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

Изобретение относится к пьезоэлектрическим приборам, в частности к пьезо лект- рическим двигателям преимущественно вращательного движения, и может быть использовано в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов таких, как лентопротяжные механиз- .мы магнитофонов, устройств ввода-вывода, цифропечатэющих устройств, в автомобильной промышленности в качестве приводов стеклоочистителей, стеклоподъемников и Др.

Цель изобретения - повышение экономичности и удельной мощности пьезодвига- теля.

На фиг. 1 показан пьезоэлектрический двигатель с цилиндрическим наружным ротором, охватывающим прижатые к нему толкатели, продольный разрез; на фиг. 2 - пьезоэлектрический двигатель, поперечный разрез: на фиг. За, 36 - толкатель с крепежной пружиной, выполненной в виде отогнутого конца пластины толкателя; на фиг. 4а, 4 б изображен толкатель с крепежными пружинами, выполненными в виде отогнутых подрезанных боковых кромок пластины толкателя; на фиг. 5 и 6 изображены сдвоенные толкатели с крепежными пружинами, аы- полненны.ми в виде изогнутой средней части пластины толкателей; на фиг. 7 00

оЗ

ттЛ

СХ

о

сдвоенный толкатель, крепежные пружины которого выполнены независимыми; на фиг. 8а-8д- варианты исполнения однойЧ13 двух крепежных пружин сдвоенного толкателя; на фиг. 9а-9д изображает различные формы крепления одинарных и сдвоенных толкателей; на фиг. 10а, 10б - вариант крепления сдвоенного толкателя в соответствии с фиг. 7; на фиг. 11 - крепление сдвоенного толкателя в пьезодвигателе с внешним кольцевым пьезоэлементом и размещенным внутри него ротором; фиг. 12а-12г показаны в аксонометрии один из вариантов деталей коллектора, а также способы крепления коллектора к корпусу пьезоэлектрического двигателя и соединения деталей между собой.

Пьезоэлектрический двигатель (фиг. 1, 2) содержит статор 1 - неподвижную часть пьезоэлектрического двигателя относительно изделия и ротор 2, установленный на статоре 1 с возможностью вращения в подшипнике (втулке) 3.. От осевого смещения ротор зафиксирован посредством буртика 4 на валу 5 ротора и стопорной шайбой 6.

Статор 1 пьезоэлектрического двигателя содержит пьезоэлектрический осциллятор 7 радиальных колебаний, акустически изолированный от корпуса 8 посредством прокладок 9 из эластичного материала (например, резины) и закрепленный на нем с помощью гайки 10. Корпус 8 служит для защиты пьезоэлектрического осциллятора 7 и других элементов двигателя от повреждения, а также для закрепления пьезоэлектрического двигателя в изделии с помощью крепежных отверстий 11.

Пьезоэлектрический осциллятор 7 радиальных колебаний представляет собой электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в меха- ническую энергию колебательного, преимущественно в радиальном направлении, движения частиц активного элемента пьезоэлектрического осциллятора 7 - пье- зоэлементэ 12, выполненного в виде тела вращения. Для создания в пьезоэлектрическом осцилляторе 7 радиальных колебаний пьезоэлемент 12 выполнен .в виде -плоского диска с центральным отверстием для крепления или кольца (см.фиг. 11) изготовленного из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, с электродами 13 на плоских поверхностях кольца, снабженными выводами 14. Электроды представляют собой тонкое металлическое покрытие на шлифованной поверхности пьезоэлемента 12, которое может быть получено, а частности, напылением металла, химическим осаждением металла до

необходимой толщины электродов. Пере менное напряжение от источника питания подводится к электродам 13 через выводы 14, припаянные к электродам. Электроды

могут быть подсоединены также и контакт- ным способом,

К рабочей цилиндрической поверхности пьезоэлемента 12 наклонно примыкают толкатели 15, которые другим концом упираются во внутреннюю поверхность ротора 2 под острым углом. Крепление толкателей к корпусу производится с помощью отогнутых в виде пружины 16 концов толкателей, которыми снабжен каждый толкатель индивиду5 ально.

Толкатели 15 могут быть выполнены с пружиной 16, представляющей собой часть пластины-заготовки, особым образом отогнутой (фиг. 3 и 4). Концы пружин 16 толка0 телей 15 укреплены в гнездах жесткого кольцевого коллектора 18, 19, который обеспечивает осевую и окружную фиксацию толкателей; такое крепление не препятствует радиальному перемещению конца толкате5

ля, находящегося в контакте с поверхностью пьезоэлемента 12.

Толкатели могут быть выполнены одинарными (фиг. 2, 3, 4) или сдвоенными (фиг. 5, 6, 7). Пружины 16 для крепления толкате0 лей могут быть выполнены в виде изогнутой части пластины-заготовки, или как отдельные детали, В последнем случае для предотвращения осевого смещения толкателей на концах таких пружин выполнены вырезы

5 (фиг. 86) или уголки пружин отогнуты (фиг. 8в, г, д).

Каждый толкатель выполнен из плоского (листового) упругого звукопроводящего материала, например из стали, латуни, фрс0 фористой бронзы.

Одинарные толкатели 15 (фиг. За, Зв) могут быть установлены пружинами 16 в одну сторону по окружности, как показано на фиг. 2, или же встречно, как показано на фиг.

5 9а. Примеры установки сдвоенных толкателей в коллекторе показаны на фиг. 9б-9д,

юаи п.;

К корпусу 8 пьезодвигателя собранный блок деталей 18, 19 коллектора с толкателя0 ми 15 крепится посредством нескольких винтов 20 (см.фиг, 12), Между собой детали 18,19 коллектора соединены стяжными винтами 21 с шайбами 22, при этом концы 17 пружин f 6 зажимаются между плоскими по5 верхностями деталей 18.19, что обеспечивает фиксацию толкателей в осевом направлении.

Для облегчения установки блока толкателей на осциллятор может быть предусмотрен клиновой поджим концом толкателей

деталью 19 (фиг. i2,a). В этом случае блок толкателей с деталью 18 свободно устанавливается в корпусе 8 пьезоэлемента и крепится к нему винтами 20. после чего концы 17 пружин 16 толкателей окончательно поджимаются конической частью детали 19 (фиг. 1).

Прижатие толкателей 15 к ротору 2 и пьезоэлементу 12 осуществляется за счет силы упругой деформации самих толкателей. К пьезоэлементу 12 толкателя дополнительно прижаты их пружинами 16. Это обеспечивает гарантированный механический контакт толкателей 15 с пьезоэле- ментом 12 при радиальных колебаниях последнего.

Для равномерной механической нагрузки на пьезоэлемент число толкателей должно быть не менее двух одинарных или соответственно двух сдвоенных при равномерном расположении их по окружности

На фиг. 1, 2, 9а, IQa, 11 и радиальные зазоры между пьезоэлементом 12, коллектором 18, 19 и ротором 2 соответственно и длина толкателей условно показаны увеличенными; в действительности длина толкателей для повышения их жесткости на поперечный изгиб должна быть меньше. При этом пружины 16 толкателей должны иметь меньшие радиальные размеры для предотвращения окружного смещения концов толкателей, находятся в контакте с поверхностью пьезоэлемента; их положение должно быть близким к касательной в точке контакта конца толкателя с пьезоэлементом.

. Ротор 2 пьезоэлектрического двигателя содержит три основных части - вал 5, напрессованный на него стакан 25 и фрикционную часть - кольцевую вставку 24, которая фрикционно взаимодействует с толкателями 15. Фрикционная часть выполнена из изйосостойкого материала; рабочая поверхность ее должна иметь минимальную шероховатость для уменьшения износу толкателей. Вал 5 ротора 5 установлен в подшипнике - втулке 3 из антифрикционного материала.

Пьезоэлектрический двигатель может быть выполнен также с внутренним ротором, т.е. размещенным внутри кольцевого пь&зоэлемента. В этом случае сдвоенные толкатели выполняют не расходящимися, как показано на фиг. 4,5 и 6, а сходящимися; способ их крепления не отличается от описанных выше, за исключением самой формы деталей (фиг. 11).

Пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом.

При подаче на электроды 13 пьезоэлектрического осциллятора 7 (фиг. 1) радиальных колебаний электрического напряжения определенной частоты, равной или близкой 5 к резонансной частоте продольных радиальных колебаний, пьезоэлемента 12, в нем возникают продольные радиальные колебания. Эти колебания передаются толкателям 15.

0 При расширении пьезоэлектрического элемента 12 его поверхность перемещает находящиеся в ней в механическом контакте внутренние концы толкателей 15 в радиальном направлении, Противополож5 ные концы толкателей, находящиеся во фрикционном взаимодействии с цилиндрической поверхностью фрикционного элемента 24 ротора 2, вследствие заклинивания, создают на роторе.тангенциальное

0 усилие (так как угол между толкателем и касательной к поверхности ротора меньше 90°-), что вызывает поворот ротора на некоторый угол.

Окружному смещению внутренних кон5 цов толкателей 15, находящихся в механическом контакте с цилиндрической боковой поверхностью пьезоэлемента 12, препятствуют пружины 16 толкателей, посредством которых толкатели укреплены на коллекто0 ре, являющемся элементом статора, а также сила трения между ними и поверхностью пьезоэлемента, также являющимся элементом статора.

Кром.е того, фиксация толкателей в ок5 ружном направлении может быть осуществлена коллектором, в прорезях которого установлены толкатели (см.фиг. 9г, 10).

При сжатии пьезоэлемента 12 внутренние концы толкателей 15 перемещаются в

0 радиальном направлении к центру пьезоэлемента под действием сил упругости как самих толкателей 15, так и усилия их крепежных пружин 16. При этом внешние концы толкателей 15 взаимодействующие с

5 поверхностью фрикционного элемента 24 ротора 2, на мгновение отрываются от указанной поверхности и толкатели 15 под действием сил упругости распрямляются, и концы толкателей займут новое в окружном

0 направлении ротора положение, либо, вследствие уменьшения усилия прижатия концов (без их отрыва от поверхности фрикционного элемента 24) и соответственно уменьшения силы трения, концы толкателей

5 проскальзывают по поверхности фрикционного элемента и занимают новое в окружном направлении ротора положение. Обратному повороту ротора 2 за счет того, что на поверхность фрикционного элемента 24 ротора воздействуют силы трения между

нею и проскальзывающими по ней в окружном направлении концами толкателей 15, могут препятствовать в значительной мере силы инерции массы ротора и связанных с ним масс приводимого во вращение механизма.

Такой процесс повторяется при колёбат ниях пьезоэлемента 12 и сопровождается возникновением постоянного момента, приводящего ротор 2 пьезодвигателя во вращение.

Предлагаемая конструкция крепления толкателей посредством пружин 16, концы которых (17) зафиксированы в гнездах коллектора Детали 18, 19), предотвращает окружное: смещение концов толкателей, находящихся в контакте с пьезоэлементом, а также их перекосы - поворот вокруг продольной оси, что повышает экономичность двигателя. Кроме того, такое крепление позволяет увеличить по сравнению с прототипом число толкателей, что повышает удельную мощность двигателя.

Блоки, из которых состоит двигатель- осциллятор,. коллектор с толкателями, ротор, корпус могут быть унифицированы, что позволит более просто расширить номенклатуру характеристик двигателей (мощность, частота вращения) за счет применения осцилляторов разной толщины (т.е. мощности) и блоков толкателей соответствующей ширины в унифицированном коллекторе; оба эти блока как сменные элементы могут быть установлены в унифицированном корпусе двигателя определен ных габаритов. Кроме того, за счет различной длины толкателей при неизменных диаметрах пьезоэлемента и ротора можно изменить угол между толкателями и поверхностью фрикционного элемента ро0

тора, а, следовательно, и частоту вращения ротора.

Формула изобретени я

1.Пьезоэлектрический двигатель, содержащий ротор, статор с пьезоэлементом кольцевого типа,установленным коаксиальное ротором, и размещенные между пьезоэлементом и ротором под острым углом к их поверхностям толкатели с отогнутыми со стороны пьезоэлемента концами в виде листовых пружин, закрепленных на размещенном между пьезоэлементом и ротором коллекторе, при этом толкатели свободны5 ми концами упираются в поверхность ротора, а выпуклой стороной отогнутых концов- . в пьезоэлемёнт, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что,-с целью повышения экономичности и удельной мощности, коллектор выполнен в виде неподвижно установленного на статоре жесткого кольца с гнездами для крепления отогнутых концов пружин.

2.Двигатель по п. отличающий- с я тем, что пружины толкателей ориентированы в одном направлении по окружности.

3.Двигатель по п. 1, о т л и ч а ю щ и и - с я тем, что пружины смежных толкателей ориентированы; встречно по окружности,

4.Двигатель по п. 3, о т л и ч а ю щ и и - с я тем, что пара смежных толкателей снабжена одной сдвоенной пружиной, выполненной из средней части пластины-заготовки пары толкателей.

5.Двигатель по п. 4, о т л ич а ю щ и й- с я тем; что пара смежных толкателей выполнена П-образной формы и снабжена дополнительными пружинами, выполненными в виде пары симметрично изогнутых пластин, размещенных между.смежнымитолка0 телями.

0

5

0

5

Использование: пьезоэлектрический двигатель .может найти применение в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов. Сущность изобретения: пьезоэлектрический двигатель содержит статор и ротор. Статор имеет корпус, пьезоэлектрический осциллятор радиальных колебаний, установленный на корпусе, содержащий пьезоэлемент и толкатели, размещенные наклонно между пье- зоэлементом и ротором. Конец каждого толкателя со стороны пьезоэлемента отогнут в виде пружины, посредством которой он укреплен в гнезде коллектора, установленного на корпусе соосно с пьезоэлемен- том. Каждый толкатель выпуклой стороной отогнутого конца удерживается посредством пружины в механическом контакте с пьезоэлементом, а другим концом упирается в поверхность ротора. Пружины всех толкателей могут быть направлены в одну сторону по окружности или встречно (для смежных пар толкателей). Кроме того, смежные толкатели могут быть укреплены на коллекторе на одной сдвоенной пружине. При подаче на электроды пьезоэлемента переменного напряжения в нем возникают ради- альные колебания соответствующей частоты, передаваемые толкателям. Вследствие периодического заклинивания внешних концов толкателей при расширении пьезоэлемента и проскальзывания их по поверхности ротора при сжатии пьезоэлемента ротор начинает вращаться, 4 з.п.ф- лы, 12 ил. И

Ч

4

В 11 3 f

ю $ /з f$ /

А

У7 /УЛ4 /7// Щ

:У

Фиг. 1

У

В

с

а

Фиг. 8

Ъйг.2Фиг. 7

Фиг.Ю

в

ff в

6

/2

I

/

гг

Раг. ff

Фиг. П