ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H02N2/12 H01L41/09 

Изобретение относится к области электрических двигателей, а более точно касается пьезоэлектрических шаговых двигателей, и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в электротехнике, телемеханике, радиотехнике и автоматике.

Известен пьезоэлектрический шаговый двигатель, содержащий блок питания, ротор, статор, движительные биморфные пьезоэлементы и фиксирующие элементы (Авторское свидетельство СССР N 769665, МКИ H 01 L 41/08).

Однако в конструкции пьезоэлектрического шагового двигателя биморфный пьезоэлемент имеет незначительный контакт с ротором, что влечет за собой неравномерность шага углового перемещения ротора.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является пьезоэлектрический двигатель, статор которого содержит пьезоэлектрический полый цилиндр, внутри которого расположен цилиндрический ротор, фрикционно взаимодействующий со статором (Авторское свидетельство СССР N 573828, МКИ H 01 L 41/00 - прототип).

Однако пьезоэлектрический двигатель работает за счет сдвиговых и радиальных колебаний ротора и статора фрикционного их взаимодействия, при этом нельзя обеспечить равномерного углового перемещения ротора и точного его позицирования.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания пьезоэлектрического шагового двигателя, конструктивное выполнение которого позволило бы упростить конструкцию и технологию изготовления, увеличить равномерное перемещение ротора и точное его позицирование, а также осуществлять реверс.

Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом шаговом двигателе, содержащем корпус, статор в виде пьезоэлектрического полого цилиндра, внутри которого расположен цилиндрический ротор, фрикционно взаимодействующий со статором, согласно изобретению, статор состоит из не менее двух вращательно-фиксирующего и фиксирующего пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем вращательно-фиксирующий пьезоблок состоит из вращательного и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента, а фиксирующий пьезоблок состоит из фиксирующего пьезоэлемента, изоляторов и фрикционного элемента, при этом при расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки имеют вид секторов.

Желательно, чтобы пьезоэлементы при расположении в продольной плоскости были выполнены в виде пакета из пьезоэлектрических колец или при расположении в поперечной плоскости - секторов, электроды которых были соединены параллельно через один, при этом направление поляризации каждого последующего пьезоэлектрического кольца или сектора было направлено в противоположную сторону от предыдущего.

Промежутки между пьезоблоками могут быть заполнены эластичным изоляционным материалом.

Ротор может иметь не менее одной направляющей, которая входит в соответствующую направляющую на фрикционных элементах.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает пьезоэлектрический шаговый двигатель (первый вариант), вид спереди;
фиг. 2 - то же, продольный разрез;
фиг. 3 - второй вариант исполнения двигателя, вид спереди;
фиг. 4 - то же, продольный разрез;
фиг. 5 - первый такт работы пьезоэлектрического шагового двигателя, два поперечных сечения соответственно вращательно-фиксирующего и фиксирующего пьезоблоков;
фиг. 6-10 - остальные такты работы пьезоэлектрического шагового двигателя.

Пьезоэлектрический шаговый двигатель содержит цилиндрический корпус 1 (фиг. 1 и 2), в котором расположены два пьезоблока 2 и 3, и цилиндрический ротор 4, выполненный в виде стержня. Пьезоблоки 2 и 3 занимают пространство между цилиндрическим корпусом 1 и ротором 4 и выполняют функцию статора, причем пьезоблок 2 является вращательно-фиксирующим, а пьезоблок 3 - фиксирующим. Пьезоблок вращательно-фиксирующий 2 состоит из соединенных между собой (например, склеенных) кольцевых пьезоэлементов 5 и 6, между которыми расположены изоляторы 7. Пьезоэлемент 5 является вращательным, а вектор его поляризации имеет радиальное направление. В состав пьезоблока вращательно-фиксирующего входит фрикционный элемент 8 в виде разрезного кольца.

Пьезоблок фиксирующий 3 состоит из соединенных между собой фиксирующего пьезоэлемента 9, вектор поляризации которого имеет радиальное направление, изоляторов 7 и фрикционного элемента 8.

Промежутки между пьезоблоками 2 и 3 заполнены эластичным изоляционным материалом 10. На роторе 4 выполнены направляющие 11 в виде выступа для исключения осевого перемещения ротора. Эти направляющие 11 входят в соответствующие направляющие (впадины) на фрикционных элементах 8.

Каждый пьезоэлемент имеет электроды, к которым подключены провода (эти элементы на чертеже не показаны).

Во втором варианте исполнения пьезоэлектрического шагового двигателя в отличие от первого пьезоблоки 2 (фиг. 3 и 4) и 3 расположены в одной поперечной плоскости и выполнены в виде секторов. Это значительно снижает габаритные размеры и массу двигателя.

Двигатель работает следующим образом.

При подаче на электроды вращательного пьезоэлемента 5 (фиг. 5-10) положительного напряжения за счет обратного пьезоэффекта происходит сдвиг внутренней части на угол α против часовой стрелки относительно диаметральной линии A₁A₂, при этом точка B, расположенная на внутренней части кольца, смещается на угол α по часовой стрелке. При подаче положительного напряжения на фиксирующие пьезоэлементы 6 и 9 происходит зажим с их помощью ротора 4, а при подаче отрицательного напряжения пьезоэлементы отжимаются от ротора 4, освобождая его.

Рабочий цикл состоит из шести тактов.

Положение, соответствующее первому такту, изображено на фиг. 5. На все пьезоэлементы подано положительное напряжение, причем вращательный пьезоэлемент 5 имеет смещение внутренней части на угол α против часовой стрелки, а фиксирующие пьезоэлементы 6 и 9 зажимают ротор 4.

Во втором такте (фиг. 6) пьезоблок 2 находится в том же состоянии, а на фиксирующий пьезоэлемент 9 пьезоблока 3 подается отрицательное напряжение, при этом пьезоэлемент 9 отжимается от ротора 4.

В третьем такте (фиг. 7) отрицательное напряжение подается на вращательный пьезоэлемент 5, который поворачивает фиксирующий пьезоэлемент 6 и ротор на угол 2α по часовой стрелке.

В четвертом такте (фиг. 8) на фиксирующий пьезоэлемент 9 подается положительное напряжение и он обжимает ротор 4.

В пятом такте (фиг. 9) на фиксирующий пьезоэлемент 6 поступает отрицательное напряжение и он отжимается от ротора 4.

В шестом такте (фиг. 10) положительное напряжение подается на вращательный пьезоэлемент 5, который смещает фиксирующий пьезоэлемент 6 на угол 2α против часовой стрелки.

Далее происходит повторение этих циклов, при этом ротор вращается по часовой стрелке.

Для осуществления реверса необходимо изменить порядок подачи напряжения на фиксирующие пьезоэлементы.

Для увеличения мощности пьезоэлектрический шаговый двигатель может быть снабжен дополнительными пьезоблоками, которые могут быть расположены как в поперечной, так и в продольной плоскости двигателя.

Применение пьезоэлектрического шагового двигателя позволит обеспечить большой крутящий момент на роторе, точное позицирование и реверс. Малая скорость вращения позволяет исключить понижающий редуктор и использовать пьезоэлектрический шаговый двигатель для прямого привода исполнительных механизмов.

Использование: в качестве исполнительного механизма в электротехнике, телемеханике и т.д. Сущность изобретения: пьезоэлектрический шаговый двигатель содержит корпус, статор в виде пьезоэлектрического полого цилиндра, внутри которого расположен цилиндрический ротор, фрикционно взаимодействующий со статором. Статор состоит из не менее двух вращательно-фиксирующего и фиксирующего пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости. Вращательно-фиксирующий пьезоблок состоит из вращательного и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента, а фиксирующий пьезоблок состоит из фиксирующего пьезоэлемента, изоляторов и фрикционного элемента. При расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки имеют вид секторов. Технический результат: упрощение конструкции, технологии изготовления, повышение усилия и точности позиционирования. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Пьезоэлектрический шаговый двигатель, содержащий корпус, статор в виде пьезоэлектрического полого цилиндра, внутри которого расположен цилиндрический ротор, фрикционно взаимодействующий со статором, отличающийся тем, что статор состоит из не менее двух вращательно-фиксирующего и фиксирующего пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем вращательно-фиксирующий пьезоблок состоит из вращательного и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента, а фиксирующий пьезоблок состоит из фиксирующего пьезоэлемента, изоляторов и фрикционного элемента, при этом при расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки имеют вид секторов. 2. Пьезоэлектрический шаговый двигатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы при расположении в продольной плоскости выполнены в виде пакета из пьезоэлектрических колец или при расположении в поперечной плоскости - секторов, электроды которых соединены параллельно через один, при этом направление поляризации каждого последующего пьезоэлектрического кольца или сектора направлено в противоположную сторону от предыдущего. 3. Пьезоэлектрический шаговый двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что промежутки между пьезоблоками заполнены эластичным изоляционным материалом. 4. Пьезоэлектрический шаговый двигатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что ротор имеет не менее одной направляющей, которая входит в соответствующую направляющую на фрикционных элементах.