[LT] Išradimas skirtas sukurti greitaeigį piezoelektrinį variklį su padidinta galia bei dideliu veleno sukimosi greičiu, užtikrinant varančio rotorių kontakto patikimumą, bei išplečiant jo funkcines galimybes: dviejų rotorių, besisukančių priešingomis kryptimis panaudojimo, ir reverso galimybe. Išradimas labai efektyviai gali būti pritaikytas kuriant pavaras mikroskraidantiems aparatams (mikrodronams). Pjezoelektrinį variklį sudaro radialinių virpesių aktuatorius, prie kurio vidinės radialinės dalies tampriai prijungtos lamelės – bangolaidžiai smailiu kampu nukreiptos į rotoriaus kūginį paviršių, o kiti lamelių - bangolaidžių galai tampriai sujungti su išorine radialine žiedo formos cilindro dalimi, kurio vidinė dalis slystamai ir paspyruokliuotai sujungta su rotoriumi. Viena plokščia aktuatoriaus pusė sujungta su pjezoelektriniu keitikliu, pvz. plonu pjezokeraminiu disku, poliarizuotu pagal jo storį. Priklijavus prie kitos aktuatoriaus plokštumos papildomą piezoelementą, gauname reversyvinį pjezovariklį, kas žymiai praplečia jo panaudojimo galimybes. Norint išgauti iš variklio du ašinius sukimus, nukreiptus priešingomis kryptimis, iš kitos cilindrinio žiedo pusės paspyruokliuojamas papildomas rotorius. Abu rotoriai turi galimybę be papildomų priemonių suktis vienas kitam priešingomis kryptimis.
[EN] The invention is intended to create a high-speed piezoelectric motor with increased power and high shaft speed. Design of the piezoelectric motor ensures the reliable contact of the rotor and enhanced functionality of the motor such as a reversable rotation and use of the two rotors rotating in opposite directions. The invention can be efficiently applied to the development of gears for micro-size flying vehicle as for example unmanned aerial vehicles. The piezoelectric motor consists of a disc type actuator of radial vibrations. Lamellae – waveguides are tightly connected to the inner radial part of the actuator and are directed at the tapered surface of the rotor at an angular angle. The other ends of the lamellae – waveguides are tightly connected to the outer radial surface of the cylindrical ring. Inner surface of the ring is in elastic contact of the rotor. Piezoelectric transducer, as for example a thin piezoceramic disc polarized in thickness direction, is attached to one of the flat surface of the actuator. Reversible piezoelectric motor is obtained by attaching an additional piezoelectric transducer to the opposite surface of the actuator. It considerably extends applicability of the motor. In order to obtain two axial rotations in opposite directions, an additional rotor is used that is in contact with another plane of cylindrical ring. Both rotors can rotate in the opposite directions without additional measures.
[0001] Technikos sritis
[0002] Pateiktas išradimas priskiriamas prie pjezoelektrinių variklių klasės. Išradimas labai efektyviai gali būti pritaikytas kuriant greitaeiges mažų gabaritų ir svorio daugiafunkcines patikimas pavaras, įskaitant reversyvines, kas ypač aktualu mikroskraidantiems aparatams (mikrodronams), giroskopams - stabilizatoriams ir kt. technikai.
[0003] Technikos lygis
[0004] Labai sparčiai vystantis kompiuterinei technikai, mechtroninių įrenginių informacijos apdorojimo ir valdymo organai tampa miniatiūriniais ir žymiai pralenkia pagal svorio ir gabaritų parametrus vykdymo organus, kurių darbas paremtas klasikinių elektros variklių panaudojimu. Viena iš mokslinių tyrimų krypčių, siekiant sumažinti atotrūkį tarp kompiuterinės ir mechaninės mechatrininių įrenginių dalies, yra kūrimas iš principo naujo tipo mašinų - pjezoelektrinių variklių, kuriuose rotorius sukamas ne elektromagnetinių laukų sąveikoje, bet orientuotų ultragarsinio dažnio virpesių. Dabartiniu metu, besivystant greitaeigiams mechatroniniams įrenginiams, kaip pvz., skraidantiems arba plaukiantiems mikrorobotams, didelis dėmesys skiriamas mažų gabaritų ir svorio greitaeigių varikių kūrimui.
[0005] Žinomas pjezoelektrinis variklis, aprašytas patente US 4,019,073 B2 (l977m), kurio rotorius sukamas radialiniais virpesiais, žadinamais pjezokeraminio žiedo, ir perduodamais rotoriui paspyruokliuotų lamelių pagalba. Čia lamelės panaudotos atlikti dvejopą funkciją: virpesių perdavimui į kontakto su rotoriumi zoną ir spyruoklės vaidmuo. Tai apriboja variklio galios didinimą, nes didesnės energijos perdavimą nuo pjezoelemento riboja lanksčių lamelių storio didinimas. Be to variklio patikimumą riboja atskirų lamelių kontakto su rotoriumi nevienodumas.
[0006] Patente US 4.959,580 B2 (l990m) tas pats autorius variklio galiai padidinti siūlo modernizuotą lamelių tvirtinimo būdą - jų litavimą prie piezokeraminio disko elektrodų. Tai šiek tiek padidina galią, tačiau neišsprendžia žemo patikimumo problemų.
[0007] Patente US 4,884,002 B2 (l989m) galiai padidinti siūloma išplėsti lamelių skaičių, grupuojant jas eilėmis, o patente US 7,105.987 B2 (2006) - keisti lamelių konfigūracijas. Tačiau kontaktavimo zona lieka principialiai ta pati - eilė pavienių taškų, kas neišsprendžia variklio patikimumo problemų, ypatingai greitaeigių variklių.
[0008] Artimiausias technine esme šiam išradimui pjezoelektrinis variklis, aprašytas patente US 6,664,712 B2 (2003 m). Jis sudarytas iš vieno ar dviejų plonasienių aktuatorių, priklijuotų prie žiedo formos pjezoelemento plokščio paviršiaus. Aktuatoriuje padarytos figūrinės iškarpos, kurių pagalba suformuotos kampu į rotoriaus paviršių nukreiptos lamelės. Radialiniai pjezožiedo virpesiai lamelių pagalba transformuojami į rotoriaus sukimą. Priklijavus prie kito pjezožiedo plokščio paviršiaus tokį pat aktuatorių, ir paspyruokliavus prie jo lamelių papildomą rotorių, galima gauti kito rotoriaus sukimą priešinga kryptimi. Nors siūlomas patentas praplečia funkcines variklio galimybes, tačiau kontaktavimo zona lieka iš principo ta pati - eilė pavienių taškų, kas neišsprendžia variklio patikimumo problemų, ypatingai greitaeigių variklių atveju. Be to siūlomas variklis nėra reversyvinis.
[0009] Išradimo tikslas - padidinti pjezovariklio galią, veleno sukimosi greiti, patikimumą, bei išplėsti jo funkcines galimybes.
[0010] Tikslas pasiekiamas tuo, kad pjezovariklyje, susidedančiame iš disko formos radialinių virpesių aktuatoriaus, žadinamo priklijuotu prie jo plokščios dalies plonu pjezoelementu ir tampriai kontaktuojančio sujo plokštumoje išdėstytomis lamelėmis, smailiu kampu nukreiptomis į kūginį rotorių, įvestas tarp minėtų lamelių žiedo formos cilindras, išorine radialine dalimi tampriai sujungtas su laisvais lamelių galais, o vidine radialine dalimi slystamai prispaustas prie kūginės rotoriaus dalies, o aktuatoriaus storis parenkamas toks, kad jame be radialinės modos dar susižadintų išilgai radiusui kartotinė lenkimo virpesių forma. Pjezovariklio galia, veleno sukimosi greitis ir patikimumas padidėja dėka to, kad, įvedus papildomą cilindrinį žiedą, rotoriau kontakto zona tampa paviršine (o ne sukimas atskiromis taškinėmis zonomis), pagerėja kontakto sukibimas, sumažėja išsinešiojimo galimybės. Išplėtimas jo funkcinių galimybių - papildomo rotoriaus, kuris gali suktis kita kryptimi, įvedimas, o taip pat antro pjezoelemento įvedimas tam, kad-gauti reversuojamą variklį.
[0011] Išradimui paaiškinti pateikiami brėžiniai:
[0012] Fig.l - pavaizduota principinė pjezoelektrinio varikio schema; Fig.2 - vaizdas iš pjezoelemento pusės; Fig.3. - pjezovariklio ašinis pjūvis; FigA - vaizdas, iliustruojantis antro rotoriaus panaudojimo galimybę; Fig.5 - vaizdas, iliustruojantis pjezoelektrinio variklio reverso galimybę; Fig.6 - aktuatoriaus virpesių transformacijos schema.
[0013] Įrenginio detalus aprašymas
[0014] Pjezoelektrinį variklį (Fig.1-6) sudaro radialinių virpesių aktuatorius (l), prie kurio vidinės radialinės dalies tampriai prijungtos lamelės - bangolaidžiai (2), smailiu kampu (a) nukreiptos į rotoriaus (3) kūginį paviršių, o kiti lamelių - bangolaidžių (2) galai tampriai sujungti su išorine radialine dalimi žiedo formos cilindru (4), kurio vidinė dalis slystamai sujungta su rotoriumi (3), prispaustu prie jo jėga (P), (6) - aktuatoriaus tvirtinimo prie variklio korpuso vieta.Viena arba abi aktuatoriaus (1) pusė sujungta su pjezoelektriniu keitikliu (5), pvz. plonu pjezokeraminiu disku, poliarizuotu pagal jo storį. Praktiškai, variklio dalys (1-2-4-6) gaminamos iš vientisos tamprios medžiagos, pvz plieno. VI ir V2 - įtampa elektrinio signalo, paduodamo į pjezoelementų elektrodus, (9) ir (l0) - variklio rotoriaus sukimo kryptys.
[0015] Norint išgauti iš variklio du ašinius sukimus, nukreiptus priešingomis kryptimis, iš kitos cilindrinio žiedo pusės paspyruokliuojamas papildomas rotorius (7) (FigA.). Rotoriai (3) ir (7) turi galimybę be papildomų priemonių suktis į vienas kitam priešingomis kryptimis.
[0016] Norint gauti reversinį variklį (t.y. operatyviai keisti rotoriaus kryptį), prie kitos minėto aktuatoriaus plokščios pusės pritvirtinamas (priklijuojamas) papildomas pjezoelementas (8) (Fig.5.), analogiškas (5). Padavus į vieną arba kitą pjezoelementą elektrinį signalą, galimas rotoriaus (3) (arba rotorių (3) ir (7) sukimas viena ar kita kryptimi (9) ar (10).
[0017] Plokščio greitaeigio pjezoelekirinio variklio veikimas.Padavus į pjezoelemento (5) elektrodą aktuatoriaus (1) radialinių virpesių rezonansinę įtampą (VI), aktuatoriuje žadinami radialiniai virpesiai (kryptimi (Il), Fig.6), kurie per lameles-bangolaidžius (2) (kryptimi (12) Fig.6) priverčia žiedą (4) atlikti sukamuosius virpesius kryptimi (13), Fig.6. Prikijuotas prie aktuatoriaus pjezoelementas sudaro bimorfą (1) - (5), todėl, jam deformuojantis, aktuatoriuje (1) kartu su lamelėmis - bangolaidžiais (2) ir žiedu (4) be rezonansinių radialinių virpesių, jame dar žadinasi lenkimo virpesiai. Jų kryptis statmena radialinių virpesių krypčiai (kryptis (14) Fig.6), o amplitudė koncentruojasi kontakto žiedas (4) - rotorius (3) kryptimi. Lenkimo virpesiai maksimalūs, kai žadinama išilgai radiusui kartotinė lenkimo virpesių forma, t.y. lenkimo virpesių išsidėstymo ilgis "d" surištas su žadinamu dažniu lygybe d = n cl/2f, kur n =1,2,3 ... , c1 - lenkimo virpesių sklidimo greitis sistemoje (1-2-4-6), f- virpesių žadinimo dažnis.
[0018] Taigi rotoriaus (3) ir žiedo (4) kontakto vietoje gauname dviejų virpesių modų superpoziciją - aktuatoriaus plokštumoje žiedo sukamųjų virpesių (13) ir statmenai plokštumai jo lenkimo virpesių (14). Tai formuoja žiedo taškų, kontaktuojančių su rotoriumi, eliptines trajektorijas, kas priverčia rotorių suktis viena ar kita kryptimi.
Plokščias greitaeigis pjezoelektrinis variklis, susidedantis iš disko formos radialinių virpesių aktuatoriaus, tampriai sujungto su plokštumoje išdėstytomis lamelėmis, smailiu kampu nukreiptomis į kūginį rotorių ir žadinamo priklijuotu prie jo plokščios dalies plonu pjezoelementu, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad tarp minėtų lamelių, jau kaip bango laidžių, įvestas žiedo formos cilindras, išorine radialine dalimi tampriai sujungtas su laisvais lamelių - bangolaidžių galais, o vidine radialine dalimi slystamai prispaustas prie kūginės rotoriaus dalies, o aktuatoriaus storis parenkamas toks, kad jame be radialinės modos dar susižadintų išilgai radiusui kartotinė lenkimo virpesių forma.