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2025-04-23T19:15:18Z

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'''Piezoelektrische Motoren''' (kurz '''Piezomotoren''') sind Kleinmotoren, die den [[Piezoelektrizität|piezoelektrischen Effekt]] zur Erzeugung einer Bewegung nutzen. Piezomotoren können sowohl linear als auch rotatorisch arbeiten. Ihr Stellweg ist bei den meisten Funktionsprinzipien prinzipiell unbegrenzt. In linearen Motoren liegt er konstruktionsbedingt meist bei einigen Zentimetern und ist damit deutlich größer als der Stellweg der in den Motoren eingesetzten [[Piezoelektrizität|piezoelektrischen]] Festkörperaktoren.

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Funktionsprinzipien von Piezomotoren. Bei allen Prinzipien wird die Bewegung durch [[Reibung|Gleit- oder Haftreibung]] zwischen einem feststehenden Teil (Stator) und einem bewegten Teil (Rotor) erzeugt. Viele, aber nicht alle dieser Prinzipien basieren auf einer durch [[Piezoelektrizität|piezoelektrische]] Festkörperaktoren erzeugten, häufig [[Resonanzfrequenz|resonanten]] Schwingung des Stators. Da die Frequenz dieser Schwingungen zumeist im [[Ultraschall]]bereich liegt, werden viele Piezomotoren auch als ''Ultraschallmotoren'' oder ''Ultraschallantriebe'' bezeichnet.

Vorteile piezoelektrischer Motoren gegenüber elektromagnetischen Motoren sind eine hohe Kraft pro Volumen, eine hohe Haltekraft im ausgeschalteten Zustand sowie eine sehr gute Dynamik und Miniaturisierbarkeit. In einigen Anwendungen ist es ein großer Vorteil, dass sie vakuumtauglich sind und ohne Magnetfelder arbeiten.<ref name="Hunstig2014">M. Hunstig: Konzeption, Ansteuerung und Eigenschaften schneller piezoelektrischer Trägheitsmotoren. Schriften des Lehrstuhls für Mechatronik und Dynamik, Band 2, Shaker 2014. Zgl. Dissertation, Universität Paderborn, 2014</ref>

== Funktionsprinzipien von Piezomotoren ==
Einige häufig genutzte Prinzipien sind:
* [[Wanderwellenmotor]]
* Stehwellenmotor
* Trägheitsmotor, auch als Stick-Slip-Motor bekannt
* „Inchworm“-Motor
* Schreitmotor

Wanderwellen- und Stehwellenmotor und verwandte Typen werden auch als Schwingungsmotoren bezeichnet, da sie von durch piezoelektrische Festkörperaktoren erzeugten Schwingungen angetrieben werden. Im Gegensatz dazu werden Trägheits-, „Inchworm“- und Schreitmotor als (piezoelektrische) Schrittmotoren bezeichnet, da ihre Bewegung in klar abzugrenzende Schritte unterteilt ist.<ref name="Hemsel2001">Tobias Hemsel: ''Untersuchung und Weiterentwicklung linearer piezoelektrischer Schwingungsantriebe.'' HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 101, 2001. Zgl. Dissertation, Universität Paderborn, 2001, ISBN 3-935433-10-7</ref> Insbesondere bei Trägheitsmotoren ist diese Einteilung jedoch nicht in jedem Fall zutreffend, da es mittlerweile auch Trägheitsmotoren gibt, deren Prinzip auf resonanten Schwingungen beruht.<ref name="Hunstig2014" />

=== Wanderwellenmotoren ===
Wanderwellenmotoren sind zum überwiegenden Teil rotatorische Motoren. Sie bestehen aus einem feststehenden Teil, dem [[Stator]], und einem beweglichen Teil, dem [[Rotor]]. Im Stator befinden sich mindestens zwei [[Piezoelektrizität|piezoelektrische Wandler]], die angelegte [[Wechselspannung]] in mechanische Schwingungen umwandeln. Die Wandler werden [[Phasenverschiebung|phasenversetzt]] angeregt, so entsteht eine [[Wanderwelle]] auf dem Stator. Diese versetzt über den Reibkontakt zwischen Stator und Rotor letzteren in Bewegung. Um hohe Schwingungsamplituden und damit Geschwindigkeiten zu erreichen, wird der Stator üblicherweise in [[Resonanzfrequenz|Resonanz]] bei Frequenzen im [[Ultraschall]]-Bereich betrieben. Eine Wanderwelle in linearen Wanderwellenmotoren ist deutlich aufwendiger zu erzeugen<ref name="Hemsel2001" />, weshalb lineare Wanderwellenmotoren bisher nicht kommerziell verfügbar sind. Wanderwellenmotoren haben vor allem durch ihren Einsatz in Kameraobjektiven größere Bekanntheit erreicht. Beispiele hierfür finden sich im Artikel „[[Wanderwellenmotor]]“.

=== Stehwellenmotoren ===
[[Datei:US 4019073, Fig. 5.png|mini|Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Stehwellenmotors]]
In Stehwellenmotoren wird in einem Stator durch piezoelektrische Festkörperaktoren eine Schwingung in Form einer [[Stehwelle]] erzeugt. Die dadurch entstandene, zumeist elliptische, Bewegung einer oder mehrerer Kontaktstellen treibt einen Rotor an. Der Kontakt kann dabei bei großen Schwingungsamplituden zeitweise unterbrochen sein, wodurch es zu Stößen kommt.<ref name="Hemsel2001" /> Stehwellenmotoren können viele verschiedene Formen haben und sowohl rotatorische als auch lineare Bewegungen erzeugen. Das nebenstehende Bild zeigt einen rotatorischen Stehwellenmotor, der von vier Piezoaktoren angetrieben wird.
<div style="clear:right"></div>

=== Trägheitsmotoren ===
[[Datei:Insides of a piezoelectric motor.JPG|mini|Geöffneter Stick-Slip-Piezomotor.]]
[[Datei:Slip-stick actuator operation.svg|mini|Funktionsprinzip eines linearen Trägheitsmotors mit mitbewegtem Aktor]]
Trägheitsmotoren nutzen die Trägheit des zu bewegenden Objekts, um dieses über einen Reibkontakt zu verschieben. In klassischen Trägheitsmotoren herrscht einer Phase der langsamen Bewegung im Reibkontakt [[Haftreibung]], in einer Phase der schnellen Bewegung werden die Trägheitskräfte so groß, dass die Teile aufeinander [[Reibung#Gleitreibung|gleiten]]. Dieser Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung hat zur verbreiteten Bezeichnung „Stick-Slip-Motoren“ (von engl. „to stick“ = haften und „to slip“ = gleiten) geführt (vgl. [[Stick-Slip-Effekt]]). Es gibt aber auch Trägheitsmotoren, die ohne Haftphasen arbeiten. In diesen Motoren gleiten die Teile auch in den Antriebsphasen aufeinander.<ref name="Hunstig2014" />

Piezoelektrische Trägheitsmotoren können sehr einfach aufgebaut sein. Im einfachsten Fall bestehen sie wie im nebenstehenden Beispiel aus nur drei Bauteilen. Die zahlreichen Formen von Trägheitsmotoren können u. a. danach unterschieden werden, ob der den Motor antreibende Festkörperaktor feststeht oder sich mit dem Motor bewegt. Die meisten Trägheitsmotoren arbeiten mit niedrigen Frequenzen bis zu wenigen kHz. Einige resonante Trägheitsmotoren arbeiten aber auch im Ultraschallbereich. Trägheitsmotoren werden z. B. zur Probenpositionierung in der Mikroskopie und zur [[Bildstabilisierung]] in Digitalkameras eingesetzt.<ref name="SteadyShot">{{Webarchiv | url=http://www.sony.net/SonyInfo/technology/technology/theme/alpha_01.html | wayback=20120510001633 | text=SteadyShot INSIDE — Body-integrated Image Stabilization System. Sony-Website.}} Abgerufen am 10. Mai 2012, archiviert</ref><ref name="Hunstig2014" />
<div style="clear:right"></div>

=== „Inchworm“-Motoren ===
[[Datei:Piezomotor type inchworm.gif|mini|Funktionsprinzip eines „Inchworm“-Motors (Klemmen und Schieben) (1 = Gehäuse, 2 = Vorschubaktor, 3 = Klemmaktor, 4 = Rotor)]]
„Inchworm“-Motoren, auch '''Wurmmotoren''' genannt, arbeiten nach nebenstehend dargestelltem Prinzip „Klemmen und Schieben“.<ref name="Twiefel2011">J. Twiefel - Experimentelle und modellbasierte Untersuchung von Stehwellenantrieben. Berichte aus dem IDS, Band 05/2010. Zgl. Dissertation, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2011</ref> Das [[Raupe (Schmetterling)|raupenähnliche]] Fortbewegungsprinzip war namensgebend für den Markennamen „Inchworm“ (engl. für Raupe), der heute allgemein diesen Motortyp beschreibt.
Der im nebenstehenden Bild dargestellte Motor besteht (oben wie unten) aus zwei Klemmaktoren und einem Vorschubaktor. Wegen des getakteten Betriebs arbeiten „Inchworm“-Motoren bei niedrigen Frequenzen im hörbaren Bereich. Sie sind auf große Kräfte und Präzision ausgelegt, weniger auf hohe Geschwindigkeit.<ref name="Twiefel2011" />
<div style="clear:right"></div>

=== Schreitmotoren ===
[[Datei:Piezomotor type bimorph.gif|mini|Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Schreitmotors (1 = Gehäuse, 2 = Piezoaktor, 3 = Zwischenschicht, 4 = Kontaktpunkt, 5 = Rotor)]]
Anders als in „Inchworm“-Motoren werden in sogenannten Schreitmotoren das Klemmen und der Vortrieb von denselben und nicht von unterschiedlichen Aktoren übernommen. Im dargestellten Beispiel im nebenstehenden Bild werden hierzu zwei Biegeaktoren in Bimorph-Bauform (jeweils zwei Aktoren plus Zwischenschicht) verwendet. Die Kontaktpunkte an ihren Spitzen würden bei freier Bewegung eine elliptische Bewegung ausführen. Tatsächlich drücken sie aber auf einem Teil dieser Bahn gegen den „Rotor“, das anzutreibende Element, und schieben dieses so in die gewünschte Richtung. Durch die phasenversetzte Bewegung der Aktoren klemmt immer mindestens einer den Rotor, sodass dieser nie freiläuft.
<div style="clear:right"></div>

=== Ultraschallmotor ===
Ultraschallmotoren unterscheiden sich von anderen piezoelektrischen Motoren in mehrfacher Hinsicht, obwohl beide in der Regel eine Form von piezoelektrischem Material verwenden. Der offensichtlichste Unterschied ist die Nutzung von Resonanz zur Verstärkung der Schwingung des Stators in Kontakt mit dem Rotor in Ultraschallmotoren<ref>{{Internetquelle |url=https://aduk.de/de/branchen-news/wo-zu-verwenden-ultraschallmotor/ |titel=Ultraschallmotor (USM) - Wo zu verwenden ultraschallmotor {{!}} ADUK GmbH ▼ |werk=ADUK GmbH |datum=2022-01-28 |sprache=de-DE |abruf=2022-02-23}}</ref>.

Ein besonders drehmomentstarker „Hybridwandler“-Ultraschallmotor verwendet in Umfangsrichtung gepolte und axial gepolte piezoelektrische Elemente, um Axial- und Torsionsschwingungen entlang der Kontaktfläche zu kombinieren, was eine Antriebstechnik darstellt, die irgendwo zwischen der stehenden und der Wanderwellen-Antriebsmethode liegt.<ref>{{Internetquelle |url=https://aduk.de/blog/ultrasonic-motors-where-use-them-and-how-create-them-aduk-gmbh/ |titel=Ultrasonic motors - Where to use them and how to create them {{!}} ADUK GmbH ▼ |werk=ADUK GmbH |datum=2022-01-04 |sprache=en-GB |abruf=2022-02-23}}</ref>

== Weblinks ==
* K. Spanner: [https://www.pi-usa.us/fileadmin/user_upload/pi_us/files/technotes_whitepapers/Actuator2006_SurveyoftheVariousOperatingPrinciplesofUltrasonicPiezomotors_c.pdf Survey of the Various Operating Principles of Ultrasonic Piezomotors] – Übersicht verschiedener Typen von Piezomotoren, auch Nicht-Ultraschallmotoren (englisch; PDF-Datei; 1,32 MB)
* J. Twiefel: [https://edocs.tib.eu/files/e01dh11/642674264.pdf Experimentelle und modellbasierte Untersuchung von Stehwellenantrieben] – Doktorarbeit über Stehwellenmotoren, auf S. 4 bis 10 werden auch andere Motortypen diskutiert (PDF-Datei, 6,28 MB)
* M. Hunstig: [https://digital.ub.uni-paderborn.de/hs/download/pdf/1176458?originalFilename=true Konzeption, Ansteuerung und Eigenschaften schneller piezoelektrischer Trägheitsmotoren] – Doktorarbeit über Trägheitsmotoren, auf S. 9 bis 16 werden auch andere Motortypen diskutiert (PDF-Datei; 13,98 MB)
* {{Webarchiv | url=http://www.sony.net/SonyInfo/technology/technology/theme/alpha_01.html | wayback=20120510001633 | text=SteadyShot INSIDE — Body-integrated Image Stabilization System (engl.), archivierte Kopie abgerufen am 23. November 2015}} – Animierte Erklärung eines Bildstabilisierungssystems inkl. Beschreibung des verwendeten Trägheitsmotors

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektromotor]]
[[Kategorie:Antrieb nach Konstruktion]]

Piezomotor - Versionsgeschichte

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