Электрический привод (варианты)

Привод предназначен для использования в электротехнике, точнее в электрических двигателях, использующих тепловой эффект. Такой двигатель может быть использован для создания приводов платформ для микроперемещений, применяемых преимущественно в нанотехнологиях. Электрический привод содержит модуль Пельтье, сопряженные с его рабочими поверхностями герметичные сильфонные коробки, свободные торцы которых и модуль Пельтье являются основаниями для закрепления подвижной и неподвижной платформ, датчик взаимного положения платформ, генератор Меандра переменной мощности. Изобретение обеспечивает повышение плавности линейного перемещения и расширение диапазона скоростей перемещения вниз. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, точнее к электрическим двигателям, использующим тепловой эффект. Такой двигатель может быть использован для создания приводов платформ для микроперемещений, применяемых преимущественно в нанотехнологиях.

В настоящее время для указанной цели применяют устройства перемещений, использующие пьезоэлектроприводы, например, описанные в патентах РФ на изобретения №№2254640, 2247467, 2221324 и на полезную модель №40550. Все данные электроприводы выполнены на основе пьезоэлементов и имеют общие с предлагаемым техническим решением только назначение и вид питания.

Известные электроприводы могут обеспечить малые (микро) перемещения, однако перемещение происходит не плавно, а скачками, дискретно. Такой привод является шаговым, поскольку питание пьезоэлементов импульсное, а реакция на импульс напряжения у пьезоэлемента имеет крутой фронт (малая постоянная времени «якоря»). Поэтому пьезодвигатель работает практически в режиме «прерывистых» токов - отсюда его малый кпд при низкочастотных импульсах и малый момент на валу.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение плавности линейного перемещения и расширение диапазона скоростей перемещения вниз.

Для решения указанной технической задачи электрический привод содержит модуль (в некоторой литературе элемент) Пельтье, сопряженные с его рабочими поверхностями герметичные сильфонные коробки, свободные торцы которых и модуль Пельтье являются основаниями для закрепления подвижной и неподвижной платформ, датчик взаимного положения платформ, генератор Меандра переменной мощности. Для осуществления микроперемещений в нескольких (2-х или 3-х) направлениях электропривод может содержать несколько сориентированных в направлениях перемещения модулей Пельтье и пар сильфонных коробок (соответственно для перемещений в плоскости два взаимно перпендикулярных элемента Пельтье и две пары сильфонных коробок, а для пространственных перемещений три элемента Пельтье и три пары сильфонных коробок). При этом элемент Пельтье кроме функции нагрева воздуха в полостях сильфонных коробок выполняет функцию «теплового насоса». А выбор сильфонов в качестве движителя основан на том, что при большой упругой деформации в продольном направлении они обладают достаточной жесткостью для восприятия поперечной нагрузки, например, веса рабочего стола.

Менее рациональным с точки зрения кпд (не происходит перекачка тепла), но более простым в реализации является вариант, когда электропривод содержит закрепленные на теплоизолированной опоре с противоположных сторон два модуля Пельтье, сопряженные с их внешними рабочими поверхностями герметичные сильфонные коробки, свободные торцы которых и теплоизолированная опора являются основаниями для закрепления подвижной и неподвижной платформ, датчик взаимного положения платформ, генератор Меандра переменной мощности. Также как и в первом варианте для осуществления микроперемещений в нескольких направлениях электропривод может содержать несколько закрепленных на опоре комплектов противоположно сориентированных в направлениях перемещения пар модулей Пельтье и сильфонных коробок.

Отличительными признаками предлагаемого электрического привода от известных являются следующие:

- по варианту 1 - модуль Пельтье, сопряженные с его рабочими поверхностями герметичные сильфонные коробки, свободные торцы которых и модуль Пельтье являются основаниями для закрепления подвижной и неподвижной платформ, датчик взаимного положения платформ, генератор Меандра переменной мощности, а также дополнительно, что электропривод содержит несколько сориентированных в направлениях перемещения модулей Пельтье и пар сильфонных коробок;

- по варианту 2 содержит закрепленные на теплоизолированной опоре с противоположных сторон два модуля Пельтье, сопряженные с их внешними рабочими поверхностями герметичные сильфонные коробки, свободные торцы которых и теплоизолированная опора являются основаниями для закрепления подвижной и неподвижной платформ, датчик взаимного положения платформ, генератор Меандра переменной мощности, а также дополнительно, что электропривод содержит несколько, закрепленных на опоре комплектов противоположно сориентированных в направлениях перемещения пар модулей Пельтье и сильфонных коробок.

Благодаря отличительным признакам достигнут следующий технический эффект: поскольку движение происходит за счет изменения температур в сильфонах, а управлять движением можно не только частотой, но и скважностью и амплитудой питающего напряжения, то движение торцов сильфонов, а соответственно и, например, рабочего стола происходит плавно, при этом диапазон скоростей и величин перемещения определяется мощностью модуля Пельтье, площадью и объемом сильфона, параметрами питающего напряжения, то диапазон рабочих скоростей, перемещений и нагрузок чрезвычайно широк; поскольку в предлагаемом приводе по сути отсутствуют кинематические связи, то ему не присущи кинематические погрешности; кроме того, данный привод технически достаточно прост, что особенно отражено в приводе для многокоординатного перемещения; данный привод очень экономичен (особенно первый вариант исполнения).

В результате поиска по источникам научно-технической и патентной литературы аналогов данному электрическому приводу не найдено, поэтому решение соответствует критерию «новое», отличительные признаки предложенного привода обеспечивают качественно новые характеристики приводов, а именно плавное перемещение, отсутствие кинематических ошибок, широкий диапазон исполнения и регулирования, поэтому решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Одной из основных областей применения данного электротеплового привода является нанотехнология, где требуются платформы с высокой точностью позиционирования и плавностью перемещения, причем особенно там, где дискретность перемещений недопустима. Поэтому предложенное решение отвечает требованию «промышленно применимо».

Предлагаемое изобретение поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 изображен электрический привод по первому варианту формулы.

На фиг.2 изображен электрический привод по второму варианту формулы.

Изображенный на фиг.1 электрический привод содержит модуль (элемент) Пельтье 1, сопряженные с его рабочими поверхностями герметичные сильфонные коробки 2, свободные торцы которых и модуль Пельтье 1 являются основаниями для закрепления подвижной 3 и неподвижной платформ 4 (при этом со свободными торцами сильфонных коробок может быть соединена и неподвижная платформа 4, а с модулем Пельтье подвижная платформа 3), датчик 5 взаимного положения платформ (может быть выполнен, например, и в виде расположенных в сильфоне датчиков давления и температуры), генератор Меандра 6 переменной мощности (может быть реализован на стандартном контроллере, например, серии «Pnewmo α2». Для осуществления микроперемещений в 2-х направлениях электропривод содержит два комплекта сориентированных во взаимно-перпендикулярных направлениях перемещения модулей Пельтье 1 и две пары сильфонных коробок 2.

Изображенный на фиг.2 электрический привод содержит аналогичные фиг.1 элементы, разница состоит лишь в том, что в каждом комплекте содержится не один модуль Пельтье 1, разнотемпературные рабочие поверхности которого соединены с сильфонными коробками 2, а два наклеенных на теплоизолированную опору 7 модуля Пельтье, у которых разнотемпературными являются внешние (обращенные к сильфонным коробкам 2) рабочие поверхности.

Изображенный на фиг.1, 2 электрический привод работает следующим образом. При необходимости перемещения подвижной платформы 3 дается импульс питания модуля (модулей) Пельтье 1 той полярности, которая соответствует направлению движения. При этом датчиком 5 контролируется взаимное положение платформ 3 и 4. Модули Пельтье 1 с одного (двух) направлений нагревают воздух сильфонной коробки 2, а с другого (двух других) направления соответственно охлаждают воздух другой сильфонной коробки 2, что приводит к деформациям сильфонных коробок 2 и соответствующему перемещению подвижной платформы 3 в нужном направлении. При уменьшении рассоглосования до определенной величины импульс питания выключается и контролируется по тому же датчику 5 скорость перемещения платформы 3. Если она превышает заданную, то на модуль (модули) Пельтье 1 подается импульс противоположной полярности, который оказывает тормозящее воздействие. Если моменты переключения согласовать по скорости и рассогласованию согласно алгоритму Понтрягина, то можно в таком приводе обеспечить плавный режим подхода к заданному положению с максимальным быстродействием. Для этого достаточно увеличивать частоту переключения «меандра», питающего модули Пельтье 1. Смена направления движения или реверс в таком приводе обеспечиваются сменой скважности положительной и отрицательной части «меандра».

1. Электрический привод, характеризующийся тем, что он содержит модуль Пельтье, сопряженные с его рабочими поверхностями герметичные сильфонные коробки, свободные торцы которых и модуль Пельтье являются основаниями для закрепления подвижной и неподвижной платформ, датчик взаимного положения платформ, генератор Меандра переменной мощности.

2. Электрический привод по п.1, отличающийся тем, что содержит несколько сориентированных в направлениях перемещения модулей Пельтье и пар сильфонных коробок.

3. Электрический привод, характеризующийся тем, что он содержит закрепленные на теплоизолированной опоре с противоположных сторон два модуля Пельтье, сопряженные с их внешними рабочими поверхностями герметичные сильфонные коробки, свободные торцы которых и теплоизолированная опора являются основаниями для закрепления подвижной и неподвижной платформ, датчик взаимного положения платформ, генератор Меандра переменной мощности.

4. Электрический привод по п.3, отличающийся тем, что содержит несколько закрепленных на опоре комплектов противоположно сориентированных в направлениях перемещения пар модулей Пельтье и сильфонных коробок.