ултразвуков мотор

Ултразвуков мотор(Ултразвуков мотор,Пиезо мотор,Пиезомагнитен мотор,Пиезоелектрически мотор), (на английски USM - Ultra Sonic Motor, SWM - Silent Wave Motor, HSM - Hyper Sonic Motor, SDM - Supersonic Direct-drive Motor и др.) езоелектрична керамика, благодарение на което е в състояние да преобразува електрическата енергия в механична енергия с много висока ефективност, надхвърляща 90% при някои видове. Това дава възможност да се получат уникални устройства, в които електрическите вибрации се преобразуват директно във въртеливо движение на ротора, докато въртящият момент, развит върху вала на такъв двигател, е толкова голям, че елиминира необходимостта от механична скоростна кутия за увеличаване на въртящия момент. Също така, този двигател има токоизправителни свойства на гладък фрикционен контакт. Тези свойства се проявяват и при звукови честоти. Такъв контакт е аналогичен на диод на електрически токоизправител. Следователно ултразвуковият двигател може да се припише на електродвигатели с триене.

Съдържание

През 1947 г. са получени първите керамични проби от бариев титанат и оттогава производството на пиезоелектрически двигатели става теоретично възможно. Но първият такъв мотор се появи едва 20 години по-късно. Изучавайки пиезоелектрични трансформатори в режими на мощност, служител на Киевския политехнически институт VV Lavrinenko откри въртенето на един от тях в държача. След като разбра причината за това явление, през 1964 г. той създава първия пиезоелектричен ротационен двигател, последван от линеен двигател за задвижване на реле [1] [2] . Зад първия двигател с директен фрикционен контакт той създава групи от нереверсивни двигатели [3] с механична връзкапиезоелектричен елемент с ротор чрез тласкачи. На тази база той предлага десетки необратими дизайни на мотори, покриващи диапазона на скоростта от 0 до 10 000 об/мин и диапазона на въртящия момент от 0 до 100 Nm. Използвайки два нереверсивни двигателя, Лавриненко решава обратния проблем по оригинален начин. Той монтира втори двигател интегрално върху вала на единия двигател. Той решава проблема с ресурса на двигателя чрез възбуждане на торсионни вибрации в пиезоелектричния елемент.

Десетилетия преди подобна работа в страната и чужбина, Лавриненко разработва почти всички основни принципи за конструиране на пиезоелектрически двигатели, като същевременно не изключва възможността за тяхната работа в режим на генератори на електрическа енергия.

Ултразвуковият двигател има значително по-малки размери и тегло в сравнение с електромагнитен двигател, подобен по отношение на мощностните характеристики. Липсата на намотки, импрегнирани с лепила, го прави подходящ за използване във вакуумни условия. Ултразвуковият двигател има значителен самоспирачен момент (до 50% от максималния въртящ момент) при липса на захранващо напрежение поради конструктивните си характеристики. Това прави възможно да се осигурят много малки дискретни ъглови премествания (от единици дъгови секунди) без използването на специални мерки. Това свойство се свързва с квази-непрекъснатия характер на работата на пиезоелектрическия двигател. Наистина, пиезоелектричният елемент, който преобразува електрическите вибрации в механични, се захранва не от постоянно, а от променливо напрежение на резонансната честота. При подаване на един или два импулса може да се получи много малко ъглово преместване на ротора. Например, някои проби от ултразвукови двигатели, имащи резонансна честота от 2 MHz и работна скорост от 0,2-6 rpm, при прилагане на единиченИмпулсът върху плочите на пиезоелектричния елемент в идеалния случай ще даде ъглово изместване на ротора в 1 / 9.900.000-1 / 330.000 от обиколката, т.е. 0,13-3,9 дъгови секунди. [7]

Един от сериозните недостатъци на такъв двигател е значителната му чувствителност към навлизането на твърди вещества (например пясък). От друга страна, пиезо моторите могат да работят в течна среда, като вода или масло.

„Гъвкавият“ статор (тънка биморфна плоча, колкото по-тънка е плочата, толкова по-голяма е амплитудата на трептенията и толкова по-ниска е резонансната честота) се „захранва“ с високочестотно променливо напрежение, което го принуждава да произвежда ултразвукови вибрации, които образуват механична пътуваща вълна, която избутва (закача) близкия ротор. При движение наляво тласкачът - клин, при движение надясно - клин. Всички пиезоелектрически двигатели с тласкачи работят на този принцип. Като увеличите броя на тласкачите, можете да създадете двигатели с огромни стартови моменти.

Но ако конвенционален електродвигател може да бъде направен практически „на коляно“, ултразвуков двигател с висока ефективност от 80-90% не може да бъде създаден без сложно оборудване. Все още е възможно да се направи ултразвуков двигател у дома, но ефективността няма да надвишава 60%, за това можете да вземете сачмен лагер като ротор и да притиснете към него пиезоелектрическа плоча с договорени размери.

Работата на пиезоелектричните ротационни двигатели се основава на принципа, че всички точки на пиезоелектричния елемент, които влизат в контакт с ротора, трябва да се движат по траектории, близки до елиптичните. За тази цел в пиезоелектричния елемент се възбуждат едновременно два вида взаимно ортогонални трептения. Това може да бъде всяка комбинация от взаимно напречни надлъжни, огъващи, срязващи и усукващи вибрации. Само важное, че тези трептения не трябва да бъдат механично свързани, тоест енергията от едно трептене не трябва да преминава в друго трептене (в квадратна плоча възбуждането на надлъжни трептения от едната й страна ще доведе до възбуждане на надлъжни трептения от другата страна, което е пример за свързване на трептения). Ако трептенията са механично несвързани, тогава може да се получи всякакво фазово изместване между тях. И оптимално за пиезоелектрически двигатели е фазово изместване, равно на 90 градуса. В най-простия двигател (фиг. 3) надлъжните вълни по дължината на вълната се възбуждат електрически в пиезоелектричния елемент, а напречните вълни - огъващите се възбуждат, когато краят на пиезоелектричния елемент се движи по повърхността на ротора. Размерите на пиезоелектричния елемент са избрани така, че да има механичен резонанс както на надлъжни, така и на напречни вибрации. Тогава ефективността може да надхвърли 80%. При такива двигатели фрикционният контакт между ротора и статора се осъществява по линията, което намалява техния ресурс. Възбуждане с един електрод (1), фиг. 4 в пиезоелектричния елемент (2) усукващи вибрации и други електроди (3) - надлъжни вибрации, можете да създадете двигател с плосък фрикционен контакт. Лавриненко решава проблема с ресурсите по този начин. Той използва свойството на наклонена и притисната към гладка повърхност плоча да променя силата на натиск при движение в една и в обратна посока.

Едно от най-важните предимства на тези видове двигатели е, че директното задвижване е възможно за всяка скорост. В конструктивен смисъл задвижването е значително опростено и в някои случаи коефициентът на полезно действие, който "изяжда" скоростната кутия, се увеличава значително. Именно това свойство направи възможно разработването на сферични вентилни задвижвания с всякаква площ на потока (фиг. 5) и извършването на тяхното масово производство.

По скоростпиезоелектрическите двигатели нямат равни. Това се дължи на факта, че тяхната мощност не зависи от масата на ротора, както е при електромагнитните двигатели. За части от милисекунда те набират желаната скорост и дори могат да се конкурират със скъпи пиезоелектрически задвижващи механизми, например за горивни инжектори.

Минималната стъпка на пиезоелектрическите двигатели може да бъде хилядни от дъговата секунда. На тяхна база се създават водачи за микроскоп, работещи в нанометровия диапазон. За битовите нискооборотни уреди, поради липсата на скоростна кутия, те са безшумни и не излъчват миризма от изгорели намотки, каквато нямат. Инхибирането на ротора в изключено състояние, пластичността на формата, способността за цялостно вписване в продукта също са полезни.

Пиезоелектрическите двигатели могат да бъдат направени изцяло от немагнитни материали. Някои от тях могат да работят при високи температури (до 300 градуса по Целзий), във вакуум, в силни магнитни полета, в условия на висока радиация, когато са потопени във вода или масло.

Ултразвуковият двигател може успешно да се използва в онези области на техниката, където е необходимо да се постигнат минимални ъглови и линейни движения. Например в астрономията, в космическите изследвания, където се изисква точна ориентация за много малки обекти (звезди); в ускорители на заредени частици, където е необходимо поддържането на лъча в строго определени геометрични координати; в научните изследвания при изследване на кристалографската структура (ориентация на главата на гониометъра); в роботиката и др.

Пиезоелектрическите двигатели с форма на вълна се използват и в лещи за рефлексни фотоапарати с една леща. Вариации на името на технологията в такива лещи от различни производители:

  • Canon -USM, ултразвуков мотор;
  • Minolta, Sony -SSM, SuperSonic Motor;
  • Nikon -SWM, Silent Wave Motor;
  • Olympus -SWD, свръхзвуково вълново задвижване;
  • Panasonic -XSM, изключително тих двигател;
  • Pentax -SDM, свръхзвуков двигател;
  • Sigma -HSM, Hyper Sonic Motor;
  • Tamron -USD, Ultrasonic Silent Drive,PZD, Piezo Drive.
  • Samsung—SSA, Super Sonic Actuator;

В машиностроителната индустрия такива двигатели се използват за изключително прецизно позициониране на режещия инструмент.

Например, има специални държачи за инструменти за стругове с микрозадвижван инструмент.