Пьезоэлектрический двигатель Советский патент 1978 года по МПК H02N2/12 H01L41/09 

Изо бретенле относится к пьезоэлектрнческим двигателям и может быть использогва.но в цепях автоматики в качестве двигателя исполнительных механиз.мов, а также IB бытовых приборах широкого назначения.

Р1звестпы пьезоэлектрические дв)1гатели различных конструкций, в которых электрический сигнал, подводимый к пьезоэлементу статора, возбуждает Б нем механические колебания, которые через механизм коятакта пьезоэлемента с ротором передаются последнему и приводят его во вращение 1.

Система контакта .пьезоэлемента к рото1ру, осуществленная в известны.х двигателях, вызывает скольжение механического контакта по поверхности ротора в .момент возератного перемещения конца пьезоэлемента при значительном прижимающем усил П1, что сопровождается потерями на треНЛе и приводит к снижению моторесурса и КПД двигателя.,;

Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий ротор и статор в ВПДе . п.ьезоэлектрической пластины, иодключенной к источнику питалия и пр-ижатой одни.м своим iKOHUOM к ротору посредством пружи.ны 2.

Целями изобретения являются увеличе,Н|Ие моторесурса, рабочего момента и иовышения КПД двигателя.

Поставленные цели достигаются тем, что

пруж;1на соединена с упомян тым концом пластины через механ-ическпй резонатор, «зпример полый цилиндр, настроенный на обертон частоты источника питания, причем угол .между осью резонатора и плоскостью пьезоэлектрической пластичны больше 90 градусов.

На фиг. 1 схематически показаи предлагаемый двигатель; на фиг. 2 - векторная д.; аграмма, поясняющая его работу.

Пьезоэлектрический двигатель состо.ит 13 статора / и ротора 2, к которому пьезоэлемент 3 статора пр)1жат пружиной 4 через настроенный акхстический резонатор 5

5 в виде цилиндра с резонансом на одном из оберто-нов частоты источника ииташ1я. Одwi..M концом пьезоэлемент 3 закреплен в статоре 1 через эластичную, например .из рези.ны. прокладку 6, а другим опирается

0 через наконечник 7 .на ротор. Напряжелие П11тан;1я подано .на электроды 8 п 9 пьезоэлемента.

. Для пояснения работы устрой.ства рассмотрим силы, зоз.никающие при работе пьезоэлектрического двигателя. К на.конеч5 .н.}1ку через резонатор 5 (.на фиг. 2 не показан) пр 1ложена постояи.ная сила ОС пружины 4, вызвавшая реакцию опоры пьезоэлемента OL и их равнодействующую F,

0 лежащую в пределах угла трения ртр, равного по определейию |i,p arctg /Стр (К-гр - коэффициент трення между .нако:нечн,иком 7 и .поверхлостью ротора 2). Б отсутствие резонатора на .ротор зоздействует вращающая сила FZ и противодейстзующая сила трения F. В лредложенной ко,нструкЦ:ии действует вращающая сила F, а .противодействует сила трения F.

Льезоэлектрический двигатель работает следующем образом.

Под влиянием лостоякной ир ижимающей силы ОС возникает реакция в опоре пьезоэлемента OL, которая склады.ваяеь с силой ОС вызывает дормальную к поверхности ротора силу прижатия FI. Сила F складывается векторно с сплои f, возникшей при подключении электрического питания к пьезоэлементу 3 и поэтому направленной вдоль его плоскости. В известном двигателе, то есть в отсутствие резонатора 5, конец этой результирующей силы 1перемещается с изменением переменной силы F по прямой DE, создавая максимальную вращающую силу FZ в точке , а в следующий полупериод - торможепие силой трения РЗ в точке D. Размах качания конца результирующей силы DE выбран так, что в момент соверщеппя полезной работы конец результирующей силы находится в пределах угла трения ртр (точка Е), и наконечник 7 движется вместе с поверхностью ротора 2, толкая его. В следующий полупериод, когда конец результирующей силы вне угла трения ( Ь) наконечник 7 скольз.ит 1ПО по,верх:ности ротора и за счет трения тормозит его силой трения FZ. В .пьезоэлектрическом двигателе пр:ИЖ :мающая пружина 4 воздействует ка наконечник 7 под тупым углом ее к ПЛОСКОСТИ

пьезоэлемента 3, поэтому часть -развиваамого иьезоэЛементОМ усилия FS (f 6 а) используется -на раскачку резонатор-а 5, обладающего ВЫСОКОЙ добротностью и ласт роен.ного так, чтОбы его акустическое сопротивление со cTOpOiHbi нако.нечлика 7 на частоте возбул дения было макси.мально. Вследствие этого увел.ичивается -крутдзна линии перемещения колца результирующей силы до положения МЛ , почти периекдикулярлопо линии действия пружины 4 ОС (при добротности резонатора, равной бесконечности, MN перпендикулярна ОС). Как видно из фиг. 2, изменение крутизнь; перемещения коида результирующей силы .в предложен.ном дви.гателе позволяет уве..тичпть размах ее ..ия до такого, описываемого линией MN, .положения, что противодействующей силой трения (аила fs)

можно пренебречь, И в то же (Время возрастает вращающа.я сила (сила F). Таким образам, пр,ИМгененле резонатора 5. «астрое, на один 1ИЗ обертонов частоты источника интанпя, а соответствующий колебааням резоиатора с узлом колебательных скоростей на его конце, примыкающе.м к 1накои€чи.ику 7, позволяет увеличить вращающий момент как за счет увеличения вращающей силы F, так и уменьшения силы трения /-э, а также, сократив потери -на трение, увеличить КПД и моторесурс пьезоэлектрического двигателя.

Пьезоэлемент 3 .двигателя изготовляют в виде прямоугольной пластины, наиример, из титанат-цирконат-свинцовой керамики ПКД-124. На главные поверхности пластины наносят металлические .электроды, например. вжитан:пем металлизирующей пасты и затем иоляризуют в .поле 30 кВгсм при температуре 110 С. Пзносостойкий наконечник 7, ваирпмер, из алунда 22ХС. приклеивают, например, эиоксидной смолой. Ротор изготовляют из высокоуглеродистой стали или металлокерамичсского силава, например ВК8.

Опыт показывает, что предлагаемый пьезоэлектрический двигатель обладает более чем в два раза увеличенным моментом на валу ротора при то-м же и апряжелии питания КПД двигателя до 60%, что в полтора раза выше чем известного устройства. Моторесурс двитателя возрастает в 3 раза.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический двигатель, содержащий ipoTOp и статор в виде пьезоэлектрической иластины, лодключенной к 1источлику питан.ия и прижатой одним свопм концо.м к ротору посредст:во.м пружины, о т л .и ч а ющийся тем, что, с це.тью уве.тичения моторесурса, ра-бочего и повышения КПД двигателя, иружина соединена с упомянутым кондо.м пластИНЫ через механический резонатор, например полый Цилиндр, настроенный на обертон частоты источника иитания, пр.ичем угол 1между осью .резонатора и плоскостью пьезозлектр.ической пластины больше 90 градусов.

РГсточиики ,ил|формац ии, принятые во вни,ман:ие ари экспертизе:

1. Авторское Свидетельство .Y 217509, кл. Н 02 NM1/00, 1965.

i2. Гультяева Л. Г., Орез А. А. Пьезоэлектрический двигатель с возбуждвш1еи ка .резонансе, Вестних КПИ, X 14. 1977.