Motor piezoelétrico

Um motor piezoeléctrico ou piezoeléctrico é um tipo de motor eléctrico baseado na mudança de forma de um material piezoeléctrico quando é aplicado um campo eléctrico. Os motores piezoelétricos utilizam o efeito piezoelétrico inverso dos sensores piezoelétricos, nos quais a deformação ou vibração do material piezoelétrico produz uma carga elétrica. Um circuito elétrico faz vibrações acústicas ou ultra-sônicas no material piezoelétrico, que produzem movimento linear ou rotativo. Em um mecanismo, o alongamento em um único plano faz uma série de trechos e posições, análoga à maneira como uma lagarta se move.

História
Em 1947, as primeiras amostras cerâmicas de titanato de bário foram obtidas e, a partir de então, a produção de motores piezoelétricos tornou-se teoricamente possível. Mas o primeiro desses motores apareceu apenas 20 anos depois. Estudando transformadores piezoelétricos em modos de energia, um funcionário do Instituto Politécnico de Kiev, VV Lavrinenko, descobriu a rotação de um deles no suporte. Tendo entendido a razão desse fenômeno, em 1964 ele criou o primeiro motor de rotação piezelétrico, seguido por um motor linear para acionar um relé. Para o primeiro motor com contato direto de atrito, ele cria grupos de motores não reversíveis com uma conexão mecânica do elemento piezoelétrico com o rotor através dos empurradores. Com base nisso, oferece dezenas de projetos de motores não reversíveis, cobrindo a faixa de velocidade de 0 a 10.000 rpm e a faixa de torque de 0 a 100 Nm. Usando dois motores não reversíveis, Lavrinenko originalmente resolve o problema do reverso. Integralmente no eixo de um motor, ele instala o segundo motor. Ele resolve o problema do recurso motor, estimulando vibrações de torção no elemento piezoelétrico.

Uma década à frente de um trabalho semelhante no país e no exterior, Lavrinenko desenvolveu quase todos os princípios básicos da construção de motores piezoelétricos, sem excluir a possibilidade de seu trabalho no modo de geradores de energia elétrica.

Dada a promessa de desenvolvimento, Lavrinenko, juntamente com os co-autores que o ajudaram a implementar suas propostas, ele defende com inúmeros certificados e patentes de direitos autorais. Um laboratório de ramos de motores piezoelétricos sob a direção de Lavrinenko está sendo criado no Instituto Politécnico de Kiev, e a primeira produção em série do mundo de piezomotores para o VCR Electronics-552 está sendo organizada. Posteriormente, os motores são produzidos para projetores de slides Dnepr-2, câmeras de filme, válvulas de esfera, etc. Em 1980, a Energia publica o primeiro livro sobre motores piezoelétricos que interessa a eles. Desenvolvimento ativo de piezomotores no Instituto Politécnico de Kaunas sob a orientação do prof. Ragulskis KM. Vishnevsky VS, um estudante de pós-graduação no passado, Lavrinenko, parte para a Alemanha, onde continua a trabalhar na introdução de motores piezoelétricos lineares na PHyzical Instryment. O estudo e desenvolvimento gradual de motores piezoelétricos vai além da URSS. No Japão e na China, os motores de ondas estão sendo ativamente desenvolvidos e introduzidos, nos Estados Unidos – motores de rotação subminiatura.

Construção
Um motor ultrassônico tem dimensões e massa significativamente menores em comparação com um motor eletromagnético similar em características de potência. A ausência de enrolamentos impregnados com compostos adesivos o torna adequado para uso em condições de vácuo. Um motor ultrassônico possui um momento de autofrenagem significativo (até 50% do torque máximo) na ausência de tensão de alimentação devido a seus recursos de projeto. Isto permite deslocamentos angulares discretos muito pequenos (a partir de unidades de segundos de arco) sem o uso de nenhuma medida especial. Esta propriedade está associada à natureza quase contínua do piezomotor. De fato, o elemento piezoelétrico que converte oscilações elétricas em mecânicas, é alimentado não por uma constante, mas por uma tensão alternada de uma freqüência de ressonância. Ao aplicar um ou dois pulsos, você pode obter um deslocamento angular muito pequeno do rotor. Por exemplo, algumas amostras de motores ultra-sónicos com uma frequência de ressonância de 2 MHz e uma frequência de funcionamento de 0,2-6 rev / seg, quando se aplica um único impulso às placas do elemento piezoeléctrico, idealmente dariam um deslocamento angular do rotor 1 / 9.900.000-1 / 330.000 a magnitude do círculo, ou seja, 0,13-3,9 segundos angulares.

Um dos sérios inconvenientes de tal motor é sua considerável sensibilidade à ingestão de substâncias sólidas (por exemplo, areia). Por outro lado, os piezomotores podem operar em meio líquido, por exemplo, em água ou em óleo.

Princípios Funcionais
Alguns princípios comumente usados ​​são:

Motor de onda de viagem
Motor de ondas estacionárias
Motor de inércia, também conhecido como motor antiderrapante
Motor “Inchworm”
motor de fronteira
Os motores de ondas estacionárias e de ondas estacionárias e os tipos relacionados também são chamados de motores de vibração porque são acionados por vibrações geradas por atuadores piezelétricos de estado sólido. Em contraste, os motores inerciais, inchworm e stepper são referidos como motores passo-a-passo (piezoelétricos) porque o seu movimento é dividido em passos claramente demarcatórios. No entanto, esta classificação nem sempre é verdadeira em particular com os motores inerciais, uma vez que agora também existem motores inerciais cujo princípio é baseado em vibrações ressonantes.

O estator “flexível” (placa bimorfa fina, quanto mais fina a placa, maior a amplitude de oscilação e menor a freqüência de ressonância), é aplicada a tensão alternada de alta freqüência, que a força a produzir vibrações ultrassônicas que formam uma onda mecânica de deslocamento. que empurra (ganchos) localizados perto do rotor. Ao se mover para a esquerda, o empurrador está se prendendo; quando se move para a direita, está se encaixando. Todos os motores piezoelétricos com empurradores trabalham com este princípio. Aumentando o número de empurradores, você pode criar motores com grandes pontos de partida.

A simplicidade do princípio é difícil de implementar. E se um motor elétrico comum pode ser feito praticamente “no joelho”, um motor ultrassônico com alta eficiência de 80-90% não pode ser criado sem um equipamento sofisticado. Mas se negligenciarmos a eficiência (obtemos 50-60%), podemos criar um motor ultrassônico em casa.

O princípio de que todos os pontos do elemento piezoelétrico que entram em contato com o rotor devem se mover ao longo de trajetórias próximas ao elíptico, é a base do trabalho de motores piezoelétricos de rotação. Para isso, dois tipos de oscilações mutuamente ortogonais são simultaneamente excitados no piezoelemento. Pode ser qualquer combinação de vibrações longitudinais, de flexão, de cisalhamento e de torção transversais. A única coisa importante é que essas oscilações não devem ser conectadas mecanicamente, isto é, a energia de uma oscilação não deve ser transferida para outra oscilação (em uma placa quadrada, a excitação de oscilações longitudinais ao longo do seu lado levará à excitação de oscilações longitudinais do outro lado, que é um exemplo de flutuações). Se as vibrações forem mecanicamente desacopladas, qualquer mudança de fase pode ser obtida entre elas. E o melhor para motores piezoelétricos é um deslocamento de fase de 90 graus. No motor mais simples (Fig. 3), o comprimento de onda longitudinal é excitado eletricamente no elemento piezelétrico, e as ondas transversais, a flexão, são excitadas quando a extremidade do elemento piezoelétrico se move ao longo da superfície do rotor. As dimensões do elemento piezoelétrico são escolhidas de modo que haja ressonância mecânica e oscilações longitudinais e transversais. Então a eficiência pode exceder 80%. Para tais motores, o contato de atrito entre o rotor e o estator ocorre ao longo da linha, o que reduz sua vida útil. Emocionante apenas por eletrodos (1), fig. 4 no elemento piezoelétrico (2) vibrações de torção e outros eletrodos (3) – vibrações longitudinais, você pode criar um motor com um contato de atrito plano. Problema de recursos Lavrinenko resolve dessa maneira.

Motores de onda de viagem
Os motores de ondas de viagem são, na maior parte, motores rotativos. Eles consistem de uma parte fixa, o estator e uma parte móvel, o rotor. O estator contém pelo menos dois transdutores piezelétricos que convertem a tensão CA aplicada em vibrações mecânicas. Os transdutores estão excitados, criando uma onda no estator. Isso se move no contato de atrito entre o estator e o rotor em movimento. Para atingir altas amplitudes de vibração e, portanto, velocidades, o estator geralmente ressoa em freqüências na área Ultrassonografia Operada. Uma onda viajante em motores de ondas lineares é muito mais cara de produzir, e é por isso que os motores de ondas lineares ainda não estão comercialmente disponíveis. Os motores de ondas de viagens alcançaram maior destaque, especialmente através do uso em lentes de câmeras. Exemplos disso podem ser encontrados no artigo “motor de ondas viajantes”.

Motores de Onda Permanente
Em motores de ondas estacionárias, uma oscilação na forma de uma onda estacionária é gerada em um estator por atuadores piezelétricos de estado sólido. O movimento resultante, principalmente elíptico, de um ou mais pontos de contato aciona um rotor. O contato pode ser temporariamente interrompido em amplitudes de alta vibração, resultando em choques. Os motores de ondas estacionárias podem ter muitas formas diferentes e gerar movimentos rotacionais e lineares. A imagem à esquerda mostra um motor de ondas estacionárias rotativas acionado por quatro atuadores piezoelétricos.

Motores de inércia
Os motores de inércia usam a inércia do objeto a ser movido para movê-lo por um contato de atrito. Nos motores inerciais clássicos, uma fase de movimento lento no contato de atrito está sujeita à fricção estática, em uma fase de movimento rápido as forças de inércia tornam-se tão grandes que as peças deslizam umas sobre as outras. Essa mudança entre a fricção estática e a fricção de deslizamento levou à designação generalizada de “motores de deslizamento” (do “bastão ao bastão” e “ao deslizamento” = deslizamento) (veja efeito deslizante). Mas também existem motores inerciais que funcionam sem fases de detenção. Nestes motores, as peças deslizam umas sobre as outras durante as fases de acionamento.

Motores de inércia piezoelétrica podem ser muito simples. No caso mais simples, eles consistem em apenas três componentes, como no exemplo ao lado. As numerosas formas de motores inerciais podem ser distinguidas, entre outras coisas, consoante o atuador de estado sólido de acionamento de motor seja fixo ou se mova com o motor. A maioria dos motores inerciais opera em baixas freqüências de até alguns kHz. No entanto, alguns motores inerciais ressonantes também funcionam na faixa ultrassônica. Motores de inércia são z. B. usado para posicionamento da amostra em microscopia e estabilização de imagem em câmeras digitais.

Motores de minhoca
Os chamados motores “inchworm” funcionam de acordo com o princípio “fixação e deslizamento” mostrado em frente. O princípio do movimento semelhante a uma lagarta era (. Para lagarta inglesa), que geralmente descreve este tipo de motor hoje seu nome para a marca “Inchworm”. O motor mostrado na figura à direita consiste em dois atuadores de fixação e um atuador de alimentação (superior e inferior). Por causa da operação com clock, os motores “inchworm” operam em baixas freqüências na faixa audível. Eles são projetados para grande potência e precisão, menos para alta velocidade.

Motores de caminhada
Ao contrário dos motores “inchworm”, nos chamados motores de passo, a fixação e o acionamento são assumidos pelo mesmo e não por atuadores diferentes. No exemplo mostrado na figura ao lado, dois atuadores de flexão no modelo bimorfo (dois atuadores mais a camada intermediária) são usados ​​para essa finalidade. Os pontos de contato em suas pontas executariam um movimento elíptico com movimento livre. De fato, eles pressionam uma parte desta pista contra o “rotor”, o elemento a ser acionado, e empurram na direção desejada. Devido ao movimento de mudança de fase dos atuadores, sempre pelo menos um deles prende o rotor, para que ele nunca fique livre.

Projetos atuais
Uma técnica de acionamento usa cerâmicas piezoelétricas para empurrar um estator. Esses motores piezoelétricos usam três grupos de cristais – dois de bloqueio e um motivo que se conectam permanentemente ao invólucro ou ao estator do motor (não a ambos). O grupo motriz, colocado entre os outros dois, fornece o movimento. Esses motores piezoelétricos são fundamentalmente motores de passo, com cada etapa compreendendo duas ou três ações, com base no tipo de travamento. Esses motores também são conhecidos como motores de minhoca. Outro mecanismo utiliza ondas acústicas de superfície (SAW) para gerar movimento linear ou rotacional.

Um segundo tipo de acionamento, o motor de rabiscos, utiliza elementos piezoelétricos ligados ortogonalmente a uma porca. Suas vibrações ultra-sônicas giram um parafuso de avanço central. Este é um mecanismo de acionamento direto.

Mecanismos de bloqueio
O comportamento não motorizado do primeiro tipo de motor piezoelétrico é uma das duas opções: normalmente travado ou normalmente livre. Quando nenhuma potência é aplicada a um motor normalmente travado, o fuso ou o carro (para tipos rotativos ou lineares, respectivamente) não se move sob força externa. Um fuso ou carro do motor normalmente livre se move livremente sob força externa. No entanto, se ambos os grupos de travamento estiverem energizados em repouso, um motor normalmente livre resiste a forças externas sem fornecer qualquer força motriz.

Uma combinação de travas mecânicas e cristais pode fazer a mesma coisa, mas restringiria a taxa máxima de avanço do motor. O comportamento de não potência do segundo tipo de motor é bloqueado, pois o parafuso de acionamento é travado pelas roscas na porca. Assim, mantém sua posição com o poder desligado.

Ações de pisar
Independentemente do tipo de travamento, os motores piezelétricos de passo – lineares e rotativos – usam o mesmo mecanismo para criar movimento:

Primeiro, um grupo de cristais de bloqueio é ativado para travar um lado e destravar o outro lado do “sanduíche” de cristais piezo.
Em seguida, o grupo de cristal motriz é acionado e mantido. A expansão desse grupo move o grupo de travamento desbloqueado ao longo do caminho do motor. Este é o único estágio em que o motor se move.
Em seguida, o grupo de bloqueio acionado no estágio um libera (em motores normalmente bloqueados, no outro, aciona).
Em seguida, o grupo de motivos é lançado, recolhendo o grupo de bloqueio “à direita”.
Finalmente, ambos os grupos de bloqueio retornam aos seus estados padrão.

Ações de direcionamento direto
O motor piezoelétrico de acionamento direto cria movimento através de vibração ultra-sônica contínua. Seu circuito de controle aplica uma onda senoidal ou quadrada de dois canais aos elementos piezoelétricos que corresponde à frequência de ressonância do tubo rosqueado – tipicamente uma freqüência ultra-sônica de 40 kHz a 200 kHz. Isso cria movimento orbital que aciona o parafuso.

Velocidade e precisão
O crescimento e a formação de cristais piezoelétricos é uma indústria bem desenvolvida, produzindo uma distorção muito uniforme e consistente para uma dada diferença de potencial aplicada. Isto, combinado com a escala diminuta das distorções, dá ao motor piezoelétrico a capacidade de fazer passos muito finos. Os fabricantes alegam precisão na escala nanométrica. Alta taxa de resposta e rápida distorção dos cristais também permitem que as etapas ocorram em freqüências muito altas – acima de 5 MHz. Isso fornece uma velocidade linear máxima de aproximadamente 800 mm por segundo, ou quase 2,9 km / h.

Uma capacidade única dos motores piezoelétricos é sua capacidade de operar em campos magnéticos fortes. Isso amplia sua utilidade para aplicações que não podem usar motores eletromagnéticos tradicionais – como dentro de antenas de ressonância magnética nuclear. A temperatura operacional máxima é limitada pela temperatura Curie da cerâmica piezelétrica usada e pode exceder + 250 ° C.

Outros projetos

Ação única
Motores de passo de ação simples muito simples podem ser feitos com cristais piezoelétricos. Por exemplo, com um fuso de rotor rígido e rígido revestido com uma camada fina de um material mais macio (como uma borracha de poliuretano), pode ser disposta uma série de transdutores piezoelétricos angulares. (veja a Fig. 2). Quando o circuito de controle aciona um grupo de transdutores, eles empurram o rotor um passo. Esse projeto não pode tornar as etapas tão pequenas ou precisas quanto projetos mais complexos, mas pode atingir velocidades mais altas e é mais barato de ser fabricado.

Patentes
A primeira patente norte-americana a divulgar um motor acionado por vibração pode ser “Método e Aparelho para Fornecimento de Energia Vibratória” (Patente US N ° 3.184.842, Maropis, 1965). A patente Maropis descreve um “aparelho vibratório em que vibrações longitudinais em um elemento de acoplamento ressonante são convertidas em vibrações de torção em um elemento terminal ressonante do tipo toróide”. Os primeiros piezomotores práticos foram projetados e produzidos por V. Lavrinenko no Laboratório Piezoeletrônico, a partir de 1964, Instituto Politécnico de Kiev, URSS. Outras patentes importantes no desenvolvimento inicial desta tecnologia incluem:

“Motor elétrico”, V. Lavrinenko, M. Nekrasov, Patente URSS # 217509, prioridade 10 de maio de 1965.
“Estruturas motoras piezoeltricas” (Patente US No. 4.019.073, Vishnevsky, et al., 1977)
“Motor de vibração torcional acionado piezoeletricamente” (Patente US No. 4.210.837, Vasiliev, et al., 1980)

Benefícios
Uma das vantagens mais importantes desses tipos de motores é que a transmissão direta é possível para qualquer velocidade de rotação. Em um aspecto construtivo, a unidade é significativamente simplificada e, em alguns casos, a eficiência aumenta significativamente, o que “consome” a caixa de câmbio. É essa propriedade que permitiu o desenvolvimento de acionamentos de válvulas de esfera com qualquer área de fluxo (Fig. 5) e sua produção em massa.

Em termos de velocidade, os motores piezoelétricos não têm igual. Isso se deve ao fato de que sua potência não depende da massa do rotor, como é o caso dos motores eletromagnéticos. Para frações de um milissegundo, elas ganham a velocidade necessária e podem competir mesmo com atuadores piezoelétricos caros, por exemplo, para injetores de combustível.

O passo mínimo dos piezomotores pode ser milésimos de segundo angular. Em sua base, guias de microscópios são criados operando em escala nanométrica. Para eletrodomésticos de baixa velocidade, devido à falta de uma caixa de câmbio, eles não emitem ruído e não emitem um odor de enrolamentos queimados, o que eles não têm. A inibição do rotor no estado desconectado, a plasticidade da forma, a capacidade de integrar integralmente no produto também são úteis.

Motores piezoelétricos podem ser feitos inteiramente de materiais não magnéticos. Alguns deles podem trabalhar em condições de altas temperaturas (até 300 graus Celsius), no vácuo, em campos magnéticos fortes, em condições de alta radiação, quando imersos em água ou óleo.

Aplicação
Um motor ultrassônico pode ser usado com sucesso nas áreas de tecnologia onde é necessário obter deslocamentos angulares e lineares mínimos. Por exemplo, na astronomia, na pesquisa espacial, onde a orientação precisa é necessária para objetos muito pequenos (estrelas); em aceleradores de partículas carregadas, onde é necessário manter o feixe em coordenadas geométricas estritamente especificadas; em pesquisa ao estudar a estrutura cristalográfica (orientação da cabeça do goniômetro); em robótica, etc.

Com base em motores piezoelétricos, foram desenvolvidos: acionamentos de antenas e câmeras de vigilância, máquinas de corte elétricas, acionamentos de ferramentas de corte, mecanismos de acionamento de fita, relógios de torres, acionadores de válvulas esféricas, acionamentos de baixa velocidade (2 rpm) de plataformas publicitárias brocas elétricas, acionamentos de brinquedos infantis e próteses móveis, ventiladores de teto, robôs, etc.

Os motores piezoelétricos de ondas também são usados ​​em lentes para câmeras reflex de lente única. Variações do nome da tecnologia em tais lentes de diferentes fabricantes:

Canon – USM, UltraSonic Motor;
Minolta, Sony – SSM, SuperSonic Motor;
Nikon – SWM, Motor de Onda Silencioso;
Olympus – SWD, unidade de ondas supersônicas;
Panasonic – XSM, motor extra silencioso;
Pentax – SDM, motor de acionamento supersônico;
Sigma – HSM, Hyper Sonic Motor;
Tamron – USD, Ultrassons Silenciosos, PZD, Piezo Drive.
Samsung – SSA, Super Sonic Actuator;

Na indústria de máquinas-ferramentas, esses motores são usados ​​para posicionamento ultra-preciso da ferramenta de corte.

Por exemplo, existem porta-ferramentas especiais para tornos com um cortador microdrive.