ES2207146T3 - Pefeccionamientos en los motores vibratorios. - Google Patents

Abstract

Motor de vibración ultrasónica que hace referencia a un motor piezoeléctrico que tiene resonancias en modo tangencial y normal espaciadas cercanamente juntas. El motor de vibración de referencia tiene un eje de rotor y un rotor con eje de rotor flexible proporcionando patrones de vibración en un patrón normal y tangencial. El rotor y el mecanismo piezoeléctrico (8) se dimensionan de manera que el modo tangencial y normal tengan una frecuencia casi resonante y proporcionen correcciones de frecuencia resonante en ambos planos.

Description

Perfeccionamientos en los motores vibratorios.

La presente invención se refiere a los motores vibratorios.

Los motores vibratorios son también conocidos bajo el nombre de motores ultrasonores para hacer referencia a su frecuencia preferida o motores piezo-activos para hacer referencia a su material de excitación preferido.

Muchas estructuras de motores vibratorios que presentan una relación importante de potencia respecto la masa, permitiendo al mismo tiempo obtener unas potencias mecánicas mucho más elevadas que los motores vibratorios conocidos en el estado de la técnica, ya han sido propuestos por el solicitante. Se podrá referirse por ejemplo a este respecto a sus solicitudes de patente francesa números 95-14.1169 y 97-10.948

Una aplicación particularmente ventajosa de estos motores se refiere a los mandos de vuelo secundarios de los aviones

Un objetivo de la invención es proponer unos perfeccionamientos para los motores vibratorios y en particular para optimizar el rendimiento de estos motores.

Los motores vibratorios combinan clásicamente unos modos de vibraciones tangenciales, que corresponden a unas deformaciones según unas direcciones paralelas en la superficie de contacto entre le rotor y el estator, y unos modos de vibraciones normales, que corresponden a unas deformaciones según unas direcciones normales en la superficie de contacto entre el rotor y el estator.

Los modos de vibraciones tangenciales son aquéllos en los que es acumulada la energía mecánica vibratoria para ser transformada en movimiento continuo (par y velocidad angular) gracias al mecanismo no lineal de rozamiento. Estos modos están por lo tanto optimizados para asegurar principalmente una eficaz transferencia de energía.

Por el contrario, los modos de vibración normales no participan en el suministro de energía final. Su papel se limita a proporcionar la oscilación de la fuerza de apoyo del contacto rotor-estator necesario para la transformación del movimiento oscilatorio tangencial del estator en movimiento tangencial continuo del rotor. En consecuencia, la única pérdida de energía a la que debe enfrentarse un oscilador normal es la debida a sus pérdidas internas.

Se sabe que para optimizar la transferencia de energía principal, es conveniente hacer funcionar los osciladores tangenciales del motor a su frecuencia de resonancia.

La invención propone en cuanto a sí misma hacer funcionar también los osciladores normales a su frecuencia de resonancia, es decir dimensionar el motor para que los modos normales y tangenciales tengan unas frecuencias de resonancia muy próximas, incluso confundidas.

Esto permite en efecto minimizar por una parte las pérdidas dieléctricas en el material activo y por otra parte las pérdidas en los circuitos electrónicos que le alimentan.

Por esta razón la invención propone un motor a pulsaciones que comprende un estator y un rotor, así como unos medios de excitación para deformar dicho estator según los modos pulsatorios combinando unas vibraciones tangenciales y unas vibraciones normales destinadas a accionar en rotación el rotor, caracterizado porque el rotor y los medios de excitación están dimensionados de manera que los modos normales y tangenciales tengan unas frecuencias de resonancia próximas, incluso confundidas, y que corresponden sensiblemente a la frecuencia de excitación.

Sin embargo, incluso con unas tolerancias de fabricación estrictas, no es posible impedir la fluctuación de diferentes parámetros (cotas de las piezas, módulo de Young, masa volumétrica, etc....) de las cuales dependen las frecuencias de resonancia de los modos normales y tangenciales, por ejemplo debido a las variaciones de temperatura a las que el motor puede estar sometido o incluso debido al envejecimiento o al desgaste de las diferentes piezas del motor.

Por ello otro objetivo de la invención es proponer una estructura de motor de pulsaciones que permita evitar este inconveniente y corregir de manera automática una desviación de la diferencia entre las dos frecuencias, así como eventualmente todas o parte, de las diferencias fijas.

A este efecto, la estructura del motor de pulsaciones propuesta por la invención comprende ventajosamente unos medios para corregir en funcionamiento la frecuencia de resonancia del modo normal y/o del modo tangencial

En particular, si los medios de excitación que generan las pulsaciones normales comprenden unos elementos activos piezoeléctricos, los medios eléctricos que mandan estos elementos activos pueden comprender unos medios para modificar el módulo de Young de dichos elementos activos.

Unos ejemplos ventajosos para la realización de estos medios están descritos más adelante.

Otro objetivo de la invención es también simplificar el dispositivo de pretensado mecánico del material piezoeléctrico que excita el modo normal, en el caso de un motor que comprende en una carcasa por lo menos dos pares de platos estatóricos que comprenden unos elementos activos de deformación tangencial, así como dos discos de rotor que se extienden entre los platos de uno y otro de los dos pares, unos elementos activos piezoeléctricos para la generación de un esfuerzo normal que se extiende entre los platos de uno y otro de los dos pares que están enfrentados, estando unos medios que forman resorte interpuestos entre dichos pares de platos y la carcasa.

Según la solución propuesta a este efecto, los elementos activos para la generación de un esfuerzo normal son excitados de manera que las masas de ambas partes de un mismo disco de rotor están en oposición de fase y las masas de ambas partes del elemento activo están también en oposición de fase.

Los elementos activos pueden entonces ser dimensionados de manera que verifiquen las condiciones de pretensado.

Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto a partir de la descripción siguiente. Esta descripción es puramente ilustrativa y no limitativa. Debe ser leída con referencia a los dibujos anexos en los cuales:

la figura 1 es una representación esquemática en corte transversal de un motor vibratorio de acuerdo con un modo de realización posible de la invención;

la figura 2 es una representación esquemática en corte axial del motor de la figura 1;

la figura 3 es una representación esquemática de un oscilador normal elemental de la estructura de la figura 1;

las figuras 4a, 4b y 4c ilustran diferentes variantes posibles para la regulación de la frecuencia de resonancia normal del motor de la figura 1;

la figura 5 es otra representación esquemática de un oscilador normal elemental de la estructura de la figura 1 .

El motor vibratorio ilustrado en las figuras 1 y 2 comprende dos discos de rotor 1a, 1b y dos pares 4, 5 de platos estatóricos que cooperan respectivamente con dichos discos 1a, 1b.

Los dos discos de rotor 1a, 1b son unos discos flexibles, solidarios de un mismo árbol 3 por el cual están montados rotativos con relación a una carcasa 2.

El disco 1a se extiende entre dos platos estatóricos-referenciados por 4a, 4b- del par 4; el disco 1b se extiende en cuanto a sí mismo entre los dos platos estatóricos-referenciados por 5a, 5b- del par 5.

Los dos platos 4a, 5a son los dos platos estatóricos de los dos pares 4, 5 que están enfrentados y son denominados a continuación platos interiores, los dos platos 4b, 5b son en cuanto a sí mismos denominados platos exteriores.

Cada plato estatórico 4a, 4b, 5a, 5b está constituido por una pluralidad de sectores de contacto 6 (denominados lóbulos del estator) que están repartidos anularmente y que están separados dos a dos por unos elementos activos de deformación tangencial 7.

Estos lóbulos o sectores de contacto 6 son metálicos. Los mismos presentan ventajosamente, así como ha sido propuesto por el solicitante de la patente en su solicitud de patente francesa número 95-14169, por lo menos una zona en una aleación con memoria de forma en la proximidad de su superficie de contacto.

Los sectores de contacto 6 de los dos platos interiores 4a, 5a son perpendiculares una a los otros. Unos elementos activos 8 para la generación de una fuerza normal están interpuestos entre los sectores 6 de estos dos platos interiores 4a, 5a.

Unos medios 9 que forman resorte están interpuestos entre la carcasa 2 y los sectores de contacto 6 de los platos exteriores 4b, 5b.

Cuando un elemento activo 8 se alarga, los sectores de contacto 6 enfrente de los cuales está dispuesto pinzan los discos del rotor 1. Cuando se retrae, los sectores de contacto 6 que le corresponden liberan los discos 1.

Los medios 9 son de una rigidez escasa, pero con una elongación suficiente para asegurar el mantenimiento en presión de los sectores de contacto 6 sobre los discos del rotor, cuando están comprimidos por el alargamiento de los elementos activo 7 y 8.

Los elementos activos 7 y/o los elementos activos 8 presentan ventajosamente unas estructuras multi-capas que integran en paralelo o en serie unas capas en cerámica de tipo piezoeléctrico y unas capas metálicas y que integran también unos electrodos de mando. Dicha estructura multi-capas presenta la ventaja de permitir la utilización de tensiones pequeñas.

Dos elementos activos 7 a uno y otro lado de un mismo sector 6 son excitadas en oposición de fase. Asimismo, dos elementos activos 8 próximos son también excitados en oposición de fase.

Los elementos activos 8 para la generación de un esfuerzo normal son mandados con una misma frecuencia de excitación que los elementos activos 7 de deformación tangencial.

De acuerdo con la invención, el motor vibratorio que acaba de ser descrito está dimensionado para que la frecuencia de resonancia normal y la frecuencia de resonancia tangencial sean ambas sensiblemente iguales a esta frecuencia de excitación.

En la continuación del texto, se hará referencia a un oscilador normal elemental de la estructura, es decir a un oscilador que comprende, así como está ilustrado en la figura 3:

-

un elemento piezoeléctrico 8,

-

dos módulos 10a, 10b de la misma masa M, repartidos a cada lado de éste y que incluyen cada uno los lóbulos metálicos 6 y las porciones de los discos 1a, 1b que se encuentra frente al elemento piezoeléctrico.

La frecuencia propia F de este oscilador normal es:

F = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{2K}{M}}

en la que K es la rigidez del elemento activo 8 en el sentido de las vibraciones normales y vale

K = E \frac{S}{l}

en la que E es el módulo de Young de dicho elemento 8, S es su sección y l es su longitud.

Los materiales piezoeléctricos poseen dos módulos de Young: uno cuando los electrodos están en circuito abierto, el otro cuando los electrodos están en cortocircuito, siendo el módulo de Young el más elevado cuando los electrodos están en circuito abierto. Estos dos módulos valen respectivamente con \frac{l}{S^{D}} y \frac{l}{S^{E}}

S^{D} = flexibilidad en circuito abierto

S^{E} = flexibilidad en circuito cerrado

y

S^{E} - S^{D} = d^{2} \varepsilon

d = coeficiente piezoeléctrico

\varepsilon = permisividad dieléctrica

Se puede comprender la existencia de estos dos módulos de Young de la siguiente manera: en circuito abierto la aplicación de un esfuerzo exterior crea, además de la deformación, unas cargas que permaneciendo en los electrodos crean un campo eléctrico cuyo efecto a través del coeficiente piezoeléctrico es el de oponerse al esfuerzo exterior. Si los electrodos están en cortocircuito, las cargas se evacúan y el campo eléctrico es nulo.

Ahora bien, el material piezoeléctrico de un elemento activo 8 presenta entre sus electrodos la impedancia del generador eléctrico que manda su excitación, es decir una impedancia nula (cortocircuito) si el generador es un generador de tensión y una impedancia infinita (circuito abierto) si el generador es un generador de corriente.

De acuerdo con una primera variante de la invención, los medios para la regulación de la frecuencia propia del oscilador pueden comprender un montaje eléctrico con conmutador mandado de modo que el elemento activo 8 está alimentado alternativamente por un generador de tensión y por un generador de corriente, estando realizado este mando por medio de una señal de impulsos de anchura modulada cuya frecuencia y relación cíclica están ajustadas en función de la frecuencia de resonancia que se desea alcanzar.

Otra solución de acuerdo con la invención ha sido ilustrada en la figura 4a. Según esta solución, el montaje que manda el elemento activo 8 es una fuente de tensión S en serie con una impedancia variable C o es un circuito equivalente. Esta impedancia variable C es preferentemente de tipo capacitativo, de manera que no introduzca una pérdida de energía que constituiría una amortiguación complementaria en el oscilador.

Un elemento activo 8 en material piezoeléctrico es eléctricamente equivalente a un condensador. Se selecciona preferentemente para el montaje de mando una capacidad variable adecuada para evolucionar entre un valor muy grande ante la capacidad el material piezoeléctrico (relación 10 por ejemplo) y un valor pequeño ante esta capacidad (relación 0,1 por ejemplo), de manera que se pueda obtener la variación máxima de rigidez y por lo tanto de frecuencia.

Convenientemente también, se han previsto unos medios de conmutación I que permiten cortocircuitar la impedancia variable, de manera que se obtenga la rigidez más pequeña posible.

Otras variantes posibles para la invención también ha sido ilustradas en las figuras 4b y 4c.

Estas variantes son preferidas a la ilustrada en la figura 4a, la cual adolece en particular de los inconvenientes siguientes:

-

la variación de la capacidad variable implica unas variaciones en la tensión de mando del elemento activo 8;

-

además es necesario prever unos medios inductivos de ajuste destinados a disminuir la tensión de alimentación y las pérdidas y la inductancia de estos medios inductivos debe variar al mismo tiempo que la capacidad.

En el montaje de la figura 4b, el material piezoeléctrico de un elemento activo 8 está separado en dos partes 8a y 8b mandados independientemente.

Una de estas partes (parte 8a en la figura 4b) está mandada únicamente por un generador de impedancia fija S, que es por ejemplo un generador de tensión.

La otra de estas partes (parte 8b en la figura 4b) está montada entre los dos extremos de una impedancia variable (capacidad C).

Haciendo variar la rigidez de la parte 8b modificando el valor de esta impedancia variable, se modifica la rigidez del conjunto del elemento 8.

En la variante ilustrada en la figura 4c, la parte 8b está montada en los bornes no de una capacidad variable sino de un interruptor Ic mandable.

Según que este interruptor Ic esté abierto o cerrado, la rigidez del elemento 8b pasa de un valor mínimo a un valor máximo.

Dos tipos de mando pueden estar previstos:

-

uno con una frecuencia más elevada que la frecuencia de excitación con el fin de que la rigidez media observada en un período confiera al resonador el período de resonancia deseado. Se observará que la relación no es una media simple sino que depende de los instantes en los que se realiza la conmutación en el interior del período,

-

el otro con una frecuencia más baja que la frecuencia de excitación con el fin de obtener unos grupos de períodos cortos y unos grupos de períodos largos de modo que su composición vuelva a dar el equivalente del período medio deseado.

Se puede observar que cuando el circuito está abierto, la parte 8b puede ser utilizada como sensor de deformación del material piezoeléctrico.

Esta parte 8b puede también servir de sensor de deformación cuando está conectada a una capacidad variable de regulación. Evidentemente el gradiente eléctrico de la medición depende en este caso de la capacidad.

En lo que sigue, se hará referencia al pretensado previo del material piezoeléctrico.

El valor mínimo necesario del pretensado \sigma\rho del material piezoeléctrico para que no exista esfuerzo de tracción es:

E\frac{2X_{n}}{l}

l = Longitud del material

E = Módulo de Young

x_{n} = Amplitud de la oscilación normal de cada uno de los lóbulos metálicos 6.

\newpage

También se tiene que cumplir:

\sigma\rho + E \frac{2X_{n}}{l}\leq\sigma_{max}

\sigma_{max} = esfuerzo máximo en compresión.

Por otra parte la frecuencia de resonancia define K de tal forma que:

K = (2\pi F) ^{2}\frac{M}{2}

Además, \DeltaU el valor máximo de la parte oscilante de la fuerza de apoyo rotor/estator es:

\Delta U = \frac{M}{2} (2\pi F) ^{2}x_{n}

Para que el rotor y el estator permanezcan constantemente en apoyo, los resortes de pretensado deben producir una fuerza estática U_{o} superior o igual a \DeltaU. Por otra parte, no es interesante que esta fuerza sea netamente superior a \DeltaU pues provoca una caída del rendimiento del motor. Es por lo tanto deseable que U_{o} sea prácticamente igual a \DeltaU.

Si se desea para simplificar la construcción mecánica, que esta fuerza U_{o} asegure también el pretensado de la cerámica, se debe cumplir:

\frac{Uo}{S} = \sigma p

lo cual, una vez realizados los cálculos, resulta:

\sigma p = E \frac{x_{n}}{l}

Se observa por lo tanto que no es posible satisfacer la primera relación

\sigma p \geq E \frac{2x_{n}}{l}

Para resolver este problema, una primera solución consistiría en realizar el elemento de rigidez K con la ayuda de dos materiales en paralelo, uno piezoeléctrico, y el otro metálico. El metal puede, por las capacidades de comportamiento a la tracción, asegurar la parte de pretensado que falta. A pesar de que esta solución es factible, presenta unos inconvenientes de fabricación por dos razones principales:

-

para asegurar el pretensado el metal debe de estar anclado sólidamente en las masas o formar una pequeña caja que encapsula el material piezoeléctrico; esta pequeña caja debe estar cerrada con pretensado y limita en gran medida el acceso al material piezoeléctrico al necesario para el cableado;

-

no es fácil mantener el pretensado constante en función de la temperatura salvo que se conciba la parte metálica netamente más flexible que la parte piezoeléctrica rodeándola o dándole una forma ondulada.

La solución propuesta en la invención saca partido, así como está ilustrado en la figura 5, de la flexibilidad de la intercara rotor-estator

La solicitud de patente 95114169 describe el interés de esta flexibilidad para mejorar el rendimiento de conversión de las vibraciones en movimiento continuo con la ayuda de un campo de espigas metálicas. Existe una latitud de elección de la rigidez normal k de esta estructura de intercara.

Según un aspecto de la presente invención, se propone seleccionar esta rigidez de intercara de manera que resuelva el problema del pretensado del material piezoeléctrico.

Se observa en primer lugar que el oscilador mecánico descrito con referencia a la figura 1 puede ser accionado según dos modos de vibraciones normales diferentes.

En el primer modo, los lóbulos metálicos 6 de uno y otro lado del disco 1a (respectivamente 1b) son excitados en fase entre ellos y en oposición de fase con relación a los lóbulos de uno y otro lado del disco del rotor, es decir del disco 1b (respectivamente 1a).

Este modo de excitación corresponde al que estaba descrito en la solicitud de patente FR-97 10948 y a una frecuencia de resonancia de:

F_{1} = \frac{l}{2\pi}\sqrt{\frac{2K}{M} + \frac{2k}{M} - \sqrt{\frac{4K^{2}}{M^{2}} + \frac{4k^{2}}{M^{2}}}}

Sin embargo, un segundo modo de excitación debe ser considerado. En este segundo modo, las masas de uno y otro lado de un mismo disco 1a, 1b del rotor son excitadas en oposición de fase, mientras que las masas de una y otra parte de un elemento activo están también en oposición de fase.

La frecuencia de este segundo modo es:

F_{2} = \frac{l}{2\pi}\sqrt{\frac{2K}{M} + \frac{2k}{M} + \sqrt{\frac{4K^{2}}{M^{2}} + \frac{4k^{2}}{M^{2}}}}

Estas dos frecuencias enmarcan la frecuencia

F = \frac{l}{2\pi}\sqrt{\frac{2K}{M}} = F

definida anteriormente y que puede ser reencontrada en la fórmula de F1 haciendo tender k hacia el infinito.

Se observa que para un valor F_{0} dado de frecuencia de resonancia, los términos complementarios bajo la raíz permiten, trabajando con el segundo modo propio de vibraciones, seleccionar un valor de K menor para el mismo valor de F_{0}. Entonces resulta posible seleccionar, en K = ^{ES}/_{l}, S más pequeño o l mayor y satisfacer la exigencia del pretensado en el material piezoeléctrico.

Claims (10)

1. Motor vibratorio que comprende un estator y un rotor, así como unos medios de excitación para deformar dicho estator según los modos vibratorios que combinan unas vibraciones tangenciales y unas vibraciones normales destinadas a accionar en rotación el rotor, caracterizado porque el rotor (1a, 1b) y los medios de excitación (7, 8) están dimensionados de manera que los modos normales y tangenciales tengan unas frecuencias de resonancia próximas, incluso confundidas, y correspondan sensiblemente a la frecuencia de excitación.

2. Motor según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende unos medios (C, S, I) para corregir en funcionamiento la frecuencia de resonancia del modo normal y/o del modo tangencial.

3. Motor según la reivindicación 2, caracterizado porque los medios de excitación (8) que generan las vibraciones normales comprenden unos elementos activos piezoeléctricos y porque los medios eléctricos que gobiernan estos elementos activos (8) comprenden unos medios para modificar el módulo de Young de dichos elementos (8).

4. Motor según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos medios eléctricos que mandan un elemento activo (8) comprenden un montaje con conmutador mandado de tal modo que dicho elemento activo es alimentado alternativamente por un generador de tensión y por un generador de corriente, dependiendo la frecuencia y la relación cíclica de este mando de la frecuencia de resonancia deseada para el modo de vibración normal.

5. Motor según la reivindicación 3, caracterizado porque los medios eléctricos que mandan un elemento activo (8) están constituidos por una fuente de tensión (S) en serie con una impedancia variable (C) o por un circuito equivalente.

6. Motor según la reivindicación 5, caracterizado porque comprende unos medios que permiten cortocircuitar la impedancia variable.

7. Motor según la reivindicación 3, caracterizado porque un elemento activo (8) se descompone en dos partes (8a, 8b), una que está mandada por un generador de impedancia fija, otra que está mandada entre los dos extremos de una impedancia variable (C) o entre los extremos de un interruptor mandado (I).

8. Motor según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque la impedancia variable (C) es de tipo capacitativo.

9. Motor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende en una carcasa por lo menos dos pares de platos estatóricos que comprenden unos elementos activos de deformación tangencial (7), así como dos discos de rotor (1a, 1b) que se extienden entre los platos de uno y otro de los dos pares, unos elementos activos piezoeléctricos (8) para la generación de un esfuerzo normal que se extiende entre los platos de uno y otro de los dos pares que están enfrentados, estando interpuestos unos medios que forman resorte entre dichos pares de platos y la carcasa, y porque los elementos activos para la generación de un esfuerzo normal están excitados de manera que las masas de una y otra parte de un mismo disco de rotor están en oposición de fase y las masas de una y otra parte del elemento activo están también en oposición de fase, estando dimensionados los elementos activos de manera que verifiquen las condiciones de pretensado.

10. Motor para la puesta en movimiento de una superficie aerodinámica de una aeronave, caracterizado porque está constituido por un motor vibratorio según una de las reivindicaciones anteriores.