Пьезоэлектрический двигатель

. (90 НМИОАЩ.,у,ыкчр(,13Вйьаааи ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(56) 1, Авторское свидетельство СССУ 217509, кл, Н 02 И 41/00, 1965.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2085133/25,кл.Н 01 Ь 4119743. Авторское свидетельство СССРМ 620154, кл. Н 01 Ь 41/10, 1973(прототип),( 54 ) (57 ) 1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, .содержащий ротор, установЛенный в корпусе, два пьезоэлемента, один из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения постоянства вращающего момента двигателя при ступенчатом изменении скорости вращения, кольцо установлено с воэможностью вращения относительно корпуса, второй пьезоэлемент закреплен на корпусе, и оба пьезоэлемента снабжены пластинами, упруго прижатыми к внутренней 8, поверхности кольца так, что их плоскости пересекают внутреннюю поверх-ность кольца по образующим, причем пластины одного пьезоэлемента расположены под углами 30-80, а пластины другого пьезоэлемента расположены под углами 150-100 к внутренней поверхности кольца.1070628 2. Двигатель по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что для обеспечения реверса пластины обоих пьезоэлементов установлены под одинаковыми углами к внутренней поверхности кольца3. Двигатель по п 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что пьезоэлементыИзобретение относится к электрическим микродвигателям и может быть использовано в лентопротяжных механизмах магнитофонов в качестве двигателя ведущего узла. 5Известны пьезоэлектрические двигатели, в которь 1 х вращение ротора осуществляется за счет фрикционного . взаимодействия гладкой поверхности ведущего органа, содержащего пьезоэлемент, с гладкой поверхностью ведомого органаДвигатель представляет собой пьезоэлемент, закреплен-. ный с помощью держателей в корпусе и прижатый к гладкой поверхности ротора П .Недостатком такого двигателя яв. ляется то, что в нем невозможно обеспечить постоянство вращающего момента при ступенчатом изменении скорости вращения. 20Известен пьезодвигатель, содержащий два пьезоэлемента, в одном из, которых возбуждаются продольные колебания, а в другом - изгибные. Оба пьезоэлемента прижаты к поверхности 25 ротора и расположены по одну сторону от его оси 13.Данная конструкция позволяет повысить момент на валу двигателя, однако не обеспечивает его постоян ство при изменении скорости.Известен также пьезоэлектрический двигатель, содержащий ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента, один из которых закреплен на роторе, и охватывающее пьезоэлементы кольцо, установленное соосно с ротором 31 .Ступенчатое изменение скорости вращения может быть осуществлено либо путем ступенчатого изменения час-, тоты питающего напряжения, либо изменением его величины. Однако такой способ изменения скорости вращения двигателя приводит к тому,что при уменьшении скорости вращения умень-. 45 шается и вращающий момент двигателя, что нежелательно в случае применения двигателя для привода ведуцего вала магнитофона. С уменьшением момента на валу двигателя резко уве выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, а пластины зазакреплены на их торцах.4. Двигатель по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что пьезоэлементы выполнены в виде дисков, а пластины закреплены на их цилиндрических поверхностях. 2личивается коэффициент детонации маг нитофона, Последнее требует увеличения момента инерции маховика или введения электронной системы стабилизации мгновенной скорости двигателя,Все это сильно усложняет и так довольно сложную конструкцию двигателя.Цель изобретения - обеспечениепостоянства вращающего момента двигателя при ступенчатом изменениискорости вращения.Поставленная пель достигаетсятем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем ротор, установленный в корпусе, два пьезоэлемента,один из которых закреплен на роторе,и охватывающее пьезоэлементы кольцо,установленное соосно с ротором, кольцо установлено с возможностью вращения относительно корпуса, второйпьезоэлемент закреплен на корпусеи оба пьезоэлемента снабжены пластинами, упруго прижатыми к внутреннейповерхности кольца так, что их плоскости пересекают внутреннюю поверхность кольца по образующим, причемпластины одного пьезоэлемента расположены под углами 30-80 , а пластиныдругого пьезоэлемента расположеныпод углами 150-100 к внутреннейповерхности кольна.Для обеспечения реверса пластиныобоих пьезоэлементов должны бытьустановлены под одинаковыми угламик внутренней поверхности кольца.Пьезоэлементы могут бь 1 ть выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, а пластины закреплены на их торцах.Кроме того, пьезоэлементы могутбыть выполнены в виде дисков, апластины закреплены на их цилиндрических поверхностях,На фиг.1 показан пьезозлектричес.кий двигатель, на фиг.2 - то же,пьезоэлементы выполнены в виде прямоугольных пьезоэлектрических брусков, на фиг.3 - то же, пьезоэлементы выполнены в виде пьезоэлектрических дисков; на фиг,4 - расположениесил на криволинейной поверхности ротора, действующих на конце пластин,55 60 65 которыми снабжены пьезоэлементыф на аиг.5 - разложение скоростей.Пьезоэлектрический двигатель содержит ротор 1, установленный в корпусе 2 с закрепленным на роторе 1 пьезоэлементом 3 и коллектором 4, к которому подключены выводы 5 от пьезоэлемента 3. На корпусе 2 закреплен второй пьезоэлемент б, Кольцо 7 охватывает пьезоэлементы 3 и б. Оба пьезоэлемента 3 и б снабжены пластинами 8, выполненными, например иэ металла или керамики, упруго прижатыми к внутренней поверхности коль ца 7. Пластины 8 пьезоэлементов 3 и б расположены под углами 30-80 и 150-100 соответственно к внутренней поверхности кольца 7, либо под одинаковыми углами (показано пунк.тиром).Двигатель работает следующим образом.В одном или сразу двух пьезоэлементах 3 и б возбуждают акустические колебания: продольные колебания по длине брусков, если пьезоэлементы в виде пьезоэлектрических брусков, и радиальные колебания, если пьезоэлементы выполнены в виде пьезоэлектрических дисков.При выполнении пьезоэлементов в виде пьезоэлектрических брусков двигатель работает следующим образом.Под действием возбуждающего электрического напряжения пьезоэлемент периодически удлиняется и укорачиваетсяПри этом пластины 8 перемещаются по криволинейной поверхности кольца 7. При удлинении пьезоэлемента,пластины 8, прижатые к поверхности кольца 7 несколько изгибаются и эа счет сил трения сообщают кольцу 7 вращающий момент,При этом впластинах 8 генерируется волна изгибных колебаний, которая распространяется вдоль пластин 8 до места их . закрепления в пьезоэлементе, Если толщина пластины 8 в 5-10 раз меньше толщины бруска пьезоэлемента (для дисков это всегда выполняется), то при укорочении пьезоэлемента волна изгиба поднимает конец пластины 8 над поверхностью кольца 7, позволяя пьезоэлементу возвратиться.в исходное состояние. Таким образом, на конце пластины 8 взаимодействуют два типа акустических колебаний - продольные и изгибные, и при работе двигателя с высокими КПД конец пластины 8 движется по эллипсу.Изменение скорости вращения в двигателе осуществляется с помощью включения одного или сразу же двух пьезоэлементов. Если включен пьезоэлемент 3, то кольцо 7 заторможено посредством пьезоэлемента 6, закре- пленного на корпусе двигателя, а пьезоэлемент 3 вращает ротор относительно заторможенного кольца 7, а 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 следовательно, и корпуса с одинаковой скоростью. Если включены оба пьезоэлемента, Фо пьезоэлемент 6 вращает кольцо 7 относительно корпуса с одной скоростью, а пьезоэлемент 3 вращает ротор 1 относительно кольца 7 с другой. Таким образом, скорость ротора 1 относительно корпуса двигателя равна сумме двух скоростей кольца 7 относительно корпуса и ро" тора 1 относительно кольца 7. Возможен также случай, когда пьезоэлемент б включен, а пьезоэлемент 3 выключен. При этом ротор 1 относительно кольца. 7 заторможен пьезоэлементом 3 и его скорость определяется скоростью кольца 7 относительно корпуса двигателя. Таким образом, если параметры питающего пьезоэлементы напряжения одинаковы, то, включая один или два пьезоэлемента, можно в два раза уменьшать или увеличивать скорость вращения двигателя при неизменном вращающем моменте на валу двигателя.Если углы наклона пластин обоих пьезоэлементов одинаковы .(доказано пунктиром), то включение одного или другого пьезоэлемента обеспечивает вращение ротора в противоположные стороны.Если диаметры рабочих поверхностей кольца 7 выполнить различными для каждого пьезоэлемента, то может быть получено три значения скорости вращения, Однако прн этом момент не сохраняется постоянным.Выбор наклона пластины 8.пьезоэлементов к внутренней поверхности кольца 7 определяет работу двигателя с высокими характеристиками.Пусть пластины 8 прижаты к внутренней поверхности кольца 7 под угломд. (аиг.4). Вращение ротора двигателя осуществляется за счет силы продольных колебаний Г,. пьезоэлемента. Эта сила на криволинейной поверх" ности кольца раскладывается на составляющие: Р, - силу поперечных колебаний,Г. - тянущую силу, У - зацепляющую силу и Р, - тормозящую силу. Все эти силы связаны соотношениями:Р,соз т4,:т Чс, Фи сЕсли учесть, что радиус кольца 7 равен В , то момент, развиваемый двигателем,фт "тЖ=оцф -:При удлинении конца пластины 8 пьезоэлемента со скоростью ч (аиг.5) скорость точки ее соприкосновения с кольцом 7 вдоль касательнойЧ =Чо /сайф сИз приведенных Формул видно,чтс увеличением угла контакта момент,развиваемый двигателем, уменьшается,так как нращающая ротор сила уменьшается до 0,17 Р для угла контакта80, а скорость вращения ротора возрастает. Практически при некоторыхуглах контакта вращающий момент становится сравним с моментом трения вподшипниках и двигатель останавлива-,ется. Кроме того, при больших углахОконтакта происходит значительное поглощение акустической энергии коль"ном. Все это приводит к тому, чтопри углах контакта, близких к 90 ф,двигатель работает с очень низким 5КПД,Для работы двигателя с высокимКПД необходимо чтобы конец пластины8 двигался по эллипсу. Для этого необходимо наличие поперечной состанляющей силы Р (сила (Р ). Соотношение сил Р, и Р,определяет соотношение большой и малой осей эллипса,а также величину зацепляющей силы Рз .С уменьшением угла контакта сила Р, уменьшается. Эллипс вытягивается и наступает момент, когда конецпластины 8 не может оторваться отнеровностей поверхности кольца 7 иначинает тормозить кольцо при обратном движении.30Кроме того, с уменьшением углаконтакта уменьшается зацепляющая сила Р , которая обеспечивает фрикционный контакт между пластинами 8 икольцом. При углах контакта менее 30 ф 35она становится меньше 0,5 Р, , что всочетании с увеличением вытянутостиэллипса приводит к значительномуухудшению работы двигателя.Описанное аналогично и для пьеэо.элемента, у.которого пластины 8 расположены под углом 150-100 к внутренней поверхности кольца 7.Так как пластины 8 находятся поднекоторым углом к поверхности кольца 7, то н него проникает незначительная часть акустической энергиипьезоэлемента. Некоторая часть энергии отражается от кольца, превраща- .ясь в энергию волны изгибных колебаний, а основная ее часть преобразу ется в энергию вращения ротора. Поэтому предлагаемая конструкция двигателя имеет КПД до 50-60.1Так как Фрикционное взаимодейст" вие в двигателе осуществляется с помощью пластин 8, для обеспечения высокого ресурса работы двигателя они должны быть выполнены из твердого износостойкого материала, напри 60 мер из нержавеющей стали, твердых сплавов, керамики, минералокерамики, монокристаллов рубина, сапфира, корунда и прочих подббных материалов. 65 Выполнение пьезоэлементов в виде дисков позволяет разместить на их цилиндрических поверхностях большое количество пластин 8, что приводит к увеличению вращающей ротор силы, а это позволяет более чем в 10 раз увеличить развиваемый двигателем момент,П р и м е р . Пьезоэлектрический двигатель собирают в корпусе, изготовленном иа текстолита. С одной стороны в корпус запрессонынают подшипник скольжения, с другой стороны корпус закрьвают крышкой. Крышку корпуса выполняют также из текстолита. На крышке имеется цилиндрический выступ. В зависимости от Формы пьезоэлемента в выступе либо выполнено скнозное прямоугольное этверстие, либо сам выступ имеет проточку, В первом варианте в отверстие нстанлен пьезоэлемент в виде брусКа, во втором варианте дисковый пьезоэлемент вклеен с помощью эпоксидной смолы в проточку. Ротор двига теля имеет стальную ось., на которой закреплен держатель пьезоэлемента, который имеет форму цилиндра со слегка заоваленной нижней частью. В нижней части держателя закреплен коллектор, выполненный н виде диска с латунными концентрически расположенными кольцами, к которым прижаты угольные щетки. Выше коллектора имеется отверстие, н которое вставлен пьезоэлемент в виде бруска. Во втором варианте держатель имеет проточку, в которую вклеен дисковый пьезоэлемент, В обоих вариантах держатель выполнен из текстолита. Оба пьезоэлемента охватывают кольцо, выполненное иэ керамики 22 ХС. Кольцо имеет внутренний диаметр 38 мм и толщину стенок 3 мм. Пьезоэлементы в виде бруска имеют размеры 34 х 7 х 3,5 мм, а пьезоэлементы в виде дисков имеют внешний диамтр 34 мм, внутренний 12 мм и толщину 3 мм. Пластины изготовлены из стали 65 х 13 толщиной 0,1 мм и выступают примерно на 3 мм иэ пьезоэлемента, в который вклеены с помощью эпоксидной смолы. Угол касания пластин кольца составляет примерно 30 и 150 соответственно. Скорость вращения при .напряжении 50 В для первого варианта двигателя составляет.2 с , для второго - 1,5 спри одном включенном пьезоэлементе. Момент на валу соотнетсвенно равен 1,5 и 20 Н см при КПД 48 и 35.Таким образом, предлагаемая кон:струкция пьезоэлектрического двигателя позволяет ступенчато изменять скорость вращения без изменения вращающего момента, что позволяет уменьшить коэффициент детонации магнито1695/50 Тираж 683ВНИИПИ Государственного комипо делам изобретений и35, Москва, Ж, Раушска Зака 130 илиал ППП "Патентф, г,.ужгород, ул.Проектная,4 фона при изменении скорости протягивания ленты. Кроме того, сохраняется постоянным коэффициент полезного действия двигателя при изменениискорости его вращения, что очень важ,но для переносных магнитофонов. Подписноеета СССРкрытийнаб., д.4/5