Пьезоэлектрический двигатель с электрореологической жидкостью

Полезная модель относится к приборостроению, а именно к пьезоэлектрическим линейным двигателям, которые могут использоваться в качестве точных приводов столиков приборов, например, микроскопов, и в частности устройств, в которых требуется отсутствие магнитных полей.
Известно техническое решение линейного пьезоэлектрического шагового двигателя, описанное в статье “A New Type Of Linear Piezoelectric Stepper Motor” авторов Shuxiang Dong; Longtu Li; Zhilun Gui; Tieying Zhou; Xiao-wen Zhang в журнале  IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology Part A 18(2):257 - 260 July 1995 (https://ieeexplore.ieee.org/document/390299/ ). Линейный пьезоэлектрический шаговый двигатель содержит основание с линейными направляющими, пьезоэлектрический актюатор, концы которого закреплены на двух фиксаторах в виде пластин, параллельных основанию, зазоры между основанием и фиксаторами заполнены электрореологической жидкостью. Принцип действия двигателя основан на перистальтическом движении. Указанное устройство развивает силу 2,5 Н при средней скорости 1,5 мкм/с. Недостатками такого технического решения являются малая скорость и низкое быстродействие из-за большой инерционности, так как на подвижной части двигателя находится пьезоэлектрический актюатор.
Известно техническое решение по патенту РФ №2030343 «Виброконвейер», который содержит лоток для деталей, установленный на основании с помощью рессор, и вибратор, выполненный в виде пьезоэлектрических преобразователей, которые жестко закреплены на рессорах. Указанное устройство содержит упругий параллелограмм, две параллельные стороны которого выполнены в виде биморфных пьезоэлектрических преобразователей, а две другие параллельные стороны – основание и лоток для деталей. Недостатком виброконвейера является невозможность транспортирования деталей по нему в обе стороны. По этой причине использование его в качестве основы для пьезоэлектрического двигателя с реверсивным движением подвижного звена также невозможно.
Прототипом полезной модели является пьезоэлектрический двигатель (авторское свидетельство СССР №1023456), содержащий неподвижное основание, подвижное звено, пьезоэлектрический преобразователь, преобразующий переменное электрическое напряжение в механические колебания, один конец которого закреплен на основании, а другой снабжен толкателем, взаимодействующим с поверхностью подвижного звена через зазор с электрореологической жидкостью.
Такое техническое решение обеспечивает высокую плавность движения подвижного звена и повышенный ресурс работы. Недостатками указанного устройства являются низкая нагрузочная способность и низкая надежность. Это связано с тем, что площадь взаимодействия толкателя через электрореологическую жидкость с подвижным звеном мала, а также с периодическим изменением величины зазора между толкателем и подвижным звеном, что приводит к уменьшению напряженности электрического поля в зазоре и, как следствие, к падению нагрузочной способности устройства, а также к возможным пробоям ЭРЖ при малом зазоре. Таким образом, в данном техническом решении есть техническая проблема низкой надежности и нагрузочной способности пьезоэлектрического двигателя, которую невозможно преодолеть путем изменения его пропорций или путем повышения электрического напряжения.
Для получения нового технического результата, а именно повышения надежности и нагрузочной способности пьезоэлектрического двигателя, содержащего основание, подвижную платформу,  направляющие, и вибрационный пьезоэлектрический привод с толкателем, взаимодействующий с подвижной платформой через электрореологическую жидкость вибрационный пьезоэлектрический привод выполнен в виде упругого параллелограмма, закрепленного на основании, две параллельные стороны которого содержат биморфные пьезоэлектрические актюаторы, а третья подвижная сторона упругого параллелограмма, являющаяся толкателем, выполнена в виде пластины, параллельной подвижной платформе, между которыми образован зазор, заполненный электрореологической жидкостью.
Сущность полезной модели состоит в том, что при возвратно-поступательном плоскопараллельном движении толкателя величина зазора не меняется и, как следствие, сила взаимодействия с подвижной платформой через загустевшую под действием электрического поля электрореологическую жидкость постоянна при постоянной скорости толкателя (в отличие от прототипа) в течение того полупериода колебаний биморфных пьезоэлектрических актюаторов, при котором направление движения подвижной платформы совпадает с направлением движения толкателя. Указанное возвратно-поступательное движение толкателя создается благодаря тому, что вибрационный пьезопривод выполнен в виде упругого параллелограмма, закрепленного на основании, две параллельные стороны которого содержат биморфные пьезоэлектрические актюаторы, а третья подвижная сторона упругого параллелограмма, являющаяся толкателем, выполнена в виде пластины параллельной основанию и подвижной платформе.
Нагрузочная способность повышается также благодаря тому, что площадь толкателя, выполненного в виде пластины, параллельной подвижной платформе, намного больше, чем у прототипа. Такое техническое решение позволяет формировать равномерное по площади пластины, обращенной к подвижной платформе, электрическое поле, как в плоском конденсаторе. Это приводит к тому, что сила, передаваемая на подвижную платформу через затвердевшую под действием электрического поля электрореологическую жидкость, пропорциональна указанной площади пластины. Таким образом, повышение нагрузочной способности может быть осуществлено за счет увеличения площади пластины.
Для повышения нагрузочной способности длина пластины может достигать размера, равного половине хода подвижной платформы. Это объясняется тем, что сила взаимодействия толкателя с подвижной платформой при застывшей электрореологической жидкости пропорциональна площади толкателя, которая равна произведению длины пластины на ее ширину.
Для получения указанного технического результата в предлагаемом пьезоэлектрическом двигателе третья подвижная сторона упругого параллелограмма электрически изолирована от остальных частей упругого параллелограмма, что позволяет повысить прикладываемое напряжение между подвижной платформой и толкателем. Такое решение также позволяет упростить конструкцию электрической изоляции подвижной платформы от высокого напряжения, необходимого для осуществления электрореологического эффекта, что также повышает надежность работы пьезодвигателя в целом.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 изображен пьезоэлектрический двигатель с электрореологической жидкостью с возможными крайними положениями подвижной платформы и с блоком системы управления; на фиг. 2 изображен пьезоэлектрический двигатель с электрореологической жидкостью, вид сбоку; на фиг. 3 в увеличенном масштабе представлен вид А; на фиг. 4 показаны диаграммы напряжений, подаваемых на вибрационный пьезопривод и между толкателем и подвижной платформой.
Пьезоэлектрический двигатель с электрореологической жидкостью (ЭРЖ) содержит основание 1, на котором установлены шариковые направляющие 2 с подвижной платформой 3. На основании 1 под подвижной платформой 3 закреплен упругий параллелограмм, содержащий две параллельные металлические рессоры 4 и 5 с приклеенными к ним пьезокерамическими пластинами 6, 7 и 8, 9.  которые вместе с указанными металлическими рессорами 4 и 5 образуют два биморфных пьезоэлектрических актюатора (БПА). В состав упругого параллелограмма также входит стержень 10, который через диэлектрическую прокладку 11 прикреплен с помощью винтов с диэлектрическими втулками 12 к металлической пластине 13, которая является толкателем. Между металлической пластиной 13 и подвижной платформой 3 образован зазор 14 с размером h= 0,2…0,3 мм, заполненный ЭРЖ. Благодаря капиллярному эффекту ЭРЖ не вытекает за пределы зазора.
Система управления содержит контроллер 15 с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), усилители напряжений 16 и 17. Усилитель напряжений 16 подключен к БПА 9 и 10, а усилитель напряжений 17 подключен к металлической пластине 11. Основание 1 и подвижная платформа 3 заземлены.
1
1
2
1
2
1
Пьезоэлектрический двигатель с электрореологической жидкостью работает следующим образом. При подаче сигнала «пуск» на контроллер 15 в нем формируются управляющие сигналы, которые посредством АЦП на выходе усилителя напряжений 16 формируют гармоническое напряжение U порядка 300 В с частотой 100 Гц. Это гармоническое напряжение подается на БПА 9 и 10, которое преобразуется в механические колебания в виде плоскопараллельного возвратно-поступательного движения металлической пластины 11. При движении толкателя, например слева направо, во время полупериода при U(t)>0 на металлическую пластину подается ступенчатое напряжение U (фиг. 4), поэтому в зазоре 14 вязкость ЭРЖ возрастает. Это приводит к передаче движения толкателя на подвижную платформу 3, которая также начинает двигаться слева направо. Во время полупериода, когда U(t)<0 и толкатель движется справа налево, напряжение на металлической пластине 11 U=0, поэтому вязкость ЭРЖ уменьшается и сила взаимодействия между металлической пластиной 11 и подвижной платформой 3 уменьшается, что приводит к их взаимному проскальзыванию. Для движения подвижной платформы 3 в противоположную сторону ступенчатое напряжение  подается на металлическую пластину при U(t)<0.
2
0
0
2
э
э
Для вязкой тиксотропной жидкости сила сопротивления между подвижной платформой и толкателем F=μ(V)SV/h, где μ(V) – динамическая вязкость жидкости, S – площадь поверхности толкателя, контактирующая с ЭРЖ, V –скорость толкателя относительно подвижной платформы, h – зазор между толкателем и подвижной платформой. Напряжение сдвига τ=F/S. Обозначим при U=0 напряжение сдвига τ=F/S, а при U≠0 напряжение сдвига τ=F/S.
э
0
э
э
0
-1
2
При использовании в качестве ЭРЖ, например изопропилового спирта с диоксидом титана и карбоксиметилцеллюлозой, возможное изменение относительного напряжения сдвига τ/τ достигает 70 при напряженности электрического поля между подвижной платформой и толкателем 3 кВ/мм (1000 В при h=0,33 мм) и скорости сдвига γ= 17 с [Коробко Е.В. и др. Электроструктурирующиеся дисперсии наноразмерных наполнителей для создания адаптивных композитов/Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies, 2011, т. 9, № 3, сс. 569—581. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/74607], при этом τ=18 кПа. Таким образом, F/F≈70, что существенно повышает нагрузочную способность по сравнению с прототипом. При S=33х67мм≈2000 мм максимальная сила взаимодействия между подвижной платформой и толкателем
э
э
4
-3
F= τ S=1,8х10х2х10=36 Н.
1
Указанную выше скорость сдвига можно получить в резонансном режиме при гармоническом напряжении U=300 В на частоте порядка 100 Гц при размерах пьезоэлектрических пластин БПА 20х30х1 мм. В предлагаемом устройстве гарантированный зазор стабилен при движении подвижной платформы за счет применения конструкции упругого параллелограмма, что повышает надежность и эффективность пьезоэлектрического двигателя в целом.
Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает нагрузочную способность пьезоэлектрического двигателя с ЭРЖ и его надежность.