ШАГОВЫЙ СТРИКЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
GORGE STEPPING MOTOR AND METHOD OF ITS OPERATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к электрическим машинам с использованием пьезоэлектрического эффекта и может быть использовано в промышленности, на транспорте и в быту для привода в действие различных механизмов, в том числе насосов при эксплуатации скважин в нефтедобывающей промышленности, а также трубопроводных задвижек.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известен шаговый стрикционный двигатель, а также способ его работы, описанные в заявке на изобретение РФ №2016110681, опубликованной 10.08.2016. Шаговый стрикционный двигатель содержит корпус, а также бегун, расположенный в корпусе. Бегун содержит соединенные последовательно переднюю электроприводную распорную секцию, ходовую стрикционную секцию и заднюю электроприводную распорную секцию.
Ходовая стрикционная секция выполнена с возможностью изменения своей длины в направлении перемещения бегуна при ее подключении к источнику электрического напряжения. Также ходовая стрикционная секция выполнена с возможностью восстановления своей длины в направлении перемещения бегуна при ее отключении от источника электрического напряжения.
Передняя электроприводная распорная секция выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции в корпусе при ее подключении к источнику электрического напряжения. Также передняя электроприводная распорная секция выполнена с возможностью растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции в корпусе при ее отключении от источника электрического напряжения.
Задняя электроприводная распорная секция выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции в корпусе при ее подключении к источнику электрического напряжения. Также задняя электроприводная распорная секция выполнена с возможностью растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции в корпусе при ее отключении от источника электрического напряжения.
Шаговые двигатели такого типа отличаются простотой и компактностью для создания нагрузок и крутящих моментов большой величины при малой скорости. В качестве стрикционных материалов применены особые материалы - стрикторы (магнитострикторы и/или электрострикторы и/или пьезострикторы).
В описанном способе работы известного шагового стрикционного двигателя малые симметричные механические колебания ходовой секции передаются нагружающему элементу пульсирующим образом, так называемыми шагами. Расположенные спереди и сзади от ходовой секции распорные секции с применением стрикторов попеременно создают распорное усилие внутри жесткого корпуса, обеспечивают поступательное движение вытеснителя малыми по величине, но частыми повторяющимися шагами в одном направлении при движении вперед или назад. В результате нагружающий элемент движется поступательно на относительно большое расстояние между своими крайним задним и крайним передним положениями. Корпус и распорные секции в указанном устройстве подвержены изменению поперечных размеров вследствие изменения температуры.
Способ работы известного шагового стрикционного двигателя состоит в том, что при движении бегуна вперед в течение одного шага затормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, подключают ходовую стрикционную секцию к источнику электрического напряжения, затормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, отключают ходовую стрикционную секцию от источника электрического напряжения. Шаги при движении бегуна вперед повторяют до достижения бегуном нужного положения.
При движении бегуна назад в течение одного шага затормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, подключают ходовую стрикционную секцию к источнику электрического напряжения, затормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, отключают ходовую стрикционную секцию от источника электрического напряжения. Шаги при движении бегуна назад повторяют до достижения бегуном нужного положения.
Недостатком данного технического решения является то, что такой двигатель работает нестабильно. При изменении температуры окружающей среды происходит изменение линейных размеров корпуса. Также выделяющееся при работе стрикционных элементов тепло приводит к увеличению их температуры и последующим температурным деформациям распорных секций и корпуса. Особенно это проявляется при периодическом режиме работы устройства, при нестационарных температурных полях в корпусе и во внутренних деталях стрикционного двигателя.
При изменении температуры оборудования, на котором двигатель закреплен, также возникают температурные деформации корпуса двигателя. Это приводит к изменению распорных сил, затормаживающих переднюю и заднюю распорные секции внутри корпуса. Распорные силы могут как увеличиться, так и уменьшиться. Оба этих изменения приводят к неоптимальной работе двигателя и к уменьшению его выходной мощности.
Техническая задача и технический результат
Предложенная группа изобретений направлена на устранение вышеотмеченного недостатка - на создание шагового стрикционного двигателя и способа его работы, позволяющих обеспечить стабильную работу в изменяемом диапазоне температур и нагрузок.
Технический результат, достигаемый при этом, состоит в уменьшении зависимости выходной мощности двигателя от различных температурных условий.
Сущность созданного технического решения
Данный технический результат достигается при создании шагового стрикционного двигателя, содержащего корпус, а также бегун, расположенный в корпусе. Бегун содержит соединенные последовательно переднюю электроприводную распорную секцию, ходовую стрикционную секцию и заднюю электроприводную распорную секцию.
Ходовая стрикционная секция выполнена с возможностью изменения своей длины в направлении перемещения бегуна при ее подключении к источнику электрического напряжения. Также ходовая стрикционная секция выполнена с возможностью восстановления своей длины в направлении перемещения бегуна при ее отключении от источника электрического напряжения.
Передняя электроприводная распорная секция выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции в корпусе при ее подключении к источнику электрического напряжения. Также передняя электроприводная распорная секция выполнена с возможностью растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции в корпусе при ее отключении от источника электрического напряжения.
Задняя электроприводная распорная секция выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции в корпусе при ее подключении к источнику электрического напряжения. Также задняя электроприводная распорная секция выполнена с возможностью растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции в корпусе при ее отключении от источника электрического напряжения.
В конструкцию шагового стрикционного двигателя, согласно созданному техническому решению, входит средство изменения температуры корпуса, выполненное с возможностью изменения температуры преимущественно той части корпуса, в которой находится передняя или задняя электроприводная распорная секция.
В шаговом стрикционном двигателе, согласно изобретению, средство изменения температуры корпуса может быть закреплено на корпусе. При этом оно может быть выполнено в виде резистивного нагревателя или в виде элемента Пельтье.
Шаговый стрикционный двигатель дополнительно может содержать терморегулятор и датчик температуры. Выход терморегулятора при этом соединен со средством изменения температуры корпуса, выход датчика температуры соединен с терморегулятором, а сам датчик температуры закреплен на корпусе.
Кроме того, данный технический результат достигается при реализации способа работы шагового стрикционного двигателя. Шаговый стрикционный двигатель при этом содержит корпус, а также бегун, расположенный в корпусе. Бегун содержит соединенные последовательно переднюю электроприводную распорную секцию, ходовую стрикционную секцию и заднюю электроприводную распорную секцию.
В процессе работы шагового стрикционного двигателя ходовую стрикционную секцию при движении бегуна перемещают повторяющимися шагами. При движении бегуна вперед в течение одного шага
затормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, подключают ходовую стрикционную секцию к источнику электрического напряжения, затормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, отключают ходовую стрикционную секцию от источника электрического напряжения. Шаги при движении бегуна вперед повторяют до достижения бегуном нужного положения.
При движении бегуна назад в течение одного шага затормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, подключают ходовую стрикционную секцию к источнику электрического напряжения, затормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, отключают ходовую стрикционную секцию от источника электрического напряжения. Шаги при движении бегуна назад повторяют до достижения бегуном нужного положения. При недостаточном растормаживании передней электроприводной распорной секции нагревают переднюю часть корпуса. При недостаточном растормаживании задней электроприводной распорной секции нагревают заднюю часть корпуса.
В процессе осуществления действий способа недостаточное растормаживание электроприводной распорной секции могут определять по изменению одного или нескольких параметров работы шагового стрикционного двигателя. Например, по уменьшению температуры части корпуса, в которой находится электроприводная распорная секция. Также недостаточное растормаживание могут определять по уменьшению величины перемещения электроприводной распорной секции в расторможенном состоянии за один шаг, по увеличению температуры электроприводной распорной секции, по увеличению усилия, требуемого для перемещения электроприводной распорной секции в расторможенном состоянии на один шаг, по увеличению остаточной силы давления электроприводной распорной секции на стенки корпуса в расторможенном состоянии.
В другом варианте осуществления способа осуществляют следующую последовательность действий. Шаговый стрикционный двигатель при этом содержит корпус, а также бегун, расположенный в корпусе. Бегун содержит соединенные последовательно переднюю электроприводную распорную секцию, ходовую стрикционную секцию и заднюю электроприводную распорную секцию.
В процессе работы шагового стрикционного двигателя ходовую стрикционную секцию при движении бегуна перемещают повторяющимися шагами. При движении бегуна вперед в течение одного шага затормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, подключают ходовую стрикционную секцию к источнику электрического напряжения, затормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, отключают ходовую стрикционную секцию от источника электрического напряжения. Шаги при движении бегуна вперед повторяют до достижения бегуном нужного положения.
При движении бегуна назад в течение одного шага затормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, подключают ходовую стрикционную секцию к источнику электрического напряжения, затормаживают в корпусе заднюю электроприводную распорную секцию, растормаживают в корпусе переднюю электроприводную распорную секцию, отключают ходовую стрикционную секцию от источника электрического напряжения. Шаги при движении бегуна назад повторяют до достижения бегуном нужного положения.
При недостаточном затормаживании передней электроприводной распорной секции охлаждают переднюю часть корпуса. При недостаточном затормаживании задней электроприводной распорной секции охлаждают заднюю часть корпуса.
В процессе осуществления действий способа недостаточное затормаживание электроприводной распорной секции могут определять по изменению одного или нескольких параметров работы шагового стрикционного двигателя. Например, по увеличению температуры части корпуса, в которой находится электроприводная распорная секция. Также недостаточное затормаживание могут определять по наличию перемещения электроприводной распорной секции в заторможенном состоянии относительно корпуса, по уменьшению распорного усилия, создаваемого электроприводной распорной секцией в заторможенном состоянии.
Краткое описание чертежей
Предложенная группа изобретений поясняется следующими графическими изображениями.
Фиг. 1 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа, продольный разрез. В качестве стрикционных элементов в ходовой стрикционной секции и электроприводных распорных секциях применены пьезоэлементы.
Фиг. 2 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа. Предусмотрены два средства изменения температуры корпуса, для передней и задней части корпуса. Средства изменения температуры корпуса выполнены в виде резистивных нагревателей.
Фиг. 3 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа, продольный разрез. В качестве стрикционных элементов в ходовой стрикционной секции и электроприводных распорных секциях применены магнитострикционные элементы.
Фиг. 4 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа. Предусмотрены два средства изменения температуры корпуса, для передней и задней части корпуса. Средства изменения температуры корпуса выполнены в виде элементов Пельтье.
Фиг. 5 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа, продольный разрез. В качестве стрикционных элементов в ходовой стрикционной секции применены магнитострикционные элементы, в электроприводных распорных секциях - пьезоэлементы. Герметизация штока выполнена сильфоном. Компенсатор изменяющегося объема масла, заполняющего корпус, выполнен в виде баллона.
Фиг. 6 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа. Средство изменения температуры задней части корпуса выполнено в виде полос из элементов Пельтье. Компенсатор движущегося объема масла, заполняющего корпус, выполнен в виде баллона.
Фиг. 7 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа, продольный разрез. В качестве стрикционных элементов в ходовой стрикционной секции применены пьезоэлементы, в электроприводных распорных секциях - магнитострикционные элементы. Герметизация штока выполнена мембранным сильфоном. Компенсатор движущегося объема масла, заполняющего корпус, выполнен в виде сильфона.
Фиг. 8 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа. Средство изменения температуры передней части корпуса выполнено в виде резистивных нагревателей.
Фиг. 9 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа, поперечное сечение в области электроприводной распорной секции с магнитострикционными элементами.
Фиг. 10 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа, поперечное сечение в области ходовой секции с магнитострикционными элементами.
Фиг. 11 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа, поперечное сечение в области электроприводной распорной секции с пьезоэлементами.
Фиг. 12 - Шаговый стрикционный двигатель линейного типа, поперечное сечение в области ходовой секции с пьезоэлементами.
Подробное описание технического решения
На фиг. 1 представлено изображение шагового стрикционного двигателя линейного типа в продольном разрезе. В состав двигателя входят герметичный корпус 1 и бегун, расположенный в корпусе 1. Бегун, в свою очередь, состоит из соединенных последовательно задней электроприводной распорной секции 4, ходовой стрикционной секции 5, передней электроприводной распорной секции 6. Бегун соединен со штоком 2, находящимся в передней части корпуса 1 шагового стрикционного двигателя. Шток 2 герметизирован сальником 3.
Ходовая стрикционная секция 5 имеет свойство изменять свою длину в направлении перемещения бегуна при подключении ее при помощи проводов 7 к источнику электрического напряжения и отключении от него. Изменение длины происходит вследствие физических свойств стрикционного материала, входящего в ее конструкцию.
Задняя электроприводная распорная секция 4 выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 5 в корпусе 1 при ее подключении при помощи проводов 7 к источнику электрического напряжения, а также растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 5 в корпусе 1 при ее отключении от источника электрического напряжения. Передняя электроприводная распорная секция 6 выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 5 в корпусе 1 при ее подключении при помощи проводов 7 к источнику электрического напряжения, а также растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 5 в корпусе 1 при ее отключении от источника электрического напряжения.
Затормаживание и растормаживание задней и передней электроприводных распорных секций 4 и 6 соответственно может осуществляться известным из уровня техники средством. Например, это может осуществляться электромагнитом, сердечник которого касается изнутри корпуса 1. При подключении обмотки электромагнита к источнику электрического напряжения сердечник электромагнита имеет возможность прижаться к корпусу 1 изнутри, обеспечивая затормаживание. При отключении обмотки электромагнита от источника электрического напряжения прижатие сердечника к корпусу 1 изнутри прекращается, и наступает растормаживание.
Также затормаживание и растормаживание задней и передней электроприводных распорных секций 4 и 6 соответственно может осуществляться при помощи пьезоэлектрического или электрострикционного материала, входящего в конструкцию соответствующей распорной секции. При подключении пьезоэлектрического или электрострикционного материала к источнику электрического напряжения этот материал может увеличиться в размере и оказать давление при посредстве промежуточных деталей на стенки корпуса 1 изнутри - наступает затормаживание. Соответственно, при отключении пьезоэлектрического или электрострикционного материала от источника электрического напряжения этот материал восстанавливается в размере и перестает оказывать давление при посредстве промежуточных деталей на стенки корпуса 1 изнутри - наступает растормаживание.
В шаговом стрикционном двигателе, изображенном на фиг. 1, в задней электроприводной распорной секции 4, в ходовой стрикционной секции 5 и в передней электроприводной распорной секции 6 применен пьезоэлектрический материал в виде пластин 8, а также электроды 9. Электроды 9 в этом случае выполнены с возможностью создавать электрическое поле в пьезоэлектрическом материале при подключении их к источнику электрического напряжения при помощи проводов 7.
Вектор напряженности создаваемого электрического поля в ходовой стрикционной секции 5 направлен таким образом, чтобы пластины 8 изменяли длину ходовой секции 5. Вектор напряженности создаваемого электрического поля в задней 4 и передней 5 электроприводных распорных секциях направлен таким образом, чтобы пластины 8 оказывали давление на стенки корпуса 1 изнутри при подключении электродов 9 к источнику электрического напряжения.
В средней части ходовой стрикционной секции 5 имеется ползун 10. Ползун 10 выполнен с возможностью скользить без зазора относительно стенок корпуса 1. При действии сжимающих продольных нагрузок на ходовую стрикционную секцию 5 ползун 10 не позволяет ей потерять продольную устойчивость, то есть изогнуться таким образом, что наступит разрушение или касание пластинами 8 и/или электродами 9 ходовой стрикционной секции корпуса 1 изнутри.
В задней части корпуса 1 выполнен токоввод 11 для обеспечения силового импульсного электропитания секций бегуна, а именно - периодического подключения их при помощи проводов 7 к источнику электрического напряжения и отключения от него.
Корпус 1 может быть заполнен электроизоляционной жидкостью, например, трансформаторным маслом, полиметилсилоксановой жидкостью, полиэтилсилоксановой жидкостью или перфторметилдекалином.
На фиг. 2 представлен шаговый стрикционный двигатель линейного типа, который на фиг. 1 был изображен в разрезанном виде. На корпусе 1 при помощи планок 12 закреплены четыре средства изменения температуры корпуса, выполненные в виде резистивных нагревателей. Резистивные нагреватели 13 и 14 расположены на передней грани корпуса 1, два других нагревателя расположены симметрично на задней (невидимой на фиг. 2) его грани. Каждый из нагревателей имеет возможность изменения температуры преимущественно той части корпуса 1, в которой находится одна из электроприводных распорных секций. Резистивный нагреватель 13 и симметричный ему нагреватель, закрепленный на задней грани корпуса 1, могут изменять температуру в области расположения передней электроприводной распорной секции 6. Резистивный нагреватель 14 и симметричный ему нагреватель, закрепленный на задней грани корпуса 1, могут измененять температуру в области расположения задней электроприводной распорной секции 4.
Шаговый стрикционный двигатель, изображенный на фиг. 2, снабжен терморегуляторами 15 и 16, а также датчиками 17 и 18 температуры корпуса 1. Выходы терморегулятора 15 соединены с резистивным нагревателем 13 и симметричным ему нагревателем, закрепленном на задней грани корпуса 1. Выходы терморегулятора 16 соединены с резистивным нагревателем 14 и симметричным ему нагревателем, закрепленном на задней грани корпуса 1. Выход датчика температуры 17 соединен с терморегулятором 15. Выход датчика температуры 18 соединен с терморегулятором 16. Датчики температуры 17 и 18 закреплены на корпусе 1 под соответствующими планками 12.
На фиг. 3 представлено изображение шагового стрикционного двигателя линейного типа в продольном разрезе. В состав двигателя входят герметичный корпус 1 и бегун, расположенный в корпусе 1. Бегун, в свою очередь, состоит из соединенных последовательно задней электроприводной распорной секции 4, ходовой стрикционной секции 5, передней электроприводной распорной секции 6. Бегун соединен со штоком 2 при посредстве упругого элемента - пластинчатой пружины 19. Шток 2 находится в передней части корпуса 1 шагового стрикционного двигателя. Шток 2 герметизирован сальником 3.
Ходовая стрикционная секция 5 содержит стержни 20 из магнитострикционного материала и катушки индуктивности 21, расположенные вокруг них. Каждая катушка индуктивности 21 выполнена с возможностью создавать магнитное поле в соответствующем стержне 20 из магнитострикционного материала при подключении ее к источнику электрического напряжения. Вектор напряженности создаваемого магнитного поля направлен таким образом, что стержни 20 из магнитострикционного материала могут изменять свою длину в направлении продольной оси двигателя при подключении катушки индуктивности 21 к источнику электрического напряжения с помощью проводов 7, а также восстанавливать свою длину при отключении катушки индуктивности 21 от источника электрического напряжения.
В передней 6 и задней 4 электроприводных распорных секциях применены стержни 22 из магнитострикционного материала и катушки индуктивности 23, расположенные вокруг них. Каждая катушка индуктивности 23 выполнена с возможностью создавать магнитное поле в соответствующем стержне 22 из магнитострикционного материала при подключении ее к источнику электрического напряжения. Вектор напряженности создаваемого магнитного поля направлен таким образом, что стержни 22 из магнитострикционного материала могут оказывать давление на стенки корпуса 1 изнутри при подключении катушки индуктивности 23 к источнику электрического напряжения при помощи проводов 7. Таким образом, это приводит к затормаживанию переднего и/или заднего конца ходовой стрикционной секции 5 в корпусе 1.
В средней части ходовой стрикционной секции 5 имеется ползун 10. Ползун 10 выполнен с возможностью скользить без зазора относительно стенок корпуса 1. При действии сжимающих продольных нагрузок на ходовую стрикционную секцию 5 ползун 10 не позволяет ей потерять продольную устойчивость, то есть изогнуться таким образом, что наступит ее разрушение или касание катушками 21 и/или проводами ходовой стрикционной секции корпуса 1 изнутри.
В задней части корпуса 1 выполнен токоввод 11 для обеспечения силового импульсного электропитания секций бегуна, а именно - периодического подключения их при помощи проводов 7 к источнику электрического напряжения и отключения от него.
Корпус 1 может быть заполнен электроизоляционной жидкостью, например, трансформаторным маслом, полиметилсилоксановой жидкостью, полиэтилсилоксановой жидкостью или перфторметилдекалином.
На фиг. 4 представлен шаговый стрикционный двигатель линейного типа, который был изображен на фиг. 3 в разрезанном виде. На корпусе 1 при помощи адгезии закреплены четыре средства изменения температуры корпуса, выполненные в виде полос из элементов Пельтье. Полосы из элементов Пельтье 24 и 25 расположены на передней грани корпуса 1, две другие аналогичные полосы расположены симметрично на задней (невидимой на фиг. 4) его грани. Каждая из полос имеет возможность изменения температуры преимущественно той части корпуса, в которой находится одна из электроприводных распорных секций. Полоса из элементов Пельтье 24 и симметричная ей полоса, закрепленная на задней грани корпуса 1, могут изменять его температуру (охлаждать и нагревать) в области расположения передней электроприводной распорной секции 6. Полоса из элементов Пельтье 25 и симметричная ей полоса, закрепленная на задней грани корпуса 1, могут изменять его температуру (охлаждать и нагревать) в области расположения задней электроприводной распорной секции 4.
Шаговый стрикционный двигатель, изображенный на фиг. 4, снабжен терморегулятором 15, а также датчиками 17 и 18 температуры корпуса 1. Выходы терморегулятора 15 соединены с полосой из элементов Пельтье 24 и симметричной ей полосой, закрепленной на задней грани корпуса 1. Другие выходы терморегулятора 15 соединены с полосой из элементов Пельтье 25 и симметричной ей полосой, закрепленной на задней грани корпуса 1. Выходы датчиков температуры 17 и 18 соединены с терморегулятором 15.
На фиг. 5 представлено изображение шагового стрикционного двигателя линейного типа в продольном разрезе. В состав двигателя входят герметичный корпус 1 и бегун, расположенный в корпусе 1. Бегун, в свою очередь, состоит из соединенных последовательно задней электроприводной распорной секции 4, ходовой стрикционной секции 5, передней электроприводной распорной секции 6. Бегун соединен со штоком 2. Шток 2 находится в передней части корпуса 1 шагового стрикционного двигателя. Шток 2 герметизирован сильфоном 26.
Ходовая стрикционная секция 5 содержит стержни 20 из магнитострикционного материала и катушки индуктивности 21, расположенные вокруг них. В задней электроприводной распорной секции 4 и в передней электроприводной распорной секции 6 применен пьезоэлектрический материал в виде пластин 8, а также электроды 9.
Корпус 1 заполнен электроизоляционной жидкостью, например, трансформаторным маслом, полиметилсилоксановой жидкостью, полиэтилсилоксановой жидкостью или перфторметилдекалином.
В задней части корпуса 1 к нему подсоединен трубопровод 27, соединяющий его с баллонным компенсатором 28. Внутри баллонного компенсатора 28 находится герметично закрепленная на внутренних стенках диафрагма 29, разделяющая его внутреннюю полость на две части. Одна из частей заполнена электроизоляционной жидкостью и связана трубопроводом 27 с внутренней полостью корпуса 1. Другая часть отверстием 30 связана с окружающим пространством.
На фиг. 6 представлен шаговый стрикционный двигатель линейного типа, который был изображен на фиг. 5 разрезанном виде. На корпусе 1 при помощи адгезии закреплены два средства изменения температуры корпуса, выполненные в виде полос из элементов Пельтье. Полоса из элементов Пельтье 25 расположена на передней грани корпуса 1, другая аналогичная полоса расположена симметрично на задней (невидимой на фиг. 6) его грани. Эти полосы могут изменять температуру корпуса 1 (охлаждать и нагревать) в области расположения задней электроприводной распорной секции 4.
Шаговый стрикционный двигатель, изображенный на фиг. 6, снабжен терморегулятором 15, а также датчиком 18 температуры корпуса 1. Выходы терморегулятора 15 соединены с полосой из элементов Пельтье 25 и симметричной ей полосой, закрепленной на задней грани корпуса 1. Выход датчика температуры 18 соединен с терморегулятором 15.
На фиг. 7 представлено изображение шагового стрикционного двигателя линейного типа в продольном разрезе. В состав двигателя входят герметичный корпус 1 и бегун, расположенный в корпусе 1. Бегун, в свою очередь, состоит из соединенных последовательно задней электроприводной распорной секции 4, ходовой стрикционной секции 5, передней электроприводной распорной секции 6. Бегун соединен со штоком 2 при посредстве двух упругих элементов - пластинчатых пружин 19. Шток 2 находится в передней части корпуса 1 шагового стрикционного двигателя. Шток 2 герметизирован сильфоном 26.
В ходовой стрикционной секции 5 применен пьезоэлектрический материал в виде пластин 8, а также электроды 9. В задней электроприводной распорной секции 4 и в передней электроприводной распорной секции 6 применены стержни 22 из магнитострикционного материала и катушки индуктивности 23, расположенные вокруг них.
Корпус 1 заполнен электроизоляционной жидкостью, например, трансформаторным маслом, полиметилсилоксановой жидкостью, полиэтилсилоксановой жидкостью или перфторметилдекалином.
В задней части корпуса 1 расположен сильфонный компенсатор 31, герметично закрывающий нижнюю часть корпуса 1.
На фиг. 8 представлен шаговый стрикционный двигатель линейного типа, который был изображен на фиг. 7 разрезанном виде. На корпусе 1 при помощи планок 12 закреплены два средства изменения температуры корпуса, выполненные в виде резистивных нагревателей. Резистивный нагреватель 13 закреплен на передней грани корпуса 1, другой аналогичный резистивный нагреватель закреплен симметрично на задней (невидимой на фиг. 8) его грани. Эти резистивные нагреватели могут изменять температуру корпуса 1 в области расположения передней электроприводной распорной секции 6.
Шаговый стрикционный двигатель, изображенный на фиг. 8, снабжен терморегулятором 15, а также датчиком температуры 17 корпуса 1. Датчик температуры 17 удерживается в отверстии корпуса 1 планкой 12. Выходы терморегулятора 15 соединены с резистивным нагревателем 13 и симметричным ему резистивным нагревателем, закрепленным на задней грани корпуса 1. Выход датчика температуры 17 соединен с терморегулятором 15.
На фиг. 9 изображено поперечное сечение шагового стрикционного двигателя линейного типа в области электроприводной распорной секции с магнитострикционными элементами.
Сечение выполнено в области задней электроприводной распорной секции 4 (фиг. 3), содержащей магнитострикционный материал. Катушка индуктивности 23 расположена вокруг стержня 22 из магнитострикционного материала. Стержень 22 выполнен из пластин магнитострикционного материала с целью уменьшить потери на вихревые токи. На корпусе 1 при помощи адгезии закреплены средства изменения температуры корпуса, выполненные в виде полос из элементов Пельтье 25 и 32. Также в корпусе выполнено отверстие, в котором закреплен датчик 18 температуры корпуса. Детали корпуса 1 скреплены винтами 33.
На фиг. 10 изображено поперечное сечение шагового стрикционного двигателя линейного типа в области ходовой электроприводной секции с магнитострикционными элементами. Сечение выполнено для шагового стрикционного двигателя, изображенного на фиг. 3. Катушки индуктивности 21 расположены вокруг стержней 20 из магнитострикционного материала. Стержни 20 выполнены из пластин магнитострикционного материала с целью уменьшить потери на вихревые токи. На корпусе 1 при помощи адгезии закреплены средства изменения температуры корпуса, выполненные в виде полос из элементов Пельтье 25 и 32. Детали корпуса 1 скреплены винтами 33.
На фиг. 11 изображено поперечное сечение шагового стрикционного двигателя линейного типа в области электроприводной распорной секции 4 с пьезоэлементами. Сечение выполнено для шагового стрикционного двигателя, изображенного на фиг. 5. Пластины пьезоэлектрического материала 8 чередуются с электродами 9. К электродам подведены провода 34 по известному правилу для сборки пьезопакетов. Образованный таким образом пьезопакет находится в контакте с корпусом 1 изнутри через части электроприводной распорной секции 4. На корпусе 1 при помощи адгезии закреплены средства изменения температуры корпуса, выполненные в виде полос из элементов Пельтье 25 и 32. Также в корпусе выполнено отверстие, в котором закреплен датчик 18 температуры корпуса. Детали корпуса 1 скреплены винтами 33.
На фиг. 12 изображено поперечное сечение шагового стрикционного двигателя линейного типа в области ходовой секции с пьезоэлементами. Сечение выполнено для шагового стрикционного двигателя, изображенного на фиг. 7. Пластины пьезоэлектрического материала 8, чередующиеся с электродами 9, образуют пьезопакет, внутри которого проходит соединительная шпилька 35. Подведенные к электродам 9 провода не изображены. На корпусе 1 в углублениях при помощи планок 12 закреплены средства изменения температуры корпуса, выполненные в виде резистивных нагревателей 13 и 36. Детали корпуса 1 скреплены винтами 33.
Устройство работает следующим образом. Шаговый стрикционный двигатель при этом содержит корпус 1 (фиг. 1-12) и бегун, расположенный в корпусе. Бегун, в свою очередь, содержит соединенные последовательно переднюю электроприводную распорную секцию 6 (фиг. 1, 3, 5, 7), ходовую стрикционную секцию 5 и заднюю электроприводную распорную секцию 4.
В процессе работы шагового стрикционного двигателя ходовую стрикционную секцию 5 при движении бегуна перемещают повторяющимися шагами. При движении бегуна вперед в течение одного шага затормаживают в корпусе 1 заднюю электроприводную распорную секцию 4, растормаживают в корпусе 1 переднюю электроприводную распорную секцию 6, подключают ходовую стрикционную секцию 5 при помощи проводов 7 к источнику электрического напряжения, затормаживают в корпусе 1 переднюю электроприводную распорную секцию 6, растормаживают в корпусе 1 заднюю электроприводную распорную секцию 4, отключают ходовую стрикционную секцию 5 от источника электрического напряжения. Шаги при движении бегуна вперед повторяют до достижения бегуном нужного положения в корпусе 1.
При движении бегуна назад в течение одного шага затормаживают в корпусе 1 переднюю электроприводную распорную секцию 6, растормаживают в корпусе 1 заднюю электроприводную распорную секцию 4, подключают ходовую стрикционную секцию 5 при помощи проводов 7 к источнику электрического напряжения, затормаживают в корпусе 1 заднюю электроприводную распорную секцию 4, растормаживают в корпусе 1 переднюю электроприводную распорную секцию 6, отключают ходовую стрикционную секцию 5 от источника электрического напряжения. Шаги при движении бегуна назад повторяют до достижения бегуном нужного положения в корпусе 1.
При недостаточном растормаживании передней 6 или задней 4 электроприводной распорной секции возникает потеря мощности двигателя и уменьшение его скорости. Для исключения этого при помощи резистивных нагревателей или элементов Пельтье нагревают часть корпуса 1, в которой находится распорная секция с недостаточным растормаживанием. Например, при недостаточном растормаживании передней электроприводной распорной секции 6 в корпусе 1 нагревают переднюю часть корпуса 1. Это осуществляют резистивными нагревателями 13 и 36 (фиг. 12). В другом примере элементами Пельтье 25 и 32 (фиг. 11) нагревают заднюю часть корпуса 1 при недостаточном растормаживании задней электроприводной распорной секции 4 в корпусе 1.
В процессе осуществления действий способа недостаточное растормаживание передней 6 (фиг. 1, 3, 5, 7) или задней 4 электроприводной распорной секции могут определять по изменению одного или нескольких параметров работы шагового стрикционного двигателя. Например, признаком недостаточного растормаживания передней 6 или задней 4 электроприводной распорной секции является уменьшение температуры части корпуса 1, в которой находится соответствующая распорная секция. Уменьшение температуры определяют по показаниям соответствующего датчика 17 (фиг. 1) или 18. Материал корпуса 1 при его охлаждении уменьшается в размерах, что не дает возможности скользить распорным секциям 4 и 6 внутри корпуса 1 без существенного трения о него, то есть растормаживания распорной секции в таком случае нет или оно является неполным. Охлаждение корпуса 1 может произойти вследствие уменьшения окружающей температуры, уменьшения температуры деталей, к которым прикреплен корпус 1 или по иным причинам.
Для установления правильной температуры той части корпуса 1, в которой расположена, например, передняя электроприводная распорная секция 6, при помощи датчика 17 (фиг. 8) получают электрический сигнал о температуре и подают его по проводам на терморегулятор 15. Терморегулятор 15 включает резистивные нагреватели 13 и 36 (фиг. 12), которые, в свою очередь, нагревают переднюю часть корпуса 1 до достижения правильной температуры.
Также признаком недостаточного растормаживания передней 6 (фиг. 1, 3, 5, 7) или задней 4 электроприводной распорной секции может быть увеличение температуры самой этой секции. Пьезоэлектрический, электрострикционный, магнитострикционный материал при работе двигателя совершает преобразование энергии электрических импульсов в механическую работу, вследствие чего он нагревается и увеличивается в размерах. Нагрев отслеживают при помощи датчиков температуры, не изображенных на чертежах.
Нагрев распорной секции в каждый момент времени работы пьезодвигателя также может быть определен просто расчетом, осуществляемым управляющим микроконтроллером, поскольку зависимость тепловыделения от поступающих на стрикционный материал импульсов известна. Распорная секция в таком случае увеличивается в размерах, что не дает ей возможности скользить внутри корпуса 1 без существенного трения о него. То есть растормаживания распорной секции в таком случае нет или оно неполное.
Еще одним признаком недостаточного растормаживания электроприводной распорной секции является усилие, с которым осуществляют ее перемещение при ее пошаговом движении в корпусе 1, или же сама величина этого перемещения. Уменьшение величины перемещения в продольном направлении одной из распорных секций 4 или 6 в расторможенном состоянии за один шаг относительно корпуса 1 является признаком ее недостаточного растормаживания. В конструкцию бегуна для этой цели вводят средство для измерения величины шага.
Надежным признаком недостаточного растормаживания является увеличение усилия перемещения передней 6 или задней 4 электроприводной распорной секции в расторможенном состоянии внутри корпуса 1 в продольном направлении на один шаг. В конструкцию бегуна для этой цели вводят средство для измерения усилия перемещения.
Увеличение остаточной силы давления электроприводной распорной секции на стенки корпуса 1 в расторможенном состоянии также является характерным признаком недостаточного растормаживания распорной секции 4 или 6. В конструкцию распорной секции для этой цели вводят средство для измерения силы ее давления на стенки корпуса 1 (распорного усилия).
При недостаточном затормаживании передней или задней электроприводной распорной секции возникает потеря мощности двигателя и уменьшение его тягового усилия. Для исключения этого при помощи элементов Пельтье охлаждают часть корпуса 1, в которой находится распорная секция с недостаточным затормаживанием. Например, элементами Пельтье 25 и 32 (фиг. 11) охлаждают заднюю часть корпуса 1 при недостаточном затормаживании задней электроприводной распорной секции 4 в корпусе 1. При недостаточном затормаживании передней электроприводной распорной секции 6 охлаждают переднюю часть корпуса 1 аналогичным образом.
В процессе осуществления действий способа недостаточное затормаживание передней 6 или задней 4 электроприводной распорной секции могут определять по изменению одного или нескольких параметров работы шагового стрикционного двигателя. Например, увеличение температуры части корпуса 1, в которой находится соответствующая электроприводная распорная секция, является признаком недостаточного затормаживания. Увеличение температуры определяют по показаниям датчика 17 или 18. Материал корпуса 1 при его нагреве увеличивается в размерах, что не дает возможности распорным секциям 4 и 6 затормозиться внутри корпуса 1. Затормаживания распорной секции в таком случае нет или оно неполное. Нагрев корпуса 1 может произойти вследствие увеличения окружающей температуры, увеличения температуры деталей, к которым прикреплен корпус 1 или по иным причинам.
Для установления правильной температуры той части корпуса 1, в которой расположена, например, задняя электроприводная распорная секция 4, при помощи датчика 18 получают электрический сигнал о температуре и подают его по проводам на терморегулятор 15. Терморегулятор 15 включает полосы из элементов Пельтье 25 и 32 (фиг. 9), которые, в свою очередь, охлаждают часть корпуса 1 до достижения правильной температуры.
Можно определять недостаточное затормаживание передней 6 или задней 4 электроприводной распорной секции, измеряя распорное усилие, создаваемое этой секцией в заторможенном состоянии на стенки корпуса 1 изнутри. В конструкцию соответствующей распорной секции для этой цели вводят средство для измерения распорного усилия.
Продольное перемещение одной из электроприводных распорных секций 4, 6 в заторможенном состоянии относительно корпуса 1 является признаком ее недостаточного затормаживания. В конструкцию бегуна для измерения этого признака вводят средство для измерения продольного перемещения этой распорной секции.
Электроизоляционная жидкость, которая может заполнять корпус 1, отводит избыточное тепло, генерируемое при работе двигателя, от пьезоэлектрического, электрострикционного, магнитострикционного материала. Сильфон 26 (фиг. 5 и 7), герметизирующий шток 2 относительно корпуса 1, растягивается и сжимается вместе с соответствующим перемещением штока 2 вперед и назад при работе шагового двигателя. Поскольку объем заполняющей жидкости неизменен, соответствующие движения вперед и назад осуществляет сильфонный компенсатор 26 (фиг. 7). В конструкции, изображенной на фиг. 5, жидкость из корпуса 1 при движении бегуна в заднее положение перетекает по трубопроводу 27 в баллонный компенсатор 28. При этом деформируется диафрагма 29. При движении бегуна в переднее положение жидкость возвращается в корпус 1 из баллонного компенсатора 28 тем же путем.
Устройство и способ, описанные в данной заявке, применимы в промышленности, на транспорте и в быту для привода в действие различных механизмов, в том числе трубопроводных задвижек, а также насосов при эксплуатации скважин.
Группа изобретений была раскрыта выше со ссылкой на конкретные варианты их осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретений группы, не меняющие их сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, объем правовой охраны изобретений, входящих в группу, следует считать ограниченным только нижеследующей формулой изобретения.