Пьезоэлектрический двигатель Советский патент 1984 года по МПК H02N2/14 H01L41/09 

2.Двигатель по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что для обеспечения реверса пластины обоих пьезоэлементов установлены под одинаковыми углами к внутренней поверхности кольца ,

3.Двигатель по .п.. 1, отличающийся тем, что пьезоэлементы

выполнены в виде прямоугольных пьезо электрических брусков, а пластины зазакреплены на их торцах.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде дисков, а пластины закреплены на их цилиндрических поверхностях.

1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, .содержащий ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента,9яин из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором, отличающийся тем, что, с целью обеспечения постоянства вращающего момента двигателя при CTsmeH4aтом изменении скорости вращения,кольцо установлено с возможностью вращения относительно корпуса, второй пьезоэлемент закреплен на корпусе, и о.ба пьезоэлемента снабжены пластинами, упруго прижатыми к внутренней поверхности кольца так,что их плоскости пересекают внутреннюю поверх- ность кольца по образующим, причем ;jw пластины одного пьезоэлемента расположены под углами 30-80, а пластины другого пьезоэлемента расположены IC под углами 150-100 к внутренней повёрхности кольца.

I

Изобретение относится к э лектрйческим микродвигателям и может быть использовано в лентопротяжных механизмах магнитофонов в качестве двигателя ведущего узла.

Известны пьезоэлектрические двигатели, в которых вращение ротора осуществляется за счет фрикционного взаимодействия гладкой поверхности ведущего органа, содержащего пьезоэлемент, с гладкой поверхностью ведомого Органа. Двигатель представляет собой пьезоэлемент, закреплен-; ный с помощью держателей в корпусе и прижатый к гладкой поверхности ротора ill .

Недостатком такого двигателя является то, что в нем невозможно обеспечить постоянство вращающего момента при ступенчатом изменении скорости вращения.

Известен пьезодвигатель, содержащий два пьезоэлемента, в одном из. которых возбуждаются продольные колебания, а в другом - изгибные. Оба пьезоэлемента прижаты к поверхности ротора и расположены по одну сторону от его оси 17.1 .

Данная конструкция позволяет повысить момент на валу двигателя, однако не обеспечивает его постоянство при изменении скорости.

Известен также пьезоэлектрический- двигатель, содержащий ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента, один из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьеэоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором 3 .

Ступенчатое изменение скорости вращения может быть осуществлено либо путем ступенчатого изменения частоты питающего напряжения, либо изменением его величины. Однако такой способ изменения скорости вращения двигателя приводит к тому,что при уменьшении скорости вращения уменьшается и вращающий момент двигателя, что нежелательно в случае применения двигателя для привода веду- . 1цего вала магнитофона. С уменьшением момента на валу двигателя резко, увеличивается коэффициент детонации магнитофона. Последнее требует увеличения момента инерции маховика или введения электронной системы стабилизации мгновенной скорости двигателя Все это сильно усложняет и так довольно сложную конструкцию двигателя

Цель изобретения - обеспечение постоянства вращающего момента двигателя при ступенчатом изменении скорости вращения.

Поставленная иель достигается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента один из которых закреплен на роторе и охватывающее пьезоэлементы кольцо установленное соосно с ротором, кольцо установлено с возможностью вращения относительно корпуса, второй пьезоэлемент закреплен на корпусе и оба пьезоэлемента снабжены пластинами, упруго прижатыми к внутренней поверхности кольца так, что их плоскости пересекают внутреннюю поверхность кольца по образующим, причем пластины одного пьезоэлемента расположены под углами ЗО-Зо, а пластины другого пьезоэлемента расположены под углами 150-100 к внутренней поверхности колыта. .

Для обеспечения реверса пластины обоих пьеэоэлементов должны быть установлены под одинаковыми углами к внутренней поверхности кольца.

Пьезоэлементы могут быть выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, а пластины закреплень на их торцах.

Кроме того, пьезоэлементы могут быть выполнены в виде дисков, а пластины закреплены на их цилиндрических поверхностях.

На фиг.1 показан пьезоэлектрический двигатель} на фиг.2 - то же, пьезоэлементы выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, на фиг.З - то же, пьезоэлементы выполнены в виде пьезоэлектрических дисков; на фиг.4 - расположение сил на криволинейной поверхности ротора, действующих на конце пластин.

которыми снабжены пьезоэлементы; на фиг.5 - разложение .скоростей.

Пьезоэлектрический двигатель содержит ротор 1, установленный в корпусе 2 с закрепленным на роторе 1 пьезоэлементом 3 и коллектором 4, к которому подключены выводы 5 от пьезоэлемента 3. На корпусе 2 закреплен второй пьезоэлемент 6. Кольцо 7 охватывает пьезоэлементы 3 и 6. Оба пьезоэлемента 3 и 6 снабжены пластинами 8,. выполненными, например из металла или керамики, упруго прижатыми к внутренней поверхности кольца 7. Пластины 8 пьезоэлементов 3 и 6 расположены под углами 30-80 и 150-100° соответственно к внутренней поверхности кольца 7, либо под одинаковыми углами (показано пунктиром ).

Двигатель работает следующим образом..

В одном или сразу двух пьезоэлементах 3 и 6 возбуждают акустические колебания: продольные колебания по длине брусков, если пьезоэлементы в виде пьезоэлектрических брусков, и радиальные колебания, если пьезоэлементы выполнены в виде пьезоэлектрических дисков.

При выполнении пьезоэлементов в виде пьезоэлектрических брусков двигатель работает следующим образом.

Под действием возбуждающего электрического напряжения пьезоэлемент периодически удлиняется и укорачивается. При этом пластины 8 перемещаются по криволинейной поверхности кольца 7. При удлинении пьезоэлемента, пластины 8, прижатые к поверхности кольгл 7jL, несколько изгибаются.и за счет сил трения сообщают кольцу 7 вращаквдий момент,При этом в пластинах 8 генерируется волна изгибных колебаний,которая распространяется вдоль пластин 8 до места их закрепления в пьезоэлементе. Если толщина пластины 8 в 5-10 раз меньше толщины бруска пьезоэлемента (для дисков это всегда выполняется) то при укорочении пьезоэлемента волна изгиба поднимает конеи пластины 8 над поверхностью кольца 7, позволяя пьезоэлементу возвратиться.в исходное состояние. Таким образом, на конце пластины В взаимодействуют два типа акустических колебаний продольные и изгибные и при работе двигателя с высокими КПД конец пластины 8 движется по эллипсу.

Изменение скорости вращения в двигателе осуществляется с помощью включения одного или сразу же двух пьезоэлементов. Если включен пьезоэлемент 3, то кольцо 7 заторможено посредством пьезоэлемента 6, закрепленного на корпусе двигателя, а пьезоэлемент 3 вращает ротор относительно заторможенного кольца 7, а

следовательно, и корпуса с одинаковой скоростью. ЕСЛИ включены оба пьезоэлемента, ±о пьезоэлемент 6 вращает кольцо 7 относительно корпуса с одной скоростью, а пьезоэлемеит 3 вращает ротор 1 относительно кольца 7 с другой. Таким образом, скорость ротора 1 относительно корпуса двигателя равна сумме двух скоростей кольца 7 относительно корпуса и ротора 1 относительно кольца 7. Возможен также случай, когда пьезоэлемент б включен, а пьезоэлемент 3 выключен . При этом ротор 1 относительно кольца 7 заторможен пьезоэлементо 3 и его скорость определяется скоростью кольца 7 относительно корпуса двигателя. Таким образом, если параметры питающего пьезоэлементы напряжения одинаковы, то, включая один или два пьезоэлемента, можно в два раза уменьшать или увеличивать скорость вращения двигателя при неизменном вращающем моменте на валу двигателя .

Если углы наклона пластин обоих пьезоэлементов одинаковы .(доказано пунктиром), то включение одного или другого пьезоэлемента обеспечивает вращение ротора в противоположные стороны.

Если диаметры рабочих поверхностей кольца 7 выполнить различными для каждого пьезоэлемента, то может быть получено три значения скорости вращения. Однако при этом момент не сохраняется постоянным.

Выбор наклона пластины 8 пьезоэлементов к внутренней поверхности кольиа 7 определяет работу двигателя с высокими характеристикс№4И.

Пусть пластины 8 прижаты к внутренней поверхности кольца 7 под углом oU (фиг.4). Вращение ротора двигателя осуществляется за счет силы продольных колебаний FO. пьезоэлемента . Эта сила на криволинейной поверхности кольца раскладывается на составляющие: FO - силу поперечных колебаний,Е - тянущую силу, Fj - зацепляющую силу и - тормозящую силу. Все эти силы связаны соотношениями; F FoCOSdt-,

F -fbig sxncLi .S notЕсли учесть, что радиус кольца 7 равен R , то момент, развиваемый двигателем, .

M- T-FT fbSiwMfi..

При удлинении конца пластины 8 пьезоэлемента со скоростью Vg (фиг.5 скорость точки ее соприкосновения с кольцом 7 вдоль касательной

VT VO/COSOI.. Из приведенных формул видно,4Tt с увеличением угла контакта момент, развиваемый двигателем, уменьшается так как вращающая ротор сила уменьшается до 0,17F для угла контакта 80°, а скорость вращения ротора воэрастает. Практически .при некотоЕмх углах контакта вращающий момент становится сравним с моментом трения в подшипниках и двигатель останавливается. Кроме того, при больших углах контакта происходит значительное поглощение акустической энергии кольиом. Все это приводит к тому, что при углах контакта, близких к 90, двигатель работает с очень низким КПД. Для работы двигателя с высоким КПД необходимо чтобы конец пластины 8 двигался по эллипсу. Для этого необходимо наличие поперечной составляющей силы FO(сила (Fo ). Соотношение сил FO и FO определяет соотношение большой и малой осей эллипса, а также величину зацепляющей силы Fj С уменьшением угла контакта сила F уменьшается. Эллипс вытягивается и наступает момент, когда конец пластины 8 не может оторваться от неровностей поверхности кольца 7 и начинает тормозить кольцо при обратном движении. - Кроме того, с уменьшением угла контакта уменьшается зацепляющая сила FJ , которая обеспечивает фрикционный контакт между пластинами 8 и кольцом. При углах контакта менее 30 она становится меньше 0,5Fe , что в сочетании с увеличением вытянутости эллипса приводит к значительному ухудшению работы двигателя. Описанное аналогично и для пьезоэлемента, у.которого пластины 8 расположены под углом 15О-100° к внутренней поверхности кольца 7. Так как пластины 8 находятся под некоторым УГЛОМ к поверхности коль.ца 7, то в него проникает незначительная часть акустической энергии пьезоэлемента. Некоторая.часть энер гии отражается от кольца, превращаясь в энергию волны изгибных колеба НИИ, а основная ее часть преобразу ется в энергию вращения ротора. Поэтому предлагаемая конструкция Двигателя имеет КПД до J50-60%. I Так как фрикционное взаимодействне в двигателе осуществляется с помощью пластин 8, для обеспечения высокого ресурса работы двигателя они должны быть выполнены из твердого износостойкого материала, напри- мер из нержавеющей стали, твердых сплавов, керамики, минералокерамики, монокристаллов рубина, сапфира, корунда и прочих подвбных материалов . Выполнение пьезоэлементов в виде дисков позволяет разместить на их цилиндрических поверхностях большое количество пластин 8, что приводит к увеличению вращающей ротор силы, а это позволяет более чем в 10 раз .увеличить развиваемый двигателем момент. Пример . Пьезоэлектрический двигатель собирают в корпусе, изготовленном из текстолита. С одной стороны в корпус запрессовывают подшипник скольжения, с другой стороны, корпус закрывают крышкой. Крышку корпуса выполняют также из текстолита. На крышке имеется цилиндрический выступ. В зависимости от формы пьезоэлемента в выступе либо выполнено сквозное прямоугольное атверстие, либо сам выступ имеет проточку, в первом варианте в отверстие вставлен пьезоэлемент в виде брусКа, во втором варианте дисковый пьезоэлемент вклеен с помощью эпоксидной смолы в проточку. Ротор двига теля имеет стальную ось., на которой закреплен держатель пьезоэлемента, который имеет форму цилиндра со слегка заоваленной нижней частью. В нижней части держателя закреплен коллектор, выполненный в виде диска с латунными концентрически расположенными кольцами, к которым прижаты угольные щетки. Выше коллектора имеется отверстие, в которое вставлен пьезоэлемент в виде бруска. Во втором варианте держатель имеет проточку, в которую вклеен дисковый пьезоэлемент. Б обоих вариантах держатель выполнен из текстолита. Оба пьезоэлемента охватывают кольцо, выполненное из керамики 22ХС. Кольцо имеет внутренний диаметр 38 мм и толщину стенок 3 мм. Пьезоэлементы в виде бруска имеют размеры ,5 мм, а Пьезоэлементы в виде дисков имеют внешний диамтр 34 мм, внутренний 12 мм и толщину 3 мм. Пластины изготовлены из стали 65x13 толщиной 0,1 мм и выступают примерно на 3 мм из пьезоэлемента, в который вклеены с помощью эпоксидной смолы. Угол касания пластин кольца составляет примерно 30 и 150 соответственно. Скорость вращения при напряжении 50 В для первого варианта двигателя составляет 2 с , для второго - 1,5 при одном включенном пьезоэлементе. Момент на валу соответсвенно равен 1,5 и 20 Н см при КПД 48 и 35%. Таким образом, предлагаемая конструкция пьезоэлектрического двигателя позволяет ступенча-то изменять скорость вращения без изменения вращающего момента, что позволяет уменьшить коэффициент детонации магнитофона при изменении скорости протягивания ленты. Кроме того, сохраняется постоянным коэффициент полезного действия двигателя при изменении скорости его вращения, что очень важ,но для переносных магнитофонов.

X

Фиг.З

Фиг. 5