Пьезоэлектрический реверсивный двигатель Советский патент 1980 года по МПК H02N2/10 H01L41/09 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям и может быть использовано в качестве исполнительно го механизма в телемеханике и электроприводах, а также в бытовых приборах широкого назначения. Известны пьезоэлектрические реверсивные двигатели, содержащие статор .ввиде пьезоэлемента с двумя парами электродоввозбуждения, прижатый концом к ротору, переключатель реверса, причем на каждую пару электродов подают одновременно напряжения- от двух генераторов со сдвигом фазы .Э-О ; Ревере осуществляют переключением энака фазы между генераторами 1. Известные реверсивные двигатели требуют возбуждения в единой механической системе (статор и ротор) на одной резонансной частоте двух типов колебаний, что является технически сложной задачей, так как два различных типа колебаний .в тепе будут неоди наково реагировать на изменение величины нагрузки. Известен пьезоэлектрический реверсивный двигатель, содержащий основание, статор в виде пластинчатого пьезоэлемента с электродами на боко2вых поверхностях, закрепленного концами в эластичных прокладках,, ротор, прижатый к середине пьезоэлемента, генератор переменного напряжения и переключатель реверса 2. Целью изобретения является увеличение КПД, удельной мощности и упрощение конструкции. Это достигается тем, что в предлагаемый двигатель введена катушка индуктивности, при этом статор прижат к ротору посредством полуволнового акустического резонатора, а электроды разделены ча две части и размещены на разных половинах пьезоэлемента и по отдельности соединены с выходом генератора и катушкой индуктивности посредством переключателя реверса, причем контур из катушки индуктивности и половины пьезоэлементы подсоединены к .катушке через электроды и настроен на частоту генератора. На фиг. 1 дана структурно-функциональная схема пьезоэлектрического реверсивного двигателя; на фиг. 2 - векторная диаграмма сил в точке фрикционного контакта статора с ротором; на фиг. 3 - эквивалентная схема статорного пьезоэлемента.

Пьезоэлектрический реверсивный двгатель содержит основание 1, статор виде пряр-юугольного пьезоэлемента 2, закрепленного концами на основании в эластичных прокладках 3, ротор 4, прижатый к середине пьезоэлемента 2 посредством пружины 5 и полуволнового акустического резонатора б. На одну половину статора нанесены электрод ы 7, на другую - электроды 8.

Со стороны ротора электроды разделены изолирующим промежутком 9; с противоположной стороны пьезоэлемен-та электроды 7 и 8 закорочены и имеют общий вывод, подключенный к генератору 10. Электроды 7 и 8 посредством переключателя 11 подсоединены один, например, 7 (или 8) к reneji aTOру 10, а другой 8 (или 7) - к катушке индуктивности 12.

Активная сила 13 пьезоэлемен1 а (см. фиг, 2), действующая в зоне фриционного контакта статора с ротором, разложена, на. две составляющие: 14 уравн,овешенную опорой ротора,, и к 15 уравновешенную суммарной реакцией полуволнового резонатора б и закороченной половины пьезоэлемента 2. Цифры 16 и 17 показывают случай обратного действия пассивной силы 18 пьезсзэлемента.

Пьезоэлектрический реверсивный двигателлз работает следующим об эазом

С генератора 10, например, ка элетроды 7 поступает напряжение с lacтотой Wj, , возбуждаЕощее в пьезоэлементе 2 продольЕ ые колебания с длиной волны, равной удвоенной длине 2 пьезоэлемента так, что в нем устанавливается режим бегущей волны с выделением энергии на эквивалентном сопротивлении R ротора, включенного на нагрузку.р

Эквивалентное сопротивление гч включено параллельно эквивалентному контуру резонатора. В полуперисд активного хода точек пьезоэлемента в районе фрикционного контакта (см. фиг. 2) составляющая 15 активной силы 13 уравновешивается сумма.рнсй реакцией противодействия закороченной половины пьезоэлемента 2 и полуволнового резонатора 6. а составляюц:,ая 14 - реакцией опоры ротора, Следсзвательно, сила прижатия пьезоэлемента к ротору увеличивается на велич:ину составляющей 14.

Силу статического прижатия 5., пружиной 5 и активную силу F.s, , во;1буждаемую в пьезоэлементе посредством обратного пьезозффекта, подбирают так, чтобы выполнялись условия

К,.р F,j (Fg + Т,,,

(Fg - F| ; хчтр- .

где к - коэффициент трения между поверхностями пьезоэлемекта и ротора,, Тогда в момент активного nojiyneриода выполняется условие заклинивания (правая часть керавенства) и ротор дв -;жется вместе с прижатыми к нему точками пьезоэлемента, а в Следующий полупериод условия заклинивания не выполняются (левая часть) и пьезоэлемент движется в обратную сторону, не мешая ротору вращаться в прежнем направлении, для чего полуволновой резонатор 6 должен обеспечивать свободное продольное перемещение поверхности пьезоэлемента 2.

Полуволновой резонатор настраиваю одновременно в резонанс на частоту uJj-, продольных и изгибных колебаний. Полуволновой резонатор может быть также изготовлен из материала с малым коэффициентом трения о поверхность пьезоэлемента, например, из фторопласта, толщину которого h рассчитывают по формуле h Я У/Ц, , где V - скорость звука в материале.

Пьезоэлектрический реверсивный двигатель настраивают следующим образом. Отводят от пьезоэлемента 2 ротор 4 и полуволновой резонатор 6 и меняют частоту генератора 10 до те пор, пока ток в цепи генератора не достигнет максимальной величины. Затем зажимают пьезоэлемент между полуволновым резонатором и ротором и меняют индуктивность катушки 12, пока фазовый СДВИГ между током в катушке и напряжением генератора 10 не станет равным О или 180°.

Причины возникновения потерь в пьезоэлементе статора поясняются эквивалентной схемой на фиг. 3. Импедансы элементов схемы определены для резонансной частоты Ц, , когда в полную длину пьезоэлемента укладывается полуволна акустического колебания. В этомслучае эквивалентная схема представляет параллельный контур относительно эквивалентного сопротивления нагрузки R.

Параметры схемы L,C и ее характеристическое сопротивление X связаны соотношениями

Ч, 1//Ц, X,,,

мента; . - длина пьезоэлемента.

Эквивалентное сопротивление нагрузки закорочено импедансом Z, равным суммарному сопротивлению полуволнового резонатора 6 и половины пьезоэлемента, соединенной с катушкой индуктивности 12.,

Из приведенно1о анализа работы двигателя следует, что чем меньше коэффициент трения , тем большую долю от силы F,r должна составлять

MS

сила F, Это возможно лишь при умень14

5 шении характеристического сопротивления X закороченной половины пьезоэлемента 2 по сравнению с характеристическим сопротивлением полуволнового резонатора 6, т. е. для успешной настройки двигателя на выбранный режим работы необходимо управление резонансными характеристиками пьезоэлемента. Эту задачу выполняет катушка индуктивности 12, меняя йеличину которой от нуля до 10 мГ (для статора двигателя с размерами как у прототипа) можно получить характеристическое сопротивление X от предельного (800 Н с/м) до нуля.

Кроме того, наличие у реверсивного двигателя вышеупомянутого управления величины характеристического сопротивления пьезоэлемента статора позволяет конструировать более высокооборотные двигатели, работающие на нагрузку с низким эквивалентным сопротивлением, устраняющим большие прижимающие статор к ротору усилия. Поэтому, во-первых, добротность пьезоэлемента статора двигателя удается понизить до оптимальных с точки зрения удельной мощности значений (), что приводит к уменьшению механических потерь в статоре и увеличению КПД, во-вторых , уменьшение прижимающих статор к ротору усилий до 2,5 кгс (у прототипа 20 кгс) повышает износостойкость и надежность конструкции. Так, например, при прежних конструктивных размерах пьезоэлемента 2 с подключенной индуктивностью 12 равной б,3 мГ характеристическое сопротивление X падает до 10 Н с/м, а R Х/О, 0,03 Н с/м, что обеспечивает КПД статора в1 1 (rQ /R -f +1) QM (QM+ 9) 0,92 в режиме максимальной удельной мощности. Высокий КПД позволяет поднять мощность двигателя до 12 Вт и одновременно снизить окружную вращающую силу до 2,5 Н что требует прижимающих статора и ротор усилий не более 25 Н (,5 кгс).

Таким образом, КПД статора двигателя (f 0,92) при прочих равных условиях на 0,42 больше КПД статора прототипа СХ 0,5). Связанное с повышением КПД уменьшение сторонних затрат в статоре приводит к понижению механического износа и ослаблению вьвделения тепла, что и является

основным средством повышения удельной мощности двигателя. Поэтому увеличение КПД статора с 0,5 до 0,92 равносильно уменьшению сторонних затрат в статоре в б раз и позволяет увеличить удельную мощность также в б раз. Кроме того, тепловые потери в катушке индуктивности не влияют на удельную мощность двигателя, однако снижают его КПД до 0,87 (добротность катушки Q 100), что скажется

0 только в увеличении мощности источника питания.

Пьезоэлектрический реверсивный двигатель имеет на 0,37 выше КПД, чем у прототипа, а это позволяет увеличить

5 удельную мощность в б раз. Кроме того, отсутствие дополнительного генератора и цепей подстройки по фазе между генераторами упрощает конструкцию устройства.

0

Формула изобретений

Пьезоэлектрический реверсивный двигатель, содержащий основание, статор В виде пластинчатого пьезоэле5мента с электродами на боковых поверхностях, закрепленного концами в эластичных прокладках, ротор, прижатый к середине пьезоэлемента, генератор переменного напряжения и переклю0чатель реверса, отличающий- . с я тем, что, с целью увеличения КПД, удельной мощности и упрощения конструкции, в него введена катушка индуктивности, при этом статор прижат к

5 ротору посредством полуволнового акустического резонатора, а электроды разделены на две части и размещены на разных половинах пьезоэлемента и по отдельности соединены с выходом генератора и катушкой индуктивности

0 посредством, переключателя реверса, причем контур из катушки индуктивности и половины пьезоэлемента подсоединен к катушке через электроды и настроен на частоту генератора.

5

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 483061, кл. Н 01 L 41/00, 1973.

2.Заявка Франции W 2277458,

0

кл. Н 02 N 11/00, опубл. 1976 (прототип) .

Фиг.З