SU1023455A1 - Пьезоэлектрический двигатель - Google Patents

Abstract

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГА ТЕЛЬ, содержащий корпус и установленный в нем ведомый орган и полый ц  ,. линдрический пьезоэлемент.с пластина - ми-толкател ми , установленными, по крайней мере, на одной из его поверхностей и упруго прижатьФ4и к поверхности ведомого органа, отличающийс  тем, что, с целью расширени  области применени  путем обеспечени  снижени  мощности при увеличении КПД,пьезо9лемеит выполнен в виде вибратора продольных колебаний по длине окружности,а пластины-толкатели установлены в узлах механических напр жений . с. Г ///////А V/////

Description

Изобретение относитс  к микроэле тродвигател м, которые могут быть использованы в лентопрот жных механизмах , вентил торах, электробритва и других устройствах. Известе.н пьезоэлектрический двиг тель, содержащий корпус и установле ные в нем ротор и вибратор в виде пьезоэлектрической пластины, одним концом опирающийс  на рот Р Ij Основной недостаток такого двига тел  - несимметри  расположени  пьезоэлемента, котора  приводит к п вышенной трудоемкости изготовлени  корпуса двигател  и низкой его компактности . В конструкции двигател  плохо используетс  объем, определ е мый габаритными размерами. Наиболее близким по технической сущности к предлагае1« му  вл етс  пьезоэлектрический двигатель, содер- jO жащий корпус и установленные в нем ведог ай орган и полый цилиндрический пьезоэлемент с пластинами-толкател ми , установленными, по крайней мере, «а одной из его поверхностей и упру- 25 го прижатьн и к поверхности ведомого органа. При работе двигател  в цилин дрическом пьезозлементе - вибраторе возбуждаютс  продольные колебани  по высоте цилиндра. Двигатели с пьезоэлементом цилиндрической формы компактны и технологичны в нэготовле-НИИ 2 . Однако режим макскма т ного КЦД известного двигател  лежит в режимах больших моментов на валу. Дл  получе ни  такого режима необходимо на пьезоэлемента установить максимальное число пластин-толкателей и максимсшьно их нагрузить,Практически пластина-толкатель из стали толщиной 0,1 мм и шириной 3 мм развивает усилие Примерно 0,5 Н. Максимальное число пластин-толкателей, которое может быть установлено на цилиндрическом пьезоэлементе 20 мм, равно 50 шт. Таким образом, дл  получени  режима максимального КПД пьезоэлемент необходимо нагрузить усилием 25 Н. При наличии двух роторов усилие равно 50 Н. Частота вращени  при высоте ци-Йиндра вибратора 20 мм примерно равйа 1е. При этом мощность на валу Примерно равна 3 Вт. Если КПД двига ел  в режиме максимального КПД 30%, о потребл ема  им мощность примерно Равна 9 Вт. в режиме свободного ротоВа (т.е. при отсутствии нагрузки на Валу) потребл ема  мощность максиМальна 120-30 Вт). Она ограничена ВНутренним механическим сопротивлеНием двигател  (сопротивлением потерь те керамике и на опорах),. Д   уменьшеЧи  мощности, потребл емой пьезозлек ричвским двигателем в режиме его работы со свободньвл ротором,необходимо увеличить его внутреннее сопротивление , т.е. уменьшить объем пьезокерамики . Уменьшить объем пьезокерамики в известном двигателе возможно за счет уменьшени  высоты цилиндра вибратора , его толщины и диаметра. Однако уменьшение высоты цилиндра приводит к повышению рабочей частоты двигател . Экспериментально установлено, что при рабочих частотах более 200 кГц фрикционный контакт работает не эффективно, в нем увеличиваетс  потери на трение, что приводит к снижению КПД. Предельна  вырота цилиндра примерно равна 10 мм. Уменьшение толщины цилиндра приводит к уменьшению ширины фрикционного контакта, к понижению прочности креплени  пластинтолкателей и к усложнению технологии изготовлени  вибратора. Практически толщина цилиндра может быть не меньше 7 мм. Уменьшение диаметра увеличивает разницу в величине колебательных скоростей на кра х пластин-толкателей. Увеличивает износ., приводит к возникновению акустических шумов и к понижению КПД. Таким образом, известный двигатель не может быть использован в маломощных устройствах, так как уменьшение мощности приводит к уменьшению КПД. Целью изобретени   вл етс  расширение области применени  двигател  путем обеспечени  мощности при увеличении КПД. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем корпус и установленные в нем ведомый орган и полый цилиндрический пьезоэлемент с пластинами-толкател ми , установленными, по крайней мере, на одной из его поверхностей и упруго прижатыми к поверхности ведомого органа, пьезоэлемент выполнен в виде вибратора продольных колебаний по длине окружности, а пластины-толкатели установлены в узлах механичес;ких напр жений. Выполнение пьезоэлемента в виде вибратора продольных колебаний по длине окружности цилиндра позвол ет уменьшить высоту цилиндра без изменеЬи  рабочей частоты двигател . Висота цилиндра вибратора может быть выполнена достаточно малой. Продольмый размер высоты ограничен конструк тивнымв соображени ми и требовани ми по прочности вибратора. Практически высота может быть доведена до 1 мм. Частотозадающим размером  вл етс  рассто ние по длине окружности цилиндра между двум  осевыми узлами механических напр жений. Если сравнивать по предельному диаметру дл  предлагаемого двигател  и предельной высоте дл  прототипа, то рабоча  часTofa у предлагаемого двигател  в 3,14 раз ниже рабочей частоты прототипа. Это позвол ет получить более высокий КПД, так как снижаютс  потери натрение .. Возможность уменьшени  высоты цилиндра в 10 раз позвол ет в 10 раз увеличить входное сопротивление двигател  и, таким образом, уменьшить потребл емую «эщность в режиме свободного ротора. Кроме того, уменъзаение площади поперечного сечени  виб- ратора (перпендикул рно направлению колебаний) позвол ет уменьшить число пла ггин-толкателей и обеспечить режим максимального КПД при мэньших значени х сопротивлени  нагрузки. Все это 15 приводит к уменьшеншо мощности при сохранении частоты вращений и увеличении КПД.

На фиг. 1 и 2 представлен двигатель , , пластины-толкатели ус- 20 тановлены на торцовых сторонах цилиндрического вибратора; на фиг. 3 и.4 - то же, толкатели установлены на внешних цилиндрических сторонах

пьезоэлементов на фиг. 5 - вибратор 25 двигател , имеющий Ш1астинь1-толкатёли на двухЦилиндрических сторонах} на фиг. 6 - лластины-толкатели, установленые на внешних цилиндрических поверхност х пьезозлемёнтов, в аимодей- «п ствующие с двум  роторами; на .7 12 - различные конструктивные выполнени  пьезоэлементов предлагаемого двигател .

Пьезоэлектрический двигатель - (фиг. 1) содержит полый цилиндричес- КИЙ пьезоэлемент 1 с пластинами-толкател ми 2, установленными на его торцовьк поверхност х. На цилиндрических поверхност х пьезоэлектрического цилиндра нанесены электроды 3, 0 которые снабжены выводами 4. Пьезо «электрический цилиндр пол ризован ъ радиальном направлении (направление пол ризации показано стрелками). Пьеэоэлемент 1 установлен в корпусе 545 с помощью звукоизолирукицих прокладок €. Пластины-толкатели 2 взаимодействуют с двум  роторами 7, установленньачи в подшипниках 8 в корпусе 5.

. .50

Пьезоэлектрический двигатель рабо тает следующим образом.

На выводы 4 от источника питани  пьезоэлектрического двигател  (источник питани  не показан) подаетс  пе- 55 ременное электрическое напр жение, соответствуивдее по частоте четвертой |Моде колебаний по длине окружности цилиндра. В пьезоэлементе 1 начинают возбуждатьс  колебани  четвертой

по длине окружности цилиндра вибратора 1. Пластиньг-толкатели 2 начинают смещатьс  вдоль окружности цилиндра, привод  во вращение роторы 7.

В двигателе, изображенном на фиг. 3 и 4, пластины-толкатели 2 расположены на внешних цилиндрических поверхноцт х цилиндрического пьезоэлемента 1, в котором возбуждаетс  втора  мода продольных колебаний по длине окружности,. Пластины-толкатели 2 взаимодействуют с одним ротором 7, который установлен с помощью подшипника 8 на выступе корпуса 5.

Двигатель, изображенный на фиг.З, имеет два ротора 7, один из которых расположен внутри цилиндрического вибратора, другой,вьшолненный в виде кольца, охватывает вибратор. Вибратор 1 имеет сплошные электроды, а фазирование колебаний осуществл етс  с помощью разнонаправленной пол ризации пьезоэлемента.

На фиг. 4 показан пьезоэлектрический двигатель, пьеэозлемюнт 1 которого установлен с возможностью угловых перемещений вокруг его оси и подпружинен в этом направлении. Вибратор 1 установлен в цилиндрических направл ющих 9. Возбуждение в кольце продольных колебаний по окружности и возможность отвода почти всей механической энергии одним, двум  толкател ми позвол ет осцилл тор сделать подпружиненным к ротору не за счет упругих СВОЙСТВ толкател , а эа счет внешнего прижимного элемента. Это снимает требовани  к материгшу толкател  в отношении его упругих свойств. При этом толкатели можно выполнить из пластмассы и за счет этого повысить ресурс двигател .

На показанных фиг. 7-11 возбуждаетс  втора  мода продольных колебаний по длине окружности цилиндра. Пластины-толкатели установлены на внешних цилиндрических поверхност х. В пьезоэлементах на фиг. 7 - 10 осуществлена поперечна  пол ризац и , в пьезоэлементе на фиг. 11 - продольна . В вибраторе на фиг.12 возбуждаетс  восьма  мода колебаний по длине окружности.

Предложенный пьезоэлектрический двигатель позвол ет более .чем в 10 раз уменьшить потребл емую мсхциость двигател  при сохранении частоты вращени , КПД двигател  увеличиваетс на 5-10%.

Расширен р д двигателей с цилиндрическим вибратором в область низких мощностей на выход.

J

tX

/I.J

/

Claims (1)

1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус и установленный в нем ведомый орган И полый ци? линдрический пьезоэлемент.с пластина- . ми-толкателями, установленными, по' крайней мере, на одной из его поверхностей и упруго прижатыми к поверхности ведомого органа, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения снижения мощности при увеличении КПД,пьезоэлемент Выполнен в виде вибратора продольных колебаний по длине окружности,а пластины-толкатели установлены в узлах механических напряжений. · .

   §