Пьезоэлектрический двигатель
Пьезоэлектрический двигатель или пьезодвигатель — это тип электродвигателя, основанный на изменении формы пьезоэлектрического материала при приложении электрического поля вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта. Электрическая цепь создает акустические или ультразвуковые колебания в пьезоэлектрическом материале, чаще всего цирконате-титанате свинца , иногда в ниобате лития или других монокристаллических материалах, которые могут производить линейное или вращательное движение. в зависимости от своего механизма [2] Примеры типов пьезоэлектрических двигателей включают червячные двигатели , шаговые и скользящие двигатели, а также ультразвуковые двигатели , которые можно разделить на двигатели со стоячей волной и двигатели с бегущей волной. В пьезоэлектрических двигателях обычно используется циклическое шаговое движение, которое позволяет колебаниям кристаллов производить сколь угодно большое движение, в отличие от большинства других пьезоэлектрических приводов , где диапазон движения ограничен статической деформацией , которая может возникнуть в пьезоэлектрическом элементе.
Рост и формирование пьезоэлектрических кристаллов — хорошо развитая отрасль , обеспечивающая очень равномерное и постоянное искажение при заданной приложенной разности потенциалов . Это, в сочетании с минутным масштабом искажений, дает пьезоэлектрическому двигателю возможность совершать очень мелкие шаги. Производители заявляют о точности до нанометра . Высокая скорость отклика и быстрое искажение кристаллов также позволяют переходам происходить на очень высоких частотах — выше 5 МГц . Это обеспечивает максимальную линейную скорость примерно 800 мм в секунду, или почти 2,9 км/ч.
Уникальной способностью пьезоэлектрических двигателей является их способность работать в сильных магнитных полях. Это расширяет их полезность для приложений, которые не могут использовать традиционные электромагнитные двигатели, например, внутри ядерного магнитного резонанса антенн . Максимальная рабочая температура ограничена температурой Кюри используемой пьезоэлектрической керамики и может превышать +250 °C.
Основными преимуществами пьезоэлектрических двигателей являются высокая точность позиционирования, стабильность положения при отсутствии питания и возможность изготовления очень малых размеров или необычной формы, например, в виде тонких колец. Обычно пьезоэлектрические двигатели применяются в системах фокусировки в объективах камер, а также в точном управлении движением в специализированных приложениях, таких как микроскопия.
Типы резонансных двигателей
[ редактировать ]Ультразвуковой двигатель
[ редактировать ]Ультразвуковые двигатели во многом отличаются от других пьезоэлектрических двигателей, хотя оба обычно используют ту или иную форму пьезоэлектрического материала. Наиболее очевидным отличием является использование резонанса для усиления вибрации статора, контактирующего с ротором в ультразвуковых двигателях.
Обычно доступны два различных способа управления трением вдоль контактной поверхности статора и ротора: вибрация бегущей волны и вибрация стоячей волны . [3] Некоторые из самых ранних версий практических двигателей 1970-х годов, например, Сасида, использовали вибрацию стоячей волны в сочетании с ребрами, расположенными под углом к контактной поверхности, чтобы сформировать двигатель, хотя и вращающийся в одном направлении. Более поздние разработки Сасиды и исследователей из Matsushita , ALPS, Xeryon и Canon использовали вибрацию бегущей волны для получения двунаправленного движения и обнаружили, что такая конструкция обеспечивает лучшую эффективность и меньший износ контактного интерфейса. В ультразвуковом двигателе с гибридным преобразователем с исключительно высоким крутящим моментом используются пьезоэлектрические элементы с кольцевой и аксиальной поляризацией для объединения осевых и крутильных вибраций вдоль контактной поверхности, что представляет собой технику вождения, которая находится где-то между методами вождения стоячей и бегущей волной.
Нерезонансные типы двигателей
[ редактировать ]Червячный двигатель
[ редактировать ]
В червячном двигателе используется пьезоэлектрическая керамика, которая толкает статор, используя движение шагающего типа. В этих пьезоэлектрических двигателях используются три группы кристаллов — две «запирающие» и одна «движущая сила», которая постоянно соединяется либо с корпусом двигателя, либо со статором (не с обоими одновременно). Группа мотивов, зажатая между двумя другими, обеспечивает движение.
Поведение этого пьезоэлектрического двигателя без питания является одним из двух вариантов: «нормально заблокирован» или «нормально свободен». Обычно свободный тип обеспечивает свободное перемещение при отсутствии питания, но все же может быть заблокирован путем подачи напряжения.
Червячные двигатели могут достигать позиционирования в нанометровом масштабе, изменяя напряжение, приложенное к движущему кристаллу, когда задействован один набор фиксирующих кристаллов.
Пошаговые действия
[ редактировать ]
Процесс срабатывания червячного двигателя представляет собой многоступенчатый циклический процесс: [2]
- Сначала активируется одна группа «запирающих» кристаллов, чтобы заблокировать одну сторону и разблокировать другую сторону «сэндвича» из пьезокристаллов.
- Затем срабатывает и удерживается группа кристаллов «мотив». Расширение этой группы перемещает разблокированную «запирающую» группу по траектории движения двигателя. Это единственный этап, на котором двигатель движется.
- Затем срабатывает группа «запирания», сработавшая на первой ступени (в двигателях с «нормальной блокировкой» она срабатывает на другой).
- Затем «движущая» группа освобождается, втягивая группу «скользящей блокировки».
- Наконец, обе «блокирующие» группы возвращаются в состояние по умолчанию.
Шаговый или ходовой двигатель
[ редактировать ]
Не путать с одноименным электромагнитным шаговым двигателем . Эти двигатели похожи на червячный двигатель, однако пьезоэлектрические элементы могут представлять собой биморфные приводы , которые изгибаются для подачи питания на ползунок, а не используют отдельный расширяющийся и сжимающийся элемент. [4]
Скользящий двигатель
[ редактировать ]
Механизм скользящих двигателей основан на инерции в сочетании с разницей между статическим и динамическим трением. Шаговое действие состоит из фазы медленного растяжения, когда статическое трение не преодолевается, за которым следует фаза быстрого сжатия, когда преодолевается статическое трение и изменяется точка контакта между двигателем и движущейся частью.
Двигатели с прямым приводом
[ редактировать ]Пьезоэлектрический двигатель с прямым приводом создает движение посредством непрерывной ультразвуковой вибрации. Его схема управления подает на пьезоэлектрические элементы двухканальную синусоидальную или прямоугольную волну, которая соответствует резонансной частоте изгиба трубки с резьбой — обычно это ультразвуковая частота от 40 до 200 кГц. Это создает орбитальное движение, которое приводит в движение винт.
Второй тип привода, волнистый двигатель, использует пьезоэлектрические элементы, прикрепленные ортогонально к гайке. Их ультразвуковые колебания вращают центральный ходовой винт.
Одиночное действие
[ редактировать ]
На основе пьезоэлектрических кристаллов можно изготовить очень простые шаговые двигатели простого действия. Например, с твердым и жестким ротором-шпинделем, покрытым тонким слоем более мягкого материала (например, полиуретановой ряд наклонных пьезоэлектрических преобразователей резины), можно разместить . (см. рис. 2). Когда схема управления запускает одну группу датчиков, они толкают ротор на один шаг. Эта конструкция не может обеспечивать такие маленькие и точные шаги, как более сложные конструкции, но может достигать более высоких скоростей и дешевле в производстве.
Патенты
[ редактировать ]Первым патентом США, раскрывающим двигатель с вибрационным приводом, может быть «Способ и устройство для доставки вибрационной энергии» (патент США № 3184842, Маропис, 1965 г.). В патенте Maropis описано «вибрационное устройство, в котором продольные вибрации в резонансном соединительном элементе преобразуются в крутильные колебания в резонансном концевом элементе тороидального типа». Первые практические пьезомоторы были спроектированы и изготовлены В. Лавриненко в лаборатории пьезоэлектроники, начиная с 1964 года, Киевского политехнического института , СССР. Другие важные патенты на раннем этапе разработки этой технологии включают:
- "Electrical motor", V. Lavrinenko, M. Nekrasov, Patent USSR # 217509, priority May 10, 1965.
- «Пьезоэлектрические двигательные конструкции» (патент США №4019073, Вишневский и др., 1977 г.)
- «Кручильно-вибрационный двигатель с пьезоэлектрическим приводом» (патент США №4210837, Васильев и др., 1980 г.)
См. также
[ редактировать ]- Ультразвуковой двигатель
- Ультразвуковой моторный привод, используемый в креплении Canon EF.
- Ультразвуковой гомогенизатор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ротатор attocube ANR101
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Рупитч, Стефан Иоганн (2019), «Пьезоэлектричество» , «Пьезоэлектрические датчики и приводы» , «Темы горного дела, металлургии и материаловедения», Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 43–81, doi : 10.1007/978-3-662- 57534-5_3 , ISBN 978-3-662-57532-1 , получено 5 мая 2021 г.
- ^ Чжао, Чуньшэн (2011). Ультразвуковые двигатели . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. дои : 10.1007/978-3-642-15305-1 . ISBN 978-3-642-15304-4 .
- ^ Спаннер, Карл; Коч, Бурханеттин (26 февраля 2016 г.). «Пьезоэлектрические двигатели, обзор» . Актуаторы . 5 (1): 6. дои : 10.3390/act5010006 . ISSN 2076-0825 .