Costa Conrado, Ana (2011)
Piezoelectric Travelling Wave Ultrasonic Motors based on the Shear Effect with Radially Polarised Annular Stator.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der mathematisch-analytischen Modellierung eines auf dem Schubeffekt basierenden piezoelektrischen Ultraschall-Wanderwellenmotors (USM). Ultraschallmotoren finden Anwendungen, wenn höchste Präzision gefragt ist, so z. B. in der Robotik, in der Automobilindustrie, bei medizinischen Geräten und in Autofokus-Kameras. Sie zeichnen sich aus durch kompakte Größe, hohes Drehmoment, bei niedriger Geschwindigkeit und rückschlagfreies Arbeiten. Da die piezoelektrische elektromechanische Kopplung und die piezoelektrische Konstante beim Schubeffekt größer sind als bei anderen Effekten, werden hier auch ein relativ höheres Drehmoment und ein besserer Wirkungsgrad erzielt.

In dieser Arbeit verdienen die Kinematik und die Geometrie der Motorteile sowie Eigenschaften, die den Wirkungsgrad und das Drehmoment beeinflussen, besondere Aufmerksamkeit. In dem Motor ist der Stator ringförmig, besteht aus Piezokeramik und ist radial polarisiert. Der Stator wird deswegen als ringförmige REISSNER-MINDLIN-Platte mit piezoelektrischen Termen modelliert. Es wird das RAYLEIGH-RITZ-Verfahren benutzt, um Eigenfrequenzen und Eigenformen der Statorplatte zu ermitteln. Die im Labor gemessenenen Eigenfrequenzen von der freien Schwingungen der Platte bestätigen die numerisch berechneten Werte. Zur Erzeugung von Wanderwellen bedarf es der Anregung von zwei entarteten Schwingungsformen. Das geschieht über eine spezifische Elektrodenkonfiguration und setzt in diesem Fall das Design eines Spannungsspieglers voraus.

Für den Betriebsmodus des Motors wird eine solche Schwingungsform gewählt, dass der Energieverlust durch Reibung in radialer Richtung minimiert ist. Die Kraftübertragung vom Stator auf den Rotor erfolgt über eine kreisförmige Reihe von Zähnen. Der Einfluss von den Zähnen auf den Stator wird nicht abgeschätzt, sondern ihre kinetische Energie wird formuliert und in den Bewegungsgleichungcn berücksichtigt. Außerdem werden Bedingungen für die Symmetrie des Stators bezüglich der Position und der Anzahl der Zähne festgelegt. Im Kontaktmodell wird Punktkontakt mit dem starren Rotor angenommen.

Das vorliegende mathematisch-analytische Modell, das sich durch eine geringe Anzahl von Freiheitsgraden auszeichnet, ist in der Lage, relevante Eigenschaften des hier betrachten USM zu ermitteln. Zeitverläufe können numerisch gerechnet werden und Betriebseigenschaften wie Leistung und Wirkungsgrad (im stationären Zustand) können gerechnet werden. Das ermöglicht eine systematische Optimierung des Motors in Bezug auf seine Geometrie, seine Größe, die Anzahl und Position der Zähne sowie seine elektrische Anregung. Der Einfluss der Zähne und der elektrischen Anregung wird anhand von Drehmoment-Drehgeschwindigkeit-Kennlinie und Drehmoment-Wirkungsgrad-Kennlinie dargestellt.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen