Что такое пьезоэлектрический двигатель - Авто журнал kupim-avto57.ru
5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое пьезоэлектрический двигатель

Промышленная метрология

Сканирующие пьезозеркала и XY пьезосборки

CCBu40 — Мощный двухканальный пьезо усилитель/контроллер

Каталог изделий CEDRAT TECHNOLOGIES

Примеры применения изделий CEDRAT TECHNOLOGIES

Fukoku пьезодвигатель вращения

  • О компании
    • Информация для раскрытия
  • Контакты
  • ПЬЕЗОКЕРАМИКА
    • Области применения
    • Пьезоэлектрические керамические материалы
    • Перечень изделий
  • CEDRAT TECHNOLOGIES
    • Каталог
    • Технологии
    • Области применения
    • Услуги
    • Публикации
    • Новости
    • Блог
    • You Tube канал CEDRAT TECHNOLOGIES
  • Лаборатория
  • Видео

Что такое пьезоэлектрический двигатель

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.

§ 7.1. 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.

§ 7.2. 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 частьюПМД является акустически изолированная от основания и оси ротораэлектромеханическая 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. Осцилятор прижимается к ротору стальной пружиной7, конец которой через эластичную прокладку 8 давит на вибратор. Длярегулирования степени прижатия служит винт 9.

Чтобы объяснить механизм образования вращающего момента, вспомниммаятник. 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 сильновытянутого эллипса. Так и в нашем случае. Если подвести к пьезопластине переменное напряжение определенной частоты, ее линейный размербудет 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 впоперечном направлении (рис. 7.5,б). Это эквивалентно действию поперечной изгибающей силы, которая вызывает поперечные колебания. Сдвигфаз продольных и поперечных колебаний зависит от размеров пластины,рода материала, частоты питающего напряжения и в общем случае можетизменяться от 0 о до 180 о . При сдвиге фаз, отличном от 0 о и 180 о ,контактная точка движется по эллипсу. В момент соприкосновения с роторомпластина передает ему импульс движения (рис. 7.5,в).

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

Читать еще:  Большой расход масла двигателя опель омега в

Максимальная амплитуда смещения осциллятора ограничивается пределом прочности материала или перегревом пьезоэлемента. Перегревматериала свыше критической температуры — температуры Кюри,приводит кпотере пьезоэлектрических свойств. Для многих материалов температураКюри превышает 250 0 С, поэтому максимальная амплитуда смещенияпрактически ограничивается пределом прочности материала. С учетом двукратного запаса по прочности принимают VP = 0,75 м/с.

Угловая скорость ротора

где DP — диаметр ротора.

Отсюда частота вращения в оборотах в минуту

Если диаметр ротора DP = 0,5 — 5 см, то n = 3000 — 300 об/мин.Таким образом, изменяя только диаметр ротора, можно в широких пределах изменять частоту вращения машины.

Уменьшение напряжения питания позволяет снизить частоту вращениядо 30 об/мин при сохранении достаточно высокой мощности на единицумассы двигателя. Армируя вибратор высокопрочными сапфировымипластинами, удается поднять частоту вращения до 10000 об/мин. Этопозволяет в широкой области практических задач выполнять привод безиспользования механических редукторов.

§ 7.3. Применение пьезоэлектрических микродвигателей

Надо отметить, что применение ПМД пока весьма ограничено. В настоящее время к серийному производству рекомендован пьезопривод дляпроигрывателя, разработанного конструкторами объединения «Эльфа» (г. Вильнюс), и пьезоэлектрический привод ведущего вала видеомагнитофона,созданного в объединении «Позитрон» .

Применение ПМД в аппаратах звуко- и видеозаписи позволяет по новому подойти к проектированию механизмов транспортирования ленты,поскольку элементы этого узла органически вписываются в двигатель,становясь его корпусом, подшипниками, прижимом и т.п. Указанные свойства пьезодвигателя позволяют осуществить непосредственный приводдиска проигрывателя путем установки на его валу ротора, к поверхностикоторого постоянно прижат осциллятор. Мощность на валу проигрывателяне превышает 0,2 Вт, поэтому ротор ПМД может быть изготовлен как изметалла, так и из пластмассы, например карболита.

Изготовлен опытный образец электробритвы «Харьков-6М» с двумя ПМДобщей мощностью 15Вт. На базе механизма настольных часов «Слава» выполнен вариант с шаговым пьезодвигателем. Напряжение питания 1,2 В;потребляемый ток 150 мкА. Малая потребляемая мощность позволяетпитать их от фотоэлементов.

Присоединение к ротору ПМД стрелки и возвратной пружины позволяетиспользовать двигатель в качестве малогабаритного и дешевого электроизмерительного прибора с круглой шкалой.

На основе линейных пьезодвигателей изготавливают электрическиереле с потребляемой мощностью от нескольких десятков микроватт донескольких ватт. Такие реле в рабочем состоянии не потребляют энергии.После срабатывания сила трения надежно удерживает контакты взамкнутом состоянии.

Рассмотрены далеко не все примеры использования ПМД. Пьезодвигатели могут найти широкое применение в различных автоматах, роботах,протезах, детских игрушках и в других устройствах.

Изучение пьезодвигателей только началось, поэтому не все ихвозможности раскрыты. Предельная мощность МПД принципиально неограничена. Однако конкурировать с другими двигателями они могут покав диапазоне мощностей до 10 ватт. Это связано не только сконструктивными особенностями ПМД, но и с уровнем развития науки итехники, в частности с совершенствованием пьезоэлектрических, сверхтвердых и износостойких материалов. По этой причине цель данной лекциизаключается прежде всего в подготовке будущих инженеров к восприятиюновой для них области техники перед началом промышленного выпускапьезоэлектрических микродвигателей.

Конструкция [ править | править код ]

Ультразвуковой двигатель имеет значительно меньшие габариты и массу по сравнению с аналогичным по силовым характеристикам электромагнитным двигателем. Отсутствие обмоток, пропитанных склеивающими составами, делает его пригодным для использования в условиях вакуума. Ультразвуковой двигатель обладает значительным моментом самоторможения (до 50 % от величины максимального крутящего момента) при отсутствии питающего напряжения за счёт своих конструктивных особенностей. Это позволяет обеспечивать очень малые дискретные угловые перемещения (от единиц угловых секунд) без применения каких-либо специальных мер. Это свойство связано с квазинепрерывным характером работы пьезодвигателя. Действительно, пьезоэлемент, который преобразует электрические колебания в механические питается не постоянным, а переменным напряжением резонансной частоты. При подаче одного или двух импульсов можно получить очень маленькое угловое перемещение ротора. Например, некоторые образцы ультразвуковых двигателей, имеющие резонансную частоту 2 МГц и рабочую частоту вращения 0,2-6 об/сек, при подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента дадут в идеальном случае угловое перемещение ротора в 1/9.900.000-1/330.000 от величины окружности, то есть 0,13-3,9 угловых секунд. [7]

Одним из серьёзных недостатков такого двигателя является значительная чувствительность к попаданию в него твёрдых веществ (например песка). С другой стороны, пьезодвигатели могут работать в жидкой среде, например в воде или в масле.

Расчет характеристик пьезоэлемента ультразвукового двигателя

Полный текст:

Аннотация

Современная тенденция миниатюризации исполнительных элементов для различных электронных устройств приводит к ужесточению требований к габаритно-весовым параметрам электродвигателей, вибрационных элементов и т.п.

Дальнейшее уменьшение объема электромагнитных двигателей уже не представляется возможным, поэтому на первый план выходят электромеханические преобразователи, в основе которых лежит пьезоэффект. Изменение габаритов пьезоэлемента при воздействии на него электрического поля (обратный пьезоэффект) происходит из-за нарушения симметричной конфигурации электрической структуры микрокристаллов материала пьезокерамики.

Для преобразования изменения габаритов пьезоэлементов в поступательное или вращательное движение подвижной части пьезодвигателя используют различные конструктивные схемы, например, с применением упругодеформированных элементов или ударно-анкерных механизмов. При использовании много электродных пьезоэлектрических систем можно создать двигатели «шагающего» типа, а в системах фокусировки фото и кинокамер широкое применение нашли пьезодвигатели, в которых с помощью многоэлектродных пьзоэлеменов формируется бегущая волна, энергия которой преобразуется в поворотное движение ротора.

Читать еще:  Давление турбины и обороты двигателя

Пьезоэлектрические двигатели обладают рядом достоинств, которые позволяют им успешно конкурировать с электромеханическими преобразователями других видов. К таким достоинствам можно отнести высокий КПД, высокий момент удержания при отсутствии питающего напряжения, возможность получения низких скоростей и микроперемещений без применения механических редукторов, высокую удельную мощность. Однако сложность расчета пьезоэлемента в такого классах двигателях существенно снижает технологичность двигателей, приводит к большому проценту выбраковки пьезоэлементов после изготовления.

Для расчета таких характеристик пьезоэлемента, как резонансная и антирезонансная частоты, собственная емкость пьезоэлемента, полное комплексное сопротивление пьезоэлемента можно использовать электрическую модель электромеханической системы.

В работе авторами проводится анализ различных конструктивных схем построения пьезодвигателей, предложен простой алгоритм расчета частотных характеристик пьезоэлемента, приведен пример расчета пластины из пьезокерамики цирконата титаната свинца.

Ключ. слова

Об авторах

Список литературы

1. Лавриненко В.В., Карташов И.А., Вишневский В.С. Пьезоэлектрические двигатели. М.: Энергия, 1980. 372 с.

2. Бардин В.А., Васильев В.А. Актюаторы нано- и микроперемещений для систем управления, контроля и безопасности // Современная техника и технологии. Электрон. журн. 2014. № 2. Режим доступа: http://technology.snauka.ru/2014/02/3057 (дата обращения: 10.07.2016).

3. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. М.: Техносфера, 2006. 224 с. [K.Worden. Smart materials. River Edge: World Scientific, 2003].

4. Петренко С.Ф. Пьезоэлектрический двигатель в приборостроении. Киев: Корнiйчук, 2002. 96 с.

5. Касей Г., Конвей М., Мэрфи М. Приводы для фокусировки объектива в камерных модулях высокого разрешения // Компоненты и технологии. 2008. № 3. С. 147-150. Режим доступа: http:// kit-e.ru/articles/powerel/2008_3 (дата обращения: 20.08.2016).

6. Акопьян В. А., Соловьев А. Н., Шевцов С. Н. Методы и алгоритм определения полного набора совместимых материальных констант пьезокерамических материалов. Ростов н/Д: Изд-во Южного Федерального ун-та, 2008. 144 с.

7. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применения. Пер. с чешск. М.: Мир, 1990. 584 с. [J. Zelenka. Piezoelektrické rezonátory a jejich použití = Piezoelectric resonators and their applications. Amst.;N.Y.: Elsevier, 1986].

8. Васильев В.А., Веремьёв В.А., Тихонов А.И. Влияние частотных факторов и параметров на информативный сигнал пьезоэлектрических датчиков давления // Датчики и системы. 2003. № 8. С.5–9.

9. Symmetron Group: Электронные компоненты. Пьезокерамика APC International Ltd. [Электрон. ресурс].Режим доступа: http:/www.symmetron.ru/suppliers/apc/index.shtml (дата обращения: 08.09.2016).

10. Головнин В.А., Каплунов И.А., Малышкина О.В., Педько Б.Б. Пьезоэлектрическая керамика: применение, производство, перспективы // Вестник Тверского гос. ун-та. Сер.: Физика. 2010. № 11. С. 47 – 58.

11. Бардин В.А., Васильев В.А. Двигатели для нано- и микроперемещений // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф.(г. Пенза, 23 – 25 апреля 2013 г.) / Под ред. д.т.н., проф. М. А. Щербакова. Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. С.259 – 263.

12. Головнин В.А., Каплунов И.А., Малышкина О.В., Педько Б.Б., Мовчикова А.А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. М.: Техносфера, 2013. 272 с.

13. Piezoelectric ceramics: Principles and applications. Mackeyville: APC International, 2002.

Дополнительные файлы

Для цитирования: Масленникова С.И., Ситников А.В., Миронова И.В. Расчет характеристик пьезоэлемента ультразвукового двигателя. Радиостроение. 2016;(4):25-40. https://doi.org/10.7463/rdopt.0416.0847731

For citation: Maslennikova S.I., Sitnikov A.V., Mironova I.V. Calculating the Ultra-Sound Engine Piezoelectric Element Characteristics. Radio Engineering. 2016;(4):25-40. (In Russ.) https://doi.org/10.7463/rdopt.0416.0847731

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

В 1947 году были получены первые керамические образцы титаната бария и, уже с этого времени производство пьезоэлектрических моторов стало теоретически возможным. Но первый такой мотор появился лишь спустя 20 лет. Изучая пьезоэлектрические трансформаторы в силовых режимах, сотрудник Киевского политехнического института В. В. Лавриненко обнаружил вращение одного из них в держателе. Разобравшись в причине этого явления, он в 1964 году создаёт первый пьезоэлектрический мотор вращения, а вслед за ним и линейный мотор для привода реле [1] [2] . За первым мотором с прямым фрикционным контактом он создаёт группы нереверсивных моторов [3] с механической связью пьезоэлемента с ротором через толкатели. На этой основе он предлагает десятки конструкций нереверсивных моторов, перекрывающих диапазон скоростей от 0 до 10 000 об/мин и диапазон моментов вращения от 0 до 100 Нм. Используя два нереверсивных мотора, Лавриненко оригинально решает проблему реверса. Интегрально на валу одного мотора он устанавливает второй мотор. Проблему ресурса мотора он решает, возбуждая крутильные колебания в пьезоэлементе.

На десятилетия опережая подобные работы в стране и за рубежом, Лавриненко разработал практически все основные принципы построения пьезоэлектрических моторов, не исключив при этом возможность работы их в режиме генераторов электрической энергии.

Учитывая перспективность разработки, Лавриненко совместно с соавторами, помогавшими ему реализовать его предложения, он защищает многочисленными авторскими свидетельствами и патентами. В Киевском Политехническом институте создается отраслевая лаборатория пьезоэлектрических моторов под руководством Лавриненко, организуется первое в мире серийное производство пьезомоторов для видеомагнитофона «Электроника-552». В последующем, серийно производятся моторы для диапроекторов «Днепр-2», кинокамер, приводов шаровых кранов и др. В 1980 году издательство «Энергия» печатает первую книгу по пьезоэлектрическим моторам [4] , к ним появляется интерес. Начинаются активные разработки пьезомоторов в Каунасском политехническом институте под руководством проф. Рагульскиса К. М. [5] . Вишневский В. С., в прошлом аспирант Лавриненко, выезжает в Германию, где продолжает работу по внедрению линейных пьезоэлектрических моторов на фирме PHyzical Instryment. Постепенное изучение и разработка пьезоэлектрических моторов выходит за пределы СССР [6] . В Японии и Китае активно разрабатываются и внедряются волновые двигатели, в Америке — сверхминиатюрные двигатели вращения.

Читать еще:  Что такое исправный двигатель

Принцип работы

На «гибкий» статор «подается» переменное напряжение высокой частоты, которое вынуждает его производить ультразвуковые колебания, формирующие механическую бегущую волну, которая и толкает (зацепляет) расположенный рядом ротор. Простота принципа сложна в реализации. И если обычный электродвигатель можно сделать практически «на коленке», ультразвуковой без сложного оборудования не создать.

МПК / Метки

Демпфирующее устройство для электропривода с упругой связью между двигателем и механизмом

Номер патента: 1554102

. 12 задержки появляется сигнал, обеспечивающий замыкание ключаа 9. Работа в резонансной области сопровождается упругими механическимиколебаниями, что вызывает изменениясигнала на выходе датчика 8 производной момента.При использовании в качестве датчика 8 производной момента магнитоупругого датчика 13 момента, обмоткавозбуждения которого подключена кисточнику 14 питания постоянного напряжения, на выходе измерительнойобмотки магнитоупругого датчика 13момента имеет место напряжение, пропорциональное производной момента,Сигнал с выхода датчика 8 производной момента при работе электропривода в области резонанса череззамкнутый ключ 9 поступает на входыфазовращателей 3 и 4, Настройка фазовращателей 3 и 4 и коэффициентовпередачи регуляторов .5 и.

Электронный ключ

Номер патента: 875635

. тель А. БомкБойкас Корректор М. КосПодписноеСССР Редактор Р. ЦиникаЗрк аз 9386/В 7ВНИИи113035,Филиал ПП го комитета й и открыл аушская наб городул, П д, 4/5ектная, 4 3На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого электронногоключа.Электронный ключ состоит из Х параллельно соединенных транзисторов 1-1,1-И, Х датчиков тока 2-1, , 2-Х, сумма- ьтора 3 и Х усилителей мощности 4-1,4-М, имеющих внешний вход коммутации 5и входы 6 и 7 для регулирования выходноготока,Электронный ключ работает следующимобразом.1 ОПри отсутствии сигнала на входах 5усилителей мощности 4-1, ., 4-Ы все транзисторы 1-1, ., 1-Х закрыты, при этомна входах сумматора 3 и входах 6 и 7 усилителей. мощности сигналы отсутствуют.При подаче запускающего импульса на.

Электронный ключ-разрядник для емкостных цепей

Номер патента: 1030968

. Поставленная цель достигается тем, что в электронный ключ-разрядник для емкостных цепей, содержащий двух» позиционный переключатель и МДП-тран-. зистор, исток и сток которого. соединены соответственно с входной и с 40 выходной шинами устройства, входы двухпозиционного переключателя соединены с шинами источника питания, а управляющий вход двухпозиционного переключателя подключен к управляющей шине устройства, введены первый: и второй резисторы, конденсатор и диод, первый резистор и конденсатор соединены параллельно и включены между выходом двухпоэиционного пере ключателя и затвором МДН-транзистора а второй резистор и диод соединены последовательно и включены между затвором МДП-транзистора и общей шиной. 55 60 65 На чертеже приведена.

Электронный ключ

Номер патента: 1241456

. первый вход одного из элементов И — -НЕ 12, — 12.Х. На первых входах остальных элементов И — НЕ 12,1 — 12.М удерживается уровень логического нуля, а на второй вход каждого элемента И — НЕ 2.112.1 Ч с входной шины 7 поступает уровень логической единицы, в результате чего на одном из выходов блока 3 управления появляется уровень логического нуля, а на остальных выходах удерживаются уровни логической единицы и, как следствие, транзисторные ключи 1.1 — 1.М, подключенные к этим выводам блока 3 управления, остаются в закрытом состоянии.Напряжение логического нуля с одного из выходов блока 3 управления поступает на базу транзистора 8 соответствующего транзисторного ключа 1.1 — 1.г 1, который закрывается. Напряжение на его коллекторе повышается.

Электронный ключ

Номер патента: 1498901

. и, тем самым, ключ переводится в режим считывания, Аналогично описанному на контакт 1.1 разъема ключа подается тактовая последовательность, а на контакт 1,2 разъема — последовательность кода соответствия. Если новый код соответствия записан правильно, то через определенное количество тактов на выходе блока 6 разрешения записи появляется сигнал, который через открытый элемент И 15 устанавливает триггер 11 в исходное состояние, т.е. в режим считывания, Появление8901 6 ЭО 35 40 45 50 55 5 149 сигнала включения триггера 11 в этом случае блокируется элементом И 13, Кроме того, сигнал с выхода элемента И 15 подается на контакт 1,7 разъема ключа для определения нормального завершения режима записи и контроля. Если сигнал «Норма» на.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector