Пьезоэлектрический реверсивный двигатель

 

Союз Советскнк

Социалистнческик

Республик

<щ736224

МАЗАМ » " (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 21,1177 (21) 2545850/18-25 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Опубликовано 2505.80. Бiсллетеиь 10 19

Дата опубликования описания 30. 05. 80 (51)М. Ил.

Н 01 Ь 41/10

Н 02 N 11/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДЯ 537. 228. 1 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Ю. В. Королев, Г. Т. Левченко и А. А. През

Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия

Великой Октябрьской социалистической революции (71) Заявитель (54 ) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕВЕРСИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в телемеханике и электроприводах, а также н бытовых приборах широкого назначения.

Известны пьезоэлектрические рзверсивные двигатели, содержащие статор .s виде пьезоэлемента с двумя парами электродон возбуждения, прижатый концом к ротору, переключатель реверса, причем на каждую пару электродов подают одновременно напряжения от двух о генераторов со сдвигом фазы +90 ; pe-15 верс осуществляют переключением ннака фазы между генераторами (1).

Известные ренерсивные двигатели требуют возбуждения в единой механической системе (статор и ротор) на бдной резонансной частоте двух типов кОлебаний, что является технически сложной задачей, так как два различных типа колебаний в тепе будут неодинаково реагировать на изменение вели-25 чины нагрузки.

Известен пьезоэлектрический реверсивный двигатель, содержащий основание, статор в виде пластинчатого пьезоэлемента = электродами на боко 30 вых поверхностях, закрепленного концами в эластичных прокладках,. ротор, прижатый к середине пьезоэлемента, генератор переменного напряжения и переключатель реверса (2).

Целью изобретения является увеличение КПД, удельной мощности и упрощение конструкции.

Это достигается тем, что н предлагаемый двигатель введена катушка индуктивности, при этом статор прижат к ротору посредством полуволнового акустического резонатора, а электроды разделены ча две части и размещены на разных полонинах пьезоэлемента и по отдельности соединены с выходом генератора и катушкой индуктивности посредством переключателя реверса, причем контур из катушки индуктивности и половины пьезоэлементы подсоединены к катушке через электроды и настроен на частоту генератора.

На фиг. 1 дана структурно-функциональная схема пьезоэлектрического реверсивного двигателя; на фиг. 2 — векторная диаграмма сил в точке фрикционного контакта статора с ротором; на фиг. 3 — эквивалентная схема статорного пьезоэлемента.

736224

Пьезоэлектрический реверсивный двигатель содержит î-нование 1, статср в виде прямоугольного пьезоэлемента 2, закрепленного концами на основании в эластичных прокладках 3, ротор 4„ прижатый к середине пьезоэлемента 2 госредством гружины 5 и полуволновэгo акустического резонатора 6. На оцну. половину статора нанесены электроды

7, на другую — электроды 8.

Со стороны ротора электроды сразделены изолирующим промежутком 9; с противоположной стороны пьезоэлемента электроды 7 и 8 закорочены и имеют общий вывод, подключенный к генератору 10. Электроды 7 и 8 посредством переключателя 11 подсоедлнcH-.,ы один, например,7 (или 8) к генерато— ру 10, а другой 8 (или ) — < !сс!Ту1в-ИНДУ!С TИВ НОСТИ активная сила 13 пьезоэлемента (c»i. Фи!", 2),„.действу1ощая в зоне фсои -(— ционногo контакта статора с ротс.ром, разложена на. две сос:авляющие: !4 уравновешенную опорой ротора„ и и,8,, уравновешенную суммарной реакцией полуволнового резонатора 6 и закороченной половины пьезоэлемента ?. Пифры

16 и 17 показывают случай обратного действия пассивной силы 18 пьезоэт1емента.

Пьезоэлектрический реверсивный двигател;- работает следующим Образом.

C reHåpàTopà 10, например, ;-:а эл=-ктроды 7 поступает напряжение с !ас-: тотой ь)„, ьоз бужда1ощее в пьезоэ.семен— те ? гродольные колеба !ия с дли-:ой волны„равной удвоенной,цлине - пье0 зоэлемента такс что в нем устанавливастся режим бегущей во -.ны с выделением энергии на эквиваг1ентнбм сопротивлении» ротора, включенногo HB нагрузку.

Эквивалентное сопротивлени"включено параллел но эквивалентному контуру резо.-".атора. 3 полуперисг ак-тиВного хОда точек пьезоэлеy„!Он вЂ, РайОНЕ ФРИКПИОННОГО КОНТВКта (СМ. фиг 2) состаВляющая 16 BKI HBHoè си лы 13 уравновешивается суммарной ре-акцией противодейст.-ия закороченной половины пьезоэлемента 2 и полувсл!Но .

ВОВО рез ОнатОра 6, а с ос таВЛ я!ошам!

14 — реакцией опоры ротора. Следс1аательно, сила прижатив пьезоэлемента к ротору увеличивается на величH«v составляющей 14.

Силу статического прижатия с .. пру ) жиной 5 и активну о с.илу »„ возбуж-даемую в пьезоэлементе посредством

ОбратнО1 0 пьезОзффе!ста у поцбирс!!от так, чтобы выполнялись условия

1"11) Кр .»" - с + Г!4 ) Кд где К. — коэффициент трения ме:.-,,цу по fP верхностями пьезоэлемента и ротора.

Тогда в момент активного полупериода ВыпОлняется услОвие заклинива ния (правая часть неравенства) и ро-. тОр дв ";ÿpòcя вместе с прижатыми к HB с„- П

К О/4 (=.у 15/ г р!Я где р -- плотность пьезокерамики (для

ЦТС-23 7,4 ° 10 кг/м );

V -- cIiopocTB 3B) ка в пьезокерамике (3 10 м/с); площадь сечения пьезоэлемента; длина пьезоэлемента.

Эквивалентное сопротивление нагрузки закорочено импедансом Е, равным суммарному сопротивлению полуволнового резонатора 6 и половины пьезоэлемента, соединенной с катушкой индуктивности 12.

Из приведенного анализа работы дьигателя следует, что чем меньше коэффициент трения К,р, тем большую долю оТ силы F6 должна составлять сила Р! . Это возможно лишь при уменьшении характеристического сопротивлему точками пьезоэлемента, а в следуюций полупериод условия заклинивания

Hå выполняются (левая часть) и пьезоэлемент движется в обратную сторону, не мешая ротору вращаться в прежнем направлении, для чего полуволновой

5 резонатор 6 должен обеспечивать свободное продольное перемещение поверхности пьезоэлемента 2.

Полуволновой резонатор настраивают одновременно в резонанс на частоту !

Д

1)„ продольных и изгибных колебаний.

Полуволновой резонатор может быть также изготовлен из материала с малым коэффициентом трения о поверхность пьезоэлемента, например, из фторопласта, толщину которого h рассчитывают пo h =, )! Ъ /Ц,, где I — скорость звука в материале.

Пьезоэлектрический реверсивный двигатель настраивают следующим образом. Отводят от пьезоэлемента 2 ротор 4 и полуволновой резонатор 6 и меняют частоту ."енератора 10 до тех пор, пока ток B цепи генератора не достигнет максимальной величины. Затем зажимают пьезоэлемент между полуволновым резонатором и ротором и меняют индуктивность катушки 12, поса фазовый сдвиг между током в катушке и напряжением генератора 10 не станет равным 0 или 180 о

Причины возникновения потерь в пьезоэлементе статора поясняются эк=-.èBàëåHTHoé схемой на фиг. 3. Импедансы элементов схемы определены для

PoBочансной частоть 4)о, когДа в голную длину пьезоэлемента укладывается полуволна акустического колебания. B этом случае эквивалентная схема представляет параллельный кснтур относительно эквивалентного сопротив41) ления нагрузки й.

Параметры схемы L,С и ее характеристическое сопротивление Х связаны соотношениями

736224!

О

ЗО

4О

5О ния Х закороченной половины пьезоэле мента 2 по сравнению с характеристическим сопротивлением полуволнового резонатора 6, т. е. для успешной настройки двигателя на выбранный режим работы необходимо управление резонансйыми характеристиками пьезоэлемента. Эту задачу выполняет катушка индуктивности 12, меняя величину которой от нуля до 10 мГ (для статора двигателя с размерами как у прототипа) можно получить характеристическое сопротивление Х от предельного (800 Н с/м) до нуля.

Кроме того, наличие у реверсивного двигателя вышеупомянутого управления величины характеристического сопротивления пьезоэлемента статора позволяет конструировать более высокооборотные двигатели, работающие на нагрузку с низким эквивалентным сопротивлением, устраняющим большие прижимающие статор к ротору усилия. Поэтому, во-первых, добротность пьезоэлемента статора двигателя удается пОнизить до оптимальных с точки зрейия удельной мощности значений (Ц=З), что приводит к уменьшению механических потерь в статоре и увеличению

КПД, во-вторых, уменьшение прижимающих статор к ротору усилий до 2,5 кгс (у прототипа 20 кгс) повышает износостойкость и надежность конструкции.

Так, например, при прежних конструктивных размерах пьезоэлемента 2 с подключенной индуктивностью 12 равной 6,3 Ml характеристическое сопротивление X падает до 10 Н c/ì, а

R = X/О„, = 0,03 Н с/м, что обеспечивает КПД статора в (= 1 (rQ /R +

+ 1) = Q (Q + 9) = 0,92 в режиме максимальной удельной мощности. Высокий КПД позволяет поднять мощность двигателя до 1? Вт и одновременно снизить окружную вращающую силу до 2,5 Н, что требует прижимающих статора и ротор усилий не более 25 H ("2,5 кгс).

Таким образом, КПД статора двига" теля (g = 0,92) при прочих равных условиях на 0,42 больше КПД статора прототипа ((, = 0,5). Связанное с повышением КПД уменьшение сторонних затрат в статоре приводит к понижению механического износа и ослаблению выделения тепла, что и является основным средством повышения удельной мощности двигателя. Поэтому увеличение КПД статора с 0,5 до 0,92 равносильно уменьшению сторонних затрат в статоре в 6 раз и позволяет увеличить удельную мощность также в

6 раз. Кроме того, тепловые потери в катушке индуктивности не влияют на удельную мощность двигателя, бднако снижают его КПД до,0,87 (добротность катушки Q = 100), что скажется только в увеличении мощности источника питания.

Пьезоэлектрический реверсивный двигатель имеет на 0,37 выше КПД, чем у прототипа, а это позволяет увеличить удельную мощность в 6 раз. Кроме того, отсутствие дополнительного генератора и цепей подстройки по фазе между генераторами упрощает конструкцию устройства.

Формула изобретений

Пьезоэлектрический реверсивный двигатель, содержащий основание, статор в виде пластинчатого пьезоэлемента с электродами на боковых по— верхностях, закрепленного концами в эластичных прокладках, ротор, прижатый к середине пьезоэлемента, генератор переменного напряжения и переключатель реверса, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения КПД, удельчой мощности и упрощения конструкции, в него введена катушка индуктивности, при этом статор прижат к ротору посредством полуволнового акустического резонатора, а электроды разделены на две части и размещены на разных половинах пьезоэлемента и по отдельности соединены с выходом генератора и катушкой индуктивности посредством. переключателя реверса, причем контур из катушки индуктивности и половины пьезоэлемента подсоединен к катушке через электроды и настроен на частоту генератора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 483061, кл. Н 01 L 41/00, 1973.

2. Заявка Франции Р 2277458, кл. E 02 N ll/00, опубл. 1976 (прототип) .

736224

Фиг. 2

Составитель В. Вавер

Редактор Л. Народная Техред О.Андрейко Корректор I0. Макаренко

Заказ 2437/43

Тираж 844

Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4