Пьезоэлектрический реверсивный двигатель

Союз Советскнк Социалистических Респубник(22) Заявлено 21,1177 (21) 2545850/18-25 с присоединением заяв сударственный комитет СССР о делам изобретений и открытий) Приорите нь Мо 19 5,0 5.8 О. Б 1 слл ния описаня убликован 537228.1(72) Авторы изобретени нченко и А. А, През о) Заявитель Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-лет Великой Октябрьской социалистической революции ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕВЕРСИВНЫЙ ДВИГАТЕ нальная с нерсивногторная ди онного ко на фиг. 3 торного п Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям и может быть использовано в качестве исполнительного механизма н телемеханике и электроприводах, а также н бытовых приборах широкого назначения,Известны пьезоэлектрические реверсивные двигатели, содержащие статор.ввиде пьезоэлемента с двумя парамиэлектродонвозбуждения, прижатый концом к ротору, переключатель реверса,причем на каждую пару электродов подают одновременно напряжения.от двухогенераторов со сдвигом Фазы,+%0 ; ре верс осуществляют переключением знака фазы между генераторами 11.Известные реверсивные двигателитребуют возбуждения н единой механической системе (статор и ротор) набдной резонансной частоте двух типовкОлебаний, что является техническисложной задачей, так как два различных типа колебаний .в тепе будут неодинаково реагировать на изменение вели чины нагрузки.Известен пьезоэлектрический реверсивный двигатель, содержащий основание, статор н виде пластинчатогопьезоэлемента = электродами на боко ЗО вых поверхностях, закрепленного концами в эластичных прокладках,. ротор, прижатый к середине пьезоэлемента, генератор переменного напряжения и переключатель реверса 21.Целью изобретения является увеличение КПД, удельной мощности и упрощение конструкции.Это достигается тем, что в предлагаемый двигатель введена катушка индуктинности, 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 полонины пьезоэлементы подсоединены к катушке через электроды и на" строен на частоту генератора.На Фиг. 1 дана структурно-функциохема пьезоэлектрического рео двигателя; на фиг. 2 - век аграмма сил в точке фрикцинтакта статора с ротором; - эквивалентная схема стаьезоэлемента.Пьезоэлектрический ренерсивный двигатель содержит основание 1, статср в виде прямоугольного пьезоэлемента 2,закрепленного концами на основании вэластичных прокладках 3, ротор 4 прижатый к середине пьезоэлемента 2 госредством гружины 5 и полуволновэгоакустического резонатора б, На оцнуполонину статора нанесены электроды7, на другую - электроды 8,Со стороны ротора электроды газделены изолирующим промежутком 9; спротивоположной стороны пьезоэлемента электроды 7 и 8 закорочены и имеют общий вывод, подключенный к генератору 10, Электроды 7 и 8 посредст, -вом переключателя 11 подсоединен,ыодин, например,7 (или 8) к генератору 1 0 р а друГой 8 (или) к кс)тушиндуктинностиРктин 5 ая сила 13 пьезоэлемента(см. Фиг, 2), дейсхв 5 вщая н зоне фОикционного контакта статора с ротором,разложена на. две сос:авляющие: )4уравновешенную опорой ротора я и ,:5уравновешенную суммарной реакцией полунолноного резонатора б и закороченной полонины пьезоэлемента , Пифры16 и 17 показывают случай обратногодействия пассивной силы 18 пьезоэтемента.Пьезоэлектрический реверсинныйдвигатель работает следующим ОбразоС генератора 10, например, на электроды 7 поступает напряжечие с ас-:тотой Оноэ бужцаюее Б пьезоэлелентеГродольные колеба.5 ия с дли:ойволны равной удвоенной,цлине, пьезоэлемента. Так что н нем устанавливастся режим бегущей волны с ныделением энергии на. экниналентнбм сопротивлении 2 ротора, включенного нанагрузку.ОЭквивалентное сопротивлениевключено параллельнО экниВалентн 50 муконтуру резонатора, Н полуперися активного хода точск пьезоэлемента врайОне фрикпионного кон.акта (смФКГ. 2) состаВляющая 15 акгивной силы 13 уравновешивается суммарной ре-.акцией противодействия закороченнойполовины пьезоэлемента 2 и полуволноВОГО резонатора Ь, а составляюща 514 - реакцией опоры ротора. Следовательно, сила прижатив пьезоэлементак ротору увеличивается на величинусоставляющей 14,Силу статического прижатия , пру)жиной 5 и активную силу Г-, воэбужчдаемую в пьезоэлементе посредствомОбратнОГО пьезоэффекта, поцбирсюттак, чтобы выполнялись условия(Г - 1" ) К Г,.(, + Г, )Кгде К. - коэффициент трения межцу потрверхностями пьезоэлемента и ротора.Тогда н момент активного полупериода ВыпОлняется услОвие заклинивания (правая часть неравенства) и ротор дн:жется вместе с прижатыми к не му точками пьезоэлемента, а в следуюций полупериод условия заклиниванияне выполняются (левая часть) и пьезоэлемент движется в обратную сторону,не мешая ротору вращаться в прежнемнаправлении, для чего полуволновой5резонатор б должен обеспечивать свободное продольное перемещение поверхности пьезоэлемента 2,Полуволновой резонатор настраиваютодновременно в резонанс на частоту(ы продольных и изгибных колебаний.Полунолновой резочатор может бытьтакже изготовлен из материала с малым коэффициентом трения о поверхность пьезоэлемента, например, изфторопласта, толщину которого )1 рассчитывают по формуле и = )Ч/Ц где7 - скорссть звука в материале.Пьезоэлектрический реверсивныйдвигатель настраивают следующим об;.,. разом. Отводят от пьезоэлемента 2ротор 4 я полуволноной резонатор би меняют частоту "енератора 10 до техпор, пока ток в цепи генератора недостигнет максимальной величины, Затем зажимают пьезоэлемент между полуволноным резонатором и ротором именяют индуктивность катушки 12, пока фазовый сдвиг между током в катушке и напряжением генератора 10 нестанет равным 0 или 180оПричины возникновения потерь впьезоэлементе статора поясняются эквивалентной схемой на фиг, 3. Импедансы элементов схемы определены длярезочансной частоть:Ы , когда вголную длину пьезоэлемента укладывается полуволна акустического колебания. Н этом случае экнивалентная схема представляет параллельный кснтуротносительно эквивалентного сопротив:С ления нагрузки й.Параметры схемы 5,С и ее характерястическое сопротивление Х снязанысоотношениямио / . ко/=.р 5/, г =р/5,где р в . плотность пьезокерамики (дляЦТС7,4 10 кг/м);Ч - скорость зв ка н пьезокерамике (310 м/с);Бплощадь сечения пьезоэлемента;длина пьезоэлемента.Эквивалентное сопротивление нагрузки закорочено импедансом Е, равным суммарному сопротинлению полунолнового резонатора б 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 Р, должна состанлять сила Р . Это возможно лищь при уменьшении характеристического сопротивле 73622425 3 О 35 4 О 45 5 О 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 поз. воляет 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 мГ характеристическое сопротивление Х падает до 10 Н с/м, а Н = Х/О, = 0,03 Н с/м, что обеспечивает КПД статора в (,= 1 (г 0 /В + + 1) = 0, (О,+ 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 Н ( "2,5 кгс).Таким образом, КПД статора двига" теля (г) : 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 Ц = 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 изобретенийПьезоэлектрический реверсивныйдвигатель, содержащий основание, статор в виде пластинчатого пьезоэлемента с электродами на боковых по -верхностях, закрепленного концами вэластичных 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 кротору посредством полуволнового акустического резонатора, а электродыразделены на две части и размещенына разных половинах пьезоэлементаи по отдельности соединены с выходомгенератора и катушкой индуктивностипосредством. переключателя реверса,причем контур из катушки индуктивности и половины пьезоэлемента подсоединен к катушке через электродыи настроен на частоту генератора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 483061, кл. Н 01 Ь 41/00, 1973.2. Заявка Франции 9 2277458,кл. Н 02 И 11/00, опубл. 1976 (прототип) .2437 Подписно Эа иал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,Тираж 84 ЦНИИПИ Государс по делам изо 3035, Москва, Жвенного комитета СССетений и открытий5, Раушская наб., д.