П’єзоелектричний двигун

Изобретение относится к области пьезоэлектрических приводных двигателей, предназначенных для работы в устройства х автоматики, системах управления, контроля. робототехнических комплексах и т.д. Известен пьезоэлектрический двигатель [1], содержащий цилиндрический ротор, кольцевой пьезоэлемент с закрепленными пластинами-толкателями, упирающимися в цилиндрическую поверхность ротора. В этой конструкции пьезодвигателя пластины-толкатели устанавливаются в пазы, нарезанные на внешней (внутренней) цилиндрической стороне пьезоэлемента. Недостатком этого устройства пьезодвигателя является то, что в процессе нарезки пазов под толкатели в пьезоэлементе возникают микротрещины, которые получают развитие в процессе эксплуатации за счет внутренних напряжений в работающем пьезоэлементе. Скорость развития микротрещин определяется степенью механических напряжений, зависящих о т мощности накачки пьезоэлемента, что не позволяет увеличить' мощность пьезодвигателя и значительно снижает его технический ресурс. Известен пьезоэлектрический двигатель [2], содержащий статор и фрикционно взаимодействующий с ним ротор, один из которых включает, по меньшей мере, один пьезоэлектрический осциллятор, имеющий пьезоэлемент и электроды, расположенные на противоположных поверхностях пьезоэлемента и подключенные к источнику питания для возбуждения в указанном осцилляторе продольных колебаний и. по меньшей мере, два толкателя, которые одними концами установлены на пьезоэлектрическом осцилляторе, а другими концами прижаты к, по меньшей мере, одной поверхности фрикционного взаимодействия ротора и статора, причем пьезоэлемент поляризован в направлении, нормальном к поверхностям электродов и расположен так, что направление распространения резонансной моды продольных колебаний, возбужденных в пьезоэлектрическом осцилляторе, нормально к поверхности фрикционного взаимодействия. Кроме того, пьезоэлемент выполнен в виде кольца, одна из цилиндрических поверхностей.пьезоэлемента заключена в оболочку, которая имеет разницу внутреннего и внешнего диаметра, кратную длине волны резонансной моды продольных акустических колебаний, а толкатели закреплены на оболочке. В данном пьезоэлектрическом двигателе исключена нарезка пазов в пьезоэлементе и, следовательно, исключен основной источник возникновения микротрещии за счет установки оболочки. Однако при этом нетрудно показать, что КПД такого двигателя резко снижается за счет уменьшения добротности и коэффициента электромеханической связи. Например, для широко распространенной пьезошайбы на основе керамики ЦТБС-3 с внешним диаметром радиальной резонансной частотой fpn=57 кГ и n длиной волны l n = 60 мм (скорость звука С =3460 м/с), разница внутреннего и внешнего диаметра оболочки для первой основной резонансной моды продольных (радиальных) акустических колебаний составляет 30 мм, что соответствует толщине оболочки 15 мм. Поскольку оболочка выполняется металлической, то можно констатировать, что такой осциллятор будет неработоспособным, поскольку высокая жесткость кольца в радиальном направлении (за счет большого поперечного сечения оболочки) подавит практически все резонансные моды акустических колебаний, что эквивалентно резкому снижению добротности и коэффициента электромеханической связи. Если осциллятор работает на поперечной моде акустических колебаний, тогда при толщине пьезоэлемента 6 мм, что соответствует половине длины волны первой поперечной моде акустических колебаний, толщина оболочки составляет 3 мм. Однако в прототипе ничего не говорится о поперечной моде колебаний осциллятора, и как было установлено опытным путем, поперечная мода колебаний с точки зрения КПД пьезодвигателя является менее эффективной, чем продольная (для кольцевых пьезоэлементов - радиальная). При создании изобретения решалась задача - повышение КПД пьезодвигателя за счет согласования собственных резонансных частот кольцевой оболочки и пьезоэлемента. Эта задача решалась за счет того, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем ротор и статор на основе кольцевого пьезоэлемента, одна из цилиндрических поверхностей которого заключена в оболочку, на которой установлены толкатели, согласно изобретению, параметры пьезоэлемента и оболочки связаны соотношением: где dовнутр.: d°внешн - внешний и внутренний диаметры оболочки; I - глубина нарезного паза в оболочке; С° - скорость звука в оболочке; fpn - резонансная частота на первой моде радиальных колебаний пьезоэлементов; m - номер моды радиальных колебаний оболочки, причем знак "+" соответствует внутренней оболочке, а знак "-" внешней. Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Опытным путем было установлено, что наибольшей эффективности составного осциллятора удалось достичь при строго определенной толщине оболочки (с учетом ее жесткого крепления к пьезоэлементу), которая варьировалась в пределах единиц мм (а не десятков мм, как в прототипе). Наибольшая эффективность наступает тогда, когда резонансная частота на первой моде радиальных колебаний пьезоэлемента соответствовала (с учетом поправочного коэффициента) резонансной частоте радиальных колебаний оболочки. Для случая радиальных колебаний оболочки справедливо соотношение: где fp o резонансная частота оболочки. Однако, данное соотношение справедливо для . При минимизации пьезодвигателей, и как следствие - оболочки, это соотношение выполняется с учетом поправочного коэффициента t, экспериментально установленная зависимость которого имеет вид: Тогда соотношение для радиальных колебаний оболочки преобразуется в виде: Если в оболочке сделаны пазы и толкатели, и устанавливаются на звукоизоляционный компаунд для уменьшения уровня шума, тогда вводится поправка 21, поскольку по контуру на глубин у толкателя звуковая волна не распространяется. При этом соотношение заданных колебаний оболочки преобразуется в виде: Заменив в данном соотношении fpo на fp n (режим резонансного согласования), получим требуемое соотношение. Использование предлагаемого устройства позволило более чем в 3 раза повысить мощность двигателя с сохранением прежнего ресурса и создать микродвигатели на пьезошайбах 12 мм, 10 мм и т.д. На фиг. 1 приведена схема оболочки, поясняющая физику ее работы; на фиг. 2 приведена схема пьезодвигателя на основе составного осциллятора. Она включает кольцевой пьезоэлемент 1, заключенный в оболочку 2, на которой установлены толкатели 3, упирающиеся во внутреннюю поверхность ротора 4. Работает пьезодвигатель следующим образом. При подключении пьезоэлемента 1 к источнику внешнего возбуждения в нем возникают акустические радиальные резонансные колебания на частоте fpn. За счет резонансного согласования радиальных частот пьезоэлемента 1 и оболочки 2 эти колебания практически без ослабления передаются в оболочку, а через оболочку в толкатели 3, которые, фрикционно взаимодействуя с ротором 4, вращают его. Составной осциллятор выполнен на основе керамики ЦТБС-3 с внешним диаметром 28 мм, fpn=57 кГц. Оболочка выполнена из стали-20Х-13. Сo=5250 м/с. Толкатели установлены в пазы оболочки и закреплены с помощью компаунда на основе эпоксидной смолы. Поскольку такой компаунд является хорошим звукопроводящим материалом (Ck ~ 5000 м/с), наличием пазов можно пренебречь. Для внешней оболочки тогда для m=1 (основной моды) для d°внешн. получаем: а толщина оболочки равна