Пьезоэлектрический двигатель Советский патент 1993 года по МПК H02N2/00 H01L41/09 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим приводным двигателям, предназна- ченным для работы в устройствах автоматики, системах управления, контроля, робототехнических комплексах и т.д.

Целью изобретения является повышение КПД ПД за счет согласования собствен- ных резонансных частот кольцевой оболочки и пьезоэлемента.

Поставленная цель достигается тем, что в ПД, содержащем ротор и статор на основе кольцевого пьезоэлемента, одна из цилиндрических поверхностей которого заключена в оболочку, на которой установлены толкатели, параметры пьезоэлемента и оболочки связаны соотношением

лг(ЬвнутР°+ав„еш ° ± 21) -fpn- 2mtC°, (1)

t-1,2-0,33

do внутр

ДЛЯ

dвнутр О внвш

0,6,

Мдля о.б.

йвнеш

где dnHyrp0. бвиеш0 - внешний и внутренний диаметры оболочки;

I - глубина нарезного паза в оболочке;

С° - скорость звука в оболочке;

fp - резонансная частота на первой моде радиальных колебаний пьезоэлемента;

m - номер моды радиальных колебаний оболочки, причем знак + соответствует внутренней оболочке, а знак - внешней.

Опытным путем установлено, что наибольшая эффективность составного осциллятора достигается при строго определенной толщине оболочки (с учетом ее жесткого крепления к пьезоэлементу), которая варьировалась в пределах единиц миллиметра (а не десятков миллиметров, как в прототипе).

Наибольшая эффективность наступает тогда, когда резонансная частота на первой моде радиальных колебаний пьезоэлемента

Ё

00

ю ел

СА)

сл

CJ

соответствует (с учетом поправочного коэффициента t) резонансной частоте радиальных колебаний оболочки.

Для случая радиальных колебаний оболочки справедливо соотношение

71 Шенеш+ deHVTD л

где fpd - резонансная частота оболочки. Однако данное соотношение справедd°ливо для случая 1. При минимиdeHeui

эации ПД, и как следствие - оболочки, это соотношение выполняется с учетом поправочного коэффициента, экспериментально установленная зависимость которого имеет вид

резонансные колебания на частоте fpn. За счет резонансного согласования радиальных частот пьезоэлемента и оболочки эти колебания практически без ослабления передаются в оболочку, а через оболочку - в толкатели, которые фрикционно взаимодействуют с ротором, вращают его.

Составной осциллятор выполнен на основе керамики ЦТБС-3 с dBHeujn 28 мм,

кГц. Оболочка выполнена из стали 20Х-13, м/с. Толкатели установлены в пазы оболочки и закреплены с помощью компаунда на основе эпоксидной смолы. Поскольку такой компаунд является

хорошим звукопроводящим материалом (Ck 5000 м/с), наличием пазов можно пренебречь. Для внешней оболочки

daHyrp

do виеш

1, тогда для (основной моды)

для duHeui получаем

Использование: в устройствах автоматики, системах управления, контроля, робототехнических комплексах и т.д. Пьезоэлектрический двигатель содержит ротор и статор на основе кольцевого пьезоэлемента, одна из цилиндрических поверхностей пьезоэлемента заключена в оболочку, на которой устанавливаются толкатели. За счет согласования собственных резонансных частот пьезоэлемента и оболочки удалось обеспечить требуемую добротность составного осциллятора и тем самым повысить КПД пьезоэлектрического двигателя. 2 ил.

Тогда соотношение для радиальных колебаний оболочки преобразуется в

JT(deHeui + danyrp) го го

2 m t Tp

если в оболочке сделаны пазы и толкатели устанавливаются на звукоизоляционный компаунд для уменьшения уровня шума, тогда вводится поправка 21, поскольку по контуру на глубину толкателя звуковая волна не распространяется (фиг. 1).

При этом соотношение для заданных колебаний оболочки преобразуется в

JT(deHeuj 0 внутр

2 m t

Llj)

fg cc

Заменив в данном соотношении fp° на fpn (режим резонансного согласования), получим требуемое соотношение.

На фиг. 2 приведена схема ПД на основе составного осциллятора. Она включает кольцевой пьезоэлемент, заключенный.в оболочку, на которой установлены толкатели, упирающиеся во внутреннюю поверхность ротора.

Работает ПД следующим образом.

При подключении пьезоэлемента к источнику внешнего возбуждения в нем возникают акустические - радиальные

2 С° внеш зс - двнутр 30,6мм .

25

л:-г2

толщина оболочки равна

deHeuj d

-1,3 мм.

Использование предлагаемого устройства позволит более чем в три раза повысить мощность ПД с сохранением прежнего ресурса и открывает возможности для создания микропьезодвигателей на пьезошайбах

20, 12, 10 мм и т.д.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический двигатель, содер- жащий ротор и статор на основе кольцевого пьезоэлемента, одна из цилиндрических поверхностей которого заключена в оболочку, на которой установлены толкатели, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД пьезоэлектрического двигателя за счет согласования собственных резонансных частот пьезоэлемента и оболочки, параметры пьезоэлемента и оболочки связаны соотношением

50

Я(с1Внутр0+С1внеш0 + 21) рП 2гп1С°,

для внутренней оболочки, 55Jr(d«HyTP0+deHeui ° - 21) -fpn 2mtC°,

для внешней оболочки,

518254356

t-{1,2-033) для двнутр 06.I-глубина нарезного под толкатель па-4О о j33 В ОООЛОЧК6

ОвнешОвнвш/-о

L - скорость звука в материале ОбОЛОЧ- КМ

ки;

t-1 для СЕ 20.6.

где с1внвш0, бвнутр0 - внешний и внутренний диаметры оболочки;

10

Зона. формиооЗа ния ЗЙукоВых jfo/jefawu

Стальная о$оло ка на ffffjp пьезозле - пента 028 толщина обо-, лочхи l-l

Ротор

/aflpjw- Hfum

L - скорость звука в материале ОбОЛОЧ- КМ

ки;

5fp - резонансная частота на первой моде радиальных колебаний пьезоэлемента:

m - номер моды радиальных колебаний оболочки.

Внутренняя offa/fovxa

Зона формирования sffyxofax поле&амй

Фиг. 1

7алкатеяб