ИНЕРЦИОННЫЙ ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относиться к области приборостроения и нанотехнологиям.
Известен способ перемещения объекта в пространстве (Заявка на изобретение №95116610, МПК F03G 3/00, дата подачи заявки 26.09.1995 г.), при котором посредством вибровозбудителя инерционного движителя преобразует работу источника энергии в работу, обеспечивающую перемещения объекта, путем осуществления противофазной раскрутки инерционных масс вибровозбудителя относительно, по меньшей мере, двух осей вращения до технологически заданной угловой скорости вращения с последующим изменением на одном участке траектории перемещения момента импульса относительно соответствующих осей вращения, по меньшей мере, двух зеркально симметрично расположенных относительно плоскости симметрии вибровозбудителя инерционных масс с возможностью преобразования, по крайней мере части кинетической энергии инерционных масс в импульсное направленное силовое воздействие на оси вращения и последующей стабилизации соответствующих динамических параметров вращения инерционных масс относительно технологически заданного качения параметров вращения, таким образом, что для осуществления процесса преобразования работы источника энергии в работу, обеспечивающую перемещение объекта, используют вибровозбудитель с попарно связанными и в каждой паре диаметрально противоположно расположенными относительно соответствующих осей вращения, инерционными массами, момент импульса, по меньшей мере двух инерционных масс изменяют посредством их ускоренного перемещения в радиальном направлении с изменением величин их радиусов вращения по циклу от начального, максимально заданного значения радиуса вращения до минимально заданного значения указанного радиуса и обратно, в пределах угла поворота, не превышающего 180° и с возможностью обеспечения только однонаправленного импульсного силового воздействия на соответствующую ось вращения в пределах угла поворота, равного 360% при этом стабилизацию динамических параметров вращения осуществляют в отношении угловой скорости инерционных масс с момента начала увеличения радиусов вращения соответствующих по меньшей мере двух инерционных масс с минимально заданного значения величин этих радиусов до начального, максимально заданного значения радиусов вращения. К недостаткам данного изобретения следует отнести тот факт, что преобразование кинетической энергии в силовое возмущение происходит не в полной мере; возникает высокая сложность стабилизации динамических параметров.
Известна конструкция двигателя (Заявка на изобретение №92015533, МПК В02С 12/38, дата подачи заявки 30.12.1992 г), техническим решением которой является упрощение конструкции двигателя. Эта цель достигается выполнением привода в виде волновой передачи с пьезоэлектрическим генератором волн который содержит смонтированный в общем корпусе круговой ряд радиальных толкателей с линейными пьезоэлектрическими приводами с мультипликаторами из текущих масс, расположенных между толкателями и пьезоэлектрическими силовыми элементами, а также гибким колесом, насаженным на вал объекта применения двигателя и размещенным в кольцевом зазоре между корпусом и вставленным в него штырем - центральным жестким колесом волновой передачи. Текущая масса может быть выполнена из электрореологической жидкости или жидкого магнита, размещаемых в радиальных гнездах корпуса совместно с электромагнитными катушками (вместо пьезоэлементов), либо в качестве приводных элементов в радиальных гнездах могут быть установлены (вместо пьезоэлементов и текучей массы) поочередно нагреваемые и охлаждаемые жидкостью или воздухом стержни или трубки из полиэтилена или другого материала, обладающего высоким коэффициентом теплового расширения. Кроме того, привод может быть выполнен в виде спирали - спиральной пампружины, одним концом заделанной в корпусе, а другим - соединенной с венцом обгонной муфты, установленной на валу объекта применения двигателя, и снабжен двумя фенами для поочередного обдува пампружины горячим и холодным воздухом (для обдува холодным воздухом нагреватель одного фена отключается). Указанная спираль может быть выполнена биметаллической токонесущей, либо в виде разностенной токонесущей трубки, а также из материала, обладающего повышенным коэффициентом теплового расширения. Недостатком данного изобретения является то, что пьезоэлементы имеют довольно хрупкое строение и плохо переносят удары, для них характерна недолговечность и их параметры плывут во времени. Так же они требуют стабилизации температуры отвода тепла.
Наиболее близким аналогом является конструкция и принцип перемещения объекта в пространстве. Называемый «пьезодвигатель с выступающими прокладками» (С.А Сдобников, А.А.Восиляков, И.В.Рубцов «Пьезоэлектрические двигатели на бегущей волне: принципы действия и конструктивные особенности» // Мехатроника, автоматизация, управление. №6. - 2002. С 43-45.). Двигатель состоит из внешнего цилиндрического ротора, внутри которого находиться кольцевой цилиндрический статорный элемент из пьезоэлектрического материала, закрепленный вдоль внутренней образующей на фланце.
На внешней цилиндрической поверхности статорного пьезоэлемента закреплены упругие стальные пластины-толкатели, установленные под определенным углом к внутренней поверхности ротора и находящиеся с ним в механическом контакте с некоторым прижатием. Пластины-толкатели выполнены стальными и упругими. Благодаря пластинам, выполняющим роль промежуточных упругих элементов, жесткость которых много меньше жесткости пьезоэлемента.
При подаче управляющего напряжения переменного тока на электродированные участки статорного пьезоэлемента, расположенные на его внешней и внутренней цилиндрических поверхностях, внешняя цилиндрическая поверхность статорного пьезоэлемента начинает совершать колебания в радиальном направлении с частотой изменения управляющего напряжения. При этом в каждом толкателе, по его длине, стоячая механическая волна, формирующая эллиптическую траекторию движения конца толкателя, прилегающую к статору.
Движение конца толкателя преобразуется во вращательное движение ротора за счет сил фрикционного взаимодействия.
Недостатки данного изобретения: изменение линейных размеров пьезоэлементов является незначительным, при этом они не могут реализовать большое усилие на роторе, а также характеризуются малой долговечностью и теряют свои свойства за непродолжительный промежуток времени.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы инерционного волнового двигателя.
Поставленная задача решается тем, что конструкция инерционного волнового двигателя включает статор, ротор и актуатор. Статор выполнен в виде части трубы с рифленой внутренней поверхностью, внутри статора помещен ротор, между ними расположены по окружности массы, например, в виде роликов, а также актуаторы, все ролики соединены между собой пружинами, включая актуаторы, причем каждая масса снабжена опорными связями жестко связанными с массой, упорным элементом, который одним концом связан с массой упирается во внутреннюю рифленую поверхность статора, толкателем, закрепленного одним концом на ролике, другой конец выходит в соприкосновение с поверхностью ротора и за счет сил трения обеспечивает вращение ротора. Причем актуаторов может быть несколько в зависимости от заданной скорости движения и момента, развиваемого на статоре. Каждый актуатор снабжен подводом энергии.
Актуатор - подсистема, передающая воздействие с управляющего устройства на объект управления. В предлагаемой полезной модели могут быть использованы актуаторы - преобразователи, превращающие входной сигнал (электрический, оптический, механический, пневматический и любой другой) в выходной сигнал (в движение), которое воздействует на объект управления (массы, расположенные по обе стороны от актуатора). Устройство такого типа может включать: электрические двигатели, электрические, пневматические или гидравлические приводы, релейные устройства, электростатические двигатели и др.
В предлагаемой полезной модели актуатор предназначен для создания смещения через определенные промежутки времени, что обеспечивает постоянную работу инерционного волнового двигателя.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
На Фиг.1 представлена общая схема инерционного волнового двигателя.
На Фиг.2 представлена схема передачи усилий на ротор и статор.
На Фиг.1 показаны: статор 1, ротор 2, массы 3-10, актуаторы 11 и 12, пружины 13-20, жесткие связи масс 21-28, упорные элементы 29-36, толкатели 37-44.
На Фиг.2 показана схема сил, в том числе:
- сила, инициируемая актуатором 11;
- сила, передаваемая упорным элементом 29;
- сила, обеспечивающая равновесие массы 3 через жесткие связи 21;
- сила, передаваемая толкателем 37;
- сила, инициируемая пружиной 14.
Инерционный волновой двигатель состоит их статора 1 в виде части трубы с рифленой внутренней поверхностью; ротора 2, расположенного внутри статора 1. Между статором 1 и ротором 2 размещены массы 3-10, которые могут иметь различную массу и форму, и располагаются равномерно по всей окружности. Они могут быть выполнены в виде роликов. Между массами располагают актуаторы 1 и 2. Их количество устанавливают в зависимости от веса масс и усилий, которые необходимо создать для вращения ротора 2. Все массы 3-10 соединены между собой пружинами 13-20, как показано на Фиг.1. Массы 3-10 снабжены жесткими связями 21-28, которые обеспечивают равновесие масс при вращении их между статором 1 и ротором. Массы имеют также упорные элементы 29-36, которые одним концом соединены шарнирно с соответствующей массой, другой конец при движении по часовой стрелке скользит по рифленой поверхности статора, при вращении против часовой стрелки упирается в рифленую поверхность статора 1 и обеспечивает упор. Толкатели 37-44 обеспечивают передачу сил на ротор 2, они одним концом закреплены на массе, а другой входит в плотное соприкосновение с наружной поверхностью ротора.
Актуаторы 11 и 12 имеют подвод энергии и могут при работе подтягивать ближайшую массу (расположенную по часовой стрелке) и предназначены для создания начального смещения, что позволяет сформировать бегущую волну, импульсы с актуаторов поступают через каждый период прохождения волны (под периодом прохождения волны понимается распространение смещения от атуатора 11 к актуатору 12 и наоборот). Подтягивание массы происходит в следствии того, что пружина, расположенная за актуатором, после перемещения последнего становится растянутой и за счет упругих сил стремиться принять свое первоначальное положение, что в свою очередь приводит к подтягиванию ближайшей массы. Таким образом актуатор осуществляет постоянную подпитку энергией бегущую волну.
Работает инерционный волновой двигатель следующим образом.
Рассмотрим работу двигателя на отдельном участке. Подводиться энергия к актуатору 11, актуатор подтягивает массу 10, вместе с массой передвинется упорный элемент 36, пружина 13 сжимается. Затем она начинает разжиматься и толкнет массу 3, и передвинет ее вместе с упорным элементом 29, соответственно усилие передается толкателю 37 и ротор 2 перемещается на определенное расстояние. Пружина 14 передает усилие на массу 4.
Аналогично действует актуатор 12, обеспечивая передвижение масс, а, следовательно, и вращение ротора 2. Обеспечивается принцип передачи энергии в замкнутом контуре механической цепи.
Расчеты показали работоспособность предлагаемой полезной модели.