ЛЕКЦИЯ 14
7. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ

Пьезоэлектрическими микродвигателями (ПМД) называются двигатели, в которых механическое перемещение ротора осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта [7].

Отсутствие обмоток и простота технологии изготовления не являются единственными преимуществами пьезоэлектрических двигателей. Высокая удельная мощность (123 Вт/кг у ПМД и 19 Вт/кг у обычных электромагнитных микродвигателей), большой КПД (получен рекордный до настоящего времени КПД = 85%), широкий диапазон частот вращения и моментов на валу, отличные механические характеристики, отсутствие излучаемых магнитных полей и ряд других преимуществ пьезоэлектрических двигателей позволяют рассматривать их как двигатели, которые в широких масштабах заменят применяемые в настоящее время электрические микромашины.

§ 7.1. Пьезоэлектрический эффект

Известно, что некоторые твердые материалы, например, кварц способны в электрическом поле изменять свои линейные размеры. Железо, никель, их сплавы или окислы при изменении окружающего магнитного поля также могут изменять свои размеры. Первые из них относятся к пьезоэлектрическим материалам, а вторые - к пьезомагнитным. Соответственно различают пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты.

Пьезоэлектрический двигатель может быть выполнен как из тех, так и из других материалов. Однако наиболее эффективными в настоящее время являются пьезоэлектрические, а не пьезомагнитные двигатели.

Существует прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой - это появление электрического заряда при деформации пьезоэлемента. Обратный - линейное изменение размеров пьезоэлемента при изменении электрического поля. Впервые пьезоэффект обнаружили Жанна и Поль Кюри в 1880 году на кристаллах кварца. В дальнейшем эти свойства были открыты более чем у 1500 веществ, из которых широко используются сегнетова соль, титанат бария и др. Ясно, что пьезоэлектрические двигатели"работают" на обратном пьезоэффекте.

§ 7.2. Конструкция и принцип действия пьезоэлектрических микродвигателей

В настоящее время известно более 50 различных конструкций ПМД. Рассмотрим некоторые из них.

Рис. 7.1.

К неподвижному пьезоэлементу (ПЭ)- статору - прикладывается переменное трехфазное напряжение (рис. 7.1). 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. 7.2.

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 (рис. 7.3).

Рис. 7.4.

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.7.4). На основании 1 установлен подшипник 2. Ротор 3, выполненный из твердого материала (сталь, чугун, керамика и пр.) представляет собой гладкий цилиндр. Неотъемлемой частьюПМД является акустически изолированная от основания и оси ротораэлектромеханическая 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. Осцилятор прижимается к ротору стальной пружиной7, конец которой через эластичную прокладку 8 давит на вибратор. Длярегулирования степени прижатия служит винт 9.

Чтобы объяснить механизм образования вращающего момента, вспомниммаятник. 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 сильновытянутого эллипса. Так и в нашем случае. Если подвести к пьезопластине переменное напряжение определенной частоты, ее линейный размербудет периодически изменяться: то увеличиваться, то уменьшаться, т.е. пластина будет совершать продольные колебания (рис. 7.5,а).

При увеличении длины пластины ее конец вместе с ротором переместится и впоперечном направлении (рис. 7.5,б). Это эквивалентно действию поперечной изгибающей силы, которая вызывает поперечные колебания. Сдвигфаз продольных и поперечных колебаний зависит от размеров пластины,рода материала, частоты питающего напряжения и в общем случае можетизменяться от 0^о до 180^о. При сдвиге фаз, отличном от 0^о и 180^о,контактная точка движется по эллипсу. В момент соприкосновения с роторомпластина передает ему импульс движения (рис. 7.5,в).

Линейная скорость вращения ротора зависит от амплитуды и частотысмещения конца осциллятора. Следовательно,чем больше напряжение питания и длина пьезоэлемента, тем больше должна быть линейная скоростьвращения ротора. Однако не следует забывать, что с увеличением длинывибратора, уменьшается частота его колебаний.

Максимальная амплитуда смещения осциллятора ограничивается пределом прочности материала или перегревом пьезоэлемента. Перегревматериала свыше критической температуры - температуры Кюри,приводит кпотере пьезоэлектрических свойств. Для многих материалов температураКюри превышает 250⁰С, поэтому максимальная амплитуда смещенияпрактически ограничивается пределом прочности материала. С учетом двукратного запаса по прочности принимают V_P = 0,75 м/с.

Угловая скорость ротора

где D_P - диаметр ротора.

Отсюда частота вращения в оборотах в минуту

Если диаметр ротора D_P = 0,5 - 5 см, то n = 3000 - 300 об/мин.Таким образом, изменяя только диаметр ротора, можно в широких пределах изменять частоту вращения машины.

Уменьшение напряжения питания позволяет снизить частоту вращениядо 30 об/мин при сохранении достаточно высокой мощности на единицумассы двигателя. Армируя вибратор высокопрочными сапфировымипластинами, удается поднять частоту вращения до 10000 об/мин. Этопозволяет в широкой области практических задач выполнять привод безиспользования механических редукторов.

§ 7.3. Применение пьезоэлектрических микродвигателей

Надо отметить, что применение ПМД пока весьма ограничено. В настоящее время к серийному производству рекомендован пьезопривод дляпроигрывателя, разработанного конструкторами объединения "Эльфа" (г. Вильнюс), и пьезоэлектрический привод ведущего вала видеомагнитофона,созданного в объединении "Позитрон" .

Применение ПМД в аппаратах звуко- и видеозаписи позволяет по новому подойти к проектированию механизмов транспортирования ленты,поскольку элементы этого узла органически вписываются в двигатель,становясь его корпусом, подшипниками, прижимом и т.п. Указанные свойства пьезодвигателя позволяют осуществить непосредственный приводдиска проигрывателя путем установки на его валу ротора, к поверхностикоторого постоянно прижат осциллятор. Мощность на валу проигрывателяне превышает 0,2 Вт, поэтому ротор ПМД может быть изготовлен как изметалла, так и из пластмассы, например карболита.

Изготовлен опытный образец электробритвы "Харьков-6М" с двумя ПМДобщей мощностью 15Вт. На базе механизма настольных часов "Слава" выполнен вариант с шаговым пьезодвигателем. Напряжение питания 1,2 В;потребляемый ток 150 мкА. Малая потребляемая мощность позволяетпитать их от фотоэлементов.

Присоединение к ротору ПМД стрелки и возвратной пружины позволяетиспользовать двигатель в качестве малогабаритного и дешевого электроизмерительного прибора с круглой шкалой.

На основе линейных пьезодвигателей изготавливают электрическиереле с потребляемой мощностью от нескольких десятков микроватт донескольких ватт. Такие реле в рабочем состоянии не потребляют энергии.После срабатывания сила трения надежно удерживает контакты взамкнутом состоянии.

Рассмотрены далеко не все примеры использования ПМД. Пьезодвигатели могут найти широкое применение в различных автоматах, роботах,протезах, детских игрушках и в других устройствах.

Изучение пьезодвигателей только началось, поэтому не все ихвозможности раскрыты. Предельная мощность МПД принципиально неограничена. Однако конкурировать с другими двигателями они могут покав диапазоне мощностей до 10 ватт. Это связано не только сконструктивными особенностями ПМД, но и с уровнем развития науки итехники, в частности с совершенствованием пьезоэлектрических, сверхтвердых и износостойких материалов. По этой причине цель данной лекциизаключается прежде всего в подготовке будущих инженеров к восприятиюновой для них области техники перед началом промышленного выпускапьезоэлектрических микродвигателей.