Вибродвигатель и способ его изготовления

 

Использование: для создания малогабаритных и эффективных двигателей и электромеханических преобразователей. Сущность изобретения: в вибродвигателе средняя часть болта выполняется в виде упругого преобразователя растягивающего усилия во вращательный момент, например цилиндрической пружины, резьбового стержня, косых перемычек. В качестве припоя используется сплав олово-кадмий-свинец, затвердевающий в отсутствие внешних нагрузок. Параметры и размеры болта, прокладки, а также слоев пьезокерамики и припоя выбираются из определенного соотношения. При изготовлении припой наносят не только на прокладки и слои пьезокерамики, но и на металлические шайбы, а термореактивную пайку проводят после сборки, причем припой наносят слоем 5 - 7 мкм, а сборку завершают закручиванием предварительно разогретого болта. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания малогабаритных и эффективных двигателей и электромеханических преобразователей.

Известны вибродвигатели с соосно расположенными статором и ротором, при этом пьезокерамический элемент расположен на статоре и соединен с ротором радиальными гибкими волноводами (см. ав. свид. N 573829, кл. H 01 L 41/00, 1976, заявку РСТ N 88/06816, кл. H 02 N 2/00, 1988).

Этим двигателям свойственны значительные габариты (в радиальном направлении) и малый КПД из-за отсутствия предварительного смещения (напряжения) пьезоэлемента.

Известны также вибродвигатели "пакетной" конструкции, содержащие статор в виде стянутых болтом металлических шайб, между которыми размещены торсионный и продольный вибраторы, а также ротор и средства регулировки (см. патенты США NN 4764702, 4933590 и 4965482, кл. H 01 L 41/08, 1988, 1990 и 1990).

Однако эти двигатели сложны и нестабильны прежде всего из-за непостоянства прижимного усилия.

В некоторых вибродвигателях используют спиральные пружины и металлические тросы в качестве элементов, соединяющих подвижную и стационарную части (см. патент США N 4435667, кл. H 04 R 7/00, 1984 и ав. свид. N 1155245, кл. H 04 R 17/00, 1982).

Этим двигателям также свойственны перечисленные выше недостатки: большие габариты и низкая эффективность в первом случае, нестабильность и низкая эффективность во втором (мягкий трос еще более увеличивает нестабильность прижимного усилия и не способствует возникновению крутильных колебаний).

Наиболее близким к предложенному является вибродвигатель по патенту США N 4933590, содержащий статор в виде двух соединенных болтом шайб, между которыми размещены по меньшей мере два слоя пьезокерамики, разделенных металлическими прокладками и слоями припоя, а также ротор, установленный на одной из металлических шайб (концентраторе) с возможностью вращения.

В процессе его изготовления на слои пьезокерамики и металлические прокладки наносят припой, после чего производят пайку и окончательную сборку двигателя.

Известный двигатель включает также пружину, стабилизирующую прижимное усилие, продольный активатор (вибратор) и средства его прижима.

Помимо уже упомянутых недостатков (сложность и нестабильность прижимного усилия), этот двигатель неудобен в эксплуатации, так как ротор размещен между двумя вибраторами. Необходимость обеспечения фазового сдвига между напряжениями, питающими вибраторы, приводит к усложнению электрической схемы двигателя. Следует заметить также, что хотя наличие стабилизирующей пружины и снижает разброс параметров вибродвигателей на момент изготовления, старение пружины приводит к наличию временного дрейфа их параметров.

Технической задачей изобретения явилось создание простого и надежного вибродвигателя со стабильными параметрами и широкими функциональными возможностями.

Указанная задача достигается прежде всего тем, что в известном вибродвигателе средняя часть болта выполнена в виде упругого преобразователя растягивающего усилия во вращательный момент, например косых перемычек, резьбового стержня, цилиндрической пружины.

В качестве припоя целесообразно использовать сплав олово-кадмий-свинец, затвердевший в отсутствие внешних нагрузок.

Необходимо также, чтобы параметры и размеры болта, прокладки, а также слоев пьезокерамики и припоя выбирались из определенного соотношения.

С этой целью в известном способе изготовления вибродвигателя припой наносят не только на прокладки и слои пьезокерамики, но и на металлические шайбы, а пайку, в частности, термореактивную, производят после сборки, причем припой наносят слоем 5 7 мкм, а сборку завершают закручиванием предварительно разогретого болта.

На фиг.1 изображен разрез вибродвигателя; на фиг.2 4 выполнение болта с преобразователем растягивающего усилия во вращающий момент; на фиг.5 и 6 выполнение металлической шайбы волновода-концентратора; на фиг.7 слои пьезокерамики до пайки; на фиг.8 после проведения термореактивной (контактно-реактивной) пайки.

Вибродвигатель содержит металлические шайбы 1 и 2 (фиг.1). Шайба 1 может быть совмещена с головкой болта 3, а шайба 2 является волноводом-концентратором продольно-крутильных колебаний. Торцевая часть 4 болта 3 закреплена в шайбе 2. Слои 5 пьезокерамики с чередующейся поляризацией вдоль образующей или окружности расположены между шайбами 1, 2. Напряжение от источника питания подводится к расположенным между слоями 5 металлическим прокладкам 6 и шайбам 1, 2 (фиг.5). Преобразователь 7 продольных усилий во вращающий момент выполнен в виде нескольких косых перемычек 8, 9, закрепленных на торцевой части 4 и головке 1 болта 3, в виде резьбового стержня 10 или пружины 11, концы которой закреплены в части 4 и головке 1 (фиг.2 4). С шайбой 2 контактирует ротор 12 (фиг.1), снабженный подшипником 13 вращения. Металлическая шайба 2 выполнена в виде ступенчатого цилиндра с широкой (d₁), и узкой (d₂) частями (фиг.5) или двух коаксиально расположенных цилиндров 14, 15, соединенных между собой по меньшей мере тремя ребрами жесткости 16 (фиг.6). На фиг.7 показаны слои 17 гальванического покрытия олово-свинец и слои 18 гальванического покрытия олово-кадмий, образующие в результате слой 19 припоя олово-кадмий-свинец.

Жесткость преобразователя 7 должна быть достаточной для создания номинального напряжения сжатия пьезокерамики (порядка 100 кг/см², а его упругость существенно усилить крутильные колебания, передаваемые ротору 12. Это обеспечивается использованием перемычек 8, 9, стержня 10 или пружины 11 из стали или титана. При этом глубина и шаг резьбы на стержне 10 должны превышать те же величины на остальной части болта 3.

Выполнение головки болта за одно целое с шайбой 1 упрощает устройство, однако возможно и их раздельное выполнение, как это показано в известных вибродвигателях. Точно также, возможно использование любых известных припоев, однако сплав олово-кадмий-свинец позволяет получить наилучшие результаты.

Ниже приводится равенство, соблюдение которого обеспечивает высокую стабильность параметров двигателя , где σ_к номинальное напряжение сжатия пьезокерамики, кг/см²; l_б суммарная толщина слоев пьезокерамики, припоя и металлических прокладок (длина рабочей части болта), см; α_б коэффициент термического расширения материала болта, 1/град; l_к толщина слоев пьезокерамики (также суммарная), см; α_к коэффициент термического расширения пьезокерамики, 1/град; l_м суммарная толщина металлических прокладок, см; α_м коэффициент термического расширения материала прокладки, 1/град; l_п суммарная толщина слоев припоя, см;
α_п коэффициент термического расширения припоя, 1/град;
S_б сечение болта, см²;
S_к площадь слоев пьезокерамики, см²;
E_б модуль Юнга материала болта, кг/см²;
ΔT разность температур кристаллизации припоя и комнатной, град.

В процессе изготовления вибродвигателя слои 5 и прокладки 6, а также контактирующие с ними поверхности шайб 1, 2 покрываются припоем. В частности, на металлические детали наносят гальванический сплав олово-свинец, содержащий 40 мас. свинца, толщиной 5 7 мкм. На пьезокерамику с двух сторон наносят гальваническое покрытие олово-кадмий с содержанием кадмия 40 мас. той же толщины. Затем, соединив детали предварительно разогретым до температуры 160 180^oC болтом, проводят контактно-реактивную пайку при температуре 150 - 160^oC. В результате происходит надежное электрическое и механическое соединение элементов конструкции с минимальными по толщине паяными швами. Это обеспечивает повышение добротности электромеханического преобразователя, образованного шайбами 1, 2, слоями 5 и болтом 3 с преобразователем 7, в то же время не ухудшая прочности паяного соединения, компенсируя непараллельность сопрягаемых деталей, исключая пористость соединения и обеспечивая оптимальное соотношение интерметаллида и припоя в нем.

При фиксации конструкции разогретым болтом 3 возникают напряжения сжатия, обеспечивающие надежный контакт сопрягаемых поверхностей в процессе пайки, когда между деталями образуются слои жидкого припоя. В этот момент происходит релаксация предварительных напряжений. При последующем охлаждении, начиная с температуры кристаллизации припоя олово-свинец-кадмий (145^oC) и кончая комнатной температурой, различие коэффициентов термического расширения приводит к появлению всегда одной и той же сжимающей силы, которая и определяет номинальное значение напряжения сжатия пьезокерамики.

Разумеется, толщина и состав слоев 17, 18 могут отличаться от указанных, как и способ пайки, однако вышеприведенные режимы и соотношения являются оптимальными. Существенно также, что отсутствие предварительного стягивающего усилия в процессе пайки (кристаллизации припоя), или, что то же, соблюдение нулевого отношения предварительного и термического стягивающих усилий, обеспечивает не только стабильность параметров двигателей на момент изготовления, но и линейность их характеристики за счет исключения перекоса преобразователя 7.

В вышеприведенном соотношении параметры преобразователя 7 учитываются при расчете параметров болта 3 следующим образом: коэффициент термического расширения, модуль Юнга, сечение и длина берутся для центральной (свободной) рабочей части болта, на которой расположен преобразователь 7, т.е. для преобразователя высотой l_б.

Вибродвигатель работает следующим образом.

Напряжение от внешнего источника переменного напряжения с частотой, равной или близкой к частоте одного из резонансов болта 3 и концентратора 2, через соответствующие выводы (не показаны) подается на электроды пьезоэлемента, образованного слоями 5, возбуждая в нем продольные и другие колебания, которые через преобразователь 7, формирующий крутильные колебания, и концентратор 2 передаются ротору 12. Ротор 12 начинает вращаться. Расстройка частоты приводит к реверсу.

Например, металлические элементы двигателя изготавливали из титана. Двигатель состоял из двух слоев пьезокерамики, между которыми размещалась одна прокладка. Толщина одного слоя пьезокерамики составила 0,35 см, площадь 1,1 см². Суммарная толщина паяных швов была равна 0,004 см, сечение болта - 0,237 см². По вышеприведенному соотношению была рассчитана толщина прокладки 0,04 см. Покрытие олово-свинец наносилось на металлические детали из борфтористоводородного электролита, а на пьезокерамику из сернокислого электролита наносилось гальваническое покрытие олово-кадмий. Толщина покрытий составила 7 мкм. Совмещение деталей производилось с использованием соответствующей оснастки, после чего детали фиксировались болтом, разогретым до 180^oC в термошкафу. Конструкция немедленно помещалась в глицериновую ванну для проведения контактно-реактивной пайки. Охлаждение производилось на воздухе.

В результате на частоте 80 кГц было получено вращение пассивного ротора со скоростью 2800 об/мин. К реверсу приводила расстройка частоты в 1,5% Мощность двигателя составила 1,5 Вт, а его добротность по сравнению с известными конструкциями возросла на 20%

Формула изобретения

1. Вибродвигатель, содержащий статор в виде двух соединенных болтом металлических шайб, между которыми размещены по меньшей мере два слоя пьезокерамики, разделенных металлическими прокладками и слоями припоя, а также ротор, установленный на одной из металлических шайб с возможностью вращения, отличающийся тем, что средняя часть болта выполнена в виде упругого преобразователя растягивающих усилий во вращательный момент.

2. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь растягивающих усилий во вращательный момент выполнен в виде косых перемычек, концы которых закреплены на торцевых частях болта.

3. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь растягивающих усилий во вращательный момент выполнен в виде резьбового стержня.

4. Вибродвигатель по п. 3, отличающийся тем, что глубина и шаг резьбы резьбового стержня превышают соответствующие параметры резьбы на торцевой части болта.

5. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь растягивающих усилий во вращательный момент выполнен в виде цилиндрической пружины, концы которой закреплены на торцевых частях болта.

6. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка болта выполнена за одно целое с одной из металлических шайб.

7. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что металлическая шайба, на которой установлен ротор, выполнена в виде ступенчатого цилиндра.

8. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что металлическая шайба, на которой установлен ротор, выполнена в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, соединенных между собой по меньшей мере тремя ребрами жесткости.

9. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве припоя использован сплав олово кадмий свинец.

10. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что параметры и размеры болта, прокладки, а также слоев пьезокерамики и припоя определяются из равенства

где σ_к номинальное напряжение сжатия пьезокерамики, кг/см²;
l_б суммарная толщина слоев пьезокерамики, припоя и металлических прокладок (длина рабочей части болта), см;
α_б коэффициент термического расширения материала болта, град^-1;
l_к толщина слоев пьезокерамики (также суммарная), см;
α_к коэффициент термического расширения пьезокерамики, град^-1;
l_m суммарная толщина металлических прокладок, см;
α_m коэффициент термического расширения материала прокладки, град^-1;
l_п суммарная толщина слоев припоя, см;
α_п коэффициент термического расширения припоя, град^-1;
S_б сечение болта, см²;
S_к площадь слоев пьезокерамики, см²;
Е_б модуль Юнга материала болта, кг/см²;
ΔT разность температур кристаллизации припоя и комнатной, град.

11. Вибродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что слои припоя выполнены из материала, закристаллизовавшегося при нулевом стягивающем усилии.

12. Способ изготовления вибродвигателя, включающий нанесение припоя на слои пьезокерамики и металлические прокладки, пайку и сборку вибродвигателя, отличающийся тем, что припой наносят также на металлические шайбы, а пайку производят после сборки.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что производят термореактивную пайку.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что припой наносят слоем 5 7 мкм.

15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что на одну из сопрягаемых деталей наносят припой в виде гальванического сплава олово свинец, а на другую - сплава олово кадмий, при содержании свинца и кадмия, равном 40 мас. соответственно.

16. Способ по пп. 13 и 15, отличающийся тем, что контактнореактивную пайку проводят при 150 160^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8