П’єзоелектричний двигун

1. П'єзоелектричний двигун, що містить ротор та два статори на основі кільцевих п'єзоелементів з штовхачами, фрикційно контактуючих з ротором, перший з яких встановлений на корпусі, а другий на валу, причому кільцеві п'єзоелементи виконані у вигляді кільцевого резонатора з радіальною формою коливань, охоплюючий їх з штовхачами ротор, виконаний з двох звукопровідних, наприклад, металевих тонкостінних циліндрів з переходом нижньої циліндричної частини в дно, з'єднаних між собою через ультразвукоізолюючу прокладку, струмознімач, який відрізняється тим, що кожен C2 2 (19) 1 3 76775 4 ротором, причому , кільцеві п'єзоелементи викоа другий - на валу, причому кільцеві п'єзоелементи нані у вигляді кільцевого резонатору з радіальною виконані у вигляді кільцевого резонатору з радіаформою коливань в робочому стані та підвищеною льною формою коливань в робочому стані та піджорсткістю в радіальному напрямі в неробочому вищеною жорсткістю в радіальному напрямі в нестані, зовнішня циліндрична поверхня кожного робочому стані, охоплюючий їх ротор, виконаний з п'єзоелемента замкнена в пружну в радіальному двох металевих тонкостінних циліндрів з перехонапрямі нерезонансну металеву оболонку, а штовдом нижньої циліндричної частини в дно, з'єднахачі встановлені з упором у внутрішню поверхню них між собою через ультразвукоізолюючу проротора, крім того, перший кільцевий п'єзоелемент кладку, струмознімач, причому два металевих встановлений на корпусі через звукоізолюючу проциліндри ротору електрично з'єднані між собою, та кладку, а другий - на валу через таку ж прокладку, електрично ізольовані від валу та корпусу, кожен охоплюючий їх ротор виконаний з двох металевих статор виконаний у вигляді складеного вузла, який тонкостінних циліндрів з переходом нижньої цилізібрано на ультра-звукоізолюючій циліндричній ндричної частини в дно, з'єднаних між собою через втулці з торцевим фланцем з одного боку, і який ультразвукоізолюючу прокладку. послідовно включає металеву шайбу, на зовнішній До недоліків прототипа відноситься те, що в циліндричній поверхні якої в щілинах зажаті штовньому не розглядаються питання подальшого підхачі з упором у внутрішню поверхню ротора, ультвищення моменту такого двигуна. развукопровідну прокладку, кільцевий п'єзоелеПідвищення моменту двигуна досягається мент, електроконтактну металеву прокладку, перш за все за рахунок підвищення діаметру роприжимний циліндричний фланець, ультразвукоітора і статора. золюючу прокладку та гайку, причому другий стаПри підвищенні діаметра ротора не виникає тор встановлений на валу за допомогою циліндриособливих проблем, тому що в прототипі пропонучної втулки та стягнутий і фіксований за ється складений ротор, котрий складається з двох допомогою гайки та різьби на валу, а перший станезалежних частин, з'єднаних між собою через тор встановлений таким же чином на циліндричній ультразвукоізолюючу прокладку. Підвищення раобоймі, через яку проходить вал і яка фіксована на діальної жорсткості у цьому випадку досягається корпусі, причому електроконтактна металева проза рахунок збільшення товщини ребер жорсткості, кладка другого статора підключена до струмоутворених за рахунок переходу нижньої циліндризнімача. чної частини в дно. Додатково, штовхачі зібрані у пакети і перед Підвищення діаметра статора може вирішуваштовхачами або кожним пакетом штовхачів з боку, тись за рахунок: 1) підвищення діаметра кільцевопротилежного їх наклону в роторі, встановлена го п'єзоелементу; 2) підвищення діаметра пружної додаткова пластина, яка фрикційно не взаємодіє з металевої оболонки; 3) підвищення довжини шторотором і частота коливань якого не співпадає з вханів. частотою коливань штовхачів. Розглянемо це більш детально. Сутність запропонованого технічного рішення 1) Підвищення діаметра кільцевого п'єзоелеполягає в підвищенні моменту реверсивного двименту. Оскільки діаметри кільцевих п'єзоелементів гуна за рахунок підвищення діаметра статора шляхом переходу на нерезонансну металеву шайє регламентовані (наприклад 20мм, 28мм, бу з зовнішнім діаметром, більшим ніж у оболонки, 46мм, 57мм), то це заважає вирішенню постана зовнішній циліндричній поверхні якої встановвленої мети. лені штовхачі з упором у внутрішню поверхню ро2) Підвищення діаметру пружної металевої тора, причому спряжіння шайби с п'єзоелементом оболонка. Збільшення діаметру оболонки привовиконано по однієї з торцевих поверхонь п'єзоедить до підвищення її жорсткості, що знижує доблемента. Цезабезпечує перш за все підвищений ротність резонатора. Експериментально було момент самозаторможення в працюючому двигуні встановлено, що збільшення товщини оболонки у та збереження необхідної добротності резонатора 2 рази приводить до зниження добротності резона рівні 10...100. натора у 4 рази. Тому при збільшенні товщини Підвищений момент самозаторможення в праоболонки на порядок (до 10мм проти 1мм) добротцюючому двигуні забезпечується за рахунок виність знижується у 100 разів, що заважає вирішенключення резонансного захвату металевою шайню поставленої мети (необхідна добротність бою непрацюючого статора коливань ротора 10...100). шляхом переходу на нерезонансну металеву шай3) Підвищення довжини штовханів. Довжина бу. штовханів в системі однозначно оптимізована з їх Збереження необхідної добротності при цьому жорсткістю, тому що вони формують головну кінедосягається за рахунок спряжіння металевої шайматичну картину (еліпс) руху. Підвищення довжини би методом стягування з плоскою торцевою повеприводить до зміни жорсткості в системі і порурхнею кільцевого резонатору, тому що торцева шенню її оптимізації. Це заважає вирішенню посповерхонь менш чутлива до навантаження, ніж тавленої мети. зовнішня циліндрична. При створенні винаходу вирішувалась задача На Фіг.1 представлено п'єзоелектричний двипідвищення моменту реверсивного двигуна. гун, який реалізує запропонований пристрій, на Ця задача вирішувалась за рахунок того, що в Фіг.2-4 - варіанти виконання шайби з штовхачами. відомому п'єзоелектричному двигуні, що містить Реверсивний п'єзоелектричний двигун містить ротор та два статори на основі кільцевих п'єзоев собі кільцеві п'єзоелементи 1,2, виконані у вилементів з штовханами, фрикційно-контактуючих з гляді кільцевого резонатора з радіальною формою ротором, перший з яких встановлений на корпусі, 5 76775 6 коливань та підвищеною жорсткістю (ширина кільктроконтактну прокладку 11 з іншої сторони подаця Η=5мм, висота кільця h=5мм, середній радіус ється на електроди п'єзоелемента 1. В п'єзоелемкільця R=7,5мм, H/h=1, R/Η=1,5), які поляризовані нті 1 за рахунок зворотного п'єзоелектричного по нормалі до його плоских торцевих поверхней, а ефекту виникають механічні резонансні радіальні електроди нанесені на плоскі торцеві поверхні. коливання. За рахунок того, що п'єзоелемент 1 П'єзоелементи виконані, наприклад, з матеріалу через ультра звукопровідну прокладку 9 притиснуЦТССТ-3. Частота нульової моди радіальних колитий до металевої шайби 3 (між ними існує акустивань такого резонатору дорівнює 69...71кГц. Неречний зв'язок), радіальні акустичні коливання перезонансні в радіальному напрямі (по відношенню до даються через шайбу 3 в штовхачі 5. За рахунок п'єзоелемента) металеві шайби 3, 4, виконаних зі взаємодії штовхачів 5 з циліндром 29 ротора (штосталі, наприклад, 25X13. Частота радіальних ковхачі встановлені під гострим кутом до внутрішньої ливань такої шайби для нульової моди ~170кГц і поверхні циліндра), відбувається трансформація знаходиться далеко за межами резонансу п'єзоерадіальних коливань шайби З у обертання ротора. лемента. Штовхачі 5 і 6 встановлені в щілинах за Виникаючий при цьому обертальний момент, педопомогою, наприклад, пайки, або запресовки редається через фрикційний контакт "циліндр 30 (обжимом) на зовнішній циліндричній поверхні цих ротора - штовхачі 6 шайби 4" в вал 19 і далі в нашайб 3, 4 і які фрикційно контактують з ротором. вантаження. Ширина штовхачів 5, 6 може перевищувати товТаким чином, фрикційний контакт "циліндр 30 щину шайб 3, 4. ротора - штовхачі 6 незбудженої шайби 4" повинКожен статор виконаний у вигляді складеного ний витримувати максимальний обертальний мовузла, який зібрано на ультразвукоізолюючій цилімент, який розвивається збудженим п'єзоелеменндричній втулці 7(8), наприклад, із гетинаксу з тотом 1. Для цього, ультразвукове коливання рцевим фланцем. Статор включає шайбу 3(4), фрикційних елементів (ротор - штовхач не збуультразвукопровідну прокладку 9(10), наприклад, дженої шайби) в зоні контакту повинно бути звеіз металевої фольги, кільцевий п'єзоелемент 1(2), дено до мінімума. електроконтактну прокладку 11(12) наприклад, з Це досягається: мідної фольги, прижимний циліндричний метале1) за рахунок зменшення коливань циліндра вий фланець 13(14), ультразвукоізолюючу прокла29 ротора внаслідок його підвищеної жорсткості; дку 15(16), наприклад з гетинаксу та гайку 17 (18). 2) за рахунок зменшення передачі коливань Циліндрична втулка 8 другого статора встановід циліндра 29 до циліндра 30, внаслідок демпвлена на валу 19, а сам статор стягнутий і фіксофування їх в звукоізолюючій прокладці 31; ваний на валу за допомогою гайки 18 та різьби 20 3) за рахунок зменшення коливань циліндра на валу 19. 30, внаслідок його підвищеної жорсткості; Циліндрична втулка 7 першого статора вста4) за рахунок виключення резонансного захвановлена на циліндричну металеву обойму 21, а ту шайбою 4 коливань штовхачів 6 від циліндра сам статор стягнутий і фіксований на металевій 30; обоймі 21 за допомогою гайки 17 та різьби 22 на 5) за рахунок демпфування коливань штовхаобоймі. Обойма фіксована на корпусі 23 за допочів 6 від циліндра 30 підвищеною жорсткістю п'ємогою гайки 24. В обоймі виконаний отвір, через зоелемента 2. який проходить вал 19. Усі аналогічні розміркування справедливі і для Функції кільця струмознімача рухомого статора випадку протилежного (реверсивного) обертання. виконує циліндричний металевий фланець 14, до Для збудження п'єзоелемента 2 рухомого стаякого підведений контакт 26 через щітку 25 струтора з метою підвищення надійності в запропономознімача. Контакт 27 під'єднаний до шайби 3, а ваній конструкції використовується одноконтактконтакт 28 до прокладки 11. ний струмознімач 14, котрий обертається разом з Ротор виконано з двох металевих тонкостінних валом 19. Функцію другого контакту струмознімача циліндрів 29 та 30 з підвищеною радіальною жорсвиконує сам ротор та елементи статорів. ткістю, за рахунок переходу нижньої циліндричної При підключенні контакту 26 потенціал надхочастини в дно. Циліндри з'єднані між собою через дить на щітки 25 струмознімача і далі через електультразвукоізолюючу прокладку 31 (виконану, нароконтактну прокладку 12 на перший електрод приклад, з капралону), і які можуть обертатися п'єзоелемента. навкруги вала 19 за допомогою підшипника 32. При підключенні контакту 27, потенціал надхоДва металевих циліндра ротору електрично з'єддить на шайбу 3 нерухомого статора, і далі через нані між собою за допомогою металевого гвинта електричний зв'язок "штовхачі 5 - циліндр 29 33 (або заклепки), та електрично ізольовані від гвинт 33 - циліндр 30 - штовхачі 6 - шайба 4 - провалу та корпусу за допомогою прокладки 31 та кладка 10" на другий електрод п'єзоелемента 2. воздушних проміжків. Таким чином, при збудженні п'єзоелемнта 2 за Додатково, штовхачі 5,6 можуть бути зібрані у рахунок зворотнього п'єзоелектричного ефекту в пакети, Фіг.2, 3 і перед штовхачами можуть бути ньому виникають механічні резонансні радіальні встановлені хвильові пластини - демпфери 34, коливання. За рахунок того, що п'єзоелемент 2 Фіг.4. через ультразвукопровідну прокладку 10 притисРобота пристрою здійснюється наступним чинутий до металевої шайби 4 (між ними існує акусном. тичний зв'язок), радіальні акустичні коливання пеПри підключенні контактів 27, 28 до генераторедаються через шайбу 4 в штовхачі 6. В цьому ра збудження, потенціал через металеву шайбу 3 випадку ротор загальмований фрикційним контакта металеву прокладку 9, з однієї сторони, та елетом "циліндр 29 ротора - штовхачі 5 незбудженої 7 76775 8 шайби 3", а обертальний момент формується же відрізнятися на 30%. Це пояснюється тим, що шляхом відштовхування штовхачів 6 збудженої при рівномірному розташуванні штовхачів на шайшайби 4 від циліндра 30 нерухомого ротора. Табі відбувається більш ефективний захват непраким чином, при цьому ротор нерухомий, а другий цюючою шайбою коливань штовхачів від працююстатор обертається разом з валом 19. чого статора, що знижує фрикційний контакт, і як При цьому, фрикційний контакт "циліндр 29 результат - момент самозаторможення в працююротора - штовхані 5 незбудженої шайби 3 п'єзоечому двигуні. лемента 1" повинен витримувати максимальний Додатково, Фіг.4, з метою підвищення моменту обертальний момент, розвиваємий збудженим самозаторможення в працюючому двигуні, перед п'єзоелементом 2. штовхачами або пакетом штовхачів з боку, протиЦе досягається: лежного їх нахилу в роторі, встановлена додатко1) за рахунок зменшення коливань циліндра ва пластина 34, яка фрикційно не взаємодіє з ро30 ротора, внаслідок його підвищеної жорсткості; тором і частота коливань якої не співпадає з 2) за рахунок зменшення передачі коливань частотою коливань штовхачів (її довжина відрізнявід циліндра 30 до циліндра 29, внаслідок демфується від довжини головних штовхачів). Ця додатвання цих коливань в звукоізоляційній прокладкова пластина не впливає на момент самозаторці 31; моження в непрацюючому двигуні. Але в 3) за рахунок зменшення коливань циліндра працюючому двигуні ця пластина виконує функції 29, внаслідок його завищеної жорсткості; хвильового демпферу вторинних коливань штов4) за рахунок виключення резонансного захвахачів непрацюючого статору, наприклад вторинних ту шайбою 3 коливань штовханів 5 від циліндколивань штовхачів 6 при збудженні п'єзоелеменра 29; та 1, що збільшує момент самозаторможення в 5) за рахунок демфування коливань штовханів працюючому двигуні. 5 від циліндра 29 завищеною жорсткістю п'єзоеВикористання запропонованого технічного рілемента 1. шення дозволяє підвищити робочий момент ревеДодатково, з метою підвищення моменту сарсивного п'єзоелектричного двигуна більш ніж у мозаторможення в працюючому двигуні, штовхачі 2...З рази при незмінному п'єзоелементі за рахунок можуть бути зібрані у пакети, при цьому кожен підвищення діаметра статора і ротора і пускового штовхан працює як самостійний. Дійсно, момент моменту з одного боку, та момента самозатормосамозаторможення може бути збільшений за раження з іншого, та одночасного підвищення робохунок збільшення кількості штовханів. При цьому чого момента реверсивного двигуна до рівня моштовхачі можуть бути рівномірно розташовані на мента самозаторможення, а відповідно і його КПД. шайбі (Фіг.2 ), або зібрані у пакети по декілька Також запропонована конструкція додатково підштук (Фіг.3 ). З точки зору моменту самозатормовищує електричну надійність п'єзоелектричного ження в непрацюючому реверсивному двигуні це двигуна, за рахунок переходу на електромеханічну однаково. Але з точки зору момента самозаторсхему з одним струмознімачем замість двох. моження в працюючому двигуні, цей показник мо Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601