Un motore piezoelettrico o un motore piezoelettrico è un tipo di motore elettrico basato sul cambiamento di forma di un materiale piezoelettrico quando viene applicato un campo elettrico. I motori piezoelettrici utilizzano l’effetto piezoelettrico inverso dei sensori piezoelettrici, in cui la deformazione o la vibrazione del materiale piezoelettrico produce una carica elettrica. Un circuito elettrico produce vibrazioni acustiche o ultrasoniche nel materiale piezoelettrico, che producono un movimento lineare o rotatorio. In un meccanismo, l’allungamento su un solo piano crea una serie di tratti e posizioni, analogamente al modo in cui si muove un bruco.

Storia
Nel 1947 furono ottenuti i primi campioni ceramici di titanato di bario e, da quel momento in poi, la produzione di motori piezoelettrici divenne teoricamente possibile. Ma il primo motore simile apparve solo 20 anni dopo. Studiando trasformatori piezoelettrici in modalità di potenza, un impiegato del Politecnico di Kiev V. V. Lavrinenko ha scoperto la rotazione di uno di loro nel titolare. Avendo compreso la ragione di questo fenomeno, nel 1964 creò il primo motore di rotazione piezoelettrico, seguito da un motore lineare per azionare un relè. Per il primo motore a contatto diretto con l’attrito, crea gruppi di motori non reversibili con un collegamento meccanico dell’elemento piezoelettrico con il rotore attraverso i pulsanti. Su questa base, offre decine di modelli di motori non reversibili, che coprono il campo di velocità da 0 a 10.000 rpm e il range di coppia da 0 a 100 Nm. Usando due motori non reversibili, Lavrinenko inizialmente risolve il problema del rovescio. Integralmente sull’albero di un motore installa il secondo motore. Risolve il problema delle risorse motorie, eccitando vibrazioni torsionali nell’elemento piezoelettrico.

A dieci anni di distanza da lavori simili nel paese e all’estero, Lavrinenko ha sviluppato quasi tutti i principi di base della costruzione di motori piezoelettrici, senza escludere la possibilità del loro lavoro nella modalità dei generatori di energia elettrica.

Data la promessa di sviluppo, Lavrinenko, insieme ai coautori che lo hanno aiutato ad attuare le sue proposte, difende con numerosi certificati e brevetti di copyright. Un laboratorio filiale di motori piezoelettrici sotto la direzione di Lavrinenko è stato creato presso l’Istituto Politecnico di Kiev, e viene organizzata la prima produzione al mondo di piezomotori per il VCR Electronics-552. Successivamente, i motori vengono prodotti per proiettori a diapositive Dnepr-2, videocamere, azionamenti di valvole a sfera, ecc. Nel 1980, Energia pubblica il primo libro sui motori piezoelettrici che interessa loro. Sviluppo attivo dei piezomotori nell’Istituto Politecnico di Kaunas sotto la guida del prof. Ragulskis K.M .. Vishnevsky V.S., uno studente laureato in passato, Lavrinenko, parte per la Germania, dove continua a lavorare sull’introduzione di motori piezoelettrici lineari a PHyzical Instryment. Lo studio e lo sviluppo graduale dei motori piezoelettrici va oltre l’URSS. In Giappone e in Cina, i motori a onde sono stati attivamente sviluppati e introdotti, in America, motori di rotazione subminiatura.

Costruzione
Un motore ad ultrasuoni ha dimensioni e massa significativamente inferiori rispetto a un motore elettromagnetico simile nelle caratteristiche di potenza. L’assenza di avvolgimenti impregnati di composti adesivi lo rende idoneo all’uso in condizioni di vuoto. Un motore ad ultrasuoni ha un significativo momento di auto-frenatura (fino al 50% della coppia massima) in assenza di tensione di alimentazione a causa delle sue caratteristiche di progettazione. Ciò consente spostamenti angolari discreti molto piccoli (da unità di secondi d’arco) senza l’uso di alcuna misura speciale. Questa proprietà è associata alla natura quasi continua del piezomotore. Infatti, l’elemento piezoelettrico che converte le oscillazioni elettriche in quelle meccaniche, è alimentato non da una costante, ma da una tensione alternata di una frequenza di risonanza. Quando si applicano uno o due impulsi, è possibile ottenere uno spostamento angolare molto piccolo del rotore. Ad esempio, alcuni campioni di motori ad ultrasuoni con una frequenza di risonanza di 2 MHz e una frequenza operativa di 0,2-6 giri / sec, quando si applica un singolo impulso alle piastre dell’elemento piezoelettrico, idealmente darebbero uno spostamento angolare del rotore 1 / 9.900.000-1 / 330.000 la grandezza del cerchio, cioè 0.13-3.9 secondi angolari.

Uno dei gravi inconvenienti di un tale motore è la sua notevole sensibilità all’ingestione di sostanze solide (ad esempio sabbia). D’altra parte, i piezomotori possono operare in un mezzo liquido, ad esempio, in acqua o in olio.

Principi funzionali
Alcuni principi comunemente usati sono:

Motore a onde mobili
Motore ad onde stazionarie
Motore ad inerzia, noto anche come motore antiscivolo
Motore “Inchworm”
motore di confine
I motori ad onde mobili e ad onde stazionarie e i relativi tipi sono anche indicati come motori a vibrazione perché sono azionati da vibrazioni generate da attuatori piezoelettrici a stato solido. Al contrario, i motori inerziali, i centimetri ei motori passo-passo sono indicati come motori passo-passo (piezoelettrici) perché il loro movimento è suddiviso in passi chiaramente demarcatori. Tuttavia, questa classificazione non è sempre vera in particolare con i motori inerziali, poiché ora ci sono anche motori inerziali il cui principio è basato su vibrazioni risonanti.

Lo statore “flessibile” (piastra bimorfo sottile, più sottile è la piastra, maggiore è l’ampiezza dell’oscillazione e minore è la frequenza di risonanza) viene applicata la tensione alternata ad alta frequenza, che la costringe a produrre vibrazioni ultrasoniche che formano un’onda meccanica in movimento, che spinge (ganci) situati vicino al rotore. Quando ci si sposta a sinistra, lo spintore si incunea; quando ci si sposta a destra, si incunea. Tutti i motori piezoelettrici con pulsantieri lavorano su questo principio. Aumentando il numero di pulsanti, è possibile creare motori con enormi punti di partenza.

La semplicità del principio è difficile da implementare. E se un normale motore elettrico può essere fatto praticamente “sul ginocchio”, un motore ad ultrasuoni con un’alta efficienza dell’80-90% non può essere creato senza attrezzature sofisticate. Ma se trascuriamo l’efficienza (otteniamo il 50-60%), possiamo creare un motore ultrasonico a casa.

Il principio secondo cui tutti i punti dell’elemento piezoelettrico che entrano in contatto con il rotore dovrebbero spostarsi lungo traiettorie vicine all’ellittico, è alla base del lavoro dei motori piezoelettrici di rotazione. Per questo, due tipi di oscillazioni reciprocamente ortogonali sono simultaneamente eccitati nel piezoelemento. Può essere una qualsiasi combinazione di vibrazioni longitudinali, di flessione, di taglio e di torsione reciprocamente trasversali. L’unica cosa importante è che queste oscillazioni non dovrebbero essere collegate meccanicamente, cioè l’energia proveniente da una oscillazione non dovrebbe trasferirsi ad un’altra oscillazione (in una piastra quadrata, l’eccitazione delle oscillazioni longitudinali lungo il suo lato porterà all’eccitazione delle oscillazioni longitudinali dall’altra parte, che è un esempio di fluttuazioni). Se le vibrazioni sono disaccoppiate meccanicamente, è possibile ottenere qualsiasi sfasamento tra di esse. E l’optimum per i motori piezoelettrici è uno sfasamento di 90 gradi. Nel motore più semplice (figura 3), la lunghezza d’onda longitudinale viene eccitata elettricamente nell’elemento piezoelettrico e le onde trasversali, la flessione, vengono eccitate quando la estremità dell’elemento piezoelettrico si muove lungo la superficie del rotore. Le dimensioni dell’elemento piezoelettrico sono scelte in modo tale che vi sia una risonanza meccanica e oscillazioni longitudinali e trasversali. Quindi l’efficienza può superare l’80%. Per tali motori, il contatto per attrito tra il rotore e lo statore avviene lungo la linea, che ne riduce la durata. Eccitazione solo per elettrodi (1), fig. 4 nell’elemento piezoelettrico (2) vibrazioni torsionali e altri elettrodi (3) – vibrazioni longitudinali, è possibile creare un motore con un contatto a frizione piatta. Problema delle risorse Lavrinenko risolve in questo modo.

Motori ad onde da viaggio
I motori a onda mobile sono per la maggior parte motori rotativi. Sono costituiti da una parte fissa, lo statore e una parte mobile, il rotore. Lo statore contiene almeno due trasduttori piezoelettrici che convertono la tensione CA applicata in vibrazioni meccaniche. I trasduttori sono eccitati sfasati, creando un’onda in movimento sullo statore. Questo si muove sul contatto di attrito tra lo statore e il rotore quest’ultimo in movimento. Al fine di ottenere ampiezze di vibrazione elevate e quindi velocità, lo statore risuona solitamente a frequenze nell’area degli ultrasuoni. Un’onda viaggiante nei motori a onde mobili lineari è molto più costosa da produrre, motivo per cui i motori a onde mobili lineari non sono ancora disponibili in commercio. I motori a onda da viaggio hanno acquisito maggiore risalto, soprattutto attraverso il loro uso negli obiettivi della fotocamera. Esempi di questo possono essere trovati nell’articolo “motore a onde mobili”.

Motori ad onde stazionarie
Nei motori ad onde stazionarie, in uno statore viene generata un’oscillazione sotto forma di un’onda stazionaria mediante attuatori piezoelettrici a stato solido. Il movimento risultante, per lo più ellittico, di uno o più punti di contatto guida un rotore. Il contatto può essere temporaneamente interrotto ad ampiezze di vibrazione elevate, provocando shock. I motori ad onde stazionarie possono avere molte forme diverse e generare movimenti rotatori e lineari. L’immagine a sinistra mostra un motore rotativo ad onde stazionarie azionato da quattro attuatori piezoelettrici.

Motori di inerzia
I motori di inerzia utilizzano l’inerzia dell’oggetto da spostare per spostarlo su un contatto di attrito. Nei motori inerziali classici, una fase di rallentatore nel contatto di attrito è soggetta ad attrito statico, in una fase di movimento rapido le forze inerziali diventano così grandi che le parti scivolano l’una sull’altra. Questo cambiamento tra attrito statico e attrito radente ha portato alla designazione diffusa di “motori antiscivolo” (da “stick to stick” e “a slip” = scorrevole) (vedi effetto stick-slip). Ma ci sono anche motori inerziali che funzionano senza fasi di detenzione. In questi motori, le parti scivolano l’una sull’altra durante le fasi di guida.

I motori di inerzia piezoelettrici possono essere molto semplici. Nel caso più semplice, sono costituiti da solo tre componenti, come nell’esempio a fianco. Le numerose forme di motori inerziali possono essere distinte, tra le altre cose, a seconda che l’attuatore a stato solido del motore sia fisso o si muova con il motore. La maggior parte dei motori inerziali funziona a basse frequenze fino a pochi kHz. Tuttavia, alcuni motori inerziali risonanti funzionano anche nel campo degli ultrasuoni. I motori di inerzia sono z. B. utilizzato per il posizionamento del campione in microscopia e stabilizzazione dell’immagine nelle fotocamere digitali.

Motori di Inchworm
I cosiddetti motori “inchworm” funzionano secondo il principio “clamping and sliding” mostrato di fronte. Il principio del movimento a forma di bruco era (. Per caterpillar inglese), che generalmente descrive questo tipo di motore oggi il suo nome al marchio “Inchworm”. Il motore mostrato nella figura a destra è composto da due attuatori di bloccaggio e un attuatore di alimentazione (superiore e inferiore). A causa del funzionamento con clock, i motori “inchworm” operano a basse frequenze nel range udibile. Sono progettati per grande potenza e precisione, meno per l’alta velocità.

Motori a piedi
A differenza dei motori “inchworm”, nei cosiddetti motori passo-passo, il bloccaggio e l’azionamento vengono rilevati dallo stesso e non da diversi attuatori. Nell’esempio mostrato nell’immagine adiacente, per questo scopo vengono utilizzati due attuatori di piegatura in design bimorfo (due attuatori più strato intermedio). I punti di contatto alle loro punte eseguono un movimento ellittico con movimento libero. Infatti, premono su una parte di questa pista contro il “rotore”, l’elemento da guidare, e lo spingono nella direzione desiderata. A causa del movimento sfasato degli attuatori, sempre almeno uno blocca il rotore, in modo che non scorra mai.

Disegni attuali
Una tecnica di guida utilizza ceramiche piezoelettriche per spingere uno statore. Questi motori piezoelettrici utilizzano tre gruppi di cristalli: due bloccaggi e un motivo che si collega in modo permanente all’alloggiamento o allo statore del motore (non entrambi). Il gruppo di motivazione, inserito tra gli altri due, fornisce il movimento. Questi motori piezoelettrici sono fondamentalmente motori passo-passo, in cui ogni fase comprende due o tre azioni, in base al tipo di bloccaggio. Questi motori sono anche conosciuti come motori anti-vandali. Un altro meccanismo utilizza onde acustiche superficiali (SAW) per generare movimento lineare o rotatorio.

Un secondo tipo di azionamento, il motore a scarpone, utilizza elementi piezoelettrici legati ortogonalmente a un dado. Le loro vibrazioni ultrasoniche ruotano una vite di comando centrale. Questo è un meccanismo di guida diretta.

Meccanismi di blocco
Il comportamento non alimentato del primo tipo di motore piezoelettrico è una delle due opzioni: normalmente bloccata o normalmente libera. Quando non viene applicata potenza a un motore normalmente bloccato, il mandrino o il carrello (rispettivamente per i tipi rotativi o lineari) non si muove sotto la forza esterna. Un mandrino o un carrello del motore normalmente libero si muove liberamente sotto la forza esterna. Tuttavia, se entrambi i gruppi di chiusura sono alimentati a riposo, un motore normalmente libero resiste alla forza esterna senza fornire alcuna forza motrice.

Una combinazione di fermi e cristalli meccanici può fare la stessa cosa, ma limiterebbe la velocità massima di avanzamento del motore. Il comportamento di non potenza del secondo tipo di motore è bloccato, poiché la vite di azionamento è bloccata dalle filettature sul dado. Così mantiene la sua posizione con lo spegnimento.

Azioni passo a passo
Indipendentemente dal tipo di blocco, i motori piezoelettrici a passo-passo-lineare e rotante utilizzano lo stesso meccanismo per creare movimento:

Innanzitutto, un gruppo di cristalli di chiusura è attivato per bloccare un lato e sbloccare l’altro lato del “sandwich” di cristalli piezoelettrici.
Successivamente, il gruppo di cristallo dei motivi viene attivato e trattenuto. L’espansione di questo gruppo sposta il gruppo di blocco sbloccato lungo il percorso del motore. Questa è l’unica fase in cui il motore si muove.
Quindi il gruppo di chiusura si attiva nella versione 1 (nei motori normalmente bloccati, nell’altra si innesca).
Quindi il gruppo di motivazione rilascia, ritraendo il gruppo di blocco ‘finale’.
Infine, entrambi i gruppi di blocco tornano ai loro stati di default.

Azioni di guida diretta
Il motore piezoelettrico a trasmissione diretta crea movimento attraverso la vibrazione ultrasonica continua. Il suo circuito di controllo applica un’onda sinusoidale o quadrata a due canali agli elementi piezoelettrici che corrisponde alla frequenza di risonanza di flessione del tubo filettato, tipicamente una frequenza ultrasonica da 40 kHz a 200 kHz. Questo crea movimento orbitale che guida la vite.

Velocità e precisione
La crescita e la formazione di cristalli piezoelettrici è un’industria ben sviluppata, che produce una distorsione molto uniforme e coerente per una determinata differenza di potenziale applicata. Questo, combinato con la scala dei minuti delle distorsioni, conferisce al motore piezoelettrico la capacità di fare passi molto sottili. I produttori affermano la precisione su scala nanometrica. L’elevata velocità di risposta e la rapida distorsione dei cristalli consentono inoltre che i passaggi avvengano a frequenze molto alte, fino a 5 MHz. Ciò fornisce una velocità lineare massima di circa 800 mm al secondo o quasi 2,9 km / h.

Una capacità unica dei motori piezoelettrici è la loro capacità di operare in forti campi magnetici. Ciò estende la loro utilità alle applicazioni che non possono utilizzare i tradizionali motori elettromagnetici, come le antenne di risonanza magnetica nucleare. La temperatura operativa massima è limitata dalla temperatura di Curie della ceramica piezoelettrica utilizzata e può superare + 250 ° C.

Altri disegni

Azione singola
I motori passo-passo ad azione singola molto semplici possono essere realizzati con cristalli piezoelettrici. Ad esempio, con un mandrino del rotore rigido e rigido rivestito con uno strato sottile di un materiale più morbido (come una gomma poliuretanica), è possibile disporre una serie di trasduttori piezoelettrici angolati. (vedi Fig. 2). Quando il circuito di controllo attiva un gruppo di trasduttori, spingono il rotore di un passo. Questo design non può rendere i passaggi piccoli o precisi come i progetti più complessi, ma può raggiungere velocità più elevate ed è più economico da produrre.

brevetti
Il primo brevetto degli Stati Uniti per rivelare un motore azionato da vibrazioni può essere “Metodo ed apparecchiatura per erogare energia vibratoria” (brevetto statunitense No. 3.184.842, Maropis, 1965). Il brevetto Maropis descrive un “apparecchio vibratorio in cui le vibrazioni longitudinali in un elemento di accoppiamento risonante sono convertite in vibrazioni torsionali in un elemento terminale risonante di tipo toroidale.” I primi piezomotori pratici furono progettati e prodotti da V. Lavrinenko nel laboratorio piezoelettronico, a partire dal 1964, al Politecnico di Kiev, all’URSS. Altri importanti brevetti nello sviluppo iniziale di questa tecnologia includono:

“Motore elettrico”, V. Lavrinenko, M. Nekrasov, Brevetto USSR # 217509, priorità 10 maggio 1965.
“Strutture motrici piezoelettriche” (brevetto statunitense No. 4.019.073, Vishnevsky, et al., 1977)
“Motore di vibrazione torsionale azionato piezoelettrico” (brevetto statunitense No. 4.210.837, Vasiliev, et al., 1980)

Benefici
Uno dei vantaggi più importanti di questi tipi di motori è che l’azionamento diretto è possibile per qualsiasi velocità di rotazione. In un rispetto costruttivo, l’azionamento è notevolmente semplificato e in alcuni casi l’efficienza aumenta significativamente, il che “mangia” il cambio. È questa proprietà che ha permesso lo sviluppo di trasmissioni con valvole a sfera con qualsiasi area di flusso (Fig. 5) e la loro produzione di massa.

In termini di velocità, i motori piezoelettrici non hanno eguali. Ciò è dovuto al fatto che la loro potenza non dipende dalla massa del rotore, come nel caso dei motori elettromagnetici. Per frazioni di un millisecondo, ottengono la velocità necessaria e possono competere anche con costosi attuatori piezoelettrici, ad esempio per iniettori di carburante.

Il passo minimo dei piezomotori può essere un millesimo di secondo angolare. Sulla loro base, le guide dei microscopi sono create operando nell’intervallo di nanometri. Per gli elettrodomestici a bassa velocità, a causa della mancanza di un riduttore, sono silenziosi e non emettono alcun odore dagli avvolgimenti bruciati, che non hanno. Sono anche utili l’inibizione del rotore nello stato disconnesso, la plasticità della forma, la capacità di integrarsi integralmente nel prodotto.

I motori piezoelettrici possono essere realizzati interamente con materiali non magnetici. Alcuni di loro possono lavorare in condizioni di alte temperature (fino a 300 gradi Celsius), nel vuoto, in forti campi magnetici, in condizioni di alta radiazione, quando immersi in acqua o olio.

Applicazione
Un motore ultrasonico può essere utilizzato con successo in quei settori della tecnologia in cui è necessario ottenere spostamenti angolari e lineari minimi. Ad esempio, in astronomia, nella ricerca spaziale, dove è richiesto un orientamento preciso per oggetti molto piccoli (stelle); in acceleratori di particelle cariche, dove è necessario mantenere il raggio in coordinate geometriche strettamente specificate; nella ricerca studiando la struttura cristallografica (orientamento della testa goniometrica); in robotica, ecc.

Basati su motori piezoelettrici, sono stati sviluppati: azionamenti di antenne e telecamere di sorveglianza, rasoi elettrici, azionamenti di utensili da taglio, meccanismi a nastro, orologi a torre, azionamenti di valvole a sfera, azionamenti a bassa velocità (2 rpm) di piattaforme pubblicitarie, trapani elettrici, trasmissioni di giocattoli per bambini e protesi mobili, ventilatori a soffitto, robot, ecc.

I motori piezoelettrici a onda vengono anche utilizzati negli obiettivi per fotocamere reflex a obiettivo singolo. Variazioni del nome della tecnologia in tali obiettivi di diversi produttori:

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.
Samsung – SSA, Super Sonic Actuator;

Nel settore delle macchine utensili, questi motori sono utilizzati per il posizionamento ultra-preciso dello strumento di taglio.

Ad esempio, sono disponibili portautensili speciali per torni con fresa microdrive.