ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД Российский патент 1995 года по МПК H02N2/02 H01L41/09 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим приводным устройствам и предназначено для использования в устройствах автоматики, робототехники и т.д.

Известен пьезоэлектрический двигатель ПД-28 [1] Он содержит пьезоэлемент, на внешней цилиндрической поверхности которого установлены толкатели, упирающиеся во внутреннюю поверхность ротора.

Известен пьезоэлектрический двигатель ПДР-46 реверсивного вращения [2] Двигатель содержит соосно расположенные цилиндрические пьезоэлементы с закрепленными на них толкателями, один из которых установлен на корпусе, а другой на валу, и охватывающий их ротор в виде тонкостенного цилиндра.

Недостатком этого привода является то, что при возбуждении одного из пьезоэлементов акустические колебания, проникая в ротор вызывают снижение фрикционного трения между ротором и толкателями невозбужденного пьезоэлемента, что приводит к снижению основного момента и уменьшению КПД.

Цель изобретения повышение вращающего момента привода.

Для этого в пьезоэлектрическом приводе, содержащем два соосно расположенных цилиндрических пьезоэлемента с закрепленными на их внешних цилиндрических поверхностях толкателями, один из которых установлен на корпусе, а другой на валу, и охватывающий их ротор в виде тонкостенного цилиндра, ротор разделен на две части одним рядом прорезей в виде кольцевых секторов, расположенных между зонами контакта первого и второго пьезоэлементов с ротором и образующих три перемычки, расположенных по окружности ротора под углом 120^о друг к другу, причем ширина перемычки Δ выбрана из соотношения R≥10Δ, где R радиус ротора.

Сущность предложенного технического решения состоит в преобразовании радиальных колебаний возбужденной части ротора в изгибные колебания невозбужденной части ротора, что приводит к увеличению вращающего момента и доведения его до уровня фрикционного сцепления.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого привода.

Он содержит соосно расположенные цилиндрические пьезоэлементы 1 и 2 с закрепленными на их внешних цилиндрических поверхностях пластинами -- толкателями 3. Для возбуждения акустических колебаний в пьзоэлементах они снабжены электродами 4 и поляризованы.

Пьезоэлемент 1 установлен на корпусе 5 привода через прокладку 6. Пьезоэлемент 2 закреплен на валу 7 привода в держателе 8, который одновременно может являться и коллектором токосъемного устройства 9. Оба пьезоэлемента 1 и 2 охватываются ротором 10, выполненным в виде тонкостенного цилиндра или стакана. Электроды 4 пьезоэлементов 1 и 2 электрически соединены через переключатель 11 с источником возбуждения 12. Ротор 10 разделен на две части 13 и 14 тремя перемычками 15, расположенными между пьезоэлементами 1 и 2 и под углом 120^о.

На фиг.2 приведен диаметральный разрез ротора.

Работает предложенный привод следующим образом (см.фиг.1). При подключении электродов 4 пьезоэлемента 1 к источнику возбуждения 12 в пьезоэлементе 1 возникают акустические колебания. Эти колебания передаются в толкатели 3, которые взаимодействуя с ротором 10, вращают его. Вращательный момент, сообщенный толкателями 3 ротору 10, передается через фрикционный контакт ротор 10 толкатели 3 пьезоэлемента 2 на вал 7 привода и дальше в нагрузку.

Таким образом, фрикционный контакт ротор 10 толкатели 3 невозбужденного пьезоэлемента 2 должен выдерживать максимальный вращательный момент, развиваемый возбужденным пьезоэлементом 1. Это достигается путем трансформации радиальных колебаний возбужденной части ротора в изгибные колебания невозбужденной части. На фиг.2 приведен характер изгибных колебаний, возникающих в невозбужденной части ротора под действием радиальных колебаний возбужденной части. Резонансная частота изгибных колебаний, возникающих в невозбужденном роторе, описывается соотношением
f_и= · , и резонансная частота радиальных колебаний в возбужденной части ротора описывается соотношением
f_R= , где h толщина ротора;
n номер моды изгибных колебаний (n=2);
R радиус ротора;
m число перемычек;
Е модуль Юнга;
ρ- плотность материала ротора.

Отношение резонансных частот описывается соотношением

Для обеспечения конструкционной стабильности одной части ротора относительно другой минимальное необходимое число тонких перемычек должно равняться 3 (m=3). Для этого случая имеем
0,25 Для реальных конструкций R≥10˙h, что указывает на значительное резонансное рассогласование частей ротора. Поскольку резонансная частота пьезоэлемента f_n ближе к радиальной резонансной частоте ротора, то в данном случае не происходит резонансного захвата на частоте изгибных колебаний невозубжденного ротора.

При увеличении числа перемычек f_и_→f_R, f_и_→f_п, т.е. усиливается взаимосвязь между частями ротора и пьезоэлемента, что снижает эффективность ротора.

Если не учитывать ослабление колебаний в вертикальных перемычках, то можно констатировать, что колебательная скорость возбужденной части ротора передается без ослабления в точки 1-6 невозбужденной части ротора (см.фиг.2). В других точках скорость гораздо ниже, следовательно средняя колебательная скорость резко уменьшается и фрикционное трение увеличится.

Выполним оценки по уменьшению колебательной скорости возбужденной и невозбужденной части предлагаемого ротора.

На фиг.3 показана механическая схема действия сил возбуждающей части ротора.

Колебательная скорость определяется радиальным перемещением W. Для возбужденной части ротора можно предположить, что сила F₂ равномерно распределена по внутренней поверхности и создает давление Р. В этом случае, поскольку система не в резонансе, радиальное смещение равномерно (без учета упругости перемычек) не зависит от координаты Х и описывается соотношение:
W₂= · 1- где μ- коэффициент Пуассона. Сила F₁, действующая на не возбужденную часть ротора через три перемычки, описывается соотношением
F₁=З˙Р˙l˙ Δ, где l длина возбужденной части ротора;
Δ- ширина перемычки.

Распределив эту силу равномерно по контуру невозбужденной части ротора, можно показать, что в этом случае радиальное смещение невозбужденной части (при отсутствии резонанса) зависит от координаты Х и описывается соотношением
W₁= exp^-kx·cos kx, где q
K /для случая μ 0,3/, D
Выполнив оценку указанных характеристик для реальной конструкции ротора со следующими параметрами, получим
‗‗⇒
≈ 43
Из представленных данных следует, что без учета влияния ослабления в перемычках радиальные перемещение, а следовательно, и радиальная скорость в невозбужденной части в центре зоны фрикционного контакта более чем в 40 раз меньше, чем возбужденной, что приводит к повышению фрикционного трения, к увеличению вращающего момента двигателя.

Использование: в устройствах автоматики, робототехники и т.д. Сущность изобретения: ротор разделен на две части одним рядом тонких прорезей в виде кольцевых секторов и образованными ими перемычками, расположенными под углом 120°. Ширина перемычек Δ удовлетворяет соотношению R≥ 10Δ, где R радиус ротора. 3 ил.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД, содержащий соосно расположенные два цилиндрических пьезоэлемента с закрепленными на их внешних цилиндрических поверхностях толкателями, один из которых установлен на корпусе, а второй на валу, охватывающий их ротор в виде тонкостенного цилиндра, фрикционно контактирующего с толкателями пьезоэлементов, отличающийся тем, что ротор разделен на две части одним рядом прорезей в виде кольцевых секторов, расположенных между зонами контакта первого и второго пьезоэлементов с ротором и образующих три перемычки, расположенных по окружности под углом 120^o друг к другу, причем ширина перемычки Δ выбрана из соотношения R≥ 10 Δ , где R радиус ротора.