Пьезоэлектрический двигатель

Двигатель относится к электротехнике и может быть использован в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. Двигатель содержит статор, выполненный в виде горизонтально натянутой струны, якорь, содержащий пьезоэлемент, подключенный к генератору переменного напряжения, и подвеску из металлического стержня, прикрепленную к пьезоэлементу и установленную на статоре в двух точках опоры. Пьезоэлемент подключен к генератору с помощью гибких проводов и возбуждает в подвеске упругие продольные и крутильные волны. Изобретение обеспечивает устойчивое положение якоря. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к пьезоэлектрическим двигателям, и может быть использовано в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике.

Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий осциллятор и ротор [Пьезоэлектрические двигатели. Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский B.C. - М.: Энергия, 1980]. Недостатком такого двигателя является необходимость использования износостойкой прокладки в месте взаимодействия осциллятора и ротора.

Известен также пьезоэлектрический двигатель [Александров В.А. Эффект транспортирования на струне // Датчики и системы. 2001. №6], состоящий из горизонтально натянутой струны и пьезоэлемента с подвеской. В данном двигателе струна служит статором, а пьезоэлемент с подвеской - якорем. Недостатком этого двигателя является то, что он не обеспечивает устойчивость положения якоря в моменты начала движения и торможения из-за того, что подвеска имеет только один участок опоры на струне. Незначительная неустойчивость также наблюдается и при установившемся движении.

Задачей изобретения является создание пьезоэлектрического двигателя с устойчивым положением якоря.

Задача решается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, включающем статор в виде горизонтально натянутой металлической струны и якорь, содержащий пьезоэлемент, подключенный к генератору переменного напряжения, и подвеску из металлического стержня, закрепленную одним концом к пьезоэлементу, а другим изогнутым концом свободно подвешенную на статоре, подвеска выполнена так, что она содержит два разнесенных участка опоры на статоре.

На фиг.1 изображен пьезоэлектрический двигатель, где 1 - статор, выполненный в виде горизонтально натянутой металлической струны, 2 - пьезоэлемент и 3 - подвеска, составляющие якорь, 4 - генератор переменного напряжения. Варианты двигателя а)-г) отличаются исполнением подвески.

На фиг.2 схематически изображены движения участков поверхности подвески при одновременном распространении продольных и крутильных нормальных упругих волн.

На фиг.3 изображены траектории движения частиц поверхности подвески при сложении волн с взаимно перпендикулярными колебаниями для различных значений их разности фаз.

Принцип работы пьезоэлектрического двигателя (см. фиг.1) заключается в следующем. После подключения пьезоэлемента 2 к генератору переменного напряжения 4 с помощью гибких проводов пьезоэлемент начинает колебаться и возбуждает в подвеске 3 из металлического стержня продольные (с поперечными смещениями из-за эффекта Пуассона) и крутильные нормальные волны одной и той же частоты. В результате этого в любой плоскости поперечного сечения подвески возбуждаются радиальные колебания и перпендикулярные им крутильные колебания. При этом частицы участков поверхности подвески, в том числе соприкасающихся со статором, приобретают эллиптически поляризованное вращательное движение, форма траектории и направление которого зависит от разности фаз крутильной и продольной волн. При определенных частотах колебаний пьезоэлемента это приводит к движению якоря (состоящего из пьезоэлемента и подвески) по поверхности статора 1. Направление движения якоря в пьезоэлектрическом двигателе устанавливается изменением частоты, а скорость определяется амплитудой и частотой электрического напряжения на пьезоэлементе.

Скорости продольной и крутильной волн в подвеске соответственно равны v_ξ=(E/ρ)^1/2 и v_ϕ=(μ/ρ)^1/2, где Е - модуль Юнга, μ - модуль сдвига и ρ - плотность материала подвески. Разность фаз крутильной и продольной волн на участке поверхности подвески равна ΔФ=(1/v_ϕ-1/v_ξ)ωx, где ω - круговая частота волн, x - расстояние участка поверхности подвески от источника волн.

Траектория движения частиц поверхности подвески в плоскости поперечного сечения при разности фаз крутильных и продольных волн ΔФ=(2m+1)π/2 (m=0; 1; 2; ...) приближенно представляет эллипс с осями, параллельными направлениям колебаний, при ΔФ=[(2m+1)π/2]±π/4 оси эллипса находятся под углом к радиусу стержня и при ΔФ=mπ траектории представляют собой отрезки прямой, составляющей с радиусом стержня угол ϕ=arctg[(A_ϕ/A_η)cosmπ], где А_ϕ и А_η - соответственно амплитуды крутильной волны и амплитуда поперечных смещений из-за эффекта Пуассона продольной волны.

Подбором частоты колебаний источника волн можно добиться необходимого значения разности фаз крутильной и поперечной волн и необходимой одинаковой формы траектории движения частиц поверхности подвески для обоих разнесенных участков опоры на статоре. Таким образом, возникает возможность движения якоря с двумя опорами и, следовательно, достигается устойчивость движения якоря и при старте, и при торможении. Поскольку движение якоря обусловлено колебаниями частиц поверхности подвески якоря, то применение натянутой струны в качестве статора позволяет перемещать якорь на большие расстояния в пределах длины струны.

Пьезоэлектрический двигатель, включающий статор, выполненный в виде горизонтально натянутой металлической струны, и якорь, содержащий пьезоэлемент, подключенный к генератору переменного напряжения, и подвеску из металлического стержня, закрепленную одним концом к пьезоэлементу, а другим - изогнутым - концом свободно подвешенную на статоре, отличающийся тем, что подвеска содержит два разнесенных участка опоры на статоре.