Конструкция и принцип действия пьезоэлектрических микродвигателей

В настоящее время известно более 50 различных конструкций ПМД. Рассмотрим некоторые из них. К неподвижному пьезоэлементу (ПЭ) — статору — прикладывается переменное трехфазное напряжение (рис. 1.1). Под действием электрического поля конец ПЭ последовательно изгибаясь в трех плоскостях, описывает круговую траекторию. Штырь, расположенный на подвижном конце ПЭ, фрикционно взаимодействует с ротором и приводит его во вращение.

Рис. 1.1.

Большое практическое значение получили шаговые ПМД (рис. 1.2.).

Электромеханический преобразователь, например, в виде камертона 1 передает колебательные движения стержню 2, который перемещает ротор 3 на один зубец. При движении стержня назад собачка 4 фиксирует ротор в заданном положении.

Рис. 1.2.

Мощность описанных выше конструкций не превышает сотые доли ватта, поэтому использование их в качестве силовых приводов весьма проблематично. Наиболее перспективными оказались конструкции, в основе которых лежит принцип весла. Вспомним, как движется лодка. За время, пока весло находится в воде, его движение преобразуется в линейное перемещение лодки. В паузах между гребками лодка движется по инерции.

Основными элементами конструкции рассматриваемого двигателя являются статор и ротор (рис. 1.3). На основании 1 установлен подшипник 2. Ротор 3, выполненный из твердого материала (сталь, чугун, керамика и пр.) представляет собой гладкий цилиндр.

Неотъемлемой частью ПМД является акустически изолированная от основания и оси ротора электромеханическая колебательная система — осциллятор (вибратор). В простейшем случае он состоит из пьезопластины 4 вместе с износостойкой прокладкой 5.

Второй конец пластины закреплен в основании с помощью эластичной прокладки 6 из фторопласта, резины или другого подобного материала. Осциллятор прижимается к ротору стальной пружиной 7, конец которой через эластичную прокладку 8 давит на вибратор. Для регулирования степени прижатия служит винт 9.

Чтобы объяснить механизм образования вращающего момента, вспомним маятник. Если маятнику сообщить колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в зависимости от амплитуд, частоты и фаз возмущающих сил его конец будет описывать траекторию от круга до сильно вытянутого эллипса. Так и в нашем случае. Если подвести к пьезопластине переменное напряжение определенной частоты, ее линейный размер будет периодически изменяться: то увеличиваться, то уменьшаться, т. е. пластина будет совершать продольные колебания (рис. 1.4,а). При увеличении длины пластины ее конец вместе с ротором переместится и в поперечном направлении (рис. 1.4,б). Это эквивалентно действию поперечной изгибающей силы, которая вызывает поперечные колебания.

Рис. 1.4.

Сдвиг фаз продольных и поперечных колебаний зависит от размеров пластины, рода материала, частоты питающего напряжения и в общем случае может изменяться от до .

При сдвиге фаз, отличном от и, контактная точка движется по эллипсу. В момент соприкосновения с ротором пластина передает ему импульс движения (рис. 1.4,в). Линейная скорость вращения ротора зависит от амплитуды и частоты смещения конца осциллятора.

Следовательно, чем больше напряжение питания и длина пьезоэлемента, тем больше должна быть линейная скорость вращения ротора. Однако не следует забывать, что с увеличением длины вибратора, уменьшается частота его колебаний. Максимальная амплитуда смещения осциллятора ограничивается пределом прочности материала или перегревом пьезоэлемента. Перегрев материала свыше критической температуры — температуры Кюри, приводит к потере пьезоэлектрических свойств.

Для многих материалов температура Кюри превышает, поэтому максимальная амплитуда смещения практически ограничивается пределом прочности материала.

С учетом двукратного запаса по прочности принимают .

Угловая скорость ротора.

.

где — диаметр ротора.

Отсюда частота вращения в оборотах в минуту Если диаметр ротора см, то об/мин. Таким образом, изменяя только диаметр ротора, можно в широких пределах изменять частоту вращения машины.

Уменьшение напряжения питания позволяет снизить частоту вращения до 30 об/мин при сохранении достаточно высокой мощности на единицу массы двигателя. Армируя вибратор высокопрочными сапфировыми пластинами, удается поднять частоту вращения до 10 000 об/мин. Это позволяет в широкой области практических задач выполнять привод без использования механических редукторов.