ГЛАВА 6.ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

§6.2.Конструкция и принцип действия вращающегося двигателя

Пьезодвигатели бывают с пьезоэлектрически активным статором и пассивным ротором, активным ротором и пассивным статором, активными статором и ротором. В них могут быть возбуждены колебания сжатия-растяжения, изгиба, сдвига, крутильные и радиальные; возможно сочетание колебаний двух типов. Все это приводит к большому разнообразию теоретически возможных конструкций двигателей. Ниже рассмотрены конструкция и принцип действия двух характерных и получивших практическое применение типов двигателей.

Принцип действия вращающегося пьезодвигателя удобно рассмотреть на примере конструктивной схемы двигателя с пьезоэлементом, совершающим продольные и изгибные колебания (рис.6.2). На активном статоре 1 установлен пьезоэлемент, представляющий собой керамическую пластину 3 с помещенными на её боковых поверхностях электродами 4. Один конец керамической пластины закреплен в статоре с помощью эластичной прокладки 2, изготовленной из фторопласта или резины и обеспечивающей акустическую изоляцию осциллятора от статора. На другом конце пластины, обращенном к ротору, установлена износостойкая прокладка 8. Пассивный ротор 9 выполнен в виде гладкого цилиндра из стали или твердых сплавов. Вал ротора 10 закреплен в подшипниках 11. Вибратор прижимается к ротору в поперечном направлении стальной пружиной 5, усилие регулируется винтом 6, упирающимся в эластичную прокладку 7.

Рис.6.2

Электроды вибратора расположены таким образом, что при подаче на них напряжения переменного тока требуемой частоты, близкой к резонансной частоте продольных колебаний вибратора, пластина вибратора совершает продольные колебания. При продольном смещении свободного конца пластины в сторону ротора пластина давит на ротор в точке А и заставляет его поворачиваться с угловой скоростью ω_р. Контактная точка А перемещается вместе с поверхностью ротора, т. е. смещается и в поперечном направлении. Поперечная составляющая силы, действующей на вибратор в зоне контакта, возбуждает изгибные колебания вибратора. При обратном продольном смещении пластины её конец отходит от ротора, и ротор движется по инерции. В результате установившихся продольных и изгибных колебаний происходит устойчивое преобразование электрической энергии, потребляемой вибратором, в механическую энергию вращения ротора.

Следует отметить, что у двигателей рассматриваемого типа в контактной точке происходит фактически соударение двух поверхностей, поэтому их иногда называют пьезодвигателями ударного типа. Двигатель, представленный на рис. 6.2, является нереверсивным, однако при определенном усложнении конструкции возможно создание реверсивного двигателя.

Угловая скорость ротора ω_р может быть определена через линейную скорость ротора ν_р и его диаметр D_р по формуле ω_р=ν_р/( D_р /2).

Линейная скорость ротора зависит от амплитуды и частоты смещения свободного конца вибратора. При увеличении напряжения питания двигателя в довольно широком диапазоне возрастает амплитуда смещения вибратора, соответственно увеличивается линейная и угловая скорость ротора. Максимум амплитуды смещения ограничивается пределом прочности материала пьезоэлемента или его перегревом.

Выполняя двигатели с ротором большого диаметра D_р, можно получать низкую частоту вращения ротора ω_р без применения механических редукторов при сохранении достаточно высокой мощности на валу на единицу массы.

У современных двигателей номинальное напряжение питания лежит в диапазоне от десятков вольт до 400 вольт; регулирование напряжения позволяет получать частоты вращения в диапазоне от 20 до 10.000 об/мин. Частота напряжения питания обычно выбирается из условия резонанса колебаний; у современных вращающихся двигателей номинальная частота порядка 50-80 кГц.

Двигатель аналогичной конструкции может работать и в шаговом режиме при рабочей частоте вращения 0,2-6 об/сек. При подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента выполняется дискретный шаг порядка 0,1– 4 угловых секунд.

Конструктивная схема двигателя второго типа с активным статором, совершающим радиальные колебания, представлена на рис.6.3.

Рис.6.3

Внешний пассивный ротор 1 выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри него находится кольцевой цилиндричесий статорный пьезоэлемент 2, на торцевых поверхностях которого нанесены электроды, а внутренняя поверхность покрыта акустически изолирующим материалом. По внешней образующей статора закреплены упругие стальные пластины – толкатели 3, установленные под определенным углом к внутренней поверхности ротора и прижатые к нему с некоторым усилием.

Если внешний диаметр пьезоэлемента значительно больше его толщины и высоты, то при подаче переменного напряжения на торцевые электроды внешняя поверхность пьезоэлемента начинает совершать радиальные колебания. При положительной полуволне сигнала диаметр статора увеличивается и толкатели, увеличивая нажатие на ротор, поворачивают его на некоторый угол. Отрицательная полуволна сигнала вызывает уменьшение диаметра статора, и толкатели проскальзывают по внутренней стороне поворачивающегося ротора.

Рассмотренный пьезодвигатель является нереверсивным. Однако совмещение в одном корпусе двух таких комплектов с разворотом толкателей в противоположные стороны позволяет получить реверсивный двигатель. В таблице 6.1 приведены технические данные таких двигателей, выпущенных в виде опытной серии.

Таблица 6.1