ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H02N2/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к пьезоэлектрическим двигателям, и может быть использовано в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике.

Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий пластину, выполненную из материала с высоким модулем упругости, пьезоэлемент, закрепленный на пластине с возбуждением на ее поверхности вращающихся акустических зон, и подвижный ротор, установленный на пластине, снабжен прокладкой с выступом, смонтированной на конце ротора и изготовленной из износостойкого материала, коническими опорами, сопряженными с пластиной по центрам акустических зон (Заявка №2002108259, Пьезоэлектрический двигатель, 2003.11.10). Недостатком такого двигателя является необходимость точной установки опор ротора по центрам акустических зон на пластине.

Известен также пьезоэлектрический двигатель (Заявка №93018187, Пьезоэлектрический двигатель и способ управления им, 1995.06.27), содержащий размещенные в корпусе пьезоэлектрический осциллятор, волновод с износостойкой прокладкой на конце, взаимодействующей с ротором. Осциллятор свободным концом плотно прижат к боковой поверхности волновода. Недостатком этого двигателя является передача движения ротору только от конца волновода, необходимость использования износостойкой прокладки на конце волновода и отсутствие реверсивного вращения ротора.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей двигателя.

Задача решается тем, что в пьезоэлектрическом волновом двигателе, включающем корпус, пьезоэлектрический осциллятор, волновод и ротор, волновод выполнен в виде металлического стержня, а осциллятор закреплен к одному из торцов стержня, причем ротор, взаимодействующий с волноводом, расположен на любом из его участков поверхности.

Пьезоэлектрический волновой двигатель может содержать дополнительно по меньшей мере еще один ротор.

Пьезоэлектрический волновой двигатель может содержать дополнительно второй осциллятор, причем осцилляторы закреплены к противоположным торцам волновода.

Возможно выполнение пьезоэлектрического волнового двигателя с металлическим стержнем, содержащим по меньшей мере один криволинейный участок, на котором установлен ротор, выполненный в виде кольца.

На фиг.1а изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор.

На фиг.1б изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор, 5 - дополнительный ротор.

На фиг.1в изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 -пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор, 6 - второй осциллятор.

На фиг.2 изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод, выполненный в виде металлического стержня с криволинейным участком, 4 - ротор в виде кольца. Варианты а)-г) отличаются исполнением волновода.

На фиг.3 схематически изображены движения участков поверхности волновода в виде металлического стержня при одновременном распространении продольных и крутильных нормальных упругих волн.

На фиг.4 изображены траектории движения частиц поверхности волновода при сложении волн одинаковой частоты с взаимно перпендикулярными колебаниями для различных значений их разности фаз.

Принцип работы пьезоэлектрического волнового двигателя заключается в следующем (см. фиг.1а). Установленный на корпусе 1 пьезоэлектрический осциллятор 2 возбуждает в волноводе 3 в виде металлического стержня продольные и крутильные нормальные волны одной и той же частоты. В результате этого в любой плоскости поперечного сечения волновода на его поверхности возбуждаются взаимно перпендикулярные колебания. При этом частицы участков поверхности волновода, в том числе соприкасающихся с ротором 4, приобретают эллиптически поляризованное вращательное движение, форма траектории и направление которого зависит от разности фаз крутильной и продольной волн. При определенных частотах колебаний осциллятора это приводит к вращению ротора, соприкасающегося с поверхностью волновода. Направление вращения ротора в пьезоэлектрическом волновом двигателе устанавливается изменением частоты, а скорость определяется амплитудой и частотой электрического напряжения на осцилляторе.

Скорости продольной и крутильной волн в волноводе в виде металлического стержня соответственно равны v_ξ=(E/ρ)^1/2 и v_ϕ=(μ/ρ)^1/2, где Е - модуль Юнга, μ - модуль сдвига и ρ - плотность материала волновода. Разность фаз крутильной и продольной волн на участке поверхности волновода равна ΔФ=(1/v_ϕ-1/v_ξ)ωx, где ω - круговая частота волн, x - расстояние участка поверхности волновода от источника волн.

Траектория движения частиц поверхности металлического стержня 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 направлениям поперечных колебаний металлического стержня и при ΔФ=mπ траектории представляют собой отрезки прямой, составляющей с направлением поперечных колебаний поверхности стержня угол ϕ=arctg[(A_ϕ/A_η)cosmπ], где A_ϕ и А_η - соответственно амплитуда 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 продольной волн и необходимой формы траектории движения частиц поверхности металлического стержня на любом участке его поверхности. Движение частиц поверхности волновода может приводить к вращению ротора, соприкасающегося с ним. Таким образом, возникает возможность установки ротора на разных участках поверхности волновода. Отсюда следует, что двигатель может содержать, по крайней мере, еще один ротор 5 (см. фиг.1б).

Возможно установка трех или более роторов на одинаковом или на различном расстоянии от осциллятора.

Оснащение двигателя дополнительно вторым осциллятором 6 (см. на фиг.1б), закрепленным на противоположном торце волновода, выполненного в виде металлического стержня, позволяет увеличить мощность двигателя.

В пьезоэлектрическом волновом двигателе (см. фиг.2) выполнение волновода 3 в виде металлического стержня, содержащего криволинейный участок, позволяет установить на волноводе ротор в виде кольца 4. При этом вращение кольца происходит в фиксированной области криволинейного участка волновода.

Двигатель относится к электротехнике и может быть использован в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. Двигатель содержит корпус, один или два пьезоэлектрических осциллятора, по меньшей мере, один ротор и волновод, выполненный в виде металлического стержня; причем осцилляторы прикреплены к торцам волновода-стержня, который может иметь, по меньшей мере, один криволинейный участок, на котором может быть расположен ротор, выполненный в виде кольца. При определенных частотах колебаний осциллятора происходит вращение соприкасающегося с поверхностью волновода ротора. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пьезоэлектрический волновой двигатель, включающий корпус, пьезоэлектрический осциллятор, волновод и ротор, отличающийся тем, что волновод выполнен в виде металлического стержня, а осциллятор закреплен к одному из торцов стержня, причем ротор, взаимодействующий с волноводом, расположен на любом из его участков поверхности.2. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, еще один ротор.3. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй осциллятор, причем осцилляторы закреплены к противоположным торцам волновода.4. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что металлический стержень содержит, по меньшей мере, один криволинейный участок, на котором установлен ротор, выполненный в виде кольца.