ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H02N2/10 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим приборам, а более точно к пьезоэлектрическим двигателям вращательного движения, и может найти применение в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов, в частности таких, как лентопротяжные механизмы магнитофонов, устройства ввода-вывода, цифропечатающие устройства, в автомобильной промышленности в качестве приводов стеклоочистителей, стеклоподъемников и др.

Известен пьезоэлектрический двигатель [1] содержащий два коаксиально расположенных цилиндрических элемента, один из которых выполнен из пьезоактивного материала с электродами, и толкатели; каждый толкатель закреплен на элементе, выполненном из непьезоактивного материала, наклонно к его поверхности, а свободный конец толкателя взаимодействует с поверхностью другого элемента, выполненного из пьезоактивного материала, также наклонно к его поверхности. На поверхности цилиндрического элемента из пьезоактивного материала, взаимодействующей фрикционно с концами толкателей, нанесен износоустойчивый слой, акустически связанный с пьезоэлементом.

При подаче на электроды пьезоэлемента переменного напряжения в нем возникают радиальные колебания, и при взаимодействии поверхности пьезоэлемента с толкателями возникает постоянный крутящий момент, приводящий двигатель во вращение.

Недостатком этого двигателя является необходимость нанесения на поверхность пьезоэлемента, взаимодействующую с толкателями, износоустойчивого слоя, поскольку, во-первых, наличие такого слоя приводит к частичному поглощению энергии акустических колебаний пьезоэлемента, снижая КПД двигателя, а во-вторых, является причиной низкой надежности, так как нарушение связи слоя с пьезоэлементом выводит двигатель из строя. Кроме того, при износе этого слоя требуется замена осциллятора в сборе.

Известен пьезоэлектрический двигатель [2] содержащий размещенные в корпусе ротор, статор с пьезоэлектрическим осциллятором радиальных колебаний, содержащим установленный соосно с ротором пьезоэлемент в виде кольца с электродами, и толкатели, каждый из которых закреплен наклонно на цилиндрической поверхности пьезоэлемента, а другим концом упирается в ротор.

Толкатели на пьезоэлементе укреплены на кольцевом бандаже, размещенном на внешней стороне пьезоэлемента; плотность соединения бандажа с материалом пьезоэлемента достигается либо прессовой посадкой, либо иным способом (например, склейкой). Толкатели к такому бандажу крепятся либо в пазах путем пайки, либо приваркой к его наружной поверхности.

Недостатки указанного двигателя определяются как способом крепления толкателей к пьезоэлементу (пьезоэлектрическому осциллятору) с использованием кольцевого бандажа как промежуточного элемента, так и конструктивной схемой исполнения пьезоэлектрического осциллятора в виде сплошного плоского кольца с электродами на плоских поверхностях. Это выражается в следующем:
неподвижное крепление толкателей на пьезоэлектрическом осцилляторе посредством сплошного кольцевого бандажа сужает технологические возможности получения двигателей одного типоразмера с разными характеристиками (частота вращения, момент на валу и т. д.);
соединение бандажа с пьезоэлементом с помощью клея или иного компаунда вводит промежуточный слой, ухудшающий передачу колебаний от пьезоэлемента к толкателям, снижая, таким образом, КПД устройства;
резонансная частота колебаний пьезоэлектрического осциллятора и, соответственно, при прочих равных условиях частота вращения ротора двигателя определяются радиальными размерами пьезоэлемента, и при их увеличении резонансная частота снижается. Иными словами, чем больше размеры пьезоэлемента, тем ниже частота вращения двигателя, что может входить в противоречие с требованиями, предъявляемыми к двигателю;
вследствие проскальзывания толкателей при "обратном" ходе неизбежно происходит и некоторый поворот ротора в обратном направлении, что снижает КПД, крутящий момент, частоту вращения.

Задача изобретения создание пьезоэлектрического двигателя с таким конструктивным исполнением, которое позволило бы за счет выполнения кольцевого бандажа, несущего толкателя из отдельных частей дугообразной формы, и разъемного соединения их с пьезоэлементом при выполнении электродов пьезоэлектрического осциллятора в виде изолированных друг от друга секторов (или выполнения пьезоэлектрического осциллятора из отдельных частей типа секторов), примыкающих к дугообразным элементам бандажа, повысить надежность и долговечность двигателя, расширить технологические возможности повышения степени унификации, при этом повысить резонансную частоту пьезоэлектрического осциллятора и, соответственно, частоту вращения двигателя.

Задача решается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем размещенный в корпусе статор с пьезоэлектрическим осциллятором в виде плоского кольца с электродами на его плоских поверхностях, с установленным на внешней цилиндрической поверхности осциллятора кольцевым бандажом с укрепленными на нем наклонно толкателями и установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с цилиндрической рабочей поверхностью, взаимодействующей фрикционно с толкателями, наклонно упирающимися в рабочую поверхность ротора, согласно изобретению бандаж с толкателями выполнен из отдельных дугообразных элементов, упруго прижатых к цилиндрической поверхности пьезоэлект- рического осциллятора, при этом электроды на плоских поверхностях пьезоэлектрического осциллятора выполнен в виде изолированных друг от друга секторов, прилегающих к дугообразным элементам бандажа с толкателями.

Пьезоэлектрический осциллятор выполнен из отдельных изолированных друг от друга акустически и электрически частей типа секторов, примыкающих к дугообразным элементам бандажа с толкателями.

Кроме того, дугообразные элементы бандажа выполнены с зубцами, образуемыми радиальными прорезями, а толкатели Г-образными или П-образными и укреплены между цилиндрическими поверхностями пьезоэлектрического осциллятора и зубцов элемента бандажа.

Изобретение позволяет повысить надежность пьезоэлектрического двигателя за счет исключения неразъемного соединения кольцевого бандажа с пьезоэлектрическим осциллятором, ремонтопригодность за счет блочности конструкции. Кроме того, изобретение позволяет создать пьезоэлектрические двигатели с унифицированными составными частями осцилляторами и блоками толкателей, обладающими различными характеристиками в унифицированных габаритах, что обеспечивает расширение диапазона характеристик двигателей, в частности вращения и мощности.

На фиг. 1 показан пьезоэлектрический двигатель с цилиндрическим наружным ротором, с разрезным бандажом с толкателями, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 способы секционирования осциллятора; на фиг. 4 схемы фиксации элемента бандажа с толкателями на пьезоэлектрическом осцилляторе; на фиг. 5 схемы крепления толкателей на элементе бандажа; на фиг. 6 схемы электрического соединения секций (секторов) осциллятора соответственно с двумя, тремя, четырьмя парами секций; на фиг. 7 увеличение частоты вращения пьезоэлектрического двигателя с двумя парами секций осциллятора; на фиг. 8 увеличение частоты вращения пьезоэлектрического двигателя с тремя парами секций осциллятора.

Пьезоэлектрический двигатель (фиг. 1 и 2) содержит статор 1 неподвижную часть пьезоэлектрического двигателя относительно изделия (не показано) и ротор 2, установленный на статоре 1 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 8 посредством прокладок 9 из эластичного материала (например, резины) и закрепленный на нем с помощью гайки 10. Корпус 8 служит для защиты пьезоэлектрического осциллятора и других элементов двигателя от повреждения, а также для закрепления пьезоэлектрического двигателя в изделии с помощью крепежных отверстий 11.

Пьезоэлектрический осциллятор 7 радиальных колебаний содержит пьезоэлемент 12, выполненный в виде тела вращения плоского кольца (диска с центральным отверстием), изготовленного из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, с электродами 13 на плоских поверхностях пьезоэлемента, снабженными выводами 15'.

Электроды на кольцевом пьезоэлементе могут быть выполнены сплошными (по всей плоской поверхности) или в виде изолированных секторов, т. е. с радиальными проблемами, отделяющими один сектор от другого (фиг. 3а).

К внешней рабочей цилиндрической поверхности пьезоэлемента 12 примыкает кольцевой бандаж, выполненный из отдельных дугообразных элементов 14 с толкателями 15, плотно прижатых к рабочей поверхности посредством пружин 16. Эти пружины закреплены на установленных на корпусе 1 бобышках 17 и зафиксированы винтами 18 (фиг. 2, 4а). Возможно крепление элементов бандажа посредством пружины 16, размещенной в выемках в концах элементов бандажа и установленной на корпусе 1 бобышки 17 (фиг. 4 в, г).

Пьезоэлектрический осциллятор 7 может быть выполнен и в виде набора индивидуальных элементов, в частности кольцевых секторов, отделенных друг от друга радиальными зазорами, в которых могут быть установлены разделительные прокладки 19 из эластичного материала (фиг. 3б, в). Секторы устанавливаются так, чтобы каждый сектор внешней рабочей поверхностью взаимодействовал с дугообразным элементом бандажа с толкателями. Радиальные зазоры между центральной частью сектора пьезоэлемента 12 и опорным элементом цилиндрической частью корпуса 1 выбираются за счет усилия пружин 16, прижимающих как элементы 14 бандажа с толкателями к сектору, так и сам сектор к опорному элементу корпуса.

Каждый индивидуальный элемент пьезоэлектрического осциллятора может быть выполнен в виде не только строго кольцевого сектора, как это показано на фиг. 3б, но и с усеченными углами при большем основании (фиг. 3в); в свободном пространстве располагается бобышка для крепления элементов бандажа с толкателями. Элементы осциллятора могут иметь и иную форму в плане, например прямоугольника, трапеции и др.

На дугообразных элементах 14 бандажа, плотно примыкающих к рабочей поверхности пьезоэлементов 12 под действием пружин 16, укреплены наклонно к касательной толкатели 15. Толкатели могут быть зафиксированы несколькими способами:
путем неразъемного соединения, когда каждый толкатель размещен в индивидуальной прорези и укреплен путем зачеканки, пайки или с использованием какого-либо клея (фиг. 2, 4);
путем свободного крепления, когда толкатели выполнены Г-образными или П-образными и короткой перемычкой зажимаются между цилиндрическими поверхностями осциллятора и элемента бандажа, в котором выполнены радиальные вырезы для размещения в них собственно толкателей (фиг. 5).

Во всех случаях должно быть обеспечено плотное прилегание дугообразного элемента к поверхности пьезоэлемента или плотное прижатие всех перемычек Г-образных или П-образных толкателей к поверхности пьезоэлемента. Это может быть достигнуто подбором диаметра внутренней цилиндрической поверхности элементов бандажа с учетом толщины перемычек толкателей и деформации (изгиба элементов) для достижения равномерной плотности контакта по всей длине элемента при приложении усилия пружин 16 к его концам.

Пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом.

А. Двигатель с кольцевым осциллятором и сплошными электродами.

При подаче на электроды 13 пьезоэлектрического осциллятора 7 радиальных колебаний (фиг. 1 и 2) переменного электрического напряжения определенной частоты, равной или близкой к резонансной частоте продольных радиальных колебаний пьезоэлемента 12, в нем возникают радиальные колебания, которые передаются элементам бандажа с толкателями.

При расширении пьезоэлемента 12 его поверхность перемещает находящиеся с ней в механическом контакте элементы 14 бандажа с толкателями 15 в радиальном направлении. Свободные концы толкателей, находящиеся во фрикционном взаимодействии с цилиндрической поверхностью ротора 2, вследствие заклинивания создают на роторе тангенциальное усилие (так как угол между толкателем и касательной к поверхности ротора меньше 90^о), что вызывает вращение ротора. Окружному смещению элементов бандажа под действием момента, развиваемого на роторе, препятствуют пружины 16, выполняющие также функции упоров.

При сжатии пьезоэлемента 12 элементы бандажа с толкателями 15 перемещаются в радиальном направлении к центру пьезоэлемента под действием усилия крепежных пружин 16. При этом внешние концы толкателей 15, взаимодействующие с поверхностью ротора 2, на мгновение отрываются от указанной поверхности и толкатели 15 под действием сил упругости распрямляются, при этом концы толкателей занимают новое в окружном направлении ротора положение, либо вследствие уменьшения усилия прижатия концов (без их отрыва от поверхности ротора) и, соответственно, уменьшения силы трения концы распрямляющихся толкателей проскальзывают по поверхности ротора и занимают новое в окружном направлении ротора положение. Обратному повороту ротора 2 за счет силы трения между поверхностью 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.

Частота вращения ротора в таком двигателе определяется резонансной частотой пьезоэлемента (которая снижается с увеличением его размеров), а также параметрами толкателей их длиной и углом наклона к поверхности ротора и расположением (внутри или вне кольцевого осциллятора).

Б. Двигатель с кольцевым осциллятором с секционированными электродами.

В этом двигателе электроды 13 на кольцевом пьезоэлементе 12 выполнены в виде отдельных изолированных друг от друга секций кольцевых секторов, при этом элементы бандажа с толкателями установлены на осцилляторе напротив электродов.

Рассмотрим работу двигателя с двумя парами изолированных электродов на каждой стороне пьезоэлемента (фиг. 3а). При параллельном соединении всех электродов на каждой стороне осциллятора двигатель работает как двигатель с кольцевым осциллятором и сплошными электродами.

При параллельном соединении каждой пары противолежащих электродов на каждой стороне осциллятора (фиг. 6а) и подаче на них переменного электрического напряжения в соответствующих электродам участках пьезоэлемента возникают продольные радиальные колебания, передаваемые прилегающим к ним элементам бандажа с толкателями, что приводит ротор во вращение, как это изложено выше. При этом если на вторую пару также параллельно соединенных электродов не подается напряжение, то соответствующие участки пьезоэлемента и элементы бандажа с толкателями оказываются не подверженными радиальным колебаниям, а толкатели при этом выполняют функцию храпового механизма, препятствуя обратному повороту ротора под действием сил трения работающих толкателей о поверхность ротора при обратном ходе.

При подаче на вторую пару электродов переменного напряжения в противофазе с напряжением на первой паре электродов соответствующие участки пьезоэлемента и прилегающие к ним элементы бандажа с толкателями колеблются в радиальном направлении также в противофазе.

При этом каждая пара противостоящих групп толкателей попеременно совершает рабочий ход и поворачивает ротор на соответствующий угол, в то время как другая группа толкателей возвращается в исходное положение (соответственно + и на схеме фиг. 7).

Из схемы фиг. 7 видно, что суммарное перемещение толкателей и, соответственно, угол поворота ротора за один цикл вдвое больше, чем при синфазном включении электродов, т. е. пропорционально 4А (А амплитуда продольных радиальных колебаний пьезоэлемента). Учитывая, что резонансная частота части пьезоэлемента, соответствующей диаметрально противоположно размещенным электродам, выше, чем пьезоэлемента в целом, такая схема построения двигателя позволяет значительно повысить частоту вращения двигателя, что является для таких двигателей преимуществом, тем более существенным, чем больше размеры пьезоэлемента осциллятора и чем выше требуемая частота вращения.

Увеличение числа пар секций свыше трех незначительно увеличивает частоту вращения двигателя вследствие того, что в цикле неполно используется прямой ход толкателей из-за взаимного перекрытия, когда часть прямого хода группы толкателей полезно не используется (фиг. 8).

Здесь мы идеализируем работу двигателя, делая допущение, что части пьезоэлемента, соответствующие противоположным секторам электродов, колеблются как независимые и несвязанные с прилегающими секторами. В действительности же взаимное влияние смежных участков осциллятора искажает идеальную картину, представленную выше.

В изготовленном макете двигателя была использована пьезошайба ⊘ 100 с резонансной частотой 10 кГц. При использовании 4-кратного секционирования (2х2) резонансная частота достигла 28-30 кГц, частота вращения возросла в 3,5 раза, а момент на валу увеличился в 2,5 раза.

В. Двигатель с секционированным осциллятором. В этом двигателе осциллятор выполнен из нескольких пар индивидуальных частей, например в виде кольцевых секторов, к внешней стороне которых плотно, под действием пружин 16, примыкают элементы бандажа с толкателями.

Работа двигателя с такими осцилляторами аналогична работе двигателя со сплошными кольцевым пьезоэлементом и секционированными электродами, аналогичны также и преимущества перед известными двигателями с цельным осциллятором и сплошными электродами.

Как было отмечено выше, использование двух пар осцилляторов повышает при подаче на них переменных напряжений в противофазе и прочих равных условиях частоту вращения двигателя в 2-3 раза. Увеличение числа пар секций секторов в случае подачи на них переменных напряжений, сдвинутых по фазе на 2 π/n (n число пар секторов), практически не приводит к дальнейшему увеличению частоты вращения и лишь снижает удельную мощность двигателя за счет увеличения доли пассивного неэффективного холостого хода толкателей.

Поскольку секционирование осциллятора повышает резонансную частоту отдельных секций и позволяет увеличить частоту вращения двигателя в тем большей степени, чем меньше масса секций, то для повышения частоты без снижения мощности целесообразно увеличить число секций секторов до 8, 12. соединив электрически через один в блоки по 4, 6, 8. диаметрально противоположно размещенных секторов, работающих по схеме фиг. 7.

Выполнение бандажа с толкателями из отдельных элементов, а осциллятора с секционированными электродами и тем более с секционированным пьезоэлементом (фиг. 3а, б) придает двигателю ряд положительных качеств:
значительно повышается КПД и крутящий момент двигателя вследствие исключения обратного хода ротора при обратном ходе толкателей;
значительно повышается частота вращения двигателя вследствие того, что резонансная частота отдельных элементов осциллятора существенно выше, чем осциллятора как единого блока;
существенно повышается ремонтопригодность двигателя за счет блочности конструкции отдельных осцилляторов, элементов бандажа с толкателями, обладающих разными параметрами в заданных габаритах.

Повышенная блочность конструкции позволяет более просто расширить номенклатуру характеристик двигателей (мощность, частота вращения) за счет применения осцилляторов разной толщины (т. е. мощности) и блоков толкателей соответствующей ширины в унифицированном бандаже: оба эти блока как сменные элементы могут быть установлены в двигателе определенных габаритов. Кроме того, за счет различной длины толкателей при неизменных диаметрах бандажа и ротора можно изменить угол между концами толкателей и поверхностью фрикционного элемента ротора, а следовательно, частоту вращения ротора.

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

Использование: в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов. Сущность изобретения: двигатель содержит статор с осциллятором, содержащим пьезоэлемент в виде плоского кольца с электродами и бандажом. Бандаж выполнен из отдельных дугообразных элементов с закрепленными на них толкателями, упруго прижатых к цилиндрической рабочей поверхности пьезоэлемента. Электроды выполнены в виде изолированных друг от друга секторов, примыкающих к дугообразным элементам бандажа. Осциллятор может быть выполнен в виде набора электрически и акустически изолированных секторов. Элементы бандажа могут быть выполнены с радиальными зубцами, а толкатели Г- или П-образными и закреплены между поверхностями осциллятора и зубцов элемента бандажа. 2 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Пьезоэлектрический двигатель, содержащий корпус, размещенный в корпусе статор с пьезоэлектрическим осциллятором в виде плоского кольца с электродами на плоских поверхностях, с установленным на цилиндрической поверхности кольцевым бандажом с укрепленными на нем наклонно толкателями и установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с рабочей поверхностью, взаимодействующей фрикционно с толкателями, отличающийся тем, что бандаж с толкателями выполнен из отдельных дугообразных элементов, при этом каждый дугообразный элемент бандажа с толкателями упруго прижат к цилиндрической поверхности пьезоэлектрического осциллятора, а электроды на пьезоэлектрическом осцилляторе выполнены в виде изолированных друг от друга секторов, примыкающих к дугообразным элементам бандажа с толкателями. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический осциллятор выполнен в виде изолированных друг от друга акустически и электрически секторов, примыкающих к дугообразным элементам бандажа с толкателями. 3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что дугообразные элементы бандажа с толкателями выполнены с радиальными зубцами, а толкатели выполнены Г- или П-образными и укреплены между цилиндрическими поверхностями пьезоэлектрического осциллятора и зубцов элемента бандажа.