0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое пьезоэлектрический двигатель

Пьезоэлектрический преобразователь и пьезоэлектрический эффект

Цель работы

Экспериментальное определение амплитудно-частотных характеристик дискового пьезокерамического резонатора, а также расчет параметров его электрической схемы замещения и некоторых констант пьезоматериала.

Общие сведения

Пьезоэлектрический преобразователь и пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой твердотельный конденсатор с диэлектриком из специальной керамики с ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэффект бывает прямым и обратным.

Прямой пьезоэффект проявляет себя в появлении на обкладках конденсатора под действием механического усилия зарядов противоположного знака, создающих между ними разность потенциалов. Если наведенные заряды никуда не стекают, то напряжение на обкладках конденсатора из пьезоматериала пропорционально механическому усилию.

При обратном пьезоэффекте приложение напряжения к обкладкам твердотельного конденсатора приводит к изменению толщины диэлектрика, т.е. к механическому перемещению одной обкладки по отношению к другой.

Оба эти эффекта широко используются в пьезоэлектрических преобразователях самого разного назначения.

2.2. Применение пьезоэлектрических преобразователей.На основе прямого пьезоэффекта разработан широкий класс генераторных преобразователей, предназначенных для измерения частоты и амплитуды вибрации механических конструкций и оборудования, пульсации давления, ускорения и т.д.

Кроме того, на основе прямого пьезоэффекта функционируют пьезоэлектрические микрофоны, источники питания на пьезотрансформаторах, электрозажигалки газа и многие другие устройства.

Обратный пьезоэффект используется для генерирования звуковых и ультразвуковых колебаний при неразрушающем контроле материалов, в эхо- и гидролокации, в приборах контроля расхода жидкости, в устройствах микроперемещений, в пьезодвигателях и т.п.

2.3. Моды колебаний и их обозначение. Если на обкладки пьезоэлектрического преобразователя подать переменное напряжение, то на некоторых частотах возникнет механический резонанс самого преобразователя.

На этих частотах преобразователь будет себя вести подобно механическому резонатору. Число резонансных частот определяется формой преобразователя, а каждая такая частота представляет собой моду колебания.

Мода колебаний резонатора обозначается «словом», состоящим из русских букв и одного нижнего латинского индекса.

Первые буквы характеризуют геометрическую форму резонатора. Так, для преобразователей, представляющих собой тело вращения: D – диск, Сф – сфера, Т – трубка, К – кольцо, КТ – кольцо толстое и т.д.

Для преобразователей в форме прямоугольного параллелепипеда: П – полоса, Пл – пластина, ПлТ – пластина толстая, С – стержень.

Вторые буквы определяют положение моды на диапазоне частот резонатора: Н – низкочастотные моды, С — среднечастотные и В – высокочастотные моды.

Индексопределяет направление смещения частиц резонатора по отношению к направлению возбуждающего электрического поля внутри резонатора.

t– (Transverse) — колебательное смещение происходит перпендикулярно направлению

электрического поля. Такие моды называют иногда пьезомягкими;

p– (Parallel) – колебательное смещение происходит параллельно направлению электрического поля. Это пьезожесткие моды.

На рис.2 приведены моды для преобразователя в форме диска. Так как диск определяется только двумя размерами, то у него две моды колебаний.

2.4. Оценка резонансных частот колебаний диска. Точный расчет резонансных частот представляет собой довольно сложную задачу. Однако для оценки значений этих частот оказывается достаточно простых физических соображений. Такая оценка необходима при экспериментальном исследовании для определения области частот, где следует ожидать той или иной моды колебаний.

Низкочастотная мода DHt. Представим себе, что по некоторому круговому контуру радиуса RК пробегает звуковая волна, вызывающая смещение частиц диска из исходного положения, как это показано на рис.3.

Чтобы учесть весь материал резонатора, логично принять радиус контура равным половине радиуса диска.

Для самосогласованности волны необходимо, чтобы она точно уложилась на длине контура L. Если скорость волны равна скорости звука в материале резонатора VЗВ, то время, за которое волна обежит контур, будет равно периоду колебаний Т. Величина, обратная этому периоду, и будет искомой резонансной частотой колебаний FРЕЗ.

Следует обратить внимание на то, что поскольку пространство изотропно, т.е. нет выделенных направлений, то должно быть две подобные волны, бегущие по контуру в противоположных направлениях.

Итогом их взаимодействий и должно быть периодическое выдавливание частиц диска на периферию, т.е. возникновение радиальных колебаний.

Итак, длина контура равна

L = 2π RК = 2π (R/2) = πR,

а период колебаний

Следовательно, частота низкочастотной моды DHt определяется выражением

Из теоретических представлений следует, что частота FН зависит не только от скорости звука в материале, но и от коэффициента Пуассона. Поэтому соотношение (1) дает только оценку резонансной частоты низкочастотной моды.

Высокочастотная мода DBp. Пусть звуковая волна покидает верхнюю обкладку резонатора, достигает нижней обкладки и возвращается обратно.

Чтобы процесс был самосогласованным, необходимо, чтобы волна вернулась точно к началу следующего колебания. Далее рассуждения повторяют рассуждения предыдущего случая.

Если толщина пьезоэлектрического дискового резонатора h, то общий путь, проходимый волной, равен

Время, необходимое для возврата волны, будет периодом толщинных резонансных колебаний

Величина, обратная этому периоду, и будет резонансной частотой FВ высокочастотной моды DBp

Fв = 1/Т = (1/ 2h) VЗВ. (2)

Для диска это выражение является точным.

Так как на толщине диска укладывается половина волны λ, как это показано на рис. 3, то такой резонатор называется полуволновым.

2.5. Эквивалентная электрическая схема пьезорезонатора.

Итак, пьезоэлектрический преобразователь представляет собой высокодобротный механический резонатор, образуемый объемом пьезоматериала.

Аналогом ему является электрический колебательный контур. При соответствующем подборе параметров этого контура его взаимодействие с внешним источником возбуждающего напряжения будет полностью отражать поведение механического резонатора.

Параметры эквивалентной электрической схемы пьезорезонатора находятся экспериментально, а их знание позволяет рассчитать основные электромеханические характеристики материала пьезорезонатора. Этот подход широко используется, в частности, при поиске эффективности пьезокерамик сложного состава.

На рис.4 приведена эквивалентная электрическая схема замещения пьезорезонатора для одной моды колебаний. Схема представляет собой колебательный контур, состоящий из двух параллельных ветвей.

Одна ветвь, назовем её электрической ветвью, состоит из резистора R и конденсатора С.

Резистор R отражает диэлектрические потери энергии в материале резонатора в окрестности резонанса.

Обычно эти потери малы, следовательно, сопротивление R велико и им можно пренебречь, поскольку ток через R при возбуждении преобразователя мал по сравнению с током смещения, текущего через С.

СO представляет собой емкость зажатого или «заторможенного» преобразователя, когда преобразователь ставится в такие условия, что грани пьезорезонатора не могут совершать свободные колебания при резонансе.

Другая ветвь называется механической ветвью, поскольку отражает характеристики преобразователя как свободного объемного механического резонатора на частоте резонанса.

Поэтому соответствующие электрические элементы ветви L, C и R носят название динамических.

Сопротивление резистора R определяет потерю энергии в самом преобразователе плюс акустическую энергию излучения в окружающую среду. При работе пьезорезонатора в воздухе энергией излучения по сравнению с потерями в пьезоматериале преобразователя можно пренебречь.

Читать еще:  Электротехника схемы включения двигателя

Параметры элементов механической ветви пьезорезонатора определяются из экспе-римента для соответствующей моды колебаний, и их значения справедливы в ограниченном частотном диапазоне вблизи резонансных частот.

2.6. Динамические параметры схемы замещения и резонансные частоты пьезорезонатора.

Для расчета резонансных частот электрической схемы замещения пьезорезонатора необходимо построить ее расчетную схему.

Такая схема приведена на рис.5. Из электрической ветви схемы исключен резистор RO, поскольку обычно его сопротивление велико.

Следовательно, электрическую ветвь схемы замещения представляет только конденсатор, величина которого определяется размером пьезорезонатора и диэлектрической проницаемостью пьезоматериала в окрестности резонансных частот.

а) Определим резонансную частоту механической ветви.

Через все элементы механической ветви течет один и тот же ток İM.

Его протекание создает падение напряжения ŮL на индуктивности, ŮC на емкости и ŮR на сопротивлении, причем векторы напряжений ŮL и ŮC направлены в противоположные стороны.

При резонансе |ŮL| = |ŮC|и всё напряжение возбуждения ŮВ оказывается приложенным к R. Резонатор эффективно излучает. Это резонанс напряжений, а соответствующая резонансная частота обозначается как FS, где индекс S представляет первую букву слова seriesпоследовательный, поскольку реактивные элементы, ответственные за резонанс, включены последовательно друг за другом.

Равенство напряжений возможно только в случае, если реактивные сопротивления L и С на резонансной частоте равны друг другу

,

.

. (3)

Таким образом, на частоте последовательного резонанса или, иными словами, на частоте резонанса напряжений комплексное сопротивление механической ветви схемы замещения

и ток ветви определяется только потерями в материале пьезорезонатора и мощностью излучения.

б) Определим резонансную частоту с учетом и механической, и электрической ветвей схемы замещения пьезорезонатора.

Для этого запишем полное комплексное сопротивление схемы замещения

z = zэл || zмех = .

После ряда преобразований получим

.

Если сопротивление механических потерь мало, т.е. R

На некоторой частоте знаменатель выражения станет равным нулю, а сопротивление Zустремится к бесконечности, и ток через пьезорезонатор не будет течь.

Конечно, ток течет и через электрическую ветвь, и через механическую ветвь, но эти токи равны и направлены в противоположные стороны.

Поэтому та частота, на которой имеет место равенство модулей токов в параллельных ветвях, носит название частоты параллельного резонанса FР или — антирезонанса.

Индекс р представляет первую букву слова parallel – параллельный. У этого резонанса есть и другое название – резонанс токов.

Итак, на частоте резонанса токов знаменатель выражения для полного комплексного сопротивления пьезорезонатора равен нулю

.

Отсюда вытекает зависимость, связывающая между собой частоты антирезонанса Fр и резонанса FS

.(4)

Из этого выражения следует, что частота антирезонанса всегда выше частоты резонанса. Обычно С

Пьезоэлектрический двигатель

Пьезоэлектрический двигатель или пьезоэлектрический двигатель представляет собой тип электродвигателя на основе изменения в форме пьезоэлектрического материала , когда электрическое поле прикладывается. Пьезоэлектрические двигатели используют обратный пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрических датчиков, в котором деформация или вибрация пьезоэлектрического материала создает электрический заряд. Электрическая цепь создает акустические или ультразвуковые колебания в пьезоэлектрическом материале, которые вызывают линейное или вращательное движение. В одном механизме удлинение в одной плоскости вызывает серию растяжек и удержаний положения, аналогично тому, как движется гусеница . [2]

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Текущие дизайны
    • 1.1 Механизмы блокировки
    • 1.2 Пошаговые действия
    • 1.3 Действия прямого привода
    • 1.4 Скорость и точность
  • 2 Другие конструкции
    • 2.1 Одиночное действие
  • 3 патента
  • 4 См. Также
  • 5 ссылки

Текущие дизайны [ править ]

В одной из приводных технологий для толкания статора используется пьезокерамика . В этих пьезоэлектрических двигателях используются три группы кристаллов — две фиксирующие и одна движущая сила, которая постоянно соединяется либо с корпусом двигателя, либо со статором (но не с обоими). Группа мотивов, зажатая между двумя другими, обеспечивает движение. Эти пьезоэлектрические двигатели в основном являются шаговыми двигателями , каждый шаг которых включает два или три действия в зависимости от типа блокировки. Эти двигатели также известны как двигатели с червяком . Другой механизм использует поверхностные акустические волны (ПАВ) для создания линейного или вращательного движения.

Второй тип привода, двигатель с волнистой линией, использует пьезоэлектрические элементы, перпендикулярно соединенные с гайкой. Их ультразвуковые колебания вращают центральный ходовой винт. Это механизм с прямым приводом .

Механизмы блокировки

Пьезоэлектрический двигатель первого типа может работать без питания одним из двух вариантов: нормально заблокированный или нормально свободный . Когда к нормально заблокированному двигателю не подается питание, шпиндель или каретка (для поворотного или линейного типов, соответственно) не перемещаются под действием внешней силы . Шпиндель или каретка нормально свободного двигателя действительно свободно движется под действием внешней силы. Однако, если обе группы запирания запитаны в состоянии покоя, обычно свободный двигатель сопротивляется внешней силе, не создавая движущей силы.

Комбинация механических защелок и кристаллов может сделать то же самое, но ограничит максимальную скорость шага двигателя. Неэнергетическое поведение второго типа двигателя заблокировано, так как приводной винт заблокирован резьбой на гайке. Таким образом, он удерживает свою позицию при выключенном питании.

Пошаговые действия

Независимо от типа блокировки, пьезоэлектрические двигатели шагового типа — линейные и поворотные — используют один и тот же механизм для создания движения:

  1. Во-первых, одна группа блокирующих кристаллов активируется, чтобы заблокировать одну сторону и разблокировать другую сторону «сэндвича» из пьезокристаллов.
  2. Затем срабатывает и удерживается группа кристаллов мотива . Расширение этой группы перемещает разблокированную запирающую группу по пути двигателя. Это единственный этап, на котором движется мотор.
  3. Затем группа запирания срабатывает на первой ступени срабатывания (в двигателях с нормальной блокировкой — на другой — срабатывает).
  4. Затем группа мотивов отпускает, убирая «замыкающую» группу запирания .
  5. Наконец, обе группы блокировки возвращаются к своим состояниям по умолчанию.

Действия с прямым приводом

Пьезоэлектрический двигатель с прямым приводом создает движение за счет непрерывной ультразвуковой вибрации. Его схема управления подает двухканальную синусоидальную или прямоугольную волну на пьезоэлектрические элементы, которая соответствует резонансной частоте изгиба трубки с резьбой — обычно ультразвуковой частоте от 40 кГц до 200 кГц. Это создает орбитальное движение, которое приводит в движение винт.

Скорость и точность

Рост и формирование пьезоэлектрических кристаллов — это хорошо развитая отрасль , обеспечивающая очень однородные и последовательные искажения для данной приложенной разности потенциалов . Это, в сочетании с мелкой шкалой искажений, дает пьезоэлектрическому двигателю возможность делать очень мелкие шаги. Производители заявляют о точности до нанометровой шкалы. Высокая скорость отклика и быстрое искажение кристаллов также позволяют ступеням происходить на очень высоких частотах — выше 5 МГц . Это обеспечивает максимальную линейную скорость примерно 800 мм в секунду или почти 2,9 км / ч.

Читать еще:  Двигатель 24д порядок работы цилиндров

Уникальная способность пьезоэлектрических двигателей заключается в их способности работать в сильных магнитных полях. Это расширяет их полезность для приложений, которые не могут использовать традиционные электромагнитные двигатели, например, внутри антенн ядерного магнитного резонанса . Максимальная рабочая температура ограничена температурой Кюри используемой пьезокерамики и может превышать + 250С.

Другой дизайн [ править ]

Одно действие

Очень простые шаговые двигатели простого действия могут быть изготовлены из пьезоэлектрических кристаллов. Например, с жестким и жестким роторным шпинделем, покрытым тонким слоем более мягкого материала (например, полиуретановой резины), можно установить ряд угловых пьезоэлектрических преобразователей . (см. рис. 2). Когда схема управления запускает одну группу датчиков, они толкают ротор на один шаг. Эта конструкция не может делать шаги такими же маленькими или точными, как более сложные конструкции, но может достигать более высоких скоростей и дешевле в производстве.

Патенты [ править ]

Первым патентом США, раскрывающим двигатель с вибрационным приводом, может быть «Способ и устройство для передачи вибрационной энергии» (патент США № 3184842, Maropis, 1965). В патенте Maropis описывается «вибрационное устройство, в котором продольные колебания в резонансном соединительном элементе преобразуются в крутильные колебания в резонансном оконечном элементе тороидального типа». Первые практические пьезомоторы были спроектированы и изготовлены В. Лавриненко в лаборатории пьезоэлектроники с 1964 г. в Киевском политехническом институте, СССР. Другие важные патенты на раннем этапе развития этой технологии включают:

  • «Электродвигатель», В. Лавриненко, М. Некрасов, Патент СССР № 217509, приоритет 10 мая 1965 г.
  • «Пьезоэлектрические моторные конструкции» (Патент США № 4019073, Вишневский и др., 1977).
  • «Пьезоэлектрический крутильный вибрационный двигатель» (патент США №4,210,837, Васильев и др., 1980).

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.

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.

14.2. Конструкция и принцип действия пьезоэлектрических
микродвигателей

В настоящее время известно более 50 различных конструкций ПМД. Рассмотрим некоторые из них.

К неподвижному пьезоэлементу (ПЭ)– статору – прикладывается переменное трехфазное напряжение (рис. 7.1). Под действием электрического поля конец ПЭ последовательно изгибаясь в трех плоскостях, описывает круговую траекторию. Штырь, расположенный на подвижном конце ПЭ, фрикционно взаимодействует с ротором и приводит его во вращение.

Большое практическое значение получили шаговые ПМД (рис. 7.2.).

Электромеханический преобразователь, например, в виде камертона 1 передает колебательные движения стержню 2, который перемещает ротор 3 на один зубец. При движении стержня назад собачка 4 фиксирует ротор в заданном положении.

Мощность описанных выше конструкций не превышает сотые доли ватта, поэтому использование их в качестве силовых приводов весьма проблематично. Наиболее перспективными оказались конструкции, в основе которых лежит принцип весла (рис. 7.3).

Вспомним, как движется лодка. За время, пока весло находится в воде, его движение преобразуется в линейное перемещение лодки. В паузах между гребками лодка движется по инерции.

Основными элементами конструкции рассматриваемого двигателя являются статор и ротор (рис. 7.4). На основании 1 установлен подшипник 2. Ротор 3, выполненный из твердого материала (сталь, чугун, керамика и пр.) представляет собой гладкий цилиндр.

Неотъемлемой частью ПМД является акустически изолированная от основания и оси ротора электромеханическая колебательная система – осциллятор (вибратор). В простейшем случае он состоит из пьезопластины 4 вместе с износостойкой прокладкой 5.

Второй конец пластины закреплен в основании с помощью эластичной прокладки 6 из фторопласта, резины или другого подобного материала. Осциллятор прижимается к ротору стальной пружиной 7, конец которой через эластичную прокладку 8 давит на вибратор. Для регулирования степени прижатия служит винт 9.

Чтобы объяснить механизм образования вращающего момента, вспомним маятник. Если маятнику сообщить колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в зависимости от амплитуд, частоты и фаз возмущающих сил его конец будет описывать траекторию от круга до сильно вытянутого эллипса. Так и в нашем случае. Если подвести к пьезопластине переменное напряжение определенной частоты, ее линейный размер будет периодически изменяться: то увеличиваться, то уменьшаться, т.е. пластина будет совершать продольные колебания (рис. 7.5,а).

При увеличении длины пластины ее конец вместе с ротором переместится и в поперечном направлении (рис. 7.5,б). Это эквивалентно действию поперечной изгибающей силы, которая вызывает поперечные колебания. Сдвиг фаз продольных и поперечных колебаний зависит от размеров пластины, рода материала, частоты питающего напряжения и в общем случае может изменяться от до . При сдвиге фаз, отличном от и , контактная точка движется по эллипсу. В момент соприкосновения с ротором пластина передает ему импульс движения (рис. 7.5,в).

Линейная скорость вращения ротора зависит от амплитуды и частоты смещения конца осциллятора. Следовательно, чем больше напряжение питания и длина пьезоэлемента, тем больше должна быть линейная скорость вращения ротора. Однако не следует забывать, что с увеличением длины вибратора, уменьшается частота его колебаний.

Читать еще:  Что такое рсм в двигателе

Максимальная амплитуда смещения осциллятора ограничивается пределом прочности материала или перегревом пьезоэлемента. Перегрев материала свыше критической температуры – температуры Кюри, приводит к потере пьезоэлектрических свойств. Для многих материалов температура Кюри превышает , поэтому максимальная амплитуда смещения практически ограничивается пределом прочности материала. С учетом двукратного запаса по прочности принимают .

Угловая скорость ротора

,

где – диаметр ротора.

Отсюда частота вращения в оборотах в минуту

Если диаметр ротора см, то об/мин. Таким образом, изменяя только диаметр ротора, можно в широких пределах изменять частоту вращения машины.

Уменьшение напряжения питания позволяет снизить частоту вращения до 30 об/мин при сохранении достаточно высокой мощности на единицу массы двигателя. Армируя вибратор высокопрочными сапфировыми пластинами, удается поднять частоту вращения до 10000 об/мин. Это позволяет в широкой области практических задач выполнять привод без использования механических редукторов.

Пьезоэлектрический двигатель — Piezoelectric motor

А пьезоэлектрический двигатель или пьезо мотор это тип электрический двигатель на основе изменения формы пьезоэлектрический материал когда электрическое поле применены. Пьезоэлектрические двигатели используют обратный пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрических датчиков, в которых деформация или вибрация пьезоэлектрического материала создает электрический заряд. Электрическая цепь издает акустические или ультразвуковой колебания в пьезоэлектрическом материале, которые вызывают линейный или вращающийся движение. В одном механизме удлинение в одной плоскости вызывает серию растяжений и удержаний положения, аналогично тому, как гусеница движется. [2]

Содержание

  • 1 Текущий дизайн
    • 1.1 Механизмы блокировки
    • 1.2 Шагающие действия
    • 1.3 Действия с прямым приводом
    • 1.4 Скорость и точность
  • 2 Другой дизайн
    • 2.1 Одно действие
  • 3 Патенты
  • 4 Смотрите также
  • 5 использованная литература

Текущий дизайн

В технике одного привода используется пьезокерамика для толкания статор. Эти пьезоэлектрические двигатели используют три группы кристаллов — две запирание, и один мотив который постоянно подключается либо к корпусу двигателя, либо к статору (но не к обоим сразу). Группа мотивов, зажатая между двумя другими, обеспечивает движение. Эти пьезоэлектрические двигатели принципиально шаговые двигатели, причем каждый шаг состоит из двух или трех действий в зависимости от типа блокировки. Эти двигатели также известны как дюймовые червячные двигатели. Другой механизм использует поверхностные акустические волны (SAW) для создания линейного или вращательного движения.

Второй тип привода, двигатель с волнистой линией, использует пьезоэлектрические элементы, перпендикулярно соединенные с гайкой. Их ультразвуковые колебания вращают центральный ходовой винт. Это механизм прямого привода.

Механизмы блокировки

Пьезоэлектрический двигатель первого типа может работать без питания одним из двух вариантов: нормально заблокирован или обычно бесплатно. Когда на нормально заблокированный двигатель не подается питание, шпиндель или перевозки (для поворотного или линейного типов соответственно) не перемещается под внешним сила. Шпиндель или каретка нормально свободного двигателя действительно свободно движется под действием внешней силы. Однако, если обе группы запирания запитаны в состоянии покоя, обычно свободный двигатель сопротивляется внешней силе, не создавая движущей силы.

Комбинация механических защелок и кристаллов может сделать то же самое, но ограничит максимальный шаг показатель мотора. Неэнергетическое поведение второго типа двигателя заблокировано, так как ведущий винт заблокирован резьбой на гайке. Таким образом, он сохраняет свою позицию при выключенном питании.

Шагающие действия

Независимо от типа блокировки, пьезоэлектрические двигатели шагового типа — линейные и поворотные — используют один и тот же механизм для создания движения:

  1. Во-первых, одна группа запирание кристаллы активируются, чтобы заблокировать одну сторону и разблокировать другую сторону «сэндвича» из пьезокристаллов.
  2. Далее мотив кристаллическая группа запускается и удерживается. Расширение этой группы перемещает разблокированные запирание группа по автомобильной дорожке. Это единственный этап, на котором движется мотор.
  3. Тогда запирание группа сработала в выпусках первой стадии (в нормально блокирующий моторы, в другом срабатывает).
  4. Тогда мотив группа выпускает, убирая «шлейф» запирание группа.
  5. Наконец, оба запирание группы возвращаются к своим состояниям по умолчанию.

Действия с прямым приводом

Пьезоэлектрический двигатель с прямым приводом создает движение за счет непрерывной ультразвуковой вибрации. Его схема управления подает двухканальную синусоидальную или прямоугольную волну на пьезоэлектрические элементы, которая соответствует изгибная резонансная частота трубки с резьбой — обычно ультразвуковая частота от 40 кГц до 200 кГц. Это создает орбитальное движение, которое приводит в движение винт.

Скорость и точность

Выращивание и формирование пьезоэлектрических кристаллов — хорошо развитый промышленность, давая очень равномерное и последовательное искажение для заданного применяемого разность потенциалов. В сочетании с мелкой шкалой искажений это дает пьезоэлектрическому двигателю возможность делать очень мелкие шаги. Производители заявляют о точности нанометр масштаб. Высокая скорость отклика и быстрое искажение кристаллов также позволяют ступеням происходить на очень высоких частотах — выше 5 МГц. Это обеспечивает максимальную линейную скорость примерно 800 мм в секунду или почти 2,9 км / ч.

Уникальная способность пьезоэлектрических двигателей заключается в их способности работать в сильных магнитных полях. Это расширяет их полезность для приложений, в которых нельзя использовать традиционные электромагнитные двигатели, например, внутри ядерный магнитный резонанс антенны. Максимальная рабочая температура ограничена Температура Кюри используемой пьезокерамики и может превышать + 250С.

Другой дизайн

Одно действие

Очень простые шаговые двигатели простого действия могут быть изготовлены из пьезоэлектрических кристаллов, например, с жестким и жестким роторным шпинделем, покрытым тонким слоем более мягкого материала (например, полиуретан резина), серия угловых пьезоэлектрических преобразователи можно организовать. (см. рис. 2). Когда схема управления запускает одну группу датчиков, они толкают ротор на один шаг. Эта конструкция не может делать шаги такими же маленькими или точными, как более сложные конструкции, но может достигать более высоких скоростей и дешевле в производстве.

Патенты

Первый патент США, раскрывающий двигатель с вибрационным приводом, может быть «Способ и устройство для передачи вибрационной энергии» (Патент США № 3184842, Maropis, 1965). Патент Maropis описывает «вибрационное устройство, в котором продольные колебания в резонансном соединительном элементе преобразуются в крутильные колебания в резонансном оконечном элементе тороидального типа». Первые практические пьезомоторы были спроектированы и изготовлены В. Лавриненко в лаборатории пьезоэлектроники с 1964 г. Киевского политехнического института, СССР. Другие важные патенты на раннем этапе развития этой технологии включают:

  • «Электродвигатель», В. Лавриненко, М. Некрасов, Патент СССР № 217509, приоритет 10 мая 1965 г.
  • «Пьезоэлектрические моторные конструкции» (Патент США № 4019073, Вишневский и др., 1977).
  • «Пьезоэлектрический крутильный вибродвигатель» (Патент США № 4210837, Васильев и др., 1980).
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector