RU2278462C1

RU2278462C1 - Piezoelectric wave engine

Info

Publication number: RU2278462C1
Application number: RU2004131185/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Александров (RU); Владимир Алексеевич Александров; Геннадий Михайлович Михеев (RU); Геннадий Михайлович Михеев
Original assignee: Институт прикладной механики УрО РАН
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2006-06-20
Also published as: RU2004131185A

Abstract

FIELD: electric engineering, possible use in laboratory devices, robot engineering, machine-tool industry, optical electronics, mechanics.

SUBSTANCE: engine contains body, one or two piezoelectric oscillators, at least one rotor and wave guide, made in form of metallic rod; while oscillators are connected to ends of wave duct rod, which can have at least one curvilinear portion, upon which a rotor may be positioned, made in form of a ring. At certain frequency of oscillator oscillations, rotation of rotor, touching surface of wave guide, occurs.

EFFECT: simplified construction, expanded functional capabilities.

4 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к пьезоэлектрическим двигателям, и может быть использовано в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике.The invention relates to electrical engineering, in particular to piezoelectric engines, and can be used in laboratory devices, robotics, machine tools, optoelectronics, mechanics.

Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий пластину, выполненную из материала с высоким модулем упругости, пьезоэлемент, закрепленный на пластине с возбуждением на ее поверхности вращающихся акустических зон, и подвижный ротор, установленный на пластине, снабжен прокладкой с выступом, смонтированной на конце ротора и изготовленной из износостойкого материала, коническими опорами, сопряженными с пластиной по центрам акустических зон (Заявка №2002108259, Пьезоэлектрический двигатель, 2003.11.10). Недостатком такого двигателя является необходимость точной установки опор ротора по центрам акустических зон на пластине.A known piezoelectric engine containing a plate made of a material with a high modulus of elasticity, a piezoelectric element mounted on the plate with excitation of rotating acoustic zones on its surface, and a movable rotor mounted on the plate, is provided with a gasket with a protrusion mounted on the end of the rotor and made of wear-resistant material, conical supports associated with the plate at the centers of the acoustic zones (Application No. 2002108259, Piezoelectric engine, 2003.11.10). The disadvantage of this engine is the need for accurate installation of the rotor bearings in the centers of the acoustic zones on the plate.

Известен также пьезоэлектрический двигатель (Заявка №93018187, Пьезоэлектрический двигатель и способ управления им, 1995.06.27), содержащий размещенные в корпусе пьезоэлектрический осциллятор, волновод с износостойкой прокладкой на конце, взаимодействующей с ротором. Осциллятор свободным концом плотно прижат к боковой поверхности волновода. Недостатком этого двигателя является передача движения ротору только от конца волновода, необходимость использования износостойкой прокладки на конце волновода и отсутствие реверсивного вращения ротора.Also known is a piezoelectric motor (Application No. 93018187, Piezoelectric motor and control method thereof, 1995.06.27) containing a piezoelectric oscillator located in the housing, a waveguide with a wear-resistant gasket at the end interacting with the rotor. The oscillator with its free end is tightly pressed to the side surface of the waveguide. The disadvantage of this engine is the transmission of movement to the rotor only from the end of the waveguide, the need to use a wear-resistant gasket at the end of the waveguide, and the absence of reverse rotation of the rotor.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей двигателя.The objective of the invention is to simplify the design and expand the functionality of the engine.

Задача решается тем, что в пьезоэлектрическом волновом двигателе, включающем корпус, пьезоэлектрический осциллятор, волновод и ротор, волновод выполнен в виде металлического стержня, а осциллятор закреплен к одному из торцов стержня, причем ротор, взаимодействующий с волноводом, расположен на любом из его участков поверхности.The problem is solved in that in a piezoelectric wave engine including a housing, a piezoelectric oscillator, a waveguide and a rotor, the waveguide is made in the form of a metal rod, and the oscillator is fixed to one of the ends of the rod, and the rotor interacting with the waveguide is located on any of its surface sections .

Пьезоэлектрический волновой двигатель может содержать дополнительно по меньшей мере еще один ротор.The piezoelectric wave motor may further comprise at least one further rotor.

Пьезоэлектрический волновой двигатель может содержать дополнительно второй осциллятор, причем осцилляторы закреплены к противоположным торцам волновода.The piezoelectric wave engine may additionally contain a second oscillator, the oscillators being fixed to opposite ends of the waveguide.

Возможно выполнение пьезоэлектрического волнового двигателя с металлическим стержнем, содержащим по меньшей мере один криволинейный участок, на котором установлен ротор, выполненный в виде кольца.It is possible to perform a piezoelectric wave engine with a metal rod containing at least one curved section, on which a rotor made in the form of a ring is mounted.

На фиг.1а изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор.On figa shows a piezoelectric wave engine, where 1 is a housing, 2 is a piezoelectric oscillator, 3 is a waveguide in the form of a metal rod, 4 is a rotor.

На фиг.1б изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор, 5 - дополнительный ротор.On figb shows a piezoelectric wave engine, where 1 is a housing, 2 is a piezoelectric oscillator, 3 is a waveguide in the form of a metal rod, 4 is a rotor, 5 is an additional rotor.

На фиг.1в изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 -пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор, 6 - второй осциллятор.Figure 1c shows a piezoelectric wave engine, where 1 is a casing, 2 is a piezoelectric oscillator, 3 is a metal rod waveguide, 4 is a rotor, 6 is a second oscillator.

На фиг.2 изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод, выполненный в виде металлического стержня с криволинейным участком, 4 - ротор в виде кольца. Варианты а)-г) отличаются исполнением волновода.Figure 2 shows a piezoelectric wave engine, where 1 is a housing, 2 is a piezoelectric oscillator, 3 is a waveguide made in the form of a metal rod with a curved section, 4 is a rotor in the form of a ring. Options a) -d) differ in the execution of the waveguide.

На фиг.3 схематически изображены движения участков поверхности волновода в виде металлического стержня при одновременном распространении продольных и крутильных нормальных упругих волн.Figure 3 schematically shows the movement of the surface sections of the waveguide in the form of a metal rod while propagating longitudinal and torsional normal elastic waves.

На фиг.4 изображены траектории движения частиц поверхности волновода при сложении волн одинаковой частоты с взаимно перпендикулярными колебаниями для различных значений их разности фаз.Figure 4 shows the trajectory of particles of the surface of the waveguide when adding waves of the same frequency with mutually perpendicular vibrations for different values of their phase difference.

Принцип работы пьезоэлектрического волнового двигателя заключается в следующем (см. фиг.1а). Установленный на корпусе 1 пьезоэлектрический осциллятор 2 возбуждает в волноводе 3 в виде металлического стержня продольные и крутильные нормальные волны одной и той же частоты. В результате этого в любой плоскости поперечного сечения волновода на его поверхности возбуждаются взаимно перпендикулярные колебания. При этом частицы участков поверхности волновода, в том числе соприкасающихся с ротором 4, приобретают эллиптически поляризованное вращательное движение, форма траектории и направление которого зависит от разности фаз крутильной и продольной волн. При определенных частотах колебаний осциллятора это приводит к вращению ротора, соприкасающегося с поверхностью волновода. Направление вращения ротора в пьезоэлектрическом волновом двигателе устанавливается изменением частоты, а скорость определяется амплитудой и частотой электрического напряжения на осцилляторе.The principle of operation of the piezoelectric wave engine is as follows (see figa). A piezoelectric oscillator 2 mounted on the housing 1 excites longitudinal and torsional normal waves of the same frequency in the waveguide 3 in the form of a metal rod. As a result of this, mutually perpendicular vibrations are excited in any plane of the cross section of the waveguide on its surface. In this case, particles of sections of the surface of the waveguide, including those in contact with the rotor 4, acquire an elliptically polarized rotational motion, the shape of the trajectory and the direction of which depends on the phase difference between the torsional and longitudinal waves. At certain oscillation frequencies of the oscillator, this leads to the rotation of the rotor in contact with the surface of the waveguide. The direction of rotation of the rotor in a piezoelectric wave engine is set by changing the frequency, and the speed is determined by the amplitude and frequency of the voltage on the oscillator.

Скорости продольной и крутильной волн в волноводе в виде металлического стержня соответственно равны v_ξ=(E/ρ)^1/2 и v_φ=(μ/ρ)^1/2, где Е - модуль Юнга, μ - модуль сдвига и ρ - плотность материала волновода. Разность фаз крутильной и продольной волн на участке поверхности волновода равна ΔФ=(1/v_φ-1/v_ξ)ωx, где ω - круговая частота волн, x - расстояние участка поверхности волновода от источника волн.The velocities of longitudinal and torsional waves in a metal rod waveguide are respectively v _ξ = (E / ρ) ^1/2 and v _φ = (μ / ρ) ^1/2 , where E is Young's modulus, μ is shear modulus, and ρ is waveguide material density. The phase difference between the torsional and longitudinal waves on the surface area of the waveguide is ΔΦ = (1 / v _φ -1 / v _ξ ) ωx, where ω is the circular frequency of the waves, x is the distance of the surface area of the waveguide from the wave source.

Траектория движения частиц поверхности металлического стержня в плоскости поперечного сечения при разности фаз крутильных и продольных волн ΔФ=(2m+1)π/2 (m=0; 1; 2; ...) приближенно представляет эллипс с осями, параллельными направлениям колебаний, при ΔФ=[(2m+1)π/2]±π/4 оси эллипса находятся под углом к направлениям поперечных колебаний металлического стержня и при ΔФ=mπ траектории представляют собой отрезки прямой, составляющей с направлением поперечных колебаний поверхности стержня угол φ=arctg[(A_φ/A_η)cosmπ], где A_φ и А_η - соответственно амплитуда крутильной волны и амплитуда поперечных смещений из-за эффекта Пуассона продольной волны.The trajectory of the particles of the surface of a metal rod in the plane of the cross section for the phase difference of torsional and longitudinal waves ΔФ = (2m + 1) π / 2 (m = 0; 1; 2; ...) approximately represents an ellipse with axes parallel to the directions of oscillations, at ΔΦ = [(2m + 1) π / 2] ± π / 4, the ellipse axes are at an angle to the directions of transverse vibrations of the metal rod and at ΔΦ = mπ the trajectories are segments of a straight line that make the angle φ = arctg with the direction of transverse vibrations of the surface of the rod _{_{[(A φ / A η)}} cosmπ], where A and A _φ _η - respectively the amplitude hvs yl waves and the amplitude of the lateral displacement due to the Poisson effect of the longitudinal wave.

Подбором частоты колебаний источника волн можно добиться необходимого значения разности фаз крутильной и продольной волн и необходимой формы траектории движения частиц поверхности металлического стержня на любом участке его поверхности. Движение частиц поверхности волновода может приводить к вращению ротора, соприкасающегося с ним. Таким образом, возникает возможность установки ротора на разных участках поверхности волновода. Отсюда следует, что двигатель может содержать, по крайней мере, еще один ротор 5 (см. фиг.1б).By selecting the oscillation frequency of the wave source, it is possible to achieve the necessary phase difference between the torsional and longitudinal waves and the necessary shape of the trajectory of the particles of the surface of the metal rod on any part of its surface. The movement of particles on the surface of the waveguide can lead to the rotation of the rotor in contact with it. Thus, it becomes possible to install the rotor in different parts of the surface of the waveguide. It follows that the engine may contain at least one other rotor 5 (see figb).

Возможно установка трех или более роторов на одинаковом или на различном расстоянии от осциллятора.It is possible to install three or more rotors at the same or different distance from the oscillator.

Оснащение двигателя дополнительно вторым осциллятором 6 (см. на фиг.1б), закрепленным на противоположном торце волновода, выполненного в виде металлического стержня, позволяет увеличить мощность двигателя.Equipping the engine with an additional second oscillator 6 (see Fig. 1b), mounted on the opposite end of the waveguide, made in the form of a metal rod, allows you to increase engine power.

В пьезоэлектрическом волновом двигателе (см. фиг.2) выполнение волновода 3 в виде металлического стержня, содержащего криволинейный участок, позволяет установить на волноводе ротор в виде кольца 4. При этом вращение кольца происходит в фиксированной области криволинейного участка волновода.In the piezoelectric wave engine (see figure 2), the implementation of the waveguide 3 in the form of a metal rod containing a curved section, allows you to install the rotor in the form of a ring 4. The ring rotates in a fixed area of the curved section of the waveguide.

Claims

1. Пьезоэлектрический волновой двигатель, включающий корпус, пьезоэлектрический осциллятор, волновод и ротор, отличающийся тем, что волновод выполнен в виде металлического стержня, а осциллятор закреплен к одному из торцов стержня, причем ротор, взаимодействующий с волноводом, расположен на любом из его участков поверхности.1. A piezoelectric wave engine, comprising a housing, a piezoelectric oscillator, a waveguide and a rotor, characterized in that the waveguide is made in the form of a metal rod, and the oscillator is fixed to one of the ends of the rod, the rotor interacting with the waveguide located on any of its surface areas .

2. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, еще один ротор.2. The piezoelectric wave engine according to claim 1, characterized in that it further comprises at least another rotor.

3. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй осциллятор, причем осцилляторы закреплены к противоположным торцам волновода.3. The piezoelectric wave engine according to claim 1, characterized in that it further comprises a second oscillator, the oscillators being fixed to opposite ends of the waveguide.

4. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что металлический стержень содержит, по меньшей мере, один криволинейный участок, на котором установлен ротор, выполненный в виде кольца.4. The piezoelectric wave engine according to claim 1, characterized in that the metal rod contains at least one curved section on which the rotor is mounted, made in the form of a ring.