[go: up one dir, main page]

LT7111B - High-power piezoelectric rotary drive - Google Patents

High-power piezoelectric rotary drive Download PDF

Info

Publication number
LT7111B
LT7111B LT2024012A LT2024012A LT7111B LT 7111 B LT7111 B LT 7111B LT 2024012 A LT2024012 A LT 2024012A LT 2024012 A LT2024012 A LT 2024012A LT 7111 B LT7111 B LT 7111B
Authority
LT
Lithuania
Prior art keywords
piezoelectric
ring
elastic ring
piezoelectric elements
drive
Prior art date
Application number
LT2024012A
Other languages
Lithuanian (lt)
Other versions
LT2024012A (en
Inventor
Piotr Vasiljev
Dalius MAŽEIKA
Andrius ČEPONIS
Sergejus BORODINAS
Regimantas BAREIKIS
Arūnas STRUCKAS
Original Assignee
Vilniaus Gedimino technikos universitetas
Vytauto Didžiojo Universitetas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vilniaus Gedimino technikos universitetas, Vytauto Didžiojo Universitetas filed Critical Vilniaus Gedimino technikos universitetas
Priority to LT2024012A priority Critical patent/LT7111B/en
Publication of LT2024012A publication Critical patent/LT2024012A/en
Publication of LT7111B publication Critical patent/LT7111B/en

Links

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Išradimas skirtas sukurti didelės galios pjezoelektrinę pavarą, leidžiančią pasiekti didelį sukimo momentą, greitį bei veikimo stabilumą esant didelėms apkrovoms. Pjezoelektrinė pavara susideda iš tampraus žiedo formos statoriaus (6), kuriame abipus žiedo išdėstyti trapeciniai dantys (7), kurių horizontalioje simetrijos ašyje suformuotos įpjovos (8), o tarp dantų (7) išdėstyti pjezoelektriniai elementai (9). Prie viršutinių ir apatinių dvipusių trapecinių dantų (7) paspyruokliuotai per standžius frikcinius elementus (10) prispausti disko formos rotoriai (2), kurie sukami paveikiant pjezoelektrinius elementus (9) vienu ar dviem elektriniais harmoniniais signalais, kurių dažnis suderintas su tampraus žiedo (6) išilginių virpesių rezonansiniu dažniu. Žadinant pavarą dviem harmoniniais signalais, jų fazių skirtumas turi būti π/2. Žadinant vienu elektriniu signalu, veikiama tik viena iš pjezoelektrinių elementų grupių (18, 19), o kita paliekama pasyvia. Pakeitus harmoninius signalus į pjūklo ar stačiakampio formos signalą, o pjezoelektrinių paketų grupes (18, 19) apjungus į bendrą grupę gaunamas inercinis pavaros veikimo principas.The invention is intended to create a high-power piezoelectric drive, allowing to achieve high torque, speed and stability of operation under high loads. The piezoelectric drive consists of a flexible ring-shaped stator (6), in which trapezoidal teeth (7) are arranged on both sides of the ring, with notches (8) formed in the horizontal axis of symmetry, and piezoelectric elements (9) are arranged between the teeth (7). Disk-shaped rotors (2) are pressed against the upper and lower double-sided trapezoidal teeth (7) in a spring-loaded manner through rigid friction elements (10), which are rotated by affecting the piezoelectric elements (9) with one or two electric harmonic signals, the frequency of which is matched to the resonant frequency of longitudinal vibrations of the flexible ring (6). When exciting the drive with two harmonic signals, their phase difference must be π/2. When excited by a single electrical signal, only one of the piezoelectric element groups (18, 19) is activated, while the other is left passive. By changing the harmonic signals to a sawtooth or rectangular signal, and combining the piezoelectric package groups (18, 19) into a common group, the inertial drive operating principle is obtained.

Description

IŠRADIMO SRITISFIELD OF THE INVENTION

Išradimas priskiriamas elektro-mechaninių, mechatroninių sistemų ir robototechnikos sritims. Pavaros konstrukcija, jos sudarymo ir veikimo principas gali būti taikomi kuriant aukšto tikslumo ir didelės galios sukamojo judesio sistemas, tokias kaip giroskopinės ar erdvinio pozicionavimo sistemas, skirtas valdyti objektų poziciją erdvėje ar plokštumoje. Giroskopinės ir kitos pozicionavimo sistemos, sukurtos naudojant šias pavaras, taikytinos mažųjų žemės palydovų ar kitų objektų erdvinės ar plokštuminės pozicijos valdymui, nustatymui ir derinimui nenutrūkstamame cikle.The invention belongs to the fields of electro-mechanical, mechatronic systems and robotics. The design of the drive, its composition and operating principle can be applied in the creation of high-precision and high-power rotary motion systems, such as gyroscopic or spatial positioning systems, designed to control the position of objects in space or in a plane. Gyroscopic and other positioning systems created using these drives are applicable to the control, determination and adjustment of the spatial or planar position of small Earth satellites or other objects in a continuous cycle.

TECHNIKOS LYGISSTATE OF THE ART

Mažieji žemės palydovai vis plačiau taikomi komunikacijos, ryšių ir kitų tyrimų srityse, todėl iškyla poreikis ypač tiksliai valdyti, derinti ir palaikyti šių objektų erdvinę ar plokštuminę poziciją. Šiam tikslui pasiekti naudojamos aukšto patikimumo, tikslumo ir didelės galios pavaros bei vykdikliai, kuriems, atsižvelgiant į jų taikymo sritį, keliami griežti masės ir montavimo tūrio reikalavimai. Siekiant įvykdyti šiuos reikalavimus, vis plačiau naudojamos pjezoelektrinės pavaros ir varikliai. Šiuo metu yra žinomi keli techniniai sprendimai ir patentai, kuriuose siūlomos ir sprendžiamos šios techninės problemos.Small Earth satellites are increasingly used in communication, communications and other research areas, which creates a need for extremely precise control, adjustment and maintenance of the spatial or planar position of these objects. To achieve this goal, high-reliability, precision and high-power drives and actuators are used, which, depending on their scope of application, have strict requirements for mass and installation volume. In order to meet these requirements, piezoelectric drives and motors are increasingly used. Currently, several technical solutions and patents are known that propose and solve these technical problems.

Patente EP0449048A1 aprašoma pjezoelekthnė sukamojo judesio pavara, pagrįsta daugiasluoksniais pjezoelekthniais keitikliais. Pavaros konstrukciją sudaro daugiasluoksniai pjezoelekthniai keitikliai, kurie tolygiai paskirstyti aplink banguotą rotorių. Keitiklių laisvuosiuose galuose sumontuoti cilindriniai antgaliai arba cilindriniai riedėjimo elementai, kurie per trintį prispausti prie banguoto rotoriaus. Siekiant gauti sukamąjį rotoriaus judesį, pjezoelektriniai daugiasluoksniai keitikliai paveikiami žadinimo įtampa ko pasėkoje sukuriami išilginiai keitiklių poslinkiai, kurie per keitiklių antgalius ir netolygų rotorių paverčiami radialine jėga, kuri veikia rotorių ir sukuria sukamąjį rotoriaus judesį. Pavara žadinama nuolatine įtampa, kuri laiko intervalais, apibrėžtais rotoriaus banguotumu, paduodama į pjezoelektrinius keitiklius. Reversinis pavaros judesys gali būti gaunamas keičiant pjezoelekthnių daugiasluoksnių keitiklių žadinimo eiliškumą.Patent EP0449048A1 describes a piezoelectric rotary motion drive based on multilayer piezoelectric transducers. The drive structure consists of multilayer piezoelectric transducers, which are evenly distributed around a wavy rotor. Cylindrical tips or cylindrical rolling elements are mounted on the free ends of the transducers, which are pressed against the wavy rotor by friction. In order to obtain a rotary motion of the rotor, the piezoelectric multilayer transducers are affected by an excitation voltage, as a result of which longitudinal displacements of the transducers are created, which are converted through the tips of the transducers and the uneven rotor into a radial force that acts on the rotor and creates a rotary motion of the rotor. The drive is excited by a constant voltage, which is applied to the piezoelectric transducers at time intervals defined by the waviness of the rotor. Reversible actuator motion can be obtained by changing the excitation sequence of the piezoelectric multilayer transducers.

JAV patente US5955820A aprašoma pjezoelekthnė žiedo formos sukamoji pavara. Pavaros konstrukciją sudaro pjezoelektrinis žiedas, ant kurio viršutinės ir apatinės plokštumų pritvirtinti tamprios kryžiaus formos asimetrinės, pakilusios nuo žiedo plokštumos, konstrukcijos. Apatinė, asimetrinės konstrukcijos, dalis įtvirtinama nejudamai, o prie viršutinės konstrukcijos dalies, per trinties jėga, prispaustas rotorius. Pavaros veikimas pagrįstas radialines pjezoelektrinio žiedo virpesių modos žadinamos harmoniniu elektriniu signalu, kuris paduodamas į viršutinį ir apatinį pjezoelektrinio žiedo elektrodus. Žadinant radialinę pjezoelektrinio žiedo virpesių modą, sukuriami radialiniai visos konstrukcijos virpesiai, kurie dėka asimetrinių konstrukcijų ir pavaros įtvirtinimo būdo sukuria asimetrinės konstrukcijos radialinius, lenkimo ir išilginius virpesius, kurie statoriaus ir rotoriaus kontakto zonoje sukuria elipsės formos judesio trajektoriją, todėl kontakto metu per trinties jėgą sukuriamas rotoriaus sukamasis judesys.US patent US5955820A describes a piezoelectric ring-shaped rotary actuator. The actuator structure consists of a piezoelectric ring, on the upper and lower planes of which elastic cross-shaped asymmetric structures raised from the plane of the ring are attached. The lower, asymmetric structure is fixed stationary, and a rotor is pressed against the upper part of the structure by friction. The actuator operation is based on the radial vibration modes of the piezoelectric ring being excited by a harmonic electrical signal, which is fed to the upper and lower electrodes of the piezoelectric ring. By exciting the radial vibration mode of the piezoelectric ring, radial vibrations of the entire structure are created, which, thanks to the asymmetric structures and the method of mounting the drive, create radial, bending and longitudinal vibrations of the asymmetric structure, which create an elliptical motion trajectory in the contact zone of the stator and rotor, therefore, during contact, rotational motion of the rotor is created through the friction force.

Patente US6628045B2 aprašoma pjezoelektrinė žiedo formos sukamoji pavara. Pavarą sudaro tamprus žiedas, ant kurio iš vienos pusės suformuojami stačiakampiai dantys, prie kurių viršūnių per trinties jėgą prispaudžiamas disko formos rotorius, o iš kitos tampraus žiedo pusės montuojamas pjezoelektrinis žiedas, kurio elektrodas padalijamas į lygias dalis. Pavaros veikimas pagrįstas bėgančios bangos žadinimu žiede naudojant lenkimo virpesius, kurie žadinami dviem harmoniniais signalais, kurių fazių skirtumas yra π/2. Sužadinus žiede bėgančios bangos virpesius, dantų viršūnėse susiformuoja elipsės formos judesio trajektorijos, kurios per trinties jėgą sukuria sukamąjį rotoriaus judesį. Dantų geometriniai parametrai parenkami taip, kad jie padidintų žiedo lenkimo virpesių amplitudes ir užtikrintų didesnį rotoriaus sukimosi greitį bei sukimo momentą. Dantų aukštis tiesiogiai proporcingas sukuriamam pavaros sukimo greičiui, tačiau apkraunant pavarą didesne jėga, statoriaus dantys pradeda klupti ko pasėkoje sumažėja pavaros sukimosi greitis ir momentas, didėja kontakto zonos dėvėjimasis ir mažinamas pavaros patikimumas.Patent US6628045B2 describes a piezoelectric ring-shaped rotary actuator. The actuator consists of an elastic ring, on which rectangular teeth are formed on one side, to the tops of which a disk-shaped rotor is pressed by friction, and a piezoelectric ring is mounted on the other side of the elastic ring, the electrode of which is divided into equal parts. The operation of the actuator is based on the excitation of a traveling wave in the ring using bending vibrations, which are excited by two harmonic signals with a phase difference of π/2. When the vibrations of the traveling wave in the ring are excited, elliptical motion trajectories are formed at the tops of the teeth, which create a rotational motion of the rotor through friction. The geometric parameters of the teeth are selected so that they increase the amplitudes of the bending vibrations of the ring and ensure a higher rotor rotation speed and torque. The height of the teeth is directly proportional to the generated rotational speed of the drive, but when the drive is loaded with a greater force, the stator teeth begin to slip, which results in a decrease in the rotational speed and torque of the drive, increased wear of the contact area, and reduced reliability of the drive.

IŠRADIMO ESMĖESSENCE OF THE INVENTION

Šio išradimo esmė ir tikslas yra padidinti pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros sukimo momentą, greitį, veikimo stabilumą, patikimumą ir išplėsti funkcines galimybes.The essence and purpose of this invention is to increase the torque, speed, operating stability, reliability and expand the functional capabilities of a piezoelectric rotary motion drive.

Išradimo tikslas pasiekiamas tuo, kad pjezoelekthnėje žiedo formos sukamojo judesio pavaroje ant tampraus žiedo viršutinio ir apatinio paviršiaus išdėstomi trapeciniai dantys taip suformuojant dvipusį trapecinį dantį, o jų vieta ant tampraus žiedo parenkama taip, kad sutaptų su žiedo formos statoriuje žadinamų išilginių virpesių pūpsniais, o atstumas tarp dantų simetrijos ašių būtų lygus išilginių virpesių bangos ilgiui. Pjezoelektriniai elementai neišardomai montuojami tarp trapecinių dantų ant viršutinio ir apatinio žiedo paviršių taip, kad toje pačioje plokštumoje šalia esančių elementų poliarizacijos kryptys būtų priešingos ir nukreiptos išilgai elementų storio. Viršutiniame ir apatiniame žiedo paviršiuje esantys pjezoelektriniai elementai turi priešingas poliarizacijos kryptis.The object of the invention is achieved by arranging trapezoidal teeth on the upper and lower surfaces of the elastic ring in a piezoelectric ring-shaped rotary motion drive, thus forming a double-sided trapezoidal tooth, and their location on the elastic ring is selected so as to coincide with the longitudinal oscillations excited in the annular stator, and the distance between the axes of symmetry of the teeth is equal to the wavelength of the longitudinal oscillations. The piezoelectric elements are permanently mounted between the trapezoidal teeth on the upper and lower ring surfaces so that the polarization directions of the elements located next to each other in the same plane are opposite and directed along the thickness of the elements. The piezoelectric elements located on the upper and lower ring surfaces have opposite polarization directions.

Pavaros sukimo momentas padidinamas dėl statoriaus žiede žadinamų išilginių rezonansinių virpesių, kurie užtikrina elektros energijos keitimą į mechaninę energiją bei stabilų veikimą esant didelėms variklio apkrovoms ir dėl dvipusio disko formos rotoriaus, ant kurio kontaktinio paviršiaus nejudamai pritvirtinamas žiedas, pagamintas iš trinčiai atsparios didelio standumo medžiagos, pavyzdžiui AI2O3. Rotoriaus sukimosi greitis didinamas dėl įpjovos, kuri suformuojama dvipusiuose trapecijos formos dantyse. Išpjovos ilgis turi būti ne didesnis negu 2/3 pačio danties pločio dėl ko padidinamos trapecinių dantų viršūnių virpesių amplitudės bei sumažinamas bendras pavaros aukštis.The torque of the drive is increased due to longitudinal resonant vibrations excited in the stator ring, which ensure the conversion of electrical energy into mechanical energy and stable operation at high engine loads, and due to the double-sided disk-shaped rotor, on the contact surface of which a ring made of a friction-resistant high-rigidity material, for example AI2O3, is fixedly mounted. The rotor rotation speed is increased due to the notch formed in the double-sided trapezoidal teeth. The length of the notch must not exceed 2/3 of the tooth width itself, which increases the amplitude of the oscillations of the tops of the trapezoidal teeth and reduces the total height of the drive.

Pavaros veikimo stabilumas didinamas naudojant trapecijos formos dantis, kurių ilgasis pagrindas patalpinamas ant tampraus žiedo, ko pasėkoje sumažinamas jų klupdymas esant didelėms ašinėms apkrovoms. Funkcinės pavaros galimybės praplečiamos taikant skirtingas atskirų pjezoelektrinių elementų ar jų grupių žadinimo schemas ir būdus.The stability of the drive operation is increased by using trapezoidal teeth, the long base of which is placed on an elastic ring, which reduces their tripping under high axial loads. The functional capabilities of the drive are expanded by applying different excitation schemes and methods of individual piezoelectric elements or their groups.

BRĖŽINIŲ APRAŠYMASDESCRIPTION OF DRAWINGS

Čia ir toliau sukamojo judesio pavara aprašoma su nuorodomis į brėžinius, tačiau techninis pavaros įgyvendinimas nėra ribojamas pateiktu būdu. Galimos įvairios įgyvendinimo būdo modifikacijos ir tobulinimai.Here and below, the rotary motion drive is described with reference to the drawings, but the technical implementation of the drive is not limited to the presented method. Various modifications and improvements to the method of implementation are possible.

Pav. 1 a, b Pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros principinė schema:Fig. 1 a, b Schematic diagram of a piezoelectric rotary motion drive:

(a) - izomethnis pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros vaizdas;(a) - isometric view of a piezoelectric rotary motion actuator;

(b) - išskleistinis pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros vaizdas;(b) - exploded view of the piezoelectric rotary motion drive;

Pav. 2 a, b Pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros statoriaus principinė schema:Fig. 2 a, b Schematic diagram of the stator of a piezoelectric rotary motion drive:

(a) - izometrinis pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros statoriaus vaizdas;(a) - isometric view of the stator of a piezoelectric rotary motion drive;

(b) - išskleistinis pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros statoriaus vaizdas;(b) - exploded view of the stator of the piezoelectric rotary motion drive;

Pav. 3 a, b Pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros žadinimo schema;Fig. 3 a, b Excitation diagram of a piezoelectric rotary motion drive;

(a) - vaizdas iš viršaus;(a) - top view;

(b) - vaizdas iš apačios;(b) - bottom view;

Pav. 4 Dvipusių trapecinių dantų pasiskirstymo schema;Fig. 4 Distribution diagram of double-sided trapezoidal teeth;

Pav. 5 Sukamojo judesio pavaros virpesių modos:Fig. 5 Vibration modes of a rotary motion drive:

BRĖŽINIAI - pažymėtų objektų aprašymasDRAWINGS - description of marked objects

- pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros statohus;- piezoelectric rotary motion actuators;

- disko formos rotorius;- disc-shaped rotor;

- prispaudimo spyruoklė;- compression spring;

- veržlė;- nut;

- velenas;- shaft;

- tamprus žiedas;- elastic ring;

- dvipusis trapecinis dantis;- double-sided trapezoidal tooth;

- įpjova;- notch;

- pjezoelekthnis elementas;- piezoelectric element;

- standus frikcinis kontaktinis elementas;- rigid frictional contact element;

- statoriaus įtvirtinimo žiedas;- stator retaining ring;

- slankiklis;- slider;

- pjezoelektrinės slenkamojo judesio pavaros statohus;- piezoelectric reciprocating motion actuators;

- tamprus kvadrato formos strypas;- elastic square-shaped rod;

- signalų generatorius;- signal generator;

- signalų komutacijos įrenginys;- signal switching device;

- pjezoelekthnių elementų poliarizacijos kryptis;- direction of polarization of piezoelectric elements;

- pirma pjezoelektrinių elementų grupe;- the first group of piezoelectric elements;

- antra pjezoelektrinių elementų grupe;- second group of piezoelectric elements;

DETALUS IŠRADIMO APRAŠYMASDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Čia ir toliau pavara aprašoma su nuorodomis į brėžinius, tačiau techninis pavaros įgyvendinimas nėra ribojamas pateiktais būdais. Galimos įvairios įgyvendinimo būdų modifikacijos ir tobulinimai.Here and below, the drive is described with reference to the drawings, but the technical implementation of the drive is not limited to the methods presented. Various modifications and improvements to the implementation methods are possible.

Detalus aprašymas. Pjezoelektrinę sukamojo judesio pavarą sudaro tamprus žiedo formos statorius (1), kuriame radiališkai išsidėstę dvipusiai trapeciniai dantys (7), tarpusavyje sujungti neišardomai taip suformuojant bendrą žiedo formos statohaus (1) konstrukciją, ir paspyruokliuotai prispausti du disko formos rotoriai (2). Kiekvieno dvipusio trapecinio danties (7) horizontalioje simetrijos ašyje suformuojama įpjova (8), kuri leidžia sumažinti dvipusių trapecinių dantų (7) aukštį. Standūs frikciniai kontaktiniai elementai (10) patalpinami ant viršutinių ir apatinių dvipusių trapecinių dantų (7) plokštumų. Frikciniai elementai (10) tiesiogiai kontaktuoja su dviem disko formos rotoriais (2), kurie sujungti su pavaros velenu (5). Rotoriaus prispaudimo jėga keičiama per prispaudimo spyruoklę (3), keičiant veržlės (4) vertikalią poziciją ant veleno (5). Pavaros statohaus (1) tampraus žiedo (6) vidutinis skersmuo parenkamas taip, kad tenkintų sąlygą D = nC/πί ( čia D - vidutinis tampraus žiedo skersmuo; n - sveikasis skaičius; C - žiedo išilginių virpesių bangos sklidimo greitis; f - pavaros rezonansinis dažnis). Dvipusiai trapeciniai dantys (7) patalpinami žiedo (6) išilginių virpesių pūpsniuose, o jų aukštis kartu su žiedo aukščiu (6) parenkamas taip, kad būtų lygus arba artimas lenkimo virpesių pusės bangos ilgiui. Dvipusių trapecinių dantų (7) horizontalioje simetrijos ašyje formuota įpjova (8), kurios ilgis parenkamas taip, kad neviršytų 2/3 bendro danties pločio. Viršutiniame ir apatiniame pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros statoriaus žiedo (6) paviršiuose, tarp dvipusių trapecinių dantų (7) montuojami pjezoelektriniai elementai (9), kurių šalia esančių elementų poliarizacijos kryptys yra priešingos ir nukreiptos išilgai elementų storio. Viršutiniame ir apatiniame žiedo paviršiuje esantys pjezoelektriniai elementai (9) turi priešingas poliarizacijos kryptis. Pjezoelektrinės sukamojo judesio pavaros įtvirtinimas realizuojamas naudojant statoriaus įtvirtinimo žiedą (11), kuris neišardomai sujungiamas su statoriumi (1) išilginių virpesių mazginėse zonose, o pats įtvirtinimo žiedas (11) standžiai sujungiamas su kitomis konstrukcinėmis pavaros dalimis. Formuojant sukamojo judesio pavarą, prie standžių frikcinių kontaktinių elementų (10), slystamai, prispaudžiami du disko formos rotoriai (2), kurie tarpusavyje sujungti velenu (5). Prispaudimo jėgą formuoja prispaudimo spyruoklė (3), kurios sukuriama prispaudimo jėga reguliuojama keičiant veržlės (4) vertikalią poziciją.Detailed description. The piezoelectric rotary motion drive consists of a resilient ring-shaped stator (1), in which radially arranged double-sided trapezoidal teeth (7), interconnected indestructibly forming a common ring-shaped statohaus (1) structure, and two disc-shaped rotors (2) pressed by a spring. A notch (8) is formed in the horizontal axis of symmetry of each double-sided trapezoidal tooth (7), which allows reducing the height of the double-sided trapezoidal teeth (7). Rigid friction contact elements (10) are placed on the upper and lower planes of the double-sided trapezoidal teeth (7). The friction elements (10) are in direct contact with two disc-shaped rotors (2), which are connected to the drive shaft (5). The rotor pressing force is changed via a pressure spring (3) by changing the vertical position of the nut (4) on the shaft (5). The average diameter of the elastic ring (6) of the statohaus drive (1) is selected so as to satisfy the condition D = nC/πί (where D is the average diameter of the elastic ring; n is an integer; C is the propagation velocity of the longitudinal vibration wave of the ring; f is the resonant frequency of the drive). Double-sided trapezoidal teeth (7) are placed in the longitudinal vibration lobes of the ring (6), and their height together with the height of the ring (6) is selected so as to be equal to or close to the half-wavelength of the bending vibrations. A notch (8) is formed in the horizontal axis of symmetry of the double-sided trapezoidal teeth (7), the length of which is selected so as not to exceed 2/3 of the total width of the tooth. On the upper and lower surfaces of the stator ring (6) of the piezoelectric rotary motion drive, piezoelectric elements (9) are mounted between the double-sided trapezoidal teeth (7), the polarization directions of the adjacent elements of which are opposite and directed along the thickness of the elements. The piezoelectric elements (9) located on the upper and lower surfaces of the ring have opposite polarization directions. The fastening of the piezoelectric rotary motion drive is realized using a stator fastening ring (11), which is indestructibly connected to the stator (1) in the nodal zones of longitudinal vibrations, and the fastening ring (11) itself is rigidly connected to other structural parts of the drive. When forming the rotary motion drive, two disk-shaped rotors (2) are slidably pressed against the rigid friction contact elements (10), which are interconnected by a shaft (5). The clamping force is formed by a clamping spring (3), the clamping force created by which is adjusted by changing the vertical position of the nut (4).

Pavaros veikimo aprašymas: Siekiant gauti disko formos rotorių (2) sukimąsi, pjezoelektriniai elementai (9) per signalų generatorių (15) ir signalų komutacinį įrenginį (16) paveikiami harmoniniais arba neharmoniniais elektriniais signalais taikant skirtingas žadinimo schemas. Pirmuoju atveju sukamieji disko formos rotorių (2) judesiai gaunami paveikiant pirmą pjezoelekthnių elementų grupę (18) harmoniniu elektriniu signalu, kurio dažnis sutampa su tampraus žiedo (6) išilginių virpesių rezonansiniu dažniu, o antra pjezoelekthnių elementų grupe (19) lieka pasyvi, ko pasėkoje tampriame žiede (6) dėl medžiagos Puasono koeficiento sužadinami išilginiai virpesiai, o tuo pačiu ir dvipusių trapecinių dantų (7) asimetriniai lenkimo virpesiai. Dėl asimetrinės žadinimo schemos ir su tampraus žiedo (6) išilginiais virpesiais suderinto dvipusių trapecinių dantų (7) lenkimo virpesiais, standūs frikciniai elementai (10) formuoja elipsines judesio trajektorijas, kurių dėka, per trinties jėgą frikciniai elementai (10) kontaktuodami su disko formos rotoriais (2) juos suka. Antruoju atveju pjezoelekthnių elementų grupės (18, 19) paveikiamos dviem harmoniniais signalais, kurių fazių skirtumas yra π/2, o dažnis sutampa su tampraus žiedo (6) išilginių virpesių rezonansiniu dažniu. Dėl to tampriame žiede (6) sužadinami išilginiai bėgančios bangos virpesiai, ko pasėkoje dvipusiai trapeciniai dantys (7) sinchroniškai lenkiasi, suformuodami frikcinių elementų (10) elipsės formos judesio trajektorijas ir kontaktuodami su rotoriais (2) sukuria sukamuosius judesius. Trečiuoju atveju pjezoelekthnių elementų grupės (18, 19) bendrai apjungiamos ir paveikiamos pjūklo ar stačiakampio formos elektriniu signalu, ko pasėkoje tampriame žiede (6) sužadinami neharmoniniai išilginiai virpesiai. Toks žadinimo būdas užtikrina dvipusių trapecinių dantų (7) neharmoninius asimetrinius lenkimo virpesius. Standžių frikcinių elementų (10) judesio trajektorijos šiuo atveju yra kreivalinijinės ir frikciniai elementai juda skirtingais greičiais pirmyn bei atgal ko pasėkoje sukuriama skirtingo dydžio trinties jėga tarp frikcinių elementų (10) ir rotoriaus (2) bei gaunamas inercinis pavarų veikimo principas, kuris užtikrina sukamąjį rotorių (2) judesį.Description of the drive operation: In order to obtain the rotation of the disk-shaped rotors (2), the piezoelectric elements (9) are affected by harmonic or non-harmonic electrical signals through the signal generator (15) and the signal switching device (16) using different excitation schemes. In the first case, the rotational movements of the disk-shaped rotors (2) are obtained by affecting the first group of piezoelectric elements (18) with a harmonic electrical signal, the frequency of which coincides with the resonant frequency of the longitudinal vibrations of the elastic ring (6), while the second group of piezoelectric elements (19) remains passive, as a result of which longitudinal vibrations are excited in the elastic ring (6) due to the Poisson's ratio of the material, and at the same time asymmetric bending vibrations of the double-sided trapezoidal teeth (7). Due to the asymmetric excitation scheme and the bending vibrations of the double-sided trapezoidal teeth (7) coordinated with the longitudinal vibrations of the elastic ring (6), the rigid friction elements (10) form elliptical motion trajectories, thanks to which, through the friction force, the friction elements (10) in contact with the disk-shaped rotors (2) rotate them. In the second case, the groups of piezoelectric elements (18, 19) are affected by two harmonic signals, the phase difference of which is π/2, and the frequency coincides with the resonant frequency of the longitudinal vibrations of the elastic ring (6). As a result, longitudinal traveling wave vibrations are excited in the elastic ring (6), as a result of which the double-sided trapezoidal teeth (7) bend synchronously, forming elliptical motion trajectories of the friction elements (10) and, in contact with the rotors (2), creating rotational movements. In the third case, the groups of piezoelectric elements (18, 19) are generally connected and affected by a sawtooth or rectangular electrical signal, as a result of which non-harmonic longitudinal vibrations are excited in the elastic ring (6). Such an excitation method ensures non-harmonic asymmetric bending vibrations of the double-sided trapezoidal teeth (7). The motion trajectories of the rigid friction elements (10) in this case are curvilinear and the friction elements move at different speeds forward and backward, as a result of which a friction force of different magnitude is created between the friction elements (10) and the rotor (2) and an inertial principle of operation of the gears is obtained, which ensures the rotational movement of the rotor (2).

Claims (6)

IŠRADIMO APIBRĖŽTISDEFINITION OF THE INVENTION 1. Pjezoelektrinė pavara, apimanti tamprų žiedą (6), ant kurio neišardomai sumontuoti trapeciniai dantys (7), pjezoelektrinius elementus, žadinamus elektriniais signalais (9) ir prie trapecinių dantų prispaustus du rotorius (2) besiskirianti tuo kad, pjezoelektriniai elementai (9) yra plokštelės formos ir neišardomai pritvirtinti ant tampraus žiedo (6) viršutinio bei apatinio plokščio paviršiaus tarp trapecinių dantų taip, kad šalia esančių pjezoelektrinių elementų (9) poliarizacijos kryptys būtų priešingos ir nukreiptos išilgai elementų storio.1. A piezoelectric actuator comprising an elastic ring (6) on which trapezoidal teeth (7) are permanently mounted, piezoelectric elements excited by electrical signals (9) and two rotors (2) pressed against the trapezoidal teeth, characterized in that the piezoelectric elements (9) are plate-shaped and permanently mounted on the upper and lower flat surfaces of the elastic ring (6) between the trapezoidal teeth so that the polarization directions of adjacent piezoelectric elements (9) are opposite and directed along the thickness of the elements. 2. Pavara pagal 1 punktą besiskirianti tuo, kad tampraus žiedo (6) vidutinis skersmuo parenkamas taip, kad žiedo ilgis būtų dalus iš sveiko išilginių virpesių bangos ilgio skaičiaus, o atstumas tarp trapecinių dantų (7) vertikalių simetrijos ašių būtų lygus vienam arba keliems išilginių virpesių, žadinamų tampriame žiede (6), bangos ilgiams.2. The drive according to claim 1, characterized in that the average diameter of the elastic ring (6) is selected so that the length of the ring is divided by an integer number of the wavelength of longitudinal vibrations, and the distance between the vertical axes of symmetry of the trapezoidal teeth (7) is equal to one or more wavelengths of longitudinal vibrations excited in the elastic ring (6). 3. Pavara pagal 1 punktą, besiskirianti tuo, kad trapecinių dantų (7) padėtis ant tampraus žiedo (6) yra parenkama taip, kad ji sutaptų su žiedo išilginių virpesių pūpsniais.3. The drive according to claim 1, characterized in that the position of the trapezoidal teeth (7) on the elastic ring (6) is selected so that it coincides with the longitudinal oscillation pulses of the ring. 4. Pavara pagal 1 punktą, besiskirianti tuo, kad rotoriaus sukamasis judesys kuriamas, kai paveikiant pirmą pjezoelektrinių elementų grupę (18) harmoniniu elektriniu signalu, kurio dažnis sutampa su tampraus žiedo (6) išilginių virpesių rezonansiniu dažniu, o antra pjezoelektrinių elementų grupe (19) lieka pasyvi.4. The drive according to claim 1, characterized in that the rotary motion of the rotor is created by affecting the first group of piezoelectric elements (18) with a harmonic electrical signal, the frequency of which coincides with the resonant frequency of the longitudinal vibrations of the elastic ring (6), and the second group of piezoelectric elements (19) remains passive. 5. Pavara pagal 1 punktą, besiskirianti tuo, kad rotoriaus sukamasis judesys kuriamas, kai pjezoelektrinių elementų grupės (18, 19) vienu metu paveikiamos dviem harmoniniais elektriniais signalais, kurių fazių skirtumas yra π/2, o žadinimo signalų dažnis suderintas su tampraus žiedo išilginių virpesių rezonansiniu dažniu.5. The drive according to claim 1, characterized in that the rotary motion of the rotor is created when the groups of piezoelectric elements (18, 19) are simultaneously affected by two harmonic electrical signals, the phase difference of which is π/2, and the frequency of the excitation signals is matched to the resonant frequency of the longitudinal vibrations of the elastic ring. 6. Pavara pagal 1 punktą, besiskirianti tuo, kad rotoriaus sukamasis judesys kuriamas, kai pjezoelektrinių elementų grupės (18, 19) bendrai apjungiamos ir paveikiamos pjūklo ar stačiakampio formos elektriniu signalu, o žadinimo signalų dažnis suderintas su tampraus žiedo išilginių virpesių rezonansiniu dažniu.6. The drive according to claim 1, characterized in that the rotary motion of the rotor is created when the groups of piezoelectric elements (18, 19) are collectively connected and affected by a sawtooth or rectangular electrical signal, and the frequency of the excitation signals is matched to the resonant frequency of the longitudinal vibrations of the elastic ring.
LT2024012A 2024-04-11 2024-04-11 High-power piezoelectric rotary drive LT7111B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2024012A LT7111B (en) 2024-04-11 2024-04-11 High-power piezoelectric rotary drive

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2024012A LT7111B (en) 2024-04-11 2024-04-11 High-power piezoelectric rotary drive

Publications (2)

Publication Number Publication Date
LT2024012A LT2024012A (en) 2024-11-11
LT7111B true LT7111B (en) 2024-12-10

Family

ID=93375933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LT2024012A LT7111B (en) 2024-04-11 2024-04-11 High-power piezoelectric rotary drive

Country Status (1)

Country Link
LT (1) LT7111B (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5955820A (en) 1997-03-21 1999-09-21 The Penn State Research Foundation Ultrasonic motor
US6628045B2 (en) 2000-12-15 2003-09-30 Korea Institute Of Science And Technology Ring-type piezoelectric ultrasonic motor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5955820A (en) 1997-03-21 1999-09-21 The Penn State Research Foundation Ultrasonic motor
US6628045B2 (en) 2000-12-15 2003-09-30 Korea Institute Of Science And Technology Ring-type piezoelectric ultrasonic motor

Also Published As

Publication number Publication date
LT2024012A (en) 2024-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0674350B1 (en) Ultrasonic motor
JP4455329B2 (en) High precision control of electromechanical motor
US4728843A (en) Ultrasonic vibrator and drive control method thereof
US4933590A (en) Ultrasonic motor
JPH0117354B2 (en)
JP2506170B2 (en) XY stage
US5001382A (en) Stepping motor and a method of driving the same
US11114954B2 (en) Ultrasonic motor having generators formed of cooperating and spaced apart first and second sub-generators
CN112217415B (en) Frame type planar three-degree-of-freedom piezoelectric resonance self-actuating mechanism and excitation method thereof
LT7111B (en) High-power piezoelectric rotary drive
CN112217417B (en) Three-foot plane three-degree-of-freedom piezoelectric resonance self-actuating mechanism and excitation method thereof
US5760527A (en) Vibration actuator and method of control
CN110661445B (en) Parallel three-degree-of-freedom piezoelectric resonance self-actuating mechanism and excitation method thereof
EP4531264A1 (en) High power piezoelectric motor and drive
JPH06284754A (en) Vibrating motor
JPS62141980A (en) Ultrasonic vibrator and drive controlling method thereof
JPH08242592A (en) Ultrasonic actuator
JPH1175380A (en) Ultrasonic motor and piezoelectric vibrator using the same
LT7113B (en) PIEZOELECTRIC TRANSDUCER FOR HIGH POWER SLIDING MOVEMENT ACTUATORS
JPH0773428B2 (en) Piezoelectric drive
JP2971971B2 (en) Ultrasonic actuator
JPH0552137B2 (en)
JP2632897B2 (en) Vibration wave drive
LT7104B (en) Inertial four-degree-of-freedom piezoelectric actuator
Xu et al. Simulation and Experimental Research on Mode Switching of Traveling Wave Rotary Ultrasonic Motor

Legal Events

Date Code Title Description
BB1A Patent application published

Effective date: 20241111

FG9A Patent granted

Effective date: 20241210