3.2 Принцип работы, конструкция

К первой группе относятся устройства, в которых осуществляется ударное взаимодействие между "статором" и "ротором" в зоне их контакта. Подвижная часть приводится в движение под действием ударных импульсов следующих с частотой равной собственной частоте пьезоэлемента. Частота собственных колебаний может доходить до нескольких Мгц.

Рисунок 3.1 -Пьезодвигатель ударного действия

Конструктивно статор 1 (или ротор, или оба совместно) представляют собой пьезорезонатор, преобразующий электрическую энергию в механическую. Статор и ротор 2 прижаты друг к другу силой F_п , которая создается упругим предварительно напряженным элементом 3. На статоре в месте соприкосновения с ротором крепится опора из износостойкого материала 4(например, алунда), акустически согласованная с пьезорезонатором. Геометрическая форма пьзорезонатора может быть разнообразной: пластины, стержни, спирали, диски, полые цилиндры.

Пьезорезонаторы крепятся к опорам в точках колебательной скорости с помощью акустически изолирующего материала. Произведение толщины материала на модуль Юнга должно быть не менее, чем в 10 раз меньше соответствующего значения пьезорезонатора ( например, фторопласт, резина, дерево). К электродам пьезорезонатора подводится переменное напряжение возбуждения U_в. Под действием напряжения пьезорезонатор совершает механические колебания вдоль своей длины (в других конструкциях могут быть использованы изгибные, крутильные и др. колебания) и совершает микроудары по ротору, передавая ему полезный момент. Ротор приводится во вращение. Нужно сказать, что величина полезного момента невелика, кроме того при контактном сцеплении пьезорезонатора и подвижной части может происходить их проскальзование относительно друг друга. Это приводит к износу, снижению КПД и точности отработки перемещений. Развиваемая мощность таких двигателей находится в диапазоне от 1 до 10 Вт и по сравнению с микромашинами такой же мощности они имеют ряд преимуществ: более высокие динамические свойства, высокая разрешающая способность по перемещению, в 1,5 - 2 раза лучшие массогабаритные показатели, они имеют высокую равномерность вращения и более широкий частотный диапазон отработки внешних воздействий. Наиболее перспективной областью их применения являются различные электромеханические системы лентопротяжки. Ко второму типу относятся пьезодвигатели линейных и угловых перемещений, работающие соответственно в субмикрометровом и микрометровом, секундном и минутном диапазонах. Причем, их частотный диапазон ограничен областью до первого электромеханического резонанса. Хотелось бы остановится на трех базовых конструкциях, которые заложены в основу большинства современных пьезодвигателей. К ним относятся:

1. Составная пакетная конструкция

2. Биморфная конструкция.

3. Дифференциальная конструкция.

Пакетная конструкция представляет собой набор из отдельных пьезоэлементов (шайб, дисков цилиндров), число которых может находиться в пределах от 50 до 200 шт. и определяется требуемым диапазоном перемещений. Пакет формируют склеиванием однополярных поверхностей, соединяя их механически последовательно, а электрически параллельно. Допустимая напряженность электрического поля пьезокерамики около 1-2 кВ/мм, следовательно для уменьшения управляющего напряжения необходимо уменьшать толщину пьезоэлемента (обычно она находится в пределах от 0,3 до 0,6 мм). При этом максимальное значение напряжения управления составляет 300 - 600 В.Электрическая емкость двигателя зависти от его конструкции (количество элементов, их толщина, площадь поверхности, диэлектрическая проницаемость материала) и составляет 0,02-5 мкФ. Для повышения механической жесткости, выборки внутренних межэлектродных зазоров пакет обычно помещают в упругий корпус, в котором предусмотрена возможность его предварительного сжатия. На Рисунке 3.2 представлена конструкция такого двигателя.

Рисунок 3.2 -Пакетный(составной) пьезодвигатель

Пьезопакет 2 состоит из пьезодисков и силопередающих прокладок 4. Он устанавливается в корпусе 1 между винтом 3 и штоком 7. Механический контакт штока и винта с силопередающими прокладками осуществляется через стальные центрирующие шарики. Тарелочная пружина 6 служит для обеспечения предварительного сжатия пакета при повороте винта 3. Такой двигатель может развивать достаточно большие усилия (до 200 Н) и служит для линейных микроперемещений объектов с достаточно большой массой (десятки кг). Его частотный диапазон ограничен собственным электромеханическим резонансом (1-2 кГц), величина которого зависит от массы перемещаемого объкта. Диапазон перемещения от 2 до 50 мкм (зависит от количества элементов и напряжения управления). Статическая характеристика имеет гистерезисный характер, значение которого находится в пределах 10 -30 % и определяется главным образом свойствами пьезоматериала, степенью предварительного сжатия пакета и величиной управляющего напряжения. Биморфная конструкция используется для увеличения диапазона линейных перемещений (до ед. мм) и получения угловых перемещений объектов небольшой массы до десятков грамм. Простейшая биморфная конструкция, Рисунок3.3, представляет собой две склеенные между собой пьезоэлектрические пластины, напряжение управления на которые подается таким образом, чтобы одна из них сокращалась, а другая расширялась. При этом происходит изгиб всей конструкции (по аналогии с биметаллической пластиной). Если конструкция закреплена только с одной стороны, Рисунок 3.3,а), то свободный конец совершает угловые перемещения, а если с двух сторон, Рисунок 3.3,б), то центральная ее часть совершает линейные перемещения, равные прогибу всей конструкции.

Рисунок 3.3 -Биморфные конструкции пьезоэлементов

Возможна компановка биморфной конструкции, когда один из элементов пьезопассивен т.е. это может быть металлическая пластина или мембрана. Конструкции с угловым перемещением используются в системах сканирования и пространственного управления оптическим излучением,в литературе их называют дифлекторами. А конструкции с линейным перемещением в системах юстировки и позиционирования различных оптикомеханических систем. Дифференциальная конструкция применяется, когда необходимо компенсировать температурную погрешность (тепловое расширение рабочего элемента) и расширить диапазон перемещений без существеннного увеличения величины управляющего напряжения и габаритов двигателя. Такая конструкция может быть построена как на элементах пакетного типа, так и на биморфных элементах. На Рисунке 3.4 представлена дифференциальная конструкция на элементах пакетного типа. Рабочий элемент 2 состоит из пьезоэлементов , выполненных в виде шайб( дисков), а элемент 3 – из колец. Оба

элемента крепятся к подвижному основанию 1, а элемент 3 своим вторым торцом жестко

закреплен на неподвижном основании 4. Свободный торец элемента 2 совершает рабочие перемещения. Управляющее напряжение подается одновременно на оба элемента так, что элемент 2 – расширяется, а 3–сжимается. Рабочее перемещение относительно неподвижного основания будет результатом суммирования величин их деформаций. Тепловые деформации будут вычитаться. При точном расчете габаритов пьзоэлементов можно добиться полной компенсации температурной погрешности.

Рисунок 3.4 -Дифференциальная конструкция пьезодвигателя

Рисунок 3.5 -Пьезоэлектрические шаговые двигатели

К третьей группе относятся шаговые двигатели манипуляторы, которые служат для перемещения объектов на плоскости или в пространстве. В основе их конструкций заложены те же принципы построения, что и во второй группе. Т.е. рабочий элемент может быть как биморфным, рисунок 3.5,а), так и пакетным, Рисунок3.5.б). Для обеспечения шагового режима в конструкции, как правило, имеются фиксирующие устройства, различного принципа действия от электромагнитных до электрореологических (измение вязкости вещества под действием электрического поля). Биморфная конструкция, Рисунок 10.5,а) отличается тем, что в ней роль фиксирующих и рабочих элементов выполняют пьезоэлектрические элементы. Рабочие 2 и фиксирующие 1 элементы контактируют перемещаемым объектом 5 через фрикционные прокладки 3. Напряжение управления подается сначала на рабочие элементы, которые захватывают объект и перемещают его на один шаг. За тем напряжение подается на фиксирующие элементы, которые фиксируют объект в данном положении. Напряжение управления снимается с рабочего элемента, и он занимает исходное положение. Такой цикл повторяется, и объект линейно перемещается. Шаговый двигатель, Рисунок 10.5,б) имеет два фиксирующих элемента 1 и 3 , например, электромагнитного типа и рабочий пьезопакет 2. Элементы 2 фиксируют положение рабочего пакета относительно горизонтальной поверхности. Рабочий цикл начинается с подачи напряжения на элемент 1, за тем напряжение управления подается на пакет 2, который удлиняется и перемещает элемент 3 на один шаг, после чего срабатывает элемент 3. напряжение с элемента 1 и пакета 2 снимается. Элемент 1 перемещается на один шаг в том же направлении. При многократном повторе цикла двигатель будет перемещаться по плоскости в заданном направлении. При необходимости двух координатного перемещения в конструкции используют два таких набора, расположенных перпендикулярно друг другу. Диапазон перемещений таких двигателей ограничен лишь размерами рабочей поверхности. Минимальный шаг перемещения определяется свойствами и размерами пьезоэлементов и величиной управляющего напряжения. Плавность хода зависит от минимального шага и частоты следования управляющих импульсов напряжения.