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Optimierung eines piezoelektrisch erregten linearen Wanderwellenmotors
(2006) Haug, Jens; Schinköthe, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Optimierungsmöglichkeiten und -methoden am Beispiel eines linearen Wanderwellenmotors angewandt. Im Vordergrund des Interesses stand dabei nicht unbedingt, nur diese eine Bauform eines Wanderwellenmotors in ihrer Entwicklung voran zu treiben, sondern für viele vergleichbare Motoren hilfreiche Techniken zu erarbeiten. Die meisten der beschriebenen Optimierungen sind daher auf andere, auch auf rotatorische Wanderwellenmotoren übertragbar, manche sind auch für sonstige Piezoantriebe nützlich. Als Ausgangspunkt diente ein bereits vorhandenes Labormuster eines linearen Wanderwellenmotors. Hierauf aufbauend wurde ein praxisnaher Prototyp entworfen, z. T. simuliert, aufgebaut und getestet. Der Systemgedanke spielte eine große Rolle in dieser Arbeit. Ein Piezomotor als mechanische Einheit ist an sich noch nicht ohne weiteres nutzbar, da für Wanderwellenmotoren leider keine Standard-Ansteuerungen verfügbar sind. Für einen Einsatz als Positionierantrieb sind darüber hinaus auch Fragen der Anbindung an übergeordnete Rechnersysteme, der Integration von Wegmesssystemen usw. relevant. Insgesamt ergaben sich hieraus Aufgaben aus den Bereichen Software, analoge und digitale Signalverarbeitung, Leistungselektronik, Filterung von Leistungssignalen, Gestaltung von resonanten piezoelektrischen Wandlern und mechanischen Schwingern, reibschlüssige Kraftübertragung bis hin zum spielfreien und steifen Bewegungsabgriff. Der verwendete Microcontroller ist in seiner Leistungsfähigkeit für den Zweck der Signalerzeugung und die Anbindung an übergeordnete Rechnersysteme bzw. an eine Benutzerschnittstellen gerade ausreichend. Mit Hilfe peripherer Elektronik kann er Messwerte von ausgegebener Spannung und aufgenommenem Strom aus der Leistungs-Endstufe verarbeiten und hieraus die geeignete Arbeitsfrequenz für den Motor ableiten. Die vom Microcontroller ausgegebenen Signale zur Ansteuerung der Piezokeramik werden von einer relativ konventionellen schaltenden Endstufe auf rund 50 V verstärkt. Diese Leistungssignale werden gefiltert, indem eine zusätzliche Induktivität, eine zusätzliche Kapazität, ein Übertrager (1:5) und die Kapazität der Piezokeramik einen Bandpass bilden. Dieser Bandpass ist sehr unempfindlich gegenüber Änderungen der Arbeitsfrequenz und gegenüber Drift der Bauteilwerte. Durch die primärseitige Anbringung der zusätzlichen Filterbauteile ergeben sich verringerte Verluste im Übertrager. Im Gegensatz zu anderen Wanderwellenmotoren sind die Piezokeramik-Elemente nicht in halben, sondern in viertel Wellenlängen strukturiert. Durch diese Labda/4-Segmentierung und eine Anbringung auf beiden Seiten des Aluminiums im Anregungsbereich erhöhen sich die erreichbaren Schwingungsamplituden um mehr als Faktor 3 auf rund 7 µm. Bei derart starken Schwingungen sind allerdings manuell angebrachte Lötstellen auf der Piezokeramik am Prototypen nicht dauerhaft haltbar, weshalb eher verhalten angesteuert bzw. eine stark verkürzte Lebensdauer hingenommen werden musste. Als Leitermaterial kam aus dem gleichen Grund Federbronze (CuSn6 nach DIN EN 12166) zur Anwendung. Durch verbesserte FEM-Modelle gelang es, eine bessere Übereinstimmung zwischen Simulation und Realität zu erzielen. Die verwendeten orthogonalen Moden von früher 190 Hz Differenz wurden auf nur noch 50 Hz aneinander angenähert. Der Läufer des wurde ebenfalls in FEM-Simulationen optimiert. Einer gleichmäßigen Verteilung der Anpresskraft unter dem Reibbelag ist hinsichtlich des Abtriebsverhaltens besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Hierdurch und durch die Wahl eines geeigneten Reibbelages konnte die Anpresskraft und damit die erreichbare Vorschubkraft deutlich gesteigert werden, ohne schädliche Nebeneffekte wie Geräuschentwicklung oder ungleichmäßigen Lauf hinnehmen zu müssen. Auch die Steifigkeit in Vorschubrichtung bei gleichzeitig möglichst leichter Bauweise war Teil der Optimierung. Die im Betrieb zu erwartenden Deformationen des Läuferrahmens liegen daher unter nur 5 µm. Trotzdem konnte die bewegte Masse von rund 45 g auf 35 g reduziert werden. Insgesamt wurde die Haltekraft im unbestromten Zustand von unter 4 N auf 14 N mehr als verdreifacht. Die Blockierkraft stieg von 3,7 N auf 6,7 N um über 80 %. War früher die Beschleunigung stets bei rund 6 g, so trifft dieser Wert nun nur noch für das Anfahren aus dem unbestromten Stillstand zu, da hier prinzipbedingt erst ein Einschwingen des Stators stattfinden muss. Bei Fahrtrichtungswechsel dagegen verzögert der optimierte Prototyp zunächst mit 20 g und beschleunigt anschließend mit 11 g in Gegenrichtung. Dies entspricht ebenfalls einer Verdreifachung bzw. einer knappen Verdoppelung der vorherigen Werte. Mit einer Zusatzmasse von 100 g belastet verbleiben noch 7 g gegenüber vorher unter 2 g, also auch hier über dreifache Steigerung. Die Leerlaufgeschwindigkeit wurde von früher 630 mm/s um 11 % auf jetzt 700 mm/s gesteigert.