П’єзодвигун

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

П'єзодвигун ( Ультразвуковий двигун , Ультразвуковий мотор , П'єзомагнітний двигун , П'єзоелектричний двигун), (англ. USM - Ultra Sonic Motor , SWM - Silent Wave Motor , HSM - Hyper Sonic Motor , SDM - Supersonic Direct - drive Motor та ін) - двигун , в якому робочим елементом є п'єзоелектрична кераміка, завдяки якій він здатний перетворити електричну енергію в механічну з дуже великим ККД, що перевищує в окремих випадках 90%. Це дозволяє отримувати унікальні прилади, в яких електричні коливання перетворюються в обертальний рух ротора, при цьому обертовий момент, що розвивається на валу такого двигуна настільки великий, що виключає необхідність застосування механічного редуктора для підвищення обертового моменту. Так само даний двигун має випрямні властивості гладкого фрикційного контакту. Ці властивості проявляються і на звукових частотах. Такий контакт є аналогом електричного випрямного діода. Тому ультразвуковий двигун можна віднести до фрикційних електромоторів.

Історія створення і застосування[ред.ред. код]

У 1947 році були отримані перші керамічні зразки титанату барію і, вже з цього часу виробництво п'єзоелектричних моторів стало теоретично можливим. Але перший такий мотор з'явився лише через 20 років. Вивчаючи п'єзоелектричні трансформатори в силових режимах, співробітник Київського політехнічного інституту В.В. Лавриненко виявив обертання одного з них в тримачі. Розібравшись в причині цього явища, він в 1964 році створив перший п'єзоелектричний обертальний мотор, а слідом за ним і лінійний мотор для приводу реле. За першим мотором з прямим фрикційним контактом він створює групи нереверсивних моторів з механічним зв'язком п'єзоелемента з ротором через штовхачі. На цій основі він пропонує десятки конструкцій нереверсивних моторів, що перекривають діапазон швидкостей від 0 до 10 000 об / хв і діапазон моментів обертання від 0 до 100 Нм. Використовуючи два нереверсивних мотора, Лавриненко оригінально вирішує проблему реверсу. Інтегрально на валу одного мотора він встановлює другий мотор. Проблему ресурсу мотора він вирішує, збуджуючи кобертальні коливання в п'єзоелементі .

На десятиліття випереджаючи подібні роботи в країні і за кордоном, Лавриненко розробив практично всі основні принципи побудови п'єзоелектричних моторів, не виключивши при цьому можливість роботи їх в режимі генераторів електричної енергії.

Враховуючи перспективність розробки, Лавриненко спільно з співавторами , що допомагали йому реалізувати його двигун, він захищає численні авторські свідоцтва і патенти. У Київському Політехнічному інституті створюється галузева лабораторія п'єзоелектричних моторів під керівництвом Лавриненко, організовується перше в світі серійне виробництво п'єзомоторів для відеомагнітофона «Електроніка -552 ». У подальшому, серійно виробляються мотори для діапроекторів «Дніпро- 2 », кінокамер, приводів кульових кранів та інших. У 1980 році видавництво «Енергія » друкує першу книгу про п'єзоелектричні мотори, до них з'являється інтерес. Починаються активні розробки п'єзомоторів в Каунаському політехнічному інституті під керівництвом проф. Рагульскіса К. М. Вишневський В.С. , в минулому аспірант Лавриненко, виїжджає до Німеччини, де продовжує роботу з впровадження лінійних п'єзоелектричних моторів на фірмі PHyzical Instryment. Поступове вивчення і розробка п'єзоелектричних моторів виходить за межі СРСР. У Японії та Китаї активно розробляються і впроваджуються хвильові двигуни, в Америці - надмініатюрні двигуни обертання.

Конструкція[ред.ред. код]

Piezomotor type inchworm.gif

Ультразвуковий двигун має значно менші габарити і масу в порівнянні з аналогічним по силових характеристиках електромагнітним двигуном. Відсутність обмоток, вимочених в клейовому розчині, робить його придатним для використання в умовах вакууму. Ультразвуковий двигун має значний момент самогальмування (до 50% від величини максимального обертального моменту) за відсутності напруги живлення за рахунок своїх конструктивних особливостей. Це дозволяє забезпечувати дуже малі дискретні кутові переміщення (від одиниць кутових секунд) без застосування будь-яких спеціальних заходів. Ця властивість пов'язана з квазінепереривним характером роботи п'єзодвигуна. Дійсно, п'єзоелемент, який перетворює електричні коливання в механічні споживає не постійну, а змінну напругу резонансної частоти. При подачі одного або двох імпульсів можна отримати дуже маленьке кутове переміщення ротора. Наприклад, деякі зразки ультразвукових двигунів, що мають резонансну частоту 2 МГц і робочу частоту обертання 0,2-6 об/сек , при подачі одиночного імпульсу на обкладки п'єзоелемента дадуть в ідеальному випадку кутове переміщення ротора в 1/9.900.000-1/330.000 від величини кола, тобто 0,13-3,9 кутових секунд.

Одним із серйозних недоліків такого двигуна є значна чутливість до потрапляння в нього твердих речовин (наприклад піску). З іншого боку , пьезодвігателей можуть працювати в рідкому середовищі, наприклад у воді або в маслі.

Принцип роботи лінійного п'єзодвигуна, працюючого на періодичному зачепленні[ред.ред. код]

Piezomotor type bimorph.gif

На « гнучкий » статор (тонка біморфна пластина, чим тонша пластина, тим більше амплітуда коливань і тим нижче частота резонансу) «подають» змінну напругу високої частоти , яке змушує його виробляти ультразвукові коливання, що формують механічну біжучу хвилю, яка і штовхає (зачіпляє) розташований поруч ротор. При русі вліво штовхач - розклинює, при русі вправо - заклинює . На цьому принципі працюють всі п'єзоелектричні мотори з штовхачами. Збільшуючи число штовхачів можна створювати мотори з величезними пусковими моментами.

Простота принципу складна в реалізації . І якщо звичайний електродвигун можна зробити практично «на коліні», ультразвукової двигун з високим ККД 80-90% без складного обладнання не створити . Але якщо знехтувати ККД (отримаємо 50-60%) ми можемо створити ультразвукової двигун в домашніх умовах. Для цього в якості ротора можна взяти шарикопідшипник і притиснути до нього п'єзопластину з узгодженими розмірами.

Принцип роботи обертального п'єзодвигуна, що працює за допомогою тертя[ред.ред. код]

П'єзодвигун обертання
П'єзоелемент с двума парами електродів

В основі роботи п'єзоелектричних обертальних двигунів лежить принцип, згідно з яким всі точки п'єзоелемента, що входять в контакт з ротором, повинні рухатися по траєкторіях близьким до еліптичної. Для цього в п'єзоелементі одночасно збуджують два типи взаємно ортогональних коливань. Це може бути будь-яке поєднання взаємно поперечних поздовжніх, згинальних, зсувних і крутильних коливань. Важливим лише є те, що ці коливання не повинні бути механічно пов'язаними, тобто енергія з одного коливання не повинна переходити в інше коливання. Якщо коливання механічно незв'язані, то між ними можна отримати будь-який зсув фаз. А оптимальним для п'єзоелектричних моторів є зсув фази рівний 90 градусів. Проблему ресурсу Лавриненко вирішує таким способом. Він використовує властивість нахиленою і притиснутою до гладкої поверхні пластини змінювати зусилля притиску при русі в одну і протилежну сторону.

Переваги п`єзодвигунів[ред.ред. код]

Однією з найбільш важливих переваг даного типу двигуна є те, що для будь-якої швидкості обертання можливий прямий привід. У конструктивному відношенні значно спрощується привід і в ряді випадків істотно зростає ККД, який «з'їдає» редуктор. Саме це властивість дозволила розробляти приводи кульових кранів з будь-яким прохідним перетином та здійснити їх серійне виробництво.

По швидкодії п'єзоелектричним моторам немає рівних. Це пов'язано з тим, що їх потужність не залежить від маси ротора, як це відбувається для електромагнітних моторів. За долі мілісекунди вони набирають потрібну швидкість і можуть конкурувати навіть з дорогими п'єзоелектричними актюаторами, наприклад, для паливних інжекторів .

Мінімальний крок п'єзомоторів може становити тисячні частки кутової секунди. На їх основі створюються напрямні для мікроскопів, що працюють у нанометровому діапазоні. Для побутових низькооборотних приладів, через відсутність редуктора, вони безшумні і не виділяють запаху від підгорілих обмоток, яких у них немає. Загальмованість ротора у відключеному стані, пластичність форми, здатність інтегрально вписуватися в виріб також бувають корисними.

П'єзоелектричні мотори можуть повністю виготовлятися з немагнітних матеріалів. Деякі з них можуть працювати в умовах високих температур (аж до 300 градусів Цельсія), у вакуумі, в сильних магнітних полях, в умовах підвищеної радіації, при зануренні у воду чи мастило.

Застосування[ред.ред. код]

Ультразвуковий двигун може з успіхом використовуватися в тих областях техніки, де необхідно досягнення мінімальних кутових і лінійних переміщень . Наприклад, в астрономії, в космічних дослідженнях, де потрібна точне орієнтування за досить малим об'єктам (зірками); в прискорювачах заряджених частинок, де необхідно утримувати пучок в заданих геометричних координатах; в наукових дослідженнях при вивченні кристалографічної структури (орієнтування головки гоніометра); в робототехніці і т. д.

На основі п'єзоелектричних моторів розроблялися: приводи антен і камер спостереження, електробритви, приводи ріжучого інструменту, стрічкопротяжні механізми, баштові вуличні годинники, низькообертові ( 2 об / хв ) приводи рекламних платформ, електродрелі, приводи дитячих іграшок і рухливих протезів, стельові вентилятори, приводи роботів і т. д.

Хвильові п'єзоелектричні мотори також використовуються в об'єктивах для однооб'єктивних дзеркальних фотоапаратів. Варіації назви технології в таких об'єктивах різних виробників:

Canon - USM , UltraSonic Motor;

Minolta , Sony - SSM , SuperSonic Motor;

Nikon - SWM , Silent Wave Motor;

Olympus - SWD , Supersonic Wave Drive;

Panasonic - XSM , Extra Silent Motor;

Pentax - SDM , Supersonic Drive Motor;

Sigma - HSM , Hyper Sonic Motor;

Tamron - USD , Ultrasonic Silent Drive , PZD , Piezo Drive.

У верстатобудуванні такі двигуни застосовуються для надточного позиціонуванні ріжучого інструменту.

Література[ред.ред. код]

  • Авторское свидетельство № 217509 «Электрический двигатель», авт. Лавриненко В. В., Некрасов М. М. по заявке № 1006424 с приор. от 10 мая 1965 г.
  • США, Патент № 4.019.073, 1975 г.
  • США, Патент № 4.453.103, 1982 г.
  • США, Патент № 4.400.641, 1982 г.
  • Пьезоэлектрические двигатели. В,В,Лавриненко, И. А. Карташев, В. С. Вишневский. Изд."Энергия" 1980 г.
  • Вибродвигатели. Р. Ю. Бансявичюс,К. М. Рагульскис. Изд. «Мокслас» 1981 г.
  • Survey of the variousoperating principles of ultrasonicpiezomotors. K.Spanner, White Paper for ACTUATOR 2006.

Посилання[ред.ред. код]