Вибродвигатель и способ его изготовления

 

Использование: для создания малогабаритных и эффективных двигателей и электромеханических преобразователей. Сущность изобретения: в вибродвигателе средняя часть болта выполняется в виде упругого преобразователя растягивающего усилия во вращательный момент, например цилиндрической пружины, резьбового стержня, косых перемычек. В качестве припоя используется сплав олово-кадмий-свинец, затвердевающий в отсутствие внешних нагрузок. Параметры и размеры болта, прокладки, а также слоев пьезокерамики и припоя выбираются из определенного соотношения. При изготовлении припой наносят не только на прокладки и слои пьезокерамики, но и на металлические шайбы, а термореактивную пайку проводят после сборки, причем припой наносят слоем 5 - 7 мкм, а сборку завершают закручиванием предварительно разогретого болта. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания малогабаритных и эффективных двигателей и электромеханических преобразователей.

Известны вибродвигатели с соосно расположенными статором и ротором, при этом пьезокерамический элемент расположен на статоре и соединен с ротором радиальными гибкими волноводами (см. ав. свид. N 573829, кл. H 01 L 41/00, 1976, заявку РСТ N 88/06816, кл. H 02 N 2/00, 1988).

Этим двигателям свойственны значительные габариты (в радиальном направлении) и малый КПД из-за отсутствия предварительного смещения (напряжения) пьезоэлемента.

Известны также вибродвигатели "пакетной" конструкции, содержащие статор в виде стянутых болтом металлических шайб, между которыми размещены торсионный и продольный вибраторы, а также ротор и средства регулировки (см. патенты США NN 4764702, 4933590 и 4965482, кл. H 01 L 41/08, 1988, 1990 и 1990).

Однако эти двигатели сложны и нестабильны прежде всего из-за непостоянства прижимного усилия.

В некоторых вибродвигателях используют спиральные пружины и металлические тросы в качестве элементов, соединяющих подвижную и стационарную части (см. патент США N 4435667, кл. H 04 R 7/00, 1984 и ав. свид. N 1155245, кл. H 04 R 17/00, 1982).

Этим двигателям также свойственны перечисленные выше недостатки: большие габариты и низкая эффективность в первом случае, нестабильность и низкая эффективность во втором (мягкий трос еще более увеличивает нестабильность прижимного усилия и не способствует возникновению крутильных колебаний).

Наиболее близким к предложенному является вибродвигатель по патенту США N 4933590, содержащий статор в виде двух соединенных болтом шайб, между которыми размещены по меньшей мере два слоя пьезокерамики, разделенных металлическими прокладками и слоями припоя, а также ротор, установленный на одной из металлических шайб (концентраторе) с возможностью вращения.

В процессе его изготовления на слои пьезокерамики и металлические прокладки наносят припой, после чего производят пайку и окончательную сборку двигателя.

Известный двигатель включает также пружину, стабилизирующую прижимное усилие, продольный активатор (вибратор) и средства его прижима.

Помимо уже упомянутых недостатков (сложность и нестабильность прижимного усилия), этот двигатель неудобен в эксплуатации, так как ротор размещен между двумя вибраторами. Необходимость обеспечения фазового сдвига между напряжениями, питающими вибраторы, приводит к усложнению электрической схемы двигателя. Следует заметить также, что хотя наличие стабилизирующей пружины и снижает разброс параметров вибродвигателей на момент изготовления, старение пружины приводит к наличию временного дрейфа их параметров.

Технической задачей изобретения явилось создание простого и надежного вибродвигателя со стабильными параметрами и широкими функциональными возможностями.

Указанная задача достигается прежде всего тем, что в известном вибродвигателе средняя часть болта выполнена в виде упругого преобразователя растягивающего усилия во вращательный момент, например косых перемычек, резьбового стержня, цилиндрической пружины.

В качестве припоя целесообразно использовать сплав олово-кадмий-свинец, затвердевший в отсутствие внешних нагрузок.

Необходимо также, чтобы параметры и размеры болта, прокладки, а также слоев пьезокерамики и припоя выбирались из определенного соотношения.

С этой целью в известном способе изготовления вибродвигателя припой наносят не только на прокладки и слои пьезокерамики, но и на металлические шайбы, а пайку, в частности, термореактивную, производят после сборки, причем припой наносят слоем 5 7 мкм, а сборку завершают закручиванием предварительно разогретого болта.

На фиг.1 изображен разрез вибродвигателя; на фиг.2 4 выполнение болта с преобразователем растягивающего усилия во вращающий момент; на фиг.5 и 6 выполнение металлической шайбы волновода-концентратора; на фиг.7 слои пьезокерамики до пайки; на фиг.8 после проведения термореактивной (контактно-реактивной) пайки.

Вибродвигатель содержит металлические шайбы 1 и 2 (фиг.1). Шайба 1 может быть совмещена с головкой болта 3, а шайба 2 является волноводом-концентратором продольно-крутильных колебаний. Торцевая часть 4 болта 3 закреплена в шайбе 2. Слои 5 пьезокерамики с чередующейся поляризацией вдоль образующей или окружности расположены между шайбами 1, 2. Напряжение от источника питания подводится к расположенным между слоями 5 металлическим прокладкам 6 и шайбам 1, 2 (фиг.5). Преобразователь 7 продольных усилий во вращающий момент выполнен в виде нескольких косых перемычек 8, 9, закрепленных на торцевой части 4 и головке 1 болта 3, в виде резьбового стержня 10 или пружины 11, концы которой закреплены в части 4 и головке 1 (фиг.2 4). С шайбой 2 контактирует ротор 12 (фиг.1), снабженный подшипником 13 вращения. Металлическая шайба 2 выполнена в виде ступенчатого цилиндра с широкой (d1), и узкой (d2) частями (фиг.5) или двух коаксиально расположенных цилиндров 14, 15, соединенных между собой по меньшей мере тремя ребрами жесткости 16 (фиг.6). На фиг.7 показаны слои 17 гальванического покрытия олово-свинец и слои 18 гальванического покрытия олово-кадмий, образующие в результате слой 19 припоя олово-кадмий-свинец.

Жесткость преобразователя 7 должна быть достаточной для создания номинального напряжения сжатия пьезокерамики (порядка 100 кг/см2, а его упругость существенно усилить крутильные колебания, передаваемые ротору 12. Это обеспечивается использованием перемычек 8, 9, стержня 10 или пружины 11 из стали или титана. При этом глубина и шаг резьбы на стержне 10 должны превышать те же величины на остальной части болта 3.

Выполнение головки болта за одно целое с шайбой 1 упрощает устройство, однако возможно и их раздельное выполнение, как это показано в известных вибродвигателях. Точно также, возможно использование любых известных припоев, однако сплав олово-кадмий-свинец позволяет получить наилучшие результаты.

Ниже приводится равенство, соблюдение которого обеспечивает высокую стабильность параметров двигателя , где к номинальное напряжение сжатия пьезокерамики, кг/см2; lб суммарная толщина слоев пьезокерамики, припоя и металлических прокладок (длина рабочей части болта), см; б коэффициент термического расширения материала болта, 1/град; lк толщина слоев пьезокерамики (также суммарная), см; к коэффициент термического расширения пьезокерамики, 1/град; lм суммарная толщина металлических прокладок, см; м коэффициент термического расширения материала прокладки, 1/град; lп суммарная толщина слоев припоя, см;
п коэффициент термического расширения припоя, 1/град;
Sб сечение болта, см2;
Sк площадь слоев пьезокерамики, см2;
Eб модуль Юнга материала болта, кг/см2;
T разность температур кристаллизации припоя и комнатной, град.

В процессе изготовления вибродвигателя слои 5 и прокладки 6, а также контактирующие с ними поверхности шайб 1, 2 покрываются припоем. В частности, на металлические детали наносят гальванический сплав олово-свинец, содержащий 40 мас. свинца, толщиной 5 7 мкм. На пьезокерамику с двух сторон наносят гальваническое покрытие олово-кадмий с содержанием кадмия 40 мас. той же толщины. Затем, соединив детали предварительно разогретым до температуры 160 180oC болтом, проводят контактно-реактивную пайку при температуре 150 - 160oC. В результате происходит надежное электрическое и механическое соединение элементов конструкции с минимальными по толщине паяными швами. Это обеспечивает повышение добротности электромеханического преобразователя, образованного шайбами 1, 2, слоями 5 и болтом 3 с преобразователем 7, в то же время не ухудшая прочности паяного соединения, компенсируя непараллельность сопрягаемых деталей, исключая пористость соединения и обеспечивая оптимальное соотношение интерметаллида и припоя в нем.

При фиксации конструкции разогретым болтом 3 возникают напряжения сжатия, обеспечивающие надежный контакт сопрягаемых поверхностей в процессе пайки, когда между деталями образуются слои жидкого припоя. В этот момент происходит релаксация предварительных напряжений. При последующем охлаждении, начиная с температуры кристаллизации припоя олово-свинец-кадмий (145oC) и кончая комнатной температурой, различие коэффициентов термического расширения приводит к появлению всегда одной и той же сжимающей силы, которая и определяет номинальное значение напряжения сжатия пьезокерамики.

Разумеется, толщина и состав слоев 17, 18 могут отличаться от указанных, как и способ пайки, однако вышеприведенные режимы и соотношения являются оптимальными. Существенно также, что отсутствие предварительного стягивающего усилия в процессе пайки (кристаллизации припоя), или, что то же, соблюдение нулевого отношения предварительного и термического стягивающих усилий, обеспечивает не только стабильность параметров двигателей на момент изготовления, но и линейность их характеристики за счет исключения перекоса преобразователя 7.

В вышеприведенном соотношении параметры преобразователя 7 учитываются при расчете параметров болта 3 следующим образом: коэффициент термического расширения, модуль Юнга, сечение и длина берутся для центральной (свободной) рабочей части болта, на которой расположен преобразователь 7, т.е. для преобразователя высотой lб.

Вибродвигатель работает следующим образом.

Напряжение от внешнего источника переменного напряжения с частотой, равной или близкой к частоте одного из резонансов болта 3 и концентратора 2, через соответствующие выводы (не показаны) подается на электроды пьезоэлемента, образованного слоями 5, возбуждая в нем продольные и другие колебания, которые через преобразователь 7, формирующий крутильные колебания, и концентратор 2 передаются ротору 12. Ротор 12 начинает вращаться. Расстройка частоты приводит к реверсу.

Например, металлические элементы двигателя изготавливали из титана. Двигатель состоял из двух слоев пьезокерамики, между которыми размещалась одна прокладка. Толщина одного слоя пьезокерамики составила 0,35 см, площадь 1,1 см2. Суммарная толщина паяных швов была равна 0,004 см, сечение болта - 0,237 см2. По вышеприведенному соотношению была рассчитана толщина прокладки 0,04 см. Покрытие олово-свинец наносилось на металлические детали из борфтористоводородного электролита, а на пьезокерамику из сернокислого электролита наносилось гальваническое покрытие олово-кадмий. Толщина покрытий составила 7 мкм. Совмещение деталей производилось с использованием соответствующей оснастки, после чего детали фиксировались болтом, разогретым до 180oC в термошкафу. Конструкция немедленно помещалась в глицериновую ванну для проведения контактно-реактивной пайки. Охлаждение производилось на воздухе.

В результате на частоте 80 кГц было получено вращение пассивного ротора со скоростью 2800 об/мин. К реверсу приводила расстройка частоты в 1,5% Мощность двигателя составила 1,5 Вт, а его добротность по сравнению с известными конструкциями возросла на 20%


Формула изобретения

1. Вибродвигатель, содержащий статор в виде двух соединенных болтом металлических шайб, между которыми размещены по меньшей мере два слоя пьезокерамики, разделенных металлическими прокладками и слоями припоя, а также ротор, установленный на одной из металлических шайб с возможностью вращения, отличающийся тем, что средняя часть болта выполнена в виде упругого преобразователя растягивающих усилий во вращательный момент.

2. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь растягивающих усилий во вращательный момент выполнен в виде косых перемычек, концы которых закреплены на торцевых частях болта.

3. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь растягивающих усилий во вращательный момент выполнен в виде резьбового стержня.

4. Вибродвигатель по п. 3, отличающийся тем, что глубина и шаг резьбы резьбового стержня превышают соответствующие параметры резьбы на торцевой части болта.

5. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь растягивающих усилий во вращательный момент выполнен в виде цилиндрической пружины, концы которой закреплены на торцевых частях болта.

6. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка болта выполнена за одно целое с одной из металлических шайб.

7. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что металлическая шайба, на которой установлен ротор, выполнена в виде ступенчатого цилиндра.

8. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что металлическая шайба, на которой установлен ротор, выполнена в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, соединенных между собой по меньшей мере тремя ребрами жесткости.

9. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве припоя использован сплав олово кадмий свинец.

10. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что параметры и размеры болта, прокладки, а также слоев пьезокерамики и припоя определяются из равенства

где к номинальное напряжение сжатия пьезокерамики, кг/см2;
lб суммарная толщина слоев пьезокерамики, припоя и металлических прокладок (длина рабочей части болта), см;
б коэффициент термического расширения материала болта, град-1;
lк толщина слоев пьезокерамики (также суммарная), см;
к коэффициент термического расширения пьезокерамики, град-1;
lm суммарная толщина металлических прокладок, см;
m коэффициент термического расширения материала прокладки, град-1;
lп суммарная толщина слоев припоя, см;
п коэффициент термического расширения припоя, град-1;
Sб сечение болта, см2;
Sк площадь слоев пьезокерамики, см2;
Еб модуль Юнга материала болта, кг/см2;
T разность температур кристаллизации припоя и комнатной, град.

11. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что слои припоя выполнены из материала, закристаллизовавшегося при нулевом стягивающем усилии.

12. Способ изготовления вибродвигателя, включающий нанесение припоя на слои пьезокерамики и металлические прокладки, пайку и сборку вибродвигателя, отличающийся тем, что припой наносят также на металлические шайбы, а пайку производят после сборки.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что производят термореактивную пайку.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что припой наносят слоем 5 7 мкм.

15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что на одну из сопрягаемых деталей наносят припой в виде гальванического сплава олово свинец, а на другую - сплава олово кадмий, при содержании свинца и кадмия, равном 40 мас. соответственно.

16. Способ по пп. 13 и 15, отличающийся тем, что контактнореактивную пайку проводят при 150 160oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8



 

Похожие патенты:

Двигатель // 2075155
Изобретение относится к двигателям преимущественно вращательного движения, основанным на преобразовании механических колебаний источников механических колебаний осцилляторов, связанных с ведущим элементом, находящимся во фрикционном взаимодействии с ведомым элементом ротором, во вращательное движение последнего

Изобретение относится к области автоматики и приборостроения

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при разработке вибродвигателей

Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к устройствам малых угловых перемещений

Изобретение относится к электроавтоматике и может быть испольэо вапо для точного позиционирования различных объектов в приборостроении , измерительной технике, оптикомеханической лронглпленности

Привод // 1330601

Изобретение относится к малогабаритным пьезодвигателям для систем автоматики и приборостроения

Привод // 1278993

Изобретение относится к пьезотехнике

Изобретение относится к точной механике, в частности к конструкции устройств для перемещения объектов, и может быть использовано при изготовлении туннельных микроскопов

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим двигателям, использующим электромеханические преобразователи, и может быть использовано при разработке реверсивных вибродвигателей

Изобретение относится к устройствам позиционирования, а именно прецизионному устройству перемешения, и может найти применение в микроскопии, литографии, интерферометрии, оптоэлектронике, микромеханике, биологии клетки

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания малогабаритных и эффективных двигателей и электромеханических преобразователей

Наверх