Линейный пьезоэлектрический двигатель

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, авиакосмической, автомобильной отрасли. Технический результат состоит в повышении КПД, в уменьшении его габаритных размеров, возможности обратного хода, в увеличении удельной мощности, ресурса и надежности конструкции за счет уравновешенности конструкции и фрикционного режима передачи момента на ведомый элемент. В двигателе, содержащем неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах, пьезоэлементы с рычагами (ПР) прямого и обратного хода, источник питания пьезоэлементов дополнительно внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами. На подвижном корпусе жестко закреплены два ПР прямого хода и два ПР обратного хода ведомого элемента. ПР одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента. Источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода. Один из двух ПР для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель. 3 ил.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим двигателям для использования в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, аэрокосмической, автомобильной отрасли.

Известны различные типы пьезоэлектрических двигателей для использования в системах автоматики и машиностроительных конструкциях. Например, пьезоэлектрический регулировочный элемент [Pat. US № 6765335 Piezoelectric adjusting element / Wischnewskiy Wladimir], содержащий корпус, в котором размещены ведомый элемент с фрикционным слоем, движущий элемент (рычаг), соединенный с пьезоэлементом. Или пьезоэлектрический двигатель [Zuowei Wang.  Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators (Electronic resource)/ Zuowei Wang, Tuanjie Li, Yuyan Cao // Aerospace Science and Technology. – 2013. –  pp. 160–168], состоящий из неподвижного корпуса, соединительного вала, пакета пьезоэлементов с рычагом, жесткозакрепленных в неподвижном корпусе. При подаче на пакет пьезоэлементов напряжения пакет пьезоэлементов удлиняется или укорачивается и создает механическое усилие на рычаг, связанный с элементом конструкции. Применяется для натяжения сети вант рефлектора.

Известно также устройство – пьезоэлектрический линейный двигатель [Pat. US № 8466601 Operating method and driving means of a piezolinear drive / Christopher Mock], имеющий группу исполнительных механизмов – пьезоактюаторов-стеков, контактирующих с ротором двигателя. Каждый пьезоактюатор-стек состоит из двух частей, первая часть – пьезоактюатор продольного типа, а вторая часть – пьезоактюатор сдвигового типа. Причем контакт (зажим и сдвиг) с ротором ведется через вторую часть стека и, по крайней мере, два идентичных стека находятся рядом друг с другом для выполнения альтернативного зажима и усовершенствования движения в пошаговом режиме.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство регулировки с пьезоприводом [patent US № 5424597 Adjusting device with piezo drive / Rainer Gloss, Harry Marth], снабженное двумя пьезоэлементами с рычагами (ПР), которые взаимодействуют с ведомым элементом посредством пружинного элемента (прототип). Передача движения происходит по причине изменения длины пьезоэлементов при подаче на них напряжения. Из-за непрерывного смещения пружинного элемента гарантируется безопасное зацепление с ведомым элементом. Также устройство содержит источник питания пьезоэлементов, генерирующий одинаковые линейные кривые напряжения, которые расположены в шахматном порядке по времени, в результате чего пьезоэлементы с рычагами (ПР) контактируют с ведомым элементом, когда изменяется длина пьезоэлементов, и вызванные напряжения соответствуют требуемому направлению движения регулировки.

Основными недостатками прототипа являются низкий коэффициент полезного действия устройства, невысокая прочность в узлах крепления пьезоэлемента, также возможность заклинивания подвижных частей двигателя. Кроме того, увеличение мощности устройства возможно только за счет увеличения объёма и мощности пьезоэлемента.

Предложена конструкция  линейного пьезоэлектрического двигателя, которая исключает перечисленные недостатки прототипа.

Задача решается тем, что двигатель, содержащий неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, пьезоэлементы с рычагами (ПР) прямого и обратного хода ведомого элемента, источник питания пьезоэлементов, в отличие от прототипа, дополнительно оборудован подвижным корпусом. Подвижный корпус коаксиально размещен внутри неподвижного корпуса и соединен с ним упругими элементами, на подвижном корпусе жестко закреплены два ПР прямого хода ведомого элемента и два ПР обратного хода ведомого элемента, ПР одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента, при этом источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода, причем один из ПР для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель,

Каждый пьезоэлемент с рычагом выполнен в виде единого элемента, который жестко крепится на подвижном корпусе с возможностью фрикционного взаимодействия с ведомым элементом линейного пьезоэлектрического двигателя.

Сущность изобретения поясняется рисунками.

Фиг. 1 – Состав линейного пьезоэлектрического двигателя.

Фиг. 2 – Графики входного напряжения, подаваемого на пьезоэлементы.

Фиг. 3 – Пример практической реализации линейного пьезоэлектрического двигателя.

Линейный пьезоэлектрический двигатель на фиг. 1 содержит два корпуса: внешний неподвижный корпус 1 и внутренний подвижный корпус 2, соединенные между собой упругими элементами 3, на внутреннем подвижном корпусе жестко закреплены ПР 4, 5, 6, 7, из которых два ПР (4 и 5) служат для прямого хода и два ПР (6 и 7) служат для обратного хода ведомого элемента 8. Сам же ведомый элемент 8 размещен в подшипниковых опорах неподвижного корпуса. Подвижный корпус 2 на упругих элементах 3 имеет резонансную частоту колебательной системы, более чем в √2 раз превышающую резонансную частоту колебательной системы подвижного корпуса с ведомым элементом, что позволяет выполнить частотную развязку и исключить заклинивание.

Для синфазной подстройки работы пьезоэлементов с рычагом высокочастотный источник питания 9 через коммутатор 10 подключается к ПР 5 напрямую, а к ПР 4 через фазовращатель 11, при переключении коммутатора для обратного хода источник питания аналогично подключается к ПР 6 напрямую, а к ПР 7 через фазовращатель обратного хода 12.

Для эффективной работы пьезодвигателя необходимо, чтобы усилия F пьезоэлементов (например, 4 и 5) не имели временного сдвига фаз, то есть работали совершенно синфазно (фиг. 2а). Невозможно произвести абсолютно одинаковые пьезоэлементы, поэтому даже при одинаковых сигналах возбуждения реакции ПР 4 и 5 не будут совпадать по фазе (фиг. 2б), что существенно снижает суммарный момент пьезодвигателя. Поэтому на ПР 4 сигнал возбуждения подается через фазовращатель прямого хода 11, на котором компенсируется разность фаз работы ПР 5 и 4 (фиг. 2в).

Линейный пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом (фиг.1).

При подключении источника питания 9 через коммутатор 10 к одному ПР 5 напрямую и к другому ПР 4 через фазовращатель 11 (для синфазной подстройки вибросмещения), ПР 4 и 5 удлиняются и создают суммарный момент на ведомом элементе 8, подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем ПР 4, 5, 6, 7 на упругих элементах 3 перемещается за счет фрикционного трения. При снятии питания с пьезоэлементов с рычагами 4 и 5 механический контакт ПР 4 и 5 с ведомым элементом 8 пропадает, и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными в нем ПР 4, 5, 6, 7 за счет упругих элементов 3 возвращается в исходное положение относительно неподвижного корпуса  линейного пьезоэлектрического двигателя. Повторением данного высокочастотного процесса реализуется прямой ход ведомого элемента 8.

Обратный ход пьезоэлектрического двигателя.

При подключении источника питания 9 через переключенный коммутатор 10 к одному ПР 6 напрямую и к другому ПР 7 через фазовращатель 12 (для синфазной подстройки вибросмещения), ПР 6 и 7 удлиняются и создают суммарный момент на ведомом элементе 8, подвижный корпус 2 с жестко закрепленными ПР 4, 5, 6, 7 перемещается на упругих элементах 3 за счет фрикционного трения. При снятии питания с ПР 6 и 7 механический контакт ПР 6 и 7 с ведомым элементом 8 пропадает, и подвижный корпус 2 с жестко закрепленными ПР 4, 5, 6, 7 за счет реакции упругих элементов 3 возвращается в исходное положение относительно неподвижного корпуса линейного пьезоэлектрического двигателя. Повторением данного высокочастотного процесса реализуется обратный ход ведомого элемента 8 пьезоэлектрического двигателя.

Линейный пьезоэлектрический двигатель заявленной конструкции (например, габариты 50x50x50 мм, масса 100 г, мощность 1 Вт, частота входного напряжения 1 кГц) можно использовать в качестве устройства для натяжения периферийных шнуров УНПШ силового каркаса антенного рефлектора (фиг.3а). Устройство крепится на спице рефлектора 13 (фиг. 3б), шнур рефлектора фиксируется на ведомом элементе 8 пьезоэлектрического двигателя. Таким образом, шнур силового каркаса можно натягивать или ослаблять для улучшения отражающей способности рефлектора.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении коэффициента полезного действия, увеличении удельной мощности пьезодвигателя за счет синфазности вибросмещения, уменьшении его габаритных размеров, обеспечении обратного хода, увеличении ресурса и надежности двигателя за счет фрикционного режима передачи момента на ведомый элемент и синфазной уравновешенности конструкции.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Pat. 6765335 United States, Piezoelectric adjusting element / Wischnewskiy Wladimir.

2. Zuowei Wang.  Active shape adjustment of cable net structures with PZT actuators [Electronic resource]/ Zuowei Wang, Tuanjie Li, Yuyan Cao // Aerospace Science and Technology. – 2013. –  pp. 160–168.

3. Pat. 8466601 United States, Operating method and driving means of a piezolinear drive / Christopher Mock.

4. Pat. 5424597 United States, Adjusting device with piezo drive / Rainer Gloss, Harry Marth.


Линейный пьезоэлектрический двигатель, содержащий неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах неподвижного корпуса, пьезоэлементы с рычагами прямого и обратного хода, источник питания пьезоэлементов, отличающийся тем, что дополнительно внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами, на подвижном корпусе жестко закреплены два пьезоэлемента с рычагами прямого хода ведомого элемента и два пьезоэлемента с рычагами обратного хода ведомого элемента, пьезоэлементы с рычагами одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента, при этом источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода, причем один из пьезоэлементов с рычагами для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и и может быть использовано для привода различных устройств в прецизионном приборостроении, в оптических системах, в системах нанотехнологий.

Изобретение относится к вибрационным устройствам для создания линейных перемещений ползуна. Ультразвуковой двигатель содержит вибратор, ползун, который входит в контакт посредством трения с вибратором, пружину для прижатия вибратора к скользящему элементу.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронному линейному приводу для разгона ротора до гиперзвуковых скоростей. Ротор из магнитожесткого материала с остаточной радиальной намагниченностью выполнен в виде диска с центральным отверстием и расположен между статором и направляющим рельсом из магнитомягкого материала.

Изобретение относится к устройству привода вибрационного типа, а также к устройству двухмерного привода, устройству коррекции размытости изображения. Техническим результатом является снижение потери мощности, передаваемой подвижному телу, предотвращение повреждения провода из-за деформации и обеспечение пространства, в котором могут перемещаться вибратор и элемент источника питания.

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть применено для перекачивания различных жидкостей. Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в создании конструкции пьезоэлектрического насоса на основе возбуждения круговых качательных колебаний пьезоэлектрического кольца, передающихся на преобразующий элемент, имеющий специальные стоки, которые преобразуют круговое качательное движение в направленное движение жидкости.

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах точного позиционирования, для линейного перемещения различных объектов и устройств в нанотехнологическом оборудовании и прецизионном приборостроении.

Изобретение относится к точному приборостроению, к приводам микроманипуляторов, и может быть использовано для значительного перемещения объектов с высокоточным позиционированием и с приложением значительных усилий.

Изобретение относится к электротехнике, к устройствам механического перемещения объектов вдоль одной координаты и может быть использовано, например, в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) для сближения зонда и образца либо для перемещения образцов в установках электронного, ионного, зондового или иного воздействия.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах точного позиционирования, для линейного и вращательно перемещения различных объектов и устройств в нанотехнологическом оборудовании и прецизионном приборостроении.

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано в линейных пьезоэлектрических двигателях. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма управляющих систем прецизионного приборостроения, в оптических системах. В усиливающем пьезоэлектрическом актюаторе, содержащем рабочее перемещаемое звено, линейные пьезоэлектрические элементы в виде пьезоэлектрических пакетов, перемещаемое звено выполнено в виде рамки с вырезами, внутри которой расположено основание в форме плиты с четырьмя вертикальными упорами. А четыре пьезоэлектрических пакета поджаты между элементами упругой рамки и четырьмя вертикальными упорами. Два средних пьезоэлектрических пакета поджаты с помощью Г-образной тяги и могут совершать встречное перемещение. Технический результат состоит в повышении линейности, точности позиционирования, нагрузочного усилия, надежности и технологичности изготовления, уменьшении габаритных размеров. 9 ил.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в качестве эталона для определения перемещений и линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне, а также для калибровки конфокальных микроскопов и оптических интерферометров. Устройство для прецизионных перемещений содержит два элемента из пьезоматериала. На две противоположные стороны каждого из элементов нанесены электроды, подключенные к источнику напряжения. Указанные элементы установлены на общем основании с общим для обоих элементов электродом и выполнены так, что при одинаковой полярности управляющего напряжения векторы направления их деформации коллинеарны и противоположно направлены. Технический результат заключается в обеспечении калибровки современных, используемых в промышленности конфокальных микроскопов и оптических интерферометров. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к пьезоактюаторам изгибного типа и предназначено для использования в электронике, управляемой оптике, микромеханике, медицине, машиностроении. Пьезоактюатор изгибного типа представляет собой многослойный пакет, состоящий из элементарных слоев, каждый из которых содержит пьезоэлектрические слои биморфного элемента и внутренние электроды, установленные между пьезоэлектрическими слоями и с обеих сторон биморфного элемента. При этом внутренние электроды объединены на неподвижном торце пакета внешними электродами. Многослойный пакет составлен из механически несвязанных элементарных слоев, каждый элементарный слой дополнительно содержит как минимум по два слоя, расположенных с каждой стороны биморфного элемента и выполненных из материала с магнитоэлектрическим эффектом, и внутренние электроды, установленные между слоями из материала с магнитоэлектрическим эффектом. При этом внутренние электроды объединены внешними электродами для электрического управления магнитными полями в слоях из материала с магнитоэлектрическим эффектом, дополнительно установленными на неподвижном торце многослойного пакета. Технический результат заключается в повышении амплитуды управляемых деформаций в статическом и динамическом режимах и возможность фиксирования больших статических и амплитудных резонансных изгибов пьезоактюатора. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приборах и системах автоматики, приборостроения, робототехники, авиакосмической, автомобильной отрасли. Технический результат состоит в повышении КПД, в уменьшении его габаритных размеров, возможности обратного хода, в увеличении удельной мощности, ресурса и надежности конструкции за счет уравновешенности конструкции и фрикционного режима передачи момента на ведомый элемент. В двигателе, содержащем неподвижный корпус, ведомый элемент в подшипниковых опорах, пьезоэлементы с рычагами прямого и обратного хода, источник питания пьезоэлементов дополнительно внутри неподвижного корпуса коаксиально размещен подвижный корпус, который соединен с неподвижным корпусом упругими элементами. На подвижном корпусе жестко закреплены два ПР прямого хода и два ПР обратного хода ведомого элемента. ПР одного и того же направления перемещения расположены оппозитно вокруг ведомого элемента. Источник питания пьезоэлементов имеет один выход для питания пьезоэлементов прямого хода и один выход для питания пьезоэлементов обратного хода. Один из двух ПР для каждого из направлений перемещения ведомого элемента подключен к источнику питания через фазовращатель. 3 ил.

Наверх