П’єзоелектричний двигун

Реферат: П'єзоелектричний двигун містить ротор, який фрикційно взаємодіє зі статором, котрий містить п'єзоелемент у формі бруска або пластини з електродами для збудження поздовжніх по довжині бруска коливань. Вісь п'єзоелектричного бруска суміщена з віссю ротора. П'єзоелемент оснащений додатковими електродами для збудження деформації зсуву по контуру перерізу. UA 85262 U (12) UA 85262 U UA 85262 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехніки, зокрема до п'єзоелектричних резонансних ультразвукових моторів, і може бути використана як прямі (безредукторні) приводи різних механізмів, таких як інжектори двигунів внутрішнього згоряння та ін. У відомих п'єзоелектричних двигунах з фрикційною взаємодією ротора зі статором з п'єзоелементом у формі бруска або пластини з електродами для збудження поздовжніх по довжині бруска коливань (патент США № 4.019.073) вісь бруска розташована перпендикулярно до осі обертання ротора, виконаного у вигляді тіла обертання. Таке розташування п'єзоелемента і ротора необхідно для збудження поперечних коливань (коливань вигину), які, складаючись з поздовжніми, створюють крутний момент. При цьому поздовжні коливання є тягнучими коливаннями, а коливання вигину, які значно менші за поздовжні, змінюють зусилля притиску п'єзоелемента до ротора. Частота обертання таких двигунів тим більша, чим більша амплітуда поздовжніх коливань і чим менший діаметр ротора. Недоліком таких аналогів є те, що амплітуду коливань можна збільшувати лише до тих пір, поки п'єзоелемент не зруйнується. Також при діаметрі ротора менше 3 мм робота двигуна стає нестійкою. З наведених причин частота обертання аналогів не перевищує 6000 обертів на хвилину. В основу корисної моделі поставлено задачу збільшення швидкості обертання ротора п'єзоелектричного двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що вісь п'єзоелектричного бруска суміщена з віссю ротора, а п'єзоелемент оснащений додатковими електродами для збудження деформації зсуву по контуру перерізу. Особливістю крутильних коливань в бруску є те, що їх частота резонансу не залежить від поперечних розмірів бруска, а граничний кут повороту перерізу тим більший, чим менший поперечний розмір. Тому, якщо зробити крутильні коливання тягнучими, а поздовжні коливання - такими, що змінюють зусилля притискання ротора до статора, то граничні швидкості обертання двигуна зростають у декілька разів. Швидкість обертання ротора можна додатково збільшити, за рахунок того, що статор виконаний у вигляді концентратора крутильних коливань по довжині бруска з концентрацією коливальної швидкості в частині статора, що взаємодіє з ротором. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де схематично показана конструкція п'єзоелектричного двигуна при його роботі в складі паливного інжектора двигуна внутрішнього згоряння. Ротор 1 п'єзоелектричного двигуна у вигляді круглого стрижня за рахунок пружини 2, закріпленої на корпусі двигуна, притиснутий своїм торцем до торця 3 статора 5. Іншим торцем статор через гумову прокладку 4 також закріплений до корпусу двигуна (корпус двигуна на фігурі не показаний). П'єзоелектричний осцилятор 6, у вигляді вузького бруска, є активною частиною статора і забезпечує збудження одночасно поздовжніх і крутильних коливань по довжині статора (напрямок поляризації Р на фігурі позначено стрілкою). Плоскі електроди 7 з виводами 8, перпендикулярні напрямку поляризації, служать для збудження поздовжніх по довжині деформацій, а пласкі електроди 9 із виводами 10, паралельні напрямку поляризації, служать для збудження зсувних деформацій в частині п'єзоелемента, обмеженої цими електродами. На одному з торців п'єзоелемента подовжньо співвісно з ним закріплена зносостійка накладка 11 (наприклад, у вигляді стрижня) із звукопровідного матеріалу, наприклад з алунду або високоглиноземистої кераміки. Торець цього стрижня фрикційно сполучений з торцем ротора. У роторі виконана вузька щілина 12 (0,3 мм), розташована навпроти такої ж наскрізної щілини у бронзовому підшипнику 13, що охоплює ротор, та закріплений в корпусі двигуна. До двох щілин підшипника приєднано два трубопроводи 14. Пристрій обладнано фіксатором кутового положення ротора у вигляді вилки 15, закріпленої на корпусі двигуна, і штиря 16, закріпленого на роторі. Фіксатор кутового положення обмежує при необхідності кутове переміщення ротора і забезпечує можливість керування реверсом двигуна. На фігурі також показані епюри коливальних швидкостей поздовжніх V1 і крутильних V2 коливань по довжині бруска. Працює пристрій таким чином. Електрична напруга від двох синфазних джерел змінної напруги однієї частоти через виводи 8 і 10, як показано на фігурі, подається на електроди 7 і 9. У п'єзоелементі 6 під електродами 7 за рахунок зворотного п'єзоефекту збуджуються подовжні деформації, а під електродами 9 - деформації зсуву. І ті й інші деформації поширюються по довжині статора 5, багаторазово відбиваються від його торців і утворюють стоячі хвилі поздовжніх і крутильних коливань. Торець зносостійкої накладки 11, притиснутий пружиною 2 до ротора 1, здійснює обертальний рух, який передає ротору і одночасно викопує поздовжні переміщення уздовж осі бруска. Оскільки частоти механічних резонансів поздовжніх і крутильних коливань не збігаються, то між ними завжди є частота, для якої зсув фаз близький 1 UA 85262 U 5 10 15 20 або дорівнює 90 градусів. Ця частота і є робочою частотою п'єзоелектричного двигуна. При такому зсуві фаз торець 3 статора 5 зчеплений з ротором тільки при одному напрямку обертання торця ротора. Завдяки цьому ротор робить мікрококи завжди в одному напрямку. Для того, щоб змінити напрямок обертання двигуна потрібно змінити фазу на 180 градусів одного з двох джерел напруги. Корисна модель експериментально підтверджена на зразку, осцилятор якого, як і показано на кресленні, розраховували з умови збудження першої моди поздовжніх і третьої моди крутильних коливань. П'єзоелемент у вигляді бруска довжиною 50 мм з матеріалу ЦТБС-3, закріплений в корпусі через гумову прокладку 4, розганяв ротор до 20 тисяч обертів на хвилину на частоті збудження 39 кГц при власних частотах резонансу першої моди поздовжніх коливань 38,1 кГц і третьої моди крутильних коливань 39,9 кГц. Для отримання ефекту концентрації акустичної енергії і за рахунок цього збільшення швидкості обертання перетин бруска на одній чверті його довжини було зменшено в три рази. При цьому, оскільки керамічний матеріал мас відносно низьку міцність на розрив, як тонку частину статора використовували зносостійку накладку 11. Ротор з вузькою осьовою щілиною 12, виконаний з такого ж матеріалу як і зносостійка накладка і встановлений в бронзовому підшипнику 13, при діаметрі 3 мм має низький момент інерції. Завдяки чому він встигає провернутися за долі мілісекунд на кут, достатній для перекриття щілини і тим самим перекрити потік рідини в трубопроводі 14. Штир 16 і вилка 15 обмежують при необхідності кутове переміщення ротора. При частоті перемикань понад 1000 Гц двигун може знайти застосування і для вирішення інших технічних задач. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 П'єзоелектричний двигун, що містить ротор, який фрикційно взаємодіє зі статором, котрий містить п'єзоелемент у формі бруска або пластини з електродами для збудження поздовжніх по довжині бруска коливань, який відрізняється тим, що вісь п'єзоелектричного бруска суміщена з віссю ротора, а п'єзоелемент оснащений додатковими електродами для збудження деформації зсуву по контуру перерізу. 2 UA 85262 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3