Пьезомотор

Пьезоэлектрические двигатели ( сокращенно пьезомоторы ) - это небольшие двигатели, которые используют пьезоэлектрический эффект для создания движения. Пьезомоторы могут работать как линейно, так и вращательно. С большинством функциональных принципов их путешествия в принципе неограниченны. В линейных двигателях из-за конструкции он обычно составляет несколько сантиметров и, следовательно, значительно больше, чем диапазон перемещения пьезоэлектрических твердотельных актуаторов, используемых в двигателях .

Существует большое количество различных принципов работы пьезомоторов. При всех принципах движение создается за счет скольжения или статического трения между неподвижной частью (статором) и подвижной частью (ротор). Многие, но не все из этих принципов основаны на часто резонансных колебаниях статора, создаваемых пьезоэлектрическими твердотельными приводами. Поскольку частота этих колебаний в основном находится в ультразвуковом диапазоне, многие пьезомоторы также называют ультразвуковыми .

Преимуществами пьезоэлектрических двигателей перед электромагнитными двигателями являются высокое усилие на единицу объема, высокая удерживающая сила в выключенном состоянии, а также очень хорошая динамика и миниатюризация. В некоторых приложениях большим преимуществом является то, что они подходят для вакуума и работают без магнитных полей.

Принцип работы пьезомоторов

Вот некоторые часто используемые принципы:

  • Двигатель бегущей волны
  • Двигатель стоячей волны
  • Инерционный двигатель, также известный как двигатель с прерывистым скольжением
  • Двигатель "Inchworm"
  • Шагающий двигатель

Двигатели бегущей и стоячей волны и подобные типы также называются вибрационными двигателями, поскольку они приводятся в действие вибрациями, создаваемыми пьезоэлектрическими твердотельными приводами. В отличие от этого, инерционные, «дюймовые» и шаговые двигатели называются (пьезоэлектрическими) шаговыми двигателями, потому что их движение разделено на четко разграниченные шаги. Однако, в частности, в случае инерционных двигателей, эта классификация не всегда применима, поскольку теперь существуют также инерционные двигатели, принцип работы которых основан на резонансных колебаниях.

Двигатели бегущей волны

Двигатели бегущей волны - это преимущественно роторные двигатели. Они состоят из неподвижной части, статора , и подвижной части, ротора . В статоре есть как минимум два пьезоэлектрических преобразователя, которые преобразуют приложенное переменное напряжение в механические колебания. Преобразователи возбуждаются в противофазе , создавая бегущую волну на статоре. Это приводит последний в движение за счет фрикционного контакта между статором и ротором. Чтобы достичь высоких амплитуд колебаний и, следовательно, высоких скоростей, статор обычно работает в резонансе на частотах в ультразвуковом диапазоне. Бегущую волну в линейных двигателях с бегущей волной генерировать значительно сложнее, поэтому линейные двигатели с бегущей волной еще не коммерчески доступны. Двигатели на бегущей волне стали популярнее, прежде всего, благодаря их использованию в объективах фотоаппаратов. Примеры этого можно найти в статье « Двигатель бегущей волны ».

Двигатели со стоячей волной

Принцип работы пьезоэлектрического двигателя со стоячей волной

В двигателях со стоячей волной вибрация в виде стоячей волны генерируется в статоре пьезоэлектрическими твердотельными приводами . Возникающее в результате, в основном эллиптическое, движение одной или нескольких точек контакта приводит в движение ротор. Контакт может быть временно прерван при больших амплитудах колебаний, что приводит к ударам. Двигатели со стоячей волной могут принимать самые разные формы и производить как вращательное, так и линейное движение. На картинке напротив показан роторный двигатель со стоячей волной, который приводится в действие четырьмя пьезоприводами.

Инерционные двигатели

Открытый пьезодвигатель прерывистого скольжения.
Принцип действия линейного инерционного двигателя с подвижным исполнительным механизмом

Инерционные двигатели используют инерцию движущегося объекта для его перемещения посредством фрикционного контакта. В классических инерционных двигателях есть фаза медленного движения в фрикционном контакте со статическим трением ; в фазе быстрого движения силы инерции становятся настолько большими, что части скользят друг по другу . Это изменение между статическим трением и трением скольжения привело к появлению широко распространенного термина «двигатели прерывистого скольжения» (от английского «to stick» = придерживаться и «to slip» = скользить) (см. Эффект прерывистого скольжения ). Но есть и инерционные моторы, которые работают без залипания фаз. В этих двигателях детали также скользят друг по другу в фазах привода.

Пьезоэлектрические инерционные двигатели можно сконструировать очень просто. В простейшем случае они состоят всего из трех компонентов, как в примере напротив. Множество форм инерционных двигателей можно различать в зависимости от того, является ли твердотельный привод, приводящий в движение двигатель, неподвижным или он движется вместе с двигателем. Большинство инерционных двигателей работают на низких частотах до нескольких кГц. Однако некоторые резонансные инерционные двигатели также работают в ультразвуковом диапазоне. Инерционные двигатели z. B. используется для позиционирования образца в микроскопии и для стабилизации изображения в цифровых камерах.

Двигатели "Inchworm"

Принцип действия двигателя с червяком (зажимной и скользящий) (1 = корпус, 2 = привод подачи, 3 = привод с зажимом, 4 = ротор)

Двигатели «Inchworm», также называемые червячными двигателями, работают по принципу «зажима и толкания», показанному справа. Гусеничном как принцип передвижения дал название бренда «Inchworm» (английский язык для гусеница), который сегодня обычно описывает этот тип двигателя. Двигатель, показанный на соседнем рисунке, состоит (вверху и внизу) из двух приводов зажима и одного привода подачи. Из-за тактовой работы моторы-червяки работают на низких частотах в слышимом диапазоне. Они рассчитаны на большие усилия и точность, меньше - на высокую скорость.

Шаговые двигатели

Принцип действия пьезоэлектрического шагового двигателя (1 = корпус, 2 = пьезопривод, 3 = промежуточный слой, 4 = точка контакта, 5 = ротор)

В отличие от двигателей типа «дюймовые червяки», в так называемых шаговых двигателях зажим и движение осуществляется одним и тем же, а не разными исполнительными механизмами. В примере, показанном на рисунке напротив, используются два привода гибки биморфной конструкции (два привода плюс промежуточный слой каждый). Точки контакта на их концах будут совершать эллиптическое движение при свободном перемещении. Фактически, они прижимают часть этого пути к «ротору», элементу, который должен быть приведен в действие, и толкают его в желаемом направлении. Из-за сдвинутого по фазе движения исполнительных механизмов по крайней мере один из них всегда зажимает ротор, так что он никогда не освобождается.

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ а б в г М. Ханстиг: Концепция, управление и свойства быстрых пьезоэлектрических инерционных двигателей. Труды кафедры мехатроники и динамики, Том 2, Шейкер, 2014. Згл. Диссертация, Университет Падерборна, 2014 г.
  2. ↑ a b c Тобиас Хемзель: Исследование и дальнейшее развитие линейных пьезоэлектрических вибрационных приводов . Серия изданий HNI, том 101, 2001. Zgl. Диссертация, Университет Падерборна, 2001, ISBN 3-935433-10-7
  3. ↑ SteadyShot INSIDE - Встроенная в тело система стабилизации изображения. Сайт Sony. ( Памятка от 10 мая 2012 г. в Интернет-архиве ) Проверено 10 мая 2012 г., архивировано.
  4. ↑ a b J. Twiefel - Экспериментальное и модельное исследование приводов стоячей волны. Отчеты IDS, том 05/2010. Zgl. Диссертация, Университет Готфрида Вильгельма Лейбница, Ганновер, 2011 г.