П’єзоелектричний двигун

Реферат: П'єзоелекричний двигун містить щонайменше одну п'єзоелектрично активну та пасивну частини, які встановлені з можливістю їх взаємного переміщення та взаємодії між собою за рахунок сил тертя. П'єзоелектрично активна частина містить щонайменше один осцилятор акустичних коливань з одним чи більше п'єзоелементом у формі кільця з акустично під'єднаними до нього пластинами-штовхачами, наприклад, зі сталі або кераміки. Пластиништовхачі частиною своєї поверхні безпосередньо або через пружний елемент притиснуті пристроєм, що притискує до плоскої поверхні п'єзоелемента. UA 104667 C2 (12) UA 104667 C2 UA 104667 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області п'єзоелектричних двигунів, в яких електрична енергія перетворюється в механічну за рахунок зворотного п'єзоелектричного ефекту, а трансформація механічних періодичних коливань - мікропереміщень в направлений рух відбувається за рахунок сил тертя. Такі пристрої можуть бути використані з метою отримання великої сили (лінійні двигуни), або моменту (обертальні двигуни), наприклад для обертання стрілок великих баштових годинників або лінійних транспортних засобів. Широко відомі п'єзоелектричні двигуни обертального руху (див. наприклад патенти США US 7973451, US 7816839, US 7737605, US 7211919), що містять, щонайменше, одну п'єзоелектрично-активну та пасивну частини, які встановлені з можливістю їх взаємного переміщення та взаємодії між собою за рахунок сил тертя. За найближчий аналог узято п'єзоелектричний двигун (заявка США Pub. No: US 2002/0017831 A1) в якому п'єзоелектрично активна частина містить щонайменше один осцилятор акустичних коливань з п'єзоелементом у формі кільця та штовхачами, причому відносно до плоских поверхонь п'єзоелемента пластини-штовхачі встановлені перпендикулярно. Недоліком даного найближчого аналога є те, що при такому перпендикулярному розташуванні штовхачів відносно до поверхні п'єзоелемента неможливо розробляти лінійні двигуни з великою силою та обертальні двигуни з великим пусковим моментом. Це пояснюється низькою ефективністю передачі акустичної енергії (енергії коливань) від п'єзоелемента в штовхачі. Дійсно, при перпендикулярному розташуванні площини штовхачів відносно до плоскої поверхні п'єзоелемента відбір акустичної енергії в штовхачі іде з торцевої поверхні або частини плоскої поверхні, що різко знижує ефективність такої системи. При створенні винаходу вирішувалась задача підвищення пускової сили лінійних двигунів та пускового моменту обертальних двигунів за рахунок спеціального закріплення штовхачів. Ця задача вирішувалась за рахунок того, що в відомому п'єзоелектричному двигуні, що містить щонайменше одну п'єзоелектрично активну та пасивну частини, які встановлені з можливістю їх взаємного переміщення та взаємодії між собою за рахунок сил тертя, та в якому п'єзоелектрично активна частина містить щонайменше один осцилятор акустичних коливань з одним чи більше п'єзоелементом у формі кільця з акустично під'єднаними до нього пластинамиштовхачами, наприклад, зі сталі або кераміки, пластини штовхачі частиною своєї поверхні безпосередньо або через пружний елемент притиснуті притискуючим пристроєм до плоскої поверхні п'єзоелемента. Додатково, з метою підвищення ефективності двигуна пластини-штовхачі зібрані у пакети пластин і встановлені з однієї або з обох сторін кожного п'єзоелемента та рівномірно притиснуті до них за допомогою гайково-гвинтового з'єднання, через пружні тонкі кільця, наприклад, із сталі та діаметром, меншим діаметра п'єзоелемента. Додатково, з метою підвищення ефективності двигуна перед штовхачами або кожним пакетом штовхачі в, з боку, протилежного їх наклону в двигуні встановлена додаткова упорна пластина, яка фрикційно не контактує з пасивною частиною. Додатково, з метою підвищення ефективності двигуна частота радіальних коливань п'єзоелемента співпадає з першою повздовжньою частотою коливань штовхачів по довжині. Додатково, з метою побудови обертального двигуна він споряджений щонайменше одним осцилятором та однією п'єзоелектрично активною частиною, яка встановлена в пасивній частині та обертається відносно її. Додатково, з метою розширення функціональних можливостей двигуна, а саме побудови реверсивного двигуна він споряджений двома осциляторами та двома п'єзоелектричноактивними частинами, з забезпеченням руху від кожної частини в одному напрямку. Додатково, з метою побудови реверсивного двигуна п'єзоелектрично-активні частини встановлені радіально, причому перша п'єзоелектрично-активна частина встановлена нерухомо на корпусі, друга - нерухомо на валу, а п'єзоелектрично пасивна частина виконана з можливістю обертання відносно вала та корпусу. Додатково, з метою побудови транспортних засобів дві п'єзоелектрично-активні частини встановлені паралельно по відношенню одна до одної і нерухомо на корпусі, а корпус виконаний з можливістю його переміщення відносно площини пасивної частини. Суть запропонованого технічного рішення пояснюється кресленнями, де: фіг. 1- загальна схема двигуна (вид збоку та спереду); фіг. 2 - кільцевий п'єзоелемент; фіг. 3 - пластина-штовхач; фіг. 4 - двигун з одним п'єзоелементом та осьовим фіксатором; фіг. 5 - двигун з двома п'єзоелементами та упорною пластиною; 1 UA 104667 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фіг. 6 - двигун карусельного типу; фіг. 7 - реверсивний двигун; фіг. 8 - транспортний засіб. До складу запропонованого п'єзоелектричного двигуна (фіг. 1) входять дві взаємно-рухомі частини, одна з котрих 1 є п'єзоелектрично активною і містить в собі щонайменше, один осцилятор акустичних коливань 2. Інша частина 3 є п'єзоелектрично пасивною та взаємодіє з першою частиною 1 за рахунок сил тертя (фрикційно) через підпряжені штовхачі 6, які встановлюються з уклоном відносно до пасивної частини 3. У силовому варіанті виконання двигуна (фіг.1), його осцилятор містить в собі (наприклад) чотири кільцевих п'єзоелементи 4. Кожен з п'єзоелементів поляризований по товщині - вектор  поляризації P направлений перпендикулярно до плоскої поверхні кільцевого п'єзоелемента (фіг. 2). На плоскі поверхні п'єзоелемента нанесені металеві покриття - електроди 5 для збудження п'єзоелемента. У силовому варіанті виконання (фіг. 1) всі п'єзоелементи встановлені  таким чином, що вектор поляризації P направлений в одному напрямку. Поміж п'єзоелементами (фіг. 1) встановлена одна пластина-штовхач 6, або декілька пластинштовхачів, зібраних у пакет. Штовхачі виконані у вигляді плоскої пружної металевої або керамічної пластини (фіг. 3) з внутрішнім отвором для формування осцилятора. Гвинт 7 з гайкою 8 (фіг. 1) акустично щільно підтискають штовхачі один до одного, якщо вони зібрані у пакет. Далі, штовхачі безпосередньо або через пружні тонкі кільця 9, наприклад, із сталі діаметром, меншим діаметра п'єзоелемента, акустично-щільно за допомогою того ж гвинта 7 та гайки 8 притиснуті до плоских поверхонь кільцевих п'єзоелементів 4. Гвинт 7 та гайка 8 акустично ізольовані від осцилятора 2 за допомогою шайб 10 (наприклад з картону) та тонкостінного циліндра 11 (наприклад з фторопласту). Осцилятор встановлено між двома паралельними плоскими пластинами 12 з твердого пружного матеріалу (наприклад стекло, кераміка, сталь), які в даному випадку формують статор і є невід'ємними елементами пасивної частини 3. Так як відстань між пластинами менша довжини штовхачів, то штовхачі при встановлені осцилятора у статор згинаються та забезпечують необхідний уклін та притиснення кінців штовхачів до поверхні пластин статора. Тим самим забезпечується фрикційний контакт між п'єзоелектрично активною 1 та пасивною 3 частинами. Але таке положення осцилятора 2 відносно до пластин 12 не є стійким (за рахунок пружності штовхачів 6), тому двигун обладнаний додатково фіксатором 13. Фіксатор може бути виконаний у вигляді товстої плоскої пластини 13 (фіг. 1, фіг. 5, фіг. 8), закріпленій на осциляторі 2, або у вигляді осьового фіксатору 18 (фіг. 4), у якому переміщується осцилятор. З метою уникнення злому штовхачів 6 при прикладенні зовнішньої сили F у напрямку, протилежному напрямку руху, додатково введена упорна пластина 14 на осциляторі, яка фрикційно не контактує з пасивною частиною 3 (фіг. 5). При прикладенні зовнішньої протилежної сили F штовхачі починають вигинатися, але пластина 14 працює у даному випадку як упор, який запобігає їх злому за рахунок підвищення жорсткості системи. Також ця пластина додатково підвищує рухому силу двигуна при зовнішньому навантаженні. Для підключення двигуна до джерела перемінної напруги (джерело на фігурах не показано) використовуються електричні виводи 15, які електрично з'єднані з електродами п'єзоелемента (фіг. 1). Фланець 16 (фіг. 1) використовується для побудови, наприклад, обертального двигуна карусельного типу (фіг. 6), або для інших видів двигунів, наприклад реверсивних. При побудові двигуна карусельного типу (фіг. 6) п'єзоелектрично активна рухома частина 1 закріплюється на плечі 19 за допомогою фланця 16, акустично ізольованого від осцилятора. В свою чергу плече 19 закріплене на обертальній осі 20, яка фіксована в пасивній частині 3, а саме, в пластинах 12, і обертається відносно їх. Для забезпечення реверсивного руху двигуна (фіг. 7), або повороту транспортного засобу (фіг.8) п'єзоелектричний двигун споряджений двома п'єзоелектричними активними частинами 1. Працює пристрій наступним чином. При підключенні виводів 15 (фіг. 1) до джерела збуджувальної електричної напруги перемінної частоти у п'єзоелементах 4, за рахунок зворотнього п'єзоелектричного ефекту, виникають радіальні механічні коливання. Максимум цих коливань наступає у резонансі, коли частота збуджувальної напруги співпадає з частотою власних механічних радіальних коливань п'єзоелемента. Зазвичай, ця частота знаходиться у ультразвуковому діапазоні 20-150 кГц. Амплітуда цих коливань (~ 1 мкм) тим більше, чим менше акустичні утрати на елементах його ізоляції 10, 11 від гвинта 7 та гайки 8. Тому елементи 10, 11 виконуються із акустично ізольованих матеріалів. Ці коливання безпосередньо, або через 2 UA 104667 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 тонкі пружні кільця 9 передаються у штовхачі 6, кінці яких також починають поздовжньо коливатися. Амплітуда цих коливань максимальна, коли частота радіальних коливань п'єзоелемента співпадає з першою повздовжньою частотою коливань штовхачів по довжині. Це пояснюється тим, що в даному випадку існує два зв'язаних параметрично резонатори, і коливання від одного резонатора, а це п'єзоелектричний кільцевий резонатор 4, передаються у другий резонатор плоский повздовжній резонатор 6. Ефективність передачі буде максимальна, коли їх частоти співпадають. Оскільки штовхачі 6 фрикційно під кутом взаємодіють з плоскими пластинами статора 12 пасивної частини 3, то при руху в одному напрямку вони заклинюють, а при руху в іншому напрямку вони розклинюють. Як результат цього в кожному акті коливань виникає однонаправлений імпульс руху, який приводить до переміщення п'єзоелектрично активної частини 1 відносно пасивної частини 3. З метою збільшення рухомої сили при переміщенні, штовхачі 6 набирають у пакети (фіг. 4), що підвищує силу за рахунок збільшення кількості штовхачів. Для придання направленості руху використовують плоскі фіксатори 13 або осьові фіксатори 18, які обмежують рух осцилятора у просторі в інших напрямках (фіг. 1, фіг. 4, фіг. 5, фіг. 8). Рух п'єзоелектричного осцилятора однонаправлений, тому як лінійні двигуни (фіг. 1, фіг. 4, фіг. 5) пристрої працюють в одному напрямку. З метою уникнення злому штовхачів 6 при прикладенні зовнішньої сили F y напрямку заклинювання штовхачів, упорна пластина 14 на осциляторі (фіг. 5) запобігає їх злому. З другого боку ця пластина підвищує рухому силу двигуна при зовнішньому навантаженні за рахунок зміни жорсткості штовхачів у процесі навантаження. Обертальні двигуни (наприклад) будуються шляхом розміщення п'єзоелектрично активної частини 1 на плечі 19, закріпленому на обертальній осі 20, яка фіксована в пасивній частині 3 та обертається відносно її (фіг. 6). Обертальний момент такої системи дорівнює добутку рухомої сили лінійного двигуна на довжину плеча. Це тип карусельного двигуна однонаправленого руху. Побудова реверсивного обертального двигуна може бути виконана за схемою, коли на валу одного двигуна встановлено статор іншого двигуна. В цьому випадку у двигуна щонайменше два осцилятори та дві п'єзоелектрично активні частини, причому кожна частина забезпечує рух в одному напрямку. Варіант побудови такого двигуна представлено на фіг. 7. Двигун включає дві незалежні п'єзоелектрично активні частини 1, причому одна п'єзоелектрично активна частина встановлена радіально і нерухомо на корпусі 21, а інша - радіально і нерухомо на валу 20. П'єзоелектрично пасивна частина 3 виконана в корпусі з можливістю обертання її за допомогою підшипників 23 відносно корпуса 21 та осі 20. Вісь знаходиться в підшипниках 22 (наприклад підшипники ковзання), зафіксованих у корпусі 21. При збудженні першої п'єзоелектрично активної частини, закріпленій на корпусі, виникає обертальний момент (по аналогії з нереверсивним двигуном), який починає обертати пасивну частину 3. Далі цей обертальний момент передається у другу п'єзоелектрично активну частину (котра не збуджена) за рахунок фрикційних сил (сил тертя) штовхачів другої п'єзоелектрично активної частини з пасивною частиною 3. Оскільки друга п'єзоелектрично активна частина жорстко закріплена на валу 20, то цей момент далі передається в вал та навантаження. При збудженні другої п'єзоелектрично активної частини, виникає обертальний момент, котрий намагається провернути пасивну частину 3. Однак в цьому випадку, пасивна частина 3 загальмована фрикційними силами від штовхачів першої п'єзоелектрично активної частини (котра не збуджена) та знаходиться нерухомо на корпусі. Тому виникаючий момент передається у другу п'єзоелектрично активну частину, яка жорстко закріплена на валу 20, а вал може обертатися і відносно корпусу і відносно пасивної частини 3. Таким чином, у даному випадку друга п'єзоелектрично активна частина (котра збуджена), відштовхується від нерухомої (фрикційно загальмованої) пасивної частини 3, а обертальний момент передається у другу п'єзоелектрично активну частину, і далі у вал та навантаження. Монтаж двох п'єзоелектрично активних частин 1, установлених паралельно та нерухомо на загальному корпусі 21, дає можливість побудувати двигун, котрий може використовуватись як керований транспортний засіб (фіг. 8). При цьому корпус виконується з можливістю його плоскопаралельного переміщення відносно пасивної частини 3, за рахунок колісних пар, встановлених на фіксаторах 13. Керування в цьому випадку здійснюється (наприклад) за рахунок зміни напруги збудження одного з осциляторів. Якщо збудження обох осциляторів однакове, то транспортний засіб рухається по прямій. Якщо збудження різне, то засіб починає рухатися по криволінійній траєкторії і виконується розворот. 3 UA 104667 C2 Використання запропонованого технічного рішення дозволяє побудувати п'єзоелектричні лінійні двигуни з пусковою силою до 1000 Н, п'єзоелектричні обертальні двигуни з пусковим моментом до 500 Н*м, та транспортні засоби з рівнем навантаження до 1000 Н. 5 10 15 20 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. П'єзоелектричний двигун, що містить щонайменше одну п'єзоелектрично активну та пасивну частини, які встановлені з можливістю їх взаємного переміщення та взаємодії між собою за рахунок сил тертя, та в якому п'єзоелектрично активна частина містить щонайменше один осцилятор акустичних коливань з одним чи більше п'єзоелементом у формі кільця з акустично щільно під'єднаними до нього пластинами-штовхачами, наприклад, зі сталі або кераміки, який відрізняється тим, що пластини-штовхачі частиною своєї поверхні безпосередньо або через пружний елемент притиснуті притискуючим пристроєм до плоскої поверхні кільцевого п'єзоелемента. 2. П'єзоелектричний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що пластини-штовхачі зібрані у пакети пластин і встановлені з однієї або з обох сторін кожного п'єзоелемента та рівномірно притиснуті до них за допомогою гайково-гвинтового з'єднання, через пружні тонкі кільця, наприклад із сталі, діаметром менше діаметра п'єзоелемента. 3. П'єзоелектричний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що перед штовхачами або кожним пакетом штовхачів, з боку, протилежного їх наклону в двигуні, встановлена додаткова упорна пластина, яка фрикційно не контактує з пасивною частиною. 4. П'єзоелектричний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що частота радіальних коливань п'єзоелемента співпадає з першою повздовжньою частотою коливань штовхачів по довжині. 5. П'єзоелектричний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що п'єзоелементи в осциляторі встановлені таким чином, що вектор їх поляризації направлений в одну сторону. 4 UA 104667 C2 5 UA 104667 C2 6 UA 104667 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 7