Untersuchung und Weiterentwicklung linearer piezoelektrischer Schwingungsantriebe:
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Paderborn
HNI
2001
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101 |
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| adam_text | Titel: Untersuchung und Weiterentwicklung linearer piezoelektrischer Schwingungsantriebe
Autor: Hemsel, Tobias
Jahr: 2001
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung 1
1.2 Lineare Piezoelektrische Schwingungsmotoren 2
1.3 Ziel und Aufbau der Arbeit 3
2 Grundlagen der Piezoelektrizität 5
2.1 Piezoelektrisches Materialverhalten 5
2.2 Mathematische Beschreibung 6
2.3 Hysterese, Dämpfung und Nichtlinearitäten 8
2.3.1 Hysterese und Dämpfung 8
2.3.2 Nichtlinearitäten 11
2.4 Bauformen piezoelektrischer Aktoren 14
2.5 Modellbildung 15
2.5.1 Nichtparametrisches Modell 15
2.5.2 Kontinuumsmodell 17
2.5.3 Finite Elemente Methode 18
2.5.4 Ersatzmodelle für den Resonanzbereich 19
2.6 Parameteridentifikation 21
2.7 Traditionelle Aktoren und Festkörperaktoren im Vergleich 24
3 Piezoelektrische Linearantriebe 29
3.1 Stellaktoren 29
3.2 Hybridantriebe 31
3.3 Motoren 32
3.3.1 Schrittmotoren 32
3.3.2 Schwingungsmotoren 35
3.4 Li-B^-Schwinger 46
3.4.1 Funktionsprinzip 46
3.4.2 Trajektorien des Antriebsstößels 48
3.4.3 Schwinger mit abgestimmten Eigenfrequenzen 51
3.4.4 Schwinger mit nicht abgestimmten Eigenfrequenzen 52
3.4.5 Entwicklungspotenzial 55
3.5 Entwicklungsziele für piezoelektrische Linearmotoren 56
4 Paderborner Ruderer Motor 57
4.1 Optimierungsansätze 57
4.1.1 Erhöhung des Motorwirkungsgrads 57
4.1.2 Erhöhung von Schubkraft und -geschwindigkeit 59
4.1.3 Reduzierung von Bauraum und Kosten 59
4.2 Anforderungsliste 60
4.3 Funktionsprinzip des Paderborner Ruderer Motors 61
4.3.1 Anordnung der Aktoren 62
4.3.2 Auswahl der Schwingungsformen 63
4.3.3 Lagerung des Schwingers 65
4.3.4 Gestaltung des Rotors 67
4.4 Auslegung des Schwingers 68
4.4.1 Modell des elektromechanischen Klemmenverhaltens 68
4.4.2 Abschätzung der Geometrie 71
4.4.3 Funktionsmuster ohne Vorspannung 73
4.4.4 Funktionsmuster mit Vorspannung 81
4.4.5 Prototyp 87
4.5 Auswahl der Ansteuerelektronik 93
5 Experimentelle Ergebnisse 95
5.1 Elektromechanisches Klemmenverhalten des freien Schwingers 95
5.1.1 Kurzschlusseingangsadmittanzen 96
5.1.2 Kurzschlusskernadmittanzen vorwärts 98
5.1.3 Validierung des nichtparametrisehen Modells 100
5.1.4 Einfluss der Anregungsspannung auf das Klemmenverhalten 105
5.1.5 Trajektorien der Antriebsstößel 109
5.2 Motorcharakteristik 111
5.2.1 Autbau des Motorprüfstands 111
5.2.2 Admittanzen des Motors 112
5.2.3 Motorkennlinien 116
5.3 Vergleich mit anderen linearen piezoelektrischen Schwingungsmotoren 126
6 Zusammenfassung 131
7 Literaturverzeichnis... 135
8 Anhang 147
8.1 Bauformen linearer piezoelektrischer Stehwellenmotoren 147
8.1.1 Anregung der Schwingungen mittels dji-Aktoren 147
8.1.2 Anregung der Schwingungen mittels d33-Aktoren 148
8.1.3 Anregung der Schwingungen mittels di?-und d.^-Aktoren 152
8.2 Messung der Vorspannung 153
8.2.1 Vorspannen bei kurzgeschlossenen Elektroden 153
8.2.2 Vorspannen bei offenen Elektroden 154
8.3 Materialdaten 155
8.3.1 Materialdaten diverser Piezokeramiken im Vergleich 155
8.3.2 Materialdaten SONOX® P88 156
8.3.3 Materialdaten PIC 141 159
8.4 Messdaten der Stapelaktoren 161
8.5 Messdaten der Schwinger 162
8.5.1 Resonanzfrequenzen 162
8.5.2 Einfluss der Schichtdicke der Stapelaktoren 163
8.6 Messtechnik 165
8.6.1 Messung des elektromechanischen Klemmenverhaltens 165
8.6.2 Messung von Motorkennlinien 167
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