CC BY
20Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 621.8.023.5
ОСОБЕННОСТИ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА
К. В. Кондратьев1*, В. В. Двирный2*, В. Н. Сергеевич1
1ООО НПП «САМИ» Российская Федерация, 662971, г. Железногорск, ул. Советской армии, 30
*E-mail: kkv@samy.ru 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: dvirnyi@mail.ru
Рассмотрена возможность преобразования электрической энергии в механическую в условиях вакуума. Приведена принципиальная схема функционирования пьезокерамического биморфа при подаче переменного тока. Предложен способ превращения возвратно-поступательных колебаний пьезокерамического биморфа во вращательное движение дискового колеса.
Ключевые слова: пьезокерамический биморф, преобразование электрической энергии.
PIEZOMOTOR FEATURES UNDER VACUUM К. V. Kondratyev1*, V. V. Dvirniy2*, V. N. Sergeevic1 1LTD SPE "SAMY"
30, Krasnoy Armii Str., Zheleznogorsk, 662971, Russian Federation. E-mail: kkv@samy.ru 2JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation. E-mail: dvirnyi@mail.ru
The paper treats possibility of converting electrical energy into mechanical energy in a vacuum. It presents a schematic diagram of a piezoceramic bimorph operation by applying AC. The researchers propose a method for converting reciprocating vibrations of a piezoceramic bimorph into rotary motion of the wheel disk.
Keywords: piezoelectric bimorph, the conversion of electrical energy.
Преобразование электрической энергии в механическую в атмосфере осуществляется посредством всем известных и широко распространенных средств. Электродвигатели преобразуют энергию в механическую и приводят в действие исполняющий механизм посредством механических передач. Среди прочих можно выделить: зубчатые, червячные, гипоидные, цепные, зубчатыми ремнями, винтовые, волновые, фрикционные, ременные и другие виды передач, которые встречаются в разных отраслях технического производства [1]. Совсем иначе дела обстоят, когда речь заходит о преобразовании электрической энергии в условиях вакуума. Обеспечение адекватного функционирования передачи и сохранности свойств смазочных материалов в вакууме затрудняется, что ограничивает применение отдельных видов передачи механической энергии в условиях вакуума. Особое внимание стоит уделить передачам, основанных на сухом трении, к которым можно отнести предлагаемую пару пьезокерамического биморфа и дискового колеса (ведущего и ведомого звеньев соответственно).
В рамках решения поставленной задачи обеспечения механического привода предлагается использовать пьезокерамический биморф, основная функция которого - под воздействием переменного напряжения выгибаться то в одну, то в другую сторону. Диа-
пазон входного напряжения от - V до + V, в соответствии и пропорционально номиналу поданного напряжения пьезокерамический биморф выгибается относительно зафиксированного конца. Внешний вид пьезокерамического биморфа и принципиальная схема его подключения приведены на рис. 1. Не покрытая лаком часть является областью заделки. Подведение управляющего напряжения производится через пружинные контакты в области заделки или монтажными проводами путём пайки к выведенным электродам [2]. Несмотря на то что пьезобиморфы имеют лакированное покрытие, допускается их эксплуатация в условиях вакуума. В процессе производства биморфа лак подвергается вакуумированию при повышенной температуре.
Аналогичные решения для создания крутящего момента в условиях вакуума, возможно, с последующем преобразованием последнего в вертикальную тягу, имеют ряд недостатков перед пьезодвигателями. Один из вариантов конструкции устройства пьезодви-гателя и взаимное расположение элементов приведены на рис. 2. Что же касается аналогов, то, например, использование электромагнита сопровождается образованием магнитного поля, что может негативно отразиться на корректном функционирование соседних узлов, в состав которых входит электроника.
Механика специальных систем
Контактная площадка (внешний никелевый электрод)
Бронзовая прокладка -(центральный электрод)
Лакированная поверхность
и
Рис. 1. Внешний вид и схема подключения пьезокерамического биморфа
В устройствах, основанных на электромагните, немаловажной проблемой является обеспечение плавности в передвижении объекта воздействия. Электромагнитные катушки при подаче на них электрического тока выделяют значительное количество тепловой энергии, которую нужно куда-то рассеивать, сбрасывать в теплоотвод, что, в свою очередь, непростое дело в условиях вакуума. Толщина проводов для обеспечения электромагнитной катушки необходимым напряжением тока будет существенно больше, нежели в аналогичных решениях с меньшим энергопотреблением.
Рис. 2. Пьезокерамический биморф и дисковое колесо
Применение электродвигателей также сопровождается возникновением магнитного поля, и, как правило, большинство из них высокооборотистые, что влечет за собой необходимость подключения промежуточного редуктора, который значительно усложнит конструкцию [3].
Проблемный вопрос смазки в вакууме, поднимаемый во введении, также актуален и при использовании электродвигателей. Еще одним недостатком является наличие инертных сил, которые продолжают действовать какое-то время после отключения питания электродвигателя.
Относительно пьезоприводов: на фоне представленных выше недостатков аналогов можно выделить следующие преимущества:
- не создает электромагнитных полей;
- электрическое поле замыкается внутри пластины;
- быстрая остановка, без остаточной инерции;
- требует подвода тонкого кабеля.
Работоспособность представленной схемы преобразования электрической энергии в механическую на основе использования пьезокерамического биморфа подтверждена положительными результатами проведенных экспериментов.
Библиографические ссылки
1. Гулиа Н. В., Клоков В. Г., Юрков С. А. Детали машин. М. : Академия, 2004. 416 с.
2. Шарапов В. М., Полищук Е. С. Датчики : справ. пособие. М. : Техносфера, 2012. 624 с.
3. Белов М. П., Новиков В. А., Рассудов Л. Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. 3-е изд., испр. М. : Академия, 2007. 575 с.
References
1. Gulia N., Klokov V., Yurkov S. Detali mashin [Machine parts] M. : Izdatel'skiy tsentr «Akademiya», 2004. 416 p.
2. Sharapov V. M., Polishchuk Ye. S. Datchiki: Spravochnoye posobiye [Sensors: A Reference Guide]. Moskva: Tekhnosfera, 2012. 624 p.
3. Belov M. P., Novikov V. A., Rassudov L. N. Avtomatizirovannyy elektroprivod tipovykh proizvodstvennykh mekhanizmov i tekhnologicheskikh kompleksov [Automatic Electric model of industrial machinery and technological complexes]. 3-ye izd., ispr. M. : Izdatel'skiy tsentr «Akademiya», 2007. 575 p.
© Кондратьев К. В., Двирный В. В., Сергеевич В. Н., 2015
