13.1. Двигатели с волновым ротором
Волновые двигатели (ВД) представляют собой конструктивное объединение электрической машины и волновой передачи. Особенностью таких двигателей является гибкий, деформирующийся в радиальном направлении ротор. Одна из возможных конструкций ВД приведена на рис. 6.10.
|
Рис. 6.10. Двигатель с волновым ротором 1 – корпус; 2 – статор с обмоткой, создающей вращающееся магнитное поле; 3 – жесткий зубчатый венец статора; 4–гибкий зубчатый венец ротора; 5 – ротор, выполненный в виде тонкостенного стакана; 6 – эластичный магнитопровод ротора. |
Рис. 6.11. К вопросу о принципе действия двигателя с волновым ротором |
При отсутствии питания ротор имеет правильную цилиндрическую форму. Его зубчатый венец не сцепляется с венцом статора.
При подаче питания на обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, в котором на магнитопровод ротора действуют силы магнитного притяжения
,
(6.20)
Ротор деформируется, и его зубчатый венец входит в зацепление с венцом статора. Количество точек зацепления равно количеству полюсов машины (рис. 6.11).
Рис.6.11. К вопросу о принципе действия двигателя с волновым ротором
Точки зацепления бегут синхронной скоростью, и гибкий венец катится по поверхности жесткого. При этом он вместе с ротором медленно поворачивается в сторону противоположную вращению поля. Скорость ротора равна
(6.21)
где
,
– число зубцов гибкого и жесткого
венцов.
Достоинства волновых двигателей похожи на достоинства двигателей с катящимся ротором:
1) большие вращающие моменты при относительно малой массе;
2) высокие значения момента самоторможения и практически отсутствие выбега;
3) способность к частым пускам и реверсам.
Недостатком ВД следует считать сложность конструкции и технологии изготовления эластичного ротора.
14. Пьезоэлектрические микродвигатели
Пьезоэлектрическими микродвигателями (ПМД) называются двигатели, в которых механическое перемещение ротора осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта [7].
Отсутствие обмоток и простота технологии изготовления не являются единственными преимуществами пьезоэлектрических двигателей. Высокая удельная мощность (123 Вт/кг у ПМД и 19 Вт/кг у обычных электромагнитных микродвигателей), большой КПД (получен рекордный до настоящего времени КПД = 85%), широкий диапазон частот вращения и моментов на валу, отличные механические характеристики, отсутствие излучаемых магнитных полей и ряд других преимуществ пьезоэлектрических двигателей позволяют рассматривать их как двигатели, которые в широких масштабах заменят применяемые в настоящее время электрические микромашины.
14.1. Пьезоэлектрический эффект
Известно, что некоторые твердые материалы, например, кварц способны в электрическом поле изменять свои линейные размеры. Железо, никель, их сплавы или окислы при изменении окружающего магнитного поля также могут изменять свои размеры. Первые из них относятся к пьезоэлектрическим материалам, а вторые – к пьезомагнитным. Соответственно различают пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты.
Пьезоэлектрический двигатель может быть выполнен как из тех, так и из других материалов. Однако наиболее эффективными в настоящее время являются пьезоэлектрические, а не пьезомагнитные двигатели.
Существует прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой – это появление электрического заряда при деформации пьезоэлемента. Обратный – линейное изменение размеров пьезоэлемента при изменении электрического поля. Впервые пьезоэффект обнаружили Жанна и Поль Кюри в 1880 году на кристаллах кварца. В дальнейшем эти свойства были открыты более чем у 1500 веществ, из которых широко используются сегнетова соль, титанат бария и др. Ясно, что пьезоэлектрические двигатели "работают" на обратном пьезоэффекте.