Ultraljudsmotor ( Ultraljudsmotor , Piezomotor, Piezomagnetisk motor , Piezoelektrisk motor ), ( USM - Ultra Sonic Motor, SWM - Silent Wave Motor, HSM - Hyper Sonic Motor, SDM - Supersonic Direct-Drive Motor , etc.) - motor, i vilket arbetselement är piezoelektrisk keramik , tack vare vilken det kan omvandla elektrisk energi till mekanisk energi med en mycket hög effektivitet , överstigande 90% i vissa typer. Detta gör det möjligt att erhålla unika anordningar där elektriska vibrationer direkt omvandlas till rotationsrörelse av rotorn , medan vridmomentet som utvecklas på axeln på en sådan motor är så stort att det eliminerar behovet av någon mekanisk växellåda för att öka vridmomentet. Dessutom har denna motor likriktaregenskaper för jämn friktionskontakt. Dessa egenskaper manifesteras också vid ljudfrekvenser. En sådan kontakt är analog med en elektrisk likriktardiod. Därför kan en ultraljudsmotor hänföras till friktionselektriska motorer.
1947 erhölls de första keramiska proverna av bariumtitanat och sedan dess har tillverkningen av piezoelektriska motorer blivit teoretiskt möjlig. Men den första sådana motorn dök upp bara 20 år senare. En anställd vid Kyiv Polytechnic Institute V.V. Lavrinenko studerade piezoelektriska transformatorer i effektlägen, upptäckte rotationen av en av dem i hållaren. Efter att ha listat ut orsaken till detta fenomen skapade han 1964 den första piezoelektriska rotationsmotorn, följt av en linjärmotor för att driva ett relä [1] [2] . Bakom den första motorn med direkt friktionskontakt skapar den grupper av icke-reversibla motorer [3] med en mekanisk koppling mellan det piezoelektriska elementet och rotorn genom påskjutare. På grundval av detta erbjuder den dussintals icke-reversibla motorkonstruktioner som täcker varvtalsområdet från 0 till 10 000 rpm och vridmomentområdet från 0 till 100 Nm. Med hjälp av två icke-reversibla motorer löser Lavrinenko det omvända problemet på ett originellt sätt. Han installerar en andra motor integrerat på axeln till en motor. Han löser problemet med motorresursen genom att spännande torsionsvibrationer i det piezoelektriska elementet.
Årtionden före liknande arbete i landet och utomlands utvecklade Lavrinenko nästan alla grundläggande principer för att konstruera piezoelektriska motorer, utan att utesluta möjligheten att de fungerar i läget för elektriska energigeneratorer.
Med tanke på utsikterna för utvecklingen skyddar Lavrinenko, tillsammans med medförfattare som hjälpte honom att genomföra sina förslag, med många upphovsrättscertifikat och patent. Ett industrilaboratorium för piezoelektriska motorer under ledning av Lavrinenko skapas vid Kiev Polytechnic Institute, och världens första serieproduktion av piezoelektriska motorer för Elektronika-552 videobandspelare håller på att organiseras. Därefter serietillverkas motorer för diaprojektorer "Dnepr-2", filmkameror , kulventilsdrifter etc. 1980 publicerar Energia förlag den första boken om piezoelektriska motorer [4] , intresse visas för dem. Aktiv utveckling av piezoelektriska motorer börjar vid Kaunas Polytechnic Institute under ledning av prof. Ragulskis K. M. [5] . Vishnevsky V.S., en tidigare doktorand från Lavrinenko, reser till Tyskland, där han fortsätter att arbeta med introduktionen av linjära piezoelektriska motorer på företaget PHyzical Instryment . Den gradvisa studien och utvecklingen av piezoelektriska motorer går utöver Sovjetunionen [6] . I Japan och Kina utvecklas och implementeras vågmotorer aktivt, i Amerika - subminiatyrrotationsmotorer.
En ultraljudsmotor har betydligt mindre dimensioner och vikt jämfört med en elektromagnetisk motor liknande effektegenskaper . Frånvaron av lindningar impregnerade med lim gör den lämplig för användning i vakuum. Ultraljudsmotorn har ett betydande självbromsande moment (upp till 50% av det maximala vridmomentet) i frånvaro av matningsspänning på grund av dess designegenskaper. Detta gör det möjligt att tillhandahålla mycket små diskreta vinkelförskjutningar (från enheter av bågsekunder) utan användning av några speciella åtgärder. Denna egenskap är associerad med den kvasi-kontinuerliga karaktären av driften av den piezoelektriska motorn. Faktum är att det piezoelektriska elementet , som omvandlar elektriska vibrationer till mekaniska, drivs inte av en konstant, utan av en växelspänning av resonansfrekvensen . Vid applicering av en eller två pulser kan en mycket liten vinkelförskjutning av rotorn erhållas . Till exempel, några prover av ultraljudsmotorer med en resonansfrekvens på 2 MHz och en arbetshastighet på 0,2-6 rpm, när en enda puls appliceras på plattorna i det piezoelektriska elementet, i det ideala fallet, rotorns vinkelförskjutning kommer att vara 1 / 9 900 000-1 / 330 000 omkrets, det vill säga 0,13-3,9 bågsekunder. [7]
En av de allvarliga nackdelarna med en sådan motor är dess betydande känslighet för inträngning av fasta ämnen (t.ex. sand). Å andra sidan kan piezomotorer arbeta i ett flytande medium, såsom vatten eller olja.
Den "flexibla" statorn (tunn bimorf platta, ju tunnare plattan är, desto större amplitud på svängningarna och desto lägre resonansfrekvens) "försörjs" med en högfrekvent växelspänning, vilket tvingar den att producera ultraljudsvibrationer som bildas en mekanisk vandringsvåg , som trycker (hakar) intill rotorn. När man förflyttar sig till vänster, påskjutaren - kilad, när man flyttar till höger - kilad. Alla piezoelektriska motorer med pushers arbetar enligt denna princip. Genom att öka antalet påskjutare kan du skapa motorer med enorma startmoment.
Men om en konventionell elmotor kan göras praktiskt taget "på knäet", kan en ultraljudsmotor med en hög verkningsgrad på 80-90% inte skapas utan sofistikerad utrustning. Det är fortfarande möjligt att göra en ultraljudsmotor hemma, men effektiviteten kommer inte att överstiga 60%, för detta kan du ta ett kullager som en rötor och trycka en piezoelektrisk platta med överenskomna dimensioner mot den.
Driften av piezoelektriska rotationsmotorer bygger på principen att alla punkter på det piezoelektriska elementet som kommer i kontakt med rotorn måste röra sig längs banor nära elliptiska. För att göra detta exciteras två typer av ömsesidigt ortogonala oscillationer samtidigt i det piezoelektriska elementet. Det kan vara vilken kombination som helst av ömsesidigt tvärgående longitudinella, böjnings-, skjuv- och vridvibrationer. Det enda viktiga är att dessa svängningar inte ska kopplas mekaniskt, det vill säga energin från en svängning ska inte passera in i en annan svängning (i en fyrkantig platta kommer exciteringen av longitudinella svängningar på ena sidan av den att leda till excitering av longitudinella svängningar på andra sidan, vilket är ett exempel på kopplingsfluktuationer). Om oscillationerna är mekaniskt orelaterade kan varje fasförskjutning erhållas mellan dem. Och optimalt för piezoelektriska motorer är en fasförskjutning lika med 90 grader. I den enklaste motorn (fig. 3) exciteras longitudinella vågor längs våglängden elektriskt i det piezoelektriska elementet, och tvärgående vågor - böjande vågor exciteras när änden av det piezoelektriska elementet rör sig längs rotorns yta. Dimensionerna på det piezoelektriska elementet väljs så att det finns en mekanisk resonans av både längsgående och tvärgående vibrationer. Då kan verkningsgraden överstiga 80 %. För sådana motorer uppstår friktionskontakt mellan rotorn och statorn längs linjen, vilket minskar deras resurs. Spännande med en elektrod (1), fig. 4 i det piezoelektriska elementet (2) torsionsvibrationer och andra elektroder (3) - längsgående vibrationer, kan du skapa en motor med en platt friktionskontakt. Lavrinenko löser resursproblemet på detta sätt. Den använder egenskapen hos en platta som lutar och pressas mot en slät yta för att ändra presskraften när den rör sig i en och motsatt riktning.
En av de viktigaste fördelarna med dessa typer av motorer är att direktdrift är möjlig för alla hastigheter. I konstruktiv mening förenklas drivningen avsevärt och i vissa fall ökar effektivitetsfaktorn, som "äter upp" växellådan, avsevärt. Det är denna egenskap som gjorde det möjligt att utveckla kulventildrifter med valfri flödesyta (fig. 5) och att utföra deras massproduktion.
När det gäller hastighet har piezoelektriska motorer ingen motsvarighet. Detta beror på det faktum att deras effekt inte beror på rotorns massa, vilket är fallet för elektromagnetiska motorer. På en bråkdel av en millisekund får de upp önskad hastighet och kan till och med konkurrera med dyra piezoelektriska ställdon, till exempel för bränsleinjektorer.
Minimisteget för piezoelektriska motorer kan vara tusendelar av en bågsekund. På grundval av dem skapas mikroskopguider som arbetar i nanometerområdet. För hushållsapparater med låg hastighet, på grund av bristen på en växellåda, är de tysta och avger inte lukt från brända lindningar, som de inte har. Hämningen av rotorn i avstängt tillstånd, formens plasticitet, förmågan att integreras i produkten är också användbara.
Piezoelektriska motorer kan tillverkas helt av icke-magnetiska material. Vissa av dem kan arbeta vid höga temperaturer (upp till 300 grader Celsius), i vakuum, i starka magnetfält, under förhållanden med hög strålning, när de är nedsänkta i vatten eller olja.
En ultraljudsmotor kan framgångsrikt användas inom de teknikområden där det är nödvändigt att uppnå minimala vinkel- och linjära rörelser. Till exempel inom astronomi , inom rymdforskning, där exakt orientering krävs för mycket små objekt (stjärnor); i laddade partikelacceleratorer , där det är nödvändigt att hålla strålen i strikt specificerade geometriska koordinater; i vetenskaplig forskning i studiet av kristallografisk struktur (orientering av goniometerhuvudet ); inom robotik osv.
På grundval av piezoelektriska motorer utvecklades följande: drivenheter för antenner och övervakningskameror, elektriska rakapparater, drivenheter för skärverktyg, bandenheter, gatuklockor i torn, drivningar för kulventiler, låghastighetsenheter (2 rpm) för reklamplattformar , elektriska borrar, drivningar för barnleksaker och rörliga proteser, takfläktar, robotdrifter m.m.
Piezoelektriska vågmotorer används också i linser för enlinsreflexkameror . Variationer av namnet på tekniken i sådana linser från olika tillverkare:
Inom verktygsmaskinindustrin används sådana motorer för ultraexakt positionering av skärverktyget.
Det finns till exempel specialverktygshållare för svarvar med ett mikrodrivet verktyg.
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se även evighetsmaskin Kuggväxelmotor gummimotor | |||||||||||||||||
