В связи с развитием нанотехнологий, возникла необходимость перемещать микро- и наноструктуры с точностью порядка нескольких нанометров и менее. В современном технологическом и исследовательском оборудовании широкое распространение получили пьезодвигатели. Пьезодвигателями называют устройства, в которых механическое перемещение достигается за счёт обратного пьезоэлектрического эффекта. Материалы, составляющие основу таких приводов, называют пьезоэлектриками. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров пьезоэлектрика при приложении электрического поля.
В настоящий момент сфера применения пьезодвигателей охватывает многие отрасли: микроскопия, робототехника, фототехника, нанометрология, нанолитография, нанопечать, микродозирование и др. Пьезоприводы могут использоваться для вакуумного и криогенного оборудования.
Ниже рассматриваются устройство и технические характеристики различных типов пьезоэлектрических двигателей, разработанных компанией Physik Instrumente. Эти данные помогут Вам сделать оптимальный выбор модели пьезодвигателя для каждого конкретного приложения.
Шаговые пьезодвигатели
Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии NEXLINE
Пьезоприводы NEXLINE обладают следующими техническими особенностями:
Принципиальная схема пьезопривода NEXLINE показана на рис.1. Привод состоит из одного или нескольких активных модулей, перемещающих направляющую. Чем больше таких модулей, тем выше развиваемое толкающее усилие.
Рис.1 Принципиальная схема пьезоэлектрического двигателя серии NEXLINE (вверху), собранный активный модуль пьезодвигателя (слева), линейный пьезоактуатор (справа).
В активном модуле используются два типа пьезоэлементов: линейный и сдвиговый (рис. 1). Линейные пьезоэлементы закрепляются на основании, на которое действует сила преднагрузки. Сдвиговые пьезоэлементы контактируют с подвижной частью, перемещая её в двух направлениях. Таким образом, пьезодвигатели NEXLINE позволяют осуществлять перемещения на большие расстояния с высокой точностью. Схема перемещения изображена на рис.2
Рис.2 Схема перемещения пьезодвигателя NEXLINE. Стрелками показано направление деформации каждого из сегментов активного модуля
Величина шага пьезодвигателя зависит от величины нагрузки, а также от направления движения. Эффект гистерезиса, заключающийся в неоднозначности изменения размеров пьезокерамических элементов от направления изменения электрического поля, не позволяет приводу перемещаться с равными шагами. Для компенсации нелинейности и достижения высокой повторяемости перемещения требуется датчик положения.
Существуют три режима работы пьезодвигателя. Ниже представлена таблица, где отмечены основные особенности каждого из них.
| Режим полного шага | Наношаговый режим | Непрерывный режим |
| Перемещение на длинные дистанции | Перемещение на длинные дистанции | Высокодинамичное позиционирование в диапазоне нескольких микрон |
| Максимальная статическая и динамическая жёсткость | Перемещение с самой низкой величиной вибрации | Величина минимального шага в режиме без обратной связи до одного пикометра |
| Максимальное блокирующее усилие при выключенном питании | Наиболее равномерное* перемещение | - |
| Максимальная скорость | Максимальная скорость составляет 60% от скорости в режиме полного шага | - |
*Рис.3 Зависимость движения актуатора с пьезодвигателем NEXLINE от времени для шагового и наношагового режимов.
Рассмотрим более подробно режимы работы пьезодвигателя NEXLINE.
Режим полного шага
В режиме полного шага существует временной сдвиг между прижимной и сдвиговой фазами, что ведёт к неравномерности движения. На графике ниже показана зависимость приложенного напряжения (для линейного и сдвигового перемещения) от времени и соответствующее изменение координаты направляющей за один цикл работы.
Рис.4 Изменение координаты подвижной части пьезопривода в зависимости от компонент управляющего напряжения в режиме полного шага
Согласно рис.4 видно, что привод не перемещается в течение периода, когда пьезоактуатор осуществляет линейное движение к направляющей. Движение «ног» двигателя осуществляется попарно. Ход сдвигового пьезоактуатора определяет шаг позиционирования. Стоит отметить, что напряжение, подаваемое на линейный сегмент, всегда максимально в режиме полного шага, вследствие чего развиваемое усилие пьезодвигателя в данном режиме максимально. В режиме без обратной связи пользователь может задавать величину шага и его частоту (время одного цикла), что влияет на развиваемое усилие и скорость перемещения привода. Максимальная рекомендуемая частота шага – 100 Гц для продолжительного использования. Возможно повышение частоты, однако на короткие промежутки времени. Величина шага может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких микрон. В режиме с обратной связью пользователь задаёт скорость перемещения в заданную координату (рекомендуемая скорость – 250 мкм/сек), после чего оптимизация величины шага определяется автоматически контроллером. После достижения указанной координаты пьезодвигатель переходит в режим ожидания, т.е. все величины компонент напряжения достигают нуля, ноги пьезодвигателя находятся в контакте с направляющей. В зависимости от параметров, внешних условий и конкретного приложения при переходе в режим ожидания возможно отклонение в 10 нм от достигнутой координаты. Время при переходе в режим ожидания не превышает 2 сек.
Наношаговый режим
В наношаговом режиме все пьезоэлементы движутся одновременно и находятся в контакте с подвижной частью. В результате актуатор движется равномерно. Ввиду того, что диапазон перемещения сдвиговых пьезоактуаторов не достигает максимальных значений, величина шага и толкающее усилие становится меньше, чем в режиме полного шага
Рис.5 Изменение координаты подвижной части пьезопривода в зависимости от компонент управляющего напряжения в наношаговом режиме
Аналоговый режим
В аналоговом режиме все ноги пьезодвигателя находятся в контакте с направляющей, при этом деформируется только сдвиговые пьезоактуаторы. Диапазон их смещения определяет величину шага. Максимальное значение величины шага в данном режиме составляет несколько микрон. Минимальный шаг ограничен только шумом усилителя. Переход к аналоговому режиму осуществляется через стадию, когда пьезодвигатель находится в режиме ожидания.
Пьезодвигатели NEXLINE чувствительны к перегреву. Продолжительное позиционирование на предельных скоростях может привести к нагреву активного модуля и к снижению срока службы.
Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии NEXACT®
Отдельный модуль пьезодвигателя серии NEXACT® состоит из основания, двух пар изгибающихся элементов («ног») и подвижной части («направляющей»), на которую действует сила преднагрузки. Каждая пара ног работает синхронно и состоит из двух пьезопакетов. Вследствие обратного пьезоэффекта пьезопакеты удлиняются/сокращаются и изгибаются, что позволяет перемещать направляющую (рис.6).
Рис.6 Принципиальная схема работы пьезодвигателей серии NEXACT®
Существует два режима работы пьезодвигателя NEXACT®: непрерывный и шаговый (рис.7). В непрерывном режиме все ноги пьезодвигателя прижаты к направляющей. В данной конфигурации направляющая перемещается с высокой скоростью, однако диапазон перемещения составляет несколько микрон, что связано с ограничением величины изгиба пьезопакета. В шаговом режиме первая и вторая пары ног пьезодвигателя работают попеременно. Диапазон перемещения ограничен только длиной направляющей.
Рис.7 Схема работы пьезодвигателя NEXACT® в непрерывном (слева) и шаговом (справа) режимах
Один цикл работы пьезодвигателя NEXACT® в шаговом режиме состоит из нескольких стадий.
На первой стадии первая пара ног прижимается к направляющей, вторая пара ног отрывается от направляющей (рис.8). На графике по оси абсцисс отмечена величина напряжения, отвечающая за изгиб ноги (Utransport) для перемещения направляющей. Данная величина является разностью между напряжениями, подаваемыми на пьезопакеты (U1-U2 для первой пары ног; U3-U4 для второй пары ног). За счёт разности напряжений между склеенными пьезопакетами происходит их изгиб. По оси ординат отмечена величина напряжения, отвечающая за прижимание пьезопакетов к направляющей (Uclamp), т.е. за их линейное движение перпендикулярно направляющей. Величина Uclamp соответствует половине от суммы напряжений, подаваемых на пьезопакеты (U1+U2/2 для первой пары ног; U3+U4/2 для второй пары ног).
Рис. 8. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 1
На второй стадии первая пара ног изгибается вправо, соответствующей точкой отмечен момент, когда первая пара ног протолкнула направляющую и готова от неё оторваться. В это время вторая пара ног изгибается влево (рис.9) и затем контактирует с направляющей, чтобы продолжить её движение
Рис. 9. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 2
На третьей стадии первая пара ног изгибается влево и контактирует с направляющей для её дальнейшего перемещения, в то время как вторая пара ног, напротив, завершает продвижение направляющей и готова от неё оторваться
Рис. 10. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 3
Четвёртая стадия является эквивалентом первой стадии. Стоит отметить, что пьезодвигатель NEXACT® обладает функцией самоблокировки (self locking), в этом случае все ноги прижаты к направляющей, величина Uclampмаксимальна, Utransport – минимальна.
В непрерывном режиме Utransport для всех ног одинаково, её величина варьируется в зависимости от требуемого диапазона перемещения, величина Uclamp подстраивается контроллером автоматически.
В шаговом режиме величина шага определяется Utransport, количество шагов в сек. и величина шага определяет скорость перемещения направляющей.
Исходя из особенностей конструкции приводов серии NEXACT®, увеличение скорости движения ведёт к снижению толкающего усилия в направлении перемещения. Соответствующая зависимость приведена ниже (рис.11)
Рис. 11. Зависимость толкающего усилия пьезодвигателя NEXACT® и его скорости перемещения
Сравнительный анализ шаговых пьезодвигателей Nexact и Nexline
| Характеристика/ Тип пьезодвигателя | Nexline® | Nexact® |
| Область применения | Позиционирование, высокие нагрузки, диапазон перемещения до нескольких миллиметров | Позиционирование, средние нагрузки, диапазон перемещения до нескольких сантиметров |
| Тип двигателя | Шаговый пьезодвигатель серии PiezoWalk® | Шаговый пьезодвигатель серии PiezoWalk® |
| Принцип работы | Перемещение направляющей с помощью линейных и сдвиговых пьезоактуаторов | Перемещение направляющей с помощью изгибающихся пьезоактуаторов |
| Скорость | От нескольких нм/сек до 2 мм/сек | От нескольких нм/сек до 20 мм/сек |
| Толкающее усилие | До 600 Н | До 10 Н |
| Удерживающее усилие при выключенном питании | До 800 Н | До 15 Н |
| Величина минимального шага в режиме без обратной связи | 0.03 нм | 0.03 нм |
| Диапазон управляющего напряжения | От -250 до 250 | От 0 до 45 В |
| Диапазон перемещения | Зависит от длины направляющей | Зависит от длины направляющей |
| Габариты | Небольшие | Высокая компактность |
| Вакуумная совместимость | Да, используются соответствующие приложению материал корпуса, датчик, кабели и т.п. | Да, используются соответствующие приложению материал корпуса, датчик, кабели и т.п. |
| Температура дегазации | До 110 °С | До 110 °С |
| Работа в условиях чистой комнаты | да | да |
| Немагнитный корпус | Да, по запросу | Да, по запросу |
| Устойчивость к радиационному излучению (УФ, рентген) | да | да |
| Приложения, чувствительные к изменению температуры | Пьезодвигатели работают без выделения тепла в статическом и квазистатическом режимах | Пьезодвигатели работают без выделения тепла в статическом и квазистатическом режимах |
| OEM исполнение | да | да |
| Позиционирование в вертикальном положении | да | да |
| Линейная платформа на основе пьезодвигателя | По запросу | доступна |
| Контроллер | Настольный цифровой контроллер или модульная система в 19 дюймовой стойке | OEM исполнение, настольный цифровой контроллер или модульная система в 19 дюймовой стойке |
| Информация о патентах | № 10148267B4 (Германия) № 6,800,984B2 (США) | №4408618B4 (Германия) |
Пьезодвигатель PICMAWalk
Пьезодвигатель PICMAWalk состоит из 8 пьезоактуаторов, которые образуют 4 пары элементов V-образной формы. Четыре элемента перемещают подвижную направляющую благодаря последовательному алгоритму линейных и сдвиговых деформаций (см. видео). Данный пьезодвигатель позволяет развивать толкающее/тянущее усилие до 50 Н, удерживающее усилие – до 60 Н, скорость – до 15 мм/сек. Рабочее напряжение пьезоактуаторов серии PICMA, входящих в состав пьезодвигателя PICMAWalk, соответствует диапазону от -20 В до 120 В.
Рис.1 Принципиальная схема пьезодвигателя PICMAWalk. 1 - пьезоактуатор, 2 - контактная площадка, 3 – подвижная направляющая
Пьезодвигатель PICMAWalk расширил линейку уже широко использующихся пьезодвигателей – Nexact и Nexline. Сравнительная информация по трём типам пьезодвигателей в отношении скорости (ось абсцисс) и развиваемого усилия (ось ординат) приведена на схеме ниже.
Рис.2 Сравнительная схема трёх типов пьезодвигателей, разработанных компанией Physik Instrumente – PICMAWalk, Nexact и Nexline.
Пьезодвигатель PICMAWalk обладает следующими отличительными особенностями:
Пьезодвигатель PICMAWalk обладает отличными динамическими и точностными характеристиками. Ниже приведены графики перемещения привода N-331 на основе данного двигателя в зависимости от времени. Измерения проведены с помощью интерферометра. На рис.3 видно, что привод переместился на 100 нм за 100 мс. На рис.4 показан график движения актуатора с шагом 10 нм.
Рис.3 График перемещения актуатора N-331 на базе пьезодвигателя PICMAWalk на 100 нм, аналоговый режим
Рис.4 График перемещения актуатора N-331 на базе пьезодвигателя PICMAWalk c шагом 10 нм, аналоговый режим.
В ходе тестовых экспериментов были проведены исследования износостойкости пьезодвигателя PICMAWalk при атмосферных условиях. Для этого на актуатор N-331 закрепили нагрузку в 2 кг и проводили перемещения с определённым шагом вдоль и против направления действия силы тяжести, создаваемой нагрузкой (рис.5).
Рис.5 Схема воздействия нагрузки на актуатор. Черной стрелкой указано напраление действия силы тяжести, создаваемой нагрузкой. Цветными стрелками показаны направления движения пьезоактуатора N-331.
Ниже приведены результаты исследований в режиме полного шага и наношагового режима при общем перемещении более 100 км. Нижняя кривая соответствует ситуации, когда направление движения пьезоактуатора противоположно направлению действия силы тяжести нагрузки. Верхняя кривая – направление силы тяжести совпадает с направлением движения пьезоактуатора. Из графиков видно, что колебания величины шага незначительны на протяжении всего эксперимента, что позволяет достичь высокой плавности перемещения. Разница в величине шага для верхней и нижней кривых обусловлена изменением направления перемещения пьезоактуатора.
Рис.6 Зависимость величины шага (мкм) от пройденной дистанции (км) для режима полного шага.
Рис.7 Зависимость величины шага (мкм) от пройденной дистанции (км) для наношагового режима.
В силу конструкции для двигателя PICMAWalk характерно изменение величины шага с ростом усилия, приложенного вдоль подвижной направляющей. На рис.8 и 9 показаны соответствующие зависимости. Видно, что для случая, когда направление перемещения пьезоактуатора противоположно направлению силы тяжести нагрузки, при усилиях более 60 Н величина шага резко уменьшается. Когда направление силы тяжести и перемещения совпадают, наблюдается небольшой рост величины шага.
Рис.8 Зависимость величины шага от прикладываемого усилия для наношагового режима. Направления движения пьезоактуатора и силы тяжести противоположны друг другу
Рис.9 Зависимость величины шага от прикладываемого усилия для наношагового режима. Направления движения пьезоактуатора и силы тяжести совпадают
Ультразвуковые пьезоэлектрические двигатели
Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии PILine
Пьезоприводы PILine обладают следующими техническими особенностями:
Принципиальная схема пьезодвигателей линейного и углового типа показана на рис. 12
Рис. 12. Принципиальная схема линейного (слева) и углового (справа) пьезодвигателей серии PILine.
Основной частью линейного ультразвукового двигателя является пьезокерамическая пластина, поляризованная вдоль направления W (рис.12). На одну сторону пластины нанесены два положительных электрода, другая сторона заземлена. При движении влево или вправо на соответствующий электрод подается управляющий синусоидальный сигнал высокой частоты (в диапазоне от 100 до 200 кГц). Под действием приложенного напряжения, пьезокерамическая пластина деформируется (рис.13), заставляя перемещаться прикрепленный к ней толкатель, изготовленный из оксида алюминия. Вблизи толкателя размещена направляющая. Соприкосновение толкателя с направляющей приводит в движение платформу.
Рис. 13 Схема деформации пьезопластины при приложении синусоидального напряжения. Показан один цикл колебания пьезопластины.
На рис.12 справа изображена принципиальная схема вращающегося механизма, основанного на двух линейных пьезоприводах.
В более компактных вращающихся пьезоплатформах основной частью двигателя является полый пьезоцилиндр. Направление поляризации пьезоцилиндра перпендикулярно его боковой поверхности. На его внешнюю боковую поверхность нанесены активные электроды, разделённые небольшим зазором. Между электродами сверху на основании приклеены толкатели. Внутренняя сторона заземлена. При подаче синусоидального напряжения на активные электроды (через один) происходит деформация пьезоцилиндра, вследствие чего толкатели перемещают ротор (рис.14).
Рис. 14. Принципиальная схема миниатюрного углового пьезодвигателя PILine
Пьезодвигатели PILine являются достаточно надёжными приводами. В зависимости от условий эксплуатации, среднее время работы на отказ составляет примерно 20000 часов или 2000 км. На рис. 15 показана зависимость максимального времени бесперебойной работы, выраженное в процентах, от температуры, при максимальной величине управляющего сигнала. Из графика видно, что при температурах выше 20 °С возникает повышенный износ в связи с увеличением трения толкателя о направляющую.
Рис. 15 Зависимость максимального времени бесперебойной работы от температуры для пьезодвигателей серии PiLine
На рис.16 изображён график зависимости скорости пьезодвигателя от величины развиваемого усилия в направлении перемещения при различных величинах управляющего сигнала.
Рис. 16 Соотношение скорости и силы, развиваемой пьезодвигателем при различных амплитудах управляющего сигнала (40÷100%) для моделей U-264.10/20/30 (слева) и U-264.11/21/31 (справа)
Пьезодвигатели PiLine идеально подходят для приложений, где требуется высокая динамика перемещения. Они способны развивать ускорение в несколько g, а время установки в заданную координату составляет порядка 10 мксек (рис.17).
Рис. 17. Время разгона пьезодвигателя серии PILine до максимальной скорости в разных направлениях.
Пьзоэлектрические инерционные двигатели серии PIShift
Приводы PiShift имеют следующий ряд особенностей:
Пьезодвигатели серии PIShift основаны на эффекте прерывистого движения (stick-slip effect). Основа привода – пьезоактуатор, к одной стороне которого прикреплён преднагруженный фрикционный элемент. На пьезоактуатор подаётся пилообразный сигнал с контроллера. В процессе нарастания напряжения импульса пьезоэлемент медленно «растягивается» и перемещает направляющую, т.к. толкающее усилие не превышает статической силы трения между направляющей и фрикционным элементом. При резком спаде напряжения происходит быстрое «укорачивание» пьезоактуатора, при этом направляющая остаётся на своём месте, т.к. усилие, развиваемое пьезоэлементом, превышает кинетическое трение, что приводит к проскальзыванию (рис.18). Сравнение толкающей силы с силой кинетического трения обусловлено тем, что в момент начала спада напряжения направляющая продолжает движение по инерции.
Рис. 18. Схема движения инерционного пьезодвигателя серии PIShift.
Конструкция пьезопривода накладывает ограничения на области возможного применения. Не допускается подвергать направляющую воздействию боковых сил. Пьезоэлектрический двигатель серии PIShift не предназначен для работы в режиме 24/7. Максимальное время непрерывной работы не должно превышать 10 с, после которого привод должен находиться в покое как минимум такой же промежуток времени. При соблюдении этих условий и эксплуатации при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, срок службы пьезопривода позволяет пройти дистанцию до 2000 м.
Сравнительная таблица технических характеристик пьезодвигателей
| Параметр/Тип двигателя | Шаговый пьезодвигатель (Nexline, Nexact) | Ультразвуковой пьезодвигатель (PI Line) | Инерционный пьезодвигатель (PI Shift) |
| Разрешение | <1 нм | <1 мкм | <1 нм |
| Скорость | <10 мм/сек | <250 мм/сек; <1080 °/сек | <10 мм/сек |
| Диапазон перемещения | Ограничен только длиной направляющей | Ограничен только длиной направляющей | Ограничен только длиной направляющей |
| Развиваемое усилие | <800 Н | <40 Н | <10 Н |
| Диапазон управляющего напряжения | 55 В (Nexact) 500 В (Nexline) | 120 В, 200 В | <48 В |
| Особенности | · Позиционирование с нанометровым разрешением · Высокое толкающее/удерживающее усилие · Перемещение в миллиметровом диапазоне · Возможность грубой/точной подстройки за счёт различных режимов работы · Возможность использовать в качестве активной виброизоляции · Позиционирование с постоянной, низкой скоростью | · Позиционирование с микрометровым разрешением · Высокая скорость для задач сканирования, быстрая установка в указанную координату · Возможность позиционирования с постоянной, низкой скоростью | · Позиционирование с нанометровым разрешением · Низкий уровень шума при перемещении · Простота управления |
www.eurotek-general.ru
Ультразвуково́й дви́гатель (Ультразвуковой мотор, Пьезодвигатель, Пьезомагнитный двигатель, Пьезоэлектрический двигатель), (англ. USM — Ultra Sonic Motor, SWM — Silent Wave Motor, HSM — Hyper Sonic Motor, SDM — Supersonic Direct-drive Motor и др.) — двигатель, в котором рабочим элементом является пьезоэлектрическая керамика, благодаря которой он способен преобразовать электрическую энергию в механическую с очень большим КПД, превышающим у отдельных видов 90 %. Это позволяет получать уникальные приборы, в которых электрические колебания прямо преобразуются во вращательное движение ротора, при этом крутящий момент, развиваемый на валу такого двигателя столь велик, что исключает необходимость применения какого-либо механического редуктора для повышения крутящего момента. Также данный двигатель обладает выпрямительными свойствами гладкого фрикционного контакта. Эти свойства проявляются и на звуковых частотах. Такой контакт является аналогом электрического выпрямительного диода. Поэтому ультразвуковой двигатель можно отнести к фрикционным электромоторам.
В 1947 году были получены первые керамические образцы титаната бария и, уже с этого времени производство пьезоэлектрических моторов стало теоретически возможным. Но первый такой мотор появился лишь спустя 20 лет. Изучая пьезоэлектрические трансформаторы в силовых режимах, сотрудник Киевского политехнического института В. В. Лавриненко обнаружил вращение одного из них в держателе. Разобравшись в причине этого явления, он в 1964 году создаёт первый пьезоэлектрический мотор вращения, а вслед за ним и линейный мотор для привода реле[1][2]. За первым мотором с прямым фрикционным контактом он создаёт группы нереверсивных моторов[3] с механической связью пьезоэлемента с ротором через толкатели. На этой основе он предлагает десятки конструкций нереверсивных моторов, перекрывающих диапазон скоростей от 0 до 10 000 об/мин и диапазон моментов вращения от 0 до 100 Нм. Используя два нереверсивных мотора, Лавриненко оригинально решает проблему реверса. Интегрально на валу одного мотора он устанавливает второй мотор. Проблему ресурса мотора он решает, возбуждая крутильные колебания в пьезоэлементе.
На десятилетия опережая подобные работы в стране и за рубежом, Лавриненко разработал практически все основные принципы построения пьезоэлектрических моторов, не исключив при этом возможность работы их в режиме генераторов электрической энергии.
Учитывая перспективность разработки, Лавриненко совместно с соавторами, помогавшими ему реализовать его предложения, он защищает многочисленными авторскими свидетельствами и патентами. В Киевском Политехническом институте создается отраслевая лаборатория пьезоэлектрических моторов под руководством Лавриненко, организуется первое в мире серийное производство пьезомоторов для видеомагнитофона «Электроника-552». В последующем, серийно производятся моторы для диапроекторов «Днепр-2», кинокамер, приводов шаровых кранов и др. В 1980 году издательство «Энергия» печатает первую книгу по пьезоэлектрическим моторам[4], к ним появляется интерес. Начинаются активные разработки пьезомоторов в Каунасском политехническом институте под руководством проф. Рагульскиса К. М.[5]. Вишневский В. С., в прошлом аспирант Лавриненко, выезжает в Германию, где продолжает работу по внедрению линейных пьезоэлектрических моторов на фирме PHyzical Instryment. Постепенное изучение и разработка пьезоэлектрических моторов выходит за пределы СССР[6]. В Японии и Китае активно разрабатываются и внедряются волновые двигатели, в Америке — сверхминиатюрные двигатели вращения.
Ультразвуковой двигатель имеет значительно меньшие габариты и массу по сравнению с аналогичным по силовым характеристикам электромагнитным двигателем. Отсутствие обмоток, пропитанных склеивающими составами, делает его пригодным для использования в условиях вакуума. Ультразвуковой двигатель обладает значительным моментом самоторможения (до 50 % от величины максимального крутящего момента) при отсутствии питающего напряжения за счёт своих конструктивных особенностей. Это позволяет обеспечивать очень малые дискретные угловые перемещения (от единиц угловых секунд) без применения каких-либо специальных мер. Это свойство связано с квазинепрерывным характером работы пьезодвигателя. Действительно, пьезоэлемент, который преобразует электрические колебания в механические питается не постоянным, а переменным напряжением резонансной частоты. При подаче одного или двух импульсов можно получить очень маленькое угловое перемещение ротора. Например, некоторые образцы ультразвуковых двигателей, имеющие резонансную частоту 2 МГц и рабочую частоту вращения 0,2-6 об/сек, при подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента дадут в идеальном случае угловое перемещение ротора в 1/9.900.000-1/330.000 от величины окружности, то есть 0,13-3,9 угловых секунд.[7]
Одним из серьёзных недостатков такого двигателя является значительная чувствительность к попаданию в него твёрдых веществ (например песка). С другой стороны, пьезодвигатели могут работать в жидкой среде, например в воде или в масле.
ru-wiki.ru
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, авиакосмической, автомобильной отраслях. Технический результат состоит в повышении кпд, удельной мощности уменьшении габаритных размеров, возможности обратного вращения, в увеличении ресурса и надежности конструкции за счет уравновешенности конструкции и вращательно-фрикционного режима передачи момента на ротор. Вращательный пьезоэлектрический двигатель содержит неподвижный корпус, ротор с валом в подшипниковых опорах неподвижного корпуса. Внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами. На подвижном корпусе жестко закреплены два пьезоэлемента с толкателями для прямого вращения ротора и два пьезоэлемента с толкателями для обратного вращения ротора. Пьезоэлементы с толкателями с одним направлением вращения размещены диаметрально противоположно. Источник питания пьезоэлементов с толкателями имеет один выходной канал для прямого вращения ротора и один выходной канал для обратного вращения ротора. Один из пьезоэлементов с толкателем для обоих направлений вращения подключен через фазовращатель источника питания. 2 ил.
Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям для использования в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, авиакосмической, автомобильной отрасли.
Известны различные типы пьезоэлектрических двигателей для использования в системах автоматики и машиностроительных конструкциях. Например, реверсивный пьезодвигатель [Патент РФ №2055442. Реверсивный вибродвигатель/ Агапова Л.С., Ильин А.Г., Яценко В.К.], содержащий корпус, в котором размещены ротор в подшипниковых опорах и вибратор, представляющий собой два пьезоэлемента, установленных под углом друг к другу. Концы пьезоэлементов соединены башмаком. Крепление вибратора к корпусу осуществляется через пружину, соединенную с башмаком. Ротор расположен внутри угла, образованного пьезоэлементами. Или одночастотный волновой трубчатый пьезодвигатель [Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor //Theses and dissertations, Toronto. - 2011. - P. 3]. Устройство состоит из пьезотрубки, сформированной из четырех пьезоэлементов, двух роторов, жестко закрепленных на валу вибродвигателя и расположенных на торцах пьезотрубки. При подаче сдвинутых во времени синусоидальных напряжений на пластине пьезотрубки образуется круговое поле упругих механических напряжений, которое вращает оба ротора и вал вибродвигателя. Известно также устройство - пьезоэлектрический двигатель конструкции Т. Сашида [Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations, Toronto. - 2011. - P. 5], состоящее из пьезоактюатора, расположенного под углом к поверхности ротора. При подаче сигнала на пьезоактюатор механические усилия воздействуют на поверхность ротора под углом за счет фрикционного контакта тангенциальной составляющей силы, вызывающей вращательный момент двигателя.
Наиболее близким к заявляемому устройству является пьезоэлектрический двигатель конструкции Х.В. Барта [Kenji Uchino. Piezoelectric ultrasonic motors: overview // Smart Mater. Struct. - 1998. - P. 274] - прототип. Устройство состоит из неподвижного корпуса, ротора с валом в подшипниках, двух пьезоэлементов с толкателями (прямого и обратного хода), жесткозакрепленных на неподвижном корпусе. При подаче на пьезоэлемент синусоидального напряжения пьезоэлемент удлиняется и создает механическое усилие на толкатель, за счет фрикционного контакта и несоосного приложения силы на ротор образуется вращающий момент на валу двигателя.
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 объема и мощности пьезоэлемента.
Выше перечисленные недостатки исключает предложенная конструкция вращательного пьезоэлектрического двигателя.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении коэффициента полезного действия пьезодвигателя и уменьшении его габаритных размеров, возможности обратного вращения, увеличения удельной мощности, увеличения ресурса и надежности конструкции за счет уравновешенности конструкции и вращательно-фрикционного режима передачи момента на ротор.
Технический результат достигается тем, что вращательный пьезоэлектрический двигатель содержит неподвижный корпус, ротор с валом в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами, на подвижном корпусе жестко закреплены два пьезоэлемента с толкателями для прямого вращения ротора и два пьезоэлемента с толкателями для обратного вращения ротора, причем пьезоэлементы с толкателями с одним направлением вращения размещены диаметрально противоположно, при этом источник питания пьезоэлементов с толкателями имеет один выходной канал для прямого вращения ротора и один выходной канал для обратного вращения ротора, причем один из пьезоэлементов с толкателем для обоих направлений вращения подключен через фазовращатель источника питания.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
Фиг. 1 - Состав вращательного пьезоэлектрического двигателя.
Вращательный пьезоэлектрический двигатель на фиг. 1 содержит два корпуса: внешний неподвижный корпус 1 и внутренний подвижный корпус 2, соединенные между собой упругими элементами 3, во внутреннем подвижном корпусе жестко закреплены пьезоэлементы с толкателями 4, 5, 6, 7 - два для прямого вращения 4 и 5 и два для обратного вращения 6 и 7 ротора 8 с валом 9, который размещен в подшипниковых опорах 10 в щитках 11 неподвижного корпуса.
Высокочастотный источник питания 12 через коммутатор 13 подключается к пьезоэлементу с толкателем 5 напрямую и на 4 через фазовращатель прямого хода 14 для синфазной подстройки работы пьезоэлементов с толкателями 5 и 4, для обратного вращения через другой контакт коммутатора (при переключении коммутатора) подключается пьезоэлемент с толкателем 6 напрямую и пьезоэлемент с толкателем 7 через фазовращатель обратного вращения 15 для синфазной подстройки работы пьезоэлементов с толкателями 6 и 7.
Фиг. 2 - Графики входного напряжения на пьезоэлементы.
Для эффективной работы пьезодвигателя необходимо, чтобы силы пьезоэлементов с толкателями (например, 5 и 4) не имели временного сдвига фаз, то есть работали совершенно синфазно (Фиг. 2а). Невозможно произвести абсолютно одинаковые пьезоэлементы и поэтому даже при одинаковых сигналах возбуждения реакции пьезоэлементов с толкателями 5 и 4 будут не совпадать по фазе, что существенно снижает суммарный момент пьезодвигателя (Фиг. 2б). Поэтому на пьезоэлемент с толкателем 4 сигнал возбуждения подается через фазовращатель прямого вращения 14, на котором компенсируется разность фаз работы пьезоэлементов с толкателями 5 и 4 (Фиг. 2в).
Вращательный пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом.
При подключении источника питания 12 через коммутатор 13 к одному пьезоэлементу с толкателем 5 напрямую и к другому, для синфазной подстройки вибросмещения, пьезоэлементу с толкателем 4 через фазовращатель 14, пьезоэлементы с толкателями 4 и 5 удлиняются и создают суммарный вращающий момент на роторе 8, за счет фрикционного трения вместе с ротором 8 поворачивается подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем пьезоэлементами с толкателями 4, 5, 6, 7 на упругих элементах 3. При снятии питания с пьезоэлементов с толкателями 4 и 5 механический контакт пьезоэлементов с толкателями 4 и 5 с ротором 8 пропадает и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем пьезоэлементами с толкателями 4, 5, 6, 7 за счет упругих элементов 3 возвращается в исходное состояние относительно неподвижного корпуса вращательного пьезоэлектрического двигателя.
С повторением данного процесса происходит вращение ротора 8 пьезоэлектрического двигателя против часовой стрелки.
Обратное вращение пьезоэлектрического двигателя.
При подключении источника питания 12 через переключенный коммутатор 13 к одному пьезоэлементу с толкателем 6 напрямую и к другому для синфазной подстройки вибросмещения пьезоэлементу с толкателем 7 через фазовращатель 15, пьезоэлементы с толкателями 6 и 7 удлиняются и создают суммарный вращающий момент на роторе 8, за счет фрикционного трения вместе с ротором 8 поворачивается подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем пьезоэлементами с толкателями 4, 5, 6, 7 на упругих элементах 3. При снятии питания с пьезоэлементов с толкателеями 6 и 7 механический контакт пьезоэлементов с толкателями 6 и 7 с ротором 8 пропадает и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем пьезоэлементами с толкателями 4, 5, 6, 7 за счет упругих элементов 3 возвращается в исходное состояние относительно неподвижного корпуса вращательного пьезоэлектрического двигателя.
С повторением данного процесса происходит вращение ротора 8 пьезоэлектрического двигателя по часовой стрелке.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного объекта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2055442 Российская федерация, МПК H02N 2/10, Реверсивный вибродвигатель / Агапова Л.С., Ильин А.Г., Яценко В.К.
2. Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations, Toronto. - 2011. - 136 p.
3. Kenji Uchino. Piezoelectric ultrasonic motors: overview // Smart Mater. Struct. - 1998. - P. 273-285.
Вращательный пьезоэлектрический двигатель, содержащий неподвижный корпус, ротор с валом в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, два пьезоэлемента с толкателями прямого и обратного хода, 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 толкателями для прямого вращения ротора и два пьезоэлемента с толкателями для обратного вращения ротора, причем пьезоэлементы с толкателями с одним направлением вращения размещены диаметрально противоположно, при этом источник питания пьезоэлементов с толкателями имеет один выходной канал для прямого вращения ротора и один выходной канал для обратного вращения ротора, причем один из пьезоэлементов с толкателем для обоих направлений вращения подключен через фазовращатель источника питания.
www.findpatent.ru
Двигатель относится к электротехнике и может быть использован в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. Двигатель содержит статор, выполненный в виде горизонтально натянутой струны, якорь, содержащий пьезоэлемент, подключенный к генератору переменного напряжения, и подвеску из металлического стержня, прикрепленную к пьезоэлементу и установленную на статоре в двух точках опоры. Пьезоэлемент подключен к генератору с помощью гибких проводов и возбуждает в подвеске упругие продольные и крутильные волны. Изобретение обеспечивает устойчивое положение якоря. 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к пьезоэлектрическим двигателям, и может быть использовано в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике.
Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий осциллятор и ротор [Пьезоэлектрические двигатели. Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский B.C. - М.: Энергия, 1980]. Недостатком такого двигателя является необходимость использования износостойкой прокладки в месте взаимодействия осциллятора и ротора.
Известен также пьезоэлектрический двигатель [Александров В.А. Эффект транспортирования на струне // Датчики и системы. 2001. №6], состоящий из горизонтально натянутой струны и пьезоэлемента с подвеской. В данном двигателе струна служит статором, а пьезоэлемент с подвеской - якорем. Недостатком этого двигателя является то, что он не обеспечивает устойчивость положения якоря в моменты начала движения и торможения из-за того, что подвеска имеет только один участок опоры на струне. Незначительная неустойчивость также наблюдается и при установившемся движении.
Задачей изобретения является создание пьезоэлектрического двигателя с устойчивым положением якоря.
Задача решается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, включающем статор в виде горизонтально натянутой металлической струны и якорь, содержащий пьезоэлемент, подключенный к генератору переменного напряжения, и подвеску из металлического стержня, закрепленную одним концом к пьезоэлементу, а другим изогнутым концом свободно подвешенную на статоре, подвеска выполнена так, что она содержит два разнесенных участка опоры на статоре.
На фиг.1 изображен пьезоэлектрический двигатель, где 1 - статор, выполненный в виде горизонтально натянутой металлической струны, 2 - пьезоэлемент и 3 - подвеска, составляющие якорь, 4 - генератор переменного напряжения. Варианты двигателя а)-г) отличаются исполнением подвески.
На фиг.2 схематически изображены движения участков поверхности подвески при одновременном распространении продольных и крутильных нормальных упругих волн.
На фиг.3 изображены траектории движения частиц поверхности подвески при сложении волн с взаимно перпендикулярными колебаниями для различных значений их разности фаз.
Принцип работы пьезоэлектрического двигателя (см. фиг.1) заключается в следующем. После подключения пьезоэлемента 2 к генератору переменного напряжения 4 с помощью гибких проводов пьезоэлемент начинает колебаться и возбуждает в подвеске 3 из металлического стержня продольные (с поперечными смещениями из-за эффекта Пуассона) и крутильные нормальные волны одной и той же частоты. В результате этого в любой плоскости поперечного сечения подвески возбуждаются радиальные колебания и перпендикулярные им крутильные колебания. При этом частицы участков поверхности подвески, в том числе соприкасающихся со статором, приобретают эллиптически поляризованное вращательное движение, форма траектории и направление которого зависит от разности фаз крутильной и продольной волн. При определенных частотах колебаний пьезоэлемента это приводит к движению якоря (состоящего из пьезоэлемента и подвески) по поверхности статора 1. Направление движения якоря в пьезоэлектрическом двигателе устанавливается изменением частоты, а скорость определяется амплитудой и частотой электрического напряжения на пьезоэлементе.
Скорости продольной и крутильной волн в подвеске соответственно равны vξ=(E/ρ)1/2 и vϕ=(μ/ρ)1/2, где Е - модуль Юнга, μ - модуль сдвига и ρ - плотность материала подвески. Разность фаз крутильной и продольной волн на участке поверхности подвески равна ΔФ=(1/vϕ-1/vξ)ωx, где ω - круговая частота волн, x - расстояние участка поверхности подвески от источника волн.
Траектория движения частиц поверхности подвески в плоскости поперечного сечения при разности фаз крутильных и продольных волн ΔФ=(2m+1)π/2 (m=0; 1; 2; ...) приближенно представляет эллипс с осями, параллельными направлениям колебаний, при ΔФ=[(2m+1)π/2]±π/4 оси эллипса находятся под углом к радиусу стержня и при ΔФ=mπ траектории представляют собой отрезки прямой, составляющей с радиусом стержня угол ϕ=arctg[(Aϕ/Aη)cosmπ], где Аϕ и Аη - соответственно амплитуды крутильной волны и амплитуда поперечных смещений из-за эффекта Пуассона продольной волны.
Подбором частоты колебаний источника волн можно добиться необходимого значения разности фаз крутильной и поперечной волн и необходимой одинаковой формы траектории движения частиц поверхности подвески для обоих разнесенных участков опоры на статоре. Таким образом, возникает возможность движения якоря с двумя опорами и, следовательно, достигается устойчивость движения якоря и при старте, и при торможении. Поскольку движение якоря обусловлено колебаниями частиц поверхности подвески якоря, то применение натянутой струны в качестве статора позволяет перемещать якорь на большие расстояния в пределах длины струны.
Пьезоэлектрический двигатель, включающий статор, выполненный в виде горизонтально натянутой металлической струны, и якорь, содержащий пьезоэлемент, подключенный к генератору переменного напряжения, и подвеску из металлического стержня, закрепленную одним концом к пьезоэлементу, а другим - изогнутым - концом свободно подвешенную на статоре, отличающийся тем, что подвеска содержит два разнесенных участка опоры на статоре.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к пьезоэлектрическим микродвигателям для приборов в системах автоматики, приборостроения, робототехники. Пьезоэлектрический двигатель содержит параллельный оси вращения ротора вибратор продольных колебаний с торцевыми прокладками, зажатый между двумя дисками ротора с помощью прижимного устройства. Один из дисков ротора жестко соединен с валом. Между торцами прокладок и дисков ротора под углом к ним расположены толкатели. Соединение второго диска с валом обеспечивает максимальную жесткость ротора в осевом направлении с возможностью перемещения этого диска по валу. Второй диск ротора может быть соединен с валом резьбой и подпружинен относительно вала торсионной пружиной, торсионная жесткость которой, по крайней мере, на порядок меньше торсионной жесткости вала. Второй диск может быть прижат к вибратору через толкатели гайкой, на которую в направлении затягивания воздействует податливая торсионная пружина. Толкатели могут быть закреплены с одной стороны на торцах дисков либо закреплены в средней своей части в эластичных втулках. Угол каждого толкателя не превышает угла трения толкателей о прокладку или диск. Собственная частота первой формы изгибных колебаний толкателей близка к частоте возбуждения вибратора. Прокладки вибратора и диски ротора изготовлены из материала с износостойкостью меньшей, чем износостойкость материала толкателей. Незакрепленные концы толкателей опираются в кольцевые проточки на торцах прокладок вибратора. Изобретение позволяет повысить КПД, тяговые характеристики и ресурс пьезоэлектрических микродвигателей с вибратором, параллельным оси вращения ротора. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к пьезоэлектрическим микродвигателям для приводов в системах автоматики, приборостроения, робототехники.
Спецификой миниатюрных пьезоэлектрических двигателей является необходимость эффективного использования габаритов двигателя и объема пьезоэлектрического элемента, повышения КПД, удельных характеристик двигателей и их стабильности в процессе эксплуатации. Известен пьезоэлектрический двигатель [А. с. N 1278994, М.кл. H 02 N 2/00, H 01 L 41/08, G 11 В 15/40, 1986 г.], содержащий параллельный оси вращения ротора вибратор с прокладкой, ротор, состоящий из диска, жестко связанного с валом, а также толкатели, расположенные между прокладкой вибратора и диском ротора. Износостойкая прокладка закреплена на цилиндрической поверхности вибратора радиальных колебаний, а толкатели наклонены к плоскости, касательной к цилиндрической поверхности вибратора в точке контакта толкателей под углом меньшим 90o в плоскости диска ротора. Работа двигателя заключается в следующем. При подаче переменного электрического напряжения ротор двигателя начинает вращаться вследствие периодического, с частотой возбуждения, проскальзывания и заклинивания толкателей на цилиндрической поверхности прокладки вибратора. Недостатком данного двигателя является то, что величина усилия прижима толкателей к прокладке вибратора задается при его сборке начальной деформацией толкателей. В процессе эксплуатации двигателя происходит износ толкателей и соответствующее уменьшение усилия прижима тем большее, чем выше изгибная жесткость толкателей. Это приводит к уменьшению крутящего момента двигателя. Кроме того, износ толкателей и соответствующее уменьшение их длины и массы приводит к увеличению частоты собственных изгибных колебаний толкателей, что, при неизменной собственной частоте вибратора, снижает эффективность преобразования его колебаний во вращение ротора и КПД двигателя. Известен пьезоэлектрический двигатель [US N 4453103, H 01 L 41/08, 1984 г., фиг.18 (прототип)], содержащий параллельный оси вращения ротора вибратор продольных колебаний с торцевыми прокладками, зажатый между двумя дисками упомянутого ротора с помощью пружины, один из дисков жестко соединен с валом, второй диск соединен с валом с помощью подвижного соединения, а между, по крайней мере, одним из дисков и прокладкой вибратора расположены толкатели. Причем второй диск соединен с валом с использованием направляющего штифта (фиг. 14, f) или шпонки (фиг. 18), которая обеспечивает осевое перемещение упомянутого диска под действием пружины сжатия без возможности поворота этого диска относительно вала, а толкатели, длина которых составляет примерно 1/2 длины волны их продольных колебаний, закреплены на торцах вибратора. Работа двигателя заключается в следующем. При подаче на пьезоэлектрический вибратор переменного электрического напряжения он удлиняется и сокращается с частотой подаваемого напряжения. Амплитуда колебаний торцов вибратора максимальна при совпадении частоты электрического напряжения с частотой первого продольного резонанса вибратора. В толкателях, закрепленных на торцах вибратора, также возникают продольные колебания, частота которых кратна частоте колебаний вибратора. В результате косого соударения свободных концов толкателей с торцами дисков в толкателях возбуждаются изгибные колебания - поперечные колебания свободных концов толкателей. При некотором экспериментально выбранном усилии прижима дисков к толкателям, задаваемым пружиной, появляется однонаправленный импульс тангенциального усилия, которое прикладывается к ротору и, суммируясь с импульсами за другие периоды колебаний, создает ротору однонаправленное вращение. Недостатком данного двигателя является то, что жесткость вибратора с толкателями в осевом направлении существенно больше жесткости ротора с дисками, прижимаемыми пружиной сжатия к свободным концам толкателей. Это обусловлено необходимостью использования пружины с низкой жесткостью, которая задает усилие прижима дисков к толкателям и, благодаря своей малой жесткости, сохраняет это усилие в оптимальном диапазоне в процессе работы двигателя и износе торцов дисков и толкателей. Кроме того, пружина с низкой жесткостью позволяет упростить процедуру экспериментального определения оптимального усилия прижима в процессе регулировки двигателя при его сборке. Резонансные частоты колебаний вибратора с толкателями и ротора с дисками и пружиной сжатия отличаются больше, чем на порядок. Поэтому эффективность передачи энергии от вибратора к ротору низкая и, соответственно низок КПД двигателя. Крепление толкателей на торцах вибратора приводит к тому, что в полупериоде удлинения вибратора уменьшается усилие прижима их свободных концов к торцам дисков, что снижает тяговое усилие двигателя и его КПД. Кроме того, толкатели, закрепленные на торцах вибратора, снижают его резонансную частоту и быстродействие двигателя и сдвигают спектр его акустических шумов в область более низких частот, слышимых человеческим ухом, что обуславливает необходимость использования звукопоглощающих и звукоизолирующих элементов. В основу изобретения поставлена задача для пьезоэлектрического двигателя путем соединения второго диска с валом соединением, жестким в осевом направлении, но позволяющим при этом второму диску легко перемещаться по валу в осевом направлении, и крепления толкателей на торцах дисков ротора обеспечить повышение КПД двигателя, его тяговых характеристик, быстродействия и ресурса. Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем параллельный оси вращения ротора вибратор продольных колебаний с торцевыми прокладками, зажатый между двумя дисками упомянутого ротора с помощью пружины, один из дисков жестко соединен с валом, второй диск соединен с валом с помощью подвижного соединения, а между, по крайней мере, вторым диском и прокладкой вибратора расположены толкатели, имеется также резьбовое соединение второго диска с валом и торсионная пружина, обеспечивающие максимальную жесткость ротора в осевом направлении с возможностью перемещения этого диска по валу. Жесткое, в осевом направлении, резьбовое соединение второго диска с валом позволяет получить максимальную жесткость ротора в осевом направлении, благодаря чему амплитуда продольных колебаний вибратора более эффективно преобразуется во вращение ротора, повышаются тяговые характеристики и КПД двигателя. Осевое перемещение второго диска по валу на резьбе под действием торсионной пружины с низкой торсионной жесткостью позволяет увеличить ресурс двигателя за счет постоянного подкручивания этого диска по резьбе на величину износа толкателей и прокладок вибратора. Торсионная жесткость пружины меньшая, по крайней мере, на порядок торсионной жесткости вала позволяет в течение всего ресурса двигателя обеспечить практически неизменный закручивающий момент пружины - неизменные условия контакта толкателей с прокладками вибратора и, соответственно, неизменные тяговые характеристики и КПД двигателя. Кроме того, начальный момент закручивания пружины соответствует максимальному крутящему моменту двигателя, что позволяет упростить его регулировку при сборке и настраивать конкретный двигатель на требуемый в конкретном случае максимальный крутящий момент. Возможен вариант двигателя, в котором поставленная задача решается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем параллельный оси вращения ротора вибратор продольных колебаний с торцевыми прокладками, зажатый между двумя дисками упомянутого ротора с помощью пружины, один из дисков жестко соединен с валом, второй диск соединен с валом с помощью подвижного соединения, а между, по крайней мере, вторым диском и прокладкой вибратора расположены толкатели, имеется также гайка, подпружиненная на затягивание относительно вала торсионной пружиной. Прижим второго диска к вибратору, через толкатели, гайкой позволяет упростить конструкцию этого диска за счет выполнения внутреннего отверстия в нем гладким, что обеспечивает лучшее центрирование второго диска на валу, чем резьбовое соединение. Гайка обеспечивает только получение максимальной жесткости ротора в осевом направлении, а ее несоосность с валом и торцевое биение не оказывает влияния на постоянство угловой скорости вращения ротора. Двигатель по п.1,2, отличающийся тем, что толкатели закреплены на торце, по крайней мере, второго диска. Крепление толкателей на торце, по крайней мере, второго диска приводит к тому, что усилие прижима свободных концов толкателей к прокладкам вибратора в полупериоде удлинения вибратора увеличивается, что повышает тяговые характеристики двигателя. При этом снижается масса, сосредоточенная на концах вибратора, что повышает его резонансную частоту и, соответственно, быстродействие двигателя. Кроме того, спектр акустических шумов двигателя сдвигается в более высокочастотную, не воспринимаемую человеческим ухом, область. Двигатель по п. 1, 2, отличающийся тем, что толкатели закреплены, по крайней мере, в одной эластичной втулке, расположенной между торцами прокладки вибратора и, по крайней мере, второго диска и изготовленной из материала с модулем упругости, по крайней мере, на порядок меньшим, чем модуль упругости материала толкателей. Крепление толкателей в эластичной втулке позволяет сделать съемной и легко заменяемой деталь двигателя, удерживающую толкатели в требуемом положении относительно прокладок вибратора и дисков ротора. Т.к. толкатели являются наиболее быстро изнашиваемыми элементами двигателя, то возможность их замены позволяет увеличить ресурс двигателя в целом. Двигатель по п. 1, 2, отличающийся тем, что толкатели имеют собственную частоту первой формы изгибных колебаний, близкую к частоте возбуждения вибратора. При этом толкатели совершают изгибные колебания с частотой возбуждения вибратора в одной фазе с ним: в начале полупериода сокращения вибратора они отрываются от торцевой поверхности прокладок вибратора, а в конце этого полупериода - касаются ее, что снижает время проскальзывания свободных концов толкателей по торцевой поверхности прокладок вибратора и их относительные скорости в моменты соприкосновения и отрыва. Это повышает тяговые характеристики, КПД и ресурс двигателя. Двигатель по п. 1, 2, отличающийся тем, что детали двигателя, с которыми взаимодействуют свободные концы толкателей, изготовлены из материала с износостойкостью меньшей, чем износостойкость материала толкателей. Это позволяет продлить период работы двигателя в оптимальном режиме, когда частота продольных колебаний вибратора близка к частоте первой формы изгибных колебаний толкателей. В процессе эксплуатации двигателя происходит износ толкателей, сопровождающийся уменьшением их длины и массы, что приводит к увеличению их собственной частоты, общего времени проскальзывания свободных концов толкателей и относительной скорости свободных концов толкателей и ответных деталей в моменты их отрыва и касания. Кроме того, происходит износ прокладок вибратора, что приводит к увеличению его собственной частоты. Площадь истирания толкателей меньше площади истирания прокладок. Поэтому изготовление последних из материала с меньшей износостойкостью, чем у материала толкателей, позволяет сблизить скорости изменения собственных частот вибратора и толкателей. Предложенный двигатель поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид пьезоэлектрического двигателя с толкателями, закрепленными на дисках ротора, на фиг. 2 - общий вид двигателя с толкателями, закрепленными в податливых втулках и подвижным диском, прижатым гайкой. Пьезоэлектрический двигатель (фиг. 1) содержит параллельный оси вращения ротора вибратор продольных колебаний 1 с торцевыми прокладками 2 и 3, ротор, состоящий из дисков 4 и 5, пружины 6 и вала 7. Один из дисков - 5 жестко соединен с валом 7. Между, по крайней мере, вторым диском 4, который соединен с валом 7 подвижно, и торцевой прокладкой 2 вибратора 1 расположены толкатели 8 под углом
в плоскости, касательной к образующей цилиндрической поверхности, соосной с ротором, проходящей через точки контакта толкателей с прокладкой. Оптимальным является угол , близкий к углу трения материалов толкателей и прокладок [См., например, Испытательная техника: Справочник. В 2-х кн. / Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1982. Кн. 1, с. 190 - 222] . Собственная частота первой формы изгибных колебаний толкателей [см., например, Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев: Наукова Думка, 1975 г., с. 533, 553] выбрана близкой к частоте возбуждения вибратора. Второй диск 4 соединен с валом 7 резьбой A с направлением затягивания B, противоположным направлению вращения C вала 7. Диск 4 подпружинен на затягивание пружиной 6 с торсионной жесткостью, по крайней мере, на порядок меньшей, чем торсионная жесткость вала, при этом начальный момент закручивания пружины соответствует максимальному крутящему моменту двигателя. С другой стороны вибратора 1, между прокладкой 3 и диском 5, также могут быть размещены толкатели 8. Толкатели 8 могут опираться незакрепленными концами в кольцевые проточки D, которые позволяют установить ротор в двигателе без подшипников. Двигатель, представленный на фиг. 2, отличается от описанного выше варианта тем, что толкатели 8 закреплены в податливых втулках 10, изготовленных из материала, имеющего модуль упругости, по крайней мере, на порядок меньше, чем модуль упругости материала толкателей. В качестве материала для втулок в равной мере подходят полистирол, полиэтилен, фторопласт и другие термопластические полимеры, а также резина, эпоксидная смола. Второй диск 4 соединен с валом 7 с возможностью свободного перемещения вдоль его оси без поворота относительно вала, прижат гайкой 9 и торсионной пружиной с жесткостью, по крайней мере, на порядок меньшей, чем торсионная жесткость вала. Двигатель работает следующим образом. При подаче на пьезоэлектрический вибратор 1 переменного напряжения с частотой, близкой к собственной частоте его продольных механических колебаний, он начинает периодически удлиняться и сокращаться: происходят резонансные колебания вибратора. В полупериоде удлинения вибратора прокладки движутся к дискам и прижимаются к толкателям. В результате этого на диски 4 и 5 передаются противоположно направленные силы, действующие по оси ротора. Первый диск 5 жестко соединен с валом 7, а второй диск 4 - с помощью резьбы, поэтому расстояние между ними не меняется под действием упомянутых сил и все удлинение вибратора 1 - уменьшение расстояния - между прокладками 2(3) и дисками 4(5) - преобразуется в поворот толкателей 8, увеличение угла и соответствующий поворот вала двигателя. При этом толкатели не проскальзывают в точках контакта с прокладками, т.к. угол не превышает угла трения материалов толкателей и прокладок. Кроме рассмотренной осевой силы на второй диск 4 действует крутящий момент, равный произведению трех сомножителей: осевой силы, тангенса угла и расстояния точки контакта толкателя с торцом прокладки до оси вращения вала. Этот момент действует в направлении отворачивания второго диска 4 по резьбе A вала 7 и уравновешивается моментом закручивания торсионной пружины 6. Через эту пружину крутящий момент от второго диска 4 передается на вал 7 двигателя. Толкатели, расположенные с другой стороны вибратора 1 - между прокладкой 3 и диском 5, - также преобразуют возникающее осевое усилие в крутящий момент. Таким образом, крутящий момент двигателя равен сумме моментов, возникающих на обоих дисках 4 и 5. В полупериоде сокращения вибратора до момента достижения им минимальной длины прокладки движутся в противоположном направлении и отжимаются от толкателей. В этом полупериоде ротор двигателя вращается по инерции. Так как собственная частота первой формы изгибных колебаний толкателей выбрана близкой к частоте возбуждения вибратора, то в конце этого полупериода (сокращения вибратора) толкатели, совершив полупериод свободных колебаний, опять касаются прокладок. Далее наступает полупериод удлинения вибратора, и рабочий цикл двигателя повторяется. При работе двигателя происходит износ прокладок вибратора и толкателей. Торсионная пружина 6 за счет начального момента закручивания, установленного при сборке двигателя, и малой торсионной жесткости, по крайней мере, на порядок меньшей, чем торсионная жесткость вала, постоянно подкручивает (затягивает) второй диск 4 по резьбе A вала 7, обеспечивая тем самым сохранение условий оптимального зацепления толкателей и прокладок двигателя в процессе его работы и связанного с ней износа упомянутых элементов. Причем, благодаря малой торсионной жесткости пружины, износ толкателей практически не изменяет установленного при сборке двигателя ее начального момента закручивания и соответствующего усилия прижима свободных концов толкателей. В процессе износа толкателей и прокладок происходит уменьшение их длины и массы и изменяются собственные частоты колебаний вибратора и толкателей. Изнашиваемая площадь прокладок вибратора больше суммарной изнашиваемой площади свободных концов толкателей. Поэтому меньшая износостойкость материала прокладок по сравнению с износостойкостью материала толкателей позволяет продлить период эксплуатации двигателя, в течение которого собственная частота продольных колебаний вибратора близка к собственной частоте первой формы изгибных колебаний толкателей. Благодаря этому в течение упомянутого периода сохраняются тяговые характеристики двигателя и его КПД. В процессе работы двигателя свободные концы толкателей перемещаются по кольцевым проточкам D прокладок вибратора и обеспечивают бесподшипниковое сохранение оси вращения ротора двигателя. Таким образом, при использовании данного предлагаемого изобретения повышается КПД и ресурс двигателя с пьезоэлектрическим вибратором, параллельным оси вращения ротора, благодаря более полному преобразованию амплитуды колебаний вибратора во вращательное движение ротора за счет жесткого в осевом направлении соединения второго диска с валом и перемещения этого диска по валу с помощью резьбы под действием торсионной пружины с низкой торсионной жесткостью, крепления толкателей на торцах дисков ротора, выбора собственной частоты первой формы изгибных колебаний толкателей, близкой к частоте возбуждения вибратора.Формула изобретения
1. Пьезоэлектрический двигатель, содержащий параллельный оси вращения ротора вибратор продольных колебаний с торцевыми прокладками, зажатый между двумя дисками упомянутого ротора с помощью пружины, один из дисков жестко соединен с валом, а между, по крайней мере, одним из дисков и прокладкой вибратора расположены толкатели, отличающийся тем, что второй диск соединен с валом резьбой с направлением затягивания, противоположным направлению вращения вала, и подпружинен на затягивание относительно вала торсионной пружиной, торсионная жесткость которой, по крайней мере, на порядок меньше торсионной жесткости вала. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что толкатели закреплены на торце, по крайней мере, второго диска. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что толкатели закреплены, по крайней мере, в одной эластичной втулке, расположенной между торцами прокладки вибратора и, по крайней мере, второго диска. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что толкатели имеют собственную частоту первой формы изгибных колебаний, близкую к частоте возбуждения вибратора. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что детали двигателя, с которыми взаимодействуют свободные конца толкателей, изготовлены из материала с износостойкостью меньшей, чем износостойкость материала толкателей. 6. Пьезоэлектрический двигатель, содержащий параллельный оси вращения ротора вибратор продольных колебаний с торцевыми прокладками, зажатый между двумя дисками упомянутого ротора с помощью пружины, один из дисков жестко соединен с валом, а между, по крайней мере, одним из дисков и прокладкой вибратора расположены толкатели, отличающийся тем, что второй диск прижат со стороны, противоположной вибратору, гайкой, подпружиненной торсионной пружиной, торсионная жесткость которой, по крайней мере, на порядок меньше торсионной жесткости вала. 7. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что толкатели закреплены, по крайней мере, в одной эластичной втулке, расположенной между торцами прокладки вибратора и, по крайней мере, одного из дисков. 8. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что толкатели имеют собственную частоту первой формы изгибных колебаний, близкую к частоте возбуждения вибратора. 9. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что детали двигателя, с которыми взаимодействуют свободные концы толкателей, изготовлены из материала с износостойкостью меньшей, чем износостойкость материала толкателей.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
1.1 и 1.3 на фиг. 3). Деформация пьезоэлементов 1.2 и 1.4 ( 1.2 и 1.4 на фиг.3) происходит аналогично, но со сдвигом по фазе 90o, который создается фазосдвигающим устройством 9. В результате происходит качание статорного кольца 5 в двух взаимно перпендикулярных направлениях и изменение воздушного зазора между кольцом 5 и магнитом 7, синхронное с управляющим напряжением, т.е. угол перемещения минимального зазора 
min линейно изменяется во времени. Зона минимального воздушного зазора обладает минимальным магнитным сопротивлением, где концентрируются силы магнитного притяжения между магнитом 7 и кольцом 5. Круговое перемещение зоны минимального воздушного зазора создает тангенциальную составляющую силы магнитного притяжения, под действием которой происходит вращение ротора 6. При изменении знака фазового сдвига, формируемого фазосдвигающим устройством 9, происходит изменение направления перемещения минимального воздушного зазора и, следовательно, изменение направления вращения ротора 6. Выше описаны конструкция и работа пьезоэлектрического двигателя с монолитными пьезоэлементами. Возможен вариант двигателя с многослойными пьезоэлементами, дающий дополнительный технический эффект: снижение управляющего напряжения. При этом возможно применение как поперечного, так и продольного пьезоэффекта, с соблюдением принципа антипараллельности деформаций в каждой паре пьезоэлементов. В остальном работа пьезоэлектрического двигателя аналогична первому варианту. Применение двух пар пьезоэлементов с антипараллельной деформацией в качестве электромеханических преобразователей, качающегося статорного кольцевого магнитопровода и роторного постоянного магнита существенно повышает надежность работы пьезоэлектрического двигателя, дает возможность одновременной работы нескольких двигателей от одного источника питания, расширяет функциональные возможности устройства. Создан новый тип нерезонансного твердотельного двигателя без фрикционного взаимодействия элементов в цепи электрического преобразования энергии - волновой пьезоэлектромагнитный двигатель. Технические преимущества пьезоэлектрического двигателя позволяют использовать его в технологических установках с длительным циклом непрерывной работы, например - в термостатах и системах с управляемой газовой средой. www.freepatent.ru
Использование: в качестве микродвигателей в системах автоматики, следящих системах, для автомобильных стеклоочистителей и в других силовых приводах, где требуется значительный пусковой момент. Двигатель содержит коаксиально расположенные ротор и статор, по меньшей мере один осциллятор в виде кольцевого пьезоэлемента с электродами и поляризацией, обеспечивающей возбуждение радиальных колебаний, а также упругие пластины-толкатели, прижатые одним концом к боковой поверхности ротора. Цель изобретения - увеличение предельно допустимой мощности двигателя и обеспечение ремонтоспособности его при износе толкателей. Для этого осциллятор содержит металлическую шайбу, которая через пленку звукоизолирующего материала прижата к торцевой поверхности по меньшей мере одного пьезоэлемента с помощью резьбового соединения, акустически изолированного от пьезоэлемента и шайбы. Толкатели закреплены на цилиндрической поверхности шайбы. 5 ил.
Изобретение относится к пьезотехнике, а именно к пеьзоэлектрическим двигателям, и может быть использовано, например, для стеклоочистителей автомобилей и в других силовых приводах, требующих значительного пускового момента. Цель изобретения - увеличение предельно допустимой мощности двигателя и обеспечение ремонтоспособности двигателя при износе толкателей. На фиг. 1 показан пьезоэлектрический двигатель, вертикальный разрез; на фиг. 2 и 3 - варианты выполнения статора пьезоэлектрического двигателя; на фиг. 4 и 5 - способы закрепления пластин-толкателей по шайбе из непьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрический двигатель содержит ротор 10 и статор 12 (фиг. 1). Конструкции статора показаны на фиг. 1, 2 и 3. Для удобства описания позиции всех деталей на указанных фигурах совпадают. Статор 12 состоит из корпуса 1, в котором монтируются подшипники 11. На цилиндрической части статора смонтированы шайба 2 из непьезоэлектрического звукопроводящего материала, например из стали, и пьезоэлемент 4, между которыми расположена пленка 8 из звукоизолирующего материала, например фторопласта. Указанные выше детали через стакан 7, выполненный, например, из фторопласта, и прокладки 9, выполненные, например, из резины, акустически изолированы от корпуса 1 и с помощью гайки 5 плотно прижаты друг к другу. На шайбе 2 закреплены упругие пластины-толкатели 3, прижатые одним концом к боковой поверхности ротора 10 (фиг. 1) и выполненные, например, из стали 65Г2ПС. Пластины-толкатели 3 закреплены на шайбе с помощью пайки (фиг. 4) или обжимом (фиг. 5). Пьезоэлемент выполнен в виде пьезоэлектрического диска с отверстием и с электродами на боковых или цилиндрических поверхностях, которые подключены к источнику переменного напряжения (на фиг. 1-5 не показаны). Направление поляризации (на чертеже не показано) перпендикулярно поверхности электродов. Двигатель работает следующим образом. При подаче на электроды пьезоэлемента 4 переменного электрического напряжения с частотой, равной частоте резонанса радиальных колебаний осциллятора, в пьезоэлементе возбуждаются радиальные колебания. Так как пьезоэлемент 4 через пленку 8 прижат к шайбе 2, то между ними существует акустическая связь (так как толщина пленки значительно меньше длины волны), благодаря которой ультразвуковые колебания пьезоэлемента возбуждают радиальные колебания шайбы. Эти колебания максимальны тогда, когда собственные резонансные частоты радиальных колебаний пьезоэлемента и шайбы совпадают. (Для этого отношение диаметров шайбы и пьезоэлемента выбирают равным отношению скорости звука в материалах, из которых они сделаны). Под действием указанных колебаний периодически измеряется диаметр шайбы 2. При этом пластины-толкатели 3, прижатые к цилиндрической поверхности ротора 10, несколько изгибаются и за счет сил трения сообщают ротору 10 вращающий момент. При этом в пластинах-толкателях 3 генерируется волна изгибных колебаний, которая распространяется вдоль толкателей до места их закрепления на шайбе 2. За цикл, когда диаметр шайбы 2 уменьшается, волна изгиба отводит конец толкателя от ротора 10, позволяя толкателю возвратиться в исходное состояние. Таким образом, на конце толкателя взаимодействуют два типа акустических колебаний - продольные и изгибные, и при работе двигателя с высоким КПД конец пластины-толкателя 3 движется по эллипсу. Рассматриваемая конструкция пьезоэлектрического двигателя позволяет значительно повысить прочность соединения толкателей до значений прочности на разрыв материала самого толкателя. За счет этого в несколько раз по сравнению с прототипом возрастает импульсная мощность пьезоэлектрического двигателя. При этом обеспечивается замена шайбы с толкателями или замена самих толкателей при их износе без разрушения пьезоэлемента, являющегося наиболее дорогой частью пьезоэлектрического двигателя.
Формула изобретения
Пьезоэлектрический двигатель, содержащий коаксиально расположенные ротор и статор, по крайней мере один осциллятор радиальных колебаний в виде дискового пьезоэлемента с электродами и центральным отверстием, установленный на статоре, и упругие пластины-толкатели, прижатые одним концом к боковой поверхности ротора, отличающийся тем, что, с целью увеличения предельно допустимой мощности и обеспечения ремонтоспособности при износе толкателей, осциллятор снабжен по крайней мере одной металлической шайбой, прижатой по крайней мере через одну пленку звукоизолирующего материала к торцевой поверхности по крайней мере одного пьезоэлемента с помощью резьбового соединения, акустически изолированного от пьезоэлемента и шайбы, причем толкатели закреплены на цилиндрической поверхности шайбы.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5Похожие патенты:
Изобретение относится к электротехнике, автоматике и ультразвуковой технике, может быть использовано в силовых преобразователях микроперемещений, электроакустических преобразователях, шаговых устройствах
Изобретение относится к оптическим сканирующим устройствам и может быть использовано для точного наведения оптического луча на объект
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для прецизионного перемещения оптических компонентов в соответствии с заданными управляющими воздействиями
Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к устройствам для прецизионного перемещения изделий, преимущественно в экологически чистых средах
Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в качестве пьезоэлектрического привода в, делительных машинах для изготовления дифракционных решеток
Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к устройствам для прецизионного перемещения изделий, преимущественно в экологически чистых средах
Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в качестве пьезоэлектрического привода в, делительных машинах для изготовления дифракционных решеток
Изобретение относится к транспортному машиностроению
Изобретение относится к области электротехники , касается магнитострикционных устройств микроперемещений и может быть использовано в контрольно-измерительной, оптико-механической технике, лазерных системах , системах наведения и т.д
Изобретение относится к области автоматики и приборостроения
Изобретение относится к исследованию поверхности, в частности туннельными микроскопами и литографами
Изобретение относится к механизмам, предназначенным для преобразования радиального перемещения пьезокерамики в линейное перемещение подвижного элемента, и может использоваться в исполнительных органах автоматических устройств
Изобретение относится к пьезотехнике, а именно к пеьзоэлектрическим двигателям, и может быть использовано, например, для стеклоочистителей автомобилей и в других силовых приводах, требующих значительного пускового момента
www.findpatent.ru
