RU2617209C1 - Линейный пьезоэлектрический двигатель - Google Patents

Линейный пьезоэлектрический двигатель Download PDF

Info

Publication number
RU2617209C1
RU2617209C1 RU2016112144A RU2016112144A RU2617209C1 RU 2617209 C1 RU2617209 C1 RU 2617209C1 RU 2016112144 A RU2016112144 A RU 2016112144A RU 2016112144 A RU2016112144 A RU 2016112144A RU 2617209 C1 RU2617209 C1 RU 2617209C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric elements
piezoelectric
driven member
housing
motion
Prior art date
Application number
RU2016112144A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Васильевич Пономарев
Сергей Владимирович Рикконен
Антон Владимирович Азин
Сергей Александрович Орлов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ)
Priority to RU2016112144A priority Critical patent/RU2617209C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2617209C1 publication Critical patent/RU2617209C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, авиакосмической, автомобильной отрасли. Технический результат состоит в повышении КПД, в уменьшении его габаритных размеров, возможности обратного хода, в увеличении удельной мощности, ресурса и надежности конструкции за счет уравновешенности конструкции и фрикционного режима передачи момента на ведомый элемент. В двигателе, содержащем неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах, пьезоэлементы с рычагами (ПР) прямого и обратного хода, источник питания пьезоэлементов дополнительно внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами. На подвижном корпусе жестко закреплены два ПР прямого хода и два ПР обратного хода ведомого элемента. ПР одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента. Источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода. Один из двух ПР для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель. 3 ил.

Description

Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям для использования в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, аэрокосмической, автомобильной отрасли.
Известны различные типы пьезоэлектрических двигателей для использования в системах автоматики и машиностроительных конструкциях. Например, пьезоэлектрический регулировочный элемент [Pat. US № 6765335 Piezoelectric adjusting element / Wischnewskiy Wladimir], содержащий корпус, в котором размещены ведомый элемент с фрикционным слоем, движущий элемент (рычаг), соединенный с пьезоэлементом. Или пьезоэлектрический двигатель [Zuowei Wang.  Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators (Electronic resource)/ Zuowei Wang, Tuanjie Li, Yuyan Cao // Aerospace Science and Technology. – 2013. –  pp. 160–168], состоящий из неподвижного корпуса, соединительного вала, пакета пьезоэлементов с рычагом, жесткозакрепленных в неподвижном корпусе. При подаче на пакет пьезоэлементов напряжения пакет пьезоэлементов удлиняется или укорачивается и создает механическое усилие на рычаг, связанный с элементом конструкции. Применяется для натяжения сети вант рефлектора.
Известно также устройство – пьезоэлектрический линейный двигатель [Pat. US № 8466601 Operating method and driving means of a piezolinear drive / Christopher Mock], имеющий группу исполнительных механизмов – пьезоактюаторов-стеков, контактирующих с ротором двигателя. Каждый пьезоактюатор-стек состоит из двух частей, первая часть – пьезоактюатор продольного типа, а вторая часть – пьезоактюатор сдвигового типа. Причем контакт (зажим и сдвиг) с ротором ведется через вторую часть стека и, по крайней мере, два идентичных стека находятся рядом друг с другом для выполнения альтернативного зажима и усовершенствования движения в пошаговом режиме.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство регулировки с пьезоприводом [patent US № 5424597 Adjusting device with piezo drive / Rainer Gloss, Harry Marth], снабженное двумя пьезоэлементами с рычагами (ПР), которые взаимодействуют с ведомым элементом посредством пружинного элемента (прототип). Передача движения происходит по причине изменения длины пьезоэлементов при подаче на них напряжения. Из-за непрерывного смещения пружинного элемента гарантируется безопасное зацепление с ведомым элементом. Также устройство содержит источник питания пьезоэлементов, генерирующий одинаковые линейные кривые напряжения, которые расположены в шахматном порядке по времени, в результате чего пьезоэлементы с рычагами (ПР) контактируют с ведомым элементом, когда изменяется длина пьезоэлементов, и вызванные напряжения соответствуют требуемому направлению движения регулировки.
Основными недостатками прототипа являются низкий коэффициент полезного действия устройства, невысокая прочность в узлах крепления пьезоэлемента, также возможность заклинивания подвижных частей двигателя. Кроме того, увеличение мощности устройства возможно только за счет увеличения объёма и мощности пьезоэлемента.
Предложена конструкция  линейного пьезоэлектрического двигателя, которая исключает перечисленные недостатки прототипа.
Задача решается тем, что двигатель, содержащий неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, пьезоэлементы с рычагами (ПР) прямого и обратного хода ведомого элемента, источник питания пьезоэлементов, в отличие от прототипа, дополнительно оборудован подвижным корпусом. Подвижный корпус коаксиально размещен внутри неподвижного корпуса и соединен с ним упругими элементами, на подвижном корпусе жестко закреплены два ПР прямого хода ведомого элемента и два ПР обратного хода ведомого элемента, ПР одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента, при этом источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода, причем один из ПР для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель,
Каждый пьезоэлемент с рычагом выполнен в виде единого элемента, который жестко крепится на подвижном корпусе с возможностью фрикционного взаимодействия с ведомым элементом линейного пьезоэлектрического двигателя.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
Фиг. 1 – Состав линейного пьезоэлектрического двигателя.
Фиг. 2 – Графики входного напряжения, подаваемого на пьезоэлементы.
Фиг. 3 – Пример практической реализации линейного пьезоэлектрического двигателя.
Линейный пьезоэлектрический двигатель на фиг. 1 содержит два корпуса: внешний неподвижный корпус 1 и внутренний подвижный корпус 2, соединенные между собой упругими элементами 3, на внутреннем подвижном корпусе жестко закреплены ПР 4, 5, 6, 7, из которых два ПР (4 и 5) служат для прямого хода и два ПР (6 и 7) служат для обратного хода ведомого элемента 8. Сам же ведомый элемент 8 размещен в подшипниковых опорах неподвижного корпуса. Подвижный корпус 2 на упругих элементах 3 имеет резонансную частоту колебательной системы, более чем в √2 раз превышающую резонансную частоту колебательной системы подвижного корпуса с ведомым элементом, что позволяет выполнить частотную развязку и исключить заклинивание.
Для синфазной подстройки работы пьезоэлементов с рычагом высокочастотный источник питания 9 через коммутатор 10 подключается к ПР 5 напрямую, а к ПР 4 через фазовращатель 11, при переключении коммутатора для обратного хода источник питания аналогично подключается к ПР 6 напрямую, а к ПР 7 через фазовращатель обратного хода 12.
Для эффективной работы пьезодвигателя необходимо, чтобы усилия F пьезоэлементов (например, 4 и 5) не имели временного сдвига фаз, то есть работали совершенно синфазно (фиг. 2а). Невозможно произвести абсолютно одинаковые пьезоэлементы, поэтому даже при одинаковых сигналах возбуждения реакции ПР 4 и 5 не будут совпадать по фазе (фиг. 2б), что существенно снижает суммарный момент пьезодвигателя. Поэтому на ПР 4 сигнал возбуждения подается через фазовращатель прямого хода 11, на котором компенсируется разность фаз работы ПР 5 и 4 (фиг. 2в).
Линейный пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом (фиг.1).
При подключении источника питания 9 через коммутатор 10 к одному ПР 5 напрямую и к другому ПР 4 через фазовращатель 11 (для синфазной подстройки вибросмещения), ПР 4 и 5 удлиняются и создают суммарный момент на ведомом элементе 8, подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем ПР 4, 5, 6, 7 на упругих элементах 3 перемещается за счет фрикционного трения. При снятии питания с пьезоэлементов с рычагами 4 и 5 механический контакт ПР 4 и 5 с ведомым элементом 8 пропадает, и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем ПР 4, 5, 6, 7 за счет упругих элементов 3 возвращается в исходное положение относительно неподвижного корпуса  линейного пьезоэлектрического двигателя. Повторением данного высокочастотного процесса реализуется прямой ход ведомого элемента 8.
Обратный ход пьезоэлектрического двигателя.
При подключении источника питания 9 через переключенный коммутатор 10 к одному ПР 6 напрямую и к другому ПР 7 через фазовращатель 12 (для синфазной подстройки вибросмещения), ПР 6 и 7 удлиняются и создают суммарный момент на ведомом элементе 8, подвижный корпус 2 с жестко закрепленными ПР 4, 5, 6, 7 перемещается на упругих элементах 3 за счет фрикционного трения. При снятии питания с ПР 6 и 7 механический контакт ПР 6 и 7 с ведомым элементом 8 пропадает, и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными ПР 4, 5, 6, 7 за счет реакции упругих элементов 3 возвращается в исходное положение относительно неподвижного корпуса линейного пьезоэлектрического двигателя. Повторением данного высокочастотного процесса реализуется обратный ход ведомого элемента 8 пьезоэлектрического двигателя.
Линейный пьезоэлектрический двигатель заявленной конструкции (например, габариты 50x50x50 мм, масса 100 г, мощность 1 Вт, частота входного напряжения 1 кГц) можно использовать в качестве устройства для натяжения периферийных шнуров УНПШ силового каркаса антенного рефлектора (фиг.3а). Устройство крепится на спице рефлектора 13 (фиг. 3б), шнур рефлектора фиксируется на ведомом элементе 8 пьезоэлектрического двигателя. Таким образом, шнур силового каркаса можно натягивать или ослаблять для улучшения отражающей способности рефлектора.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении коэффициента полезного действия, увеличении удельной мощности пьезодвигателя за счет синфазности вибросмещения, уменьшении его габаритных размеров, обеспечении обратного хода, увеличении ресурса и надежности двигателя за счет фрикционного режима передачи момента на ведомый элемент и синфазной уравновешенности конструкции.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pat. 6765335 United States, Piezoelectric adjusting element / Wischnewskiy Wladimir.
2. Zuowei Wang.  Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators [Electronic resource]/ Zuowei Wang, Tuanjie Li, Yuyan Cao // Aerospace Science and Technology. – 2013. –  pp. 160–168.
3. Pat. 8466601 United States, Operating method and driving means of a piezolinear drive / Christopher Mock.
4. Pat. 5424597 United States, Adjusting device with piezo drive / Rainer Gloss, Harry Marth.

Claims (1)


  1. Линейный пьезоэлектрический двигатель, содержащий неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, пьезоэлементы с рычагами прямого и обратного хода, источник питания пьезоэлементов, отличающийся тем, что дополнительно внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами, на подвижном корпусе жестко закреплены два пьезоэлемента с рычагами прямого хода ведомого элемента и два пьезоэлемента с рычагами обратного хода ведомого элемента, пьезоэлементы с рычагами одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента, при этом источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода, причем один из пьезоэлементов с рычагами для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель.
RU2016112144A 2016-03-31 2016-03-31 Линейный пьезоэлектрический двигатель RU2617209C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016112144A RU2617209C1 (ru) 2016-03-31 2016-03-31 Линейный пьезоэлектрический двигатель

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016112144A RU2617209C1 (ru) 2016-03-31 2016-03-31 Линейный пьезоэлектрический двигатель

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2617209C1 true RU2617209C1 (ru) 2017-04-24

Family

ID=58643301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016112144A RU2617209C1 (ru) 2016-03-31 2016-03-31 Линейный пьезоэлектрический двигатель

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2617209C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2684395C1 (ru) * 2018-03-26 2019-04-09 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Линейный реверсивный вибродвигатель
RU2698802C1 (ru) * 2018-11-30 2019-08-30 Общество с ограниченной ответственностью "РЭНК" (ООО "РЭНК") Способ генерации механических колебаний и генератор для его осуществления
RU2727610C1 (ru) * 2019-06-21 2020-07-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5424597A (en) * 1993-05-07 1995-06-13 Physik Instrumente (P.I.) Gmbh & Co. Adjusting device with piezo drive
US6765335B2 (en) * 2001-06-12 2004-07-20 Physik-Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg Piezoelectric adjusting element
UA10733U (ru) * 2005-06-10 2005-11-15 Національний Технічний Університет України "Київський Політехнічний Інститут" Линейный волновой пьезоэлектрический двигатель
RU2390090C1 (ru) * 2009-01-23 2010-05-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (ОАО "НИИ "Элпа") Линейный пьезоэлектрический двигатель
US20100264856A1 (en) * 2009-04-16 2010-10-21 Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg Operating method and driving means of a piezolinear drive

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5424597A (en) * 1993-05-07 1995-06-13 Physik Instrumente (P.I.) Gmbh & Co. Adjusting device with piezo drive
US6765335B2 (en) * 2001-06-12 2004-07-20 Physik-Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg Piezoelectric adjusting element
UA10733U (ru) * 2005-06-10 2005-11-15 Національний Технічний Університет України "Київський Політехнічний Інститут" Линейный волновой пьезоэлектрический двигатель
RU2390090C1 (ru) * 2009-01-23 2010-05-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (ОАО "НИИ "Элпа") Линейный пьезоэлектрический двигатель
US20100264856A1 (en) * 2009-04-16 2010-10-21 Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg Operating method and driving means of a piezolinear drive

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2684395C1 (ru) * 2018-03-26 2019-04-09 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Линейный реверсивный вибродвигатель
RU2698802C1 (ru) * 2018-11-30 2019-08-30 Общество с ограниченной ответственностью "РЭНК" (ООО "РЭНК") Способ генерации механических колебаний и генератор для его осуществления
RU2727610C1 (ru) * 2019-06-21 2020-07-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100483804B1 (ko) 압전 선형초음파모터
RU2617209C1 (ru) Линейный пьезоэлектрический двигатель
US20090127974A1 (en) Small piezoelectric or electrostrictive linear motor
US6429573B2 (en) Smart material motor with mechanical diodes
KR100965433B1 (ko) 전방향성 선형 압전초음파모터
US7105984B2 (en) Drive unit and an operating apparatus
JP4984673B2 (ja) 駆動装置
US11114954B2 (en) Ultrasonic motor having generators formed of cooperating and spaced apart first and second sub-generators
CN201869079U (zh) 用于直线电机的电磁-永磁箝位机构
RU2586880C2 (ru) Возвратно-поступательный двигатель с электроприводом
US7671513B2 (en) Piezoelectric motor allowing at least two degrees of freedom, in rotation and linear displacement
US5530312A (en) Multi-cycle electric motor system
KR100530867B1 (ko) 복합 압전선형 초음파모터
CN101976931B (zh) 用于直线电机的电磁-永磁箝位机构
RU2621712C2 (ru) Вращательный пьезоэлектрический двигатель
JP6497964B2 (ja) 振動型アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラおよび制御方法
Zhou et al. Linear piezo-actuator and its applications
CN108063564B (zh) 一种新型摩擦式直线压电驱动器
JPH06284754A (ja) 振動モータ
CN219237205U (zh) 微型压电双向移动机器人
CN111146971B (zh) 一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法
US20080105081A1 (en) Linear Displacement Devices
KR102063025B1 (ko) 압전 액추에이터
CN117863209A (zh) 直线运动执行器、多模态微型制动器及机器人
JP6256409B2 (ja) 駆動力伝達装置及びその制御用プログラム