Пьезоэлектрический двигатель Советский патент 1980 года по МПК H02N2/14 H01L41/09 

Изобретение относится к области ;электрических двигателей, в частности к двигателям особого класса -пьезоэлектрическим, которые находят при менение в приборостроении, автоматике и бытовых приборах. Известны пьезоэлектрические двигатели (вибродвигатели).содержащие ротор и подпружиненный к нему пьезоэлектрический вибратор, колебания которого путем фрикционного зацепления приводят ротор во вращение ij, 2J Известен, например, пьезоэлектрический двигатель, содержащий статор и ротор, по крайней мере один из которых имеет пьезоэлектрический вибратор, установленные с пространствен ным зазором друг относительно друга, и средство их взаимодействия з. В известном двигателе средство взаимодействия статора с ротором выполнено в виде стержней, установленных под углом к поверхности ротора так, что концы стержней взаимодействуют с этой поверхностью фрикционно, а зазор между статором и ротором выб ран из условия возможности размещения в нем указанного средства взаимодействия. Механическое взаимодействие тру- щихся поверхностей приводит к изменению их геометрических размеров вследствие истирания. Попадающие при этом в зазор мельчайшие частички материала изменяют условия фрикционного взаимодействия. Все это ведет к снижению стабильности и надежности работы двигателя. Целью изобретения является обеспечение стабильности работы и увеличение надежности двитателя. Указанная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем статор и ротор, по крайней мере один из которых имеет пьезоэлектрический вибратор, установленные с пространственным зазором друг относительно друга, и средство их взаимодействия, пространственный зазор между статором и ротором имеет величину не меньше амплитуды колебаний пьезоэлектрического вибратора, а средство взаимодействия статора г роторс 1 выполнено в виде укрепленных на них постоянных магнитов и ферромагнитного материала. Сущность изобретения заключается в следующем.

Снабжение составных частей двигателя - статора и ротора - постоянными магнитами и ферромагнитным материалом создает магнитное поле. Геометрическая форма поверхностей статора и ротора, являющихся носителями магнитоактивных элементов, такова, что состоянию равновесия отвечает произвольное положение ротора относительно оси вращения. Это услЪвие удовлетворяется, если одно из двух тел - статор или ротор - являются телом вращения с осью, совпадающей с осью вращения ротора, второе тело должно иметь ось симметрии перпендикулярно оси вращения ротора.

Тело вращения выполнено из пьезокерамики и служит пьезоэлектрическим вибратором.

Под влиянием внешнего напряжения, приложенного к электродам пьезоэлектрика, тело вращения деформируется. Деформация приводит к смещению магнитоактивных элементов и появлению момента, стремящегося установить ротор в положение равновесия, появившееся в связи с деформацией тела вращения. При снятии напряжения с электродов деформация исчезает, но ротор продолжает движение по инерции. Новая деформация опять приводит к появлению момента с тем же направлением. Таким образом, в результате периодической деформации пьезоэлектрического устройства, ротор двигателя получает импульсы строго определенного направления, под действием которых он вводится в состояние равномерного вращения .

На фиг. 1 и 2 показан пьезоэлектрический двигатель с цилиндрическим ротором, в двух проекциях; на фиг. 3 и 4 - тот же двигатель, снабженный дополнительными магнитами на роторе в двух проекциях; на фиг. 5 и б -вариант выполнения двигателя с цилиндрическим статором в двух проекциях; на фиг. 7 и 8 - тот же двигатель с дополнительными магнитами на статоре в двух проекциях.

Двигатель (фиг. 1 и 2) состоит из статора 1, выполненного из постоянны магнитов, и ротора 2, который представляет собой полый цилиндр из пьезокерамики, снабженный электродами 3 на внутренней и внешней поверхностях цилиндра. Они расположены параллельно образующим цилиндра и выполнены из ферромагнитного материала,, Электроды разделены изоляционными полосками 4. Подача питания происходит через контакты-щетки 5, соединенные с источником питания б постоянного тока.

Для-усиления эффекта магнитного взаимодействия ротор может снабжен дополнительно небольшими постоян ными магнитами 7 (фиг. 3 и 4).

На фиг. 5 и б изображен двигатель с цилиндрическим статором. Двигатель состоит из полого цилиндрического статора 8, выполненного из пъезокерамики с электродами, аналогичными описанным выше. Ротор двигателя 9 выполнен в виде плоского постоянного магнита. Двигатель питается от генератора 10 с фазовращателем 11.

Для усиления эффекта магнитного взаимодействия на статоре укреплены постоянные магниты 12(фиг.7 и 8).

Работает пьезоэлектрический двигатель следующим образом.

При подаче питания от источника 6 постоянного тока через шетки 5 на пару диаметрально противоположных электродов 3 (фиг. 1 и 2) происходит деформация цилиндрического ротора (так, как изображено пунктиром).При этом возникает сила F, вызывающая вращение ротора. Когда щетки 5 оказываются на изоляционных полосках 4, напряжение на электроды не поступает пьезокерамика освобояодается от деформации , и ротор продолжает вращаться по инерции. Через определенное время (оно зависит от размеров полосок и электродов) шетки снова оказываются на электродах, что вызывает появлени новой деформации и возникновение вращательного момента и т.д.

Работа двигателей изображенных на фиг. 5-8 аналогична описанной, только для питания их требуется генератйр переменного напряжения и фазовращатель .

Как следует из описания работы устройства, величина магнитного взаимодействия между статором и ротором определяется качеством магнитных элементов и величиной пространственного зазора. При этом, эффект магнитного взаимодействия возрастает с уменьшением расстояния между указанными частями двигателя. Следовательно, статор и ротор двигателя должны быть установлены с минимальным пространственным зазором,, при котором невозможен механический контакт между ними. Последнее условие удовлетворяется, если величина пространственного зазора не меньше амплитуды вибраций пьезоэлектрического вибратора.

Исключение механического взаимодействия между статором и ротором устраняет возмо5яность поломки соударяющихся подвижных элементов устройства, благодаря чему, двигатель отличается высокой надежностью.

Таким образом, установка статора и ротора пьезоэлектрического двигателя с пространственным зазором между ними, величина которого не менее чем амплитуда вибраций пьезоэлектрического вибратора и снабжение хотя бы одного из них постоянными магнитами, а другого - ферромагнитным материалом, приводит к стабильности работы двигателя, увеличению надежности и срока его службы, Формула изобретения Пьезоэлектрический двигатель,содержащий статор и ротор, по крайней мере один из которых имеет пьезоэлектрический вибратор установленные с пространственным зазором один относительно другого и средство их взаимодействия, отличающийс я тем, что, с целью обеспечения стабильности работы и увеличения надежности, пространственный зазор меж ду статором и ротором имеет величину не меньше амплитуды колебаний пьезоэлектрического вибратора, а средство взаимодействия статора с ротором выполнено в виде укрепленных на них постоянных магнитов и пластин из ферромагнитного материала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР :№ 536578, кл. Н 02 « 11/00,1975. 2.Авторское свидетельство СССР 604058, кп. Н 02 И 11/00, 1976. 3.Авторское свидетельство СССР 573829, кл. Н 01 L 41/00, 1973, (прототип).