П’єзоелектричний двигун

1 П'єзоелектричний двигун, що містить ротор і статор на основі кільцевого п'єзоелемента, одна із циліндричних поверхонь якого замкнена в оболонку, на якій встановлені штовхачі, фрикційно контактуючі з ротором, який відрізняється тим, що додатково включає другий кільцевий п'єзоелемент, кільцеві п'єзоелементи, виконані у вигляді кільцевого резонатора з радіальною формою коливань в робочому стані та підвищеною жорсткістю в радіальному напрямі в неробочому стані, зовнішня циліндрична поверхня кожного п'єзоелемента замкнена в пружну в радіальному напрямі нерезонансну металеву оболонку, а штовхачі встановлені з упором у внутрішню поверхню ротора, крім того, перший кільцевий п'єзоелемент встановлений на корпусі через звукоізолюючу прокладку, а другий - на валу через таку ж прокладку, охоплюючий їх ротор виконаний з двох металевих тонкостінних циліндрів з переходом нижньої циліндричної частини в дно, з'єднаних між собою через ультразвукоізолюючу прокладку 2 П'єзоелектричний двигун по п 1, який відрізняється тим, що кільцеві п'єзоелементи поляризовані по нормалі до їх плоских торцевих поверхонь, а електроди нанесені на плоскі торцеві поверхні 3 П'єзоелектричний двигун по п 1, який відрізняється тим, що кільцеві п'єзоелементи вибрані з умови, що частота нульової моди радіальних коливань такого резонатора знаходиться в діапазоні 20 ІЗОкГц 4 П'єзоелектричний двигун по пЗ, який відрізняється тим, що пружна нерезонансна металева оболонка виконана з умовою, що результуюча добротність кільцевого резонатора з оболонкою знаходиться в діапазоні 10 100 5 П'єзоелектричний двигун по п 1, який відрізняється тим, що один з електродів першого та другого п'єзоелементів електрично з'єднані зі своєю оболонкою, два металевих циліндри ротора електрично з'єднані між собою та електрично ізольовані від вала та корпусу, крім того, електрично не зв'язаний з металевою оболонкою електрод другого п'єзоелемента підключений до струмознімача 6 П'єзоелектричний двигун по п 1, який відрізняється тим, що електрод першого п'єзоелемента, з'єднаний з оболонкою, електрично з'єднаний з корпусом о 1 (О ю Винахід стосується області п'єзоелектричних двигунів, призначених для використання в пристроях автоматики, системах керування і контролю, робототехнічних комплексах, мікроманіпуляторах і т д Відомий п'єзоелектричний двигун [Авторское свидетельство СССР №782655, м, кл Н 01 L 41/09, 1979], що містить циліндричний ротор, кільцевий п'єзоелемент з закріпленими пластинамиштовхачами, що впираються в циліндричну поверхню ротора Недоліком даного двигуна є те, що в ньому не розглядаються питання, пов'язані з підвищенням надійності В такому двигуні штовхачі встановлюються в пази, нарізані в п'єзоелементі, що веде до передчасного розтріскання п'єзоеле мента та виходу із ладу усього двигуна Відомий п'єзоелектричний двигун реверсивного обертання ПДР-46 [Передовой опыт, №9, 1986, с 32] Двигун включає СПІВВІСНО розташовані циліндричні п'єзоелементи з штовхачами, один з котрих встановлено на корпусі, а другий - на валу, і охоплюючий їх ротор у вигляді тонкостінного циліндра Такий двигун має властивість обертати вал за часовою стрілкою та проти Це забезпечується специфічністю конструкції, суть якої полягає в розміщені в одному корпусі двох фрикційнозв'язаних двигунів, кожний з котрих працює тільки в одному напрямі При цьому передача робочого моменту в вал відбувається через фрикційний зв'язок(момент самозаторможення) штовхачів не 57167 металевих тонкостінних циліндрів з переходом нижньої циліндричної частини в дно, з'єднаних між собою через ультразвукоізолюючу прокладку Додатково кільцеві п'єзоелементи поляризовані по нормалі до їх плоских торцевых поверхнеи, електроди нанесені на плоскі торцеві поверхні, а кільцеві п'єзоелементи вибрані із умови, що частота нульової моди радіальних коливань такого резонатора знаходиться в діапазоні 20 - ІЗОкГц Результуюча добротність кільцевого резонатора з оболонкой знаходиться в діапазоні 10-100 Один з електродів першого та другого п'єзоелементів електрично з'єднано зі своєю оболонкою, два металевих циліндри ротора електричко з'єднані між собою, та електрично ізольовані від валу та корпусу, крім того, електрично не зв'язаний з металевою оболонкою електрод другого п'єзоелемента підключений до струмозйомника Додатково електрод першого п'єзоелементу, з'єднаний з оболонкою, електрично поєднаний з корпусом Сутність запропонованого технічного рішення полягає в підвищенні надійності(уникнення розтріскання п'єзоелементів) реверсивного двигуна за рахунок впровадження складеного резонатора з металевою оболонкою і встановлення штовхачів на цю оболонку з одного боку, а з другого боку - в підвищенні момента реверсивного двигуна за рахунок впровадження складеного ротора, який в комплексі зі складеним резонатором дає підвищений момент самозаторможення в працюючому двигуні Це досягається по-перше, за рахунок виключення резонансного захвату оболонкою непрацюючого п'єзоелемента коливань ротора, а по друге за рахунок зменшення коливань тієї частини ротору, яка знаходиться в зоні непрацюючого п'єзоелемента Перша особливість запропонованого технічного рішення, полягаюча в виключенні резонансного захвату оболонкою непрацюючого п'єзоелемента коливань ротора, обумовлена передусім переходом на нерезонансну металеву оболонку, тобто власна частота коливань оболонки і п'єзоелемента не повинні співпадати Але вторинні коливання, проникаючи до п'єзоелементу через оболонку, не При створенні винаходу вирішувалась задача повинні збуджувати і його А це може буди досягодночасного забезпечення підвищення надійності і нено передусім, підвищеною жорсткістю моменту реверсивного двигуна п'єзоелемента в непрацюючому стані в направЦя задача вирішувалась за рахунок того, що в ленні розповсюдження коливань(тобто в радіальвідомому п'єзоелектричному двигуні, що містить ному напрямі) 3 іншого боку, при роботі ротор і статор на основі кільцевого п'єзоелемента, п'єзоелемента, ця оболонка повинна достатньо одна з циліндричних поверхнеи якого замкнена в ефективно передавати коливання від оболонку, на котрій встановлені штовхачі, фрикп'єзоелемента у штовхачі ційно контактуючі з ротором, додатково упроваджений другий кільцевий п'єзоелемент, кільцеві У зв'язку з цим, в запропонованому технічному п'єзоелементи виконані у вигляді кільцевого резорішенні кільцеві п'єзоелементи виконані у вигляді натора з радіальною формою коливань в робочокільцевого резонатору з радіальною формою кому стані, та підвищеною жорсткістю в радіальному ливань в працюючому стані, та підвищеною жорстнапрямі в робочому стані, зовнішня циліндрична кістю в радіальному напрямі в непрацюючому стаповерхня кожного п'єзоелемента замкнена в пружні, зовнішня циліндрична поверхня якого замкнена ню в радіальному напрямі нерезонансну металеву в пружню в радіальному напрямі нерезонансну оболонку, а штовхачі впираються у внутрішню пометалеву оболонку При цьому ступінь пружності верхню ротора, крім того перший кільцевий п'єзооболонки визначається результуючою добротніселемент встановлено на корпусі через звукоізотю кільцевого резонатора з оболонкою люючу прокладку, а другий - на валу через таку ж При використанні кільцевого резонатора з рапрокладку, охоплюючий їх ротор виконаний з двох діальною формою коливань, осьова ЛІНІЯ ПЛОЩИНИ працюючого п'єзоелемента та ротора Тому момент реверсивного двигуна залежить від моменту самозаторможення, обумовленого величиною фрикційного зв'язку штовхачів непрацюючого п'єзоелемента і ротора Недоліком такого двигуна є те, що в ньому не розглядаються питання надійності, як у вищеописаному двигуні В такому двигуні штовхачі також встановлюються в пази, нарізані у п'єзоелементі, що приводить до передчасного розстріскання п'єзоелемента За прототип узятий п'єзоелектричний двигун [див UA, 01 №2575, 2612 94], що містить ротор і статор на основі кільцевого п'єзоелемента, одна з циліндричних поверхонь якого замкнена у хвильову оболонку, на котрій встановлені штовхачі Підвищення надійності в такому двигуні досягається за рахунок встановлення штовхачів на хвильову оболонку, а не безпосередньо у нарізні пази на п'єзоелементі, а резонансне узгодження власної частоти коливань оболонки з власною частотою коливань п'єзоелемента дозволяє підвищити КПД такої системи Але побудова реверсивного двигуна з такими хвильовими оболонками є малоефективною за рахунок різкого зниження момента реверсивного двигуна Дійсно, при побудові реверсивного двигуна з такими хвильовими оболонками виникає ефект хвильового фрикційного проскальзування, котрий різко знижує момент самозаторможення і як наслідок - момент самого двигуна Ефект хвильового фрикційного проскальзування обумовлений резонансним захватом хвильової оболонки непрацюючого п'єзоелемента через штовхачі коливань ротора, котрий збуджується від працюючого п'єзоелемента При цьому в зоні фрикційного контакту штовхачів і ротора(котрий в статиці визначається силою притиснення штовхачів до ротору і котрий відповідає за момент самозаторможення) виникають вторинні високочастотні коливання, котрі різко знижують фрикційний зв'язок, а отже і момент самозаторможення Таким чином, з одного боку, впроваджуючи хвильові оболонки ми підвищуємо надійність реверсивного двигуна, а з другого боку - різко знижуємо його робочий момент і внаслідок - КПД двигуна 57167 між собою через ультразвукоізоляційну прокладку перерізу кільця залишається круговою з радіусом, Причому, незалежні частини ротора мають підвиякий періодично змінюється, а набір власних часщену жорсткість до радіальної форми коливань за тот vm може бути визначений ВІДПОВІДНО З залежнірахунок ребра жорсткості, утвореного переходом стю [Справочник машиностроителя / Под редакцициліндричної частини ротора у дно ей С В Серенсена Изд Машиностроительной литературы, Москва 1962 том 3, с 417] На фігурі 2 представлено п'єзоелектричний двигун Він МІСТИТЬ В собі кільцеві п'єзоелементи 1, 2, виконані у вигляді кільцевого резонатора з раді2 m ) , ( m = 0,1,2,3- • альною формою коливань та підвищеною жорсткі2 J 2 M P .2R стю (Н = 5мм, h = 5мм, R = 7,5мм, Н/h = 1, R/H = 1,5), які поляризовані по нормалі до його плоских де Е - модуль Юнга матеріала п'єзоелементу, торцевих поверхней, П'єзоелементи виконані з R - серединний радіус кільця п'єзоелементу, матеріалу ЦТССт-3 Частота нульової моди радіальних коливань такого резонатору дорівнює 69 Рг - густина матеріалу п'єзоелементу, 71 кГц, ЗОВНІШНІ циліндричні поверхні m - номер моди коливань п'єзоелементів 1, 2 замкнені в пружні(товщиною Щоб в кільцевому резонаторі виникали радиа1мм) в радіальному напрямі нерезонансні(по відльні моди коливань, він повинен мати, з одного ношенню до п'єзоелемента) металеві оболонки З, боку визначену вісесиметричну конфігурацію, тоб4, виконані зі сталі, наприклад, 25 х 13 Частота то, відношення ширини кільця Н до його висоти h радіальних коливань таких оболонок, згідно форповинно бути не більше 3, а з іншого - повинна мули (1) для нульової моди - 80кГц і знаходиться бути рівномірна деформація по всьому кільцю, що далеко за межами резонансу п'єзоелемента Така досягається плоскою системою електродів і поляоболонка повністю відповідає і вимогам по доброризацією по нормалі до торцевих поверхонь Така тностях - ЮОмкс) Штовхачі 5 і 6 встановлені(за конфігурація п'єзоелемента забезпечує і підвищедопомогою, наприклад, пайки) на цих оболонках З, ну жорсткість в радіальному напрямі Це випадок 4 Кільцевий п'єзоелемент 1 встановлено на кортовстого кільця(1 < R/H < 10) з повздовжньою осепусі 7 через звукоізольовану прокладку 8, напривою поляризацією клад із гуми або фторопласту(з метою зменшення Експериментально встановлено, що найбільш детонації корпуса), а п'єзоелемєнт 2 встановлено ефективно пристрій на нульовій моді коливань(т = на валу 9 через таку ж прокладку 10 Охоплюючий 0), тому що на цій моді вдається досягти максимаїх ротор(штовхачі упираються у внутрішню поверльної амплитуди коливань(~ 0,01 - 1,0мкм) на ЗОВхню ротора) виконано з двох металевих тонкостінНІШНІЙ циліндричній поверхні кільцевого резонатоних циліндрів 11 та 12 з підвищеною радіальною ра, при умові, що ця мода знаходиться в діапазоні жорсткістю, за рахунок переходу нижньої цилінд20 - ІЗОкГц Тому в оболонку замкнена зовнішня ричної частини в дно Циліндри з'єднані між собою циліндрична поверхня п'єзоелемента, Подана через звукоізольовану прокладку 13(виконану, оболонка пружня в радіальному напрямі Для цьонаприклад, з капралону), і яка може обертатися го, як було встановлено експериментально, час навкруги вала 9, а кожний п'єзоелемент під'єдназатухання коливань в такому складеному кільцений до свого генерагора збудження 14 та 15 вому резонаторі в робочому діапазоні повинен складати 5 - 1 0 періодів, що в переліку на резульДодатково, один з електродів 16 першого та туючу добротність резонатора Q = 7ivox(fle vo електродів 17 другого п'єзоелементів, нанесених власна частота нульової моди коливань, х - час на плоскі торцеві поверхні, електрично з'єднано за затухання коливань в є разів) повинно складати допомогою перемички 18 та перемички 19 зі своєю величину- 10 -100 металевою оболонкою, а отже, і з штовхачами Два металевих циліндри ротора електрично з'єдТаким чином, ці параметри являються вихіднані між собою за допомогою перемички 20, приними даними для функціонування кільцевого речому металеві частини ротора електрично ізольозонатора з радіальною формою коливань, котрий вані від вала та корпуса Електричко не зв'язаний з є джерелом первинних радіальних коливань і які, металевою оболонкою електрод 17 п'єзоелемента трансформуючись в штовхачах, здуйснюють мікропереміщення ротора А з другого боку, в стані 2 підключений до струмозйомника 21, причому покою(коли працює протилежний п'єзоелемент) генератор збудження 14 п'єзоелемента 1 з'єднатака конструкція резонатора стабільно утримує ний з електродами 16 цього п'єзоелемента, а гефрикційний контакт «штовхач-ротор» нератор збудження 15 п'єзоелемента 2 з'єднаний з струмозйомником 21 та електродом 16 п'єзоелеДруга особливість запропонованого технічного мента 1, з'єднаного з оболонкою рішення полягає в зменшенні коливань тієї частини ротора, яка знаходиться в зоні непрацюючого Додатково, електрод 16 п'єзоелемента 1, з'єдп'єзоелементу Дійсно, при збуджені одного з наний з оболонкою, може електричко з'єднуватися п'єзоелементів, ультразвукові коливання, прони3 корпусом 7 за допомогою перемички 22 каючи у ротор, викликають зниження тертя між Робота прйстрію здійснюється наступним чиротором і штовхачами другого п'єзоелемента, що ном При підключенні електродів 16 п'єзоелемента значно знижує момент самозаторможення Прояв1 до генератора збудження 14, в п'єзоелемнті 1 за ляється ефект зниження тертя при накладанні на рахунок зворотнього п'єзоелектричного ефекта фрикційний контакт ультразвукових коливань виникають механічні резонансні радіальні коливання Ці коливання передаються через оболонку Тому пропонується складений ротор, котрий 3(за рахунок пружності в радіальному напрямі) в складається з двох незалежних частин, з'єднаних штовхачі 5 За рахунок взаімодм штовхачів з циліндром 11 ротора(штовхачі втановлені під гострим кутом до внутрішньої поверхні циліндра), відбувається трансформація радіальних коливань п'єзоелемента у обертання ротора Виникаючий при цьому обертальний момент, передається через фрикційний контакт "циліндр 12 ротора - штовхачі 6 п'єзоелемента 2" в вал 9 і далі в навантаження Таким чином, фрикційний контакт "циліндр 12 ротора - штовхачі 6 незбудженого п'єзоелемента 2" повинний витримувати максимальний обертальний момент, який розвивається збудженим п'єзоелементом 1 Для цього, ультразвукове коливання фрикційних елементів(ротор - штовхач незбудженого п'єзоелемента) в зоні контакту повинно бути зведено до мінімума Це досягається 1) за рахунок зменшення коливань циліндра 11 ротора внаслідок його підвищеної жорсткості, 2) за рахунок зменшення передачі коливань від циліндра 11 до циліндра 12, внаслідок демпфування їх в звукоізоляційній прокладці 13, 3) за рахунок зменшення коливань циліндра 12, внаслідок його підвищеної жорсткості, 4) за рахунок виключення резонансного захвату оболонкою 4 коливань штовхачів 6 від циліндра 12, 5) за рахунок демпфування коливань штовхачів 6 від циліндра 12 підвищеною жорсткістю п'єзоелемента 2 Усі аналогічні розміркування справедливі і для випадка протилежного(реверсивного) обертання При збудженні п'єзоелемента 2 за допомогою генератора 15 через струмозйомник 21, ротор загальмований фрикційним контактом "циліндр 11 ротора - штовхачі 5 незбудженого п'єзоелемента 1", а обертальний момент формується шляхом відштовхування штовхачів 6 збудженого п'єзоелемента 2 від циліндра 12 нерухомого ротора Таким чином, при цьому ротор нерухомий, а п'єзоелемент 2 обертається разом з валом 9 При цьому, фрикційний контакт "циліндр 11 ротора - штовхачі 5 незбудженого п'єзоелемента 1" повинен витримувати максимальний обертальний момент, розвиваємий збудженим п'єзоелементом 2 Це досягається 1) за рахунок зменшення коливань циліндра 12 ротора, внаслідок його звищеної жорсткості, 2) за рахунок зменшення пере 57167 8 дачі коливань від циліндра 12 до циліндра 11, внаслідок демфування цих коливань в звукоізоляційній прокладці 13, 3) за рахунок зменшення коливань циліндра 11, внаслідок його звищеної жорсткості, 4) за рахунок виключення резонансного захвату оболонкою 3 коливань штовхачів 5 від циліндра 11, 5) за рахунок демфування коливань штовхачів 5 від циліндра 11 звищеною жорсткістю п'єзоелемента 1 Додатково, з метою підвищення надійності в запропонованій конструкції здійснений перехід на одноконтактний струмозйомник 21 для збудження рухомого п'єзоелемента 2, котрий обертається разом з валом 9 Функцію другого контакту струмозйомника виконує сам ротор і штовхачі п'езоелементів При включенні генератора 15 п'єзоелемента 2, один потенціал надходить через струмоз'йомник 21 на електрод 17, який не з'єднаний з оболонкою Другий потенціал надходить на електрод 16(з'єднаний з оболонкою) нерухомого п'єзоелемента 1 Далі через електричний зв'язок "перемичка 18 - оболонка 3 - штовхачі 5 - циліндр 11 -перемичка 20 -циліндр 12 - штовхачі 6 - оболонка 4 - перемичка 19" потенціал надходить в другий електрод 17 п'єзоелемента 2 Додатково, з метою виключення електричних наводок при роботі п'єзоєлєментів, електрод 16 п'єзоелемента 1, з'єднаний з оболонкою, з'єднується з корпусом 7 за допомогою перемички 22, а сам корпус з'єднується з "землею" При цьому здійснюється електричне екранування самим металевим корпусом п'єзодвигуна Використання запропонованого технічного рішення дозволяє підвищити надійність реверсивного п'єзоелектричного двигуна за рахунок виключення можливості розтріскання п'єзоєлєментів і доведення його ресурсу до 1000 годин в кожну сторону обертання при забезпеченні одночасного підвищення момента реверсивного двигуна до рівня момента власного самозаторможення, а ВІДПОВІДНО І його КПД, а також додатково підвищити його електричну надійність за рахунок переходу на електромеханічну схему з одним струмозйомником замість двох, і додатково забезпечити його електромагнітну сумісність з другими видами апаратури 10 57167 U ,2 1 4j7 \20 \4 Комп'ютерна верстка І Вихованець V Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна