RU2621712C2 - Rotary piezoelectric engine - Google Patents
Rotary piezoelectric engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2621712C2 RU2621712C2 RU2015144435A RU2015144435A RU2621712C2 RU 2621712 C2 RU2621712 C2 RU 2621712C2 RU 2015144435 A RU2015144435 A RU 2015144435A RU 2015144435 A RU2015144435 A RU 2015144435A RU 2621712 C2 RU2621712 C2 RU 2621712C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pushers
- rotor
- rotation
- piezoelectric
- housing
- Prior art date
Links
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
- H02K41/06—Rolling motors, i.e. motors having the rotor axis parallel to the stator axis and following a circular path as the rotor rolls around the inside or outside of the stator ; Nutating motors, i.e. having the rotor axis parallel to the stator axis inclined with respect to the stator axis and performing a nutational movement as the rotor rolls on the stator
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям для использования в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, авиакосмической, автомобильной отрасли.The invention relates to piezoelectric engines for use in devices and systems of automation, instrumentation, robotics, aerospace, automotive industry.
Известны различные типы пьезоэлектрических двигателей для использования в системах автоматики и машиностроительных конструкциях. Например, реверсивный пьезодвигатель [Патент РФ №2055442. Реверсивный вибродвигатель/ Агапова Л.С., Ильин А.Г., Яценко В.К.], содержащий корпус, в котором размещены ротор в подшипниковых опорах и вибратор, представляющий собой два пьезоэлемента, установленных под углом друг к другу. Концы пьезоэлементов соединены башмаком. Крепление вибратора к корпусу осуществляется через пружину, соединенную с башмаком. Ротор расположен внутри угла, образованного пьезоэлементами. Или одночастотный волновой трубчатый пьезодвигатель [Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor //Theses and dissertations, Toronto. - 2011. - P. 3]. Устройство состоит из пьезотрубки, сформированной из четырех пьезоэлементов, двух роторов, жестко закрепленных на валу вибродвигателя и расположенных на торцах пьезотрубки. При подаче сдвинутых во времени синусоидальных напряжений на пластине пьезотрубки образуется круговое поле упругих механических напряжений, которое вращает оба ротора и вал вибродвигателя. Известно также устройство - пьезоэлектрический двигатель конструкции Т. Сашида [Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations, Toronto. - 2011. - P. 5], состоящее из пьезоактюатора, расположенного под углом к поверхности ротора. При подаче сигнала на пьезоактюатор механические усилия воздействуют на поверхность ротора под углом за счет фрикционного контакта тангенциальной составляющей силы, вызывающей вращательный момент двигателя.Various types of piezoelectric motors are known for use in automation systems and engineering structures. For example, a reverse piezoelectric motor [RF Patent No. 2055442. Reversible vibration motor / Agapova L.S., Ilyin A.G., Yatsenko V.K.], comprising a housing in which a rotor is placed in bearing bearings and a vibrator, which is two piezoelectric elements mounted at an angle to each other. The ends of the piezoelectric elements are connected by a shoe. The vibrator is attached to the body through a spring connected to the shoe. The rotor is located inside the corner formed by the piezoelectric elements. Or a single-frequency wave tubular piezoelectric motor [Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations, Toronto. - 2011. - P. 3]. The device consists of a piezotube formed of four piezoelectric elements, two rotors, rigidly mounted on the shaft of the vibroengine and located on the ends of the piezotube. When applying time-shifted sinusoidal stresses, a circular field of elastic mechanical stresses is formed on the piezotube plate, which rotates both rotors and the vibrator motor shaft. A device is also known - a piezoelectric motor design T. Sashida [Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations, Toronto. - 2011. - P. 5], consisting of a piezo actuator located at an angle to the surface of the rotor. When a signal is supplied to a piezo actuator, mechanical forces act on the rotor surface at an angle due to the frictional contact of the tangential component of the force, which causes the motor torque.
Наиболее близким к заявляемому устройству является пьезоэлектрический двигатель конструкции Х.В. Барта [Kenji Uchino. Piezoelectric ultrasonic motors: overview // Smart Mater. Struct. - 1998. - P. 274] - прототип. Устройство состоит из неподвижного корпуса, ротора с валом в подшипниках, двух пьезоэлементов с толкателями (прямого и обратного хода), жесткозакрепленных на неподвижном корпусе. При подаче на пьезоэлемент синусоидального напряжения пьезоэлемент удлиняется и создает механическое усилие на толкатель, за счет фрикционного контакта и несоосного приложения силы на ротор образуется вращающий момент на валу двигателя.Closest to the claimed device is a piezoelectric motor design H.V. Bart [Kenji Uchino. Piezoelectric ultrasonic motors: overview // Smart Mater. Struct. - 1998. - P. 274] - prototype. The device consists of a fixed housing, a rotor with a shaft in bearings, two piezoelectric elements with pushers (forward and reverse), rigidly mounted on a fixed housing. When a sinusoidal voltage is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element lengthens and creates a mechanical force on the plunger, due to frictional contact and the misaligned application of force to the rotor, a torque is generated on the motor shaft.
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 объема и мощности пьезоэлемента.The main disadvantages of the prototype are the low efficiency of the device, low strength in the attachment points of the piezoelectric element, and the possibility of jamming of the moving parts of the engine. In addition, increasing the power of the device is possible only by increasing the volume and power of the piezoelectric element.
Выше перечисленные недостатки исключает предложенная конструкция вращательного пьезоэлектрического двигателя.The above listed disadvantages are excluded by the proposed design of a rotational piezoelectric motor.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении коэффициента полезного действия пьезодвигателя и уменьшении его габаритных размеров, возможности обратного вращения, увеличения удельной мощности, увеличения ресурса и надежности конструкции за счет уравновешенности конструкции и вращательно-фрикционного режима передачи момента на ротор.The technical result achieved by the implementation of the present invention consists in increasing the efficiency of the piezoelectric motor and reducing its overall dimensions, the possibility of reverse rotation, increasing specific power, increasing the resource and reliability of the structure due to the balanced design and rotational-friction mode of transmitting torque to the rotor.
Технический результат достигается тем, что вращательный пьезоэлектрический двигатель содержит неподвижный корпус, ротор с валом в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами, на подвижном корпусе жестко закреплены два пьезоэлемента с толкателями для прямого вращения ротора и два пьезоэлемента с толкателями для обратного вращения ротора, причем пьезоэлементы с толкателями с одним направлением вращения размещены диаметрально противоположно, при этом источник питания пьезоэлементов с толкателями имеет один выходной канал для прямого вращения ротора и один выходной канал для обратного вращения ротора, причем один из пьезоэлементов с толкателем для обоих направлений вращения подключен через фазовращатель источника питания.The technical result is achieved in that the rotational piezoelectric motor comprises a stationary housing, a rotor with a shaft in the bearings of the stationary housing, a movable housing is coaxially located inside the stationary housing, which is connected to the stationary housing by elastic elements, two piezoelectric elements with pushers for direct rotation are rigidly fixed rotor and two piezoelectric elements with pushers for reverse rotation of the rotor, and piezoelectric elements with pushers with one direction of rotation scheny diametrically opposite, wherein the power source of piezoelectric elements with pushers has a single output channel for direct rotation of the rotor and one output channel for the reverse rotation of the rotor, wherein one of the piezoelectric elements with a pusher for both directions of rotation is connected via a phase shifter power source.
Сущность изобретения поясняется рисунками.The invention is illustrated by drawings.
Фиг. 1 - Состав вращательного пьезоэлектрического двигателя.FIG. 1 - Composition of a rotational piezoelectric motor.
Вращательный пьезоэлектрический двигатель на фиг. 1 содержит два корпуса: внешний неподвижный корпус 1 и внутренний подвижный корпус 2, соединенные между собой упругими элементами 3, во внутреннем подвижном корпусе жестко закреплены пьезоэлементы с толкателями 4, 5, 6, 7 - два для прямого вращения 4 и 5 и два для обратного вращения 6 и 7 ротора 8 с валом 9, который размещен в подшипниковых опорах 10 в щитках 11 неподвижного корпуса.The rotational piezoelectric motor of FIG. 1 contains two housings: an external fixed housing 1 and an inner movable housing 2, interconnected by elastic elements 3, piezoelectric elements with pushers 4, 5, 6, 7 are rigidly fixed in the inner movable housing - two for direct rotation 4 and 5 and two for reverse rotation 6 and 7 of the rotor 8 with a
Высокочастотный источник питания 12 через коммутатор 13 подключается к пьезоэлементу с толкателем 5 напрямую и на 4 через фазовращатель прямого хода 14 для синфазной подстройки работы пьезоэлементов с толкателями 5 и 4, для обратного вращения через другой контакт коммутатора (при переключении коммутатора) подключается пьезоэлемент с толкателем 6 напрямую и пьезоэлемент с толкателем 7 через фазовращатель обратного вращения 15 для синфазной подстройки работы пьезоэлементов с толкателями 6 и 7.The high-
Фиг. 2 - Графики входного напряжения на пьезоэлементы.FIG. 2 - Graphs of the input voltage to the piezoelectric elements.
Для эффективной работы пьезодвигателя необходимо, чтобы силы пьезоэлементов с толкателями (например, 5 и 4) не имели временного сдвига фаз, то есть работали совершенно синфазно (Фиг. 2а). Невозможно произвести абсолютно одинаковые пьезоэлементы и поэтому даже при одинаковых сигналах возбуждения реакции пьезоэлементов с толкателями 5 и 4 будут не совпадать по фазе, что существенно снижает суммарный момент пьезодвигателя (Фиг. 2б). Поэтому на пьезоэлемент с толкателем 4 сигнал возбуждения подается через фазовращатель прямого вращения 14, на котором компенсируется разность фаз работы пьезоэлементов с толкателями 5 и 4 (Фиг. 2в).For the effective operation of the piezoelectric motor, it is necessary that the forces of the piezoelectric elements with pushers (for example, 5 and 4) do not have a temporary phase shift, that is, they work completely in phase (Fig. 2a). It is impossible to produce exactly the same piezoelectric elements and therefore, even with the same excitation signals, the reactions of the piezoelectric elements with pushers 5 and 4 will not coincide in phase, which significantly reduces the total moment of the piezoelectric motor (Fig. 2b). Therefore, the excitation signal is supplied to the piezoelectric element with the pusher 4 through the direct
Вращательный пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом.A rotational piezoelectric motor operates as follows.
При подключении источника питания 12 через коммутатор 13 к одному пьезоэлементу с толкателем 5 напрямую и к другому, для синфазной подстройки вибросмещения, пьезоэлементу с толкателем 4 через фазовращатель 14, пьезоэлементы с толкателями 4 и 5 удлиняются и создают суммарный вращающий момент на роторе 8, за счет фрикционного трения вместе с ротором 8 поворачивается подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем пьезоэлементами с толкателями 4, 5, 6, 7 на упругих элементах 3. При снятии питания с пьезоэлементов с толкателями 4 и 5 механический контакт пьезоэлементов с толкателями 4 и 5 с ротором 8 пропадает и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем пьезоэлементами с толкателями 4, 5, 6, 7 за счет упругих элементов 3 возвращается в исходное состояние относительно неподвижного корпуса вращательного пьезоэлектрического двигателя.When connecting the
С повторением данного процесса происходит вращение ротора 8 пьезоэлектрического двигателя против часовой стрелки.With the repetition of this process, the rotor 8 of the piezoelectric motor rotates counterclockwise.
Обратное вращение пьезоэлектрического двигателя.Reverse rotation of a piezoelectric motor.
При подключении источника питания 12 через переключенный коммутатор 13 к одному пьезоэлементу с толкателем 6 напрямую и к другому для синфазной подстройки вибросмещения пьезоэлементу с толкателем 7 через фазовращатель 15, пьезоэлементы с толкателями 6 и 7 удлиняются и создают суммарный вращающий момент на роторе 8, за счет фрикционного трения вместе с ротором 8 поворачивается подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем пьезоэлементами с толкателями 4, 5, 6, 7 на упругих элементах 3. При снятии питания с пьезоэлементов с толкателеями 6 и 7 механический контакт пьезоэлементов с толкателями 6 и 7 с ротором 8 пропадает и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем пьезоэлементами с толкателями 4, 5, 6, 7 за счет упругих элементов 3 возвращается в исходное состояние относительно неподвижного корпуса вращательного пьезоэлектрического двигателя.When connecting the
С повторением данного процесса происходит вращение ротора 8 пьезоэлектрического двигателя по часовой стрелке.With the repetition of this process, the rotor 8 of the piezoelectric motor rotates clockwise.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного объекта.Of the sources of information and patent materials known to the authors, the totality of features similar to the totality of features of the claimed subject matter is not known.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Пат. 2055442 Российская федерация, МПК H02N 2/10, Реверсивный вибродвигатель / Агапова Л.С., Ильин А.Г., Яценко В.К.1. Pat. 2055442 Russian Federation, IPC H02N 2/10, Reversible vibration motor / Agapova L.S., Ilyin A.G., Yatsenko V.K.
2. Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations, Toronto. - 2011. - 136 p.2. Soonho Park. Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor // Theses and dissertations, Toronto. - 2011 .-- 136 p.
3. Kenji Uchino. Piezoelectric ultrasonic motors: overview // Smart Mater. Struct. - 1998. - P. 273-285.3. Kenji Uchino. Piezoelectric ultrasonic motors: overview // Smart Mater. Struct. - 1998 .-- P. 273-285.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015144435A RU2621712C2 (en) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Rotary piezoelectric engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015144435A RU2621712C2 (en) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Rotary piezoelectric engine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015144435A RU2015144435A (en) | 2017-04-21 |
RU2621712C2 true RU2621712C2 (en) | 2017-06-07 |
Family
ID=58642186
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015144435A RU2621712C2 (en) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Rotary piezoelectric engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2621712C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703256C1 (en) * | 2018-12-29 | 2019-10-16 | Николай Иванович Кузин | Electrostatic motor |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU612357A1 (en) * | 1975-11-06 | 1978-06-25 | Abramov Valentin A | Wave-type electric motor |
JPS61142978A (en) * | 1984-12-17 | 1986-06-30 | Nec Corp | Step motor using piezoelectric element |
US5144187A (en) * | 1990-03-23 | 1992-09-01 | Rockwell International Corporation | Piezoelectric motor |
RU2055442C1 (en) * | 1992-07-17 | 1996-02-27 | Любовь Стратоновна Агапова | Reversing vibration motor |
US20050269907A1 (en) * | 2004-06-08 | 2005-12-08 | Erickson David J | Power generator employing piezoelectric materials |
EP2041812A1 (en) * | 2006-07-17 | 2009-04-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Electromechanical motor |
US20120146461A1 (en) * | 2007-05-18 | 2012-06-14 | Continental Automotive Gmbh | Electromechanical Motor Especially a Piezoelectric Microstepper Motor |
US20120204674A1 (en) * | 2007-12-05 | 2012-08-16 | Ivan Lundberg | Harmonic motor, drive assembly, industrial robot, robot boom and robot joint |
WO2014013443A1 (en) * | 2012-07-18 | 2014-01-23 | Cau Nicola Lussorio | Improved torque rotary motor |
US20150167801A1 (en) * | 2012-07-17 | 2015-06-18 | Nicola Lussorio Cau | Motor with linear actuators |
-
2015
- 2015-10-15 RU RU2015144435A patent/RU2621712C2/en active
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU612357A1 (en) * | 1975-11-06 | 1978-06-25 | Abramov Valentin A | Wave-type electric motor |
JPS61142978A (en) * | 1984-12-17 | 1986-06-30 | Nec Corp | Step motor using piezoelectric element |
US5144187A (en) * | 1990-03-23 | 1992-09-01 | Rockwell International Corporation | Piezoelectric motor |
RU2055442C1 (en) * | 1992-07-17 | 1996-02-27 | Любовь Стратоновна Агапова | Reversing vibration motor |
US20050269907A1 (en) * | 2004-06-08 | 2005-12-08 | Erickson David J | Power generator employing piezoelectric materials |
EP2041812A1 (en) * | 2006-07-17 | 2009-04-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Electromechanical motor |
US20120146461A1 (en) * | 2007-05-18 | 2012-06-14 | Continental Automotive Gmbh | Electromechanical Motor Especially a Piezoelectric Microstepper Motor |
US20120204674A1 (en) * | 2007-12-05 | 2012-08-16 | Ivan Lundberg | Harmonic motor, drive assembly, industrial robot, robot boom and robot joint |
US20150167801A1 (en) * | 2012-07-17 | 2015-06-18 | Nicola Lussorio Cau | Motor with linear actuators |
WO2014013443A1 (en) * | 2012-07-18 | 2014-01-23 | Cau Nicola Lussorio | Improved torque rotary motor |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703256C1 (en) * | 2018-12-29 | 2019-10-16 | Николай Иванович Кузин | Electrostatic motor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015144435A (en) | 2017-04-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shi et al. | Linear ultrasonic motor with wheel-shaped stator | |
Spanner | Survey of the various operating principles of ultrasonic piezomotors | |
Lu et al. | A novel dual stator-ring rotary ultrasonic motor | |
US11152874B2 (en) | Multi-spoke-type ultrasonic motor | |
JPH0117354B2 (en) | ||
CN103414373B (en) | Single stimulated rotation ultrasonic motor | |
RU2621712C2 (en) | Rotary piezoelectric engine | |
JP2008005614A (en) | Drive device | |
CN104038100B (en) | What realize based on polypody rotary piezoelectric driver drives motivational techniques across yardstick | |
RU2617209C1 (en) | Linear piezoelectric motor | |
CN110661445B (en) | Parallel three-degree-of-freedom piezoelectric resonance self-actuating mechanism and excitation method thereof | |
Mashimo et al. | Rotary-linear piezoelectric actuator using a single stator | |
Jin et al. | A novel traveling wave ultrasonic motor using a bar shaped transducer | |
US9197141B2 (en) | Piezoelectric motor with efficient transfer of energy | |
CN103986366B (en) | The hollow ultrasonic motor that stator floats | |
Lu et al. | Examination of an outer-rotor-type multidegree-of-freedom spherical ultrasonic motor | |
CN101505115B (en) | Liquid medium longitudinal vibration non-contact type ultrasonic motor | |
CN101267170B (en) | Dual-drive full arc curve ultrasonic motor | |
Hu et al. | A piezoelectric spherical motor with two degree-of-freedom | |
Hao et al. | Analysis and design of a ring-type traveling wave ultrasonic motor | |
US6492760B1 (en) | Actuator | |
CN103516252A (en) | Dual-mode ultrasonic linear motor with high speed, high resolution ratio and high driving force | |
CN102013834A (en) | Electrode segmentation type single drive and two-way piezoelectric motor | |
CN101267169B (en) | Single driving foot circle arc curve ultrasonic motor | |
CN211720489U (en) | SMD multimode composite rotary piezoelectric actuator |