SU1070628A1 - Пьезоэлектрический двигатель - Google Patents

Abstract

1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ , .содержащий ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента,9 ин из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором, отличающийс  тем, что, с целью обеспечени  посто нства вращающего момента двигател  при CTsmeH4aтом изменении скорости вращени ,кольцо установлено с возможностью вращени  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 поверх- ность 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.

Description

2.Двигатель по п.1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что дл  обеспечени  реверса пластины обоих пьезоэлементов установлены под одинаковыми углами к внутренней поверхности кольца ,

3.Двигатель по .п.. 1, отличающийс  тем, что пьезоэлементы

выполнены в виде пр моугольных пьезо электрических брусков, а пластины зазакреплены на их торцах.

4. Двигатель по п.1, отличающийс  тем, что пьезоэлементы выполнены в виде дисков, а пластины закреплены на их цилиндрических поверхност х.

I

Изобретение относитс  к э лектрйческим микродвигател м и может быть использовано в лентопрот жных механизмах магнитофонов в качестве двигател  ведущего узла.

Известны пьезоэлектрические двигатели , в которых вращение ротора осуществл етс  за счет фрикционного взаимодействи  гладкой поверхности ведущего органа, содержащего пьезоэлемент , с гладкой поверхностью ведомого Органа. Двигатель представл ет собой пьезоэлемент, закреплен-; ный с помощью держателей в корпусе и прижатый к гладкой поверхности ротора ill .

Недостатком такого двигател   вл етс  то, что в нем невозможно обеспечить посто нство вращающего момента при ступенчатом изменении скорости вращени .

Известен пьезодвигатель, содержащий два пьезоэлемента, в одном из. которых возбуждаютс  продольные колебани , а в другом - изгибные. Оба пьезоэлемента прижаты к поверхности ротора и расположены по одну сторону от его оси 17.1 .

Данна  конструкци  позвол ет повысить момент на валу двигател , однако не обеспечивает его посто нство при изменении скорости.

Известен также пьезоэлектрический- двигатель, содержащий ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента , один из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьеэоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором 3 .

Ступенчатое изменение скорости вращени  может быть осуществлено либо путем ступенчатого изменени  частоты питающего напр жени , либо изменением его величины. Однако такой способ изменени  скорости вращени  двигател  приводит к тому,что при уменьшении скорости вращени  уменьшаетс  и вращающий момент двигател , что нежелательно в случае применени  двигател  дл  привода веду- . 1цего вала магнитофона. С уменьшением момента на валу двигател  резко, увеличиваетс  коэффициент детонации магнитофона . Последнее требует увеличени  момента инерции маховика или введени  электронной системы стабилизации мгновенной скорости двигател  Все это сильно усложн ет и так довольно сложную конструкцию двигател 

Цель изобретени  - обеспечение посто нства вращающего момента двигател  при ступенчатом изменении скорости вращени .

Поставленна  иель достигаетс  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 вращени  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 расположены под углами ЗО-Зо, а пластины другого пьезоэлемента расположены под углами 150-100 к внутренней поверхности колыта. .

Дл  обеспечени  реверса пластины обоих пьеэоэлементов должны быть установлены под одинаковыми углами к внутренней поверхности кольца.

Пьезоэлементы могут быть выполнены в виде пр моугольных пьезоэлектрических брусков, а пластины закреплень на их торцах.

Кроме того, пьезоэлементы могут быть выполнены в виде дисков, а пластины закреплены на их цилиндрических поверхност х.

На фиг.1 показан пьезоэлектрический двигатель} на фиг.2 - то же, пьезоэлементы выполнены в виде пр моугольных пьезоэлектрических брусков , на фиг.З - то же, пьезоэлементы выполнены в виде пьезоэлектрических дисков; на фиг.4 - расположение сил на криволинейной поверхности ротора , действующих на конце пластин.

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 из металла или керамики, упруго прижатыми к внутренней поверхности кольца 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 пунктиром ).

Двигатель работает следующим образом ..

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

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

Под действием возбуждающего электрического напр жени  пьезоэлемент периодически удлин етс  и укорачиваетс . При этом пластины 8 перемещаютс  по криволинейной поверхности кольца 7. При удлинении пьезоэлемента , пластины 8, прижатые к поверхности кольгл 7jL, несколько изгибаютс .и за счет сил трени  сообщают кольцу 7 вращаквдий момент,При этом в пластинах 8 генерируетс  волна изгибных колебаний,котора  распростран етс  вдоль пластин 8 до места их закреплени  в пьезоэлементе. Если толщина пластины 8 в 5-10 раз меньше толщины бруска пьезоэлемента (дл  дисков это всегда выполн етс ) то при укорочении пьезоэлемента волна изгиба поднимает конеи пластины 8 над поверхностью кольца 7, позвол   пьезоэлементу возвратитьс .в исходное состо ние. Таким образом, на конце пластины В взаимодействуют два типа акустических колебаний продольные и изгибные и при работе двигател  с высокими КПД конец пластины 8 движетс  по эллипсу.

Изменение скорости вращени  в двигателе осуществл етс  с помощью включени  одного или сразу же двух пьезоэлементов. Если включен пьезоэлемент 3, то кольцо 7 заторможено посредством пьезоэлемента 6, закрепленного на корпусе двигател , а пьезоэлемент 3 вращает ротор относительно заторможенного кольца 7, а

следовательно, и корпуса с одинаковой скоростью. ЕСЛИ включены оба пьезоэлемента, ±о пьезоэлемент 6 вращает кольцо 7 относительно корпуса с одной скоростью, а пьезоэлемеит 3 вращает ротор 1 относительно кольца 7 с другой. Таким образом, скорость ротора 1 относительно корпуса двигател  равна сумме двух скоростей кольца 7 относительно корпуса и ротора 1 относительно кольца 7. Возможен также случай, когда пьезоэлемент б включен, а пьезоэлемент 3 выключен . При этом ротор 1 относительно кольца 7 заторможен пьезоэлементо 3 и его скорость определ етс  скоростью кольца 7 относительно корпуса двигател . Таким образом, если параметры питающего пьезоэлементы напр жени  одинаковы, то, включа  один или два пьезоэлемента, можно в два раза уменьшать или увеличивать скорость вращени  двигател  при неизменном вращающем моменте на валу двигател  .

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

Если диаметры рабочих поверхностей кольца 7 выполнить различными дл  каждого пьезоэлемента, то может быть получено три значени  скорости вращени . Однако при этом момент не сохран етс  посто нным.

Выбор наклона пластины 8 пьезоэлементов к внутренней поверхности кольиа 7 определ ет работу двигател  с высокими характеристикс№4И.

Пусть пластины 8 прижаты к внутренней поверхности кольца 7 под углом oU (фиг.4). Вращение ротора двигател  осуществл етс  за счет силы продольных колебаний FO. пьезоэлемента . Эта сила на криволинейной поверхности кольца раскладываетс  на составл ющие: FO - силу поперечных колебаний ,Е - т нущую силу, Fj - зацепл ющую силу и - тормоз щую силу. Все эти силы св заны соотношени ми; F FoCOSdt-,

F -fbig sxncLi .S notЕсли учесть, что радиус кольца 7 равен R , то момент, развиваемый двигателем, .

M- T-FT fbSiwMfi..

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

VT VO/COSOI.. Из приведенных формул видно,4Tt с увеличением угла контакта момент, развиваемый двигателем, уменьшаетс  так как вращающа  ротор сила уменьшаетс  до 0,17F дл  угла контакта 80°, а скорость вращени  ротора воэрастает . Практически .при некотоЕмх углах контакта вращающий момент становитс  сравним с моментом трени  в подшипниках и двигатель останавливаетс . Кроме того, при больших углах контакта происходит значительное поглощение акустической энергии кольиом . Все это приводит к тому, что при углах контакта, близких к 90, двигатель работает с очень низким КПД. Дл  работы двигател  с высоким КПД необходимо чтобы конец пластины 8 двигалс  по эллипсу. Дл  этого необходимо наличие поперечной составл ющей силы FO(сила (Fo ). Соотношение сил FO и FO определ ет соотношение большой и малой осей эллипса, а также величину зацепл ющей силы Fj С уменьшением угла контакта сила F уменьшаетс . Эллипс выт гиваетс  и наступает момент, когда конец пластины 8 не может оторватьс  от неровностей поверхности кольца 7 и начинает тормозить кольцо при обратном движении. - Кроме того, с уменьшением угла контакта уменьшаетс  зацепл юща  сила FJ , котора  обеспечивает фрикционный контакт между пластинами 8 и кольцом. При углах контакта менее 30 она становитс  меньше 0,5Fe , что в сочетании с увеличением выт нутости эллипса приводит к значительному ухудшению работы двигател . Описанное аналогично и дл  пьезоэлемента , у.которого пластины 8 расположены под углом 15О-100° к внутренней поверхности кольца 7. Так как пластины 8 наход тс  под некоторым УГЛОМ к поверхности коль .ца 7, то в него проникает незначительна  часть акустической энергии пьезоэлемента. Некотора .часть энер гии отражаетс  от кольца, превраща сь в энергию волны изгибных колеба НИИ, а основна  ее часть преобразу етс  в энергию вращени  ротора. Поэтому предлагаема  конструкци  Двигател  имеет КПД до J50-60%. I Так как фрикционное взаимодействне в двигателе осуществл етс  с помощью пластин 8, дл  обеспечени  высокого ресурса работы двигател  они должны быть выполнены из твердого износостойкого материала, напри- мер из нержавеющей стали, твердых сплавов, керамики, минералокерамики , монокристаллов рубина, сапфира, корунда и прочих подвбных материалов . Выполнение пьезоэлементов в виде дисков позвол ет разместить на их цилиндрических поверхност х большое количество пластин 8, что приводит к увеличению вращающей ротор силы, а это позвол ет более чем в 10 раз .увеличить развиваемый двигателем момент. Пример . Пьезоэлектрический двигатель собирают в корпусе, изготовленном из текстолита. С одной стороны в корпус запрессовывают подшипник скольжени , с другой стороны , корпус закрывают крышкой. Крышку корпуса выполн ют также из текстолита . На крышке имеетс  цилиндрический выступ. В зависимости от формы пьезоэлемента в выступе либо выполнено сквозное пр моугольное атверстие , либо сам выступ имеет проточку , в первом варианте в отверстие вставлен пьезоэлемент в виде брусКа , во втором варианте дисковый пьезоэлемент вклеен с помощью эпоксидной смолы в проточку. Ротор двига тел  имеет стальную ось., на которой закреплен держатель пьезоэлемента, который имеет форму цилиндра со слегка заоваленной нижней частью. В нижней части держател  закреплен коллектор , выполненный в виде диска с латунными концентрически расположенными кольцами, к которым прижаты угольные щетки. Выше коллектора имеетс  отверстие, в которое вставлен пьезоэлемент в виде бруска. Во втором варианте держатель имеет проточку , в которую вклеен дисковый пьезоэлемент . Б обоих вариантах держатель выполнен из текстолита. Оба пьезоэлемента охватывают кольцо, выполненное из керамики 22ХС. Кольцо имеет внутренний диаметр 38 мм и толщину стенок 3 мм. Пьезоэлементы в виде бруска имеют размеры ,5 мм, а Пьезоэлементы в виде дисков имеют внешний диамтр 34 мм, внутренний 12 мм и толщину 3 мм. Пластины изготовлены из стали 65x13 толщиной 0,1 мм и выступают примерно на 3 мм из пьезоэлемента , в который вклеены с помощью эпоксидной смолы. Угол касани  пластин кольца составл ет примерно 30 и 150 соответственно. Скорость вращени  при напр жении 50 В дл  первого варианта двигател  составл ет 2 с , дл  второго - 1,5 при одном включенном пьезоэлементе. Момент на валу соответсвенно равен 1,5 и 20 Н см при КПД 48 и 35%. Таким образом, предлагаема  конструкци  пьезоэлектрического двигател  позвол ет ступенча-то измен ть скорость вращени  без изменени  вращающего момента, что позвол ет уменьшить коэффициент детонации магнитофона при изменении скорости прот гивани  ленты. Кроме того, сохран етс  посто нным коэффициент полезного действи  двигател  при изменении скорости его вращени , что очень важ ,но дл  переносных магнитофонов.

X

Фиг.З

Фиг. 5

Claims (4)

1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, .содержащий ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента,один из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором, отличающийся тем, что, с целью обеспечения постоянства вращающего момента двигателя при ступенчатом изменении скорости вращения,кольцо установлено с возможностью^-вращения относительно корпуса, второй пьеэоэлемент 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 расположены под углами 30-80“, а пластины другого пьеэоэлемента расположены под углами 150-100° к внутренней поверхности кольца.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения реверса пластины обоих пьезоэлементов установлены под одинаковыми углами к внутренней поверхности кольца .

3. Двигатель по π,. 1, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, а пластины за'закреплены на их торцах.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде дисков, а пластины закреплены на их цилиндрических поверхностях.