ШАГОВЫЙ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H02N2/04 F04B17/00 

Область техники

Предложенное 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 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 соединённых заднего распорного пьезоэлектрического ползуна, ходового пьезоактуатора и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна. Внутренняя полость корпуса заполнена 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 определённой температуры пьезоактуаторы теряют свои пьезоэлектрические свойства в силу свойств образующих их пьезоэлектрических материалов, что приводит к потере работоспособности двигателя и необходимости его ремонта.

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 шагового пьезодвигателя, содержащего корпус, бегун, расположенный в корпусе и состоящий из последовательно соединённых заднего распорного пьезоэлектрического ползуна, ходового пьезоактуатора и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна. Внутренняя полость корпуса заполнена 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 пьезодвигателя согласно созданному техническому решению дополнительно введён по меньшей мере один насос охлаждающей жидкости с возможностью всасывания жидкости из внутренней полости корпуса. В заднем пьезоактуаторе при этом выполнен внутренний канал, а также дополнительно введён соединительный проход, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости и внутренний канал заднего пьезоактуатора.

В ходовом пьезоактуаторе согласно созданному техническому решению также выполнен внутренний канал. Дополнительно введён соединительный проход, соединяющий внутренний канал заднего пьезоактуатора и внутренний канал ходового пьезоактуатора.

В переднем пьезоактуаторе согласно созданному техническому решению также выполнен внутренний канал, и дополнительно введён соединительный проход, соединяющий внутренний канал ходового пьезоактуатора и внутренний канал переднего пьезоактуатора. Дополнительно введён 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, размещённая во внутреннем канале ходового пьезоактуатора.

Краткое описание чертежей

Предложенное изобретение поясняется следующими графическими изображениями.

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

Фиг. 2 - поперечный разрез шагового пьезодвигателя в области ходового пьезоактуатора. Электрические провода и жидкость не изображены.

Фиг. 3 - шаговый пьезодвигатель с электрическими соединениями. Корпус изображён в разрезе относительно воображаемой продольной оси. Трубопроводы, жидкость и насос не изображены.

Подробное описание технического решения

Шаговый пьезодвигатель изображен на Фиг. 1. Двигатель состоит из корпуса 1, бегуна, расположенного в корпусе и состоящего из последовательно соединённых заднего распорного пьезоэлектрического ползуна 2, ходового пьезоактуатора 3 и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна 4. С передним распорным пьезоэлектрическим ползуном 4 соединён 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, соединённый трубопроводом заднего ползуна 10 с задним распорным пьезоэлектрическим ползуном 2. Насос охлаждающей жидкости 9 имеет вход 11 для жидкости 12, а также выход 13. Трубопровод заднего ползуна 10 соединён с выходом 13 насоса охлаждающей жидкости 9.

В насос охлаждающей жидкости 9 поступает жидкость 12 из внутренней полости корпуса 1. В заднем пьезоактуаторе 7 при этом выполнен внутренний канал 14, а также соединительный проход 15, соединяющий выход 13 насоса охлаждающей жидкости 9 и внутренний канал 14 заднего пьезоактуатора 7.

В ходовом пьезоактуаторе 3 выполнен внутренний канал 17 (Фиг. 2). Соединительный проход 16 (Фиг. 1) соединяет внутренний канал 14 заднего пьезоактуатора 7 и внутренний канал 17 (Фиг. 2) ходового пьезоактуатора 3 (Фиг. 1 и 2). Стержень или шпилька 6 проходит через внутренний канал 17 ходового пьезоактюатора 3.

В переднем пьезоактуаторе 8 (Фиг. 1) выполнен внутренний канал 16 и соединительный проход 17, соединяющий выход насоса охлаждающей жидкости 9 и внутренний канал 18 переднего пьезоактуатора 8. Также имеется соединительный проход 20, соединяющий внутренний канал 18 переднего пьезоактуатора 8 и внутреннюю полость корпуса 1.

Корпус 1 состоит из четырёх пластин, соединённых винтами 21 (Фиг. 2) между собой с образованием внутренней полости прямоугольного сечения.

Электронный блок управления 22 (Фиг. 3) соединён электрическим проводом 23 с задним пьезоактуатором 7, электрическим проводом 24 - с ходовым пьезоактуатором 3, электрическим проводом 25 - с передним пьезоактуатором 8. Также электронный блок управления 22 соединён общим электрическим проводом 26 с задним пьезоактуатором 7, ходовым пьезоактуатором 3 и передним пьезоактуатором 8.

Устройство работает следующим образом. Бегун пьезоэлектрического двигателя, состоящий из изображённых 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 соединённого 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 22 по электрическому проводу 23. 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 22 по электрическому проводу 24 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 22 по электрическому проводу 25 поступает на передний пьезоактуатор 8. Вследствие этого передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 переходит в распертое состояние.

В третьей фазе шага электрический потенциал по проводу 23 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 четвёртой фазе шага электрический потенциал перестает поступать по электрическому проводу 24 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 23 вновь поступает на задний пьезоактуатор 7, и задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 переходит в распёртое состояние, то есть давит на корпус 1 изнутри.

В последней, щестой фазе шага электрический потенциал перестает поступать по проводу 25 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 24. Также этот момент может быть определён по датчику обратной связи, указывающего на достижение бегуном крайнего переднего положения.

После достижения бегуном крайнего переднего положения путём аналогичного чередования фаз шага начинается втягивание штока нагрузки 5 в корпус 1. 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 24. Также этот момент может быть определён по датчику обратной связи, указывающего на достижение бегуном крайнего заднего положения.

Насос охлаждающей жидкости 9 (Фиг. 1) всасывает жидкость 12 из внутренней полости корпуса 1 через вход 11 и подаёт её к выходу 13, а затем в трубопровод заднего ползуна 10. Из трубопровода заднего ползуна 10 жидкость 12 поступает через соединительный проход 15, выполненный в заднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 2, во внутренний канал 14, выполненный в заднем пьезоактуаторе 7. Проходя по внутреннему каналу 14, жидкость 12 отбирает тепло от нагревающегося при работе заднего пьезоактуатора 7.

Затем по другому соединительному проходу 16, также выполненному в заднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 2, жидкость попадает во внутренний канал 17 (Фиг. 2), выполненный в ходовом пьезоактуаторе 3. Проходя по внутреннему каналу 17, жидкость 12 отбирает тепло от нагревающегося при работе ходового пьезоактуатора 3.

Затем по другому соединительному проходу 19, выполненному в переднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 4, жидкость попадает в соединительный проход 19, выполненный в переднем распорном пьезоэлектрическом ползуне 4. После этого жидкость 12 поступает во внутренний канал 18, выполненный в переднем пьезоактуаторе 8. Проходя по внутреннему каналу 18, жидкость 12 отбирает тепло от нагревающегося при работе переднего пьезоактуатора 8. Затем по другому соединительному проходу 20, 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 электротехнике. Технический результат заключается в увеличении межремонтного периода шагового пьезодвигателя за счет уменьшения перегрева. Шаговый пьезодвигатель содержит корпус, бегун, расположенный в корпусе и состоящий из последовательно соединённых заднего и переднего распорных пьезоэлектрических ползунов, ходового пьезоактуатора. Внутренняя полость корпуса заполнена жидкостью. Ползуны включают в себя пьезоактуаторы. Ходовой пьезоактуатор выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины. Пьезодвигатель содержит насос охлаждающей жидкости с возможностью всасывания жидкости из внутренней полости корпуса. В заднем, ходовом и переднем пьезоактуаторах выполнены внутренние каналы и четыре соединительных прохода, соединяющие последовательно: выход насоса охлаждающей жидкости с внутренним каналом заднего пьезоактуатора, внутренний канал заднего пьезоактуатора с внутренним каналом ходового пьезоактуатора, внутренний канал ходового пьезоактуатора с внутренним каналом переднего пьезоактуатора, внутренний канал переднего пьезоактуатора с внутренней полостью корпуса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Шаговый пьезодвигатель, содержащий корпус, внутренняя полость корпуса заполнена 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 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, в ходовом пьезоактуаторе выполнен внутренний канал, дополнительно введен соединительный проход, соединяющий внутренний канал заднего пьезоактуатора и внутренний канал ходового пьезоактуатора; в переднем пьезоактуаторе выполнен внутренний канал, дополнительно введен соединительный проход, соединяющий внутренний канал ходового пьезоактуатора 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.