Пьезоэлектрический двигатель

Пьезоэлектрический двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ , .содержащий ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента,9яин из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором, отличающийся тем, что, с целью обеспечения постоянства вращающего момента двигателя при CTsmeH4aтом изменении скорости вращения,кольцо установлено с возможностью вращения относительно корпуса, второй пьезоэлемент закреплен на корпусе, и о.ба пьезоэлемента снабжены пластинами , упруго прижатыми к внутренней поверхности кольца так,что их плоскости пересекают внутреннюю поверхность кольца по образующим, причем ;jw пластины одного пьезоэлемента расположены под углами 30-80, а пластины другого пьезоэлемента расположены IC под углами 150-100 к внутренней повёрхности кольца.

СОЮЭ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

И9) (И) 3659 Н 01 Ь 41 08

ГОСУДАРСТНЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

?<.%0НМИМР

0А,, . ММъа«, 1416 ð. (21) 2802859/18-25 (25) 2803598/18-25 (22) 27.07.79 (46) 30.01.84. Бюл.9 4 (72) О.Л.Бойченко, В.С.Вишневский, И.A.Êàðòàøåâ, В.С.Коваль и В.В.Лавриненко (71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (53) 537.228.1(088.8) 56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 217509, кл. Н 02 N 41/00, 1965.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2085133/25,кл.Н 01 L 41/08, 1974., 3. Авторское свидетельство СССР

М 620154, кл. Н 01 L 41/10, 1973 (прототип). (54 ) (57 ) 1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, .содержащий ротор, установЛенный в корпусе, два пьезоэлемента, один из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения постоянства вращающего момента двигателя при ступенчатом изменении скорости вращения, кольцо установлено с воэможностью вращения относительно корпуса, второй пьезоэлемент закреплен на корпусе, и оба пьезоэлемента снабжены пластинами, упруго прижатыми к внутренней поверхности кольца так, что их плоскости пересекают внутреннюю поверх- Я ность кольца по образующим, причем пластины одного пьезоэлемента расположены под углами 30-80, а пластины другого пьезоэлемента расположены под угламн 150-100 к внутренней поверхности кольца.

1070628

2. Двигатель по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что для обеспечения реверса пластины обоих пьезоэлементов установлены под одинаковыми углами к внутренней поверхности коль11G °

3. Двигатель по п,.1, о т л и ч а ю шийся тем, что пьезоэлементы!

Изобретение относится к электрическим микродвигателям и может быть использовано в лентопротяжных механизмах магнитофонов в качестве двигателя ведущего узла. 5

Известны пьезоэлектрические двигатели, в которых вращение ротора осуществляется за счет фрикционного . взаимодействия гладкой поверхности ведущего органа, содержащего пьезоэлемент, с гладкой поверхностью ведомого органа ° Двигатель представляет собой пьезоэлемент, закреплен-. ный с помощью держателей в корпусе и прижатый к гладкой поверхности ротора g1l .

Недостатком такого двигателя яв. ляется то, что в нем невозможно обеспечить постоянство вращающего момента при ступенчатом изменении скорости вращения. 20

Известен пьезодвигатель, содержащий два пьезоэлемента, в одном из, которых возбуждаются продольные колебания, а в другом — изгибные. Оба пьезоэлемента прижаты к поверхности 25 ротора и расположены по одну сторону от его оси f?l.

Данная конструкция позволяет повысить момент на валу двигателя, однако не обеспечивает его постоян- 30 ство при изменении скорости.

Известен также пьезоэлектрический-двигатель, содержащий ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента, один из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором (31 .

Ступенчатое изменение скорости вращения может быть осуществлено либо путем ступенчатого изменения час-. тоты питающего напряжения, либо изменением его величины. Однако такой способ изменения скорости вращения двигателя приводит к тому,что при уменьшении скорости вращения умень-. 45 шается и вращающий момент двигателя, что нежелательно в случае применения двигателя для привода ведуЧцего вала магнитофона. С уменьшением момента на валу двигателя резко уве- 50 выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, а пластины зазакреплены на их торцах.

4. Двигатель по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде дисков, а пластины закреплены на их цилиндрических поверхностях.

2 личивается коэффициент детонации маг-нитофона, Последнее требует увеличения момента и нерции махо ви к а или вв едения электронной системы стабилизации мгновенной скорости двигателя.

Все это сильно усложняет и так довольно сложную конструкцию двигателя.

Цель изобретения — обеспечение постоянства вращающего момента двигателя при ступенчатом изменении скорости вращения.

Поставленная пель достигается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента, один из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором, кольцо установлено с возможностью вращения относительно корпуса, второй пьезоэлемент закреплен на корпусе и оба пьезоэлемента снабжены пластинами, упруго прижатыми к внутренней поверхности кольца так, что их плоскости пересекают внутреннюю поверхность кольца по образующим, причем пластины одного пьезоэлемента pacnod ложены под углами 30-80, а пластины другого пьезоэлемента расположены под углами 150-100 к внутренней поверхности кольна.

Для обеспечения реверса пластины обоих пьезоэлементов должны быть установлены под одинаковыми углами к внутренней поверхности кольца.

Пьезоэлементы могут бь1ть выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, а пластины закреплены на их торцах.

Кроме того, пьезоэлементы могут быть выполнены в виде дисков, а пластины закреплены на их цилиндрических поверхностях, На фиг.1 показан пьезоэлектрический двигатель, на фиг.2 — то же, пьезоэлементы выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, на фиг.3 — то же, пьезоэлементы выполнены в виде пьезоэлектрических дисков, на фиг.4 — расположение сил на криволинейной поверхности ротора, действующих на конце пластин, 1070628

60

65 которыми снабжены пьезоэлементы, на фиг.5 — разложение скоростей.

Пьезоэлектрический двигатель содержит ротор 1, установленный в корпусе 2 с закрепленным на роторе 1 пьезоэлементом 3 и коллектором 4, к которому подключены выводы 5 от пьезоэлемента 3. На корпусе 2 закреплен второй пьезоэлемент 6. Кольцо

7 охватывает пьезоэлементы 3 и 6.

Оба пьезоэлемента 3 и 6 снабжены пластинами 8, выполненными, например иэ металла или керамики, упруго прижатыми к внутренней поверхности коль ца 7. Пластины 8 пьезоэлементов 3 и

6 расположены под углами 30-80 и

150-100 соответственно к внутренней поверхности кольца 7, либо под одинаковыми углами (показано пунк.тиром).

Двигатель работает следующим образом.

В одном или сразу двух пьезоэлементах 3 и 6 возбуждают акустические колебания: продольные колебания по длине брусков, если пьезоэлементы в виде пьезоэлектрических брусков, и радиальные колебания, если пьезоэлементы выполнены в виде пьезоэлектрических дисков.

При выполнении пьезоэлементов в виде пьезоэлектрических брусков двигатель работает следующим образом.

Под действием возбуждающего электрического напряжения пьезоэлемент периодически удлиняется и укорачивается. При этом пластины 8 перемещаются по криволинейной поверхности кольца 7. При удлинении пьезоэлемента.пластины 8, прижатые к поверхности кольца 7 несколько изгибаются и эа счет сил трения сообщают кольцу 7 вращающий момент,При этом впластинах 8 генерируется волна изгибных колебаний, которая распространяется вдоль пластин 8 до места их . закрепления в пьезоэлементе. Если толщина пластины 8 в 5-10 раз меньше толщины бруска пьезоэлемента (для дисков это всегда выполняется), то при укорочении пьезоэлемента волна изгиба поднимает конец пластины 8 над поверхностью кольца 7, позволяя пьезоэлементу возвратиться.в исходное состояние. Таким образом, на конце пластины 8 взаимодействуют два типа акустических колебаний —продольные и изгибные, и при работе двигателя с высокими КПД конец пластины 8 движется по эллипсу.

Изменение скорости вращения в < двигателе осуществляется с помощью включения одного или сразу же двух пьезоэлементов. Если включен пьезоэлемент 3, то кольцо 7 заторможено посредством пьезоэлемента 6, закрепленного на корпусе двигателя, а пьезоэлемент 3 вращает ротор относительно заторможенного кольца 7, а

50 следовательно,-и корпуса с одинаковой скоростью. Если включены оба пьезоэлемента, Фо пьезоэлемент 6 вращает кольцо 7 относительно корпуса с одной скоростью, а пьезоэлемент

3 вращает ротор 1 относительно кольца 7 с другой. Таким образом, скорость ротора 1 относительно корпуса двигателя равна сумме двух скоростей кольца 7 относительно корпуса и ротора 1 относительно кольца 7. Возможен также случай, когда пьезоэлемент 6 включен, а пьезоэлемент 3 выключен. При этом ротор 1 относительно кольца. 7 заторможен пьезоэлементом

3 и его скорость определяется скоростью кольца 7 относительно корпуса двигателя. Таким образом, если параметры питающего пьезоэлементы напряжения одинаковы, то, включая один или два пьезоэлемента, можно в два раза уменьшать или увеличивать скорость вращения двигателя при неизменном вращающем моменте на валу двигателя.

Если углы наклона пластин обоих пьезоэлементов одинаковы (Йоказано пунктиром), то включение одного или другого пьезоэлемента обеспечивает вращение ротора в противоположные стороны.

Если диаметры рабочих поверхностей кольца 7 выполнить различными для каждого пьезоэлемента, то может быть получено три значения скорости вращения. Однако прн этом момент не сохраняется постоянным.

Выбор наклона пластины 8.пьезоэлементов к внутренней поверхности кольца 7 определяет работу двигателя с высокими характеристиками.

Пусть пластины 8 прижаты к внутренней поверхности кольца 7 под углом dÜ (фиг.4). Вращение ротора двигателя осуществляется за счет силы продольных колебаний Г,. пьезоэлемента. Эта сила на криволинейной поверхности кольца раскладывается на составляющие: F, — силу поперечных колебаний,F — тянущую силу, F - зацепляющую силу и F — тормозящую силу. Все эти силы связаны соотношениями: F P

f - f у4 >

F> =Pо .р «q / sin<

Если учесть, что радиус кольца 7 равен R, то момент, развиваемый двигателем, " (+т "т)Ж =4 " -оз

При удлинении конца пластины 8 пьезоэлемента со скоростью у (фиг.5) скорость точки ее соприкосновения с кольцом 7 вдоль касательной

Vy =Чо / об -.

1070628

Из приведенных формул видно,чт с увеличением угла контакта момент, развиваемый двигателем, уменьшается, так как нращающая ротор сила уменьшается до 0,17У для угла контакта

80, а скорость вращения ротора воз-.. 5 растает. Практически при некоторых . углах контакта вращающий момент становится сравним с моментом трения в подшипниках и двигатель останавлива-, ется. Кроме того, при больших углах !0 контакта происходит значительное поглощение акустической энергии коль.цом. Все это приводит к тому, что при углах контакта, близких к 90, двигатель работает с очень низким !5

КПД.

Для работы двигателя с высоким

КПД необходимо чтобы конец пластины

8 двигался по эллипсу. Для этого необходимо наличие поперечной состанляющей силы F (сила L,Fo ). Соотношение. сил F, и F, определяет соотношение большой и малой осей эллипса, а также величину зацепляющей силы Уз .

С уменьшением угла контакта сила F, уменьшается. Эллипс вытягивается и наступает момент, когда конец пластины 8 не может оторваться от неровностей поверхности кольца 7 и начинает тормозить кольцо при обратном движении.

Кроме того, с уменьшением угла контакта уменьшается зацепляющая сила F которая обеспечивает фрикционный контакт между пластинами 8 и кольцом. При углах контакта менее 30 35 она становится меньше 0,5F, что в сочетании с увеличением вытянутости

1 эллипса приводит к значительному ухудшению работы двигателя.

Описанное аналогично и для пьеэо- 40 .элемента, у.которого пластины 8 расположены под углом 150-100 к внутренней поверхности кольца 7.

Так как пластины 8 находятся под некоторым углом к поверхности кольца 7, то н него проникает незначительная часть акустической энергии пьезоэлемента. Некоторая часть энергии отражается от кольца, превраща- . ясь в энергию волны изгибных колебаний, а основная ее часть преобразу ется в энергию вращения ротора. Поэтому предлагаемая конструкция двигателя имеет КПД до 50-60%.

Так как фрикционное взаимодействие в двигателе осуществляется с помощью пластин 8, для обеспечения высокого ресурса работы двигателя они должны быть выполнены из твердого износостойкого материала, напри 60 мер из нержавеющей стали, твердых сплавов, керамики, минералокерамики, монокристаллов рубина, сапфира, корунда и прочих подббных материалов. 65

Выполнение пьезоэлементов в виде дисков позволяет разместить на их цилиндрических поверхностях большое количество пластин 8, что приводит к увеличению вращающей ротор силы, а это позволяет более чем в

10 раз увеличить развиваемый двигателем момент.

Пример . Пьезоэлектрический двигатель собирают в корпусе, изготовленном иа текстолита. С одной стороны в корпус запрессонынают подшипник скольжения, с другой стороны корпус закрьвают крышкой. Крышку корпуса выполняют также из текстолита. На крышке имеется цилиндрический выступ. В зависимости от формы пьезоэлемента в выступе либо выполнено скнозное прямоугольное отверстие, либо сам выступ имеет проточку. В первом варианте в отверстие нстанлен пьезоэлемент в виде брусКа, во втором варианте дисковый пьезоэлемент вклеен с помощью эпоксидной смолы в проточку. Ротор двига теля имеет стальную ось., на которой закреплен держатель пьезоэлемента, который имеет форму цилиндра со слегка заоваленной нижней частью. В нижней части держателя закреплен коллектор, выполненный н виде диска с латунными концентрически расположенными кольцами, к которым прижаты угольные щетки. Выше коллектора имеется отверстие, н которое вставлен пьезоэлемент в виде бруска. Во втором варианте держатель имеет проточку, в которую вклеен дисковый пьезоэлемент. В обоих вариантах держатель выполнен из текстолита. Оба пьезоэлемента охватывают кольцо, выполненное иэ керамики 22ХС. Кольцо имеет внутренний диаметр 38 мм и толщину стенок 3 мм. Пьезоэлементы в виде бруска имеют размеры 34»7»3,5 мм, а пьезоэлементы в виде дисков имеют внешний диамтр 34 мм, внутренний 12 мм и толщину 3 мм. Пластины изготовлены из стали 65х13 толщиной 0,1 мм и выступают примерно на 3 мм иэ пьезоэлемента, в который вклеены с помощью эпоксидной смолы. Угол касания пластин кольца составляет примерно 30 и 150 соответственно. Скорость вращения при .напряжении 50 В для первого варианта двигателя составляет.

2 с, для второго — 1,5 с при одном включенном пьезоэлементе. Момент на . валу соотнетсвенно равен 1,5 и

20 Н см при КПД 48 и 35%.

Таким образом, предлагаемая кон:струкция пьезоэлектрического двигателя позволяет ступенчато изменять скорость вращения без изменения вращающего момента, что позволяет уменьшить коэффициент детонации магнито1070628

Фиг 2

Фи5

Фиг.

Составитель Т.Щукина

Редактор Л.Пчелинская Техред N.Tenep Корректор B. Бутяга

Заказ 11695/50 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r,.Óæãîðîä, ул.Проектная,4 фона при изменении скорости протягивания ленты. Кроме того, сохраняется постоянным коэффициент полезного действия двигателя при изменении скорости его вращения, что очень важ,но для переносных магнитофонов.