压电马达或压电电动机(Piezoelectric motor)是一种基于当施加电场时压电材料的形状变化的电动机。 压电马达使用压电传感器的逆压电效应，其中压电材料的变形或振动产生电荷。 电路在压电材料中产生声学或超声波振动，产生线性或旋转运动。 在一种机制中，单个平面中的伸长产生一系列伸展和位置保持，类似于履带的移动方式。
历史
1947年，获得了第一批钛酸钡陶瓷样品，从那时起，压电马达的生产在理论上成为可能。 但第一个这样的引擎仅在20年后才出现。 在功率模式下研究压电变压器，基辅理工学院VV Lavrinenko的一名员工发现了其中一个在支架上的旋转。 在了解了这种现象的原因之后，他于1964年创造了第一台压电旋转电机，接着是一台驱动继电器的线性电机。 对于具有直接摩擦接触的第一电动机，他创建了一组不可逆电动机，其中压电元件与转子通过推动器机械连接。 在此基础上，它提供了数十种不可逆电机的设计，速度范围从0到10,000 rpm，扭矩范围从0到100 Nm。 使用两个不可逆电机，Lavrinenko最初解决了反向问题。 它整体安装在一个电机的轴上，安装第二个电机。 他解决了电机资源的问题，激发了压电元件中的扭转振动。
比国内外类似工作提前十年，Lavrinenko已经开发出几乎所有压电电机构造的基本原理，但不排除它们在电力发电机模式下工作的可能性。
考虑到发展的希望，Lavrinenko与帮助他实施提案的共同作者一起，为许多版权证书和专利辩护。 Lavrinenko指导下的压电电机分支实验室正在基辅理工学院创建，并且正在组织世界上第一个用于VCR Electronics-552的压电电机的连续生产。 随后，为Dnepr-2幻灯片投影仪，电影摄影机，球阀驱动器等生产电机。1980年，Energia出版了第一本关于压电电机的书。 在教授的指导下，在考纳斯理工学院积极开发压电电动机。 Ragulskis KM。 Vishnevsky VS，过去的研究生，Lavrinenko，前往德国，在那里他继续致力于在PHyzical Instryment推出线性压电马达。 压电电机的逐步研究和发展超越了苏联。 在日本和中国，波浪发动机正在美国积极开发和引进 – 超小型旋转发动机。
施工
与功率特性相似的电磁电动机相比，超声波发动机具有明显更小的尺寸和质量。 没有浸渍粘合剂化合物的绕组使其适用于真空条件。 由于其设计特点，超声波发动机在没有电源电压的情况下具有显着的自制动力矩（高达最大扭矩的50％）。 这允许非常小的离散角位移（从弧秒的单位），而不使用任何特殊措施。 该特性与压电电动机的准连续性有关。 实际上，压电元件将电振荡转换成机械振荡，它不是由恒定的，而是由谐振频率的交流电压供电。 当应用一个或两个脉冲时，您可以获得转子的非常小的角位移。 例如，当将单个脉冲施加到压电元件的板时，谐振频率为2MHz且工作频率为0.2-6转/秒的超声波发动机的一些样品理想地给出转子1的角位移。 / 9.900.000-1 / 330.000圆的大小，即0.13-3.9角秒。
这种发动机的一个严重缺点是它对摄入固体物质（例如沙子）具有相当大的敏感性。 另一方面，压电电动机可以在液体介质中操作，例如在水中或油中。
功能原则
一些常用的原则是：
行波电机
驻波电机
惯性马达，也称为粘滑式发动机
“Inchworm”发动机
边境电机
行波和驻波电动机及相关类型也称为振动电动机，因为它们由压电固态致动器产生的振动驱动。 相比之下，惯性，尺inch和步进电机被称为（压电）步进电机，因为它们的运动分为明确划分的步骤。 然而，这种分类并不总是特别适用于惯性电动机，因为现在还存在惯性电动机，其原理基于共振振动。
“柔性”定子（薄双晶板，板越薄，振荡幅度越大，谐振频率越低）施加高频交流电压，迫使其产生形成机械行波的超声波振动，它推动位于转子附近的（钩子）。 向左移动时，推动器楔入; 当向右移动时，它正在楔入。 所有带有按钮的压电马达都按照这个原理工作。 通过增加推动器的数量，您可以创建具有巨大起点的电机。
该原则的简单性难以实施。 如果普通的电动机几乎可以“在膝盖上”制造，那么没有复杂的设备就不能制造出效率高达80-90％的超声波发动机。 但如果我们忽视效率（我们得到50-60％），我们可以在家里制造超声波马达。
与转子接触的压电元件的所有点应该沿着接近椭圆的轨迹移动的原理是压电电机旋转工作的基础。 为此，在压电元件中同时激励两种类型的相互正交的振荡。 它可以是相互横向纵向，弯曲，剪切和扭转振动的任何组合。 唯一重要的是这些振荡不应该是机械连接的，也就是说，来自一个振荡的能量不应转移到另一个振荡（在方形板中，沿其侧面的纵向振荡的激发将导致纵向振荡的激发）另一方面，这是波动的一个例子）。 如果振动是机械解耦的，则可以在它们之间获得任何相移。 压电电机的最佳选择是90度的相移。 在最简单的电动机（图3）中，纵向波长在压电元件中被电激励，并且当压电元件的端部沿转子表面移动时，横向波（弯曲）被激励。 选择压电元件的尺寸使得存在机械共振以及纵向和横向振荡。 那么效率可以超过80％。 对于这种电动机，转子和定子之间的摩擦接触沿着线路发生，这降低了它们的寿命。 仅通过电极激励（1），图。 4在压电元件（2）的扭转振动，和其他电极（3） – 纵向振动，你可以创建一个平坦的摩擦接触电机。 资源问题Lavrinenko以这种方式解决。
旅行波电机
行波电动机大部分是旋转电动机。 它们由固定部分，定子和运动部件（转子）组成。 定子包含至少两个压电换能器，其将施加的AC电压转换成机械振动。 换能器异相激励，在定子上产生行波。 这在定子和转子后面的运动中的摩擦接触上移动。 为了实现高振动幅度并因此实现速度，定子通常在超声波操作区域中的频率处谐振。 线性行波电动机中的行波的制造成本要高得多，这就是线性行波电动机尚未商业化的原因。 旅行波电机已经取得了突出的进展，特别是通过在相机镜头中使用。 这方面的例子可以在文章“行波电动机”中找到。
驻波电机
在驻波电动机中，通过压电固态致动器在定子中产生驻波形式的振荡。 一个或多个接触点的最终椭圆形运动驱动转子。 触点可以在高振动幅度下暂时中断，从而导致冲击。 驻波电动机可以具有许多不同的形状并产生旋转和线性运动。 左图为旋转驻波电机，由四个压电执行器驱动。
惯性电机
惯性马达利用物体的惯性移动以使其在摩擦接触上移动。 在传统的惯性马达中，摩擦接触中的慢速运动阶段受到静摩擦，在快速运动阶段，惯性力变得如此之大以至于部件在彼此之上滑动。 静摩擦和滑动摩擦之间的这种变化导致了广泛的名称“粘滑马达”（从“粘到棒”和“滑到”=滑动）（见粘滑效应）。 但也有惯性马达在没有滞留阶段的情况下工作。 在这些发动机中，零件在驱动阶段相互滑动。
压电惯性电动机可以非常简单。 在最简单的情况下，它们只包含三个组件，如相反的例子。 除了其他之外，根据电动机驱动固态致动器是固定的还是随发动机移动，可以区分多种形式的惯性电动机。 大多数惯性电动机在低至几kHz的低频下工作。 然而，一些谐振惯性电动机也在超声波范围内工作。 惯性马达是z。 B.用于显微镜中的样品定位和数码相机中的图像稳定。
Inchworm电机
所谓的“尺”式电动机根据相反的“夹紧和滑动”原理工作。 类似毛毛虫的运动原理是（。对于卡特彼勒英语），它现在通常将这种类型的发动机描述为品牌名称“Inchworm”。 右图所示的电机由两个夹紧执行器和一个进给执行器（顶部和底部）组成。 由于时钟操作，“尺”式电动机在可听范围内以低频运行。 它们的设计具有强大的功率和精度，而不是高速。
行走马达
与“尺”式电动机不同，在所谓的步进电动机中，夹紧和驱动由相同而不是不同的致动器接管。 在相邻图中所示的示例中，双晶片设计中的两个弯曲致动器（两个致动器加中间层）用于此目的。 它们的尖端处的接触点将执行具有自由运动的椭圆运动。 事实上，他们将这条轨道的一部分压在“转子”上，即要驱动的元件，并将其推向所需的方向。 由于致动器的相移运动总是至少一个夹紧转子，因此它永远不会自由运行。
目前的设计
一种驱动技术使用压电陶瓷来推动定子。 这些压电电机使用三组晶体 – 两个锁定，一个动力永久连接到电机的外壳或定子（不是两者）。 夹在另外两个之间的动机组提供动作。 这些压电电动机基本上是步进电动机，每个步骤包括基于锁定类型的两个或三个动作。 这些电动机也称为电动机。 另一种机制使用表面声波（SAW）来产生线性或旋转运动。
第二种驱动类型，即波浪形马达，使用与螺母正交粘合的压电元件。 它们的超声波振动使中心导螺杆旋转。 这是一种直接驱动机制。
锁定机制
第一类压电马达的无动力行为是两种选择之一：通常锁定或通常自由。 当正常锁定的电动机没有通电时，主轴或滑架（分别用于旋转或线性）不会在外力作用下移动。 正常自由电机的主轴或托架在外力作用下可自由移动。 但是，如果两个锁定组都处于静止状态，则正常自由的电动机会在不提供任何动力的情况下抵抗外力。
机械闩锁和晶体的组合可以做同样的事情，但会限制电机的最大踩踏速率。 第二类电动机的非动力特性被锁定，因为驱动螺杆被螺母上的螺纹锁定。 因此它在断电时保持其位置。
步进行动
无论锁定类型如何，步进式压电电机 – 线性和旋转 – 使用相同的机制来创建运动：
首先，激活一组锁定晶体以锁定一侧并解锁压电晶体“三明治”的另一侧。
接下来，触发并保持动力晶体组。 该组的扩展使解锁的锁定组沿着马达路径移动。 这是电机运动的唯一阶段。
然后在第一阶段释放锁定组（在正常锁定马达中，在另一个中触发）。
然后动机组释放，收回’尾随’锁定组。
最后，两个锁定组都返回其默认状态。
直接驱动行动
直接驱动压电马达通过连续的超声波振动产生运动。 其控制电路将双通道正弦波或方波应用于与螺纹管的弯曲共振频率匹配的压电元件 – 通常为40kHz至200kHz的超声频率。 这会产生驱动螺钉的轨道运动。
速度和精度
压电晶体的生长和形成是一个发展良好的工业，对于给定的应用电位差产生非常均匀和一致的失真。 这与扭曲的微小尺度相结合，使压电马达能够制造非常精细的步骤。 制造商声称精度达到纳米级。 高响应速率和晶体快速失真也使这些步骤发生在非常高的频率 – 高达5 MHz。 这提供了大约每秒800毫米或接近2.9千米/小时的最大线速度。
压电电机的独特功能是它们能够在强磁场中工作。 这扩展了它们对不能使用传统电磁电动机的应用的有用性 – 例如内部核磁共振天线。 最高工作温度受所用压电陶瓷的居里温度限制，可超过+ 250℃。
其他设计
单一行动
非常简单的单作用步进电机可以用压电晶体制成。 例如，对于涂有薄层较软材料（如聚氨酯橡胶）的坚硬且刚性的转子轴，可以布置一系列成角度的压电换能器。 （见图2）。 当控制电路触发一组换能器时，它们将转子推动一步。 这种设计不能使步骤像更复杂的设计那样小或精确，但可以达到更高的速度并且制造成本更低。
专利
公开振动驱动马达的第一个美国专利可以是“用于提供振动能量的方法和装置”（美国专利No.3,184,842，Maropis，1965）。 Maropis的专利描述了一种“振动装置，其中谐振耦合元件中的纵向振动被转换成环形谐振端子元件中的扭转振动”。 第一个实用的压电电动机由V. Lavrinenko在Piezoelectronic实验室设计和生产，起始于1964年，苏联基辅理工学院。 该技术早期开发的其他重要专利包括：
“电动机”，V。Lavrinenko，M。Nekrasov，专利苏联＃217509，优先权1965年5月10日。
“压电电动机结构”（美国专利No.4,019,073，Vishnevsky等，1977）
“压电驱动的扭转振动电动机”（美国专利No.4,210,837，Vasiliev等，1980）。
优点
这些类型的发动机最重要的优点之一是可以对任何转速进行直接驱动。 在建设性方面，驱动器被显着简化，并且在某些情况下效率显着增加，这使得“吃掉”变速箱。 正是这一特性使得球阀驱动器的开发成为可能，其流动面积（图5）及其批量生产。
在速度方面，压电电机并不相同。 这是因为它们的功率不依赖于转子的质量，如电磁马达的情况。 对于几分之一毫秒，它们获得必要的速度并且甚至可以与昂贵的压电致动器竞争，例如，用于燃料喷射器。
压电电动机的最小步长可以是角秒的千分之一。 在它们的基础上，显微镜导向器在纳米范围内工作。 对于低速家用电器，由于没有变速箱，它们是无噪音的，并且不会从烧坏的绕组中散发出气味，而这些气味是他们没有的。 在断开状态下转子的抑制，形状的可塑性，整体整合到产品中的能力也是有用的。
压电马达可完全由非磁性材料制成。 它们中的一些可以在高温（高达300摄氏度），真空，强磁场，高辐射条件下，浸入水或油中的条件下工作。
应用
超声波发动机可以成功地应用于需要实现最小角度和线性位移的技术领域。 例如，在天文学，空间研究中，非常小的物体（星星）需要精确定位; 在带电粒子的加速器中，必须将光束保持在严格规定的几何坐标中; 在研究晶体结构（测角仪头的方向）时的研究; 在机器人等
基于压电电机，开发了以下产品：天线和监控摄像头驱动器，电动剃须刀，切割工具驱动器，磁带驱动机构，塔式街道时钟，球阀驱动器，广告平台的低速（2 rpm）驱动器，电动钻，儿童玩具和移动假肢的驱动器，吊扇，机器人等。
波浪压电马达也用于单镜头反光相机的镜头。 不同制造商生产的此类镜片技术名称的变化：
佳能 – USM，UltraSonic电机;
美能达，索尼 – SSM，超音速马达;
尼康 – SWM，Silent Wave Motor;
奥林巴斯 – SWD，超音波驱动器;
Panasonic – XSM，超静音电机;
Pentax – SDM，超音速驱动电机;
Sigma – HSM，Hyper Sonic Motor;
腾龙 – 美元，超声波静音驱动器，PZD，压电驱动器。
三星 – SSA，超声波执行器;
在机床工业中，这些发动机用于切削工具的超精确定位。
例如，有一个特殊的刀架，用于带微驱动刀具的车床。