Akustische-Oberflächenwellen-Motor mit nichtpiezoelektrischem Statorwerkstoff

Produktbeschreibung

Motoren, die akustische Oberflächenwellen (AOW) nutzen, sind einfach im Aufbau, erlauben eine große Positioniergenauigkeit und eine hohe Leistungsdichte. Diese Arbeit präsentiert erstmals einen AOW-Motor mit Stahl als Statorwerkstoff. Dabei erzeugen quaderförmige, auf den Stahl geklebte, normal polarisierte piezoelektrische Einheiten aus Blei-Zirkonat-Titanat die AOW. Weiterhin untersucht diese Arbeit erstmalig den rotationssymmetrischen Aufbau von AOW-Motoren und sich ergebende Abweichungen im AOW-Verhalten. Für dessen Umsetzung wird der Dickschichtdruc piezoelektrischer Werkstoffe vorgestellt und getestet. Für die Dimensionierung und den Vergleich der Prototypen stehen numerische Modelle der Statoren und des Motors insgesamt zur Verfügung, wobei ein bestehendes Motormodell um neue benötigte Komponenten erweitert wird.

Inhaltsverzeichnis
Zeichen, Benennungen und Einheiten VII
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 3
2.1 Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Wellenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Methoden zur Anregung von akustischen Oberflächenwellen 11
2.1.3 Parasitäre Dämpfung akustischer Oberflächenwellen . . . . 14
2.1.4 Anwendung von akustischen Oberflächenwellen . . . . . . 16
2.2 Erzeugen linearer Relativbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Elektromagnetische Linearantriebe . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Piezoelektrische Linearmotoren . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3 Vergleich am Markt erhältlicher Linearantriebe . . . . . . 26
2.2.4 Akustische-Oberflächenwellen-Motor . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Piezoelektrische Werkstoffe für aktorische Hochfrequenzanwendungen 34
2.3.1 Herstellung piezoelektrischer Werkstoffe . . . . . . . . . . 34
2.3.2 Allgemeine Beschreibung innerer Verluste . . . . . . . . . 36
2.3.3 Relevante piezoelektrische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . 37
2.3.4 Frequenzabhängigkeit der Verluste ausgewählter Werkstoffe 39
2.3.5 Verluste von Resonatoren im Resonanz- und Antiresonanzfall 39
2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Präzisierung der Aufgabenstellung 42
4 Theoretische Untersuchungen 46
4.1 Konzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.1 Funktionsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.2 Wirkprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.3 Prinziplösungen rotationssymmetrischer Motoren . . . . . 52
4.1.4 Prinziplösungen ebener Motoren . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2 Grobentwurf rotationssymmetrischer Motoren . . . . . . . . . . . 59
4.3 Numerisches Motormodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4 Entwurf ebener Läufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5 Entwurf ebener Statoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5.1 Numerische Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5.2 Stator mit geklebter AOWEE . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.5.3 Stator mit gedruckter AOWEE . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5 Experimentelle Untersuchungen 100
5.1 Statoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.1.1 Aufbau des Versuchsstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.1.2 Messunsicherheitsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.1.3 Auswertung der Versuche mit geklebter AOWEE . . . . . 107
5.1.4 Auswertung der Versuche mit gedruckter AOWEE . . . . 111
5.1.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.2 Motor mit geklebter AOWEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2.1 Aufbau des Versuchsstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2.2 Messunsicherheitsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2.3 Auswertung der Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.4 Diskussion der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6 Richtlinien zur Auslegung von AOW-Motoren mit Stahlstator 130
7 Gesamtzusammenfassung und Ausblick 135
Anhang
A Lamb-Wellen in Zylindern 139
A.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.2 Longitudinal- und Transversalgleichungen . . . . . . . . . . . . . 141
A.3 Verschiebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
A.4 Kreiswellenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B Werkstoffparameter zur Berechnung piezoelektrischer Verluste 150
C Tabellen zur Nutzwertanalyse der Varianten der AOWEE 151
D Reibungskoeffizient und Anpresskraft Läufer 154
D.1 Reibungskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
D.2 Anpresskraft Läufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
E Ebenheit und Rauheit geläppter Substrate 159
F Elektrisches Verhalten unpolarisierter Statoren 163
G Messwerte Motorparameter 165
Literatur 167

Keywords: Ultraschallmotor, Akustische-Oberflächenwellen-Motor, Rotationssymmetrie, Rayleigh Wellen, piezoelektrisch, PZT, ultrasonic motor, SAW actuator, rotationally symmetric, Rayleigh waves, piezoelectric, PZT