Пьезоэлектрический двигатель

 

О.Л. Бойченко, Ю.С. Борисов, А.С. Куликов " "- " - и В.В. Лавриненко (72) Авторы изобретения

1

Киевский ордена Ленина политехнический институт " им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (7! ) Заявитель (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электрическим двигателям, а именно к пьезоэлектрическим двигателям, и может быть использовано в лентопротяжных механизмах видео- и магнитной записи, в проигрывателях и т.д.

Известны пьезоэлектрические дви- . гатели, содержащие ротор с гладкой цилиндрической поверхностью и фрикционно взаимодействующий с ротором пьезокерамический вибратор (if и (2) .

Однако такие простейшие конструкции имеют невысокую равномерность вращения. Для ее повышения двигатель снабжают таходатчиком и системой стабилизации, работающей от сигнала та-. ходатчика, который конструктивно и функционально может быть совмещен с ротором.

Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезокерамический вибратор, ротор, совмещенный с таходатчиком, и схему стабилизации скорости вращения. Ротор выполнен в виде диска с отверстиями, равноудаленными друг от друга и от оси ротора. При вращении ротора таходатчик вырабатывает сигнал, частота которого зависит от числа отверстий и скорости вращения. От изменения последней изменяется частота, что является сигналом для схемы стабилизации, элементом которой является частотный детектор, для изменения воздействия на ро10 тор в сторону приведения скорости к заданной (3).

Недостатком данного двигателя является изменение мгновенной скорости вращения вследствие неоднородности

15 ротора. Для увеличения глубины модуляции сигнала датчика отверстия необходимо располагать ближе к поверхности ротора, но при этом еще больше возрастает нестабильность вращения скорости. Для увеличения частоты модуляции количество отверстий необходимо увеличивать путем уменьшения их диаметра. При этом резко возраСта873312

55 ет трудоемкость изготовления ротора.

Небольшая глубина и низкая частота модуляции приводят к уменьшению мощности сигнала с техогенератора и уменьшению разрешающей способности отслеживания скорости за один оборот.

Цель изобретения †. Уменьшение колебаний мгновенной скорости и снижение трудоемкости изготовления ротора.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем пьезокерамический вибратор, ротор, совмещенный с таходатчиком, и схему стабилизации скорости вращения, ротор, совмещенный с таходатчиком, выполнен в виде зубчатого колеса, на поверхность которого нанесено покрытие переменной толщины, образующее гладкую цилиндрическую поверхность, причем материалы покрытия и зубчатого колеса имеют разные значения волнового сопротивления, а толщина покрытия над зубом не превышает

0,5 мм.

На чертеже изображен пьезоэлектрический двигатель.

Пьезоэлектрический двигатель содержит ротор 1, на поверхность которого одним концом опирается пьезокерамический вибратор 2, который выполнен в виде прямоугольной пластины с электродами 3 на основных поверхностях, которые выводами 4 через диодный мостик 5 и емкость 6 подключены к генератору переменного напряжения 7 резонансной частоты пьезоэлемента. К выходу диодного мостика подключена нагрузка 8 тахогенератора и емкость фильтра. Вибратор выполнен из поля— ризованной по толщине (в направлении стрелки) керамики, например из ЦТС

23, и снабжен износостойкой накладкой, например из окиси алюминия. Второй конец вибратора через звукоизоляционную прокладку, например из резины, укреплен на.корпусе двигателя.

Прижим пьезоэлемента к ротору осуществляется посредс 1 вом пружины. Ротор пьезоэлектрического двигателя состоит из зубчатого колеса 9 и покрытия 10.

Материал зубчатого колеса должен обладать достаточно высоким модулем

Юнга, чтобы исключить прогиб покрытия. Этому требованию отвечают твердые неорганические вещества — металлы, керамики, стекла. Кроме того, материал зубчатого колеса должен выдерживать нагрев не ниже 300 С для

4 обеспечения возможности использования метода плазменного напыления сравнительно толстых покрытий из сверхтвердых материалов. Материал покрытия для обеспечения стойкости ротора к износу выбирается из сверхтвердых материалов с твердостью по шкале HRC не ниже 55 ед., например карбиды титана, вольфрама, хрома, окислы алюминия нитриды бора. Покрытие наносится распылением материала в струе дуговой плазмы с последующей шлифов.кой до гладкой цилиндрической повер:,— ности. Материалы зубчатого колеса и покрытия выбираются с разными произведениями плотности на модуль Юнга, т.е. с различными удельными волновыми сопротивлениями, что обеспечивает отражение на границе раздела двух сред акустической волны. Толщина по- крытия над зубом выбирается меньше глубины проникновения поверхности волн в роторе, что соответствует толщинам менее 0,5 мм.

При подаче переменного напряжения от источника 7 через диодный мостик

5, емкость 6, выводы 4 и электроды 3 на вибратор 2 последний начинает продольно колебаться. Эти колебания механически выпрямляются на контакте пьезоэлемента с ротором I, при этом постоянная составляющая механических усилий приводит к вращению ротора.

Часть акустической энергии проникает в ротор в виде объемных и поверхностных волн. На границе раздела зубчатого колеса 9 и покрытия 10 вследствие различного волнового сопротивления материалов происходит отражение акустических волн. Отраженная волна, задержанная во времени в зависимости от толщины покрытия, возвращается в пьезоэлемент, преобразуется пьезоэлементом в составляющую тока, фаза которого различна в зависимости от толщины покрытия. Этот ток, складываясь с основным током через пьезоэлемент, модулирует его по амплитуде с частотой прохождения зубьев под местом контакта пьезоэлемента с ротором. Эта частота равна произведению частоты вращения ротора на количество зубье11. Модулированный сигнал детектируется диодным мостиком 6. Демодулированный сигнал проходит через RC-фильтр, образованный емкостью

9 и сопротивлением 8. Огибающая этого сигнала в виде переменного напряжения. кратного частоте вращения, использу8733

t0 ется для управления скоростью враще.ния двигателя с помощью схемы стабилизации.

Монолитное соединение покрытия с зубчатым колесом исключает эффект тонкой оболочки, присущий известному устройству. Этот эффект заключается в резком падении момента и мощности двигателя при выполнении оболочки ротора менее 1 мм. При толщине обо- лочки 0,5 мм момент падает более чем в 1О раз вследствие резкого уменьше" ния податливости поверхности ротора к изгибу. Существование этого эффекта в известном устройстве требует вынесения отверстий в глубь ротора, что уменьшает мощность .сигнала с тахогенератора и приводит к изменению момента (и скорости при нагрузке) с. частотой мелькания отверстий. Вынесение отверстий вглубь ротора не позволяет увеличить их количества при сохранении диаметра отверстия. Увеличение количества отверстий при одновременном уменьшении их диаметра связано с дальнейшим уменьшением мощности сигнала тахогенератора и существенным увеличением трудоемкости изготовления ротора. Б предлагаемом устройстве изза отсутствия эффекта оболочки зубья могут располагаться в непосредственНоА близости от поверхности с плотностью до пяти зубьев на миллиметр длины окружности ротора. Требования к форме зубьев отсутствуют, поэтому

35 они выполняются способом накатки.

Стоимость нанесения покрытий толщинои до 1 мм на 1 м методом плазменного напыления составляет 0,5-2 р.

Поэтому снижается трудоемкость из40 готовления ротора, особенно при значительном числе зубьев (отверстий).

Отсутствие эффекта оболочки существенно снижает колебания мгновенной скорости, так как момент вращения . практически не изменяется при перехо45

12 6 де от зуба к впадине. Допустимое увеличение числа зубьев приводит к увеличению частоты сигнала тахогенератора, а возможность расположения зубьев ближе к поверхности увеличивает глубину модуляции вследствие увеличения частоты и глубины модуляции, возрастает мощность сигнала с тахогенератора. Увеличение мощности сигнала тахогенератора также связано с тем, что граница раздела материалов зубчатого колеса и покрытия проходит в зоне распространения поверхностных волн и изменение уровня этой границы существенно сказывается на эффективности возбуждения поверхностных волн.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезокерамический вибратор, ротор, совмещенный с таходатчиком, и схему стабилизации скорости вращения, о т л и ч а ю щ и Й с я тем, что, с целью уменьшения колебаний мгновенной скорости и снижения трудоемкости изготовления, ротор, совмещенный с таходатчиком, выполнен в виде зубчатого колеса, на поверхность которого нанесено покрытие переменной толщины, образующее гладкую цилиндрическую поверхность, причем материалы покрытия и зубчатого колеса имеют разные значения волнового сопротивления, а толщина покрытия над зубом не Превышает 0,5 мм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР и 614477, кл. H 01 L 41/08, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 624279, кл. G 11 В 15/40, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 58433,.кл. G 11 В !5/40, 1975 (прототип).

873312 (5,чм

Заказ 9062/79

Тираж 787 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ЙПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель P. Волченкова. Редактор Л. Тюрина Техред Ж.Кастелевич Корректор В. СиницкаЯ