Un motor piezoeléctrico o motor piezoeléctrico es un tipo de motor eléctrico basado en el cambio de forma de un material piezoeléctrico cuando se aplica un campo eléctrico , como consecuencia del efecto piezoeléctrico inverso. Un circuito eléctrico produce vibraciones acústicas o ultrasónicas en el material piezoeléctrico, la mayoría de las veces titanato de circonato de plomo y ocasionalmente niobato de litio u otros materiales monocristalinos , que pueden producir movimiento lineal o giratorio según su mecanismo. [2] Ejemplos de tipos de motores piezoeléctricos incluyenmotores de gusano de pulgada , motores paso a paso y de palanca deslizante, así como motores ultrasónicos que pueden clasificarse además en motores de onda estacionaria y de onda progresiva.
El crecimiento y la formación de cristales piezoeléctricos es una industria bien desarrollada , que produce una distorsión muy uniforme y consistente para una diferencia de potencial aplicada dada . Esto, combinado con la escala diminuta de las distorsiones, le da al motor piezoeléctrico la capacidad de realizar pasos muy finos. Los fabricantes afirman tener precisión a escala nanométrica . La alta tasa de respuesta y la rápida distorsión de los cristales también permiten que los pasos sucedan a frecuencias muy altas, más de 5 MHz . Esto proporciona una velocidad lineal máxima de aproximadamente 800 mm por segundo, o casi 2,9 km / h.
Una capacidad única de los motores piezoeléctricos es su capacidad para operar en campos magnéticos fuertes. Esto amplía su utilidad a aplicaciones que no pueden utilizar motores electromagnéticos tradicionales, como antenas de resonancia magnética nuclear en el interior . La temperatura máxima de funcionamiento está limitada por la temperatura de Curie de la cerámica piezoeléctrica utilizada y puede superar los + 250 ° C.
Las aplicaciones comunes de los motores piezoeléctricos incluyen sistemas de enfoque en lentes de cámaras con motores ultrasónicos de uso común, así como control de movimiento de precisión en aplicaciones especializadas como microscopía.
Tipos de motores resonantes
Motor ultrasónico
Página principal: Motor ultrasónico
Los motores ultrasónicos se diferencian de otros motores piezoeléctricos en varios aspectos, aunque ambos suelen utilizar algún tipo de material piezoeléctrico. La diferencia más obvia es el uso de resonancia para amplificar la vibración del estator en contacto con el rotor en los motores ultrasónicos. Los motores ultrasónicos también ofrecen distancias de rotación o deslizamiento arbitrariamente grandes, mientras que los actuadores piezoeléctricos están limitados por la tensión estática que puede inducirse en el elemento piezoeléctrico.
Generalmente, hay dos formas diferentes disponibles para controlar la fricción a lo largo de la interfaz de contacto del rotor y el estator, la vibración de onda viajera y la vibración de onda estacionaria . [3] Algunas de las primeras versiones de motores prácticos en la década de 1970, por Sashida, por ejemplo, usaban vibración de onda estacionaria en combinación con aletas colocadas en ángulo con la superficie de contacto para formar un motor, aunque uno que giraba en una sola dirección. Los diseños posteriores de Sashida e investigadores de Matsushita , ALPS y Canon utilizaron la vibración de ondas viajeras para obtener un movimiento bidireccional y encontraron que esta disposición ofrecía una mejor eficiencia y un menor desgaste de la interfaz de contacto. Un motor ultrasónico de `` transductor híbrido '' de par excepcionalmente alto utiliza elementos piezoeléctricos con polos circunferencial y polos axiales juntos para combinar vibraciones axiales y torsionales a lo largo de la interfaz de contacto, lo que representa una técnica de conducción que se encuentra en algún lugar entre los métodos de conducción de ondas estacionarias y progresivas.
Tipos de motores no resonantes
Motor de gusano
Página principal: Motor de gusano en pulgadas
El motor de gusano de pulgada utiliza cerámica piezoeléctrica para empujar un estator . Estos motores piezoeléctricos utilizan tres grupos de cristales: dos de bloqueo y un motivo que se conecta permanentemente a la carcasa del motor o al estator (no a ambos). El grupo de motivos, intercalado entre los otros dos, proporciona el movimiento.
El comportamiento sin alimentación de este motor piezoeléctrico es una de dos opciones: normalmente bloqueado o normalmente libre . Cuando no se aplica energía a un motor normalmente bloqueado, el eje o carro (para tipos rotativos o lineales, respectivamente) no se mueve bajo fuerza externa . El eje o carro de un motor normalmente libre se mueve libremente bajo fuerza externa. Sin embargo, si ambos grupos de bloqueo se alimentan en reposo, un motor normalmente libre resiste la fuerza externa sin proporcionar ninguna fuerza motriz.
Una combinación de cierres mecánicos y cristales puede hacer lo mismo, pero restringiría la intensificación máxima tasa del motor. El comportamiento sin potencia del segundo tipo de motor está bloqueado, ya que el tornillo de accionamiento está bloqueado por las roscas de la tuerca. Por lo tanto, mantiene su posición con la energía apagada.
Acciones paso a paso
El proceso de actuación del motor de gusano de pulgada es un proceso cíclico de varios pasos: [2]
- Primero, un grupo de cristales de bloqueo se activa para bloquear un lado y desbloquear el otro lado del "sándwich" de cristales piezoeléctricos.
- A continuación, el grupo de cristal motivo se activa y se mantiene. La expansión de este grupo mueve el grupo de bloqueo desbloqueado a lo largo de la ruta del motor. Esta es la única etapa en la que se mueve el motor.
- Luego, el grupo de bloqueo disparado en la etapa uno se libera (en los motores normalmente bloqueados , en el otro se dispara).
- Luego, el grupo motriz se libera, retrayendo el grupo de bloqueo 'posterior' .
- Finalmente, ambos grupos de bloqueo vuelven a sus estados predeterminados.
Motor paso a paso o de accionamiento a pie
No debe confundirse con el motor paso a paso electromagnético de nombre similar , estos motores son similares al motor de gusano de pulgada, sin embargo, los elementos piezoeléctricos pueden ser actuadores bimorfos que se doblan para alimentar el deslizador en lugar de usar un elemento de expansión y contracción separado. [4]
Motor de palanca deslizante
El mecanismo de los motores de balancín se basa en la inercia en combinación con la diferencia entre la fricción estática y dinámica. La acción escalonada consiste en una fase de extensión lenta donde no se supera la fricción estática, seguida de una fase de contracción rápida donde se supera la fricción estática y se cambia el punto de contacto entre el motor y la parte móvil.
Motores de accionamiento directo
El motor piezoeléctrico de accionamiento directo crea movimiento a través de vibraciones ultrasónicas continuas. Su circuito de control aplica una onda cuadrada o sinusoidal de dos canales a los elementos piezoeléctricos que coincide con la frecuencia de resonancia de flexión del tubo roscado, típicamente una frecuencia ultrasónica de 40 kHz a 200 kHz. Esto crea un movimiento orbital que impulsa el tornillo.
Un segundo tipo de accionamiento, el motor ondulado, utiliza elementos piezoeléctricos unidos ortogonalmente a una tuerca. Sus vibraciones ultrasónicas hacen girar un tornillo de avance central.
Acción unica
Se pueden fabricar motores paso a paso de acción simple muy simples con cristales piezoeléctricos. Por ejemplo, con un rotor-husillo duro y rígido recubierto con una capa delgada de un material más blando (como una goma de poliuretano ), se pueden colocar una serie de transductores piezoeléctricos en ángulo . (ver figura 2). Cuando el circuito de control activa un grupo de transductores, empujan el rotor un paso. Este diseño no puede dar pasos tan pequeños o precisos como diseños más complejos, pero puede alcanzar velocidades más altas y es más económico de fabricar.
Patentes
La primera patente de EE.UU. que describe un motor accionado por vibración puede ser "Método y aparato para suministrar energía vibratoria" (Patente de EE.UU. nº 3.184.842, Maropis, 1965). La patente de Maropis describe un "aparato vibratorio en el que las vibraciones longitudinales en un elemento de acoplamiento resonante se convierten en vibraciones de torsión en un elemento terminal resonante de tipo toroide". Los primeros piezomotores prácticos fueron diseñados y producidos por V. Lavrinenko en el Laboratorio Piezoelectrónico, a partir de 1964, Instituto Politécnico de Kiev, URSS. Otras patentes importantes en el desarrollo temprano de esta tecnología incluyen:
- "Motor eléctrico", V. Lavrinenko, M. Nekrasov, Patente URSS # 217509, prioridad 10 de mayo de 1965.
- "Estructuras de motores piezoeléctricos" (Patente de Estados Unidos Nº 4.019.073, Vishnevsky, et al., 1977)
- "Motor de vibración torsional accionado piezoeléctricamente" (Patente de Estados Unidos Nº 4.210.837, Vasiliev, et al., 1980)
Ver también
Referencias
- ^ rotador attocube ANR101
- ^ a b Rupitsch, Stefan Johann (2019), "Piezoelectricity" , Sensores y actuadores piezoeléctricos , Temas de ingeniería de materiales, metalurgia y minería, Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, págs. 43–81, doi : 10.1007 / 978-3 -662-57534-5_3 , ISBN 978-3-662-57532-1, consultado el 5 de mayo de 2021
- ^ Zhao, Chunsheng (2011). Motores ultrasónicos . Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007 / 978-3-642-15305-1 . ISBN 978-3-642-15304-4.
- ^ Llave inglesa, Karl; Koc, Burhanettin (26 de febrero de 2016). "Motores piezoeléctricos, una visión general" . Actuadores . 5 (1): 6. doi : 10.3390 / act5010006 . ISSN 2076-0825 .