Пьезоэлектрический двигатель

(51)5 Н 02 И 2 ЕНИЯ К ПАТЕНТ Цель измичности ителд. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР.(56) Авторское свидетельство СССРЕ 1278944, кл. Н Ог И 2/ОО, 1974,Патент Великобритании М 2118374,кл. Н 02 й 11/00, 1983.Авторское свидетельство СССРЯ 1063256, кл. Н.01 1 41/08, 1981,.(57) Использование; пьезоэлектрическийдвигатель может найти применение в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов, Сущностьизобретения: пьезоэлектрический двигатель содержит статор и ротор. Статор имееткорпус, пьезоэлектрический осциллятор радиальных колебаний, установленный накорпусе, содержащий пьезоэлемент и толкатели, размещенные наклонно между пьезоэлементом и ротором. Конец каждоготолкателя со стороны пьезоэлемента отоИзобретение относится к пьезоэлектрическимприборам, в частности к пьезоэлектрическим двигателям преимущественно вращательного движения, и может быть использовано в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов таких, как лентопротяжные механиз.мы магнитофонов, устройств ввода-вывода, цифропечатающих устройств, в автомобильной промышленности в качестве приводов стеклоочистителей, стеклоподъемников и др бретения - повышение эконо- дельной мощности пьезодвига гнут в виде пружины, посредством которои он укреплен в гнезде коллектора, установленного на корпусе соосно с пьезоэлементом. Каждый толкатель вь)пуклой стороной отогнутого койца удерживается посредством пружины в механическом контакте с пьезоэлементом, а другим концом упирается в поверхность ротора, Пружины всех толкателей могут быть направлены в одну сторону по окружности или встречно (для смежных пар толкателей). Кроме того, смежные толкатели могут быть укреплены на коллекторе на одной сдвоенной пружине. При подаче на электроды пьезоэлемента переменного напряжения в нем возникают радиальные колебания соответствующей частоты, передаваемые толкателям. Вследствие периодического заклинивания внешних концов толкателей при расширении пьезоэлемента и проскальзывания их по поверхности ротора при сжатии пьезоэлемента ротор начинает вращаться, 4 з.п,флы, 12 ил. На фиг, 1 показан пьезоэлектрический двигатель с цилиндрическим наружным ротором, охватывающим прижатые к нему толкатели, продольный разрез; на фиг, 2 - пьезоэлектрический двигатель, поперечный разрез; на фиг. За, Зб - толкатель с крепежной пружиной, выполненной в виде отогнутого конца пластины толкателя; на фиг. 4 а, 4 б изображен толкатель с крепежными пружинами. выполненными в виде отогнутых подрезанных боковых кромок пластины толкателя; на фиг. 5 и б изображены сдвоенные толкатели с крепежными пружинами, вы. полненными в виде изогнутой средней части пластины толкателей; на фиг. 7 -сдвоенный толкатель, крепежные пружины которого выполнены независимыми; на фиг, 8 ад - варианты исполнения однойиз двухкрепежных пружин сдвоенного толкателя; нэ фиг, 9 а - 9 д изображает различные формы крепления одинарных и сдвоенных толкателей; на фиг. 10 а, 10 б - вариант крепления сдвоенного толкателя в соответствии с фиг, 7; на фиг. 11 - крепление сдвоенного толкателя в пьезодвигателе с внешним кольцевым пьезоэлементом и размещенным внутри него ротором; фиг, 12 а - 12 г показаны в аксонометрии один из вариантов деталей коллектора, а также способы крепления коллектора к корпусу пьезоэлектрического двигателя и соединения деталей между собой.Пьезоэлектрический двигатель (фиг, 1, 2) содержит статор 1 - неподвижную часть пьезоэлектрического двигателя относительно изделия и ротор 2, установленный на статоре 1 с возможностью вращения в подшипнике (втулке) 3 От осевого смещения ротор зафиксирован посредством буртика 4 на валу 5 ротора и стопорной шайбой 6.Статор 1 пьезоэлектрического двигателя содержит пьезоэлектрический осциллятор 7 радиальных колебаний, акустически изолированный от корпуса 8 посредством прокладок 9 из эластичного материала (например, резины) и закрепленный на нем с помощью гайки 10. Корпус 8 служит для защиты пьезоэлектрического осциллятора 7 и других элементов двигателя от повреждения, а также для закрепления пьезоэлектрического двигателя в изделии с помощью крепежных отверстий 11.Пьезоэлектрический осциллятор 7 радиальных колебаний представляет собой электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую энергию колебательного, преимущественно в радиальном направлении, движения частиц активного элемента пьезоэлектрического осциллятора 7 - пьезоэлемента 12, выполненного в виде тела вращения. Для создания в пьезоэлектрическом осцилляторе 7 радиальных колебаний пьезоэлемент 12 выполнен в виде плоского диска с центральным отверстием для крепления или кольца (см.фиг. 11) изготовленного из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, с электродами 13 на плоских поверхностях кольца, снабженными выводами 14. Электроды представляют собой тонкое металлическое покрытие на шлифованной поверхности пьезоэлемента 12, которое может быть получено, в частности, напылением металла, химическим осаждением металла до необходимой толщины электродов. Переменное напряжение от источника питанияподводится к электродам 13 через выводы14, припаянные к электродам, Электроды5 могут быть подсоединены также и контактным способом,К рабочей цилиндрической поверхностипьезоэлемента 12 наклонно примыкают толкатели 15, которые другим концом упирают 10 ся во внутреннюю поверхность ротора 2 подострым углом. Крепление толкателей к корпусу производится с помощью отогнутых ввиде пружины 16 концов толкателей, которыми снабжен каждый толкатель индивиду 15 ально.Толкатели 15 могут быть выполнены спружиной 16, представляющей собой частьпластины-заготовки, особым образом отогнутой (фиг. 3 и 4), Концы пружин 16 толка 20 телей 15 укреплены в гнездах жесткогокольцевого коллектора 18, 19, который обеспечивает осевую и окружную фиксацию толкателей; такое крепление не препятствуетрадиальному перемещению конца толкате 25 ля, находящегося в контакте.с поверхностью пьезоэлемента 12,Толкатели могут быть выполнены одинарными (фиг. 2, 3, 4) или сдвоенными (фиг.5, 6, 7), Пружины 16 для крепления толкате 30 лей могут быть выполнены в виде изогнутойчасти пластины-заготовки, или как отдельные детали. В последнем случае для предотвращения осевого смещения толкателей наконцах таких пружин выполнены вырезы35 (фиг. 8 б) или уголки пружин отогнуты (фиг.8 в, г,д),Каждый толкатель выполнен из плоского (листового) упругого звукопроводящегоматериала, например из стали, латуни, фос 40 фористой бронзы.Одинарные толкатели 15 (фиг, За, Зв)могут быть установлены пружинами 16 в од- .ну сторону по окружности, кэк показано нафиг, 2, или же встречно, как показано на фиг.45 9 а, Примеры установки сдвоенных толкателей в коллекторе показаны на фиг. 96-9 д,10 а и 11,К корпусу 8 пьезодвигателя собранныйблок деталей 18, 19 коллектора с толкателя 50 ми 15 крепится посредством несколькихвинтов 20 (см,фиг, 12), Между собой детали18, 19 коллектора соединены стяжными винтами 21 с шайбами 22, при этом концы 17пружин 16 эажимаются между плоскими по 55 верхностями деталей 18. 19, что обеспечивает фиксацию толкателей в осевомнаправлении,Для облегчения установки блока толкателей на осциллятор может быть предусмотрен клиновой поджим концом толкателейпится к нему винтами 20. после чего концы17 пружин 16 толкателей окончательно под силы упругой деформации самих толкателей, К пьезоэлементу 12 тол кателя дополнительно прижаты их пружинами 16. Это 15 20 25 поперечный изгиб должна быть меньше.При этом пружины 16 толкателей должны 30 деталью 19 (фиг, 2,а). В этом случае блок толкателей с деталью 18 свободно устанавливается в корпусе 8 пьезоэлемента и крежимаются конической частью детали 19(фиг, 1),Прижатие толкателей 15 к ротору 2 и пьезоэлементу 12 осуществляется за счет обеспечивает гарантированный механи-. ческий контакт толкателей 15 с пьезоэлементом 12 при радиальных колебаниях последнего,Для равномерной механической нагрузки на пьезоэлемент число толкателей должно быть не менее двух одинарных или соответственно двух сдвоенных при равномерном расположении их по окружности.На фиг, 1, 2, 9 а, 10 а, 11 и радиальные зазоры между пьезоэлементом 12, коллектором 18, 19 и ротором 2 соответственно и длина толкателей условно показаны увеличенными; в действительности длина толкатеяей для повышения их жесткости на иметь меньшие радиальные размеры для предотвращения окружного смещения концов толкателей, находятся в контакте с поверхностью пьезоэлемента; их положение должно быть близким к касательной в точке контакта конца толкателя с пьезоэлементам.Ротор 2 пьезоэлектрического двигателя содержит три основных части - вал 5, напрессованный на него стакан 25 и фрикционную часть - кольцевую вставку 24, которая фрикционно взаимодействует с толкателями 15. Фрикционная часть выполнена из изйосостойкого материала; рабочая поверхность ее должна иметь минимальную шероховатость для уменьшения износа толкателей. Вал 5 ротора 5 установлен в подшипнике - втулке 3 из антифрикционного материала.Пьезоэлектрический двигатель может быть выполнен также с внутренним ротором, т.е, размещенным внутри кольцевого пьезоэлемента. В этом случае сдвоенные толкатели выполняют не расходящимися, как показано на фиг. 4,5 и 6, а сходящимися; способ их крепления не отличается от описанных выше, за исключением самой формы деталей (фиг, 11).Пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом. 35 40 45 50 55 При подаче на электроды 13 пьезоэлектрического осциллятора 7 (фиг. 1).радиальных колебаний электрического напряжения определенной частоты, равной или близкой к резонансной частоте продольных радиальных колебаний пьезоэлемента 12, в нем возникают продольные радиальные колебания. Эти колебания передаются толкателям 15,При расширении пьезоэлектрического элемента 12 его поверхность перемещает находящиеся в ней в механическом контакте внутренние концы тол кателей 15 в радиальном направлении, Противоположные концы толкателей, находящиеся во фрикционном взаимодействии с цилиндрической поверхностью фрикционного элемента 24 ротора 2, вследствие заклинивания, создают на роторе тангенциальное усилие (так как угол между толкателем и касательной к поверхности ротора меньше 90-), что вызывает поворот ротора на некоторый угол.Окружному смещению внутренних концов толкателей 15, находящихся в механическом контакте с цилиндрической боковой поверхностью пьезоэлемента 12, препятствуют пружины 16 толкателей, посредством которых толкатели укреплены на коллекторе, являющемся элементом статора, а также сила трения между ними и поверхностью пьезоэлемента, также являющимся элементом статора.Кроме того, фиксация толкателей в окружном направлении может быть осуществлена коллектором, в прорезях которого установлены толкатели (см.фиг, 9 г, 10),При сжатии пьезоэлемента 12 внутренние концы толкателей 15 перемещаются в радиальном направлении к центру пьезоэлемента под действием сил упругости как самих толкателей 15, так и усилия их крепежных пружин 16. При этом внешние концы толкателей 15, взаимодействующие с поверхностью фрикционного элемента 24 ротора 2, на мгновение отрываются от указанной поверхности и толкатели 15 под действием сил упругости распрямляются, и концы толкателей займут новое в окружном направлении ротора положение. либо, вСледствие уменьшения усилия прижатия концов (без их отрыва от поверхности фрикционного элемента 24) и соответственно уменьшения силы трения, концы толкателей проскальзывают по поверхности фрикционного элемента и занимают новое в окружном направлении ротора положение. Обратному повороту ротора 2 за счет того, что на поверхность фрикционного элемента 24 ротора воздействуют силы трения между" Г 5 ЦГ.нею и проскальзывающими по ней в окруж. ном направлении, концами толкателей 15, могут препятствовать в значительной мере силы инерции массы ротора и.связанных с ним масс приводимого во вращение меха низма.Такой процесс повторяется при колебаниях щезоэлемента. 12 и сопровождается возникновением постоянного момента, приводящего ротор 2 пьезодвигателя во 10 вращение.Предлагаемая конструкция крепления толкателей посредством пружин 16, концы которых (17) зафиксированы в гнездах коллектора (детали 18, 19); предотвращает ок ружное. смещение концов толкателей, находящихся в контакте с пьезоэлементом, а также их перекоса -поворот вокруг продольной оси, что повышает экономичность двигателя, Кроме того, такое крепление по зволяет увеличить по сравнению с прототипом число толкателей, что повышает удельную мощность двигателя.Блоки,.иэ которых состоит двигатель - .осциллятор, коллектор с толкателями, ро тор, корпус могут быть унифицированы, что позволит более просто расширить номенклатуру характеристик двигателей (мощность, частота вращения) за. счет применения осцилляторов разной толщины 30 (т.е, мощности) и блоков толкателей соответ-: ствующей ширины в унифицированном коллекторе; оба эти блока как сменные элементы могут быть установлены в унифицированном корпусе двигателя определен-: 35 ных габаритов. Кроме того, за счет различной длины толкателей при неизменных диаметрах пьезоэлемента и ротора можно изменить угол между толкателями и поверхностью фрикционного элемента ро тора, а, следовательно, и частоту вращенияротора. Формула изобретения 1. Пьезоэлектрический двигатель, содержащийротор., статор с пьезоэлементом кольцевого типа, установленным коаксиально с ротором, и размещенные между пьезоэлементом и ротором под.острым углом к их поверхностям толкатели с отогнутыми со стороны пьезоэлемента концами в виде листовых пружин, закрепленных на размещенном между пьезоэлементом и ротором коллекторе, при этом толкатели свободными концами упираются в поверхность ротора, а выпуклой стороной отогнутых концов - в пьезоэлемент, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения экономичности и удельной мощности, коллектор выполнен в виде неподвижно установленного на статоре жесткого кольца с гнездами для крепления отогнутых концов пружин.2. Двигатель по и. 1, о т л. и ч а ю щ и йс я тем, что пружины толкателей ориентированы в одном направлении по окружности.3. Двигатель по и, 1, отл и ч а ю щи йс я тем, что пружины смежных толкателей ориентированы, встречно по окружности,4. Двигатель по и. 3, о т л и ч а ю щ и йс я.тем, что пара смежных толкателей снабжена одной сдвоенной пружиной, выполненной из средней части пластины-заготовки пары толкателей.5, Двигатель поп.4, отл ич а ю щи йс я. тем, что пара смежных толкателей выполнена П-образной формы и снабжена дополнительными пружинами, выполненными в виде пары симметрично изогнутых пластин, размещенных междусмежными толкателями.1831760 . Фоставитель В, Котовехред М.Моргентал ректор Н. Милюкова едактор аказ 2654 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва,. Ж-Зб, Рэуаская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент",.г. Ужгород, ул.Гагарина, 101