Пьезоэлектрический двигатель

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГА ТЕЛЬ, содержащий корпус и установленный в нем ведомый орган и полый ця ,. линдрический пьезоэлемент.с пластина - ми-толкателями , установленными, по крайней мере, на одной из его поверхностей и упруго прижатьФ4и к поверхности ведомого органа, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения снижения мощности при увеличении КПД,пьезо9лемеит выполнен в виде вибратора продольных колебаний по длине окружности,а пластины-толкатели установлены в узлах механических напряжений . с. Г ///////А V/////

,SU„„.1023455 А

СОЮЗ COBETCHHX

О 6

РЕСПУБЛИК

За> И01-) 41/08 Н02 и 11/00.

А

НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОПИСА

Д

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ COOP

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2936767/18-25 (22) 11.06.80 (46) 15. 06.83. Бюл. В 22 (72) В.С. Вишневский, И.А. Карташев и В.В. Лавриненко (71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Вели кой Октябрьской социалистической революции. (53 ) 537 . 228. 1.(088. 8) (56) 1. Лавриненко В.В. и др. Пьезо» электрические двигатели. И.,"Энергия", 12.03.80; с. 50у рис. 2б.а.

2. Авторское свидетельство СССР

9 659032, кл. Н014 41/08, 1977 (прототип), (54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГА

ТЕЛЬ, содержащий корпус и установленный в нем ведовегй орган и полый цит линдрический пьезоэлемент.е пластина" ми-толкателями, установленными, по крайней мере, на одной из его поверхностей и упруго прижатьэги к поверхности ведомого органа, о т л и ч а юггг н и с я тем, что, с целью .расширения области примененйя путем обеспечения снижения мошности при увеличении КПД,пьезоэлемент выполнен в виде вибратора продольных колебаний по длине окружности,а пластины-толкатели установлены в узлах механических напряжений.

1023455

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем корпус и установленные в нем ведомый орган и полый цилиндрический пьезоэлемент с пластинами-толкателями, устайовленными, 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 напряжений.

Выполнение пьезоэлемента в виде вибратора продольных колебаний по длине окружности цилиндра позволяет ,уменьшить высоту цилиндра без изменения рабочей частоты двигателя. Высота цилиндра вибратора может быть выполнена достаточно малой. Продольный размер высоты ограничен конструктивными соображениями и требованиями по прочности вибратора. Практически высота может быть доведена до 1 юю.

Частотозадающим размером является расстояние по длине окружности цилиндра между двумя осевыми узлами механических напряжений. Если сравнивать по предельному диаметру для предлагаемого двигателя и предельной высоте для прототипа, то рабочая часИзобретение относится к микроэлектродвигателям, которые могут быть использованы в лентопротяжных механизмах, вентиляторах, электробритвах и других устройствах.

Известен пьезоэлектрический двига- 5 тель, содержащий корпус и установленные в нем ротор и вибратор в виде пьезоэлектрической пластины, одним концом опирающийся на рот р (1).

Основной недостаток такого двигателя — несимметрия расположения пьезоэлемента, которая приводит к по» вышенной трудоемкости изготовления корпуса двигателя и низкой его компактности. В конструкции двигателя 15 плохо используется объем, определяемый габаритными размерами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический двигатель, содержащий корпус и установленные s нем ведомый орган и полый цилиндрический пьезоэлемент с пластинами-толкателями, установленными, по крайней мере, на одной из его поверхностей и упру- 25

ro прижатыми к поверхности ведомого органа. При работе двигателя в цилиндрическом пьезоэлементе - вибраторе возбуждаются продольные колебания по высоте цилиндра. Двигатели с пьезо- З0 элементом цилиндрической формы компактны и технологичны в изготовлении (2 ).

Однако режйм максимаяьиого КПД известного двигателя лежит в режимах больших моментов на валу. Для получе-З .ния такого режима необходимо на тор,це пьезоэлемента установить макси мальное число пластин-толкателей и максимально их нагрузить. Практически пластина- толкатель из стали толщиной 40

0,1 мм и шириной 3 мм развивает усилие примерно 0,5 Н. хаксимальное число пластин-толкателей, которое может быть установлено на цилиндрическом пьезоэлементе 26 мм, равно 45

50 шт. Таким образом, для получения режима максимального КПД пьезоэлемент необходимо нагрузить усилием 25 Н.

При наличии двух роторов усилие равно 50 Н. 50

Частота вращения при высоте ци-:

Линдра вибратора 20 мм примерно равна 1Е . При этом мощность на валу йримерно равна 3 Вт. Если КПД двигателя в режиме максимального КПД 30%, то потребляемая им мощность примерно

Равна 9 Вт. В режиме свободного ротоРа (т.е. при отсутствии нагрузки на валу) потребляемая мощность максиМальна (20-30 Вт). Она ограничена Щ

Внутренним механическим сопротивлением двигателя (сопротивлением потерь в керамике и на опорах)., Для уменьшенйя мощности, потребляемой пьезоэлекУРическим двигателем в режиме его ра-у боты со свободным ротором,необхоцимо увеличить его внутреннее сопротивление, т.е. уменьшить объем пьезокерамики. Уменьшить объем пьезокерамики в известном двигателе возможно за счет уменьшения высоты цилиндра вибратора, его толщины и диаметра. Однако уменьшение высоты цилиндра приводит к повышению рабочей частоты двигателя. Экспериментально установлено, что при рабочих частотах более

200 кГц фрикционный контакт работает не эффективно, в нем увеличивается потери на трение, что приводит к снижению КПД. Предельная. высота цилиндра примерно равна 10 мм. Уменьшение толщины цилиндра приводит к уменьшению ширины фрикционного контакта, к понижению прочности крепления пластинтолкателей и к усложнению технологии изготовления вибратора. Практически толщина цилиндра может быть не меньше

7 мм. Уменьшение диаметра увеличивает разницу в величине кОлебательных скоростей на краях 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 ужньшение мощности приводит к уменьшению КПД.

Целью изобретения является расширение области применения двигателя путем обеспечения мощности при увеличении КПД.

1023455 тота у предлагаемого двигателя в 3,14 раз ниже рабочей частоты прототипа.

Это позволяет получить более высокий

КПД, так как снижаются потери на трение.. Возможность уменьшения высоты цилиндра и-10 раз позволяет в 10 раз увеличить входное сопротивление двигателя и, таким образом, уменьшить потребляемую мощность "в режиме сво- бодного ротора. Кроме того, уменьше. ние площади поперечного сечения вибратора (перпендикулярно направлению колебаний) позволяет уменьшить число, пластин-толкателей и обеспечить режим максимального КПД при ъ ньших значениях сопротивления нагрузки. Все это 15 приводит к уменьшению мощности при сохранении частоты вращений и увеличении КПД.

На фиг. 1 и 2 представлен двигатель, разрез, пластины-толкатели ус- 2О 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 двигателя, имеющий пластины-толкатели .на двух .цилиндрических сторонах; на фиг.. б — пластины-толкатели, уста новлеиые на внешних цилиндрических по-. верхностях пьезоэлементов, взанмодей-30 ствующие с двумя роторамн» на фнг.712 - различные конструктивные выполнения пьезоэлементов предлагаемого двигателя.

Пьезоэлектрический двигатель (фиг. 1) содержит полый цилиндрнчес». киа пьезоэлемент 1 с пластинами-толкателями 2, установленными на его торцовых. поверхностях. На цилиндриеских поверхностях пьезоэлектричесого цилиндра нанесены электроды 3, 40 оторые снабжены выводами 4. Пьезо. лектрнческий цилиндр:поляризован в радиальном направлении (направление поляризации показано стрелками).

Пьезоэлемент 1 установлен в корпусе 545 с помощью звукоизолирующих прокладок б. Пластины-толкатели 2 взаимодействуют с двумя роторами 7, установленными в подшипниках 8 в корпусе 5.

НьЕзозлектрический двигатель работает следующим образом.

На-выводы 4 от источника питания пьезоэлектрического двигателя (источник питания не показан) подается пе- 55 ременное электрическое напряжение, соответствующее по частоте четвертой

t де колебаний По длине окружности цилиндра. В пьезоэлементе 1 начинают возбуждаться колебания четвертой модыбО по длине окружности цилиндра вибратора 1. Пластины-толкатели 2 начинают смещаться вдоль окружности цилиндра, приводя во вращение роторы 7.

В двигателе, изображенном на фиг. 3 и 4, пластины-толкатели 2 расположены на внешних цилиндрических поверхностях цилиндрического - . пьезоэлемента 1, в котором возбуждается вторая 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.3, имеет два ротора 7, один из которых расположен внутри цилиндрического вибратора, другой, выполненный в виде кольца, охватывает вибратор. Вибра« тор 1 имеет сплошные электроды, а фазирование колебаний осуществляется с помощью разнонаправленной поляризации пьезоэлемента.

На фиг. 4 показан .пьезоэлектрический двигатель, пьезоэлемент 1 которого установлен с возможностью угловых перемещений вокруг его оси и подпружинен в этом направлении. Вибратор 1 установлен s цилиндрических -направляющих 9. Возбуждение в кольце продольных колебаний по окружности и возможность отвода почти всей механической энергии одним, двумя толкателями позволяет осциллятор сделать подпружиненным к ротору не sa счет упругих свойств толкателя, а эа счет saemsevc, прижимного элемента. Это снимает- требования к материалу толкателя в отношении-его упругих свойств. При этом толкателн можно выполнить из. пластмассы и за счет этого повысить ресурс двигателя.

На показанных фиг. 7 - 11 возбуждается вторая мсща продольных колебаний по длине окружности цилиндра.

Пластины-толкателн установлены иа . внешних цилиндрических поверхностях.

В пьезоэлементах на фиг. 7 - 10 осуществлена поперечная поляризация, в пьезоэлементе на фиг. 11 - продольнаяе В вибратОре на фиге 12 возбуждается восьмая мода колебаний по длине окружности.

Предложенный пьезоэлектрический двигатель позволяет более чем в 10 раз уменьшить потребляемую мощность двигателя при сохранении частоты вращения, КПД двигателя yâeëè÷èâàåòñÿ на 5-10%.

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

1023455

1023455 г иг.9

Составитель Т. Щукина

Редактор М. Петрова Техред A.Ae .. Корректор A,Òÿñêî

Заказ 4225/40 Тираж 703 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета .СССРио делам ивооретений и открытий

1i3935, Москва,,ж-35, Раувгская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", z . УлйОрод, ул. Проектная, 4