Реверсивный пьезоэлектрический двигатель
Использование: безредукторный серводвигатель с широким диапазоном частот вращения для систем автоматики. Сущность изобретения: двигатель содержит два пьезоэлектрических осциллятора с толкателями, отогнутыми в противоположных направлениях, взаимодействующими с индивидуальными роторами. Между роторами размещены тела качения (шарики), связанные диском-сепаратором с выходным валом. При подаче на один из осцилляторов высокочастотного напряжения соответствующий ротор вращается в ту или другую сторону, увлекая тела качения и приводя во вращение выходной вал. При одновременном включении осцилляторов частота вращения ротора составит алгебраическую полусумму частот вращения роторов. Во втором варианте роторы попеременно сочленяются с выходным валом посредством фрикционных элементов. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к пьезоэлектрическим приборам, а более точно к реверсивным пьезоэлектрическим двигателям вращательного движения, и может найти применение в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов, в частности таких, как лентопротяжные механизмы магнитофонов, устройства ввода-вывода, цифропечатающие устройства, в автомобильной промышленности в качестве приводов стеклоочистителей, стеклоподъемников и др.
Известен реверсивный пьезоэлектрический двигатель [1] включающий ротор с установленным внутри него пьезоэлектрическим осциллятором в виде стержня, с толкателями на концах. Осциллятор укреплен на качающемся рычаге так, что в крайних положениях рычага с рабочей поверхностью ротора взаимодействует один из толкателей, обеспечивая вращение ротора в соответствующую сторону. Недостаток такого двигателя ограниченная удельная мощность (отнесенная к объему) вследствие того, что крутящий момент обеспечивается взаимодействием лишь одного толкателя. (Увеличение числа осцилляторов и/или толкателей усложняет конструкцию, но проблемы мощности не решает.) Известен реверсивный пьезоэлектрический двигатель [2] Двигатель содержит два соосно установленных пьезоэлектрических осциллятора с электродами и толкателями. Один из осцилляторов установлен на статоре неподвижно, другой - на выходном валу, при этом электрический контакт электродов подвижного осциллятора осуществлен с помощью контактных колец и щеток. Толкатели на осцилляторах отогнуты в одном направлении и взаимодействуют с промежуточным ротором в виде цилиндра. При подаче переменного напряжения на электроды неподвижного осциллятора его толкатели вращают промежуточный ротор и далее - выходной вал с подвижным осциллятором за счет трения его толкателей, отогнутых по ходу вращения промежуточного ротора. При подаче напряжения на электроды подвижного осциллятора его толкатели, взаимодействуя с неподвижным промежуточным ротором, заторможенным толкателями неподвижного осциллятора, вращают подвижный осциллятор с выходным валом в обратном направлении. При отсутствии напряжения на обоих осцилляторах двигатель заторможен. Недостатком этого двигателя является наличие контактных колец со щетками, существенно снижающих его надежность, а также ограниченный момент, поскольку момент на выходной вал передается от активного (включенного) осциллятора за счет сил трения прижатых к промежуточному ротору толкателей пассивного осциллятора, т.е. пара "промежуточный ротор пассивный осциллятор" является фактически фрикционной муфтой с ограниченным моментом. Что касается отрицательного влияния контактных колец, то необходимо учитывать следующие обстоятельства. Для работы осциллятора на его электроды необходимо подавать высокочастотное напряжение в сотни вольт при токах от долей до нескольких ампер, что ограничивает применение двигателей с такими токоподводами во взрывоопасных условиях. В основу изобретения положена задача создания реверсивного пьезоэлектрического двигателя с таким конструктивным исполнением, которое позволило бы за счет выполнения промежуточного ротора из двух независимых частей, каждая из которых может быть связана с выходным валом, во-первых, повысить надежность двигателя за счет неподвижной установки в корпусе обоих осцилляторов, избавившись, таким образом, от необходимости применения скользящих контактов, и, во-вторых, уменьшить или исключить ограничение крутящего момента. Поставленная задача решается тем, что в реверсивном пьезоэлектрическом двигателе (I вариант), содержащем корпус с размещенными в нем двумя пьезоэлектрическими осцилляторами, на рабочих поверхностях которых наклонно укреплены толкатели, фрикционно сопряженные с рабочей поверхностью ротора, связанного с выходным валом, согласно изобретению оба осциллятора установлены в корпусе неподвижно, толкатели на осцилляторах отогнуты в противоположных направлениях, а ротор выполнен из двух независимых частей индивидуальных роторов, между которыми размещены связанные с выходным валом тела качения, взаимодействующие с роторами фрикционно или путем зубчатого зацепления. При этом согласно изобретению осцилляторы выполнены в виде плоских колец с электродами на плоских поверхностях и цилиндрическими рабочими поверхностями. Кроме того, согласно изобретению рабочие поверхности роторов выполнены цилиндрическими. При этом согласно изобретению осцилляторы и их роторы расположены концентрично. А также согласно изобретению двигатель содержит элементы для упругого прижатия роторов к телам качения, взаимодействующим с роторами фрикционно. Кроме того, согласно изобретению рабочие поверхности роторов выполнены коническими и ориентированы вершинами встречно. А также согласно изобретению осцилляторы выполнены в виде цилиндров с электродами на цилиндрических поверхностях и торцовыми рабочими поверхностями, а рабочие поверхности роторов выполнены плоскими. Поставленная задача решается также тем, что в реверсивном пьезоэлектрическом двигателе (II вариант), содержащем корпус с размещенными в нем двумя пьезоэлектрическим осцилляторами в виде плоских колец, на цилиндрических рабочих поверхностях которых наклонно укреплены толкатели, фрикционно сопряженные с рабочей поверхностью ротора, связанного с выходным валом, согласно изобретению оба осциллятора установлены в корпусе неподвижно, толкатели на осцилляторах отогнуты в противоположных направлениях, ротор выполнен из двух независимых частей индивидуальных для каждого осциллятора роторов, снабженных на внешних торцах фрикционными элементами, с коническими рабочими поверхностями, ориентированными вершинами (меньшими основаниями) кнаружи, и при этом двигатель дополнительно содержит установленные на выходном валу по обе стороны роторов диски с фрикционными элементами для взаимодействия с фрикционными элементами роторов, а сами роторы связаны между собой в осевом направлении и установлены с возможностью вращения относительно друг друга и перемещения в осевом направлении до контакта в крайних положениях своих фрикционных элементов с фрикционными элементами дисков. Данное изобретение позволит существенно повысить надежность реверсивного пьезоэлектрического двигателя за счет отсутствия в нем подвижных (скользящих) контактов в цепи питания осцилляторов, а также повысить крутящий момент за счет уменьшения проскальзывания пассивной группы толкателей (т. е. толкателей обесточенного осциллятора) или исключения пассивной группы толкателей при передаче момента. В дальнейшем изобретение иллюстрируется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг. 1 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель с соосно расположенными парами элементов осциллятор ротор с цилиндрической рабочей поверхностью, с телами качения между роторами и с элементами для прижатия роторов к телам качения, продольный разрез, согласно изобретению; фиг. 2 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель, поперечный разрез А-А на фиг. 1, согласно изобретению; фиг. 3 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель с соосно расположенными парами элементов осциллятор ротор с конической рабочей поверхностью, с телами качения между роторами, согласно изобретению; фиг. 4 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель с соосно расположенными роторами, с телами качения в виде зубчатых колес между ними, согласно изобретению; фиг. 5 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель с соосно расположенными осцилляторами и роторами с плоскими рабочими поверхностями, с телами качения между роторами, согласно изобретению; фиг. 6A.6D изображают реверсивный пьезоэлектрический двигатель с концентричным расположением осцилляторов и роторов, с телами качения в виде зубчатых колес (валиков) или конических гладких роликов между роторами, согласно изобретению; фиг. 7 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель по II варианту с соосно расположенными и снабженными фрикционными элементами роторами и установленными на выходном валу дисками, согласно изобретению; фиг. 8 иллюстрирует работу реверсивного пьезоэлектрического двигателя по I варианту, согласно изобретению. Реверсивный пьезоэлектрический двигатель по I варианту (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором неподвижно установлены пьезоэлектрические осцилляторы 2 и 3 с толкателями 4 и 5 соответственно, и подвижно с возможностью вращения и осевого перемещения роторы 6 и 7, между которыми, как между обоймами упорного подшипника, размещены по окружности в круговых беговых дорожках-желобах тела качения шарики 8. Шарики установлены в отверстиях диска-сепаратора 9, укрепленного неподвижно на выходном валу 10 двигателя. Роторы 6 и 7 прижаты к шарикам 8 усилием пружин сжатия 11 через посредство упорных шариковых подшипников, в которых функцию обойм, между которыми размещены шарики 12, выполняют нажимное кольцо 13, роторы 6 и 7 и корпус 1. Тела качения могут быть выполнены также в виде зубчатых колес 14, установленных между роторами 6 и 7, имеющими по окружности соответствующие зубчатые венцы 15 (фиг. 4). Зубчатые колеса 4 установлены на осях 16 и поводках 17, укрепленных неподвижно на выходном валу 10. Пьезоэлектрические осцилляторы 2 и 3 радиальных колебаний акустически изолированы от корпуса 1 посредством прокладок 18 из эластичного материала (например, резины) и закреплены на нем с помощью гаек 19. Корпус 1 служит для защиты пьезоэлектрических осцилляторов и других элементов двигателя от повреждения, а также для закрепления пьезоэлектрического двигателя в изделии. Пьезоэлектрический осциллятор радиальных колебаний представляет собой электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую энергию колебательного, преимущественно в радиальном направлении, движения частиц активного элемента пьезоэлектрического осциллятора - пьезоэлемента 20, выполненного в виде тела вращения. Для создания в пьезоэлектрическом осцилляторе радиальных колебаний пьезоэлемент 20 выполнен в виде кольца (диска с отверстием) и изготовлен из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, с электродами 21 на плоских поверхностях кольца, снабженными выводами 22. Электроды представляют собой тонкое металлическое покрытие на шлифованной поверхности пьезоэлемента 20. Переменное напряжение от источника питания (на чертежах не показан) подводится к электродам 21 через выводы 22, припаянные к электродам, как показано на фиг. 1 (или контактным способом). На рабочих цилиндрических поверхностях пьезоэлементов укреплены толкатели 4, 5, которые другими концами упираются во внутренние поверхности роторов 6 и 7 под острым углом, причем в противоположных направлениях, образуя две группы разнонаправленных толкателей. На фиг. 3 показан аналогичный по компоновке реверсивный пьезоэлектрический двигатель с коническими рабочими поверхностями роторов 6 и 7 и косо срезанными концами толкателей 4 и 5. Такая форма элементов обеспечивает при работе двигателя возникновение на роторах 6 и 7 осевых усилий, обеспечивающих прижатие роторов к телам качения 3. В двигателе, показанном на фиг. 5, осцилляторы 2, 3 выполнены в виде полых цилиндрических элементов с электродами 21 на их цилиндрических поверхностях и с толкателями 4, 5, установленными на торцовых поверхностях. Толкатели 4, 5 на осцилляторах отогнуты в противоположных направлениях и упираются свободными концами в плоские поверхности роторов 6 и 7, между которыми размещены тела качения шарики 8, установленные в отверстиях диска-сепаратора 9, укрепленного на выходном валу 10. На фиг. 6 показан реверсивный пьезоэлектрический двигатель с концентричным расположением пьезоэлектрических осцилляторов и роторов. Осцилляторы 2 и 3 с толкателями 4 и 5 укреплены концентрично в корпусе 1. В пространстве между ними размещены роторы 6 и 7, а между роторами тела качения цилиндрические зубчатые колеса 14 в виде валиков, - взаимодействующие с зубчатыми венцами 15 на цилиндрических поверхностях роторов 6 и 7 (фиг. 6C). Зубчатые колеса 14 установлены на осях 16 и поводках 17, укрепленных неподвижно на выходном валу 10. На осях 16 в плоскости торцов роторов 6 и 7 установлены шайбы 23 (фиг. 6B), препятствующие осевому смещению роторов. Использование зубчатого зацепления между роторами 6 и 7 и телами качения зубчатыми колесами (валиками) 14 не требует дополнительного прижатия роторов к валикам. Однако в случае использования гладких (не зубчатых) тел качения (шариков или роликов) применяются специальные элементы для обеспечения необходимого усилия прижатия роторов к телам качения. На фиг. 6 показана схема взаимодействия ротора с телами качения в виде конических роликов 24. Ролики размещены между роторами 6 и 7 на осях 16; своей боковой поверхностью ролики касаются кромок роторов. В осевом направлении каждая пара роликов 24 поджата пружинной сжатия 25, усилие которой в сочетании с углом конусности роликов определяет усилие прижатия роторов к роликам. Реверсивный пьезоэлектрический двигатель (I вариант) работает следующим образом. При подаче на электроды 21 одного из пьезоэлектрических осцилляторов радиальных колебаний (2 на фиг. 1) электрического напряжения определенной частоты, равной или близкой к резонансной частоте продольных радиальных колебаний пьезоэлемента 20, в нем возникают продольные радиальные колебания. Эти колебания передаются установленным на рабочей цилиндрической поверхности пьезоэлемента толкателям 4. При расширении пьезоэлектрического элемента 20 его поверхность перемещает находящиеся с ней в механическом контакте внутренние концы толкателей 4 в радиальном направлении. Противоположные концы толкателей, упирающиеся наклонно в цилиндрическую рабочую поверхность ротора 6, вследствие заклинивания создают на роторе тангенциальное усилие (так как угол между толкателем и касательной к поверхности ротора меньше 90o), что вызывает вращение ротора 6 против часовой стрелки на фиг. 2. При сжатии пьезоэлемента 20 внутренние концы толкателей 4, укрепленные на поверхности пьезоэлемента, перемещаются в радиальном направлении к его центру. При этом внешние концы толкателей 4, взаимодействующие с поверхностью ротора 6, вследствие уменьшения усилия прижатия и соответственно уменьшения силы трения проскальзывают по рабочей поверхности ротора и занимают новое в окружном направлении ротора положение. Обратному повороту ротора 6 могут препятствовать в значительной степени силы инерции массы ротора и связанных с ним масс приводимого во вращение механизма. Такой процесс повторяется при колебаниях пьезоэлемента 20 и сопровождается возникновением постоянного момента, приводящего ротор 6 пьезодвигателя во вращение. Размещенные между вращающимся ротором 6 и неподвижным ротором 7 тела качения шарики 8, находящиеся во фрикционном взаимодействии с поверхностями роторов 6 и 7, перекатываются по их беговым дорожкам и увлекают за собой сепаратор 9, приводя во вращение выходной вал 10. Предотвращение проскальзывания тел качения шариков 8 по поверхности беговых дорожек на роторах 6 и 7 обеспечивается повышением силы трения между ними за счет увеличения взаимного прижатия роторов 6 и 7 к шарикам 8 под действием пружин сжатия 11. Использование тел качения в виде зубчатых колес 14, взаимодействующих с зубчатыми концами 15 на роторах (фиг. 4), исключает проскальзывание и не требует прижатия роторов к зубчатым колесам, но только фиксации расстояния между ними. При работе такого двигателя на один оборот ротора 6 сепаратор 9 с шариками 8 и соответственно выходной вал делают половину обороту, т.е. частота вращения выходного вала ниже частоты вращения ротора. При подаче переменного напряжения на другой осциллятор 3 и отключении осциллятора 2 работа двигателя будет происходить аналогично описанному выше, за исключением направления вращения обратного, за счет того, что толкатели 4 и 5 на осцилляторах 2 и 3 отогнуты в противоположных направлениях. Частота вращения роторов 6 и 7 определяется как резонансной частотой пьезоэлементов и конструктивными параметрами двигателя, в частности размерами и углом наклона толкателей, так и параметрами питающего напряжения частотой и амплитудой. Варьируя последний параметр, можно регулировать в широких пределах частоту вращения роторов двигателя и соответственно выходного вала 10. При одновременной подаче на оба осциллятора питающего напряжения частота вращения выходного вала 10 составляет алгебраическую полусумму частот вращения роторов 6 и 7:



Формула изобретения
1. Реверсивный пьезоэлектрический двигатель, содержащий корпус с размещенными в нем двумя пьезоэлектрическими осцилляторами, на рабочих поверхностях которых наклонно укреплены толкатели, фрикционно сопряженные с рабочей поверхностью ротора, связанного с выходным валом, отличающийся тем, что оба осциллятора установлены в корпусе неподвижно, толкатели на осцилляторах отогнуты в противоположных направлениях, при этом ротор выполнен из двух частей индивидуальных роторов, между которыми размещены связанные с выходным валом тела качения, взаимодействующие с роторами фрикционно или путем зубчатого зацепления. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что осцилляторы выполнены в виде плоских колец с электродами на плоских поверхностях и цилиндрическими рабочими поверхностями. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что рабочие поверхности роторов выполнены цилиндрическими. 4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что осцилляторы и роторы расположены концентрично. 5. Двигатель по п. 3 или 4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит элементы для упругого прижатия роторов к телам качения. 6. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что рабочие поверхности роторов выполнены коническими и ориентированы вершинами встречно. 7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что осцилляторы выполнены в виде цилиндров с электродами на цилиндрических поверхностях и торцевыми рабочими поверхностями, при этом рабочие поверхности роторов выполнены плоскими. 8. Реверсивный пьезоэлектрический двигатель, содержащий корпус с размещенными в нем двумя пьезоэлектрическими осцилляторами в виде плоских колец, на цилиндрических рабочих поверхностях которых наклонно укреплены толкатели, фрикционно сопряженные с рабочей поверхностью ротора, связанного с выходным валом, отличающийся тем, что оба осциллятора установлены неподвижно, толкатели на осцилляторах отогнуты в противоположных направлениях, ротор выполнен из двух частей индивидуальных роторов, снабженных на внешних торцах фрикционными элементами, с коническими рабочими поверхностями, ориентированными меньшими основаниями наружу, при этом двигатель дополнительно содержит установленные на выходном валу по обе стороны роторов диски с фрикционными элементами для взаимодействия с фрикционными элементами роторов, а роторы связаны между собой в осевом направлении и установлены с возможностью вращения относительно друг друга и осевого перемещения до контакта в крайних положениях своих фрикционных элементов с фрикционными элементами дисков.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8