РЕВЕРСИВНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в составе прямых (безредукторных) приводов исполнительных устройств.
Наиболее близким к полезной модели является пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел, который выполнен в виде храпового механизма, а биморфные пластины одним концом закреплены неподвижно на основании и расположены радиально в одной плоскости, свободные концы биморфных пластин охвачены пассиком, связывающим их с храповым механизмом, причем плоскость расположения пластин перпендикулярна оси вращения храпового механизма (см. пат. № RU 2286002 от 22.04.2005 г. [1]). Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком указанного двигателя является невысокая надежность и ресурс работы из-за использования резинового пассика, а также возможность получения вращательного движения только в одну сторону.
Задача полезной модели - увеличение надежности и ресурса работы двигателя и получение реверсивного вращение вала в двух направлениях.
Поставленная задача решается за счет того, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел, последний выполнен в виде полого цилиндрического элемента, расположенного коаксиально внутри конструкции двигателя и содержащего ротор с фиксирующим узлом, а биморфные пластины одним концом закреплены неподвижно внутри корпуса и расположены радиально в одной плоскости, вторые концы биморфных пластин прикреплены к подвижному полому цилиндрическому элементу, связанному с выходным валом с помощью подвижных, управляемых пьезоэлектрическими актюаторами, зубчатых элементов фиксирующего узла передающего вращательное движение выходному валу, причем ось вращения подвижного цилиндрического элемента совпадает с осью вращения выходного вала.
На фигуре 1 схематично изображен реверсивный пьезоэлектрический двигатель, а на фигурах 2 и 3 его разрезы по А-А и В-В соответственно.
Двигатель содержит биморфные пьезоэлементы 1, закрепленные одними концами неподвижно внутри корпуса 2 и прикрепленными вторыми концами к подвижному полому цилиндрическому элементу 3 с помощью эластичного соединения 4, цилиндрический элемент имеет зубчатую внутреннюю поверхность 5, коаксиально внутри цилиндрического элемента находится фиксирующий узел, состоящий из ротора 6, с парными подвижными зубчатыми элементами 7 и 8, парными линейными пьезоэлектрическими актюаторами 9 и 10, выходной вал 11. На внутренней части корпуса расположен кольцевой выступ 12с зубчатой внутренней поверхностью 13.
Двигатель работает следующим образом.
При подаче переменного напряжения на биморфные пьезоэлементы 1 последние изгибаются и их подвижные концы совершают колебательные движения с частотой подаваемого напряжения. Подвижный цилиндрический элемент 3, к которому прикреплены эти подвижные концы, начинает совершать вращательные движения, которые с помощью фиксирующего узла передаются на выходной вал 11. Элементарный цикл движения (шаг) двигателя состоит из 4 тактов.
1 такт. Управляющее напряжение подано на линейные пьезоэлектрические актюаторы 9, воздействующие на подвижные зубчатые элементы 7 фиксирующего узла, которые входят в зацепление с зубчатой поверхностью 5. Управляющее напряжение снято с линейных пьезоэлектрических актюаторов 10, подвижные зубчатые элементы 8 фиксирующего узла, выходят из зацепления с зубчатой поверхностью 13 цилиндрического элемента 3.
2 такт. На биморфные пьезоэлементы 1 подано положительное напряжение, под действием которого, последние изгибаются и их подвижные концы проворачивают цилиндрический элемент 3, вместе со сцепленным с ним фиксирующим узлом и выходным валом 11.
3 такт. Управляющее напряжение подано на линейные пьезоэлектрические актюаторы 10, воздействующие на подвижные зубчатые элементы 8 фиксирующего узла, которые входят в зацепление с зубчатой поверхностью 13 кольцевого выступа 12 и фиксируют выходной вал 11 с корпусом двигателя. Управляющее напряжение снято с линейных пьезоэлектрических актюаторов 9, подвижные зубчатые элементы 7 фиксирующего узла, выходят из зацепления с зубчатой поверхностью 5, освобождая цилиндрический элемент 3.
4 такт. На биморфные пьезоэлементы 1 подано отрицательное напряжение, под действием которого последние изгибаются и их подвижные концы проворачивают цилиндрический элемент 3 в обратную сторону.
Для получения вращения выходного вала в обратную сторону, во время 2 такта на биморфные пьезоэлементы 1, подается отрицательное напряжение, а во время 4 такта - положительное.
Для повышения момента вращения двигателя множество биморфных пьезоэлементов электрически соединены параллельно, в результате этого изгибный момент каждой пластины суммируется друг с другом и получается значительный по величине момент вращения.
По сравнению с известным пьезоэлектрическим двигателем (прототипом) в заявляемом устройстве выше надежность и ресурс работы из-за отсутствия резинового пассика, кроме того, заявляемое устройство имеет более компактную конструкцию и позволяет получить вращение выходного вала в двух направлениях.
Источники информации:
1. Патент RU 2286002 кл. H02N 2/12, H01L 41/08 2005г.
2. Патент SU 430459 кл. H01L 41/08, 1974 г.
3. В.В.Лавриненко, И.А.Карташов, В.С.Вишневский. "Пьезоэлектрические двигатели", Москва. "Энергия ". 1980.