DE2050922B2 - Elektromechanischer antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Antrieb, bestehend aus einer piezoelektrisch angetriebenen Schwingfeder, der eine elektrische Spannung von gegebenem Wert zur Erzeugung der Schwingungen der Schwingfeder zuführbar ist, und aus einem an die Schwingfeder über eine magnetische Kopplung angekoppelten, durch ihre Schwingungen in Drehungen versetzbaren Läufer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen elektromechanischen Antrieb ein zuverlässiges Selbststarten zu gewährleisten.

Das Startproblem hat zwei Gesichtspunkte. Zuerst muß das schwingende Element des Antriebes, d. h. die Schwingfeder, ihre Schwingung beginnen. Zweitens muß das schwingende Element die Drehung des Läufers starten. Falls nicht beide Wirkunger, eintreten, erhält man keinen Drehantrieb, und der Antrieb ist nicht selbststartend.

Aus den FR-PS 15 00 465, 15 2Si 163 und 20 02 268 sind elektromechanische Antriebe mit wellenförmig verlaufender Magnetspur auf dem Hemmrad als Läufer und einer daran magnetisch angekoppelten schwingenden Zunge bekannt, die durch ein magnetisches Wechselfeld in Schwingung versetzt wird und ihrerseits durch magnetische Rückkopplung das magnetische Wechselfeld steuert. Ein solcher Antrieb hat jedoch den Nachteil, daß er nicht selbststartend ist. Der Läufer kann nämlich nur dann fortlaufend in einer Richtung gedreht werden, wenn die Schwingungsamplitude der Zunge die Höhe der Wellenberge der gewellten Magnetspur des Läufers erreicht. Am Anfang sind aber die Ausschläge der Zunge klein und sie erreichen nicht die Höhe der Wellenberge.

Aus der US-PS 31 92 417 ist ein Schwingungsantrieb bekanni, bei dem die piezoelektrisch angetriebene Zunge mit dem Läufer durch ein mechanisches Gesperre gekoppelt ist, wobei der Läufer allerdings nur in einer Richtung angetrieben werden kann. Dabei ist an dem freien Ende der Schwingfeder eine Federklinke befestigt, die mit einem Sperrad zusammenwirkt, so daß man einen Gesperreantrieb erhält, bei dem das Sperrad bei jeder vollständigen Schwingungsperiode der piezoelektrischen Schwingfeder um einen Zahn weitergedreht wird. Hierbei wird nur die von der Schwingfeder während jeder halben Schwingungsperiode erzeugte Energie ausgenutzt. Außerdem übt die Federklinke auf das Sperrad während ihrer Rückkehrbewegung eine rückwärts ziehende Kraft aus und infolgedessen muß eine zweite Federklinke vorgesehen werden, die an einem feststehenden Teil der Anordnung verankert ist und eine Rückwärtsdrehung des Sperrades verhindert.

Dies führt zu zusätzlichen Verlusten, so daß der wirklich ausgenutzte Anteil der an der Schwingfeder verfügbaren Energie nur etwa ein Viertel betragen kann. Auüer seinem schlechten Wirkungsgrad erzeugt ein solcher Sperrklinkenantrieb ein beträchtliches Geräusch, und es sind drei Teile vorhanden, nämlich die beiden Klinken und das Sperrad, die der Abnutzung unterliegen. Bei einer derartigen Vorrichtung spielt jedoch das Problem des Selbststartens keine Rolle.

Die obengenannte Aufgabe wird nun dadurch gelöst, daß die mechanische Eigenfrequenz der Schwingfeder beträchtlich höher liegt als die Frequenz der angelegten elektrischen Antriebsspannung. Bei der Erfindung ist wesentlich, daß man statt der durch magnetische Rückkopplung mit einem magnetischen Wechselfeld angetriebenen Schwingfeder eine piezoelektrisch angetriebene Schwingfeder verwendet und die piezoelektrisch angetriebene Schwingfeder an eine wellenförmige Magnetspur des Läufers angekoppelt ist.

Bei einem derartigen elektromechanischen Antrieb schwingt die piezoelektrisch angetriebene Schwingfeder von Anfang an mit der vollen Amplitude und erreicht somit sofort die Höhe der Wellenberge der gewellten Magnetspur des Läufers. Damit ergibt sich ein sofortiges und absolut zuverlässiges Selbststarten, was auch eine besonders wertvolle Eigenschaft im Hinblick darauf ist, daß die neuartige Schwingfeder direkt an das elektrische Versorgungsnetz angeschlossei werden kann und deshalb in einer netzsynchronbetriebenen Uhr oder sonstigem Zeitgeber verwendet werden kann, wobei der übliche Synchronmotor durch die Kombination der piezoelektrischen Schwingfeder mit einem magnetischen Antrieb ersetzt wird.

Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Frequerizstabilität und im Hinblick darauf, daß die piezoelektrisch angetriebene Schwingfeder, die an ihren Oberflächen Elektrodenbeläge aufweist, mit dem von ihr angetriebenen Läufer einen Luftspalt bildet und dadurch von diesem isoliert ist. Besondere Maßnahmen zur Isolierung, wie sie bei der mechanischen Ankopplung der piezoelektrisch angetriebenen Schwingfeder an den Läufer durch eine Gesperreklinke gemäß der obengenannten amerikanischen Patentschrift nötig werden, können deshalb entfallen. Weiterhin kann die aus Metall bestehende Schwingfeder selbst als Teil der Stromzuführungsschaltung für den Antriebsstrom des piezoelektrischen Elements verwendet werden, ohne daß dadurch der Läufer und das daran angeschlossene Uhrwerk an elektrische Spannung gelegt werden.

Ausgewählte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt im vergrößerten Längsschnitt eine Ausführungsform einer piezoelektrischen Schwingfeder, die für den erfindungsgemäßen Antrieb geeignet ist.

F i g. 2 zeigt in schematischer Draufsicht einer elektromechanischen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 3 zeigt den Antrieb gemäß F i g. 2 in Seitenansicht in Richtung des Pfeiles IH.

Fig.4 zeigt die Seitenansicht eines Rotors gemäE einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Schwingfeder des Antriebs gestrichelt angedeutei ist.

Fig.5 zeigt in schematischem Längsschnitt der Schwingkopf am freien Ende einer piezoelektrischer Schwingfeder und den Läufer gemäß einer dritter Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 6 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsforrr

der Erfindung im Schnitt längs der Linie VI-VI von Fig. 7-

Fig. 7 zeigt dieselbe Ausführungsform im Schnitt gemäß der Linie VlI-VlI von Fig. 6.

Fig.8 zeigt gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung einen doppelten Läufer auf einer gemeinsamen Welle und ein einen Magneten tragendes schwingendes Element zwischen den beiden Teilen des Doppelläufers.

Gemäß Fig. 1 besteht eine piezoelektrische Schwingfeder aus zwei piezoelektrischen Streifen 11 und 12, die die Form dünner Platten haben. Die beiden piezoelektrischen Streifen 11, 12 sind mit den entgegengesetzten Seiten eines mittleren Metallstreifens 13 verbunden, z. B. angeklebt, und mit entgegengesetzter Polarisierung angeordnet. Die Außenflächen der piezoelektrischen Streifen 11, \2 sind mit dünnen metallischen Flekirodenschichten 14, 15 belegt. Die Schwingfeder wird in einer beliebigen geeigneten Weise mit ihrem einen Ende eingespannt, und an diesem Ende werden elektrische Anschlüsse vorgesehen, wobei die Elektroderiischichten 14 und 15 elektrisch miteinander verbunden und an den einen Pol 16 einer Wechselstromquelle angeschlossen werden, während der mittlere Metallstreifen 13 mit dem anderen Pol 17 der Wechselstromquelle verbunden wird. Es ist möglich, derartige piezoelektrische Schwingfedern mit solchen Eigenschaften herzustellen, daß sie an ein Versorgungsnetz mit üblicher Netzspannung und Netzfrequenz von beispielsweise 240 V und 50 Hz angeschlossen werden können, so daß man einen sehr einfachen Oszillator erhält.

Die in F ii g. 1 dargestellte Schwingfeder führt damit in bekannter Weise, wenn sie an eine 50-Hz-Wechselstromquelle angeschlossen wird, Biegeschwingungen aus mit einer Frequenz von 50 Hz in einer zur Ebene des mittleren Metallstreifens 13 senkrechten Richtung, d. h. in einer in der Zeichenebene von F i g. 1 liegenden Richtung.

Wenn die piezoelektrische Schwingfeder nicht an eine Spanmungsquelle angeschlossen ist, ist sie steif und hat eine Eigenschwingungsfrequenz, die weit oberhalb der normalen Betriebsfrequenz liegt, so daß keinerlei Probleme aufgrund einer Wechselwirkung zwischen der elektrischen und der mechanischen Frequenz auftreten können. Hierdurch unterscheidet sie sich von einer gewöhnlichen mechanischen Schwingfeder, die üblicherweise so angeordnet wird, daß ihre mechanische Eigenfrequenz genau 50 Hz beträgt, so daß sie eine Resonanzschwingung mit maximaler Amplitude ausführt, wenn die Wechselspannungsfrequenz die gleiche ist wie die mechanische Eigenfrequenz der Schwingfeder. Falls jedoch die Versorgungsfrequenz sich geringfügig ändert, fällt die Schwingungsamplifude beträchtlich ab. Da aber in der Praxis bei einem Wechselstromnetz Frequenzunterschiede zwischen etwa 48,5 Hz und 50,5 Hz auftreten können, insbesondere zwischen Perioden starker Belastung und Erholungsperioden, kann die Schwingungsamplitude einer Schwingfeder, deren mechanische Eigenfrequenz an die Nennfrequenz der elektrischen Erregung angepaßt ist, erheblich schwanken. Wird eine solche Schwingfeder für einen Drehantrieb unter Verwendung einer magnetischen Kupplung verwendet, dann kann die sehr große Änderung der Schwingungsamplitude, die durch eine kleine Änderung der Netzfrequenz verursacht wird, zu einer mechanischen Beschädigung der Teile führen. Diese Schwierigkeit wird vermieden, wenn die piezoelektrische Schwingfeder mit höherer Eigenfrequenz verwendet wird, da dann die Schwingungsamplitude der Schwingfeder direkt von der Versorgungsspannung abhängt und nur innerhalb der normal zugelassenen Schwankungen der Netzspannung, das sind wenige Prozent, variieren kann.

F i g. 2 und 3 zeigen die Anwendung einer piezoelektrischen Schwingfeder gemäß Fig. 1 bei einem elektromechanischen Antrieb.

Der Läufer des Antriebes wird in den Ausführungsbeispielen mit Hemmrad 18 bezeichnet, das aus einer Scheibe aus ferromagnetischcm Material mit einer Dicke von 0,4 bis 0,5 mm besteht. Das Hemmrad 18 ist so ausgestanzt, daß es eine Folge von radial vorspringenden Zähnen 19 und länglichen öffnungen 20 bildet. Jede der öffnungen 20 fluchtet in Radialrichtung gesehen mit einem der Zähne 19, und die Abmessungen sind so gewählt, daß eine auf jeder Stirnfläche umlaufende gewellte Magnetspur 21 gebildet wird, die durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Die mit 22 bezeichnete piezoelektrische Schwingfeder ist an einem Ende eingespannt und so angeordnet, daß ihre Längsachse tangential zu dem Mittelkreis der gewellten Magnetspur verläuft. Ein kleiner Magnet 23 in Form eines Hufeisenpermanentmagneten ist an dem freien Ende der piezoelektrischen Schwingfeder 22 befestigt und besitzt zwei Polstücke 24, 25, deren Flächen den beiden Stirnflächen des Hemmrades 18 mit geringem Abstand parallel gegenüberstehen. Der Magnet 23 ist so geformt, daß der Umfang des Hemmrades 18 in dem Luftspalt zwischen den Magnetpolen 24 und 25 angeordnet ist, so daß der Mittelkreis der gewellten Magnetspur 21 in der Mitte des genannten Luftspaltes liegt.

Bei Biegeschwingungen der Schwingfeder liegt die Schwingungsrichtung des freien Endes der Schwingfeder 22 im wesentlichen radial bezüglich der Achse des Hemmrades 18, d. h. in derselben Richtung wie die umlaufende gewellte Magnetspur 21. Wenn die Schwingfeder 22 elektrisch angeregt wird, führt sie Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 26 aus, und da die gewellte Magnetspur zwischen den Magnetpolen 24 und 25 liegt, wird das Hemmrad 18 zu einer Drehung mit einer konstanten Drehzahl angetrieben, die von der Schwingungsfrequenz der Schwingfeder und der Anzahl von Wellen der gewellten Magnetspur 21 des Hemmrades 18 abhängt. Das Hemmrad sitzt vorzugsweise auf einer Welle 27 mit Flanschen 28 zu beiden Seiten des Hemmrades 18.

Es wurde eine Untersuchung an piezoelektrischen Schwingfedern durchgeführt, um das einwandfreie Selbststarten zu erklären. Es wird angenommen, daß der Grund in dem Unterschied der Starteigenschaften zwischen der piezoelektrischen Schwingfeder und der elektrisch in Schwingung gehaltenen mechanischen Schwingfeder liegt. Wird eine elektromechanische Schwingfeder, beispielsweise mit Hilfe eines Verstärkers, unter sehr schwachem Stromanstieg angeschaltet, entsteht eine entsprechend kleine Bewegung der Schwingfeder. Diese Bewegung bewirkt, daß in einer Signalspule ein kleines Signal erzeugt wird, welches verstärkt und der Schwingfeder wieder zugeführt wird, so daß diese während der nächsten Periode eine Bewegung mit geringfügig größerer Amplitude durchführt, so daß sich die Schwingungsamplitude der Schwingfeder allmählich aufbaut. Somit ist während der Anfangsperiode die Schwingungsamplitude der Schwingfeder zu klein und die Magnetnole können nicht

die Spitze der ersten Welle der gewellten Magnetspur überwinden, was zur Folge hat, daß das Hemmrad statt einer Umlaufbewegung eine Drehschwingung ausführt. Dagegen folgt die piezoelektrische Schwingfeder getreu der Wellenform der angelegten Spannung, und da die angelegte Spannung eine konstante Amplitude hat, wird auch die piezoelektrische Zunge während ihrer ersten Schwingungsperiode mit voller Amplitude schwingen und den Start des Hemmrades 18 bewirken.

Wenn das Hemmrad 18 einmal angelaufen ist, rotiert es in derselben Richtung weiter. Um zu gewährleisten, daß das Hemmrad seine Drehung immer in derselben Richtung beginnt, ist ein kleiner keilförmiger Vorsprung an dem Hemmrad 18 oder an einer an der Welle 27 befestigten besonderen Scheibe vorgesehen. Dieser keilförmige Vorsprung wirkt mit einer Feder zusammen, die nach Art einer Federklinke angeordnet ist derart, daß bei Drehung des Hemmrades 18 in der falschen Richtung der keilförmige Vorsprung die Feder ergreift und das Rad in der Gegenrichtung zurückgeworfen wird. Wenn das Hemmrad 18 in der richtigen Richtung umläuft, lenkt eine geneigte Fläche des keilförmigen Vorsprunges die Feder bei jeder Umdrehung nur geringfügig ab, so daß diese die fortgesetzte Drehung des Rades in der gewünschten Richtung gestattet.

Bei dem erfindungsgemäßen Antrieb werden beide Hälften jeder Schwingungsperiode der Schwingfeder ausgenutzt. Außerdem ist der Antrieb seiner Natur nach geräuschfrei, da kein mechanischer Kontakt zwischen der Schwingfeder und dem Hemmrad vorhanden ist.

Einige weitere Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezug auf die F i g. 4 bis 8 beschrieben, wobei dieselben Bezugszeichen zur Bezeichnung derselben oder entsprechender Bestandteile verwendet werden.

Fig.4 zeigt ein Hemmrad 18 mit einer am Umfang ausgebildeten gewellten Magnetspur 21, die auf einer zur Hemmradachse koaxialen Zylinderfläche liegt, wobei das Hemmrad von einer Welle 27 getragen wird. Die gewellte Magnetspur 21 kann auf der Oberfläche des Hemmrades erhaben sein; sie ist aber in F i g. 4 nicht im Relief dargestellt, um nicht die Deutlichkeit der Darstellung zu beeinträchtigen. Stattdessen kann die gewellte Magnetspur 21 auch durch zwei scheibenförmige permanentmagnetische Teile von entgegengesetzter Polarität gebildet werden, die auf die Welle 27 aufgesetzt sind. Jedes magnetische Teil weist einen ausgezackten Rand auf und definiert so den Spurverlauf der gewellten Magnetspur 21. Die Magnetspur selbst wird durch den Luftspalt zwischen den Rändern der beiden magnetischen Teile gebildet, die so magnetisiert sind, daß der eine Rand des Luftspaltes ständig ein Südpol Sund der andere Rand ständig ein Nordpol /Vist.

Die Schwingfeder 22 bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 ist in gestrichelten Linien angedeutet und schwingt in der durch den Doppclpfeil 26 angedeuteten Richtung. Ein strichpunktiert angedeuteter Magnet 23 ist an dem Ende der Schwingfeder 22 befestigt. Der Magnet 23 kann auch aus einem ringförmigen Körper bestehen, der die gewellte Magnetspur 21 koaxial umgibt und mit einer Anzahl von Magnetpolen versehen ist, die mit der Magnetspur zusammenwirken und in Umfangsrichtung in solchen Abständen angeordnet sind, die einer Wellenlänge oder einem Mehrfachen f\s

der Wellenlänge der Magnetspur 21 entsprechen.

F i g. 5 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der da Hemmrad 18 ein Zylinder ist, der auf einer Welle Z montiert ist. Ein Schwingkopf in Form eines Ringes 3( ist am freien Ende der piezoelektrischen Schwingfedei 22 befestigt, die in Richtung des Doppelpfeiles » schwingt. An der Innenseite des Ringes 30 ist ein« gewellte Magnetspur 21 ausgebildet, von der nur dit Enden sichtbar sind. Der Zylinder trägt als Magnete 2-vier radial vorspringende Permanentmagnete, vor denen drei sichtbar sind. Durch Verwendung mehrerei Magnete 23 kann ein höheres Drehmoment am Rotoi erzielt werden, insbesondere da die piezoelektrische Schwingfeder 22, die vom Netz angetrieben ist, eine beträchtliche Schwingungsenergie entwickeln kann.

Die F i g. 6 und 7 zeigen eine andere Ausführungsfonr des elektromechanischen Antriebes, bei der eir Schwingkopf mit einer gewellten Magnetspur von einet piezoelektrischen Schwingfeder getragen wird, wobei em Teil des Hemmrades 18 in Fig.7 gestrichelt dargestellt ist. Das Hemmrad 18 besteht aus nichl magnetischem Material und trägt Stifte 31 aus magnetischem Material, vorzugsweise aus einem Material mit hoher Permeabilität und niedriger Remanenz, die um den Umfang verteilt in geringem Abstand von der Kante angeordnet sind. Das Hemmrad 18 wirkt mit einem Schwingkopf zusammen, der von einem Stift 22' getragen wird, der an der (nicht dargestellten) piezoelektrischen Schwingfeder befestigt ist. Der Schwingkopf schwingt in der durch den Doppelpfeil 26 angedeuteten Richtung.

Der Schwingkopf besteht aus einem Magneten 23 als Hufeisenpermanentmagnet mit nach innen gerichteten Polllacnen, von denen jede mit einer vorstehenden gewellten Magnetspur versehen ist. Die in Fig. 7 dargestellte Magnetspur besteht aus drei geradlinigen fcngen Abschnitten 21A 21B, 21C, die in gleichen Winkeln zu der Schwingungsrichtung gemäß Doppelplert 26 angeordnet und deren Enden miteinander verbunden sind. Mit den äußeren langen Abschnitten sind kurze geradlinige Endabschnitte 21D und 21 £ verbunden, so daß insgesamt in Zickzackform eine gewellte Magnetspur mit geradlinigen Wellenflanken gebildet wird Kurze seitliche Abschnitte 21F sind an den Verbindungsstellen der langen Abschnitte 21/4,2\B und 21C vorgesehen. Die Stifte 31 des Rotors haben gemessen über die Sehne gegenseitige Abstände, die gleich einer Wellenlänge oder einem Mehrfachen der Wellenlänge der Magnetspur nach F i g. 7 sind.
H 1 g. 8 zeigt einen Teil eines Antriebes mit einem Τ^ΡΛη ^ ^mmrad- ^das aus zwei Hemmrad-Teilen 18Λ und 185 besteht, die auf einer gemeinsamen Welle 27 sitzen Die beiden Hemmrad-Teile 18/1 und 180 können ähnlich ausgebildet sein wie das in F i g. 2 und 3 gezeigte Hemmrad, d. h., daß in beiden Hemmrad-Teilen eine Magnetspur vorgesehen ist, die von radial fluchtehden gähnen und Offnungen gebildet wird. Ein Magnet 23 als Permanentmagnet 23 wird von dem freien Ende einer piezoelektrischen Schwingfeder getragen und schwingt in der durch den Doppelpfeil 26 angegebenen Richtung, so daß ein Magnetpol 24 des Magneten 23 mit der gewellten Magnetspur an dem Hemmrad-Teil 18/t und der andere Magnetpol 25 des Magneten 23 mit dem anderen Hcmmrad-Teil 18ß zusammenwirkt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektromechanischer Antrieb, bestehend aus einer piezoelektrisch angetriebenen Schwingfeder, der eine elektrische Spannung von gegebenem Wert zur Erzeugung der Schwingungen der Schwingfeder zuführbar ist, und aus einem an die Schwingfeder über eine magnetische Kopplung angekoppelten, durch ihre Schwingungen in Drehungen versetzbaren Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß ι ο die mechanische Eigenfrequenz der Schwingfeder (22) beträchtlich höher liegt als die Frequenz der angelegten elektrischen Antriebsspannung.