Пьезоэлектрические приводы

Одним из актуальных направлений развития мехатроники является миниатюризация мехатронных систем и модулей. С одной стороны это ведет к необходимости разработки новых конструкторских решений, применению новых материалов и т.д., с другой, к необходимости обеспечения высоких точностей работы модулей и систем, например, систем, реализующих секундную (угловую) и субмикронную (линейную) точность.

В последнее время в качестве электромеханического преобразователя точного канала наряду с традиционным исполнительным двигателем начинают все больше применять преобразователи на основе пьезоэлектрических и магнитострикционных эффектов.

Открыт в 1880 г. французскими физиками братьями Жоржем и Пьером Кюри. Существуют прямой пьезоэффект - при механическом растяжении кристаллов возникает заряд на их гранях и обратный пьезоэффект - изменение механических размеров кристалла под действием приложенного электрического поля. Братья Кюри обнаружили пьезоэффект на кристаллах кварца. В настоящее время известно более 1500 веществ с пьезоэффектом во много раз выше, чем у кварца.

Пьезоматериалы

Материал, в котором возможны такие явления, называется пьезоэлектрическим. Все диэлектрические материалы, в разной степени, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Но особенно сильными и стабильными пьезоэлектрическими свойствами обладают соли свинца, в частности цирконат-титанат свинца (PbTiO3*PbZnO3), отечественное название этой системы ЦТС (зарубежный аналог— PZT), открытые в 60-е годы. В настоящее время известно свыше 150 различных пьезоэлектрических материалов на основе солей свинца с различными специфическими свойствами: жароустойчивость, работа в вакууме, устойчивость к агрессивным средам, оптическая прозрачность и др.

Пьезоэффект вещества характеризуется пьезомодулем, т.е. величиной заряда, приходящегося на единицу приложенной силы (обычно на 1 Ньютон). В таблице приведены характерстики некоторых пьезоэлектриков, где р - плотность; е - диэлектрическая постоянная; d - пьезомодуль. Если d показано через дробь, то пьезоэффект различен в перпендикулярных направлениях.

Пьезоэлектрические преобразователи используют в ультразвуковой технологии и дефектоскопии, гидроакустике, акустоэлектронике как излучатели и приемники звука (акустические антенны, микрофоны и гидрофоны). Электрическая поляризация диэлектриков – ориентация молекул под действием эл. поля таким образом, что на одном конце будет +, а на другом - . Может быть и под действием силы.

4 5/100 Означает , что пьезоэффект различен в перепендикулярных направлениях

Уравнение обратного пьезоэффекта: размеры←поле эл.

 – деформация пьезоэлемента

l0 – первоначальная длинна пластины

 – механическое напряжение в образце

Y – модуль Юнга

dп – пьезомодуль

E – напряженность поля

i – коэффициент мультипликации

Уравнение прямого пьезоэффекта: заряд←размеры

P – поляризованность образца

– электрическая постоянная

– диэлектрическая восприимчивость пьезоматериала

r = 3200 относительная диэлектрическая проницаемость

Пьезоэлектрическими двигателями (ПД) называются двигатели, в которых механическое перемещение ротора осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта.

Одно из главных достоинств ПД - это отсутствие индукционных обмоток, изготовленных, как правило, из медного или алюминиевого провода и специального наборного сердечника. Высокая удельная мощность (123 Вт/кг у ПМД и 19 Вт/кг у обычных электромагнитных микродвигателей). Рабочим элементом в них является пьезоэлектрическая керамика – один из немногих материалов, применяемых сегодня в технике, способных преобразовать электрическую энергию в механическую с фантастическим КПД, превышающим у отдельных видов 90%. Это позволяет получить уникальные приборы, в которых электрические колебания прямо преобразуются в линейное или во вращательное движение. ПД имеют значительно меньшие габариты и массу по сравнению с аналогичными по силовым характеристикам электромагнитными двигателями. Пьезодвигатели можно применять в условиях вакуума.

Показателем, по которому пьезоэлектрики не имеют себе равных среди электро-механических преобразователей энергии является быстродействие. Известны устройства на поверхностных акустических волнах, диапазон рабочих частот которых доходит до 2 ГГц. Столь высокое быстродействие пьезоэлектриков объясняется тем, что в процессе поляризации составляющие ее домены обладают большой подвижностью.

Однако, пьезокерамика не лишена и ряда недостатков. К ним, в первую очередь, с точки зрения задач проектирования и создания прецизионных следящих электроприводов с линейными пьезодвигателями должна быть отнесена высокая механиническая добротность Qm (для поворотных пъезодвигателей высокая механическая добротность пьезокерамики является благоприятным фактором). Для различных материалов эта величина лежит в пределах 50...2000 и более. Это приводит к тому, что линейные пьезодвигатели и пьезодатчики, как объекты систем автоматического регулирования, представляют собой слабодемпфированные звенья для которых декремент затухания ξ равен 0.01...0.005, что вызывает дополнительные трудности при создании высококачественных систем.

Следующим недостатком пьезокерамики является очень незначительный диапазон возможных деформаций пьезоэлементов. Как было сказано ранее даже для пьезоэлементов, изготовленных по пленочной технологии эта величина не превешает 1 мкм на 1 мм полезной длины линейного пьезодвигателя. Это приводит к тому, что практически осуществимый диапазон перемещений в одноканальных электроприводах с линейными пьезодвигателями не превышает 150...200 мкм. Дальнейшее увеличение этого диапазона для силовых быстродействующих систем весьма проблематично, тек как связано с проблемой обеспечения механической устойчивости длинного сборного пьезоэлектрического стержня. Кроме того, такой стержень обладающего к тому же значительной электрической емкостью, что приводит к возрастанию электрической постоянной времени системы пьезодвигатель - усилитель мощности. Для систем, работающих с нагрузками, не превышающими 1000 Н увеличение диапазона возможных перемещений в 5...10 раз без потери быстродействия может быть достигнуто путем применения разрабатанных в НИИ Специального Машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана для этого класса задач мультипликационных устройств.

Дальнейшее увеличение рабочего диапазона перемещений, по-видимому, возможно лишь путем применения вибрационного принципа перемещения, что характерно для несиловых систем, где развиваемые усилия не превышают 50 Н.

Также неприятной особенностью высокоэффективной пьезоэлектрирической керамики на базе ЦТС является нестабильность параметров. Это связано как с необратимыми процессами (временные химические и структурные изменения), так и с обратимыми процессами (нестабильность доменной структуры вследствие частичной временной деполяризации). Такое изменение параметров при старении оценивается величиной до 5%.

Классификация ПД по различным признакам.

Пьезоэлектрические Двигатели (ПД)

ПД реализ. бегущую механическую волну (ПДБВ)

ПД реализ. стоячую механическую волну

ПД вращения

Линейные ПД

ПД вращения

Линейные ПД

дисковые

кольцевые

мембранные

Склеивание пластин пьезоэлементовтонопроводящим клеем и соединение их параллельно дает увеличение деформации и усилия. 2 пластины – биоморфный пьезоэлемент.