Motor cu ultrasunete ( motor cu ultrasunete , motor piezo, motor piezomagnetic , motor piezoelectric ) , ( USM - Motor Ultra Sonic, SWM - Motor cu undă silențioasă, HSM - Motor Hyper Sonic, SDM - Motor supersonic Direct-drive etc.) - motor, în care elementul de lucru este ceramica piezoelectrică , datorită căreia este capabil să transforme energia electrică în energie mecanică cu o eficiență foarte mare , depășind 90% la unele tipuri. Acest lucru face posibilă obținerea de dispozitive unice în care vibrațiile electrice sunt transformate direct în mișcare de rotație a rotorului , în timp ce cuplul dezvoltat pe arborele unui astfel de motor este atât de mare încât elimină necesitatea oricărei cutii de viteze mecanice pentru a crește cuplul. De asemenea, acest motor are proprietăți redresor de contact de frecare lină. Aceste proprietăți se manifestă și la frecvențele sunetelor. Un astfel de contact este analog unei diode redresoare electrice. Prin urmare, un motor cu ultrasunete poate fi atribuit motoarelor electrice cu frecare.
În 1947 au fost obținute primele mostre ceramice de titanat de bariu și, de atunci, producția de motoare piezoelectrice a devenit teoretic posibilă. Dar primul astfel de motor a apărut doar 20 de ani mai târziu. Studiind transformatoarele piezoelectrice în modurile de putere, un angajat al Institutului Politehnic din Kiev V.V. Lavrinenko a descoperit rotația unuia dintre ele în suport. După ce a dat seama de motivul acestui fenomen, în 1964 a creat primul motor piezoelectric de rotație, urmat de un motor liniar pentru a antrena un releu [1] [2] . În spatele primului motor cu contact direct prin frecare, se creează grupuri de motoare ireversibile [3] cu o legătură mecanică între elementul piezoelectric și rotor prin împingătoare. Pe această bază, oferă zeci de modele de motoare ireversibile care acoperă gama de turații de la 0 la 10.000 rpm și intervalul de cuplu de la 0 la 100 Nm. Folosind două motoare ireversibile, Lavrinenko rezolvă problema inversă într-un mod original. El instalează un al doilea motor integral pe arborele unui motor. El rezolvă problema resursei motrice prin vibrații de torsiune incitante în elementul piezoelectric.
Cu decenii înaintea lucrărilor similare în țară și în străinătate, Lavrinenko a dezvoltat aproape toate principiile de bază pentru construirea motoarelor piezoelectrice, fără a exclude posibilitatea funcționării acestora în modul generatoare de energie electrică.
Având în vedere perspectivele dezvoltării, Lavrinenko, împreună cu coautorii care l-au ajutat să implementeze propunerile sale, el protejează cu numeroase certificate de drepturi de autor și brevete. La Institutul Politehnic din Kiev este creat un laborator industrial de motoare piezoelectrice sub conducerea lui Lavrinenko și se organizează prima producție în serie de motoare piezoelectrice din lume pentru videorecorder Elektronika-552 . Ulterior, sunt produse în serie motoare pentru proiectoarele de diapozitive „Dnepr-2”, camere de filmat , antrenări cu robinet cu bilă etc.. În 1980, editura Energia publică prima carte despre motoare piezoelectrice [4] , interesul apare la acestea. Dezvoltarea activă a motoarelor piezoelectrice începe la Institutul Politehnic Kaunas sub îndrumarea prof. Ragulskis K. M. [5] . Vishnevsky V.S., un fost student absolvent al lui Lavrinenko, călătorește în Germania, unde continuă să lucreze la introducerea motoarelor piezoelectrice liniare la compania Phyzical Instryment . Studiul și dezvoltarea treptată a motoarelor piezoelectrice depășește URSS [6] . În Japonia și China, motoarele cu val sunt dezvoltate și implementate în mod activ, în America - motoare cu rotație subminiaturală.
Un motor cu ultrasunete are dimensiuni și greutate semnificativ mai mici în comparație cu un motor electromagnetic similar în ceea ce privește caracteristicile de putere . Absența înfășurărilor impregnate cu adezivi îl face potrivit pentru utilizare în condiții de vid. Motorul cu ultrasunete are un moment semnificativ de autofrânare (până la 50% din cuplul maxim) în absența unei tensiuni de alimentare datorită caracteristicilor sale de proiectare. Acest lucru face posibilă furnizarea de deplasări unghiulare discrete foarte mici (din unități de secunde de arc) fără utilizarea unor măsuri speciale. Această proprietate este asociată cu natura cvasi-continuă a funcționării motorului piezoelectric. Într-adevăr, elementul piezoelectric , care transformă vibrațiile electrice în vibrații mecanice, este alimentat nu de o constantă, ci de o tensiune alternativă a frecvenței de rezonanță . Când se aplică unul sau două impulsuri, se poate obține o deplasare unghiulară foarte mică a rotorului . De exemplu, unele mostre de motoare cu ultrasunete cu o frecvență de rezonanță de 2 MHz și o viteză de funcționare de 0,2-6 rpm, atunci când pe plăcile elementului piezoelectric se aplică un singur impuls, în cazul ideal, deplasarea unghiulară a rotorului va fi 1 / 9.900.000-1 / 330.000 de circumferință, adică 0,13-3,9 secunde de arc. [7]
Unul dintre dezavantajele grave ale unui astfel de motor este sensibilitatea sa semnificativă la pătrunderea de substanțe solide (de exemplu nisip). Pe de altă parte, motoarele piezo pot funcționa într-un mediu lichid, cum ar fi apa sau uleiul.
Statorul „flexibil” (placa bimorfă subțire, cu cât placa este mai subțire, cu atât amplitudinea oscilațiilor este mai mare și frecvența de rezonanță mai mică) este „alimentat” cu o tensiune alternativă de înaltă frecvență, care îl obligă să producă vibrații ultrasonice care formează o undă mecanică care se deplasează , care împinge (cârlige) rotorul adiacent. Când se deplasează spre stânga, împingătorul - înclinat, când se deplasează spre dreapta - înclinat. Toate motoarele piezoelectrice cu împingătoare funcționează pe acest principiu. Prin creșterea numărului de împingătoare, puteți crea motoare cu cupluri de pornire uriașe.
Dar dacă un motor electric convențional poate fi realizat practic „pe genunchi”, un motor cu ultrasunete cu o eficiență ridicată de 80-90% nu poate fi creat fără echipamente sofisticate. Este încă posibil să faceți un motor cu ultrasunete acasă, dar eficiența nu va depăși 60%, pentru aceasta puteți lua un rulment cu bile ca rotor și puteți apăsa o placă piezoelectrică cu dimensiunile convenite împotriva acestuia.
Funcționarea motoarelor piezoelectrice de rotație se bazează pe principiul că toate punctele elementului piezoelectric care vin în contact cu rotorul trebuie să se deplaseze pe traiectorii apropiate de eliptice. Pentru a face acest lucru, două tipuri de oscilații reciproc ortogonale sunt excitate simultan în elementul piezoelectric. Poate fi orice combinație de vibrații longitudinale, de încovoiere, de forfecare și de torsiune reciproc transversale. Singurul lucru important este ca aceste oscilații să nu fie cuplate mecanic, adică energia dintr-o oscilație nu trebuie să treacă într-o altă oscilație (într-o placă pătrată, excitarea oscilațiilor longitudinale pe o parte a acesteia va duce la excitarea oscilații longitudinale pe cealaltă parte, care este un exemplu de fluctuații de cuplare). Dacă oscilațiile nu sunt legate mecanic, atunci se poate obține orice schimbare de fază între ele. Și optim pentru motoarele piezoelectrice este o schimbare de fază egală cu 90 de grade. În cel mai simplu motor (Fig. 3), undele longitudinale de-a lungul lungimii de undă sunt excitate electric în elementul piezoelectric, iar undele transversale - cele de îndoire sunt excitate atunci când capătul elementului piezoelectric se mișcă de-a lungul suprafeței rotorului. Dimensiunile elementului piezoelectric sunt selectate astfel încât să existe o rezonanță mecanică atât a vibrațiilor longitudinale, cât și a celor transversale. Atunci eficiența poate depăși 80%. Pentru astfel de motoare, contactul de frecare între rotor și stator are loc de-a lungul liniei, ceea ce le reduce resursele. Emoționant cu un electrod (1), fig. 4 în elementul piezoelectric (2) vibrații de torsiune și alți electrozi (3) - vibrații longitudinale, puteți crea un motor cu un contact plat de frecare. Lavrinenko rezolvă problema resurselor în acest fel. Utilizează proprietatea unei plăci înclinate și apăsate pe o suprafață netedă pentru a modifica forța de presare atunci când se deplasează într-o direcție și inversă.
Unul dintre cele mai importante avantaje ale acestor tipuri de motoare este că acționarea directă este posibilă pentru orice viteză. Într-un sens constructiv, antrenarea este mult simplificată și, în unele cazuri, factorul de eficiență, care „mâncă” cutia de viteze, crește semnificativ. Această proprietate a făcut posibilă dezvoltarea acționărilor supapelor cu bilă cu orice zonă de curgere (Fig. 5) și realizarea producției lor în masă.
În ceea ce privește viteza, motoarele piezoelectrice nu au egal. Acest lucru se datorează faptului că puterea lor nu depinde de masa rotorului, așa cum este cazul motoarelor electromagnetice. Într-o fracțiune de milisecundă, aceștia preia viteza dorită și pot chiar concura cu actuatoarele piezoelectrice scumpe, de exemplu, pentru injectoarele de combustibil.
Pasul minim al motoarelor piezoelectrice poate fi miimi de secundă de arc. Pe baza lor, sunt create ghidaje pentru microscop, care funcționează în intervalul de nanometri. Pentru aparatele de uz casnic cu viteză mică, din cauza lipsei unei cutii de viteze, acestea sunt silențioase și nu emană miros de la înfășurările arse, pe care nu le au. De asemenea, sunt utile inhibarea rotorului în starea oprită, plasticitatea formei, capacitatea de a se potrivi integral în produs.
Motoarele piezoelectrice pot fi realizate în întregime din materiale nemagnetice. Unele dintre ele pot funcționa la temperaturi ridicate (până la 300 de grade Celsius), în vid, în câmpuri magnetice puternice, în condiții de radiații mari, atunci când sunt scufundate în apă sau ulei.
Un motor cu ultrasunete poate fi folosit cu succes în acele domenii ale tehnologiei în care este necesar să se realizeze mișcări unghiulare și liniare minime. De exemplu, în astronomie , în cercetarea spațială, unde este necesară orientarea precisă pentru obiecte foarte mici (stele); în acceleratoarele de particule încărcate , unde este necesară menținerea fasciculului în coordonate geometrice strict specificate; în cercetarea științifică în studiul structurii cristalografice (orientarea capului goniometrului ); în robotică etc.
Pe baza motoarelor piezoelectrice au fost dezvoltate următoarele: unități pentru antene și camere de supraveghere, aparate de ras electric, unități pentru unelte de tăiat, unități de bandă, ceasuri stradale turn, unități pentru supape cu bilă, unități de viteză mică (2 rpm) pentru platforme publicitare , burghie electrice, actionari pentru jucarii pentru copii si proteze mobile, ventilatoare de tavan, actionari robot etc.
Motoarele piezoelectrice ondulate sunt, de asemenea, utilizate în obiectivele camerelor reflex cu un singur obiectiv . Variații ale numelui tehnologiei în astfel de lentile de la diverși producători:
În industria mașinilor-unelte, astfel de motoare sunt folosite pentru poziționarea ultra-preciză a sculei de tăiere.
De exemplu, există suporturi speciale pentru scule pentru strunguri cu o unealtă micro-acționată.
