ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H02N2/00 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям преимущественно вращательного движения и может найти применение в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов таких, как лентопротяжные механизмы магнитофонов, устройств ввода- вывода, цифропечатающих устройств, в автомобильной промышленности в качестве приводов стеклоочистителей, стеклоподъемников и др.

Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий ротор, статор с пьезоэлектрическим осциллятором радиальных колебаний с пьезоэлементом, установленным коаксиально с ротором, и размещенные между пьезоэлементом и ротором толкатели, каждый из которых жестко закреплен на цилиндрической поверхности пьезоэлемента, а другим концом упирается в ротор, наклонно к поверхности статора и ротора [1].

Толкатели укреплены двумя способами: непосредственно в самом материале осциллятора в углублениях по его периферии (например, с помощью клеевой связки); на кольце-оболочке, размещенной на внешней стороне осциллятора; плотность радиального соединения кольца-оболочки с материалом пьезоэлемента достигается либо прессовой посадкой, либо иным способом (например, склейкой) укрепленного на цилиндрической боковой поверхности кольца. Толкатели к такому кольцу крепятся либо в радиальных пазах путем пайки или приваркой к его наружной поверхности.

Недостатки такого пьезодвигателя проистекают из способа крепления толкателей к пьезоэлементу и состоят в следующем.

а) Крепление толкателей непосредственно в теле пьезоэлемента уменьшает радиальные размеры активной зоны элемента; крепление толкателей в прорезях с помощью различных компаундов механически ненадежно. Кроме того, наличие такого материала, отличного по физическим свойствам от материала пьезоэлемента, между пьезоэлементом и толкателем (даже в виде тонкого слоя) ухудшает передачу колебаний от пьезоэлемента к толкателям, снижая КПД устройства; прорези в пьезоэлементе для крепления толкателей являются источником появления микротрещин, сокращающих ресурс пьезодвигателя.

б) Использование внешнего металлического кольца как промежуточного элемента для установки толкателей усложняет соединение, делает его ненадежным. При напрессовке кольца в пьезоэлементе возникают внутренние напряжения, что приводит к снижению КПД пьезодвигателя, так как часть энергии тратится на компенсацию сопротивления кольца. Кроме того, возникает трудноразрешимая проблема подбора материала кольца, обладающего согласованной с пьезокерамикой величиной коэффициента термического расширения и необходимой эластичностью и упругостью; соединение же наружного кольца с пьезоэлементом с помощью клея или иного компаунда вводит промежуточный слой, ухудшающий передачу колебаний от пьезоэлемента к толкателям, снижая КПД устройства.

Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий ротор, статор с пьезоэлементом, установленным коаксиально с ротором, и размещенные между пьезоэлементом и ротор наклонно к их поверхностям толкатели с отогнутыми со стороны пьезоэлемента концами в виде листовых пружин, закрепленных на размещенном на статоре концентрично между пьезоэлементом и ротором коллекторе, при этом толкатели упираются выпуклой стороной отогнутых концов в пьезоэлемент, а свободными концами в ротор [2].

Недостатком этого двигателя является повышенная концентрация напряжений в поверхностной зоне пьезоэлемента, обусловленная точечным контактом изогнутых концов толкателей с поверхностью пьезоэлемента; увеличенные радиальные габариты двигателя, обусловленные необходимостью размещения в кольцевом зазоре между пьезоэлементом и ротором коллектора, а также достаточно сложная форма коллектора и толкателей с пружинами.

Цель изобретения - повышение надежности, упрощение и уменьшение габаритов пьезоэлектрического двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем ротор, статор с пьезоэлементом, установленным коаксиально с ротором, и размещенные между пьезоэлементом и ротором наклонно к их поверхностям толкатели с отогнутыми со стороны пьезоэлемента концами в виде листовых пружин, закрепленных на статоре концентрично между пьезоэлементом и ротором коллекторе, причем толкатели выпуклой стороной отогнутых концов упираются в пьезоэлемент, а свободными концами в поверхность ротора, коллектор выполнен в виде плоского металлического кольца с радиальными вырезами, образующими зубцы-пружины, упруго охватывающие пьезоэлемент, при этом пружины толкателей размещены между пьезоэлементом и зубцами коллектора.

Кроме того, толкатели выполнены П-образными с перемычками-пружинами, размещенными между пьезоэлементом и зубцами коллектора.

На фиг.1 показан пьезоэлектрический двигатель с цилиндрическим наружным ротором (разрез Б-Б на фиг.2); на фиг.2 - пьезоэлектрический двигатель, (разрез А-А на фиг.1); на фиг.3 и 4 изображены заготовки коллекторов для пьезоэлектрического двигателя с внешним ротором (фиг.3) и с внутренним или внешним ротором (фиг. 4); на фиг.5, 6 , 7 показано взаимное расположение коллектора с пьезоэлементом при внешнем расположении ротора (фиг.5, 6) и внутреннем расположении ротора (фиг.7).

Пьезоэлектрический двигатель (фиг.1,2) содержит статор 1 - неподвижную часть пьезоэлектрического двигателя относительно изделия и ротор 2, установленный на статоре с возможностью вращения в подшипнике (втулке) 3. От осевого смещения ротор зафиксирован посредством буртика 4 на валу 5 ротора и стопорной шайбой 6.

Статор 1 пьезоэлектрического двигателя содержит пьезоэлектрический осциллятор 7 радиальных колебаний, акустически изолированный от корпуса посредством прокладок 9 из эластичного материала (например, резины) и закрепленный на нем с помощью гайки 10. Корпус 8 служит для защиты пьезоэлектрического осциллятора 7 и других элементов двигателя от повреждения, а также для закрепления пьезоэлектрического двигателя в изделии с помощью крепежных отверстий 11.

Пьезоэлектрический осциллятор 7 радиальных колебаний представляет собой электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую энергию колебательного преимущественно в радиальном направлении движения частиц активного элемента пьезоэлектрического осциллятора 7 - пьезоэлемента 12, выполненного в виде тела вращения. Для создания в пьезоэлектрическом осцилляторе 7 радиальных колебаний пьезоэлемент 12 выполнен в виде плоского кольца (диска с отверстием), изготовленного из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами с электродами 13 на плоских поверхностях кольца, снабженными выводами 14. Электроды представляют собой тонкое металлическое покрытие на шлифованной поверхности пьезоэлемента 12, которое может быть получено, в частности, напылением металла, химическим его осаждением из раствора с последующим электролитическим осаждением до необходимой толщины электродов. Переменное напряжение от источника питания подводится к электродам 13 через выводы 14, припаянные к электродам. (Выводы могут быть подсоединены также и контактным способом).

К внешней цилиндрической поверхности пьезоэлемента 12 примыкают сдвоенные П-образные толкатели 15, объединенные перемычками 16, прилегающими к поверхности пьезоэлемента 12. Свободные концы толкателей упираются наклонно в поверхность ротора 2. Крепление толкателей 15 к пьезоэлементу осуществляется с помощью коллектора в виде зубцов-пружин 17, размещенных на кольце-основании 18, упруго охватывающих пьезоэлемент 12 и прижимающих перемычки 16 толкателей 15 к поверхности пьезоэлемента 12 и фиксирующих их также в окружном направлении.

Заготовка коллектора выполнена в виде кольца из упругого листового металла (например, стали) с фигурными вырезами в радиальном направлении, образующими зубцы-пружины (фиг.3). Эти зубцы отогнуты перпендикулярно плоскости кольца и изогнуты вдоль продольных осей по дуге окружности с радиусом, не превышающим радиуса пьезоэлемента. Зубцы-пружины коллектора изогнуты также в продольном направлении с тем, чтобы контакт зубцов-пружин с перемычками 16 толкателей 15 приходился на среднюю (по высоте пьезоэлемента) часть перемычки (фиг.5,6,7).

Зубцы 17 коллектора выполнены с уступами 19, обеспечивающими фиксацию размещенных в пространстве между ними толкателей в осевом направлении.

Такой коллектор предназначен для пьезоэлектрического двигателя с внешним ротором; его основание 18 устанавливается под пьезоэлементом (фиг.1). От пьезоэлемента он отделяется изолирующей прокладкой 20.

Заготовка коллектора может быть выполнена в виде кольца с зубцами-пружинами с его внутренней стороны (фиг.4). Такой коллектор может быть использован в пьезоэлектрическом двигателе как с внешним ротором (фиг.6), так и с внутренним расположением ротора (фиг.7). Различие между коллекторами в этом случае состоит в основном в направлении изгиба зубцов-пружин.

Такой коллектор осуществляет прижатие толкателей к пьезоэлементу с усилием, обеспечивающим плотный контакт. Прижатие толкателей происходит также за счет усилия, с которым толкатели упираются в поверхности ротора и пьезоэлемента. Поскольку контакт толкателей с пьезоэлементом осуществляется с помощью перемычки 16 с большой площадью контакта, уменьшаются контактные напряжения в материале пьезоэлемента.

Применение такого коллектора с малыми радиальными размерами позволяет сократить радиальные габариты двигателя или увеличить размеры пьезоэлемента при неизменных габаритах двигателя, что обеспечит повышение мощности двигателя.

Ротор 2 пьезоэлектрического двигателя (фиг.1) содержит три основных части - вал 5, напрессованный на него стакан 21 и фрикционную часть - кольцевую вставку 22, которая взаимодействует с толкателями 15. Фрикционная часть выполнена из износостойкого материала; рабочая поверхность ее должна иметь минимальную шероховатость для уменьшения износа толкателей. Вал 5 ротора 2 установлен для уменьшения износа толкателей. Вал 5 ротора 2 установлен в подшипнике - втулке 3 из антифрикционного материала.

Пьезоэлектрический двигатель может быть выполнен также с внутренним ротором, т. е. размещенным внутри кольцевого пьезоэлемента 12. В этом случае основание 18 коллектора располагается под кольцевым пьезоэлементом, и его зубцы прижимают перемычки толкателей 15 к внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлемента (фиг.7).

Пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом. При подаче на электроды 13 пьезоэлектрического осциллятора 7 (фиг.1) радиальных колебаний электрического напряжения определенной частоты, равной или близкой к резонансной частоте продольных радиальных колебаний пьезоэлемента 12, в нем возникают продольные радиальные колебания. Эти колебания передаются толкателям 15.

При расширении пьезоэлектрического элемента 12 его поверхность перемещает находящиеся с ней в механическом контакте внутренние концы толкателей 15, объединенные перемычками 16, в радиальном направлении. Противоположные концы толкателей, находящиеся во фрикционном взаимодействии с цилиндрической поверхностью фрикционного элемента 22 ротора 2 вследствие заклинивания создают на роторе тангенциальное усилие (так как угол между толкателем и касательной к поверхности ротора меньше 90о), что вызывает поворот ротора на некоторый угол.

Окружному смещению внутренних концов толкателей 15 с перемычками 16, находящихся в механическом контакте с цилиндрической боковой поверхностью пьезоэлемента 12, препятствуют зубцы-пружины 17. Осевому смещению толкателей препятствуют выступы 19 на зубцах-пружинах 17 коллектора (фиг.3, 4), в пространстве между которыми размещаются толкатели 15.

При сжатии пьезоэлемента 12 внутренние концы толкателей 15 перемещаются в радиальном направлении к центру пьезоэлемента под действием силы упругости как самих толкателей 15, так и усилия зубцов-пружин 17. При этом внешние концы толкателей 15, взаимодействующие с поверхностью фрикционного элемента 22 ротора 2, на мгновение отрываются от указанной поверхности, а толкатели 15 под действием сил упругости распрямляются, и концы толкателей займут новое в окружном направлении ротора положение, либо вследствие уменьшение усилия прижатия концов (без их отрыва от поверхности фрикционного элемента 22) и соответственно уменьшения силы трения, концы толкателей проскальзывают по поверхности фрикционного элемента и занимают новое в окружном направлении ротора положение. Обратному повороту ротора 2 под действием силы трения между поверхностью фрикционного элемента 22 ротора и проскальзывающими по ней в окружном направлении концами толкателей 15 могут препятствовать в значительной мере силы инерции массы ротора и связанных с ним масс приводимого во вращение механизма.

Такой процесс повторяется при колебаниях пьезоэлемента 12 и сопровождается возникновением постоянного момента, приводящего ротор 2 пьезодвигателя во вращение.

Предлагаемый пьезоэлектрический двигатель может быть использован в качестве электрического безредукторного двигателя вращательного движения. Такой двигатель может быть применен в исполнительных механизмах систем автоматики, в качестве приводов механизмов транспортирования ленты в магнитофонах, в проигрывающих устройствах. Он может быть применен в автомобильной промышленности в качестве привода стеклоочистителей, в механизмах опускания-подъема стекол и других целей.

Выполнение коллектором функций как фиксации толкателей, так и их прижатия к поверхности пьезоэлемента, позволяет сократить радиальные габариты двигателя или соответственно увеличить размеры пьезоэлемента, т.е. в любом случае увеличить удельную мощность двигателя.

Использование: в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов. Сущность изобретения: двигатель содержит статор и ротор. На корпусе статора установлен пьезоэлектрический осциллятор, содержащий пьезоэлемент, и коллектор - тонкий металлический диск (или кольцо) с отогнутыми зубцами-пружинами, плотно прижатыми к цилиндрической поверхности пьезоэлемента. К зубцам механически присоединены толкатели, свободные концы которых наклонно упираются в поверхность ротора. Толкатели к зубцам могут крепиться неподвижно с внешней стороны относительно пьезоэлемента или посредством размещаемых между зубцами и пьезоэлементом отгибов, в частности, перемычек П-образных толкателей. В последнем случае соединение может быть разъемным, что обеспечивает самоустановку толкателей при фиксации их на пьезоэлементе в окружном направлении. При подаче на электроды пьезоэлемента переменного напряжения в нем возникают радиальные колебания, передаваемые толкателям непосредственно или через посредство плотно прижатых к пьезоэлементу зубцов-пружин. Вследствие периодического заклинивания внешних концов толкателей при расширении пьезоэлементы и проскальзывании их по поверхности ротора при сжатии пьезоэлемента ротор начинает вращаться. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий ротор, статор с пьезоэлементом, установленным коаксиально с ротором, и размещенные между пьезоэлементом и ротором наклонно к их поверхностям толкатели с отогнутыми со стороны пьезоэлемента концами в виде листовых пружин, закрепленных на размещенном на статоре соосно между пьезоэлементом и ротором коллекторе, причем толкатели выпуклой стороной отогнутых концов упираются в пьезоэлемент, а свободными концами - в поверхность ротора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, упрощения конструкции и уменьшения габаритов, коллектор выполнен в виде плоского металлического кольца с радиальными вырезами, образующими зубцы-пружины, упруго охватывающие пьезоэлемент, при этом пружины толкателей размещены между пьезоэлементом и зубцами-пружинами коллектора. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что толкатели выполнены П-образными с перемычками-пружинами, размещенными между пьезоэлементом и зубцами-пружинами коллектора.