Волновой электродвигатель абрамова в.а.
Изобретение относится к волновому пьезоэлектрическому переменно-скоростному приводу с постоянным моментом с возможностью реализации задатчика интенсивности в виде цифрового управления в широком диапазоне от единиц Н*м до сотен Н*м, например в приводах автоматики, роботов, арматуры и фармакологических барботерах (реакторах) с высокими старт-стопными характеристиками, а также для функционирования в вакууме и других средах. Сущность изобретения заключается том, что волновой однопарный пьезоэлектрический двигатель, включающий корпус, выходной вал, установленные на двух опорах каждый, является виброустойчивым, содержит пьезопреобразователи (ПЭП), изменяющие геометрическую форму в окружном направлении с цилиндрической формы на эллиптическую форму, например, кольца или цилиндра; при подключении ПЭП источника многофазного напряжения в ПЭП и, сопряженным с ним гибким подшипником, в ПЭП возникают бегущие волны деформации, которые увлекают за собой через гибкий подшипник эллиптический кулачок, выполненный заодно с выходным звеном, благодаря чему выходные звенья приводятся совместно во вращательное движение. При соответствующей настройке амплитуды, частоты и фазы источника многофазного напряжения, однопарный двигатель передает практически всю полезную мощность на выходной вал при стабильном крутящем моменте. В сепараторах подшипников опор, выходных звеньев, выходного вала и гибких подшипников трение скольжения заменено трением качения в сепараторе из шариков и введением ограничителей разных конструкций осевого перемещения шариков и их выкатывания за пределы дорожек, что предотвращает заклинивание подшипников и уменьшает трение в них. Технический результат, заключающийся также и в эффективном отводе тепла от ПЭП с целью поддержания материала призм ниже точки Кюри, обеспечивается системами охлаждения. Однопарный двигатель выполнен в герметичном исполнении. Массовое изготовление пьезоэлементов специализированными заводами и отработанные технологии изготовления ПЭП в РФ позволят малому и среднему бизнесу (МСБ) в России освоить производство пьезодвигателей. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.
Изобретение относится к производству всех изделий, в которых необходимо регулирование скорости цифровой системой управления при постоянном вращающем моменте, например, в приводах роботов, манипуляторов, барботеров (реакторов), гайковертов, а также автоматики при создании быстродействующих исполнительных механизмов. Известен «Волновой вибродвигатель: (Бюл. №8, 1978 г, авторы Р.Э. Курыло и др. а.с. СССР, №595813 Каунасский политехнический институт), содержащий закрепленный в корпусе пьезопреобразователь, выполненный в виде биморфного пьезокерамического кольца, разделенного на сектора, и электродами, жестко соединенного с деформируемым элементом, упруго охватывающего ротор, который вращается благодаря волновым деформациям биморфного пьезокерамического кольца. Деформируемый элемент выполнен в виде сплошного кольца, а выходное звено - в виде цилиндра. Волновая деформация деформируемого элемента, создаваемая пьезопреобразователем за счет фрикционной связи, реализуется во вращательное движение выходного звена. Наличие фрикционной связи приводит к нестабильности крутящего момента и снижению передаваемой мощности.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является «Волновой электродвигатель», авторы Абрамов В.А, и др., содержащий пьезопреобразователь, выполненный в виде пьезокерамического кольца, составленного из соединенных жестко призм и электродов, установленного с натягом на внутреннюю поверхность тонкостенного стакана, выходное звено, выполненное заодно с эллиптическим кулачком, установленное в подшипниковой опоре, крышку, гибкий подшипник, установленный с натягом на эллиптический кулачок и контактирующий с пьезопреобразователем, является прототипом. Недостатками волнового электродвигателя являются низкая виброустойчивость выходного звена и корпуса с крышкой при их консольном одноопорном закреплении, низкий ресурс подшипника, и наличие трения скольжения в сепараторах подшипников, заклинивание подшипников при выкатывании шариков за пределы дорожек, отсутствие аналитической проработки профиля эллиптического кулачка и низкая технологичность его обработки, низкая эффективность теплоотвода, отсутствует замковая фиксация резьбовых соединений, защитная функция кожуха ограничена влиянием атмосферы. Не проработана система реализации задатчика интенсивности в виде цифрового управления, не выявлена возможность заимствования составных частей двигателя.
Сущность изобретения
В данном предполагаемом изобретении решаются следующие задачи:
Задача 1 - создание двухопорных виброустойчивых конструкций опор, конструкций выходного звена и корпуса, оснащенных фиксаторами резьбовых соединений и предотвращение ослабления резьбовых соединений при воздействии вибраций.
Задача 2 - повышение ресурса подшипников опор и гибких подшипников, существенное снижение трения скольжения в сепараторах подшипников опор и гибких подшипников путем замены сепараторов с трением скольжения сепараторами с трением качения из шариков в связи с возможностью обкатывания шариков уменьшенного диаметра с телами качения несущими нагрузку, установленных на дорожках с чередованием, и посредством конструктивных решений предотвращения заклинивания шариков от возможных выкатываний на борты колец подшипника посредством ограничителей перемещений элементами конструкции двигателя или посредством конструктивных элементов собственно подшипников по патентам РФ №2519105, №2529931.
Задача 3 - регулирование числа оборотов двигателя цифровым способом без применения промежуточных передач при постоянном моменте двигателя посредством реализации задатчика интенсивности цифрового управления.
Задача 4 - уменьшение величины момента трогания двигателя и шарикового клинового механизма с более низким коэффициентом трения подшипников опор и гибкого подшипника, получение малого угла рассогласования между малой осью эллиптического кулачка и малой осью эллипса с деформированного пьезокерамического кольца.
Задача 5 - решается задача отвода тепла от двигателя посредством жидкостей, подаваемых в корпус под напором через жидкостные магистрали и поддержание температуры кольцевых ПЭП ниже точки Кюри материала призм и их стабильности на рабочем уровне, при этом двигатель выполнен герметичным.
Задача 6 - решается задача величины задаваемого вращающего момента двигателя путем разработки конструкции по крайней мере однопарного согласованного (однонаправленного) вращения составного волнового электродвигателя, создаваемого на основе триады адаптированных элементов: выходных звеньев с эллиптическими кулачками и гибкими подшипниками, кольцевых преобразователей и жестко фиксирующих их, консольно закрепленных на крышках гибких элементов (тонкостенных оболочек) и съемного общего вала (см. Фиг. 11).
В изобретении решается задача создания волнового электродвигателя в герметичном исполнении и его функционировании в зонах, подвергающихся периодическому затоплению агрессивными жидкостями, нефтепродуктами, соленой водой и незаменим в фармакологических барботерах (реакторах).
Еще одной доминирующей задачей, решаемой в изобретении, является упрощение (симплификация) конструктивно-технологического решения схемы высокотехнологичной обработки эллиптического контура кулачка за один установ на станках с ЧПУ по программе с заданием всего двумя параметрами: a и b.
Возможность реализации
На фиг. 1 изображена модель и ее конфигурация двухопорного волнового электродвигателя, в разрезе. Опоры 1, 2 выходного звена 3 установлены на кольцевом выступе 4 корпуса 5 и в крышке 6, в подшипниках качения.
Корпус 5 установлен на двух опорах 7, 8 на монтажном основании 9 и является виброустойчивым. Выходное звено 3 посредством шлицевого венца 10 сопрягается с валом 67.
Корпус 5 сопряжен с крышкой 6 посредством герметичного соединения шип-паз 11, 12 и металлической прокладки.
Пьезопреобразователь 13 выполнен в виде кольца или цилиндра, пьезокерамических, склеенных из метализированных призм 14 клеем ДМ5-65 ОСТ9131-73 и установленных с натягом на внутреннюю поверхность гибкого элемента 15, закрепленного на кольцевом выступе 16 крышки 6 посредством винтов 17 или винтов с резьбовой фиксацией 18.
Фиксация кольца 13 на гибком элементе 15 производится слоем клея толщиной 0,05 мм.
Гибкий подшипник 19 сопряжен с изменяющим форму в окружном направлении кольцом 13 и эллиптическим кулачком 3, 20 соединением 21 с натягом.
Для эффективного отвода тепла от пьезокерамического кольца или цилиндра в корпус 5 подается охлаждающая электроизоляционная жидкость через патрубки 22, по направлению потока Г-->Г, 132-12Д. ГОСТ 10916-74.
Для повышения эффективности отвода тепла от двигателя посредством жидкостей, например воды водопроводной, корпус 5 устройства снабжен кольцевой камерой 23 с патрубками 24, вводимых по направлению Д-->Д с целью поддержания температуры призм кольцевых пьезокерамических колец или цилиндров ниже точки Кюри керамики.
Возможность реализации волнового электродвигателя посредством формоизменения пьезопреобразователя и в присущих ему условиях вибрации при эксплуатации сопряжена с применением замкового устройства 25, 27, 28 HARDLOCK или «по-российски» - фиксатора резьбового соединения ТУ 1600-016-31049464-9454-2015, зарегистрированного и внесенного в реестр учетной регистрации 02.11.2015 (см. Б-Б, фиг. 1; В-В фиг. 1, 11, Б1-Б1, фиг. 11; и узел III А, фиг. 10, www.zavod-rekom.ru; международный журнал «Трубопроводная арматура и оборудование", с. 45-46, ТПА 6 (75) 2014).
Управляющее напряжение на пьезопреобразователь 13 подается через гермоэлектровводы 26, см. узел I фиг. 3
На фиг. 2 изображено сечение А-А на фиг. 1 триады: пьезокерамическое составное склеенное кольцо 13 из призм 14 Технические условия ОДО.339.19ОТУ, сопряженное с гибким элементом 15; гибким подшипником 19 и эллиптический кулачок 3, 21 выполненный заодно с выходным звеном 3, установленным в подшипниковых опорах 1, 2.
При подключении электродов пьезопреобразователя 13 к источнику многофазного напряжения в нем и сопряженном с ним гибком подшипнике 19 возникает бегущая волна деформации, которая увлекает за собой кулачок 3, 21 выходного звена 3. За счет этого выходное звено 3 приходит во вращательное движение.
Путем регулировки амплитуды, частоты и фазы источника многофазного напряжения на выходном звене 3 можно получить заданные скорости и угловые перемещения. В данном двигателе из кольцевого преобразователя на выходное звено передается практически вся полезная мощность и повышается стабильность крутящего момента и мощность двигателя.
На фиг. 3 изображен УЗЕЛ I, поясняющий конструктивно положение звеньев: кольцевого пьезопреобразователя 13 на внутренней поверхности гибкого элемента 15, гибкого подшипника 19 на эллиптическом кулачке 3, 20, 21, а также положение ограничителей перемещений 29, 30 относительно шариков гибкого подшипника больших диаметров с зазорами в пределах 0,05…0,1 мм, предотвращающих выскакивание их за пределы дорожек качения, что исключает заклинивание подшипника. На фигуре изображено присутствие гермоэлектровводов 26 на корпусе 5.
На фиг. 4 изображен Узел II, поясняющий конструктивно положения звеньев: выходного звена 3, подшипника 1 опоры на кольцевом выступе 4 корпуса 5 и положение ограничителя 31, выполненного заодно с выходным звеном 3, установленным с зазором 0,05*0,1 мм с 
большего диаметра и торцом ограничителя 32. На фигуре показаны стопорные кольца 33, 34 подшипника 1 и его кольца 35, 36.
На фиг. 5 изображен Узел III, поясняющей конструктивно положение звеньев: положение подшипника 1 опоры выходного звена 3 на кольцевом выступе 4 корпуса 5, закрепление винтами кольцевых ограничителей 39 в выточках на торцовых поверхностях выходного звена 3 с осевыми зазорами 0,05…0,1 мм между торцами выступов 40, 41 и 
диаметрами шариков подшипника.
На фиг. 6 изображен Узел IV, поясняющий конструктивно взаимное положение звеньев: выходного звена 3 со шлицевым венцом 10 для установки выходного вала 67 подшипника 2 опоры и его колец наружного 42 и внутреннего 43, ограничителей осевых перемещений 44, 45, зафиксированных на торцовых поверхностях крышки 6 в расточках и прикрепленные к крышке 6 винтами 46.
Детали 44, 45 установлены с осевым, зазором в пределах 0,05…0,1 мм между торцами выступов и шарами подшипника, с диаметрами чередующимися с шарами меньшего диаметра. Торцовые и радиальное уплотнения выполнены посредством резиновых колец в оболочке из фторопласта ТУ 2513-013- 34724672-2010, поз. 47, 48, 49, устанавливаемых в канавки ГОСТ 9833-73.
На фиг. 7 изображен Узел V, поясняющий конструктивно взаимное положение звеньев: выходного звена 3 со шлицевым венцом 10 для установки выходного вала 67, подшипника 2 опоры и колец, наружного 42 и внутреннего 43., ограничителей осевых перемещений 44, 45, зафиксированного на торцовой поверхности крышки 6 в ее расточке и прикреплен к крышке винтами 46.
Детали 44, 45 установлены с осевым зазором 0,05…0,1 между торцами выступов и шарами подшипника с 
диаметрами, чередующимися с шарами меньшего диаметра. Торцовое и радиальное уплотнения выполнены посредством резиновых колец в оболочке из фторопласта ТУ 2513-013-34724672-2010, поз. 47, 48, 49, устанавливаемых в канавки ГОСТ 9833-73.
На фиг. 8, сечение Б-Б; фиг. 9, сечение В-В; и сечение узла III А, фиг. 10 представлены болтовые соединения с фиксаторами резьбовых соединений ТУ1600-016-31049464-9454-2015 шпилек 18, 28 с головками 27.
На фиг. 11 изображена модель и ее конфигурация однопарного волнового двигателя, в разрезе, составленного из двух расположенных противоположно волновых электродвигателей, образованных каждый из триады элементов: пьезокерамического кольца 13, выполненного из призм 14: технические условия 0Д0.339.190 ТУ, сопряженного с гибким элементом и изменяющего форму в окружном направлении, гибкого подшипника 19, эллиптического кулачка 3, 21, 20, выполненного заодно с выходным звеном 3, * (* установленным в двух подшипниковых опорах 1, 2; при этом однопарный волновой двигатель снабжен выходным валом 50, установленным в двух подшипниковых опорах 51, 52. Выходной вал 50 сопряжен шлицевыми соединениями 53, 54 с выходными звеньями 3).
На опорах 2, 1 установлен блок из двух дисков 55, 56, сопряженных соединением шип-паз 57 и уплотненных герметично торцовым неподвижным уплотнением 58 посредством резинового кольца в оболочке из фторопласта ТУ 2513-013-34724672-2010, установленного в канавке ГОСТ 9833-73.
Диски 55, 56 соединены винтами 28 (см. Фиг. 12, сечение Б1-Б1) с фиксаторами резьбовых соединений ТУ 1600-016-31049464-9454-2015 поз. 25 и головками 27.
Гибкий элемент 15, выполненный в виде оболочки с фланцем 59 и кольцевой ограничитель 30 осевого перемещения шаров 
диаметра и выполненный в виде оболочки с фланцем 60, установлены на дисках 55 и 56 и прикреплены винтами. Кольцевой ограничитель 29, выполненный на внутренней торцовой поверхности корпуса 5, и кольцевой ограничитель осевого перемещения шаров 
диаметра установлены с зазором 0,05…0,1 мм относительно торцов ограничителей 30, 29.
Для эффективного отвода тепла от пьезокерамических колец или цилиндров с целью поддержания температуры призм ниже точки Кюри керамики, например, ЦТСтБС-1 с пьезомодулем d33=500*10-12 Кл/Н по ОДО.339.190 ТУ в корпусе 5 подается охлаждающая электроизоляционная жидкость 132-12Д ГОСТ 10916-74 через патрубки 22 по направлениям ГГ и посредством охлаждающей жидкости, например, воды водопроводной, из кольцевых камер 23 через патрубки 24, тепло дополнительно отводится по направлениям ДД, через отверстия 66.
Корпус однопарного двигателя устанавливается на двух опорах 8 на монтажном основании 9 посредством винтов 18 и фиксаторов резьбовых соединений.
На фиг. 13 изображен Узел VI, поясняющий конструкцию узла уплотнения выходного вала 50 посредством сцентрированного соединения 61 шип-паз фланца 62, уплотнительных радиального подвижного соединения вала 50 и фланцев 62 и торцового неподвижного соединения корпуса 5 посредством резиновых колец 63, 64 в оболочке из фторопласта ТУ 2513-013-34724672-2010, устанавливаемых в канавки по ГОСТ 9833-73.
Сборка одиночного и однопарного двигателей может быть осуществлена подключением к пьезопреобразователям многофазной системы и получения пьезокерамических колец в виде эллиптической формы, а требуемые условия сборки шлицевых соединений 53, 54 с выходным валом 50 реализуются предварительно.
При подключении электродов пьезопреобраователей 13 к источнику многофазного напряжения в нем и сопряженном с ним гибком подшипнике 19 возникают бегущие волны деформации, которые увлекают за собой кулачки 3 выходных звеньев. За счет этого выходные звенья 3 приводятся совместно во вращательное движение.
При регулировке амплитуды, частоты и фазы источника многофазного напряжения на выходных звеньях 3 можно получить заданные скорости и угловые перемещения. Из кольцевого пьезопреобразователя на выходное звено передается практически вся полезная мощность и повышается стабильность крутящего момента и мощность двигателя.
Гибкий элемент 65 с фланцем 59 является вариантом гибкого элемента 15 и призван выполнять одну и ту же функцию, однако конструктивно выполнен из концентрических тонкостенных оболочек, торцы которых последовательно жестко соединены посредством, например, кольцевых шайб, приваренных к составным оболочкам. Отверстия 66 служат для перетекания охлаждающей жидкости.
Недостатком одиночного и однопарного волновых электродвигателей является вибрация звеньев триады и корпусов, вызванная неодинаковыми волновыми деформациями по величине амплитуды кольцевых пьезоэлектрических преобразователей.
1. Волновой электродвигатель, включающий закрепленный на гибком элементе, выполненный в виде оболочки с фланцем и установленный на крышке пьезопреобразователь, выполненный в виде пьезокерамического кольца или цилиндра, составленного из соединенных жестко призм и электродов, установленных с натягом во внутренний диаметр гибкого элемента, выходное звено, выполненное заодно или отдельно с эллиптическим кулачком, установленное в подшипниковой опоре крышки, гибкий подшипник, установленный с натягом на эллиптический кулачок и контактирующий с пьезокерамическим кольцом или цилиндром по всему периметру, выходное звено, сопряженное с выходным валом, и корпус, отличающийся тем, что выходные звено, вал, крышка с кожухом выполнены двухопорными, в подшипниках качения опор выходного звена, выходного вала, в гибком подшипнике сепараторы выполнены с трением качения из шариков, чередующихся на дорожках качения двух диаметров: шариками большего диаметра, несущими нагрузку, и шариками меньшего диаметра, обкатывающимися с шариками большего диаметра, при этом шарики большего диаметра в подшипниках снабжены ограничителями осевого перемещения, выполненными в виде колец или цилиндров, установленных с осевыми зазорами в пределах 0,05…0,1 мм между торцами кольцевых или цилиндрических ограничителей и шариками подшипников большего диаметра, заодно с выходным звеном, корпусом, или закрепленными на выходном звене и крышке.
2. Волновой электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что выполнен по крайней мере однопарным из одиночных двигателей, расположенных соосно, соединенных жестко в блок дисков посредством соединения шип-паз и герметичного соединения посредством резинового кольца в оболочке из фторопласта, размещенного в канавке, при этом на элементы зубчатого соединения единого вала однопарного двигателя насажены диски блока одиночных двигателей.
