интенсивности воздействия факторов и других данных. В справочной литературе приводятся данные регламентированные ГОСТом, снятые на типовых стандартных образцах, при воздействии слабых электрических полей и в нормальных условиях окружающей среды (Т=25±10°С, влажность 65±15%, давление 105±4-103 Па).
Особенности конструкций пьезодвигателей
Внастоящее время на практике применяется большоеразнообразие пьезоэлектрических двигателей, отличающихся по своему характеру создаваемых пермещений, конструкции, диапазонам перемещений и т.д. Представляется возможным подразделить их на три основные группы:
Резонансные двигатели (ударного действия)
Силовые двигатели с ограниченным диапазоном угловых и линейных перемещений.
Шаговые двигатели микроманипуляторы.
К первой группе относятся устройства, в которых осуществляется ударное взаимодействие между "статором" и "ротором" в зоне их контакта. Подвижная часть приводится в движение под действием ударных импульсов следующих с частотой равной собственной частоте пьезоэлемента. Частота собственных колебаний может доходить до нескольких Мгц.
Конструктивно статор 1 (или ротор, или оба
совместно)представляют собой пьезорезонатор, преобразующий электрическую энергию в механическую. Статор и ротор 2 прижаты друг к другу силой Fn , которая создается упругим предварительно напряженным
элементом 3. На статоре в месте соприкосновения с ротором крепится опора из износостойкого материала 4(например, алунда), акустически согласованная с пьезорезонатором. Геометрическая форма пьзорезонатора может быть разнообразной: пластины, стержни, спирали, диски, полые цилиндры. Пьезорезонаторы крепятся к опорам в точках колебательной скорости с помощью акустически изолирующего материала. Произведение толщины материала на модуль Юнга должно быть не менее, чем в 10 раз меньше соответствующего значения пьезорезонатора ( например, фторопласт, резина, дерево). К электродам пьезорезонатора подводится переменное напряжение возбуждения UB. Под действием напряжения пьезорезонатор совершает механические колебания вдоль своей длины ( в других конструкциях могут быть использованы изгибные, крутильные и др. колебания) и совершает микроудары по ротору, передавая ему полезный момент. Ротор приводится во вращение. Нужно сказать, что величина полезного момента невелика, кроме того при контактном сцеплении пьезорезонатора и подвижной части может происходить их проскальзование относительно друг друга. Это приводит к износу, снижению КПД и точности отработки перемещений. Развиваемая мощность таких двигателей находится в диапазоне от 1 до 10 Вт и по сравнению с микромашинами такой же мощности они имеют ряд преимуществ: более высокие динамические свойства, высокая разрешающая способность по перемещению, в 1,5 - 2 раза лучшие массогабаритные показатели, они имеют высокую равномерность вращения и более широкий частотный диапазон отработки внешних воздействий. Наиболее перспективной областью их применения являются различные электромеханические системы лентопротяжки.
Ко второму типу относятся пьезодвигатели линейных и угловых перемещений, работающие соответственно в субмикрометровом и микрометровом, секундном и минутном диапазонах. Причем, их частотный диапазон ограничен областью до первого электромеханического резонанса. Хотелось бы остановится на трех базовых конструкциях, которые заложены в основу большинства современных пьезо двигателей. К ним относятся:
Составная пакетная конструкция.
Биморфная конструкция.
3. Дифференциальная конструкция.
Пакетная конструкция представляет собой набор из отдельных пьезоэлементов (шайб, дисков, цилиндров), число которых может
находиться до 200 шт ( по старой технологии) и 1500 – по новой, и определяется требуемымдиапазоном перемещений. Пакет формируют склеиванием однополярных поверхностей, соединяя их механически последовательно, а электрически параллельно. Допустимая напряженность электрического поля пьезокерамики около 1-2 кВ/мм, следовательно для уменьшения управляющего напряжения необходимо уменьшать толшину пьезоэлемента (обычно она находится в пределах от 0,3 до 0,6 мм). При этом максимальное значение напряжения управления составляет 300 - 600 В. Электрическая емкость двигателя зависти от его конструкции (количество элементов, их толщина, площадь поверхности, диэлектрическая проницаемость материала) и составляет 0,02-5 мкФ. Для повышения механической жесткости, выборки внутренних межэлектродных зазоров пакет обычно помещают в упругий корпус, в котором предусмотрена возможность его предварительного сжатия. На рис. 10.2 представлена конструкция такого двигателя. Пьезопакет 2 состоит из пьезодисков и силопередающих
3 4 5 6 7
прокладок 4. Он устанавливается в корпусе 1 между винтом 3 и штоком 7. Механический контакт штока и винта с силопередающими прокладками осуществляется через стальные центрирующие шарики. Тарелочная пружина 6 служит для обеспечения предварительного сжатия пакета при повороте винта 3. Такой двигатель может развивать достаточно большие усилия (до 200 Н) и служит для линейных микроперемещений объектов с достаточно большой массой (десятки кг). Его частотный диапазон ограничен собственным электрожюмеханическим резонансом (1-2 кГц), величина которого зависит от массы перемещаемого объкта. Диапазон перемещения от 2 до 50 мкм (зависит от количества элементов).
Тогда можно записать уравнение обратного пьезоэффекта, накотором основан принцип действия пьезоэлектрических двигателей:
Впьезоэлектрических двигателях основные усилия действуют внаправлении рабочего перемещения. При этом появляется возможность рассматривать приближенную одномерную модель движения только вдоль интересующего нас направления (например, вдоль оси 3) вне связи с динамикой пьезосреды по другим осям. Для этого случая все буквенные индексы в уравнении могут быть заменены на 3:
где механическое напряжение в образце, направленное по оси 3. Зная значение пьезомодуля керамики, из которой изготовлен пьезоэлемент можно определить относительную деформацию образца по оси 3 для случая не зажатого элемента при <тз=0.
Для управления пьезоэлементами, обычно, требуется создание интенсивного электрического поля с напряженностью Етах=10 В/м. Источник напряжения 300-600 В создает такую напряженность в пластине толщиной 0,3 - 1 мм. Абсолютное изменение толщины пластины составит 0,05 - 0,3 мкм.
Характеристики пьзоматериалов. Функциональные возможности пьезоэлементов и их характеристики существенно зависят от свойств пьезоматериалов. При выборе материала для пьезоэлектрических двигателей основное внимание уделяют следующим параметрам:
dy - пьезомодуль (по направлению рабочих деформаций) определяет рабочий диапазон перемещений.
Кэм- коэффициент электромеханической связи характеризует эффективность преобразования электрической энергии, подводимой к материалу, в механическую.
Yjj - модуль Юнга определяет упругие и резонансные свойства материала.
QM - механическая добротность влияет на степень затухания колебательных процессов.
Статическая характеристика имеет гистерезисный характер, значение которого находится в пределах 10 -30 % и определяется главным образом свойствами пьезоматериала, степенью предварительного сжатия пакета и величиной управляющего напряжения.
Биморфная конструкцияиспользуется для увеличения диапазона линейных перемещений (до ед. мм) и получения угловых перемещений объектов небольшой массы до десятков грамм. Простейшая биморфная конструкция рис. 10.3 представляет собой две склеенные между собой пьезоэлектрические пластины, напряжение управления на которые подается таким образом, чтобы одна из них сокращалась, а другая расширялась. При этом происходит изгиб всей конструкции (по аналогии с биметаллической пластиной). Если конструкция закреплена только с одной стороны рис.10.3,а), то свободный конец совершает угловые перемещения, а если с двух сторон рис. 10.3,6), то центральная ее часть совершает линейные перемещения, равные прогибу всей конструкции.
Возможна компановка биморфной конструкции, когда один из элементов пьезопассивен т.е. это может быть металлическая пластина или мембрана.
Конструкции с угловым перемещением используются в системах сканирования и пространственного управления оптическим излучением, в литературе их называют дифлекторами. А конструкции с линейным перемещением в системах юстировки и позиционирования различных оптикомеханических систем.
Дифференциальная конструкция применяется, когда необходимо компенсировать температурную погрешность (тепловое расширение рабочего элемента) и расширить диапазон перемещений без
существеннного увеличения величины управляющего напряжения и габаритов двигателя. Такая конструкция может быть построена как на элементах пакетного типа, так и на биморфных элементах. На рис. 10.4 представлена дифференциальная конструкция на элементах пакетного типа. Рабочий элемент 2 состоит из пьезоэлементов , выполненных в виде шайб( дисков), а элемент 3 - из колец. Оба элемента крепятся к
подвижному основанию 1, а элемент 3 своим вторым торцом жестко закреплен на неподвижном
основании 4. Свободный торец элемента 2 совершает рабочие перемещения. Управляющее
напряжение подается одновременно на оба элемента так, что элемент 2 - расширяется, а 3-сжимается. Рабочее перемещение относительно
неподвижного основания будет результатом суммирования величин их деформаций. Тепловые деформации будут вычитаться. При точном расчете габаритов пьзоэлементов можно добиться полной компенсации температурной погрешности.
К третьей группе относятся шаговые двигатели манипуляторы,
которые служат для перемещения объектов на плоскости или в
пространстве. В основе их конструкций заложены те же принципы построения, что и во второй группе. Т.е. рабочий элемент может быть как биморфным рис10.4,а), так и пакетным рис. 10.4.6). Для обеспечения шагового режима в конструкции, как правило, имеются фиксирующие устройства, различного принципа действия от электромагнитных до электрореологических (измение вязкости вещества под действием электрического поля). Биморфная конструкция рис.10.4,а) отличается тем, что в ней роль фиксирующих и рабочих элементов выполняют пьезоэлектрические элементы. Рабочие 2 и фиксирующие 1 элементы контактируют_С перемещаемым объектом 5 через фрикционные прокладки 3. Напряжение управления подается сначала на рабочие элементы, которые захватывают объект и перемещают его на один шаг. За тем напряжение подается на фиксирующие элементы, которые фиксируют объект в данном положении. Напряжение управления снимается с рабочего элемента, и он занимает исходное положение. Такой цикл повторяется, и объект линейно перемещается. Шаговый двигатель рис. 10.4,6) имеет два фиксирующих элемента 1 и 3 , например, электромагнитного типа и рабочий пьезопакет 2. Элементы 2 фиксируют положение рабочего пакета относительно горизонтальной поверхности. Рабочий цикл начинается с подачи напряжения на элемент 1, за тем напряжение управления подается на пакет 2, который удлиняется и перемещает элемент 3 на один шаг, после чего срабатывает элемент 3. напряжение с элемента 1 и пакета 2 снимается. Элемент 1 перемещается на один шаг в том же направлении. При многократном повторе цикла двигатель будет перемещаться по плоскости в заданном направлении. При необходимости двух координатного перемещения в конструкции используют два таких набора, расположенных перпендикулярно друг другу.
Диапазон перемещений таких двигателей ограничен лишь размерами рабочей поверхности. Минимальный шаг пермещения определяется свойствами и размерами пьезоэлементов и величиной управляющего напряжения. Плавность хода зависит от минимального шага и частоты следования управляющих импульсов напряжения.
ЛЕКЦИЯ №11
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ДВИГАТЕЛЯ
Рассмотрим математическую модель составного пьезодвигателя снекоторой нагрузкой массой т0 рис. 11.1. Пьезопакет состоит из N дисков, начальная его длина 1о площадь сечения So. Длина пакета под действием электрического поля Е изменяется на величину А1. Кроме объекта перемещаются элементы объема активной части пакета, масса которого тк. Учитывая то, что пакет одним своим концом закреплен, и некоторая его часть не принимает участия в движении, обычно, принимают во внимание суммарную приведенную массу mx=mo+O,4mK. Для данного случая можно записать условие равновесья сил в виде
Введемследующие обозначения: Кп =Куёз - коэффициент прямого пьезоэффекта; К0=Кус1з - коэффициент обратного пьезоэффекта; V=dAl/dt - скорость перемещения объекта; U=E1O - напряжение управления пьезопакетом; Со - емкость пьезопакета; RB - внутреннее сопротивление источника управляющего напряжения T3=CoRB -электрическая постоянная времени,с. Тогда, с учетом уравнения равновесия модель пьезодвигателя можно представить структурной схемой рис.11.2.
Рис.11.2 Структурная схема пьезодвигателя.
Полученная модель справедлива для целого ряда конструкций пьезодвигателей (кольцеобразных, дисковых, биморфных и д.р.), работающих в области частот от 0 до первого механического резонанса. Учитывая большой разброс параметров пьезоматериалов, наилучшее совпадение динамических характеристик модели и реального двигателя получается для экспериментально определенных параметров т^, Ку, Ко, Кп, Со, RB. Модель условно можно разбить на две части: одна -электрическая, в которую входят апериодическое звено первого порядка, учитывающее инерционность устройства усилитель двигатель, Ко - обратный пьезоэффект и Кп - обратное влияние прямого пьезоэффекта; вторая - механическая, учитывающая механическую инерционность двигателя с нагрузкой (первый интегратор), переход от скорости к перемещению (второй интегратор) и упругие свойства пьезопаета с демпфированием ( элемент обратной связи). Передаточная функция для такой модели будет иметь вид
Еслипренебречь внутренней обратной связью по скорости (Кп=0), влиянием внутреннего демпфирования (Кд=0) и инерционностью преобразователя Тэ=0, то выражение 11.2 примет вид передаточной функции консервативного звена
ачтобы учесть демпфирование, можно использовать передаточнуюфункцию колебательного звена
Кроме того, если гистерезис двигателя превышает 10% егонеобходимо учитывать. Для случая, когда в керамике создается напряженность электрического поля много меньше напряженности предварительной поляризации и форма петли гистерезиса близка к эллипсу, единственным его проявлением является вносимый отрицательный фазовый сдвиг между перемещением и управляющим напряжением. Величина фазового сдвига является некоторой функцией амплитуды
управляющего напряжения и не зависит от частоты в
дорезонансной области.
Гистерезис у определяется как отношение максимальной
ширины петли по координате перемещения Ah к
максимальному для данной петли значению перемещения lmax, т.е. у=АМтах (рис.11.3). И можно доказать, что при гармоническом входном воздействии величина фазового сдвига с хорошим приближением определяется по формуле (p=arcsin(y). Этот фазовый
сдвиг можно учитывать в модели двигателя звеном чистогозапаздывания с передаточнойфункцией вида
где т - время запаздывания.
Величина фазового сдвига вносимого звеном чистого запаздывания является функцией круговой частоты т.е. ф(со)=-сох. Поэтому при моделировании нужно ы^акио учитывать этот фактор и вносить коррекцию в велтчину т , в зависимости от частоты управляющего воздействия.
ЛЕКЦИЯ №12
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Магнитострикцией называется изменение размеров и формыобразца из ферромагнитного материала при его намагничивании. Обратное магнитострикции явление изменения намагниченности ферромагнитного образца при его деформации называется магнитоупругим эффектом. Магнитострикционными являются ферромагнитные металлы (никель) и сплавы (на основе железа, кобальта, платины и др.), а также керамические ферриты, образцы из которых обладают наиболее выраженной способностью изменять размеры при изменении намагниченности.
Связь между магнитострикционной деформацией и параметрами намагничивающего поля, в отличие от пьезоэлектрических материалов, имеет четный характер с явно выраженным гистерезисом рис. 12.1. Техническое применение
магнитострикционных материалов связано с работой на одной ветви четной зависимости. Линейное изменение размеров образцов из ферромагнитных материалов характеризуется
коэффициентом магнитострикции Х=Л1/1. Величина Я невелика и ее максимальное значение Xs (магнитострикция насыщения) для большинства материалов лежит в пределах от 20х10"6 до 90x10"6.
Характер изменения коэффициента магнитострикции в зависимости от величины напряженности магнитного поля для различных материалов показан на рис. 12.2. Нужно отметить, что знак X у одних материалов "+", т.е. они только расширяются, а у других "-" и они только сужаются. Данные величины Xs относятся к тому случаю, когда деформация ничем не ограничена. Если же стержень зажат и его перемещения сведены к нулю, то при намагничивании в стержне будут возникать силы, максимальная величина которых на единицу площади
поперечного сечения составит <rs=Yls, где Y- модуль Юнга. Эти усилия значительны, например, для
никеля составляет 7,2x1О6 Н/м2. Т.е. никелевый стержень сечением в 1 см2 способен
развивать усилие в 70 кГ. Величина магнитострикции
существенно зависит от направления вектора
самопроизвольной намагниченности по
отношению к
кристаллографическим осям.
Т.е. имеет место анизотропия
материала. На практике
математическое описание
процессов производится вдоль
оси рабочих деформаций.
Между уравнениями
пьезоэффекта и
линеаризованными
уравнениями магнитострикции
существует формальная
аналогия.
Так для магнитострикции (обратный эффект) имеем
а для магнитоупругогоэффекта (прямой эффект)
studfiles.net
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, авиакосмической, автомобильной отрасли. Технический результат состоит в повышении КПД, в уменьшении его габаритных размеров, возможности обратного хода, в увеличении удельной мощности, ресурса и надежности конструкции за счет уравновешенности конструкции и фрикционного режима передачи момента на ведомый элемент. В двигателе, содержащем неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах, пьезоэлементы с рычагами (ПР) прямого и обратного хода, источник питания пьезоэлементов дополнительно внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами. На подвижном корпусе жестко закреплены два ПР прямого хода и два ПР обратного хода ведомого элемента. ПР одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента. Источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода. Один из двух ПР для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель. 3 ил.
Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям для использования в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, аэрокосмической, автомобильной отрасли.
Известны различные типы пьезоэлектрических двигателей для использования в системах автоматики и машиностроительных конструкциях. Например, пьезоэлектрический регулировочный элемент [Pat. US № 6765335 Piezoelectric adjusting element / Wischnewskiy Wladimir], содержащий корпус, в котором размещены ведомый элемент с фрикционным слоем, движущий элемент (рычаг), соединенный с пьезоэлементом. Или пьезоэлектрический двигатель [Zuowei Wang. Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators (Electronic resource)/ Zuowei Wang, Tuanjie Li, Yuyan Cao // Aerospace Science and Technology. – 2013. – pp. 160–168], состоящий из неподвижного корпуса, соединительного вала, пакета пьезоэлементов с рычагом, жесткозакрепленных в неподвижном корпусе. При подаче на пакет пьезоэлементов напряжения пакет пьезоэлементов удлиняется или укорачивается и создает механическое усилие на рычаг, связанный с элементом конструкции. Применяется для натяжения сети вант рефлектора.
Известно также устройство – пьезоэлектрический линейный двигатель [Pat. US № 8466601 Operating method and driving means of a piezolinear drive / Christopher Mock], имеющий группу исполнительных механизмов – пьезоактюаторов-стеков, контактирующих с ротором двигателя. Каждый пьезоактюатор-стек состоит из двух частей, первая часть – пьезоактюатор продольного типа, а вторая часть – пьезоактюатор сдвигового типа. Причем контакт (зажим и сдвиг) с ротором ведется через вторую часть стека и, по крайней мере, два идентичных стека находятся рядом друг с другом для выполнения альтернативного зажима и усовершенствования движения в пошаговом режиме.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство регулировки с пьезоприводом [patent US № 5424597 Adjusting device with piezo drive / Rainer Gloss, Harry Marth], снабженное двумя пьезоэлементами с рычагами (ПР), которые взаимодействуют с ведомым элементом посредством пружинного элемента (прототип). Передача движения происходит по причине изменения длины пьезоэлементов при подаче на них напряжения. Из-за непрерывного смещения пружинного элемента гарантируется безопасное зацепление с ведомым элементом. Также устройство содержит источник питания пьезоэлементов, генерирующий одинаковые линейные кривые напряжения, которые расположены в шахматном порядке по времени, в результате чего пьезоэлементы с рычагами (ПР) контактируют с ведомым элементом, когда изменяется длина пьезоэлементов, и вызванные напряжения соответствуют требуемому направлению движения регулировки.
Основными недостатками прототипа являются низкий коэффициент полезного действия устройства, невысокая прочность в узлах крепления пьезоэлемента, также возможность заклинивания подвижных частей двигателя. Кроме того, увеличение мощности устройства возможно только за счет увеличения объёма и мощности пьезоэлемента.
Предложена конструкция линейного пьезоэлектрического двигателя, которая исключает перечисленные недостатки прототипа.
Задача решается тем, что двигатель, содержащий неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, пьезоэлементы с рычагами (ПР) прямого и обратного хода ведомого элемента, источник питания пьезоэлементов, в отличие от прототипа, дополнительно оборудован подвижным корпусом. Подвижный корпус коаксиально размещен внутри неподвижного корпуса и соединен с ним упругими элементами, на подвижном корпусе жестко закреплены два ПР прямого хода ведомого элемента и два ПР обратного хода ведомого элемента, ПР одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента, при этом источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода, причем один из ПР для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель,
Каждый пьезоэлемент с рычагом выполнен в виде единого элемента, который жестко крепится на подвижном корпусе с возможностью фрикционного взаимодействия с ведомым элементом линейного пьезоэлектрического двигателя.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
Фиг. 1 – Состав линейного пьезоэлектрического двигателя.
Фиг. 2 – Графики входного напряжения, подаваемого на пьезоэлементы.
Фиг. 3 – Пример практической реализации линейного пьезоэлектрического двигателя.
Линейный пьезоэлектрический двигатель на фиг. 1 содержит два корпуса: внешний неподвижный корпус 1 и внутренний подвижный корпус 2, соединенные между собой упругими элементами 3, на внутреннем подвижном корпусе жестко закреплены ПР 4, 5, 6, 7, из которых два ПР (4 и 5) служат для прямого хода и два ПР (6 и 7) служат для обратного хода ведомого элемента 8. Сам же ведомый элемент 8 размещен в подшипниковых опорах неподвижного корпуса. Подвижный корпус 2 на упругих элементах 3 имеет резонансную частоту колебательной системы, более чем в √2 раз превышающую резонансную частоту колебательной системы подвижного корпуса с ведомым элементом, что позволяет выполнить частотную развязку и исключить заклинивание.
Для синфазной подстройки работы пьезоэлементов с рычагом высокочастотный источник питания 9 через коммутатор 10 подключается к ПР 5 напрямую, а к ПР 4 через фазовращатель 11, при переключении коммутатора для обратного хода источник питания аналогично подключается к ПР 6 напрямую, а к ПР 7 через фазовращатель обратного хода 12.
Для эффективной работы пьезодвигателя необходимо, чтобы усилия F пьезоэлементов (например, 4 и 5) не имели временного сдвига фаз, то есть работали совершенно синфазно (фиг. 2а). Невозможно произвести абсолютно одинаковые пьезоэлементы, поэтому даже при одинаковых сигналах возбуждения реакции ПР 4 и 5 не будут совпадать по фазе (фиг. 2б), что существенно снижает суммарный момент пьезодвигателя. Поэтому на ПР 4 сигнал возбуждения подается через фазовращатель прямого хода 11, на котором компенсируется разность фаз работы ПР 5 и 4 (фиг. 2в).
Линейный пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом (фиг.1).
При подключении источника питания 9 через коммутатор 10 к одному ПР 5 напрямую и к другому ПР 4 через фазовращатель 11 (для синфазной подстройки вибросмещения), ПР 4 и 5 удлиняются и создают суммарный момент на ведомом элементе 8, подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем ПР 4, 5, 6, 7 на упругих элементах 3 перемещается за счет фрикционного трения. При снятии питания с пьезоэлементов с рычагами 4 и 5 механический контакт ПР 4 и 5 с ведомым элементом 8 пропадает, и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем ПР 4, 5, 6, 7 за счет упругих элементов 3 возвращается в исходное положение относительно неподвижного корпуса линейного пьезоэлектрического двигателя. Повторением данного высокочастотного процесса реализуется прямой ход ведомого элемента 8.
Обратный ход пьезоэлектрического двигателя.
При подключении источника питания 9 через переключенный коммутатор 10 к одному ПР 6 напрямую и к другому ПР 7 через фазовращатель 12 (для синфазной подстройки вибросмещения), ПР 6 и 7 удлиняются и создают суммарный момент на ведомом элементе 8, подвижный корпус 2 с жестко закрепленными ПР 4, 5, 6, 7 перемещается на упругих элементах 3 за счет фрикционного трения. При снятии питания с ПР 6 и 7 механический контакт ПР 6 и 7 с ведомым элементом 8 пропадает, и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными ПР 4, 5, 6, 7 за счет реакции упругих элементов 3 возвращается в исходное положение относительно неподвижного корпуса линейного пьезоэлектрического двигателя. Повторением данного высокочастотного процесса реализуется обратный ход ведомого элемента 8 пьезоэлектрического двигателя.
Линейный пьезоэлектрический двигатель заявленной конструкции (например, габариты 50x50x50 мм, масса 100 г, мощность 1 Вт, частота входного напряжения 1 кГц) можно использовать в качестве устройства для натяжения периферийных шнуров УНПШ силового каркаса антенного рефлектора (фиг.3а). Устройство крепится на спице рефлектора 13 (фиг. 3б), шнур рефлектора фиксируется на ведомом элементе 8 пьезоэлектрического двигателя. Таким образом, шнур силового каркаса можно натягивать или ослаблять для улучшения отражающей способности рефлектора.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении коэффициента полезного действия, увеличении удельной мощности пьезодвигателя за счет синфазности вибросмещения, уменьшении его габаритных размеров, обеспечении обратного хода, увеличении ресурса и надежности двигателя за счет фрикционного режима передачи момента на ведомый элемент и синфазной уравновешенности конструкции.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pat. 6765335 United States, Piezoelectric adjusting element / Wischnewskiy Wladimir.
2. Zuowei Wang. Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators [Electronic resource]/ Zuowei Wang, Tuanjie Li, Yuyan Cao // Aerospace Science and Technology. – 2013. – pp. 160–168.
3. Pat. 8466601 United States, Operating method and driving means of a piezolinear drive / Christopher Mock.
4. Pat. 5424597 United States, Adjusting device with piezo drive / Rainer Gloss, Harry Marth.
Линейный пьезоэлектрический двигатель, содержащий неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, пьезоэлементы с рычагами прямого и обратного хода, источник питания пьезоэлементов, отличающийся тем, что дополнительно внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами, на подвижном корпусе жестко закреплены два пьезоэлемента с рычагами прямого хода ведомого элемента и два пьезоэлемента с рычагами обратного хода ведомого элемента, пьезоэлементы с рычагами одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента, при этом источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода, причем один из пьезоэлементов с рычагами для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель.
bankpatentov.ru
Использование: в качестве исполнительного механизма в электронике, телемеханике и т.д. Сущность изобретения: пьезоэлектрический шаговый двигатель содержит корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть. Фиксирующие узлы выполнены из не менее чем двух пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости. Первый пьезоблок содержит вращательный, сдвигающий и фиксирующий пьезоэлементы, изоляторы и фрикционный элемент, а второй пьезоблок содержит фиксирующий пьезоэлемент, изоляторы и фрикционный элемент, который фрикционно взаимодействует с подвижной частью. При расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки выполнены в форме секторов. Технический результат: упрощение конструкции, технологии изготовления, повышение усилия и точности позиционирования. 2 з.п.ф-лы, 16 ил.
Изобретение относится к области электрических двигателей, а более точно касается пьезоэлектрических шаговых двигателей, и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в электротехнике, телемеханике, радиотехнике и автоматике.
Известен пьезоэлектрический двигатель, статор которого содержит цилиндрический пьезоэлектрический полый цилиндр, внутри которого расположен цилиндрический ротор, фрикционно взаимодействующий со статором (Авторское свидетельство СССР N 573828 МКИ H 01 L 41/00). Однако этот двигатель не может осуществлять линейное перемещение цилиндрического ротора. Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть с рабочим элементом (Авторское свидетельство СССР N 720576, МКИ H 01 L 41/04 - прототип). Однако этот двигатель имеет сложную конструкцию и осуществляет только линейное перемещение подвижной части и не может осуществлять вращение подвижной части. В основу настоящего изобретения была положена задача создания пьезоэлектрического шагового двигателя, конструктивное выполнение которого позволило бы упростить конструкцию и технологию изготовления, повысить усилие и точность позиционирования подвижной части при ее вращении, линейном перемещении и при совместном движении (одновременное вращение и линейное перемещение). Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом шаговом двигателе, содержащем корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению, фиксирующие узлы выполнены из не менее чем двух пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем первый пьезоблок содержит вращательный, сдвигающий и фиксирующий пьезоэлементы, изоляторы и фрикционный элемент, а второй пьезоблок содержит фиксирующий пьезоэлемент, изоляторы и фрикционный элемент, который фрикционно взаимодействует с подвижной частью, при этом при расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки выполнены в форме секторов. Пьезоэлементы при расположении в продольной плоскости могут быть выполнены в виде пакета из пьезоэлектрических колец или при расположении в поперечной плоскости - секторов, электроды которых соединены параллельно через один, при этом направление поляризации каждого последующего пьезоэлектрического кольца или сектора направлено в противоположную сторону от предыдущего. Промежутки между пьезоблоками могут быть заполнены эластичным изоляционным материалом. Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг. 1 изображает пьезоэлектрический шаговый двигатель (первый вариант), вид спереди; фиг. 2 - то же, продольный разрез; фиг. 3 - второй вариант исполнения двигателя, вид спереди; фиг. 4 - то же, продольный разрез; фиг. 5-10 - такты работы пьезоэлектрического шагового двигателя при линейном перемещении подвижной части, продольный разрез; фиг. 11 - первый такт работы двигателя при вращении подвижной части, поперечные разрезы двух пьезоблоков; фиг. 12-16 - остальные такты работы пьезоэлектрического шагового двигателя. Пьезоэлектрический шаговый двигатель содержит цилиндрический корпус 1 (фиг. 1 и 2), фиксирующие узлы в виде двух пьезоблоков 2 и 3 и подвижную часть 4, выполненную в виде цилиндрического стержня. Пьезоблок 2 содержит вращательный пьезоэлемент 5, сдвигающий пьезоэлемент 6, фиксирующий пьезоэлемент 7, изоляторы 8 и фрикционный элемент 9. Все пьезоэлементы, изоляторы и фрикционные элементы, образующие пьезоблоки 2 и 3, соединены между собой (например, склеены) и соединены с цилиндрическим корпусом 1. Вращательный пьезоэлемент 5 осуществляет угловое смещение подвижной части 4 вокруг собственной оси, вектор поляризации его направлен под углом к продольной плоскости. Сдвигающий пьезоэлемент 6 производит линейное перемещение подвижной части вдоль оси двигателя, вектор его начальной поляризации направлен под углом к продольной оси двигателя. Фиксирующий пьезоэлемент 7 осуществляет фиксацию подвижной части 4, вектор его начальной поляризации направлен (радиально) перпендикулярно продольной оси двигателя. Пьезоблок 3 выполняет фиксирующую функцию и содержит фиксирующий пьезоэлемент 10, изоляторы 8 и фрикционный элемент 9. Фиксирующий пьезоэлемент 10 имеет вектор поляризации, направленный (радиально) перпендикулярно продольной оси двигателя. Фрикционный элемент 9 выполнен в виде разрезного кольца, что обеспечивает более плотное обжатие подвижной части 4 фиксирующими пьезоэлементами 7 и 10. Каждый пьезоэлемент имеет электроды, к которым подключены провода (эти элементы на чертеже не показаны). Промежутки между пьезоблоками 2 и 3 заполнены эластичным изоляционным материалом 11. Во втором варианте исполнения пьезоэлектрического шагового двигателя, в отличие от первого пьезоблоки 2 (фиг. 3 и 4) и 3 расположены в одной поперечной плоскости и выполнены в виде секторов. Это значительно снижает габаритные размеры и массу двигателя. Двигатель работает следующим образом. При подаче на электроды вращательного пьезоэлемента 5 (фиг. 11-16) положительного напряжения за счет обратного пьезоэффекта происходит поворот внутренней части кольца против часовой стрелки на угол
относительно диаметральной линии A1A2, а при подаче отрицательного напряжения - поворот внутренней части по часовой стрелке на угол относительно диаметральной линии A1A2. При подаче на электроды сдвигающего пьезоэлемента 6 положительного напряжения за счет обратного пьезоэффекта происходит сдвиг внутренней части влево относительно внешней части кольца, а при подаче отрицательного напряжения - сдвиг внутренней части вправо относительно внешней части кольца. При подаче положительного напряжения на электроды фиксирующих пьезоэлементов 7 и 10 происходит обжим им подвижной части 4, а при подаче отрицательного напряжения он отжимается от подвижной части 4. Пьезоэлектрический шаговый двигатель может осуществлять различные виды движений: линейное перемещение подвижной части; вращательное движение; совместное линейное и вращательное движение; различные комбинации этих движений. Рабочий цикл двигателя состоит из шести тактов. Работа двигателя в режиме линейного перемещения подвижной части показана на фиг. 5-10. В этом случае в работе участвуют сдвигающий пьезоэлемент 6 и фиксирующий пьезоэлемент 7 пьезоблока 2 и фиксирующий пьезоэлемент 10 пьезоблока 3. Первому такту соответствует положение пьезоэлементов 6, 7 и 10 (фиг. 5), когда на них подано положительное напряжение. Вращательный пьезоэлемент 5 не участвует в линейном перемещении и может занимать любое положение, которое не изменяется во время работы двигателя. Во втором такте (фиг. 6) на фиксирующий пьезоэлемент 10 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части 4. В третьем такте (фиг. 7) на сдвигающий пьезоэлемент 6 подается отрицательное напряжение и он, сдвигаясь вправо, посредством фиксирующего пьезоэлемента 7 перемещает подвижную часть 4 вправо на один шаг. В четвертом такте (фиг. 8) на фиксирующий пьезоэлемент 10 подается положительное напряжение и он обжимает подвижную часть 4. В пятом такте (фиг. 9) на фиксирующий пьезоэлемент 7 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части 4. В шестом такте (фиг. 10) на сдвигающий пьезоэлемент 6 подается положительное напряжение и он сдвигается вместе с фиксирующим пьезоэлементом 7 влево. При повторении циклов происходит линейное перемещение подвижной части 4 вправо. При вращении подвижной части 4 работа двигателя осуществляется по схеме, представленной на фиг. 11-16. На фиг. 11 изображено положение, соответствующее первому такту. В работе участвуют все пьезоэлементы, кроме сдвигающего пьезоэлемента 6, который может занимать любое положение, неизменное в процессе работы. На все остальные пьезоэлементы подано положительное напряжение. Во втором такте (фиг. 12) на фиксирующий пьезоэлемент 10 подано отрицательное напряжение, при этом он отжимается от подвижной части 4. В третьем такте (фиг. 13) отрицательное напряжение подается на вращательный пьезоэлемент 5, который поворачивает сдвигающий 6, фиксирующий 7 пьезоэлементы и подвижную часть 4 на угол по часовой стрелке. В четвертом такте (фиг. 14) положительное напряжение подается на фиксирующий пьезоэлемент 10, который обжимает подвижную часть 4. В пятом такте (фиг. 15) на фиксирующий пьезоэлемент 7 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части. В шестом такте (фиг. 16) положительное напряжение подается на вращательный пьезоэлемент 5, который поворачивает сдвигающий 6, фиксирующий 7 пьезоэлементы против часовой стрелки на угол .. При повторении циклов происходит вращение подвижной части по часовой стрелке. Для осуществления реверса необходимо изменить порядок подачи напряжения на фиксирующие пьезоэлементы. Для увеличения мощности пьезоэлектрический шаговый двигатель может быть снабжен дополнительными пьезоблоками, которые могут быть расположены как в поперечной, так и в продольной плоскости двигателя. Предлагаемый пьезоэлектрический шаговый двигатель имеет простую конструкцию и технологию изготовления, небольшие габаритные размеры и массу, большое усилие на подвижной части, большой крутящийся момент, а также позволяет совмещать линейное движение подвижной части и ее вращение.Формула изобретения
1. Пьезоэлектрический шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что фиксирующие узлы выполнены из не менее чем двух пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем первый пьезоблок содержит вращательный, сдвигающий и фиксирующий пьезоэлементы, изоляторы и фрикционный элемент, а второй пьезоблок содержит фиксирующий пьезоэлемент, изоляторы и фрикционный элемент, который фрикционно взаимодействует с подвижной частью, при этом при расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки выполнены в форме секторов. 2. Пьезоэлектрический шаговый двигатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы при расположении в продольной плоскости выполнены в виде пакета из пьезоэлектрических колец или при расположении в поперечной плоскости - секторов, электроды которых соединены параллельно через один, при этом направление поляризации каждого последующего пьезоэлектрического кольца или сектора направлено в противоположную сторону от предыдущего. 3. Пьезоэлектрический шаговый двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что промежутки между пьезоблоками заполнены эластичным изоляционным материалом.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16www.findpatent.ru
Изобретение относится к области пьезотехники, а именно к области разработки и изготовления линейных пьезоэлектрических двигателей.
Известна пьезоприводная система, состоящая из нескольких пьезоприводов, которые могут последовательно удлиняться и сдвигаться, перемещая подвижной элемент в соответствии с управляющими сигналами (патент US 6977461 ВВ).
Недостатки этого устройства состоят в необходимости изготовления сопрягающихся деталей с очень высокой точностью (доли микрона) и в сложности реализации линейных сдвигов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является пьезоэлектрический двигатель на основе "перистальтики", состоящий из трех, связанных между собой, пьезоэлектрических цилиндров, надетых на металлический стержень, при этом первый и третий цилиндры охватывают стержень без зазора, а второй - с зазором. При подаче на цилиндры последовательности импульсов напряжения стержень совершает поступательное перемещение в виде последовательности шагов (ТИИЭР, т.66, № 6, июнь 1978).
Недостатки этого устройства заключаются в сложности его изготовления, так как требуется высокая точность изготовления подвижного стержня и сопрягающихся с ним пьезоцилиндров, а также в высокой чувствительности устройства к температурным деформациям стержня и пьезоцилиндров, что снижает надежность его работы.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности устройства, упрощении его конструкции и сборки. Поставленная задача решается в линейном пьезоэлектрическом двигателе, содержащем ползун с направляющими, пьезоприводную систему, источник питания, причем пьезоприводная система состоит из корпуса, выполненного в виде замкнутой рамки с упругим элементом в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях, в которую вставлен и жестко зажат пьезоэлемент продольных перемещений, а на концах рамки выполнены связанные с ней упругими шарнирами рычажные мультипликаторы линейных перемещений, одно плечо которых находится в связи с пьезоэлементами поперечных перемещений, а второе плечо вставлено в направляющие ползуна с натягом, равным или меньше величины их перемещения под воздействием пьезоэлементов поперечных перемещений.
Отличительными признаками изобретения являются признаки, характеризующие выполнение пьезоприводной системы, состоящей из корпуса, выполненного в виде замкнутой рамки с упругим элементом в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях, в которую вставлен и жестко зажат в ней пьезоэлемент продольных перемещений, а на концах рамки выполнены упруго связанные с ней рычажные мультипликаторы линейных перемещений, одно плечо которых находится в связи с пьезоэлементами поперечных перемещений, а второе плечо упруго вставлено в направляющие ползуна с натягом, равным или меньше величины их перемещения под воздействием пьезоэлементов поперечных перемещений.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства и упрощении его конструкции.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана конструкция устройства.
Устройство содержит ползун 1 с направляющими А, пьезоприводную систему, состоящую из замкнутой рамки 2 с упругим элементом 3 в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях, пьезоэлемента 4 для продольных перемещений, вставленного в рамку 2 и жестко зажатого в ней винтом 5, рычажных мультипликаторов линейных перемещений 6, 7, 8, 9 и поджатых винтами 16, 17.
Пьезприводная система вставлена противоположными концами рычагов мультипликаторов с натягом в направляющие А ползуна 1 и взаимодействует с ним в точках 18, 19, 20, 21 рычагов 6, 7, 8, 9. Пьезоэлементы 4, 14, 15 подсоеденены к источнику питания, реализующему необходимую последовательность управляющих импульсов.
Описанное устройство работает следующим образом.
Благодаря тому, что рычаги 6, 7, 8, 9 вставлены в направляющие ползуна с натягом, в отсутствие управляющих импульсов, он застопорен от перемещений относительно пьезприводной системы силами трения в точках 18, 19, 20, 21. При подаче напряжения на пьезоэлементы 14, 15 они удлиняются, рычаги 6, 7, 8, 9 проворачиваются в упругих шарнирах 10, 11, 12, 13 и освобождают ползун 1. Для достижения высокой точности и надежной работы устройства величина перемещений рычагов в точках 18, 19, 20, 21 должна быть равна или меньше величины натяга. В этом случае ползун 1 находится в постоянном контакте с рычагами 6, 7, 8, 9. Установка величины натяга производится винтами 16, 17.
При подаче напряжения на пьезоэлемент 4, благодаря наличию упругого элемента 3, рамка 2 удлиняется и обеспечивает механизм линейного перемещения ползуна 1 относительно пьезоприводной системы. Подачей последовательности управляющих импульсов на пьезоэлементы 4, 14, 15 реализуется поступательное перемещение ползуна относительно пьезоприводной системы в виде последовательности шагов.
Благодаря рычажным мультипликаторам свободный ход рычагов 6, 7, 8, 9 в точках 18, 19, 20, 21 в несколько раз превышает относительно малое удлинение пьезоэлементов поперечных перемещений 14, 15, что снижает требования к точности изготовления деталей, повышает надежность работы и упрощает процесс сборки пьезодвигателя.
Пример реализации заявляемого устройства.
Направляющие А ползуна 1 и рычаги мультипликаторов 6, 7, 8, 9 выполнены из закаленной стали и обработаны шлифованием.
Пьезоэлемент 4 для продольных перемещений изготовлен из керамики ЦТС-46 в виде многослойного пьезоэлемента актюатора длиной 45 мм и сечением 6×6 мм. При подаче напряжения 100 В он удлиняется на 35-40 мкм. Пьезоэлементы 14, 15 для поперечных перемещений изготовлены также из керамики ЦТС-46 в виде многослойных пьезоэлементов сечением 6×6 мм и длиной 10 мм. Их удлинение при напряжении 100 В составляет 8 мкм. Рычажные мультипликаторы, взаимодействующие с пьезоэлементами 14, 15, обеспечивают увеличение свободного хода рычагов 6, 7, 8, 9 в точках 18, 19, 20, 21 до 20-25 мкм.
Пьезоприводная система вставляется в направляющие А ползуна 1 с натягом 15 мкм. Этим обеспечивается ее надежная фиксация относительно ползуна 1.
Изготовленный экспериментальный образец пьезодвигателя обеспечивал шаговый режим работы в диапазоне 0-300 Гц со скоростью до 9 мм/с при тяговом усилии 0,3 кг.
bankpatentov.ru
1-дневный обучающий курс по пьезоактюаторам и электромагнитным линейным актюаторам пройдет в рамках выставки ACTUATOR2018 (Германия, Бремен). Курс проведет компания CEDRAT TECHNOLOGIES 28 июня 2018 года.
подробнее...
Приглашаем присоединиться к крупнейшей встрече профессионалов ФОТОНИКА МИР ЛАЗЕРОВ И ОПТИКИ 2018 в период с 27 февраля по 02 марта 2018. Мы с радостью встретим вас в Павильоне 7 зала 5 на стенде № 75D10, чтобы обсудить ваши проекты и представить вам изделия технологии CEDRAT TECHNOLOGIES (Франция) и NANOMOTION (Израиль) http://www.photonics-expo.ru/
Преднагруженные пьезоактуаторы с интегрированным рычажным усилителем перемещения (Amplified Piezo Actuators – APA) позволяют увеличить допустимую рабочую частоту пьезокерамики при увеличении ее рабочего хода
подробнее...
140 страниц, теперь доступен на русском языке по запросу. В запросе просьба указывать ФИО, название организации и контактный номер телефона.
Компактный контроллер (Compact Controller Board - CCBu20) обеспечивает все параметры для управления 2-х осевыми пьезомеханизмами с датчиками положения, такими как DDT35XS-SG или XY25XS-SG.
подробнее...
На русском языке на пьезосборки здесь
На русском языке на оптоэлектронные компоненты здесь
подробнее...
metrology-spb.ru
