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 I 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.

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 ϑ _р и его диаметр D_p по формуле ω_р = ϑ _р/(D_p/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_p 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.

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

Тип пьезодвигателя ПД-20 ПД-28 ПД-46 ПД-57 Номинальный момент, Нм 0,08 0,35 0,7 1,2 Максимальный момент, Нм 0,15 0,6 1,5 2,5 Частота вращения, об\мин 100 60 30 20 Напряжение питания, В 40 60 60 60 Ток, А 0,1 0,1 0,2 0,3 Частота напряжения 74-78 54-58 36-38 30-34 питания, кГц Размеры нереверсивного D35xl2 D50x20 D70x20 D82x20 двигателя,мм Размеры реверсивного D37x20 D52x40 D72x40 D90x40 двигателя,мм

Линейные двигатели

Принцип действия линейных пьезоэлектрических двигателей,совершающих относительно большие возвратно-поступательные перемещения (несколько миллиметров или сантиметров), не отличается от принципа действия вращающихся двигателей. На рис. 6.4,а представлена конструктивная схема линейного двигателя с вибратором, совершающим продольные (П) и изгибные (И) колебания. Неподвижный вибратор 1 прижимается силой Fn к подвижной части 3 через износостойкие прокладки 2. Подвижная часть представляет собой стальной позиционер 3, перемещающийся на роликах 4. Если фазы продольных и изгибных колебаний согласовать таким образом, чтобы при удлинении вибратора он прижимался к позиционеру через левую прокладку, то позиционер будет перемещаться влево. При укорочении вибратора он прижимается к позиционеру через правую прокладку и позиционер продолжает двигаться влево. Изменение фазы продольных

колебаний на 180° вызывает возвратное движение позиционера. У линейных пьезодвигателей рассмотренных выше конструкций разрешающая способность по перемещению не превышает 1-10мкм.

В некоторых прецизионных технологических установках, используемых, например, при изготовлении интегральных схем, в военных насекомообразных мини- и микророботах требуются исполнительные механизмы, осуществляющие перемещение в десятые или сотые доли микрометров. В качестве таких исполнительных механизмов, работающих без механических преобразователей, могут использоваться линейные пьезоэлектрические двигатели микроперемещений с управляемой деформацией преобразователя. У этих двигателей (рис. 6.4,6) рабочее перемещение осуществляет сам стержень пьезоэлемента 2, который обычно выполняется в виде столбика из пьезокерамических шайб, склеенных между собой. На торцах стержня расположены зажимы 1 и 3. Если зафиксировать зажим 1 и подать на электроды пьезоэлемента постоянное напряжение, приводящее к удлинению стержня пьезоэлемента, то конец стержня с зажимом 3 переместится вправо. Перемещение будет зависеть от приложенного напряжения. При использовании керамики с относительным удлинением (5-7)*10^-4 стержень длиной 50мм может обеспечить перемещение до 25мкм.

На этом же принципе могут быть построены и линейные шаговые двигатели с шагом в доли микрометров. После того, как правый конец стержня (рис. 6.4,6) переместился на заданный шаг, фиксируется залсим 3, освобождается зажим 1 и снимается напряжение с пьезоэлемента. Стержень сжимается до исходной длины, и его левый конец подтягивается к правому. После этого вновь фиксируется зажим 1, освобождается зажим 3 и подается напряжение на пьезоэлемент. В результате происходит шаговое перемещение двигателя и связанного с ним объекта управления на требуемое расстояние. Частота отработки шагов достигает 30-50 Гц. Весьма сложным узлом такого шагового двигателя является устройство фиксации зажимов на каждом шаге.

В заключение следует отметить основные достоинства и недостатки вращающихся и линейных пьезодвигателей. Важнейшими достоинствами пьезодвигателей, особенно при их использовании в робототехнических и компьютерных устройствах, являются следующие:

1.Высокая разрешающая способность по перемещению: до 1-10мкм в режиме преобразователя колебаний и до 0,01мкм - при использовании управляемых деформаций преобразователей.

2.Высокое быстродействие: время разгона и торможения составляют единицы миллисекунд.

3.Пьезоэлектрические двигатели обладают значительным усилием самоторможения при снятии напряжения питания за счет сил трения.

4.Диапазон регулирования скорости пьезодвигателей достигает 10б.

Пьезодвигатели хорошо встраиваются (интегрируются) в сложные механические узлы и применяются в приводах устройств считывания и записи информации ЭВМ, магнитофонов, видеомагнитофонов и киноаппаратов. Применение линейных пьезодвигателей для позиционирования считывающей головки позволяет повысить плотность записи на магнитных дисках в 2-3 раза.

Возможность получения у пьезоэлектрических исполнительных механизмов до 5 степеней свободы при минимальных угловых и линейных перемещениях звеньев определяет возможность их широкого применения в прецизионных системах автоматизации и управления. Например, в астрономии, в космических исследованиях - там, где требуется точная ориентация по весьма малым объектам; в ускорителях заряженных частиц, где необходимо удерживать пучок частиц в строго ограниченных геометрических координатах; в кристаллографических исследованиях.

Однако использование пьезодвигателей в исполнительных механизмах связано с рядом сложностей. Существенная зависимость резонансной частоты преобразователя от напряжения питания электродов, момента нагрузки и момента инерции на валу двигателя затрудняет обеспечение оптимального преобразования энергии. Регулировочные характеристики двигателя нелинейные, параболические; имеется довольно широкая зона нечувствительности. Механические характеристики довольно мягкие и имеют вид гипербол.

Компенсация этих недостатков может быть осуществлена путем выполнения исполнительного механизма с обратной связью по скорости. Обратная связь может быть реализована либо с непосредственным использованием измерителей скорости типа тахогенераторов, либо косвенным методом, основанным на том, что угловая скорость ротора пропорциональна активной мощности, потребляемой электронным преобразовательным устройством. При этом необходимо применение специальных способов управления высокочастотными источниками питания пьезоэлементов, которые при существенной нелинейности характеристик самих пьезопреобразователей и нелинейности механических и регулировочных характеристик двигательной части могли бы обеспечить устойчивую работу при сильных случайных возмущениях. На практике для обеспечения требуемых статических и динамических характеристик при регулировании или стабилизации скорости применяются:

• амплитудный способ, основанный на регулировании амплитуды напряжения на электродах пьезоэлемента,

• амплитудно-фазовый способ, основанный на регулировании амплитуды напряжения и сдвига по фазе тока на электродах пьезоэлемента.

Пьезоэлектрические двигатели теоретически могут иметь весьма высокие силовые и энергетические характеристики, т.к. только пьезоэлектрическая керамика преобразует электрическую энергию в механическую с КПД, превышающим в ряде случаев 90%. Однако потери мощности в остальных частях двигателя приводят к тому, что КПД реальных микродвигателей мощностью до 10Вт не превышает 10 - 25%.

Серийный выпуск и применение пьезодвигателей сдерживается сложностью изготовления хороших пьезокерамических и износостойких материалов. С этим связано в настоящее время ограничение мощности пьезодвигателей уровнем порядка 10Вт. Быстрый износ деталей, контактирующих в процессе передачи движения, ограничивает срок службы двигателей.