphen piezoelektrischen Biegeelementen, die als Quadraturpaare angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, wobei ein Paar sinusförmig und das andere Paar sinusförmig mit einer Phasenvezögerung von 90º betrieben wird. Die von GB-A-2 193 046 unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 8, 11 - 14 gelehrte Aktivie - einrichtung sorgt nur für sinusförmige Erregung, wobei sich die Erregung deutlich von der bei der Erfindung unterscheidet, bei der sowohl keulenförmige als auch zeitlich gesteuerte (nicht sinusförmige) Erregung zusammenwirken, um konstantes Wellendrehmoment zu erzeugen. Anspruch 1 dieses Dokuments spezifiziert auch elektromechanische Wandlerteile, die um die Welle mit gleichen Winkelabständen herum angeordnet sind, da für keine unabhängige Aktivierung jedes Teils gesorgt ist, wohingegen die Erfindung beliebige winkelmäßige Anordnung radial wirkender Stellglieder um die Wellenachse herum erlaubt, was durch unabhängig zeitlich gesteuerte elektrische Aktivierung jedes Stellglieds ermöglicht ist, in Koordination mit jedem an ihm vorbeilaufenden Lappen.
SU-A-949 743 beschreibt einen reversiblen Schwingungsmotor mit einem piezoelektrischen, im Verlängerungsmodus betriebenen Ring, der als Bewegungseinrichtung wirkt, die auf ein angelegtes Wechselstromsignal anspricht, das sinusförmig sein soll und das eine sinusförmige mechanische Ausgangsbewegung des umschließenden Rings zur Folge hat. Der piezoelektriche Ring wird als Einheit aktiviert, um sinusförmige Kräfte in Übereinstimmung mit mehreren Rollelementen (Kugeln 5) auszuüben, wobei die Kräfte entlang eines Bands des Rings wirken, wie durch den Kontakt zwischen den Kugeln und dem keilförmigen Teil des Rotors hervorgerufen. Eine Komponente der Kraft entlang dem Band zwingt die Welle zur Drehung. Jede Kugel weist ein diametral durchgehendes Loch auf, in das ein erstes Ende einer über das Zentrum hinausgehenden Feder eingreift, wobei das zweite Ende über Schlitze in einem beweglichen Ring am Rand des Rotors befestigt ist. Der Drehort des Rings bestimmt den Winkel der Federkraft, welcher Winkel den Kontakt jeder Kugel mit entweder einer in Uhrzeigerrichtung wirkenden oder in Gegenuhrzeigerrichtung wirkenden Fläche des keilförmigen Teils erzwingt, was ein Umdrehen der Drehrichtung von Hand erlaubt. Während des Betriebs werden die Kugeln zum Schaft hin beschleunigt und verzögert und schlagen wiederholt im wesentlichen auf dieselben Flächenbereiche des keilförmigen Teils. Qbwohl sie als Rollelemente bezeichnet werden, ist das Rollen der Kugeln während des Betriebs eher ein Nebenergebnis des Aufbaus als eine erforderliche Funktion. Ferner umfassen Lehren dieses Dokuments, frei von Merkmalen der Erfindung, unabhängige elektrische Aktivierung von Stellgliedern, Einrichtungen zum Ausüben einer Tangentialkraft auf die Welle, aktive Einrichtungen zum Aufrechterhalten einer Ausrichtung rollender Elemente oder die Erzeugung eines vorgegebenen Kraft-Zeit-Verhaltens auf die Welle während der Kraft erzeugenden Abschnitte jedes Zyklus. Dieses Dokument kann als solches mit einem dreiteiligen Stellglied ausgelegt werden (elastischer Abstandhalter, piezoelektrischer Ring und abriebbeständige Schale), wohingegen die Erfindung über radial wirkende Stellglieder verfügt, die an Welligkeiten an einer Welle angreifen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung weist einen Drehmotor gemäß der Lehre von Anspruch 1 auf, bei dem mehrere radial wirkende piezoelektrische Stellglieder eine Welle mit Oberflächenwelligkeiten in Drehung versetzen. Elektrische Signale werden an die Stellglieder ausgegeben, um intermittierenden Kontakt zwischen den Stellgliedern und den schrägen Seiten der Welligkeiten der Welle herbeizuführen. Die Schräge jeder Welligkeit überträgt die intermittierend angelegte Radialkraft in eine Tangentialkraft, die die Welle verdreht. Die Schräge der Welligkeiten der Welle erzeugt einen mechanischen Vorteil dahingehend, daß die langsame Radialgeschwindigkeit der Stellglieder in eine größere Drehgeschwindigkeit der Welle übersetzt wird.
Die Position der Stellglieder wird durch die angelegten elektrischen Signale bestimmt. Wenn die elektrische Quelle konstantes Potential aufweist, bewirkt die Verbindung der Quelle mit einem Stellglied eine sinusexponentiale Bewegung. In diesem Fall werden die Welligkeiten der Welle sinusexponentiell gemacht, um an die Stellgliedbewegung angepaßt zu sein. Jedoch können die Welligkeiten der Welle mit jeder gewünschten oder leicht herstellbaren Form ausgebildet werden und die Aktivierungssignale können elektrisch modifiziert werden, um eine Stellgliedbewegung zu erzeugen, die an die Welligkeiten angepaßt ist. Elektrische Ladungen können dadurch auf Stellglieder aufgeteilt werden, daß Schalter und andere Schaltungsanordnungen verwendet werden. Der Wirkungsgrad kann ferner dadurch erhöht werden, daß akustische Erregung verwendet wird und Walzen für Kontakt zwischen den Stellgliedern und der Welle verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung und weiterer Vorteile derselben nimmt die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele auf die beigefügten Zeichnungen Bezug, in denen sich dieselben Bezugszahlen in den mehreren Figuren auf dieselben oder ähnliche Elemente beziehen und in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors ist, der mit durchsichtigem Gehäuse dargestellt ist, mit einem Blockdiagramm einer elektrischen Steuerschaltung;
Fig. 2A ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer elektrischen Steuerschaltung zum Ansteuern eines Stellglieds des in Fig. 1 dargestellten Motors ist;
Fig. 2B eine Kurve für die normierte elektrische Ladung Q als Funktion für die Zeit für die Schaltung von Fig. 2A ist;
Fig. 3 ein Querschnitt durch ein Stellglied mit einem Walzenelement zum Kontakt mit der Welle des Motors in Fig. 1 ist;
-Fig. 4 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer elektrischen Steuerschaltung in einer akustischen Erregungsschaltung ist;
Fig. 5 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer elektrischen Steuerschaltung mit zusätzlichen Schaltern zum Übertragen elektrischer Ladungen zwischen Stellgliedern ist und
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehmotors ist in Fig. 1 veranschaulicht. Der Motor weist ein Motorgehäuse 12 (nur zu Zwecken der Veranschaulichung als durchsichtig dargestellt), eine rotierende Motorwelle 10 mit Oberflächenwelligkeiten 28 und mehrere radial wirkende piezoelektrische Stellglieder 14 auf, die innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sind und die die Welligkeiten 28 auf der Welle 10 umgeben. Jedes Stellglied 14 weist einen piezoelektrischen Körper 20, einen den Körper 20 am Gehäuse 12 befestigenden Träger 21 und eine am Körper 20 entgegengesetzt zum Träger 21 befestigte Krone 22 auf. Eine elektrische Steuerung 16, die so dargestellt ist, daß sie mehrere elektrische Schalter wie einen Schalter 34 beinhaltet, ist mit einer elektrischen Quelle 18 verbunden, die so dargestellt ist, daß sie mehrere elektrische Zellen wie eine Zelle 36 beinhaltet. Jeder Körper 20 jedes Stellglieds 14 kann ein Piezoelektrisches Segment oder mehrere enthalten, von denen jedes über eine elektrische Zuleitung wie die Zuleitung 24 mit der Steuerung 16 verbunden ist.
-Während des Betriebs des Motors wird elektrische Ladung von der Quelle 18 durch die Steuerung 16 auf die Stellglieder 14 verteilt, was bewirkt, daß die Stellglieder 14 einen Radialzyklus ausführen, wie durch den Radialkraftpfeil 30 angedeutet. Die auf die Schräge der Welligkeiten 28 wirkende Radialkraft 30 erzeugt eine Tangentialkraft, wie durch einen Pfeil 32 angedeutet. Die gemittelte Summe der Tangentialkräfte 32, die durch die Radialkräfte 30 der mehreren Stellglieder 14 erzeugt wird, verdreht die Welle 10 um ihre Achse in Uhrzeigerrichtung oder Gegenuhrzeigerrichtung, wie es durch Pfeile 26 angedeutet ist. Zu geeigneten Zeitpunkten während des Zyklus verringert jedes Stellglied 14 die Kraft 30 und/oder hebt die Krone 22 von den Welligkeiten 28 ab, um nicht die Wellenumdrehung zu behindern. Die Welligkeiten 28 können in Motoren mit Wellen, die sich gleich gut in beiden Richtungen drehen, symmetrisch sein, jedoch können sie bei unidirektionalen Motoren asymmetrisch sein. Die Welligkeiten 28 entsprechen den Nocken auf einer rotierenden Welle, die Kraft auf Stellstäbe ausüben, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist, jedoch üben bei der Erfindung die Stellglieder 14 Kräfte auf die Welligkeiten 28 aus,um für eine Drehung der Welle 10 zu sorgen.
Die höchsten Drehzahlen der Welle 10 können dannerzielt werden, wenn die Stellglieder 14 direkt mit Quellen konstanten elektrischen Potantials verbunden werden. Zumbeispiel fließt ein elektrischer Strom von der Quelle 36 zum Stellgliedkörper 20 unmittelbar dann, wenn der Schalter 34 geschlossen ist. In diesem Kreis arbeitet der piezoelektrische Stellgliedkörper 20 elektrisch als Kondensator. Der Strom in der Schaltung als Funktion der Zeit ist ein Produkt aus einer sinusförmigen und einer exponentiellen Verzögerung. Der Sinusfaktor rührt von der Kapazität und der Induktivität der Schaltung her, während der Exponentialfaktor vom Widerstand herrüht. Der kleinste praxisgerechte Wert für den Widerstand und die Induktivität sorgt für die schnellste piezoelektrische Erregung, was zu wohlbekannten gedämpften Schwingungen der Spannung und des Stroms führt. Der schnellste Motor rührt vom Verbinden aller piezoelektrischen Stellglieder 14 mit dem höchsten von der Quelle 18 verfügbaren Potential her.
Fig. 2A veranschaulicht ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines elektrischen Erregungssystems für den erfindungsgemäßen Motor. In Fig. 2A repräsentiert C die Kapazität eines piezoelektrischen Stellgliedkörpers 20 oder eines Segments eines solchen, L repräsentiert die Summe der Induktivitäten der Komponenten und der Verdrahtung, R repräsentiert die Summe der Widerstände der Komponenten und der Verdrahtung, E&sub0; repräsentiert das von der Zelle 36 bereitgestellte konstante elektrische Potential und S&sub1; und S&sub2; repräsentieren elektrische Schalter.
Fig. 2B ist eine Kurve der elektrischen Ladung Q im Stellglied C als Funktion der Zeit für die Schaltung von Fig. 2A. Zu einem Zeitpunkt t&sub0; wird der Schalter S&sub1; geschlossen und die elektrische Ladung Q im Stellglied C steigt sinusexponentialförmig an, wie es auf dem Gebiet der Theorie elektrischer Schaltkreise wohlbekannt ist und wie es durch die durchgezogene Linie in Fig. 2B veranschaulicht ist. Die Kurve der Ladung Q entspricht der tatsächlichen Position der Stellgliedkrone 22 innerhalb der Grenzen der piezoelektrischen Reaktion. Wie dargestellt, wächst die Ladung Q sinusexponentialförmig an, bis der gewünschte Maximalhub der Krone 22 zu einem Zeitpunkt t&sub1; erreicht ist. Die gleichmäßig abfallende Sinuslinie kennzeichnet die zeitliche Änderung der Ladung Q, wenn keine weitere Änderung in der Schaltung erfolgt. Jedoch wird der Schalter S&sub1; zum Zeitpunkt t&sub1; geöffnet und der Schalter S&sub2; wird geschlossen, was eine unmittelbare sinusexponentialförmige Abnahme der Ladung Q und eine entsprechende sinusexponentialförmige Bewegung der Krone 22 bis zur Zeit t&sub2; hervorruft, zu welchem Zeitpunkt der Betätigungszyklus wiederholt werden kann. Beispielsweise erreicht ein piezoelektrisches Bleizirkonattitanat-Material mit 16,4 cm³ (einem Kubikzoll) die Position t&sub1; in ungefähr 5 Mikrosekunden.
Die gemeinsame Aktivierung der Stellglieder 14 ist geeignet, wenn die Anzahl von Welligkeiten 28 der Anzahl von Stellgliedern 14 entspricht. In diesem Fall erfährt das Gehäuse 12 während des Drehmomentabschnitts jedes Zyklus einen im wesentlichen gleichmäßigen Innendruck, wodurch die Biegemomente des Gehäuses 12 um die Träger 21 der Stellglieder 14 minimiert werden. Sequentielle Aktivierung der Stellglieder 14 ist geeignet, wenn mehr Welligkeiten 28 der Welle als Stellglieder 14 vorhanden sind. Sequentieller Betrieb hat den Vorteil gleichmäßiger Drehmomentausübung auf die Welle 10, insbesondere dann, wenn die zeitliche Steuerung für überlappende Stellgliedhübe sorgt. Sequentielle Aktivierung erfordert den kleinsten Strom von der elektrischen Quelle 18 und sorgt für gleichmäßigen, ruhigen Betrieb des Motors.
Optimale Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Motors erfordert eine Übereinstimmungsherstellung zwischen der Form der Welligkeit der Welle und der Stellgliedbewegung. Zum Beispiel können die Welligkeiten 28 der Welle mit einer leicht herstellbaren Form ausgebildet sein und die Stellgliedbewegung kann dadurch an diese Form angepaßt werden, daß die erforderliche Ladungsübertragungszeitfunktion durch die Steuerung 16 schrittweise angenähert wird. Dies kann unter Verwendung verschiedener Kombinationen piezoelektrischer Segmente, Segmenten der elektrischen Quelle, Schaltzeiten und elektrischer Schaltungsanordnungen bewirkt werden, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist. Wenn eine geschaltete Konstantpotantialquelle 18 verwendet wird, sind die Welligkeiten 28 der Welle 10 sinusexponentialförmig gestaltet, was eine Ausübung einer nahezu konstanten Kraft 30 auf die Welle 10 während des Drehmomentabschnitts jedes Stellgliedzyklus erlaubt. Der Rest jedes Zyklus umfaßt ein kraftloses Zurücksetzen oder vollständiges Wegnehmen der Krone 22 aus dem Kontakt mit den Welligkeiten 28 der Welle 10. Die Bewegung der Krone 22 wird durch die elektrische Steuerung 16 gesteuert, die jede Kombination von Schaltern und anderen elektrischen Schaltungselementen aufweisen kann, wie oben beschrieben. Verschiedene Teile der Schrägen der Welligkeiten 28 können dazu verwendet werden, einen Bereich von Wellendrehzahlen und -drehmomenten durch elektrisches Einstellen der zeitlichen Steuerung des Stellglieds und der Kippgeschwindigkeiten zu erzielen. Ein Umkehren der Funktion der piezoelektrischen Stellglieder kann dazu verwendet werden, Rücckopplungsinformation für die Winkelposition der Welle und für die Stellglied-Kontaktkraft dadurch zu erhalten, daß selbst erzeugte piezoelektrische Signale entnommen werden. Die Rückkopplung zur elektrischen Steuerung 16 kann auch durch herkömmliche Winkelkodierer für die Welle erfolgen, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen die Stellglieder 14 gemeinsam wirken, ist es möglich, daß alle Stellgliedkronen 22 in die Ruhevertiefungen oder Täler der Welligkeiten 28 fallen, um dadurch ein Starten des Motors zu verhindern. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Start dadurch gewährleistet werden, daß Segmente des piezoelektrischen Körpers 20 bereitgestellt werden, die tangential auf die Welligkeiten 28 einwirken. Beim Start können die tangential einwirkenden Segmente so aktiviert werden, daß sie die Drehung der Welle auslösen. Wenn die Drehzahl einen Drehzahlbereich erreicht, wie er durch die hauptsächlich radial wirkenden piezoelektrischen Segmente des Stellglieds 14 steuerbar ist, können die Tangentialsegmente deaktiviert werden oder dazu verwendet werden, kontinuierliche Einstellungen an den Relativpositionen der Welligkeiten und der Stellgliedkronen vorzunehmen, die Tangentialkraft zu erfassen und das Drehmoment zu messen, oder die Stellgliedkronenpositionen hinsichtlich Wärmeexpansion- oder Abnutzungsänderungen einzustellen.
Da die Hübe der piezoelektrischen Stellglieder 14 von Natur aus kurz sind, müssen die Welligkeiten 28 der Welle klein sein. Im Ergebnis muß die Reibung zwischen den Stellgliedkronen 22 und den Welligkeiten 28 der Welle auf den kleinsten praxisgerechten Wert verringert werden, damit der erfindungsgemäße Motor wirkungsvoll arbeitet.
Fig. 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Stellglieds 14, das so beschaffen ist, daß es die Kontaktreibung zwischen dem Stellglied und der Welle verringert. Fig. 3 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines Stellglieds, wobei dargestellt ist, daß die Krone 22 am piezoelektrischen Körper 20 befestigt ist. Die Krone 22 ist so ausgebildet, daß sie ein rollendes Element 38 hält. Beim in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das rollende Element eine zylindrische Walze 38, die in der Krone 22 sitzt und von dieser begrenzt wird, sich jedoch frei um ihre Achse drehen kann. Schmierflüssigkeit wird über ein Rohr 40 und eine Öffnung 42 oder mehrere zugeführt, um an der Grenzfläche 44 zwischen der Walze 38 und der Krone 22 einen dünnen Film auszubilden. Dieses Ausführungsbeispiel verringert den Reibungskoeffizient auf einen niedrigen Wert, was einen großen Bereich von Stellgliedgrößen und piezoelektrischen Hüben ermöglicht. Bei strengen Umgebungen kann eine andere Schmiermaßnahme vorgesehen sein, wie Fluiddichtungen und Rückgewinnungssysteme, fluidfreie Walzelemente und akustische Erregungssysteme.
Fig. 4 veranschaulicht ein Beispiel für ein akustisches Erregungssystem, das zum Motor, zur Quelle 18 und zur Steuerung 16 von Fig. 1 hinzugefügt ist. In Fig. 4 ist dargestellt, daß eine akustische Erregungseinrichtung 46 zwischen die elektrische Quelle 18 und die elektrische Steuerung 16 geschaltet ist. Für jeden elektrischen Weg, der die Quelle 18 mit einem piezoelektrischen Körper 20 oder einem Segment desselben verbindet, weist die Erregungseinrichtung 46 einen Transformator mit einer Primärwicklung 52 und einer Sekundärwicklung 48 auf. Die Wechselstromquelle 50 ist mit allen Primärwicklungen 52 verbunden. Der der Primärwicklung 52 zugeführte Wechselstrom induziert in den Sekundärwicklungen 48 Wechselstromsignale. Die Wechselstromsignale werden durch die piezoelektrischen Körper 20 umgewandelt, wodurch kleine Amplitudenschwingungen der Krone 22 hervorgerufen werden, die zu den großen Amplitudenhüben des Stellglieds addiert werden. Die addierten Schwingungen verringern die Zeit auf wirkungsvolle Weise, innerhalb der die Krone 22 (oder die Walze 38) in Kontakt mit den Welligkeiten 28 der Welle steht, wodurch die Kontaktreibung verringert wird. Andere Ausführungsbeispiele der Erregungseinrichtung können z. B. eine kapazitive Kopplung für den Wechselstrom aufweisen. Ausführungsbeispiele eines Motors mit piezoelektrischen Stellgliedern, die nicht gemeinsam wirken, ziehen aus Kopplungen getrennter Erregungen Nutzen, die eine Deaktivierung der Wechselstromerregung während Abschnitten der Stellgliedzyklen erlauben, in denen kein Drehmoment ausgeübt wird, um Energie einzusparen.
Fig. 5 veranschaulicht das Hinzufügen von Schaltern 54 zur Steuerung 16, um den Systemwirkungsgrad durch selektives Übertragen elektrischer Ladungen von einem vollständig geladenen Stellglied, das seinen Krafthub beendet hat, wie dem piezoelektrischen Körper 20a, auf ein nicht geladenes Stellglied, das gleich seinen Krafthub beginnen wird, wie den -piezoelektrischen Körper 20b, zu erhöhen. So kann der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Motors durch eine Einstellung der Stellgliedzykluszeit in Verbindung mit einer Umschaltanordnung optimiert werden, um einen hohen Wirkungsgrad an gemeinsamer Stellglied-Ladungsnutzung zu erzielen.
Fig. 6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Walzen 44, die zwischen den Stellgliedkronen 22 und den Welligkeiten 28 der Welle angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Kronen 22 eine gekrümmte innere Kontaktfläche auf, wobei die Form der Kurve in Verbindung mit den Welligkeiten 28 für optimale Kraftübertragung von den Stellgliedkronen 22 über die zylindrischen Walzen auf die Welligkeiten 28 der Welle konzipiert ist. Die Anzahl der Walzen 44 muß der Anzahl von Stellgliedkronen 22 entsprechen oder kleiner sein als diese, da jedes Stellglied zu einem Zeitpunkt nur die Position einer Walze 44 steuern kann. Die enge geometrische Beziehung zwischen dem Walzendurchmesser und dem effektiven Durchmesser der Kronen 22 erfordert eine kontinuierliche Einstellung der Kronen 22 durch Anlegen einer sich langsam ändernden elektrischen Ladung, was den üblichen Betriebssignalen überlagert ist, an alle Stellglieder. Diese sich langsam ändernde Ladung kann auch Faktoren wie Abnutzung und thermische Differenzexpansion kompensieren.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel können Rückkopplungssignale, die für die Positionen der Walzen 44 und der Welligkeiten 28 relativ zu den Kronen 22 repräsentativ sind, dazu verwendet werden, die zeitliche Steuerung und die Auswahl der elektrischen Schalter vorzunehmen, wie oben beschrieben. Die Walzen 44 können z. B. durch herkömmliche Walzlagerhalterungen parallel zur Achse der Welle gehalten werden. Alternativ können unabhängig ansteuerbare piezoelektrische Segmente 56 und 58, die im Scher- oder Dickemodus betrieben werden können, zu geeigneten Zeitpunkten so aktiviert werden, daß ein Moment um die Normale zur Walzenachse ausgeübt wird, oder daß inkrementale Einstellungen des Walzenabstands vorgenommen werden, falls erforderlich. Eine aktive Walzenpositionierung beseitigt Reibungsverluste, wie sie in Verbindung mit mechanischen Walzenhalterungen auftreten.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors ist die Fähigkeit, Batterien und Festkörperschalter anstelle komplizierterer Schaltungen wie Wandlern, Filtern und Verstärkern zu verwenden. Ausführungsbeispiele des Motors, die keine akustische Erregung verwenden, haben den Vorteil ruhigen Laufs. Hoher Wirkungsgrad wird durch die minimale Vernichtung abgespeicherter Energie im Motor erzielt. Der Motor erfordert keine Verwendung ferromagnetischer Materialien und arbeitet daher in starken Magnetfeldern. Wegen der wohlbekannten umkehrbaren Wirkung piezoelektrischer Materialien und bei geeigneter Modifizierung der elektrischen Steuerschaltungen kann die Erfindung auch als Generator zum Umsetzen mechanischer Energie in elektrische Energie verwendet werden, wie im Stand der Technik wohlbekannt ist.

Claims

1. Piezoelektrischer Motor mit:

- einem Motorgehäuse (12);

- einer Motorwelle (10) mit einer Achse und einer Fläche mit mehreren schrägen Welligkeiten (28), wobei sich die Welle (10) im Gehäuse (12) erstreckt und um ihre Achse drehbar ist;

- mindestens zwei piezoelektrischen Stellgliedern (14), die stabil innerhalb des Gehäuses (12) befestigt sind;

- einer Aktivierungseinrichtung, die mit den Stellgliedern (14) verbunden ist, um die Stellglieder (14) dazu zu veranlassen, sich radial zu bewegen, wobei sie eine Radialkraft zur Achse der Welle (10) hin ausüben, wobei das Stellglied (14) die schräge Welligkeit (28) der Oberfläche der Welle (10) direkt kontaktiert und wobei die schräge Welligkeit (28) die Radialkraft in eine Tangentialkraft umsetzt, um die Welle (10) zu verdrehen;

- wobei die Stellglieder (14) so positioniert sind, daß sich dauernd mindestens ein Stellglied (14) in kraftausübendem Kontakt mit einer schrägen Welligkeit (28) der Oberfläche der Welle (10) befindet.

2. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, der folgendes aufweist:

- einen Körper aus piezoelektrischem Material (20);

- einen Stellgliedträger (21) zum Verbinden des piezoelektrischen Körpers (20) mit dem Gehäuse (12) und

- eine am piezoelektrischen Körper (20) entgegengesetzt zum Träger (21) befestigte Krone (22) zum Kontaktieren der schrägen Welligkeit (28) an der Oberfläche der Welle (10).

3. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 2, bei dem der piezoelektrische Körper (20) mehrere gekoppelte piezoelektrische Segmente aufweist und die Aktivierungseinrichtung mit jedem der Segmente verbunden ist.

4. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 2, ferner mit einem rollendem Element (44), das zwischen der Krone (22) und der Wellenfläche (28) angeordnet ist.

5. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 4, bei dem das rollende Element (44) eine Walze (38) aufweist, die innerhalb der Krone (22) sitzt und sich ausgehend von dieser so erstreckt, daß sie für rollenden Kontakt zur genannten Wellenfläche (28) sorgt.

6. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 2, bei dem die Welligkeiten sinusexponentialförmige Schrägen (28) aufweisen und die Aktivierungseinrichtung eine Quelle für konstantes elektrisches Potential aufweist, das den Stellgliedern (14) zuführbar ist.

7. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 2, bei dem die Welligkeiten (28) eine vorgegebene Schräge aufweisen und die Aktivierungseinrichtung eine elektrische Schaltung zum Anpassen der induzierten Stellgliedkraft an die vorgegebene Schräge aufweist.

8. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 2, bei dem die Aktivierungseinrichtung eine Einrichtung zum Umschalten elektrischer Ladungen zwischen den Stellgliedern (14) aufweist.

9. Piezoelektrischer Drehmotor nach Anspruch 3, bei dem die Aktivierungseinrichtung eine Quelle elektrischen Potentials und eine Einrichtung zum Umschalten des elektrischen Potentials auf die piezoelektrischen Stellglieder (14) aufweist.

10. Piezoelektrischer Drehmotor nach Anspruch 1, ferner mit:

- einem tangential wirkenden piezoelektrischen Segment, das mit jedem der Stellgliedkörper (20) verbunden ist; und

- wobei die Aktivierungseinrichtung eine Einrichtung aufweist, die die tangential wirkenden Segmente dazu veranlaßt, beim Motorstart auf die Wellenfläche eine Tangentialkraft zum Starten der Wellenumdrehung auszuüben.

11. Piezoelektrischer Drehmotor nach Anspruch 3, ferner mit einem piezoelektrischen Segment, das mit jedem der Stellgliedkörper (20) verbunden ist, um Rückkopplungssignale an die Aktivierungseinrichtung auszugeben.