×
24.07.2020
220.018.3641

Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как исполнительный элемент для прецизионных перемещений в оптико-механических приборах, в технологическом оборудовании для микроэлектроники, в системах автоматического наведения, в механических сканирующих устройствах и пьезоприводах. Технический результат состоит в увеличении жесткости конструкции и конструктивной независимости двигателя от величины стержня. Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель содержит основание, приводной механизм, левый и правый прижимающие механизмы, включающие пьезоэлементы и гибкие шарниры, направляющий и выходной стержни. Направляющий и выходной стержни выполнены в виде единого цилиндрического стержня. Приводной механизм представляет собой одноконтурный механический преобразователь, состоящий из рамки с гибкими шарнирами, внутри которой установлены два пьезоэлемента и проставка между ними. Прижимающие механизмы представляют собой двухконтурные механические преобразователи, состоящие из внешней и внутренней рамок, расположенных перпендикулярно друг к другу и содержащие гибкие шарниры. Внешняя рамка содержит два пьезоэлемента, каждый из которых с одной стороны имеют проставку, а с другой стороны опорную площадку, которая крепится к рамке. На внутренней рамке закреплены губки захвата стержня с возможностью их перемещения внутри проставки. Прижимающие и приводной механизмы являются единым неразъемным элементом. 5 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области электротехники и автоматики и может быть использовано как исполнительный элемент для прецизионных перемещений в оптико-механических приборах, в технологическом оборудовании для микроэлектроники, в системах автоматического наведения, в механических сканирующих устройствах и пьезоприводах.

Известен линейный пьезодвигатель, содержащий неподвижный и подвижный корпуса, соединенные упругими элементами, шток, пьезоэлементы с рычагами прямого и обратного хода, которые жестко закреплены на подвижном корпусе. [Патент РФ №2617209 Линейный пьезоэлектрический двигатель / С.В.Пономарев, С.В. Рикконен, А.В. Азии, С.А. Орлов]. Недостаток конструкции заключается в том, что для организации реверсивной работы линейного пьезодвигателя используются по два, встречно расположенных пьезоэлемента, имеется подвижный корпус, дополнительные упругости - это увеличивает массогабаритные характеристики и усложняет управление устройством.

Известен линейный пьезоэлектрический двигатель [Патент РФ №2390090 Линейный пьезоэлектрический двигатель / А.Л. Гриценко, А.Я. Сафронов], который содержит ползун с направляющими и пьезоприводную систему, состоящую из замкнутой рамки с упругим элементом в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях. В рамку вставлен пьезоэлемент продольного удлинения. На концах рамки в плоские пружины вставлены пьезоэлементы поперечных перемещений. Недостаток конструкции заключается в невысокой жесткости конструкции двигателя.

Наиболее близким (прототип) к заявляемому устройству является линейный пьезоэлектрический двигатель [Patent CN №104410323 Large linear displacement of the piezoelectric actuator and method of the clamp with power / UNIV XI AN JIAOTONG(CN)]. Двигатель содержит основание, эллиптический приводной механизм, направляющий и выходной стержень, левый и правый сжимающие механизмы, которые соответственно закреплены винтами на двух концах основания. Каждый сжимающий механизм состоит из пьезоэлектрического элемента, гибких шарниров и двух сжимающих элементов для фиксации стержня. Между левым и правым сжимающими механизмами расположен эллиптический приводной механизм с пьезоэлектрическим элементом. Направляющий стержень и выходной стержень соответственно соединены с левым концом и правым концом эллиптического приводного механизма и фиксируются в сжимающих механизмах.

Основной недостаток конструкции прототипа заключается в ограничении перемещений стержня за счет эллиптического приводного механизма, увеличение диапазона перемещения стержня возможно лишь за счет увеличения основания двигателя, что повлечет увеличение массогабаритных показателей. Кроме этого, надежность конструкции прототипа во многом зависит от надежности конструкционного узла направляющий стержень-эллиптический приводной механизм-выходной стержень, который должен держать всю нагрузку, оказываемую на двигатель при его работе.

Выше перечисленный недостаток исключает предложенная конструкция линейного шагового пьезоэлектрического двигателя.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в увеличении жесткости конструкции и конструктивной независимости двигателя от величины стержня.

Технический результат достигается тем, что линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель содержит основание, левый прижимающий механизм, приводной механизм и правый прижимающий механизм, включающие пьезоэлементы и гибкие шарниры, направляющий и выходной стержни, причем направляющий и выходной стержни выполнены в виде единого цилиндрического стержня, при этом приводной механизм представляет собой одноконтурный механический преобразователь, состоящий из рамки с гибкими шарнирами, внутри которой установлены два пьезоэлемента и проставка между ними, а прижимающие механизмы представляют собой двухконтурные механические преобразователи, состоящие из внешней и внутренней рамок, расположенных перпендикулярно друг к другу и содержащие гибкие шарниры, при этом внешняя рамка содержит два пьезоэлемента, каждый из которых с одной стороны имеют проставку, с другой стороны опорную площадку, которая крепиться к внешней рамке, а на внутренней рамке закреплены губки захвата стержня с возможностью их перемещения внутри проставки, причем прижимающие и приводной механизмы являются единым неразъемным элементом.

Сущность изобретения поясняется рисунками.

Фиг. 1 - Схема линейного шагового пьезоэлектрического двигателя.

Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель состоит из основания (1); стержня (2), двух прижимающих механизмов (3) и приводного механизма (4). Прижимающие (3) и приводной (4) механизмы являются единым неразъемным элементом. Основание (1) с помощью винтов (5) крепится сбоку к прижимающему механизму (3). Стержень (2) проходит сквозь прижимающие (3) и приводной (4) механизмы и основание (1) и фиксируется прижимающими механизмами (3). Приводной механизм (4) представляет собой одноконтурный механический преобразователь, состоящий из рамки (6) с гибкими шарнирами (7), внутри которой установлены два пьезоэлемента (8) и проставка (9) между ними. Прижимающие механизмы (3) выполнены в виде двухконтурных механических преобразователей, которые состоят из внешней (10) и внутренней (11) рамок, расположенных перпендикулярно друг к другу и содержащие гибкие шарниры (7), при этом внешняя рамка (10) содержит два пьезоэлемента (8), каждый из которых с одной стороны имеют проставку (12), с другой стороны опорную площадку (13), которая винтами (14) крепиться к внешней рамке (10), а на внутренней рамке (11) с помощью элементов крепления (15) и (16) закреплены губки захвата стержня (17) с возможностью их перемещения внутри проставки (12).

Фиг. 2 - Схема работы двухконтурного механического преобразователя.

При подаче напряжения на пьезоэлементы, пьезоэлементы увеличиваются в длину и, упираясь в проставку, давят на внешнюю рамку (10). Внешняя рамка увеличивается в длину и сужается в ширину, тем самым воздействуя на внутреннюю рамку (11). При этом внутренняя рамка (11) сужается в ширину и увеличивается в длину.

Фиг. 3 - Конечно-элементная модель линейного шагового пьезоэлектрического двигателя. Результаты испытания на жесткость.

Расчет жесткости конструкции линейного шагового пьезоэлектрического двигателя проводился с помощью пакета конечно-элементного анализа NX. В процессе численного моделирования решались задачи:

1. Определение жесткости конструкций предлагаемого привода и прототипа при оптимальном режиме работы

2. Определение тянущего усилия предлагаемого привода и прототипа

Были разработаны модели предлагаемого привода и прототипа. Конечно-элементная модель предлагаемого привода состоит из 1019346 элементов типа Tetra 4, Неха 8 и 1314883 узлов. Конечно-элементная модель прототипа состоит из 229115 элементов типа Tetra 4 и 52961 узлов. Материал конструкции приводов - сталь 10. Размеры и масса предлагаемого привода и прототипа: 20×20×50 мм при массе 30 г.

Конструкция прототипа при использовании указанного материала согласно КЭ расчету не может обеспечить тянущее усилие выше 11 Н. Конструкция предлагаемого привода при использовании указанного материала обеспечивает тянущее усилие 20 Н.

По результатам расчета определено, что максимальное удлинение конструкции линейного шагового пьезоэлектрического двигателя при тянущем усилии 20 Н составило 10,2 мкм (Фиг. 3а). При этом напряжение в элементах двигателя не превысило 72 МПа при 20 Н (Фиг. 3б). Следовательно, жесткость всей системы линейного шагового пьезоэлектрического двигателя составляет 2 Н/мкм.

Максимальное удлинение конструкции прототипа при тянущем усилии 11 Н составляет 13,1 мкм (Фиг. 3в). При этом напряжение в элементах прототипа не превышает 107 МПа (Фиг. 3 г). Следовательно, жесткость всей системы составляет 0,84 Н/мкм.

Построение КЭМ и процедуры вычислений относятся к «ноу-хау» изобретения и в данной заявке не рассматривается.

Фиг. 4 - Схема работы линейного шагового пьезоэлектрического двигателя.

Фиг. 5 - Пример практической реализации линейного шагового пьезоэлектрического двигателя.

Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель (18) такой конструкции (габариты 20×20×50 мм, масса 30 гр) можно использовать в качестве устройства для натяжения шнуров рефлектора (УНПШ). Данное устройство крепится на спице рефлектора (19) (Фиг. 5а), шнур рефлектора фиксируется на стержне (2) двигателя (18). При необходимости шнур можно натягивать или ослаблять при формировании силового каркаса рефлектора для улучшении его отражающей способности. Причем данная конструкция линейного шагового пьезоэлектрического двигателя (18) позволяет использовать стержень (2) любой длины, что позволяет увеличивать диапазон регулировки шнура рефлектора. На (Фиг. 5б) приведена схема работы УНПШ.

Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом.

В начальном положении прижимные механизмы (3) фиксируют стержень (2) за счет упругих сил двухконтурных механических преобразователей (Фиг. 4а). Подается управляющий сигнал на пьезоэлементы (8) левого прижимающего механизма, пьезоэлементы (8) увеличиваются, при этом внешняя рамка (10) сужается, сжимая внутреннюю рамку (11), причем губки захватов стержня (17) расходятся и стержень (2) освобождается, при этом правый прижимной механизм фиксирует стержень (2) (Фиг. 4б). Подается управляющий сигнал на пьезоэлементы (8) приводного механизма (4), пьезоэлементы (8) увеличиваются, при этом рамка (6) сужается и смещает разжатый левый прижимающий механизм к правому прижимающему механизму (Фиг. 4в). Снимается управляющий сигнал с левого прижимающего механизма и стержень (2) фиксируется (Фиг. 4 г). Подается управляющий сигнал на пьезоэлементы (8) правого прижимающего механизма, пьезоэлементы (8) увеличиваются, при этом внешняя рамка (10) сужается, сжимая внутреннюю рамку (11), причем губки захватов стержня (17) расходятся и стержень (2) освобождается, при этом левый прижимающий механизм фиксирует стержень (2) (Фиг. 4д). Снимается управляющий сигнал с пьезоэлементов (8) приводного механизма, пьезоэлементы (8) уменьшаются, при этом рамка (6) расширяется и смещает разжатый правый прижимающий механизм от левого прижимающего механизма (Фиг. 4е). Снимается управляющий сигнал с правого прижимающего механизма и стержень фиксируется (Фиг. 4ж). Шаг завершен, для дальнейшего перемещения стержня (2) необходимо повторить описанный порядок действий.

Направление и скорость движения линейного шагового пьезоэлектрического двигателя или его стержня определяется управляющими сигналами контроллера двигателя.

Из приведенного примера реализации следует, что достигается положительный эффект изобретения - увеличение жесткости конструкции и конструктивная независимость двигателя от величины стержня.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. 2617209 Российская Федерация, Линейный пьезоэлектрический двигатель, МПК H02N 2/02 / Пономарев С.В., Рикконен С.В., Азии А.В., Орлов С.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет". - опубл. 24.04.2017.

2. Пат. 2390090 Российская Федерация, МПК H02N 2/02, H01L 41/09. Линейный пьезоэлектрический двигатель / Гриценко А.Л., Сафронов А.Я.; заявитель и патентообладатель ОАО "Научно исследовательский институт "Элпа" с опытным производством". - опубл. 20.05.2010.

3. Pat. 104410323 Chine, МПК H02N 2/02, H02N 2/04. Large linear displacement of the piezoelectric actuator and method of the clamp with power / Shao Shubao; Xu Minglong; Song Siyang; Chen Nan; Applicant Univ Xi an Jiaotong(CN). - bibliographic data 11.03.2015.

Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель, состоящий из основания, левого прижимающего механизма, приводного механизма и правого прижимающего механизма, включающих пьезоэлементы и гибкие шарниры, направляющего и выходного стержней, отличающийся тем, что направляющий и выходной стержни выполнены в виде единого цилиндрического стержня, при этом приводной механизм представляет собой одноконтурный механический преобразователь, состоящий из рамки с гибкими шарнирами, внутри которой установлены два пьезоэлемента и проставка между ними, а прижимающие механизмы представляют собой двухконтурные механические преобразователи, состоящие из внешней и внутренней рамок, расположенных перпендикулярно друг к другу, и содержащие гибкие шарниры, при этом внешняя рамка содержит два пьезоэлемента, каждый из которых с одной стороны имеет проставку, с другой стороны - опорную площадку, которая крепится к рамке, а на внутренней рамке закреплены губки захвата стержня с возможностью их перемещения внутри проставки, причем прижимающие и приводной механизмы являются единым неразъемным элементом.
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 29 items.
10.12.2015
№216.013.95c4

Гибридный ракетный двигатель

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к конструкциям гибридных ракетных двигателей космического назначения. Гибридный ракетный двигатель содержит камеру сгорания с размещенным в ней зарядом твердого топлива с внутренним сквозным каналом и сопловой блок. Во входном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002569960
Дата охранного документа: 10.12.2015
25.08.2017
№217.015.d02c

Способ получения упрочненного нанокомпозиционного материала на основе магния

Изобретение относится к получению упрочненного нанокомпозиционного материала, который может быть использован в авиастроении и в автомобильной промышленности. Готовят лигатуру в виде компактированных стержней из равномерно перемешанной смеси порошка магния и нанопорошка нитрида алюминия с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002621198
Дата охранного документа: 01.06.2017
29.12.2017
№217.015.f017

Средство, обладающее гастропротекторной активностью

Изобретение относится к фармацевтической промышленности, а именно к средству, обладающему гастропротекторным действием. Гастропротекторное средство, содержащее комплекс 4-х флавоноидов, выделенный из надземной части растения Lychnis chalcedonica L. Комплекс флавоноидов получен 5-кратной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002629090
Дата охранного документа: 24.08.2017
29.12.2017
№217.015.fd04

Стенд для исследования деформации капель аэродинамическими силами

Изобретение относится к исследованию деформации капель аэродинамическими силами и может быть использовано в лабораторных установках для исследования физических и химических процессов. Стенд для исследования деформации капель аэродинамическими силами включает вертикально расположенную капельницу...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002638376
Дата охранного документа: 13.12.2017
19.01.2018
№218.015.ffc3

Средство, обладающее противовоспалительным и анальгетическим действием

Изобретение относится к средству, обладающему противовоспалительным и анальгезирующим действием. Средство представляет собой комплекс флавоноидов, выделенный из надземной части растения Lychnis chalcedonica L. 5-кратной экстракцией 70% этанолом в соотношении сырье:экстрагент 1:22,5, с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002629607
Дата охранного документа: 30.08.2017
19.01.2018
№218.016.099d

Способ получения дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия

Изобретение относится к получению дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия. Способ включает введение лигатуры в расплав матрицы на основе алюминия при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Лигатуру готовят в виде компактированных стержней из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002631996
Дата охранного документа: 29.09.2017
19.01.2018
№218.016.09ae

Способ получения упрочненных алюминиевых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению легких сплавов на основе алюминия с повышенной прочностью. Способ заключается во введении в расплав алюминия лигатуры, содержащей модифицирующую добавку, при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля, причем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002631995
Дата охранного документа: 29.09.2017
10.05.2018
№218.016.3b60

Способ повышения дальности полета активно-реактивного снаряда

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к ракетным двигателям активно-реактивных снарядов, запускаемых из ствола артиллерийского орудия, и заключается в способе повышения дальности полета активно-реактивного снаряда. На траектории полета снаряда зажигают заряд твердого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647256
Дата охранного документа: 15.03.2018
10.05.2018
№218.016.49d4

Устройство для распыления порошков

Изобретение относится к технике распыления порошков в воздушной и газовой. Устройство для распыления порошков включает цилиндрический корпус, содержащий порошок, газогенератор с зарядом твердого топлива, систему аэрации порошка и сопло для истечения газопорошковой смеси. Газогенератор,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002651433
Дата охранного документа: 19.04.2018
29.05.2018
№218.016.54ee

Способ взрывного компактирования порошковых материалов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам взрывного прессования осесимметричных изделий из порошков. Порошковый материал помещают в осесимметричный контейнер с заглушками на его концах, на боковую поверхность контейнера наматывают детонирующий шнур. Контейнер...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654225
Дата охранного документа: 17.05.2018
Showing 1-10 of 22 items.
27.02.2013
№216.012.2c36

Способ испытаний бортовой аппаратуры космического аппарата на вибрационные воздействия

Изобретение относится к области испытаний на механические воздействия (вибрационные испытания) аппаратуры. Способ заключается в том, что при определении собственных частот бортовой аппаратуры дополнительно определяют добротность на каждой резонансной частоте и делают прогноз отклика, причем при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476845
Дата охранного документа: 27.02.2013
27.10.2013
№216.012.7ac2

Способ определения равномерного натяжения мембраны из изотропного материала

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения натяжений мембранных элементов конструкций. Способ состоит в том, что мембрану защемляют двумя кольцами, расположенными по разные стороны поверхности мембраны, и прикладывают поперечную нагрузку, распределенную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002497088
Дата охранного документа: 27.10.2013
20.03.2014
№216.012.acf9

Способ испытаний электронных плат на механические воздействия

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для проведения испытаний на устойчивость электронных плат (ЭП) и их компонентов к механическим воздействиям, например, в космической промышленности. Сущность: осуществляют закрепление платы в оснастке, приложение к ней...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509996
Дата охранного документа: 20.03.2014
27.11.2014
№216.013.0bcd

Способ измерения теплофизических свойств твердых материалов методом плоского мгновенного источника тепла

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик материалов и может быть использовано при тепловых испытаниях твердых материалов. Заявлен способ измерения теплофизических свойств твердых материалов методом плоского мгновенного источника тепла, заключающийся в том, что...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534429
Дата охранного документа: 27.11.2014
27.11.2014
№216.013.0bcf

Способ определения натяжения шнура

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения вантовых конструкций. Способ определения натяжения шнура заключается в защемлении шнура между двумя зажимами, в центр которого приложена постоянная поперечная нагрузка и измерение максимального прогиба....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534431
Дата охранного документа: 27.11.2014
10.06.2015
№216.013.5361

Устройство для испытаний электронных плат на механические воздействия

Изобретение относится к испытательной технике, применяемой при прочностных испытаниях (в частности, к испытаниям на прочность электронных плат (ЭП) при изготовлении). Устройство содержит силовой каркас, включающий крепления для установки ЭП и опорные стойки, на которых фиксируется нажимной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002552866
Дата охранного документа: 10.06.2015
10.08.2015
№216.013.6c80

Способ испытаний электронных плат на комбинированные механические и тепловые воздействия

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для проведения испытаний на надежность электронных плат (ЭП) и их компонентов к комбинированным механическим и тепловым воздействиям. Целью изобретения является разработка комбинированного способа испытаний на механические и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559334
Дата охранного документа: 10.08.2015
13.01.2017
№217.015.7f11

Способ измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов. Предложенный способ измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты заключается в том, что образец исследуемого материала...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601234
Дата охранного документа: 27.10.2016
25.08.2017
№217.015.b128

Способ измерения теплофизических свойств анизотропных материалов методом линейного импульсного источника теплоты

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик анизотропных материалов. Заявлен способ измерения теплофизических свойств анизотропных материалов методом линейного импульсного источника теплоты, заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613194
Дата охранного документа: 15.03.2017
25.08.2017
№217.015.bdb1

Стенд для испытаний на ударные воздействия приборов и оборудования

Изобретение относится к устройствам для испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных, в том числе и пространственных систем. Стенд состоит из приспособления в виде панели с установленными на ней испытуемой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002616353
Дата охранного документа: 14.04.2017
+ добавить свой РИД