Piezoelektrische Trägheitsmotoren
In piezoelektrischen Trägheitsmotoren wird die Problematik des geringen Hubs piezoelektrischer Festkörperaktoren durch die Akkumulation einer Vielzahl kleiner Schritte gelöst, so dass ein prinzipiell unbegrenzter Hub erreicht wird. Das Bild zeigt ein recht einfaches Funktionsprinzip: bei langsamer Bewegung haftet die zu bewegende Masse an einem Stab, der durch einen Piezoaktor verschoben wird, während sie beim schnellen Rückhub durchrutscht und so pro Zyklus einen um kleinen Weg verschoben bleibt.
Trägheitsmotoren existieren sowohl als Translations- als auch als Rotationsantriebe in einer Vielzahl verschiedener Bauformen. In der Fachliteratur werden diese auch als „stick-slip drive“ bzw. „impact drive“ bezeichnet.
Die ersten Trägheitsmotoren wurden als Hochpräzisions-Positioniereinrichtungen für den Einsatz in der Mikroskopie, z. B. in Rastertunnelmikroskopen, entwickelt. Trägheitsmotoren für diese Anwendungen sind meist Einzelstücke und bedingt durch den Einsatzzweck weder besonders klein noch optimiert in Hinsicht auf Tragfähigkeit oder Geschwindigkeit. Erst in den letzten Jahren wurden auch Trägheitsmotoren für andere Anwendungen vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Geschwindigkeit, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Einfachheit und guter Miniaturisierbarkeit. Zum Einsatz kommen solche Motoren beispielsweise in Zoomlinsen von Mobiltelefon- und PDA-Kameras oder beim Verwackelungsschutz in Digitalkameras.
Bei der Entwicklung eines piezoelektrischen Trägheitsmotors sind verschiedene Fragen zu beantworten: Wie groß sollen die bewegten Massen sein? Welche Anpresskraft ist sinnvoll? Wie werden die Reibflächen gestaltet? Mit welchem elektrischen Signal wird der Motor bei welcher Frequenz angesteuert? Diese Fragen werden derzeit weitgehend durch den Bau und Test von Prototypen beantwortet. Dieser Prozess ist zeit- und kostenaufwändig und eine effektive anwendungsbezogene Auslegung der Motoren ist so nicht möglich. Modellierungsansätze wie sie z. B. in der Dissertation von Dr. Matthias Hunstig beschrieben werden bieten hier wesentliche Vorteile.
Konzeption, Ansteuerung und Eigenschaften schneller piezoelektrischer Trägheitsmotoren
Piezoelektrische Trägheitsmotoren nutzen die Trägheit einer bewegten Masse, um diese über einen ununterbrochenen Reibkontakt schrittweise zu bewegen. Wegen ihres einfachen Aufbaus und ihrer guten Miniaturisierbarkeit werden diese Motoren zunehmend in Konsumgütern eingesetzt. Die Geschwindigkeit ist eine wichtige Motorkenngröße, eine allgemeingültige Analyse des Motorprinzips existiert jedoch bisher nicht.
Nach einer Definition von Trägheitsmotoren hat Herr Dr.-Ing. Matthias Hunstig im Rahmen seiner Promotion anhand eines Modells eines translatorischen piezoelektrischen Trägheitsmotors verschiedene idealisierte Anregungssignale hergeleitet. Eine Analyse des Motorverhaltens zeigte, dass der verbreitete Betrieb von Trägheitsmotoren mit Haft- und Gleitphasen für das Erreichen hoher Geschwindigkeiten ungeeignet ist. Aus den idealisierten Signalen für den schnellen dauergleitenden Betrieb wurden frequenzbeschränkte Signale für den Betrieb mit realen Aktoren abgeleitet. Das Verhalten bei Anregung mit diesen Signalen wurde bezüglich Geschwindigkeit, Effizienz, Haltbarkeit und Kraft verglichen. Zudem wurde ein Verfahren beschrieben, mit dem die Bewegung hochfrequent angeregter Trägheitsmotoren periodenweise berechnet und wichtige Motorkenngrößen direkt berechnet werden können. Zur Validierung der theoretischen Ergebnisse wurde ein Versuchsmotor aufgebaut und mit unterschiedlichen Signalen angeregt, es zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell. Die Ergebnisse der Arbeit von Herrn Dr. Hunstig geben wertvolle Einblicke in die Funktion schneller Trägheitsmotoren und sind nützlich für ihre weitere Entwicklung und die Erweiterung ihres Einsatzbereichs.
Dr.-Ing. Tobias Hemsel
Fakultät für Maschinenbau » Lehrstuhl für Dynamik und Mechatronik (LDM)
Pohlweg 47-49
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