Пьезоэлектрический двигатель - Piezoelectric motor

Внутренности пьезоэлектрического мотора с подвижным стержнем. Видны два пьезоэлектрических кристалла, которые обеспечивают механический крутящий момент.

Пьезоэлектрический двигатель или пьезоэлектрический двигатель представляет собой тип электродвигателя на основе изменения в форме пьезоэлектрического материала , когда электрическое поле прикладывается, как следствие обратного пьезоэлектрического эффекта. Электрическая цепь создает акустические или ультразвуковые колебания в пьезоэлектрическом материале, чаще всего в цирконате, титанате свинца и иногда в ниобате лития или других монокристаллических материалах, которые могут производить линейное или вращательное движение в зависимости от их механизма. Примеры типов пьезоэлектрических двигателей включают дюймовые червячные двигатели , шаговые двигатели и двигатели со скользящей рукояткой, а также ультразвуковые двигатели, которые в дальнейшем можно подразделить на двигатели стоячей волны и двигатели бегущей волны. Пьезоэлектрические двигатели обычно используют 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 быть вызвана в пьезоэлектрическом элементе.

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.

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.

Основными преимуществами пьезоэлектрических двигателей являются высокая точность позиционирования, стабильность положения при отсутствии питания и возможность изготовления очень малых размеров или необычных форм, таких как тонкие кольца. Общие применения пьезоэлектрических двигателей включают системы фокусировки в объективах камер, а также точное управление движением в специализированных приложениях, таких как микроскопия.

Типы резонансных двигателей

Ультразвуковой мотор

Основная статья: Ультразвуковой мотор

Ультразвуковые двигатели отличаются от других пьезоэлектрических двигателей несколькими способами, хотя в обоих обычно используются пьезоэлектрические материалы той или иной формы. Наиболее очевидным отличием является использование резонанса для усиления вибрации статора при контакте с ротором в ультразвуковых двигателях.

Обычно доступны два различных способа управления трением на поверхности контакта статора и ротора, вибрацией бегущей волны и вибрацией стоячей волны . Некоторые из самых ранних версий практических двигателей 1970-х годов, разработанные Сашидой, например, использовали вибрацию стоячей волны в сочетании с ребрами, расположенными под углом к ​​контактной поверхности, чтобы сформировать двигатель, хотя и вращающийся в одном направлении. В более поздних разработках Сашиды и исследователей из Matsushita , ALPS и Canon для получения двунаправленного движения использовалась вибрация бегущей волны, и было обнаружено, что такая конструкция обеспечивает более высокую эффективность и меньший износ контактных поверхностей. В ультразвуковом двигателе с исключительно высоким крутящим моментом `` гибридный преобразователь '' используются пьезоэлектрические элементы с круговой и осевой полярностью вместе для объединения осевых и крутильных колебаний вдоль поверхности контакта, представляя технику управления, которая находится где-то между методами управления стоячей и бегущей волнами.

Нерезонансные типы двигателей

Inchworm мотор

Основная статья : Inchworm Motor

Рисунок 1:. Шаговые этапы Обычно Свободный двигатель

В червячном двигателе используется пьезоэлектрическая керамика, чтобы толкать статор шагающим движением. В этих пьезоэлектрических двигателях используются три группы кристаллов - две блокирующие 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.

Этот пьезоэлектрический двигатель может работать без питания одним из двух вариантов: нормально заблокированный или нормально свободный . Обычно свободный тип позволяет свободное движение без питания, но все же может быть заблокирован подачей напряжения.

Двигатели Inchworm могут достигать положения в нанометровом масштабе, изменяя напряжение, прикладываемое к движущемуся кристаллу, когда задействован один набор запирающих кристаллов.

Шагающие действия

Пьезоэлектрический мотор-червяк

Процесс включения дюймового червячного двигателя представляет собой многоступенчатый циклический процесс:

  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 в свои состояния по умолчанию.

Шаговый или шагающий двигатель

Биморфные консоли используются в шаговых или шаговых двигателях.

Не путать с одноименным электромагнитным шаговым двигателем , эти двигатели похожи на дюймовые червячные двигатели, однако пьезоэлектрические элементы могут быть биморфными приводами, которые изгибаются для подачи питания на ползун, а не используют отдельный расширяющий и сжимающий элемент.

Электродвигатель скольжения

Привод со скользящей рукояткой.

Механизм электродвигателей со скользящей рукояткой основан на инерции в сочетании с разницей между статическим и динамическим трением. Шаговое действие состоит из фазы медленного разгибания, когда трение покоя не преодолевается, за ней следует фаза быстрого сжатия, когда трение статики преодолевается и точка контакта между двигателем и движущейся частью изменяется.

Двигатели 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.

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

Одиночное действие

Рис. 2: Шаговый двигатель с пьезоэлектрическим храповым механизмом.

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

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 элементе связи 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:

Смотрите также

Рекомендации