RU2686091C1

RU2686091C1 - Ultrasonic motor

Info

Publication number: RU2686091C1
Application number: RU2018116294A
Authority: RU
Inventors: Павел Валентинович Гуляев
Priority date: 2018-04-28
Filing date: 2018-04-28
Publication date: 2019-04-24

Abstract

FIELD: electrical equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the electrical equipment and can be used in the automation devices incremental drives for the samples and probes high-accuracy positioning. Ultrasonic motor comprises piezoelectric element, holder, two elements of magnetic circuit, shaft and stator, in which the friction assembly is mounted. Piezoelectric element and the holder are fixed on the shaft by one end, at the piezoelectric element and the holder other end interacting with each other magnetic circuit elements are located.

EFFECT: technical result consists in increase in the reliability.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к пьезотехнике и может применяться в шаговых приводах устройств автоматики для прецизионного позиционирования образцов и зондов.The invention relates to piezotechnique and can be used in stepper drives of automation devices for precision positioning of samples and probes.

Известен пьезоэлектрический двигатель [Чесноков Г.А., Морозов В.П., Колесников Д.П. и др. Патент РФ 2061296 МПК6 H02N 2/10], содержащий статор с осциллятором, выполненным в виде пьезоэлемента (плоское кольцо) с электродами и бандажом. Бандаж выполнен из отдельных дугообразных элементов с закрепленными на них толкателями, упруго прижатыми к цилиндрической рабочей поверхности пьезоэлемента. Недостаток устройства - работа в резонансном режиме, затрудненность пуска и работы под управлением одиночных импульсов.Known piezoelectric engine [Chesnokov, A., Morozov, V.P., Kolesnikov, D.P. and others. Patent RF 2061296 MPK6 H02N 2/10], containing a stator with an oscillator, made in the form of a piezoelectric element (flat ring) with electrodes and bandage. The bandage is made of individual arcuate elements with pushers fixed on them, elastically pressed against the cylindrical working surface of the piezoelement. The disadvantage of the device is the work in the resonant mode, the difficulty of starting and working under the control of single pulses.

Известен пьезодвигатель [Коваль. В.С., Лавриненко В.В. А.С. СССР 1807548 МПК H02N 2/00, H01L 41/09], содержащий коаксиально расположенные ротор и статор, кольцевой пьезоэлектрический осциллятор радиальных колебаний, упругие пластины-толкатели, прижатые одним концом к боковой поверхности ротора, а другим концом закрепленные в радиальных пазах звукоизолирующего кольца, свободно установленного относительно осциллятора и прижатое к нему с помощью пружинящей прокладки. Недостаток устройства - затрудненность пуска и работы под управлением одиночных импульсов.Known piezoelectric [Koval. V.S., Lavrinenko V.V. A.S. USSR 1807548 IPC H02N 2/00, H01L 41/09] containing coaxially arranged rotor and stator, piezoelectric ring oscillator of radial oscillations, elastic pusher plates pressed at one end to the lateral surface of the rotor, and the other end fixed in the radial grooves of the soundproofing ring, freely installed relative to the oscillator and pressed to it with a spring gasket. The disadvantage of the device is the difficulty of starting and working under the control of single pulses.

Наиболее близким по составу и сущности к заявляемому является пьезоэлектрический двигатель [Гуляев П.В. Патент РФ 2376697 МПК Н02N 2/00, H01L 41/09]. Пьезодвигатель, содержащий коаксиально расположенные статор и вал, узел вращения, установленный между статором и валом, пьезоэлемент, один конец которого соединен с валом, другой конец - свободен и снабжен грузом. Недостаток устройства - необходимость применения высокого напряжения для деформации пьезоэлемента, затрудненность пуска после продолжительных простоев. Затрудненность запуска вызвана следующим. При работе узла вращения, один или оба элемента которого выполнены из пластмассы, возникает существенная разность между коэффициентами трения покоя и скольжения (до 4 раз в динамике и до 10 раз при длительном покое кинематической пары [Башта Т.М., Зайченко И.З., Ермаков В.В., Хаймович Е.М.. Объемные гидравлические приводы. М. Машиностроение. - 1969 - 628 С. - с. 113]). Это обусловлено тем, что предварительное смещение полимера (а также смазки при ее наличии) больше по сравнению с металлами, что вызывает разность между энергией необходимой для деформации и энергией, сохраняющейся в деформированном объеме [Конструкционные свойства пластмасс / Под ред. Бэра Э. М.: Химия, 1967. 464 с.]. Кроме того, при возрастании продолжительности неподвижного контакта кинематических элементов привода увеличивается коэффициент трения покоя [Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1962. 220 с.], что также осложняет пуск двигателя запуске и может привести к необходимости повышения амплитуды управляющих сигналов.The closest in composition and essence to the claimed is a piezoelectric engine [Gulyaev P.V. Patent of the Russian Federation 2376697 IPC Н02N 2/00, H01L 41/09]. A piezoelectric motor containing coaxially arranged stator and shaft, a rotation unit mounted between the stator and the shaft, a piezoelectric element, one end of which is connected to the shaft, the other end is free and provided with a load. The disadvantage of the device is the need to use high voltage for deformation of the piezoelectric element, difficulty starting after prolonged downtime. Startup difficulty caused by the following. During the operation of the rotation unit, one or both of which elements are made of plastic, there is a significant difference between the coefficients of static friction and slip (up to 4 times in dynamics and up to 10 times during prolonged rest of the kinematic pair [TM Bashta, I.Z. , Ermakov, V.V., Khaimovich, E.M., Volumetric Hydraulic Drives, M.Mashinostroenie (1969 - 628 S. - p. 113]). This is due to the fact that the preliminary displacement of the polymer (as well as lubricant, if present) is greater than that of metals, which causes the difference between the energy required for deformation and the energy stored in the deformed volume [Plastics Constructional Properties]. Baer E. M .: Chemistry, 1967. 464 p.]. In addition, with increasing duration of the fixed contact of the kinematic elements of the drive increases the coefficient of static friction [Kragelsky IV, Vinogradova I.E. Friction coefficients M .: State scientific and technical publishing house of engineering literature. 1962. 220 p.], Which also complicates the engine start-up and may lead to the need to increase the amplitude of control signals.

Задачей изобретения является обеспечение гарантированного пуска пьезодвигателя под управлением одиночных импульсов.The objective of the invention is to provide a guaranteed launch of the piezomotor under the control of a single pulse.

Задача решается тем, что на вращающемся валу помимо пьезоэлемента дополнительно закреплен держатель, на свободных концах пьезоэлемента и держателя установлены первый и второй элементы магнитной цепи, образующие магнитную цепь с зазором.The task is solved by the fact that, besides the piezoelectric element, a holder is additionally fixed on the rotating shaft, and the first and second elements of the magnetic circuit, forming a magnetic circuit with a gap, are mounted on the free ends of the piezoelectric element and the holder.

Изобретательский уровень обеспечивается тем, что новая совокупность существенных признаков, образовавшаяся после введения держателя и двух элементов магнитной цепи, позволяет за счет дополнительного электромагнитного взаимодействия гарантированно запустить пьезодвигатель, в том числе после длительного простоя.The inventive step is ensured by the fact that a new set of essential features, formed after the introduction of the holder and two elements of the magnetic circuit, makes it possible, due to the additional electromagnetic interaction, to start the piezo-motor, including after a long idle time.

На фиг. 1, 2 представлены схемы устройства.FIG. 1, 2 shows the schematic of the device.

Устройство содержит (фиг. 1, 2) статор 1, вал 2, между которыми установлен узел вращения 3. На свободном конце пьезоэлемента 4 закреплен первый элемент магнитной цепи 5, выполняющий также роль инерционного груза. Другой конец пьезоэлемента 4 соединен с валом 2. С валом 2 также соединен держатель 6 с размещенным на ним вторым элементом 7 магнитной цепи, образующим с элементом 5 магнитную цепь с зазором.The device contains (Fig. 1, 2) a stator 1, a shaft 2, between which a rotating unit 3 is mounted. At the free end of the piezoelectric element 4, the first element of the magnetic circuit 5 is fixed, which also acts as an inertial load. The other end of the piezoelectric element 4 is connected to the shaft 2. With the shaft 2, the holder 6 is also connected to the second magnetic circuit element 7 placed on it, which forms a magnetic circuit with a gap with the magnetic element 5.

Пьезоэлемент 4 предназначен для осуществления деформации изгиба и выполняется соответственно в виде биморфного пьезоэлемента. Первый 5 и второй 7 элементы выполнены из магнитных материалов в виде постоянных магнитов.The piezoelectric element 4 is designed to implement the bending deformation and is performed respectively in the form of a bimorph piezoelectric element. The first 5 and second 7 elements are made of magnetic materials in the form of permanent magnets.

Существует также вариант, в котором первый элемент 5 магнитной цепи выполнен из магнитного материала, а второй элемент 7 - выполнен в виде катушки.There is also a variant in which the first element 5 of the magnetic circuit is made of magnetic material, and the second element 7 is made in the form of a coil.

Существует также вариант, в котором первый элемент 5 магнитной цепи выполнен в виде катушки, а второй элемент 7 выполнен из магнитного материала.There is also a variant in which the first element 5 of the magnetic circuit is made in the form of a coil, and the second element 7 is made of magnetic material.

Устройство работает следующим образом. На электроды пьезоэлемента 4 подается несимметричный пилообразный управляющий сигнал. Во время пологого фронта управляющего сигнала происходит деформация пьезоэлемента 4 и медленное смещение элемента 5 (фиг. 2). Эта составляющая деформации компенсируется пьезоэлектрическими силами, поэтому статор 1 и вал 2 находятся в состоянии относительного покоя. Кроме того, в процессе смещения элемента 5 он вступает в электромагнитное взаимодействие с элементом 7, что вызывает дополнительную деформацию пьезоэлемента. Начальное положение пьезоэлемента 4 и держателя 6 и соответственно расстояние между элементами 5,7 настраивается таким образом, чтобы сила электромагнитного взаимодействия вызывала дополнительную деформацию только в конце формирования фронта управляющего сигнала и не превышала силу трения покоя в узле вращения 3, а вал 2 не проворачивался относительно статора 1 до формирования среза (условие покоя узла вращения). Результирующая деформация пьезоэлемента 4 при этом будет вызвана в основном пьезоэффектом (на 80-90%) и в меньшей степени электромагнитным взаимодействием (на 10-20%). При формировании крутого среза управляющего сигнала пьезоэлектрические силы, частично компенсирующие силы упругой деформации пьезоэлемента 4, становятся равными нулю. За счет преобладания пьезоэлектрических сил над электромагнитными элементы магнитной цепи почти сразу отдаляются, электромагнитное взаимодействие элементов 5 и 7 резко уменьшается. Возникают некомпенсированные силы упругой деформации (повышенной), и, поскольку в силу инерционных свойств элемент 5 не может столь же быстро переместиться в исходную точку, то происходит проворачивание вала 2 в узле вращения 3.The device works as follows. On the electrodes of the piezoelectric element 4 is unbalanced sawtooth control signal. During a flat front of the control signal, the piezoelectric element 4 deforms and the element 5 slowly displaces (Fig. 2). This component of the deformation is compensated by the piezoelectric forces, therefore, the stator 1 and the shaft 2 are in a state of relative rest. In addition, in the process of displacement of the element 5, it enters into electromagnetic interaction with element 7, which causes an additional deformation of the piezoelectric element. The initial position of the piezoelectric element 4 and the holder 6 and, accordingly, the distance between the elements 5,7 is adjusted so that the force of electromagnetic interaction causes additional deformation only at the end of the formation of the front of the control signal and does not exceed the force of static friction in the node of rotation 3, and the shaft 2 is not rotated relative to the stator 1 to the formation of the slice (the condition of rest node rotation). The resulting deformation of the piezoelectric element 4 in this case will be caused mainly by the piezoelectric effect (by 80-90%) and to a lesser extent by electromagnetic interaction (by 10-20%). During the formation of a steep cut-off of the control signal, the piezoelectric forces, partially compensating for the elastic deformation forces of the piezoelectric element 4, become zero. Due to the predominance of the piezoelectric forces over the electromagnetic elements of the magnetic circuit, almost immediately separated, the electromagnetic interaction of the elements 5 and 7 decreases sharply. There are uncompensated forces of elastic deformation (increased), and since, due to inertial properties, element 5 cannot just as quickly move to the initial point, shaft 2 turns at the node of rotation 3.

При выполнении элементов 5 и 7 в виде постоянных магнитов сила электромагнитного взаимодействия между ними обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между ними, что позволяет получить необходимое взаимодействие на максимально возможном удалении. Этот конструктивно наиболее простой вариант исполнения пьезодвигателя хорошо работает при больших деформациях пьезоэлемента 4 (доли-единицы мм).When elements 5 and 7 are made in the form of permanent magnets, the force of electromagnetic interaction between them is inversely proportional to the fourth power of the distance between them, which allows to obtain the necessary interaction at the maximum possible distance. This structurally simplest version of the piezomotor works well with large deformations of the piezoelectric element 4 (fractions-units of mm).

При малых деформациях пьезоэлемента 4 сила электромагнитного взаимодействия между элементами изменяется в небольших пределах. В вариантах устройства, в которых один из элементов магнитной цепи изготавливается в виде катушки (например, соленоид), а другой из магнитного материала, появляется возможность управления током в катушке и электромагнитным взаимодействием в достаточно больших пределах. На время формирования фронта управляющего сигнала в катушку подается ток, обеспечивая взаимодействие элементов магнитной цепи, при формировании среза - ток отключается. Выполнение одного из элементов в виде управляемой катушки (соленоида) с током также значительно упрощает настройку взаимного положения элементов магнитной цепи, поскольку силу взаимодействия можно регулировать величиной тока. После пуска пьезодвигателя и выхода на рабочий режим электромагнитное взаимодействие элементов 5 и 7 можно полностью исключить.With small deformations of the piezoelectric element 4, the strength of the electromagnetic interaction between the elements varies within small limits. In embodiments of the device in which one of the elements of the magnetic circuit is manufactured in the form of a coil (for example, a solenoid) and the other of a magnetic material, it becomes possible to control the current in the coil and the electromagnetic interaction within sufficiently large limits. At the time of formation of the front of the control signal, a current is supplied to the coil, ensuring the interaction of the elements of the magnetic circuit, during the formation of the cutoff - the current is turned off. Performing one of the elements in the form of a controlled coil (solenoid) with a current also greatly simplifies the setting of the relative position of the elements of the magnetic circuit, since the interaction force can be controlled by the current. After starting the piezomotor and entering the operating mode, the electromagnetic interaction of elements 5 and 7 can be completely eliminated.

Claims

A piezo motor containing coaxially arranged stator and shaft, a rotation unit mounted between the stator and the shaft, a piezo element fixed to the shaft, and a load mounted on the free end of the piezo element, characterized in that the load is made as a first magnetic element, the holder is additionally inserted into the device mounted on the shaft, and the second magnetic element mounted on the free end of the holder and interacting in a magnetic field with the first magnetic element, and one or both magnetic elements are made as a source of magnetic field.