Ultraschall-Motor basierend auf dem piezoelektrischen Schereffekt
Final Report Abstract
Das Projekt behandelt auf dem piezoelektrischen d15-Effekt basierende Ultraschall-Wanderwellenmotoren (USM). Ultraschallmotoren nutzen die hochfrequenten Schwingungen eines Stators, die einen Rotor durch Reibkontakt in eine gleichförmige Bewegung versetzen. In den letzten Jahrzehnten haben USM verstärkt Beachtung bei Forschern und Anwendern gefunden. Sie zeichnen sich durch interessante Eigenschaften wie kleine Baugröße, hohe Stellgenauigkeit und lautlosen Betrieb aus. Gewöhnlich wird in piezoelektrischen USM der d31- oder d33-Effekt genutzt. Obwohl die elektromechanische Kopplung des d15-Schub-Effekts für einige Piezomaterialien sehr hoch ist, was sich günstig auf die Energieübertragung auswirkt, wird dieser Effekt hauptsächlich in Sensoren verwendet, jedoch kaum für Ultraschall-Aktoren. In diesem Projekt wird die Anwendbarkeit des piezoelektrischen Schubeffektes in Ultraschallmotoren untersucht. Es werden Strukturmodelle für die Beschreibung der verschiedenen möglichen Aktorbauformen hergeleitet. Diese umfassen Balken- und Plattenmodelle nach Timoshenko und Mindlin, die um den Freiheitsgrad des elektrischen Potentials erweitert sind. Mit den Modellen werden die freien und erzwungenen Biegeschwingungen aufgrund der induzierten Querscherung untersucht. Desweiteren wird eine Näherungslösung für die Schwingungen piezoelektrischer Scheiben angegeben. Die hergeleiteten Modelle werden im Hinblick auf elektromechanische Kopplungsfaktoren untersucht. Die hier behandelten Strukturen weisen qualitative Unterschiede zu den bisher in der Literatur behandelten Längs- und Dickenschwingungen von Piezoaktoren auf. Es wird eine optimierte Scheibengeometrie hergeleitet, die zu einer verbesserten Energiewandlung führt. Die physikalischen Wechselwirkungen im Kontaktgebiet von Stator und Rotor werden untersucht. Aus der mikroskopischen Spannungs- und Verzerrungsverteilung im Stator-Rotor-Kontakt wird ein makroskopisches phänomenologisches Reibmodell hergeleitet. Dazu wird ein numerisches Verfahren angegeben. Einige interessante Grenzfälle, die bestimmten Arbeitspunkten eines Ultraschallmotors entsprechen, werden mit analytischen Methoden behandelt. Die Teilmodelle werden in einem Simulationsmodell eines neuen, auf dem piezoelektrischen d15-Schubeffekt basierenden Motorkonzeptes zusammengeführt. Aus der Simulation werden diverse Motorcharakteristiken hergeleitet. Ein Laborprototyp wird vorgestellt, und die Realisierbarkeit des neuen Motorkonzeptes wird anhand der experimentellen Untersuchungen gezeigt. Aufgrund der Untersuchungen des Ultraschallmotors basierend auf dem piezoelektrischen Schubeffekt ist es möglich, dieses neuartiges Motorkonzept für eine spezifische Anwendung zu nutzen. Abhängig vom Anwendungsbereich der Piezomotoren kann die Gestaltung entsprechend optimiert werden. Durch die verbesserte Ausnutzung der piezoelektrischen Kopplung gegenüber anderweitig vorgestellten Motoren, kann eine effizientere Energieübertragung erzielt werden. In weiterführenden Arbeiten ist eine Untersuchung der Tribologie und Verschleiß der Kontaktpartner denkbar.
Publications
- An Actuator Concept for a New Type of Piezoelectric Motor. In: Advanced Intelligent Mechatronics, IEEE 2007
Schönecker, Martin; Hagedorn, Peter
- On the Piezoelectric Shear Effect in Ultrasonic Motors. In: Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, Wiley 2007
Schönecker, Martin; Conrado, Ana
- Shear excitation in piezoelectric ultrasonic motors. In: World Forum on Smart Materials and Smart Structures Technology, Taylor & Francis Group, 2008
Schönecker, Martin
- New Developments in Ultrasonic Piezoelectric Traveling Wave Motors. In: Third International Conference on Advances and Trends in Engineering Materials and their Applications, 2009
Hagedorn, Peter; Schönecker, Martin
- Traveling Wave Ultrasonic Motors Based on the Piezoelectric Shear Effect. Dissertation 2009
Schönecker, Martin
- Piezoelectric Travelling Wave Ultrasonic Motors based on the Shear Effect with Radially Polarised Annular Stator. Dissertation 2011
Conrado, Ana
