ШАГОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК H02N2/04 

Изобретение относится к электрическим машинам с использованием пьезоэлектрического эффекта и может быть использовано в быту, на транспорте и в промышленности для привода в действие различных механизмов и насосов, в том числе при эксплуатации скважин в нефтедобывающей промышленности.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известен линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель (см. патент РФ №2452872, кл. МПК F04B 17/00, опубликованный 10.06.2012). Шаговый пьезоэлектрический двигатель содержит корпус, бегун, расположенный в корпусе и состоящий из последовательно соединенных заднего распорного пьезоэлектрического ползуна, ходового пьезоактуатора и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна. Корпус заполнен жидкостью. Задний распорный пьезоэлектрический ползун включает в себя задний пьезоактуатор. Ходовой пьезоактуатор выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины. Передний распорный пьезоэлектрический ползун включает в себя передний пьезоактуатор.

Основным недостатком данного технического решения является то, что выделяющееся тепло при работе пьезоактуаторов приводит к увеличению их температуры. При достижении определенной температуры пьезоактуаторы теряют свои пьезоэлектрические свойства в силу свойств образующих их пьезоэлектрических материалов.

Также из уровня техники известен ультразвуковой преобразователь, описанный в патенте US8004158, опубликованном 15.06.2006, МПК8 H01L 41/08. Он состоит из жестких втулок и осевых пьезопакетов. Пьезопакеты ограничены жесткими втулками. Начальная жесткая втулка и конечная жесткая втулка соединены шпилькой, обеспечивающей их притягивание друг к другу в направлении воображаемой оси пьезопакетов. В жестких втулках и в пьезопакетах выполнен внутренний канал. Также в жестких втулках выполнен соединительный проход, сообщающий внутренний канал с насосом и с наружным пространством. Устройство находится в жидкости. Жидкость, обеспечивающая охлаждение разогревающихся пьезопакетов, поступает от источника в соединительный проход. Затем жидкость поступает во внутренний канал, и выходит из другого соединительного прохода.

Однако данное решение из другой области техники имеет конструктивное исполнение, не применимое к шаговому пьезоэлектрическому двигателю, поэтому не позволяет решить проблему охлаждения его пьезоактуаторов в процессе работы.

Техническая задача и технический результат

Предложенное изобретение направлено на устранение вышеотмеченного недостатка и на создание шагового пьезоэлектрического двигателя, работающего без ремонта, связанного с потерей пьезоактуаторами своих пьезоэлектрических свойств вследствие их перегрева.

Технический результат, достигаемый при этом, состоит в снижении вероятности ремонта из-за потери пьезоактуаторами своих пьезоэлектрических свойств вследствие их перегрева, и, как следствие - увеличение межремонтного периода шагового пьезоэлектрического двигателя.

Сущность созданного технического решения

Данный технический результат достигается при создании линейного шагового пьезоэлектрического двигателя, содержащего корпус, бегун, расположенный в корпусе и состоящий из последовательно соединенных заднего распорного пьезоэлектрического ползуна, ходового пьезоактуатора и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна. Корпус заполнен жидкостью. Задний распорный пьезоэлектрический ползун включает в себя задний пьезоактуатор. Ходовой пьезоактуатор выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины. Передний распорный пьезоэлектрический ползун включает в себя передний пьезоактуатор.

Однако в конструкцию шагового пьезоэлектрического двигателя согласно созданному техническому решению дополнительно введен по меньшей мере один насос охлаждающей жидкости с возможностью всасывания охлаждающей жидкости из внутренней полости корпуса. В заднем пьезоактуагоре при этом выполнен внутренний канал, а также дополнительно введен соединительный проход, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости и внутренний канал заднего пьезоактуатора. Также дополнительно введен соединительный проход, соединяющий внутренний канал заднего пьезоактуатора и внутреннюю полость корпуса.

В ходовом пьезоактуаторе согласно созданному техническому решению также выполнен внутренний канал, и дополнительно введен соединительный проход, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости и внутренний канал ходового пьезоактуатора. Дополнительно введен соединительный проход, соединяющий внутренний канал ходового пьезоактуатора и внутреннюю полость корпуса.

В переднем пьезоактуаторе согласно созданному техническому решению также выполнен внутренний канал, и дополнительно введен соединительный проход, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости и внутренний канал переднего пьезоактуатора. Дополнительно введен соединительный проход, соединяющий внутренний канал переднего пьезоактуатора и внутреннюю полость корпуса.

Задний распорный пьезоэлектрический ползун и передний распорный пьезоэлектрический ползун дополнительно могут быть соединены упругим средством.

Упругим средством может быть стержень или шпилька, размещенная во внутреннем канале ходового пьезоактуатора.

Краткое описание чертежей

Предложенное изобретение поясняется следующими графическими изображениями.

Фиг. 1 - шаговый пьезоэлектрический двигатель. Корпус и распорные пьезоэлектрические ползуны изображены в разрезе относительно воображаемой продольной оси. Электрические провода не изображены.

Фиг. 2 - поперечный разрез шагового пьезоэлектрического двигателя в области ходового пьезоактуатора. Электрические провода не изображены.

Фиг. 3 - шаговый пьезоэлектрический двигатель с электрическими соединениями. Корпус изображен в разрезе относительно воображаемой продольной оси. Трубопроводы и насос не изображены.

Подробное описание технического решения

Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель изображен на Фиг. 1. Двигатель состоит из корпуса 1, бегуна, расположенного в корпусе и состоящего из последовательно соединенных заднего распорного пьезоэлектрического ползуна 2, ходового пьезоактуатора 3 и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна 4. С передним распорным пьезоэлектрическим ползуном 4 соединен шток нагрузки 5. Задний распорный пьезоэлектрический ползун 2, ходовой пьезоактуатор 3 и передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 соединены упругим средством -стержнем или шпилькой 6.

Задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 включает в себя задний пьезоактуатор 7, расположенный перпендикулярно воображаемой продольной оси корпуса 1. Передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 включает в себя передний пьезоактуатор 8, также расположенный перпендикулярно воображаемой продольной оси корпуса 1.

В конструкции имеется насос охлаждающей жидкости 9, соединенный трубопроводом заднего ползуна 10 с задним распорным пьезоэлектрическим ползуном 2, трубопроводом ходового пьезоактюатора 11 с ходовым пьезоактюатором 3, трубопроводом переднего ползуна 12 с передним распорным пьезоэлектрическим ползуном 4. В насос охлаждающей жидкости 9 через входное отверстие 13 поступает жидкость 14 из внутренней полости корпуса 1. В заднем пьезоактуаторе 7 при этом выполнен внутренний канал 15, а также соединительный проход 16, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости 9 и внутренний канал 15 заднего пьезоактуатора 7. Также имеется соединительный проход 17, соединяющий внутренний канал 15 заднего пьезоактуатора 7 и внутреннюю полость корпуса 1.

В ходовом пьезоактуаторе 3 выполнен внутренний канал 18 (Фиг. 2) и соединительный проход 19 (Фиг. 1), соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости 9 и внутренний канал 18 ходового пьезоактуатора 3. Также имеется соединительный проход 20, соединяющий внутренний канал 18 ходового пьезоактуатора 3 и внутреннюю полость корпуса 1. Стержень или шпилька 6 проходит через внутренний канал 18 ходового пьезоактюатора 3.

В переднем пьезоактуаторе 8 выполнен внутренний канал 21 и соединительный проход 22, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости 9 и внутренний канал 21 переднего пьезоактуатора 8. Также имеется соединительный проход 23, соединяющий внутренний канал 21 переднего пьезоактуатора 8 и внутреннюю полость корпуса 1.

Корпус 1 состоит из четырех пластин, соединенных винтами 24 (Фиг. 2) между собой с образованием внутренней полости прямоугольного сечения.

Электронный блок управления 25 (Фиг. 3) соединен электрическим проводом 26 с задним пьезоактуатором 7, электрическим проводом 27 с ходовым пьезоактуатором 3, электрическим проводом 28 - с передним пьезоактуатором 8. Также электронный блок управления 25 соединен общим электрическим проводом 29 с задним пьезоактуатором 7, ходовым пьезоактуатором 3 и передним пьезоактуатором 8.

Устройство работает следующим образом. Бегун пьезоэлектрического двигателя, состоящий из изображенных на Фиг. 1 заднего распорного пьезоэлектрического ползуна 2, ходового пьезоактуатора 3 и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна 4. движется в корпусе 1 мелкими шагами. Множество мелких шагов, следующих друг за другом, представляют собой квазинепрерывное возвратно-поступательное движение бегуна и соединенного с ним штока нагрузки 5 между крайними положениями.

Движение при выталкивании штока нагрузки 5 из корпуса 1 происходит следующим образом. В первой фазе шага задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 находится в распертом состоянии, то есть задний пьезоактуатор 7 давит на корпус 1 изнутри в поперечном направлении. Это происходит вследствие подведения к заднему пьезоактуатору 7 электрического потенциала от электронного блока управления 25 по электрическому проводу 26. Передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 в этой фазе находится в свободном состоянии, между ним и стенками корпуса 1 распорное усилие минимально или вовсе отсутствует. В то же время отсутствует зазор. Наличие зазора свидетельствует о неправильной настройке, неисправности либо об износе двигателя. Зазор приводит к дополнительной вибрации, ухудшению показателей и быстрому выходу устройства из строя.

Электрический потенциал поступает от электронного блока управления 25 по электрическому проводу 27 на ходовой пьезоактуатор 3, в результате чего ходовой пьезоактуатор 3 увеличивает свою длину. При этом соединенный с ним передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 перемещается на небольшое расстояние, растягивая шпильку 6. Соответственно, передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 выталкивает из корпуса 1 шток нагрузки 5 на небольшое расстояние.

Во второй фазе шага электрический потенциал от электронного блока управления 25 по электрическому проводу 28 поступает на передний пьезоактуатор 8. Вследствие этого передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 переходит в распертое состояние.

В третьей фазе шага электрический потенциал по проводу 26 перестает поступать на задний пьезоактуатор 7, и задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 переходит в свободное состояние, то есть перестает давить на корпус 1 изнутри, или же оказывает минимальное давление. Однако зазор в этом случае между корпусом и ползуном 2 также отсутствует.

В четвертой фазе шага электрический потенциал перестает поступать по электрическому проводу 27 на ходовой пьезоактуатор 3. Он переходит в свободное состояние, то есть уменьшает свою длину. При этом на небольшое расстояние в сторону штока нагрузки 5 под действием силы от растянутой шпильки 6 перемещается задний распорный пьезоэлектрический ползун 2.

В пятой фазе шага электрический потенциал по проводу 26 вновь поступает на задний пьезоактуатор 7, и задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 переходит в распертое состояние, то есть давит на корпус 1 изнутри.

В последней, шестой фазе шага электрический потенциал перестает поступать по проводу 28 на передний пьезоактуатор 8, и передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 переходит в свободное состояние - перестает давить изнутри на корпус 1.

Подобное чередование фаз в течение одного шага работы пьезоэлектрического двигателя повторяется многократно до тех пор, пока бегун не достигнет крайнего переднего положения. Момент достижения крайнего переднего положения определяют по кривой изменения электрического тока в проводе 27. Также этот момент может быть определен по датчику обратной связи, указывающего на достижение бегуном крайнего переднего положения.

После достижения бегуном крайнего переднего положения путем аналогичного чередования фаз шага начинается втягивание штока нагрузки 5 в корпус I. Движение продолжается до тех пор, пока бегун не достигнет крайнего заднего положения. Момент достижения крайнего заднего положения определяют по кривой изменения электрического тока в проводе 27. Также этот момент может быть определен по датчику обратной связи, указывающего на достижение бегуном крайнего заднего положения.

Насос охлаждающей жидкости 9 (Фиг. 1) всасывает охлаждающую жидкость 14 из внутренней полости корпуса 1 и подает ее в трубопровод заднего ползуна 10, откуда она поступает через соединительный проход 16, выполненный в заднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 2, во внутренний канал 15, выполненный в заднем пьезоактуаторе 7. Проходя по внутреннему каналу 15, охлаждающая жидкость 14 отбирает тепло от нагревающегося при работе заднего пьезоактуатора 7. Затем по другому соединительному проходу 17, также выполненному в заднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 2, жидкость попадает во внутреннюю полость корпуса 1.

Также насос охлаждающей жидкости 9 подает охлаждающую жидкость 14 в трубопровод 11 ходового пьезоактуатора 3, откуда она поступает через соединительный проход 19, выполненный в заднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 2, во внутренний канал 18, выполненный в ходовом пьезоактуатора 3. Проходя по внутреннему каналу 18, охлаждающая жидкость 14 отбирает тепло от нагревающегося при работе ходового пьезоактуатора 3. Затем по другому соединительному проходу 20, выполненному в переднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 4, жидкость попадает во внутреннюю полость корпуса 1.

Также насос охлаждающей жидкости 9 подает охлаждающую жидкость 14 в трубопровод переднего ползуна 12, откуда она поступает через соединительный проход 22, выполненный в переднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 4, во внутренний канал 21, выполненный в переднем пьезоактуаторе 8. Проходя по внутреннему каналу 21, охлаждающая жидкость 14 отбирает тепло от нагревающегося при работе переднего пьезоактуатора 8. Затем по другому соединительному проходу 23, также выполненному в переднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 4, жидкость попадает во внутреннюю Полость корпуса 1.

В результате такой работы пьезоактуаторы не перегреваются, сохраняя свои пьезоэлектрические свойства. Вероятность ремонта шагового пьезоэлектрического двигателя при этом снижается, межремонтный период увеличивается.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты их осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему правовой охраны только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к электрическим машинам с использованием пьезоэлектрического эффекта и может быть использовано в быту, на транспорте и в промышленности для привода в действие различных механизмов и насосов, в том числе при эксплуатации скважин в нефтедобывающей промышленности. Технический результат состоит в снижении вероятности ремонта из-за потери пьезоактуаторами своих пьезоэлектрических свойств вследствие их перегрева. Шаговый пьезоэлектрический двигатель содержит корпус, бегун, расположенный в корпусе и состоящий из последовательно соединенных заднего распорного пьезоэлектрического ползуна, ходового пьезоактуатора и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна. Корпус заполнен жидкостью. Задний распорный ползун включает в себя задний пьезоактуатор. Ходовой пьезоактуатор выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины. Передний распорный ползун включает в себя передний пьезоактуатор. Двигатель содержит насос всасывания охлаждающей жидкости из внутренней полости корпуса. В заднем, ходовом и переднем пьезоактуаторах выполнены внутренние каналы и три соединительных прохода, соединяющие выход насоса с внутренними каналами соответствующих пьезоактуаторов. Также предусмотрены три соединительных прохода, соединяющие внутренние каналы соответствующих пьезоактуаторов и внутреннюю полость корпуса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель, содержащий корпус, корпус заполнен жидкостью, бегун, расположенный в корпусе, бегун состоит из последовательно соединенных заднего распорного пьезоэлектрического ползуна, ходового пьезоактуатора, переднего распорного пьезоэлектрического ползуна, задний распорный пьезоэлектрический ползун включает в себя задний пьезоактуатор, ходовой пьезоактуатор выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины, передний распорный пьезоэлектрический ползун включает в себя передний пьезоактуатор, характеризующийся тем, что дополнительно введен по меньшей мере один насос охлаждающей жидкости с возможностью всасывания охлаждающей жидкости из внутренней полости корпуса, в заднем пьезоактуаторе выполнен внутренний канал, дополнительно введен соединительный проход, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости и внутренний канал заднего пьезоактуатора, дополнительно введен соединительный проход, соединяющий внутренний канал заднего пьезоактуатора и внутреннюю полость корпуса; в ходовом пьезоактуаторе выполнен внутренний канал, дополнительно введен соединительный проход, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости и внутренний канал ходового пьезоактуатора, дополнительно введен соединительный проход, соединяющий внутренний канал ходового пьезоактуатора и внутреннюю полость корпуса; в переднем пьезоактуаторе выполнен внутренний канал, дополнительно введен соединительный проход, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости и внутренний канал переднего пьезоактуатора, дополнительно введен соединительный проход, соединяющий внутренний канал переднего пьезоактуатора и внутреннюю полость корпуса.

2. Двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что задний распорный пьезоэлектрический ползун и передний распорный пьезоэлектрический ползун дополнительно соединены упругим средством.

3. Двигатель по п. 2, характеризующийся тем, что упругим средством является стержень или шпилька, размещенная во внутреннем канале ходового пьезоактуатора.