Пьезоэлектрический двигатель

СОЮЗ ССВЕТСй 4 ХсаееламисвааРЕСПУБЛИК ОБРЕТЕ ГОСУДЮфСТВЕННМЙ НОМИТЕТ СССРйО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ПИСАНИЕ И(71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Вели кой Октябрьской социалистической революции.(56) 1. Лавриненко В.В. и др. Пьезоэлектрические двигатели. ИфЗнергняф, 12.03,80; с, 50 у рис. 2 б,а.2. Авторское свидетельство СССРВ 659032, кл. Н 01 Ь 41/08, 1977(54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус и установленный в нем ведомый орган и полый цитлиндрический пьезоэлемент.ф пластина"ми-толкателями, установленными, покрайней мере, на одной из его поверхностей и упруго прижатыми к поверхности ведомого органа, о т л и ч а ющ н й с я тем, что, с целью расширения области применения путем обеспе"чения снижения моюности нри увеличении КПД,пьезоэлемент выполнен в видевибратора продольных колебаний по длине окружности,а пластины-толкатели установлены в узлах механических напряжений.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 аю.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 бытьиспользованы в лентопротяжных механизмах, вентиляторах, электробритвахи других устройствах,Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий корпус и установленные в нем ротор и вибратор в видепьезоэлектрической пластины, однимконцом опирающийся на рот р (1.Основной недостаток такого двигателя - несимметрия расположенияпьезоэлемента, которая приводит к повышенной трудоемкости изготовлениякорпуса двигателя и низкой его компактности, В конструкции двигателя 35плохо используется объем, определяемый габаритными размерами.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяпьезоэлектрический двигатель, содержащий корпус и установленные в немведомый орган и полый цилиндрическийпьезоэлемент с пластинами-толкателями, установленными, по крайней мере,на одной из его поверхностей и упру- р 5го прижатыми к поверхности ведомогооргана. При работе двигателя в цилиндрическом пьезоэлементе - вибраторевозбуждаются продольные колебания повысоте цилиндра. Двигатели с пьезо- З 0элементом цилиндрической Формы компактны и технологичны в изготовлении 2 .Однако режйм максимаяьиого КПДизвестного двигателя лежит в режимахбольших моментов на валу. Для получе З 5.ния такого режима необходимо на торце пьезоэлемента установить максимальное число пластин-толкателей имаксимально их нагрузить. Практическипластина-толкатель из стали толщиной 400,1 мм и шириной 3 мм развивает усилие примерно 0,5 Н. Максимальноечисло пластин-толкателей, котороеможет быть установлено на цилиндри"ческом пьезоэлементе 20 мм, равно 4550 шт. Таким образом, для получениярежима максимального КПД пьезоэлементнеобходимо нагрузить усилием 25 Н.При наличии двух роторов усилие равно 50 Н. 50Частота вращения при высоте ци-:Линдра вибратора 20 мм примерно равЙа 1 е 1. При этом мощность на валуйримерно равна 3 Вт. Если КПД двигателя в режиме максимального КПД 30, 55Мо потребляемая им мощность примерноРавна 9 Вт. В режиме свободного ротоРа (т.е. при отсутствии нагрузки наВалу) потребляемая мощность максиМальна 20-30 Вт). Она ограничена 60 фВнутренним механическим сопротивлением двигателя (сопротивлением потерьв керамике и на опорах)., Для уменьшенйя мощности, потребляемой пьезоэлектрическим двигателем в режиме его работы со свободным ротором,необходимо увеличить его внутреннее сопротивление, т,е, уменьшить объем пьезокерамнки. Уменьшить объем пьезокерамики в известном двигателе возможно за счет уменьшения высоты цилиндра вибратора, его толщины и диаметраОднако 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 увеньшение мощности приводит к уменьшению КПД.Целью изобретения является расширение области применения двигателя путем обеспечения мощности при увеличении КПД.тота у предлагаемого двигателя в 3,14 раз ниже рабочей частоты прототипа. Это позволяет получить более высокийКПД, 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 свободного ротора. Кроме того, уменьше. ние площади поперечного сечения виб ратора (перпендикулярно направлению колебаний) позволяет уменьшить число , пластин-толкателей и обеспечить режим максимального КПД при ьньших 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 тановленына 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 новленые на внешних цилиндрических по-. верхностях пьезоэлементов, взанмодей-ЗО ствующие с двумя роторамн; на фнг.7- 12 - различные конструктивные выполнения пьезоэлементов предлагаемого . двигателя.Пьезоэлектрический двигатель (фиг. 1) содержит полый цилиндричес. кий пьезоэлемент 1 с пластинами-толкателями 2, установленными на его торцовых. поверхностях. На цилиндри.еских поверхностях пьезоэлектричесого цилиндра нанесены электроды 3, 40 оторые снабжены выводами 4. Пьезо.- лектрический цилиндр.поляризован в радиальном направлении (направление поляризации показано стрелками). Пьезоэлемент 1 установлен э корпусе 545 с помощью звукоизолирующих прокладок б. Пластины-толкатели 2 взаимодействуют с двумя роторами 7, установленными в подшипниках 8 в корпусе 5.50ПьЕзозлектрический двигатель работает следующим образом.На выводы 4 от источника питания пьезоэлектрического двигателя (источник питания не показан) подается пе ременное электрическое напряжение, соответствующее по частоте четвертой 1де колебаний По длине окружности цилиндра, В пьезоэлементе 1 начинаютвозбуждаться 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-толка- тели 2 взаимодействуют с одним ротором 7, который установлен с помощью подшипника 8 на выступе корпуса 5.Двигатель, изображенный на фнг.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 осив подпружинен в этом направлении. Вибратор 1 установлен в 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 за счет упругих свойств толкателя, а эа счет внешнегс 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 мода продольных колебаний по длине окружности цилиндра. Пластины-толкатели установлены иа . внешних цилиндрических поверхностях. В пьезоэлементах на фиг. 7 - 10 осуществлена поперечная поляризация, в пьезоэлементе на фиг. 11 - продольная. В вибраторе на фиг.12 возбуждается восьмая иода колебаний до длине окружности.Предложенный пьезоэлектрический двигатель позволяет более чем в 10 раз уменьшить потребляемую мощность двигателя при сохранении частоты вращения, КПД двигателя увеличивается на 5-10.Расширен ряд двигателей с цилиндрическим вибратором в область низких мощностей на выход.023455 г Составитель Т. Щукинар М. Петрова Техред А.МКорректор А,Тя йв е аказ 4225/40ВНИИ 13035,енто, т. Ужгород, ул. Проектная, 4 ал. ППП Тираж 703 Государственного делам изобретений Москваж, У