Пьезодвигатель принцип работы. Пьезоэлектрические двигатели: принцип работы, преимущества и применение

Пьезоэлектрический двигатель — выдающееся изобретение мира

2 ноября 2018 года состоялась презентация и гашение трех новых почтовых марок, которые вводятся в оборот для оплаты услуг почтовой связи в Украине. Эти марки посвящены изобретениям, которые прославили Украину на весь мир. Одна из марок посвящена изобретению принципиально нового типа электродвигателя — пьезоэлектрического двигателя, автором которого является старший научный сотрудник КПИ Вячеслав Васильевич Лавриненко.

Изобретение было сделано в 1964 году. Молодой специалист В.В.Лавриненко на кафедре диэлектриков и полупроводников (ныне — кафедра микроэлектроники ФЭЛ) проводил исследования силового пьезотрансформатора и обнаружил его вращение в держателе. Исследовав это явление, он создал первый в мире пьезоэлектрический двигатель вращения, а затем и линейный пьезодвигатель для привода реле. Работы Вячеслава Васильевича на десятилетия опережали подобные работы за рубежом. В дальнейшем В.В.Лавриненко разработал все основные принципы работы и конструкции пьезодвигателей. На изобретение пьезодвигателя было получено более 200 авторских свидетельств и патентов, более 50 из которых — патенты в зарубежных странах.

Учитывая перспективность использования пьезодвигателей, при кафедре микроэлектроники было создано отраслевую лабораторию пьезодвигателей, которую возглавил В.В.Лавриненко. Разработки этой лаборатории воплощено в серийное производство двигателей для видеомагнитофона «Электроника-532», для диапроектора «Днепр-2», для кинокамер, приводов торговых автоматов, шаровых кранов и тому подобное. В настоящее время в различных странах мира серийно изготавливают миллионы пьезодвигателей различного назначения.

Изобретение пьезодвигателя, безусловно, относится к выдающимся изобретениям мира. К сожалению, в нашем государстве пока нет предприятий, которые бы серийно изготавливали пьезодвигатели. Сегодня В.В.Лавриненко продолжает работу над совершенствованием пьезодвигателей на очень скромной должности инженера кафедры микроэлектроники.

А.В. Борисов, и.о. зав. кафедры микроэлектроники

А.В. Борисов, и.о. зав. кафедры микроэлектроники

Двигатель с самым высоким кпд

Ультразвуково́й дви́гатель (Ультразвуковой мотор, Пьезодвигатель, Пьезомагнитный двигатель, Пьезоэлектрический двигатель), (англ. USM — Ultra Sonic Motor, SWM — Silent Wave Motor, HSM — Hyper Sonic Motor, SDM — Supersonic Direct-drive Motor и др.) — двигатель, в котором рабочим элементом является пьезоэлектрическая керамика, благодаря которой он способен преобразовать электрическую энергию в механическую с очень большим КПД, превышающим у отдельных видов 90 %. Это позволяет получать уникальные приборы, в которых электрические колебания прямо преобразуются во вращательное движение ротора, при этом крутящий момент, развиваемый на валу такого двигателя столь велик, что исключает необходимость применения какого-либо механического редуктора для повышения крутящего момента. Также данный двигатель обладает выпрямительными свойствами гладкого фрикционного контакта. Эти свойства проявляются и на звуковых частотах. Такой контакт является аналогом электрического выпрямительного диода. Поэтому ультразвуковой двигатель можно отнести к фрикционным электромоторам.

Содержание

История создания и применения [ править | править код ]

В 1947 году были получены первые керамические образцы титаната бария и, уже с этого времени производство пьезоэлектрических моторов стало теоретически возможным. Но первый такой мотор появился лишь спустя 20 лет. Изучая пьезоэлектрические трансформаторы в силовых режимах, сотрудник Киевского политехнического института В. В. Лавриненко обнаружил вращение одного из них в держателе. Разобравшись в причине этого явления, он в 1964 году создаёт первый пьезоэлектрический мотор вращения, а вслед за ним и линейный мотор для привода реле [1] [2] . За первым мотором с прямым фрикционным контактом он создаёт группы нереверсивных моторов [3] с механической связью пьезоэлемента с ротором через толкатели. На этой основе он предлагает десятки конструкций нереверсивных моторов, перекрывающих диапазон скоростей от 0 до 10 000 об/мин и диапазон моментов вращения от 0 до 100 Нм. Используя два нереверсивных мотора, Лавриненко оригинально решает проблему реверса. Интегрально на валу одного мотора он устанавливает второй мотор. Проблему ресурса мотора он решает, возбуждая крутильные колебания в пьезоэлементе.

На десятилетия опережая подобные работы в стране и за рубежом, Лавриненко разработал практически все основные принципы построения пьезоэлектрических моторов, не исключив при этом возможность работы их в режиме генераторов электрической энергии.

Учитывая перспективность разработки, Лавриненко совместно с соавторами, помогавшими ему реализовать его предложения, он защищает многочисленными авторскими свидетельствами и патентами. В Киевском Политехническом институте создаётся отраслевая лаборатория пьезоэлектрических моторов под руководством Лавриненко, организуется первое в мире серийное производство пьезомоторов для видеомагнитофона «Электроника-552». В последующем, серийно производятся моторы для диапроекторов «Днепр-2», кинокамер, приводов шаровых кранов и др. В 1980 году издательство «Энергия» печатает первую книгу по пьезоэлектрическим моторам [4] , к ним появляется интерес. Начинаются активные разработки пьезомоторов в Каунасском политехническом институте под руководством проф. Рагульскиса К. М. [5] . Вишневский В. С., в прошлом аспирант Лавриненко, выезжает в Германию, где продолжает работу по внедрению линейных пьезоэлектрических моторов на фирме PHyzical Instryment. Постепенное изучение и разработка пьезоэлектрических моторов выходит за пределы СССР [6] . В Японии и Китае активно разрабатываются и внедряются волновые двигатели, в Америке — сверхминиатюрные двигатели вращения.

Конструкция [ править | править код ]

Ультразвуковой двигатель имеет значительно меньшие габариты и массу по сравнению с аналогичным по силовым характеристикам электромагнитным двигателем. Отсутствие обмоток, пропитанных склеивающими составами, делает его пригодным для использования в условиях вакуума. Ультразвуковой двигатель обладает значительным моментом самоторможения (до 50 % от величины максимального крутящего момента) при отсутствии питающего напряжения за счёт своих конструктивных особенностей. Это позволяет обеспечивать очень малые дискретные угловые перемещения (от единиц угловых секунд) без применения каких-либо специальных мер. Это свойство связано с квазинепрерывным характером работы пьезодвигателя. Действительно, пьезоэлемент, который преобразует электрические колебания в механические питается не постоянным, а переменным напряжением резонансной частоты. При подаче одного или двух импульсов можно получить очень маленькое угловое перемещение ротора. Например, некоторые образцы ультразвуковых двигателей, имеющие резонансную частоту 2 МГц и рабочую частоту вращения 0,2-6 об/сек, при подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента дадут в идеальном случае угловое перемещение ротора в 1/9.900.000-1/330.000 от величины окружности, то есть 0,13-3,9 угловых секунд. [7]

Одним из серьёзных недостатков такого двигателя является значительная чувствительность к попаданию в него твёрдых веществ (например песка). С другой стороны, пьезодвигатели могут работать в жидкой среде, например в воде или в масле.

Принцип работы линейного пьезодвигателя, работающего на периодическом зацеплении [ править | править код ]

На «гибкий» статор (тонкая биморфная пластина, чем тоньше пластина, тем больше амплитуда колебаний и тем ниже частота резонанса) «подаётся» переменное напряжение высокой частоты, которое вынуждает его производить ультразвуковые колебания, формирующие механическую бегущую волну, которая и толкает (зацепляет) расположенный рядом ротор. При движении влево толкатель — расклинивает, при движении вправо — заклинивает. На этом принципе работают все пьезоэлектрические моторы с толкателями. Увеличивая число толкателей можно создавать моторы с огромными пусковыми моментами.

Но если обычный электродвигатель можно сделать практически «на коленке», ультразвуковой двигатель с высоким КПД 80-90% без сложного оборудования создать нельзя. Всё же сделать ультразвуковой двигатель в домашних условиях возможно, но КПД не будет превышать 60%, для этого в качестве ротора можно взять шарикоподшипник и прижать к нему пьезопластину с согласованными размерами.

Инженеры Toyota разработали способ применения цикла Аткинсона, используемого в тойотовских гибридах с 1997 года, для работы в двигателях обычных, не гибридных автомобилей. Цикл Аткинсона с высокой степенью сжатия – обычный способ, используемый в ДВС гибридов для повышения тепловой эффективности. Однако обратной стороной высокой степени сжатия является снижение крутящего момента, недостаток которого в гибридах компенсирует электромотор. Тепловая эффективность при малых нагрузках намного важнее для обычных ДВС, чем для ДВС, работающих в гибридных силовых установках. Похоже, что разработчикам Toyota удалось решить эту проблему.

Результатом их работы стал новый 1,3-литровый рядный четырехцилиндровый бензиновый двигатель ESTEC (Economy with Superior Thermal Efficient Combustion). На русский язык это определение можно перевести как «Экономия с высокоэффективным сгоранием». По заводской классификации мотор получил обозначение 1NR-FKE. Он развивает мощность 99 л.с. – это на 4 л.с. больше, чем мощность двигателя 1NR-FE, используемого в тойотовских автомобилях А и В-сегмента, таких как Yaris, iQ и др. Термический КПД ESTEC достигает 38% – это столько же, как и у ДВС, используемых в гибридах. Кроме того, при малых нагрузках ESTEC имеет улучшенную на 11% топливную экономичность.

Термический КПД современных моторов находится в пределах 36%, в то время как у ДВС, используемых в гибридах, он превышает 38%. Для достижения такого показателя в гибридных ДВС, кроме цикла Аткинсона, применяется охлаждаемая система EGR, электрический насос ОЖ и технологии низкого трения.В будущем такие же решения будут использоваться и в обычных ДВС, а термический КПД обоих типов двигателей превысит 40%. Считается также, что улучшение тепловой эффективности позволит преодолеть слабость атмосферных бензиновых ДВС при малых нагрузках. Превышение 40% уровня КПД будет достигаться, в основном, применением охлаждаемых EGR и развитием технологий сжигания бедных смесей. В дополнение к этим основным направлениям рассматриваются также технологии снижения трения и улучшение систем подъема клапанов.

Базовые компоненты ESTEC

Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.

В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.

Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.

Восстановление производительности

Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.

При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.

Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.

Цикл Аткинсона

В двигателе, работающем по циклу Аткинсона, на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ.

Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок.

Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает, по так называемому, циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом,получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность.

Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

ОГЛАВЛЕНИЕ СТАТЬИ

Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

КПД двигателя внутреннего сгорания – это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.

Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

1) Топливная эффективность. Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

2) Второе это тепловые потери. Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.

3) Третье это механические потери. НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

Если вспомнить формулу то получается:

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД бензинового и дизельного агрегатов – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного больше крутящий момент, сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению степени сжатия, есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.

На этом заканчиваю, читайте наш АВТОБЛОГ.

(26 голосов, средний: 4,08 из 5)

Бардин В.А., Васильев В.А. Актюаторы нано- и мироперемещений для систем управления, контроля и безопасности

Бардин Виталий Анатольевич¹, Васильев Валерий Анатольевич^2
1Пензенский государственный университет, аспирант кафедры «Приборостроение»
²Пензенский государственный университет, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Приборостроение»

Bardin Vitaliy Anatolievich¹, Vasiliev Valery Anatolievich^2
1Penza State University, Graduate student of the Department «Instrument engineering»
²Penza State University, Doctor of technical Sciences, Professor, head of the Department «Instrument engineering»

Библиографическая ссылка на статью:
Бардин В.А., Васильев В.А. Актюаторы нано- и мироперемещений для систем управления, контроля и безопасности // Современная техника и технологии. 2014. № 2 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2014/02/3057 (дата обращения: 14.09.2021).

С развитием систем управления, контроля и безопасности, применением для их создания нано- и микротехнологий, нано- и микросистемной техники возрастает потребность в устройствах для точного позиционирования элементов таких систем. В связи с этим актуальными являются вопросы исследования и создания актюаторов для нано- и микроперемещений, обеспечивающих нано- и пикометровое разрешение [1−6] .

Ведущими зарубежными производителями пьезоприводов для нано- и микроперемещений являются PhysicInstrumente (PI, Германия), NewScaleTechnologies (NST, США), CedratTechnologies (Франция), MorganTechnicalCeramics (MTCElectroCeramics, UnitedKindom), NoliacGroup (Дания),  PiezoKinetics, Inc. (США), PiezoSystemsInc. (США), PiezomechanikGmbH (Германия), Piezosystemjena (Германия),OmegaPiezoTechnologiesInc.  (США), TRS Technologies, Inc. (США), CeramTec  (Германия), Johnson Matthey Catalysts (Германия),  Kinetic Ceramics, Inc. (США), AEI (США), Ferroperm Piezoceramics A/S (Дания),  APC International, Ltd (США),  NEC TOKIN Corporation (Япония),   EPCOS · A Member of TDK-EPC Corporation (Япония),  вРоссии – ОАО «НИИ «Элпа» (Россия) [1].

Анализ существующих и перспективных разработок производителей показывает, что перспективными направлениями создания двигателей для нано- и микроперемещений являются – основанные на использовании пьезоэлектрического и пьезомагнитного эффектов [7, 8]. Первый эффект заключается в изменении линейных размеров отдельных материалов в электрическом, а второй – во внешнем магнитном поле. Оба пьезоэффекта обратимы. В датчиках механических величин используют прямой пьезоэффект [9–12]. В пьезодвигателях используют обратный пьезоэффект, когда при приложении электрического или магнитного поля изменяются линейные размеры материала. Двигатели, основанные на пьезоэлектрическом эффекте более предпочтительны, поскольку не чувствительны к действию магнитных полей и имеют более широкую сферу применения.

Пьезоэффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии [13]. Типичным пьезоэлектриком является кварц − a-SiO₂ (a-кварц), пьезоэлектрические свойства проявляются более чем у 1500 веществ. Пьезоэлектрическими свойствами обладает керамика: BaTiO₃,   PbTiO₃,   Pb[Zr_xTi_1−x]O₃ 0≤x≤1 (PZT или ЦТС), KNbO₃,LiNbO₃,LiTaO₃,Na₂WO₃,  ZnO,   Ba₂NaNb₅O₅,  Pb₂KNb₅O₁₅. В зависимости  от  используемого  пьезоэлектрического материала  пьезодвигатели (актюаторы) могут быть пьезокристаллическими (на базе монокристаллов) и пьезокерамическими (на базе поликристаллов пьезокерамики). На практике пьезокерамические актюаторы нашли более широкое применение [14 – 16].

Выбор пьезоматериалов для пьезодвигателей осуществляют в основном по следующим параметрам: пьезомодуль в направлении рабочих деформаций, модуль Юнга, коэффициент электромеханической связи и механическая добротность. Они определяют диапазон перемещений, упругие и резонансные свойства, эффективность преобразования электрической энергии в механическую, степень затухания колебательных процессов.

Пьезодвигатель конструктивно состоит из корпуса, одного или нескольких пьезоприводов (пьезоактюаторов) и различных элементов, поддерживающих их работу. Привод (актюатор) – общее название приборов, которые преобразуют входную энергию в механическую энергию. Пьезопривод (piezoactuator) – преобразует электрическую энергию в механическую (напряжение и заряд в силу и движение).

При конструировании пьезодвигателей учитывают недостатки пьезокерамики: нелинейность, крип (creep – ползучесть) – запаздывание реакции на изменение величины управляющего поля, гистерезис – неоднозначность зависимости удлинения от направления изменения электрического поля (до 5 – 25 % в зависимости от материала). Для уменьшения влияния гистерезиса на точность позиционирования пьезодвигателем выбирают пьезоматериалы с меньшим гистерезисом, а также применяют системы управления с датчиками положения и обратной связью [17]. В каждом случае необходимо учитывать особенности электромеханического преобразования энергии пьезодвигателями нано- и микроперемещений [18].

По принципу действия пьезоприводы можно разделить на следующие виды: ударного действия (вибропьезоприводы), деформационного действия (шаговые) и силового действия (силовые двигатели) [1]. В первом случае подвижная часть приводится под действием ударов передаваемых от пьезоэлемента с частотой собственных колебаний (резонансной частотой). Во втором – подвижная часть последовательно перемещается с определённым шагом вследствие изменения напряжённо-деформированного состояния его элементов под действием пьезоэлементов. В третьем – силовое воздействие непосредственно (или через передаточное звено) передаётся на объект от пьезоэлемента, при этом осуществляются угловые или линейные перемещения в ограниченном диапазоне. В зависимости от используемых направлений пьезоэффектов, конструкции, предназначения и т.п. широкое распространение получили следующие виды пьезоактюаторов: защемляемые  изгибные  пьезокерамические биморфы и мультиморфы (мода  d₃₁), моноблочные и  пакетные (осевые – мода d₃₃, поперечные – мода  d₃₁), дифференциальные,изгибно-натяжные, сдвиговые, ламинарные полосковые, с интегрированным рычажным усилителем перемещения,управляемые пьезофлексерные, трубчатые [4].

На рис. 1 показан пьезопривод из однослойной пластины (d₃₃) пьезоматериала. При приложении внешнего электрического поля той же поляризации и ориентации, что и направление поляризации пластины, происходит расширение пьезоматериала по толщине или вдоль оси поляризации. Пьезопривод из однослойной пластины (d₃₁) с поперечным сжатием представлен на рис. 2. Здесь сжатие происходит по направлениям, перпендикулярным направлению поляризации. При смене полярности направление движения меняется на противоположное.

Двухслойные пьезоприводы могут быть работающими на удлинение (рис. 3). Между пьезоэлектрическими пластинами устанавливается прокладка из ламината, которая добавляет механическую прочность и жёсткость, но уменьшает перемещение.  Двухслойные приводы называют по числу пьезопластин (слоёв). В действительности слоёв материалов больше, обычно девять: четыре электродных слоя, два пьезокерамических слоя, два слоя клея, прокладка из ламината. При конфигурации для параллельной работы прокладку делают двухслойной, что даёт возможность уменьшить напряжение возбуждения на половину. В двухслойных приводах обычно используется движение вдоль одной оси. Типичная величина перемещения таких приводов (рис. 3) от десятков нанометров до десятков микрон, а силы – от нескольких десятков до сотен Ньютонов.  Так же двухслойные приводы могут работать на изгиб (рис. 4, 5) или скручивание (рис. 6). Многослойный привод показан на рис. 7.

В дифференциальных конструкциях пьезоактюаторов одна часть пьезоэлементов работает на сжатие, а другая – на расширение, при этом пьезоэлементы механически соединены так, что их перемещения складываются по абсолютной величине (рис. 8). Такие конструкции могут быть выполнены как из отдельных пьезоэлементов, так и из пакетов пьезоэлементов, а также из биморфных пьезоэлементов. Дифференциальное соединение и включение пьезоэлементов позволяет минимизировать температурную погрешность, возникающую из-за теплового расширения элементов конструкции пьезодвигателя, а также увеличить в два раза диапазон перемещений без значительного увеличения габаритных размеров и дополнительных энергозатрат.

Изгибно-натяжные пьезоактюаторы сочетают  в  себе  лучшие характеристики  многослойных  актюаторов  и  двухслойных актюаторов. Такие  устройства  преобразуют  небольшой  толщинный сдвиг  многослойного  пьезокерамического  элемента  в  деформацию изгиба  двух  металлических  пластин,  охватывающих  элемент. Благодаря механическому усилению такого преобразования изгибно-натяжные  актюаторы  демонстрируют  многократное  увеличение сдвига  по  сравнению  с  многослойными  актюаторами,  а  также достигают  значительно  больших  показателей  силы  и  скорости реакции, по сравнению с эквивалентными двухслойными изгибными актюаторами. Обычно такие устройства имеют резонансную частоту от 300Гц до 3кГц. В зависимости от формы их конструкции (см. рис. 9, 10) изгибно-натяжные актюаторы получили название эллипсоидные и тарелочные.

Сдвиговые пьезоактюаторы способны генерировать большую блокирующую силу при значительном сдвиге (рис. 11). Находят применение в качестве  пьезоэлектрических  линейных  моторов,  а  также  как одноосевые и двухосевые позиционирующие элементы. Ламинарные  полосковые  пьезоактюаторы – это актюаторы сжатия.  Активный  материал  этих  актюаторов  представляет  собой полоски  пьезокерамики.  Сдвиг  в  таких  актюаторах  происходит в направлении,  перпендикулярном  направлению  поляризации  и приложенному электрическому полю (рис. 12).

Трубчатые  пьезоактюаторы работают на принципе  явления сужения  внутреннего  сечения  полого пьезокерамического  цилиндра. Стенки  цилиндра снаружи  и  изнутри  покрываются  электродами,  и  он  работает  на основе поперечного пьезоэффекта. Электрическое  напряжение,  приложенное  между  внешним  и внутренним  электродами,  вызывает  осевое  и  радиальное  сжатие пьезокерамики.

Управляемые пьезофлексерные актюаторы – представляют собой сложные позиционирующие устройства на базе пьезоактюатора с интегрированным в него флексером. Флексеры – это устройства, практически не  имеющие трения  и стрикции, принцип  работы  которых  основан  на  эластичной  деформации (флексинге) твердого материала, например, стали. Применяются в тех случаях, когда  требуется  получить  исключительно  прямое  перемещение  по одной и более осям (до шести осей) с нанометрическим отклонением от  идеальной  траектории.  Такие  устройства  часто  используют  с рычажным  усилителем  перемещения,  что  позволяет  увеличить максимальный ход пьезоактюатора почти в 20 раз, в результате чего он может составлять несколько сотен микрон.

Особый интерес представляют шаговые пьезодвигатели, которые используются для манипуляции объектами, с пошаговым их перемещением. Они находят широкое применение в атомно-силовой и туннельной микроскопии, поскольку позволяют с точностью до нанометров позиционировать исследуемый объект. Отличительной особенностью конструкций шаговых пьезодвигателей является наличие кроме рабочих пьезоэлементов фиксирующих устройств, в качестве которых могут быть тоже пьезоэлементы [19]. Такие пьезодвигатели могут содержать одиночные, биморфные и пакетные пьезоактюаторы. Фиксирующие устройства фиксируют подвижную часть двигателя в его рабочем цикле пошагового перемещения. Они позволяют создавать (совместно с рабочими пьезоактюаторами) и снимать напряжённо-деформированные состояния в деформируемых подвижных элементах конструкции пьезодвигателя. При снятии напряжённо-деформированного состояния фиксирующим устройством подвижный элемент пьезодвигателя удлиняется и перемещает объект на один шаг. Для двух и трёх координатного перемещения совмещают два и три пьезопривода (пьезоактюатора). Минимальный шаг перемещений пьезоприводов зависит от свойств и размеров пьезоэлементов, величины управляющего электрического напряжения. Плавность хода  пьезопривода возрастает с уменьшением шага и увеличением частоты следования управляющих импульсов.

В последнее время активно развиваются резонансные ультразвуковые пьезодвигатели, которые являются  современной  альтернативой  двигателям  постоянного  тока,  они  также известны как вибрационные двигатели. Преимуществами  подобных  двигателей  являются  высокое нанометрическое  разрешение,  скорость  и  мощность,  несоизмеримая  с  их размерами.

На рис. 13 показаны схема и конструкция резонансного пьезопривода Squiggle фирмы NST[20–23]. Основными элементами пьезопривода являются: четырёхгранная металлическая муфта (из немагнитного материала) c внутренней резьбой, ходовой винт (червяк) и четыре пластины пьезокерамики. Пластины  пьезокерамики прикреплены на гранях металлической муфты, червяк вкручен в металлическую муфту. При подаче двухфазных  напряжений на противоположные пары пластин пьезокерамики возникают механические колебания, которые передаются металлической муфте. Если есть сдвиг фаз между подаваемыми электрическими напряжениями, то на границе соприкасающихся поверхностей муфты и червяка возникают силы сдавливания с поворотом. В результате червяк вращается и линейно перемещается относительно муфты. Меняя сдвиг фаз можно изменять направление движения винта (червяка). Эти пьезоприводы работают в резонансном режиме на частотах 30 – 200 кГц в зависимости от их размеров. Минимальные габариты пьезопривода 1,55 x 1,55 x 6 мм, температурный диапазон работы от минус 30 до 70 градусов Цельсия, потребляемая мощность ~ 500 мВт, диапазон линейных перемещений до 5 – 30 мм, разрешение 0,5 мкм. Такие приводы применяются для объективов фото и видеокамер.

В России постепенно начинают развиваться перспективные производства МЭМС, НЭМС и наноструктурированных материалов. Однако этот процесс идёт достаточно сложно, в том числе по причине отсутствия отечественного тестового, технологического и сборочного оборудования с нанометровым разрешением.

На рис. 14. представлена конструкция отечественного дорезонансного пьезодвигателя, созданного в ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В. Проценко» [3].  Данный двигатель имеет Н-образную группу пьезоэлементов (ПЭ) – два тормозных ПЭ с наконечниками из износостойкой керамики и один ходовой. Тормозные ПЭ управляются квазипрямоугольными сигналами, а ходовые – пилообразными. Благодаря этому имеется возможность реализовать принцип дробления шага и останавливать пьезодвигатель на любом такте напряжения, формирующего ходовую пилу.

Рабочий цикл такого пьезодвигателя состоит из нескольких этапов. Первый тормозящий актюатор приводится в действие и зажимает один конец движителя. На актюатор-движитель подается напряжение, и он приводится в действие – удлиняется. Второй тормозящий актюатор после максимального шага движителя зажимает его. С  первого  тормозящего  актюатора  снимается  напряжение,  и  он разблокирует движитель. Движитель,  с  которого  снимается  напряжение,  сжимается  в направлении передвижения и т.д.

При использовании описанной схемы пьезодвигателя благодаря применению ряда новых конструктивных решений удалось минимизировать габариты пьезодвигателя. На рисунке 15 представлен макетный образец пьезодвигателя.

Преимущества пьезодвигателей: высокий КПД (до 90% и более), большое усилие (не требуются редукторы), малые габариты и масса (по сравнению с электромагнитными двигателями), возможность работы при криогенных температурах и в условиях вакуума, возможность обеспечить малые угловые (единицы угловых секунд) и линейные перемещения (< 1 нм) и др. [1, 3, 24].

Области применения прецизионных пьезоприводов стремительно расширяются: нано- и микроманипуляторы, микророботы, нано- и микроскопия, нано- и микротехнологии (микролитография), биотехнологии, астрономия, космические исследования, метрология, тестовое оборудование для полупроводниковой промышленности, тестирование дисковых накопительных устройств,  приборы управления лазерным лучом (приводы лазерных резонаторов), топливно-распределительные системы бензиновых и дизельных двигателей, компенсаторы вибрации   и т.д. [1–6].

1. Бардин В.А., Васильев В.А. Двигатели для нано- и микроперемещений / В  кн.: Проблемы автоматизации и управления в технических системах: сб. ст.  Международной научно-технической конференции (г. Пенза, 23 – 25 апреля 2013  г.) // под ред. д.т.н., проф. М. А. Щербакова.   – Пенза: Изд-во  ПГУ, 2013. –  С.259 – 263.
2. Амельченко А.Г., Бардин В.А., Васильев В.А., Немков А.Е., Чернов П.С. Прибор для механических тестов с нанометровым разрешением  / В  кн.: Проблемы автоматизации и управления в технических системах:  сб. ст.  Международной научно-технической конференции (г. Пенза, 23 – 25 апреля 2013  г.) // под ред. д.т.н., проф. М. А. Щербакова.   – Пенза: Изд-во  ПГУ, 2013. –  С.309 – 312.
3. Амельченко А.Г., Бардин В.А., Васильев В.А., Немков А.Е., Чернов П.С.  Прибор прецизионного позиционирования с нанометровым разрешением // Информационные материалы в науке и производстве (ИТНП-2013): Материалы Всероссийской научно-технической конференции. 5–6 июня 2013 г. Самар. гос. техн. ун-т.– Самара, 2013.–С.3–6.
4. Бардин В.А., Васильев В.А. Пьезоактюаторы для измерительных и управляющих систем // Информационные материалы в науке и производстве (ИТНП-2013): Материалы Всероссийской научно-технической конференции. 5–6 июня 2013 г. Самар. гос. техн. ун-т. – Самара, 2013. – С.17–20.
5. Бардин В.А., Васильев В.А. Принципы построения пьезоактюаторов для нано- и микроперемщений // В сб.: «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» : Труды XVI международной конференции. – Ульяновск: УлГУ, 2013.–С.316–317.
6. Васильев В. А., Бардин В.А. Пьезоприводы нано- и микроперемещений // В сб. материалов науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, посвящ. 350-летию г. Пензы, в рамках Всерос. науч. школы «Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении» (г. Пенза, 1-3 октября 2013 г.) / под ред. проф. Т. И. Мурашкиной. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. – С. 235 – 236.
7. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. – М.: Техносфера,  2006. – 224 с.
8. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. – М.: Техносфера,  2006. – 632 с.
9. А.с. СССР № 1454378 Датчик пульса / Васильев В.А., Тихонов А.И., Дегтярев Д.Г.,  Курепов М.Е.//МКИ А 61 В 5/02. Бюл. № 4 от 30.01.1989 г.
10. Васильев В.А., Веремьёв В.А.,   Тихонов А.И. Исследование влияния частотных факторов и параметров на пьезоэлектрические датчики давления // Известия Томского политехнического университета. – Томск, 2003. – Т.306, №4. – С.103–108.
11. Головнин В.А., Каплунов И.А., Малышкина О.В., Педько Б.Б., Мовчикова А.А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. – М.: Техносфера,  2013. – 272 с.
12. Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы.  – Ростов на Дону: РГУ,  2008. – 159 с.
13. Сафронов А. Пьезокерамические пакетные и моноблочные актюаторы / Сафронов А., Климашин В., Парфенов Б., Ярошевич В., Никифоров В. // Компоненты и технологии.  – 2002, № 6. – URL: http://www.masters.donntu.edu.ua/2011/etf/kitmane/library/pa.pdf
14. Mackeyville P.A. Piezoceramics Actuator: Principles and Applications. APC International, Ltd, 2002.
15. Бобцов А.А., Бойков В.И., Быстров С.В., Григорьев В.И. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. – С.-Петербург: ИТМО, 2011. – 131 с.
16. Афонин С.М. Особенности электромеханического преобразования энергии пьезодвигателями наноперемещений // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – М.: Научтехлитиздат, 2012. – С. 23 – 28.
17. А.с. СССР № 1800575 Пьезоэлектрический привод / В.В.Кислов, В.И.Панов, С.И. Васильев, И.Э.Невернов, С.Д.Алекперов, А.Г.Амельченко, А.А.Есин, Е.Ф. Балакирев // H02N2/00, H01L41/09. Опубликовано 07.03.1993 г.
18. Henderson D.A., Shaertl L. Piezoelectric motors move miniaturization forward / New Scale Technologies, Victor, NY. – – URL: http://www.newscaletech.com
19. Henderson D.A. Novel piezo motor enables positive displacement microfluidic pump / New Scale Technologies, Victor, NY// NSTI Nanotech, 2007.
20. Васильев В.А., Веремьёв В.А.,   Тихонов А.И. Влияние частотных факторов и параметров на информативный сигнал пьезоэлектрических датчиков давления // Датчики и системы. –  М., 2003. – № 8. – С.5–9.
21. Васильев В.А., Тихонов А.И. Оптимизация пьезоэлектрических датчиков механических величин Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – Новочеркасск, 2003.– № 1.– С. 80–81.
22. Henderson D.A. Simple ceramic motor…Inspiring smaller products / New Scale Technologies, Victor, NY// Actuator 2006, 10-th International conference on new actuators. 14-16 June 2006. Bremen, Germany (Late Submission).
23. Самарин А. Миниатюрные линейные пьезоэлектрические двигатели // Компоненты и технологии. – М., 2006. – № 6. – URL: http://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2006_10_36.pdf
24. Zhang B., Zhu Z. Developing a linear piezomotor with nanometer resolution and high stiffness. IEEE/ASME Trans. Mechatronics, Vol.2, 1997, P.22–29

Все статьи автора «optoopto»

Компоненты роботов -Приводы — «мышцы» роботов кратко…

Привет, Вы узнаете про компоненты роботов, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое компоненты роботов,приводы роботов,мышцы роботов,пьезодвигатели,воздушные мышцы,электроактивные полимеры , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Робототехника

​Приводы:Приводы — это «мышцы» роботов. В настоящее время самыми популярными двигателями в приводах являются электрические, но применяются и другие, использующие химические вещества или сжатый воздух.

• Двигатели постоянного тока: В настоящий момент большинство роботов используютэлектродвигатели, которые могут быть нескольких видов.
• Шаговые электродвигатели: Как можно предположить из названия, шаговые электродвигатели не вращаются свободно, подобно двигателям постоянного тока. Они поворачиваются пошагово на определенный угол под управлением контроллера. Это позволяет обойтись без датчика положения, так как угол, на который был сделан поворот , заведомо известен контроллеру; поэтому такие двигатели часто используются в приводах многих роботов и станках с ЧПУ.

Современной альтернативой двигателям постоянного тока являются пьезодвигатели, также известные как ультразвуковые двигатели. Принцип их работы весьма оригинален: крошечные пьезоэлектрические ножки, вибрирующие с частотой более 1000 раз в секунду, заставляют мотор двигаться по окружности или прямой. Преимуществами подобных двигателей являются высокое нанометрическое разрешение, скорость и мощность, несоизмеримая с их размерами. Пьезодвигатели уже доступны на коммерческой основе и также применяются на некоторых роботах.

Воздушные мышцы — простое, но мощное устройство для обеспечения силы тяги . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При накачивании сжатым воздухом мышцы способны сокращаться до 40 % от своей длины. Причиной такого поведения является плетение, видимое с внешней стороны, которое заставляет мышцы быть или длинными и тонкими, или короткими и толстыми. Так как способ их работы схож с биологическими мышцами, их можно использовать для производства роботов с мышцами и скелетом, аналогичными мышцам и скелету животных. Воздушные мышцы (ВМ) — устройства, сжимающиеся или растягивающиеся под действием воздушного давления. Представляют собой герметичную оболочку в кожухе плетеном из нерастяжимых нитей. Так же, как и человеческие мышцы, ВМ обычно используют парами: один сгибатель и один разгибатель. ВМ были разработаны (оригинальное название: McKibben Artificial Muscles) в 1950-х для использования в протезах.

Воздушная мышца в работе

Преимущества воздушных мышц

• ВМ обладают небольшим весом.
• Обладают простой конструкцией.

Недостатки воздушных мышц

• Для работы ВМ необходимы система клапанов и компрессор.
• Динамика ВМ описываются нелинейной системой, которая, однако, по свойствам близка к биологическим мышцам.
• Система из пневмомышц чувствительна к давлению внешней среды. Оно меняет ее характеристики, либо вообще делает работу системы невозможной.

электроактивные полимеры :

Электроактивные полимеры — это вид пластмасс, который изменяет форму в ответ на электрическую стимуляцию. Они могут быть сконструированы таким образом, что могут гнуться, растягиваться или сокращаться. Впрочем, в настоящее время нет ЭАП, пригодных для производства коммерческих роботов, так как все ныне существующие их образцы неэффективны или непрочны.Электроактивные полимеры (ЭАП) — полимеры, изменяющие форму при приложении к ним электрического напряжения. Они могут использоваться как двигатели, так и как сенсоры. В качестве двигателей они могут значительно деформироваться, в то же время развивая значительное усилие.Благодаря схожести с живыми мускулами по развиваемым усилиям, их часто называют искусственными мышцами. Электроактивные полимеры используются в робототехнике в качестве линейных приводов.

ЭАП можно разделить на два класса:Диэлектрические ЭАП и Ионные ЭАП.

Диэлектрические ЭАП (диэлектрические эластомеры) — в них усилие возникает в результате электростатических сил, возникающих между электродами, сжимающими полимер. Диэлектрические эластомеры способны выдерживать очень высокие напряжения и фактически представляют собой конденсатор, который изменяет свою емкость при приложении электрического напряжения за счет того, что полимер может сжиматься в одном направлении, растягиваясь при этом в другом и увеличивая свою площадь под действием электрического поля. Этот тип ЭАП требует высокой напряженности электрического поля (и соответственно высокого напряжения — сотни и даже тысячи вольт), однако отличаются низким энергопотреблением. Диэлектрические ЭАП не потребляют энергию для сохранения заданного положения.

Ионные ЭАП, в которых усилие возникает из-за смещения ионов в полимере. Рабочие напряжения ионных ЭАП — единицы вольт, но необходимость поддержания потока ионов приводит к большему энергопотреблению, кроме того, для поддержания заданного положения необходим постоянный расход энергии.

Эластичные нанотрубки:

Это — многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменен проводом из такого материала диаметром 8 мм. Подобные компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.

См. также

К сожалению, в одной статье не просто дать все знания про компоненты роботов. Но я — старался. Если ты проявишь интерес к раскрытию подробностей,я обязательно напишу продолжение! Надеюсь, что теперь ты понял что такое компоненты роботов,приводы роботов,мышцы роботов,пьезодвигатели,воздушные мышцы,электроактивные полимеры и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Робототехника

Расчет характеристик пьезоэлемента ультразвукового двигателя | Масленникова

1. Лавриненко В.В., Карташов И.А., Вишневский В.С. Пьезоэлектрические двигатели. М.: Энергия, 1980. 372 с.

2. Бардин В.А., Васильев В.А. Актюаторы нано- и микроперемещений для систем управления, контроля и безопасности // Современная техника и технологии. Электрон. журн. 2014. № 2. Режим доступа: http://technology.snauka.ru/2014/02/3057 (дата обращения: 10.07.2016).

3. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. М.: Техносфера, 2006. 224 с. [K.Worden. Smart materials. River Edge: World Scientific, 2003].

4. Петренко С.Ф. Пьезоэлектрический двигатель в приборостроении. Киев: Корнiйчук, 2002. 96 с.

5. Касей Г., Конвей М., Мэрфи М. Приводы для фокусировки объектива в камерных модулях высокого разрешения // Компоненты и технологии. 2008. № 3. С. 147-150. Режим доступа: http:// kit-e.ru/articles/powerel/2008_3 (дата обращения: 20.08.2016).

6. Акопьян В. А., Соловьев А. Н., Шевцов С. Н. Методы и алгоритм определения полного набора совместимых материальных констант пьезокерамических материалов. Ростов н/Д: Изд-во Южного Федерального ун-та, 2008. 144 с.

7. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применения. Пер. с чешск. М.: Мир, 1990. 584 с. [J. Zelenka. Piezoelektrické rezonátory a jejich použití = Piezoelectric resonators and their applications. Amst.;N.Y.: Elsevier, 1986].

8. Васильев В.А., Веремьёв В.А., Тихонов А.И. Влияние частотных факторов и параметров на информативный сигнал пьезоэлектрических датчиков давления // Датчики и системы. 2003. № 8. С.5–9.

9. Symmetron Group: Электронные компоненты. Пьезокерамика APC International Ltd. [Электрон. ресурс].Режим доступа: http:/www.symmetron.ru/suppliers/apc/index.shtml (дата обращения: 08.09.2016).

10. Головнин В.А., Каплунов И.А., Малышкина О.В., Педько Б.Б. Пьезоэлектрическая керамика: применение, производство, перспективы // Вестник Тверского гос. ун-та. Сер.: Физика. 2010. № 11. С. 47 – 58.

11. Бардин В.А., Васильев В.А. Двигатели для нано- и микроперемещений // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф.(г. Пенза, 23 – 25 апреля 2013 г.) / Под ред. д.т.н., проф. М. А. Щербакова. Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. С.259 – 263.

12. Головнин В.А., Каплунов И.А., Малышкина О.В., Педько Б.Б., Мовчикова А.А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. М.: Техносфера, 2013. 272 с.

13. Piezoelectric ceramics: Principles and applications. Mackeyville: APC International, 2002.

Как работают пьезодвигатели?

Типичный шаговый пьезодвигатель состоит как минимум из трех пьезоприводов. Некоторые из исполнительных механизмов находятся в контакте с ползуном (например, исполнительные механизмы A и B на рисунке 2) и действуют как зажимной механизм, в то время как другие используются для создания поступательного движения ползуна (например, пьезо C на рисунке 2).

В состоянии покоя оба пьезоэлемента A и B находятся в контакте с ползуном. Во время начала цикла движения, которое показано в состоянии 1 на рис. 2, пьезо A втягивается, а пьезо B расширяется.Только точка контакта пьезо B остается в контакте с ползуном.

Пьезо C расширен для реализации поступательного движения ползуна через контакт пьезо B, что показано в состоянии 2.

Затем пьезо A выдвигается, а пьезо B втягивается. Теперь с ползунком контактирует только пьезоА, см. Состояние 3.

Затем пьезо C возвращается в исходное положение, что приводит к состоянию номер 4.

Наконец, пьезо B снова выдвигается, а пьезо A втягивается, восстанавливая начальные условия первого состояния.

Характеристики:
Из-за различных этапов, задействованных в механизме перемещения, пьезо шаговый двигатель обычно достигает низких скоростей движения (т.е. <10 мм / с) . Кроме того, при шаге контакты изнашиваются, как и при любом фрикционном контакте. Однако пьезо шаговый двигатель особенно подвержен износу , потому что для хорошей работы требуются строгие допуски. Причина этого — небольшой ход пьезоприводов, которые необходимо тщательно выровнять относительно друг друга.Следовательно, пьезо шаговые двигатели обычно имеют меньший срок службы, чем пьезодвигатели других типов. Хорошо известная и удобная конфигурация пьезо шагового двигателя имеет четыре «ножки», но в целом этот двигатель состоит из 8 различных пьезоприводов. Из-за большого количества пьезоэлектрических элементов и требуемых строгих допусков этот тип двигателя на дороже, чем электродвигатели с прерывистым скольжением и ультразвуковые пьезодвигатели .

IRJET-Запрошенная вами страница не найдена на нашем сайте

IRJET приглашает статьи из различных инженерных, технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 9 (сентябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

IRJET Vol-8, выпуск 9 , Сен 2021 Публикация продолжается…

Обзор статей

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

IRJET приглашает участников из различных инженерных и технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 9 (сентябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

IRJET Vol-8, выпуск 9, сентябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

IRJET приглашает участников из различных инженерных и технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 9 (сентябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

IRJET Vol-8, выпуск 9, сентябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

IRJET приглашает участников из различных инженерных и технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 9 (сентябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

IRJET Vol-8, выпуск 9, сентябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

IRJET приглашает участников из различных инженерных и технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 9 (сентябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

IRJET Vol-8, выпуск 9, сентябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

IRJET приглашает участников из различных инженерных и технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 9 (сентябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

IRJET Vol-8, выпуск 9, сентябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

IRJET приглашает участников из различных инженерных и технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 9 (сентябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

IRJET Vol-8, выпуск 9, сентябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

IRJET приглашает участников из различных инженерных и технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 9 (сентябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

IRJET Vol-8, выпуск 9, сентябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

Пьезоэлектрические двигатели — обзор

1.5.4 Приводы

Приводы являются очень важными элементами протезных устройств, поскольку они влияют на движение и силы взаимодействия между устройством и окружающей средой.Возможные приводы включают двигатели постоянного тока (щеточные и бесщеточные), ультразвуковые двигатели, пьезоэлектрические двигатели, искусственные мышцы (на основе пневматических или диэлектрических электроактивных полимеров), сплавы с памятью формы (SMA) и многое другое.

При выборе исполнительных механизмов для протезов конечностей необходимо учитывать большое количество факторов. К ним относятся мощность, плотность мощности, напряжение, ток, крутящий момент, плотность крутящего момента, скорость, размер, вес, точность, гистерезис, повторяемость, частота, эффективность, шум, конкретные параметры в зависимости от технологии, применимости и стоимости, и применимы как к протезированию. и робототехника (Hollerbach et al., 1992; Cura et al., 2003). Во многих исследованиях представлены сравнения исполнительных механизмов на основе ряда критериев; однако, чтобы применить какую-либо технологию для протезирования верхней конечности, необходимо включить в сравнение не только исполнительный механизм, но также необходимые драйверы / усилители, датчики и источник питания для него. Это связано с тем, что для использования привода требуются все эти подсистемы, и все они должны быть встроены в протез или каким-либо образом переноситься пациентом. Например, гидравлический привод может выглядеть очень привлекательно, но если учесть необходимые источник питания и трубопроводы, его привлекательность снижается.

Двигатели постоянного тока . Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами создают крутящий момент из-за сил Лоренца, действующих на их обмотки. Они выпускаются в миниатюрных размерах от 1 Вт и меньше, в щеточной и бесщеточной формах. Поскольку оба являются устройствами с низким крутящим моментом и высокой скоростью (до 10–20 об / мин), они используются с миниатюрными редукторами и оснащены встроенными датчиками угла, обычно в виде магнитных или оптических энкодеров. Когда они являются частью системы управления положением, которая точно регулирует положение механической нагрузки, они называются серводвигателями.

Для увеличения ускорения щеточные микродвигатели обычно без сердечника, то есть их обмотки приклеены к полому ротору, а статор несет постоянные магниты. Коммутация тока осуществляется с помощью коммутатора и щеток, которые подвержены износу. Бесщеточные микродвигатели постоянного тока представляют собой инверсию принципа щеточного двигателя постоянного тока. Здесь не нужны щетки, статор несет обмотки, а ротор несет постоянные магниты. Ротор может вращаться внутри статора или снаружи (внешний двигатель) для увеличения выходного крутящего момента за счет более высокого момента инерции.

Были разработаны три версии многофункционального тактильного устройства, которое может отображать прикосновение, давление, вибрацию, силу сдвига и температуру на коже человека с ампутированной конечностью (Kim et al., 2010). Для устройств был рассмотрен ряд исполнительных механизмов, таких как ультразвуковые двигатели и электромагнитные двигатели. Хотя ультразвуковые двигатели вырабатывали высокий крутящий момент и не нуждались в снижении, они имели плохую частотную характеристику и не могли достичь высоких ускорений в течение достаточного времени. Поэтому были выбраны щеточные микродвигатели постоянного тока с соответствующими редукторами, обеспечивающие лучшую частотную характеристику без обратной связи, силовую реакцию с обратной связью и отклик на постукивание при ограниченном движении.

Был разработан 3D-печатный протез руки для трансметакарпальных ампутантов (Mio et al., 2017). Из-за небольшого пространства для размещения приводов и связанной с ними электроники приводились в действие микродвигателями постоянного тока. Четырехзвенные рычажные механизмы использовались для движений сгибания указательного, среднего, безымянного и мизинца, в то время как механизм с цилиндрическими зубчатыми колесами и червячный привод использовался для большого пальца, все положение контролировалось местными контроллерами.

Был разработан параллельный протез с увеличенным усилием, уменьшенным весом и размером.Протез имеет четыре степени свободы, приводимые в движение четырьмя бесщеточными двигателями, весит 1010 г и может поднимать 2 кг, в то время как время полного хода сгибания локтя составляет около 2 с (Escudero et al., 2002).

Доступен обзор прошлых и настоящих искусственных рук, разработанных в рамках исследовательских проектов в области протезирования и гуманоидной робототехники (Controzzi et al., 2014). В большинстве из них используются микродвигатели постоянного тока в сочетании с микромеханизмами для лучшего согласования микромотора с его механической нагрузкой.

Ультразвуковые двигатели . Это электродвигатели, которые вызывают движение за счет механической вибрации статора, установленного напротив ротора (для вращения) или ползуна (для линейного перемещения). Поскольку механические колебания находятся в ультразвуковом диапазоне, то есть выше 20 кГц, они бесшумны. Эти двигатели могут быть очень маленькими по размеру, они демонстрируют высокую удельную мощность, высокий крутящий момент и низкую скорость, низкий момент инерции, быстрый отклик, бесшумную работу, самоторможение и отсутствие магнитных полей (Cura et al., 2003; Pons et al., 2002). К его недостаткам относятся необходимость в высокочастотном источнике энергии, короткий срок службы из-за контакта статора с ротором, изменения скорости и низкий КПД по сравнению с электромагнитными двигателями, а также необходимость сложного управления.

Пьезоэлектрические двигатели . Пьезоэлектрический или пьезодвигатель — это электродвигатель, работа которого основана на изменении формы пьезоэлектрических материалов при приложении электрического поля. Это изменение формы в сочетании с явлением прерывистого скольжения приводит к механическим перемещениям в форме линейного или вращательного движения.По сравнению с двигателями постоянного тока пьезодвигатели имеют меньшие размеры и обладают большим крутящим моментом, но они относительно дороги (Da Cunha et al., 2000).

Искусственные мышцы в принципе могут быть построены с использованием пневматики или диэлектрических электроактивных полимеров. Эта идея очень привлекательна, потому что такие мышцы могут хорошо вписаться в протез руки, а полученная кривая длины нагрузки напоминает кривую реальной конечности.

Пневматические искусственные мышцы (PAM) состоят из надувного внутреннего пузыря внутри плетеной сетки, зажатой на концах, которая сокращается или расширяется при подаче высокого / низкого давления соответственно.Поскольку они могут только тянуть, PAM применяются парами агонистов и антагонистов. Эта технология была изобретена в 1940-х годах и разработана в 1950-х годах как искусственные мышцы Мак-Киббена (Chou and Hannaford, 1996). PAM легкие, отказоустойчивые и соответствующие требованиям. Экспериментальные результаты показывают, что точное управление положением возможно, с выходной мощностью, превышающей 1 кВт / кг при 200 кПа (Caldwell et al., 1995). Однако для их работы нужен компрессор, который обычно бывает громоздким и шумным, или резервуар для газа под давлением (CO2, воздух) извне.Также требуются электромагнитные клапаны, электроника драйвера и аккумулятор. В последнее время интерес к PAM возобновился благодаря приложениям в мягкой робототехнике (Greer et al., 2017).

Электроактивные полимеры были открыты в 1880 году. Они также известны как совместимые конденсаторы, поскольку их поведение аналогично конденсаторам. Эти полимеры при воздействии электрического поля изменяют размер или форму; если их сдерживают, они прилагают большие усилия (Kim and Tadokoro, 2007). Концепция использования диэлектрических электроактивных полимеров (EAP или DEAP) в качестве искусственных мышц была возрождена недавно, поскольку было продемонстрировано, что некоторые EAP могут проявлять деформацию до 380% (Bar-Cohen, 2001).Они показали большие перспективы благодаря своей низкой стоимости, легкому весу, простой исполнительной конструкции и хорошим характеристикам на низких частотах с большой деформацией (Yuan et al., 2016). Однако для полного раскрытия своих возможностей устройствам DEAP требуются очень высокие напряжения, порядка 2 кВ постоянного тока. Несмотря на малые токи и компактные усилители, эти напряжения не подходят для человека.

Текущие проблемы DEAP были рассмотрены в отношении долговечности, точности контроля, энергопотребления и антропоморфной реализации (Biddiss and Chau, 2008).Приводам DEAP в протезах верхних конечностей с электроприводом препятствуют низкая долговечность и восприимчивость к переносимым по воздуху загрязнителям, ненадежное управление из-за вязкоупругости, гистерезиса, механизмов релаксации напряжений и ползучести, требований к высокому напряжению и недостаточных характеристик напряжения и деформации в пределах антропоморфных условий. размер, вес и функции (Biddiss and Chau, 2008). Хотя эта технология в настоящее время не применима для протезирования верхних конечностей, исследования продолжаются, направленные на снижение необходимого напряжения и повышение их общего потенциала (Bar-Cohen et al., 2018).

Сплавы с памятью формы — это сплавы, которые преобразуют тепло в механическое смещение посредством термоупругих превращений, переходящих от мартенсита к аустениту при нагревании; при охлаждении материал возвращается в аустенит. SMA обладают памятью формы, то есть при нагревании они возвращаются к заданной форме (Jani et al., 2014). На практике этот привод состоит из нескольких параллельно соединенных проводов SAM, которые могут нагреваться током, проходящим через напряженные провода. Обычно тепло вырабатывается собственным сопротивлением сплава, заставляя его сжиматься и возвращаться к своей первоначальной форме, создавая большие силы.

Когда эти сплавы используются в форме проволоки, они имеют хорошее соотношение прочность / вес и высокое соотношение прочность / площадь, что делает этот материал подходящим для применения в протезах верхних конечностей. Самый распространенный SMA, нитинол, состоит из никеля и титана (NiTi). Этот SMA демонстрирует одну из самых высоких плотностей работы — 10 Дж / см ³ , что в 25 раз больше, чем у электродвигателей, и может поднимать более 100 раз своего веса. Кроме того, NiTi SMA является биосовместимым, демонстрирует высокую износостойкость и высокую коррозионную стойкость (Jani et al., 2014).

Однако SMA требуют высоких температур (до 100 ° C) для развития максимальной силы и медленного отклика, поскольку для охлаждения проводов требуется время. Поскольку их деформация составляет 4–8,5%, им требуются специальные механизмы или большие длины для достижения полезных перемещений. Несмотря на то, что недавние достижения в области SMA привели к деформации до 32% с использованием конструкции плетеной катушки, дополнительные недостатки, включая высокий гистерезис, короткий срок службы и высокое потребление энергии, по-прежнему ограничивают их применимость в практических протезах.

Была представлена ​​механическая конструкция ловкой руки с пятью пальцами и 20 степенями свободы, созданная по анатомическому строению человека и приводимая в действие нитями SMA-проводов диаметром 150 мкм. Были разработаны два экспериментальных прототипа пальца, один из которых изготовлен традиционными способами, а другой — методами быстрого прототипирования, что показало перспективность использования в протезах рук (De Laurentis and Mavroidis, 2002).

Пьезоэлектрические ультразвуковые двигатели и их применение

Ультразвуковые двигатели были изобретены в 1965 году В.В Лавринко. В общем, мы осознаем тот факт, что движущая сила создается электромагнитным полем в обычных двигателях. Но, чтобы обеспечить движущую силу, эти двигатели используют пьезоэлектрический эффект в ультразвуковом диапазоне частот, который составляет от 20 кГц до 10 МГц и не слышен обычным людям. Следовательно, это называется пьезоэлектрической технологией USM. Ультразвуковые технологии используются в USM, которые используют мощность ультразвуковых колебаний от компонента для своей работы.

Прежде чем подробно обсуждать эту технологию, нам необходимо знать информацию, касающуюся ультразвуковых датчиков, пьезоэлектрических датчиков и пьезоэлектрических приводов.

Пьезоэлектрический датчик

Изменения физических величин, таких как деформация, сила, напряжение и ускорение, можно измерить, преобразовав их в электрическую энергию. Устройства или датчики, которые используются для этого процесса, называются пьезоэлектрическими датчиками.И этот процесс называется пьезоэлектрическим эффектом. Если к кристаллу приложить напряжение, то давление будет создаваться на атомах кристалла, вызывая деформацию атомов, которая составляет всего 0,1%.

Ультразвуковой датчик

Преобразователи, которые генерируют звуковые волны высокой частоты — от 20 кГц до 10 МГц — и приписывают цель, считывая временной интервал между получением эха после отправки сигнала, называются ультразвуковыми датчиками.Следовательно, ультразвуковые датчики могут использоваться для обнаружения препятствий и предотвращения столкновений.

Пьезоэлектрический привод

Для точной настройки линз фотоаппарата, зеркала, обрабатывающих инструментов и другого подобного оборудования требуется точный контроль движения; такое точное управление движением может быть достигнуто с помощью пьезоэлектрических приводов. Электрический сигнал может быть преобразован в точно контролируемое физическое перемещение с помощью пьезоэлектрического привода. Они используются для управления гидравлическими клапанами и двигателями специального назначения.

Пьезоэлектрические ультразвуковые двигатели

Мы можем просто назвать ультразвуковую технологию инверсией пьезоэлектрического эффекта, потому что в этом случае электрическая энергия преобразуется в движение. Следовательно, мы можем назвать это пьезоэлектрической технологией USM.

Пьезоэлектрический материал под названием цирконат, титанат свинца и кварц очень часто используются для USM, а также для пьезоэлектрических приводов, хотя пьезоэлектрические приводы отличаются от USM. Такие материалы, как ниобат лития и некоторые другие монокристаллические материалы, также используются для USM и пьезоэлектрических технологий.
Основное различие между пьезоэлектрическими приводами и USM заключается в вибрации статора в контакте с ротором, которая может быть усилена с помощью резонанса. Амплитуда движения привода составляет от 20 до 200 нм.

Типы ультразвуковых двигателей

USM классифицируются на разные типы на основе разных критериев, а именно:

Классификация УСМ по типу вращения двигателя

• Двигатели роторного типа
• Двигатели линейного типа

Классификация УСМ по форме вибратора

• Тип стержня
• П-образный
• Цилиндрическая форма
• Кольцо (квадрат) тип

Классификация по типу вибрационной волны

• Тип стоячей волны — далее подразделяется на два типа:

1. Однонаправленный
2. Двунаправленный

• Тип распространяющейся или бегущей волны

Работа ультразвуковых двигателей

Вибрация индуцируется в статоре двигателя и используется для передачи движения ротору, а также для модуляции сил трения.Усиление и (микро) деформации активного материала используются для создания механического движения. Макродвижение ротора может быть достигнуто путем исправления микродвижения с помощью фрикционной поверхности раздела между статором и ротором.

Ультразвуковой двигатель состоит из статора и ротора. Работа УСМ меняет ротор или линейный переводчик. Статор USM состоит из пьезокерамики для создания вибрации, металла статора для усиления генерируемой вибрации и фрикционного материала для контакта с ротором.

При подаче напряжения на поверхности металла статора генерируется бегущая волна, которая заставляет ротор вращаться. Поскольку ротор находится в контакте с металлом статора, как упоминалось выше, но только на каждом пике бегущей волны, что вызывает эллиптическое движение, и с этим эллиптическим движением ротор вращается в направлении, обратном направлению движения бегущая волна.

Характеристики и достоинства ультразвуковых двигателей

• Они небольшие по размеру и отлично реагируют.
• Они имеют низкую скорость от десяти до нескольких сотен об / мин и высокий крутящий момент, поэтому редукторы не требуются.
• Они обладают высокой удерживающей способностью, и даже если питание отключено, они не нуждаются в тормозе и сцеплении.
• Они маленькие, тонкие и имеют меньший вес по сравнению с другими электромагнитными двигателями.
• Эти двигатели не содержат электромагнитных материалов и не генерируют электромагнитные волны. Таким образом, их можно использовать даже в областях с сильным магнитным полем, поскольку они не подвержены влиянию магнитного поля.
• У этих двигателей нет шестерен, и для их привода используется неслышимая частота вибрации. Таким образом, они не создают шума и работают очень тихо.
• С этими двигателями возможно точное регулирование скорости и положения.
• Механическая постоянная времени для этих двигателей составляет менее 1 мс, а регулирование скорости для этих двигателей является бесступенчатым.
• Эти двигатели имеют очень высокий КПД, и их КПД не зависит от их размера.

Недостатки ультразвуковых двигателей

• Требуется высокочастотный источник питания.
• Поскольку эти двигатели работают на трении, долговечность намного меньше.
• Эти двигатели имеют падающие характеристики крутящего момента.

Применение ультразвуковых двигателей

• Используется для автофокусировки объектива фотоаппарата.
• Используется в компактных устройствах для обработки бумаги и часах.
• Используется в конвейерных деталях машин.
• Используется для сушки и ультразвуковой очистки.
• Используется для впрыска масла в горелки.
• Используется как лучшие двигатели, которые, как известно, обладают большим потенциалом для миниатюризации оборудования.
• Используется в МРТ-сканировании с помощью магнитно-резонансной томографии в медицине.
• Используется для управления головками дисков компьютера, такими как дискеты, жесткие диски и приводы компакт-дисков.
• Используется во многих областях медицины, авиакосмической промышленности и робототехники.
• Используется для автоматического управления подвижным экраном.
• В будущем эти двигатели могут найти применение в таких областях, как автомобильная промышленность, нанопозиционирование, микроэлектроника, технология микроэлектромеханических систем и потребительские товары.

В этой статье кратко рассматриваются пьезоэлектрические ультразвуковые двигатели, ультразвуковые датчики, пьезоэлектрические датчики, пьезоэлектрические приводы, работа USM, достоинства, недостатки и применения USM. Для получения дополнительной информации по указанным выше темам отправляйте свои запросы, оставляя комментарии ниже.

Фото:

«Самый маленький в мире» пьезопривод для массового рынка

«Самый маленький в мире» пьезоэлектрический привод нацелен на массовые рынки.

01 декабря 2005 г.

«Самый маленький в мире» пьезоэлектрический привод нацелен на массовые рынки

Крошечный новый электрический привод, который может производиться серийно для применения в бытовой технике, игрушках, системах подбора и перемещении и медицинском оборудовании, был представлен на недавней конференции. Выставка SPS / IPC / Drives в Германии.Устройство PiezoWave (показано ниже) является результатом пяти лет разработок шведской фирмы PiezoMotor, которая описывает его как «самый маленький в мире линейный пьезодвигатель».

Компания приветствует разработку как «настоящую революцию в миниатюрном движении» и прогнозирует, что она откроет приложения, которые раньше было невозможно моторизировать.

Прочные миниатюрные приводы обеспечивают прямой линейный привод без использования шестерен или ходовых винтов. Их длина 14мм, 7.2 мм в ширину и 4,4 мм в высоту. Они могут обеспечивать динамическую силу 0,1 Н и удерживающую силу 0,3-0,4 Н при длине хода 8 мм. Они перемещаются с шагом 0,5–1 микрон и, как утверждается, имеют срок службы более 100 000 операций. В массовом производстве PiezoWaves могут стоить менее 10.

Приводы работают по другому принципу, чем более ранние устройства PiezoMotor, которые «ходят» на десятках пьезоэлектрических «ножек». Новые приводы используют ультразвуковой (80–100 кГц) волновой эффект для приведения в движение центральных стержней, зажатых между двумя пьезоэлектрическими слоями.

Приводы PiezoWave используют простую электронику привода и, как говорят, легко интегрируются в приложения. Они работают от источников питания 3,3-5 В и потребляют 60-70 мА (при 4 В).

«Мы разрабатываем эту революционную микромоторную технологию с 2000 года, — говорит Пео Солеруд, директор по маркетингу PiezoMotor, — так что вы можете себе представить, это прекрасное чувство, наконец, иметь возможность показать ее миру, готовую для OEM. интеграция ».

Устройства PiezoWave должны быть запущены в производство в ближайшее время, а серийное производство вырастет к середине 2006 года.L3% 0fB] 7LgoBEn: cAsWOlaoX f:] g1> NpmAY; Hr $ W% + U9oQ] .`6jF9dPT5Bpc2t? WD @ k4P75RnP

Прогноз рынка пьезоэлектрических двигателей, анализ тенденций и отслеживание конкуренции

Обзор мирового рынка пьезоэлектрических двигателей:

Мировой рынок пьезоэлектрических двигателей готов встать на путь умеренного роста, при этом среднегодовой темп роста составит более 4% в прогнозируемый период (2020–2030 годы). Это связано с растущей тенденцией к миниатюризации и большим вниманием к принципам работы пьезоэлектрических элементов.

Миниатюризация — ключевая тенденция во всех отраслях промышленности, она преобладает в производстве медицинских устройств, автомобильных компонентов и бытовой электроники. Миниатюризация потребовала использования пьезоэлектрических двигателей, и эта тенденция, вероятно, сохранится в ближайшие годы.

Однако вспышка COVID-19 нарушила спрос на пьезоэлектрические двигатели почти во всех секторах, особенно пьезоэлектрические двигатели в автомобилях и бытовой электронике. Это, в свою очередь, может привести к приостановке глобального рынка пьезоэлектрических двигателей.

Кроме того, ожидается, что продажи пьезоэлектрических двигателей в медицинском секторе останутся на прежнем уровне. Таким образом, в 2020 году ожидается, что на сегмент оборудования для автоматизации медицинского и лабораторного оборудования будет приходиться лишь одна пятая часть мировой выручки, и к концу 2030 года его оценка составит 93 миллиона долларов США.

Описание типов пьезоэлектрических двигателей:

Согласно Fact.MR, в категории продуктов стандартные линейные пьезоэлектрические двигатели лидируют на рынке и, по оценкам, будут расти со среднегодовым темпом роста 3.8% через прогнозный период. За последнее десятилетие большое количество новых устройств и оборудования, разработанных как для промышленных, так и для потребительских экосистем, использовали пьезоэлектрические двигатели. Пьезоэлектрические двигатели используются в качестве замены обычных электромагнитных двигателей, поскольку последние подвержены механическим сбоям.

Узнать больше об отчете

Применения пьезоэлектрических двигателей

Производители переходят на пьезоэлектрические двигатели в широком диапазоне приложений, требующих точного управления.В качестве альтернативы электромеханическим двигателям для камер и других миниатюрных потребительских приложений пьезоэлектрические ультразвуковые двигатели становятся все более популярными.

Эффективность пьезоэлектрического двигателя, более длительный срок службы батарей и бесшумная работа — вот некоторые из преимуществ, которые обеспечивают пьезоэлектрические ультразвуковые двигатели. Система фокусировки камеры и тестирование полупроводников требуют точной механики, что приводит к лучшей интеграции пьезоэлектрических двигателей.

Рынок пьезоэлектрических двигателей: региональный обзор:

На долю Северной Америки и Азиатско-Тихоокеанского региона в совокупности приходится около 60% мировых пьезоэлектрических двигателей, и прогнозируемые темпы роста до 2030 года намного превышают среднемировые.Северная Америка лидирует по спросу на пьезоэлектрические двигатели. Это достигается за счет интеграции передовых компонентов производителями устройств для повышения эффективности пьезоэлектрических двигателей.

Хирургическое оборудование, медицинские приборы для диагностики и визуализации, аналитические и научные инструменты, устройства для захвата и размещения в производственных помещениях и т. Д. Являются одними из быстрорастущих областей применения пьезоэлектрических двигателей в Северной Америке.

Азиатские рынки пьезоэлектрических двигателей в значительной степени можно разделить на два кластера с точки зрения спроса.Такие страны, как Япония, Южная Корея, Китай и Тайвань, первыми внедрили эти двигатели, в то время как Индия, Таиланд и Индонезия находятся на зачаточных стадиях развития рынка. Производители пьезоэлектрических двигателей усиливают региональное присутствие, взаимодействуя с местными поставщиками компонентов.

Доступны индивидуальные варианты покупки для ваших нужд

Основные стратегии производителей пьезоэлектрических двигателей на рынке

В рамках глобальной стратегии ведущие производители пьезоэлектрических двигателей работают в тандеме с производителями устройств, чтобы расширить области применения пьезоэлектрических двигателей.PI (Physik Instrumente), PiezoMotor Uppsala, Nanomotion Ltd. и SmarAct — одни из известных игроков на рынке пьезоэлектрических двигателей.

По оценкам, десять ведущих компаний на мировом рынке пьезоэлектрических двигателей обеспечивают более половины мировых поставок пьезоэлектрических двигателей. Увеличение предпочтения пьезоэлектрических двигателей в новых отраслях промышленности и повышенный спрос могут привлечь инвестиции в заброшенные и новые предприятия в среднесрочном прогнозном периоде.

COVID-19 Impact Insights

Рынок пьезоэлектрических двигателей серьезно пострадал от вспышки COVID-19. Во всем мире производство остановлено из-за блокировки. Количество сбоев в цепочке поставок увеличивается в связи с резким падением мирового спроса.

Автомобильный, аэрокосмический и оборонный секторы приносят около 15% мировых доходов на рынок пьезоэлектрических двигателей и значительно страдают от пандемии COVID-19.Предполагается, что к концу 2020 года это окажет негативное влияние на рынок.

Более того, спрос на пьезоэлектрические двигатели в медицинском секторе в 2020 году незначительно снизится. Кроме того, возобновление промышленной деятельности и массовое производство бытовой электроники в течение прогнозируемого периода приведет к значительному росту спроса на пьезоэлектрические двигатели.

Доступны индивидуальные варианты покупки для ваших нужд

Точка зрения аналитика

«В течение прогнозируемого периода рынок пьезоэлектрических двигателей будет расширяться.Однако ожидается, что в 2020 году продажи упадут из-за воздействия COVID-19, но перспективы возобновления производственных операций продолжают стимулировать рынок пьезоэлектрических двигателей »

Мировой рынок пьезоэлектрических двигателей: объем отчета:

В недавнем отчете Fact.MR о мировом рынке пьезоэлектрических двигателей содержится 10-летний прогноз с 2020 по 2030 год. В отчете подробно рассматриваются ключевые факторы, сдерживающие факторы, возможности и угрозы для расширения мирового рынка пьезоэлектрических двигателей.В отчете представлен подробный сегментный анализ, основанный на типе, отрасли конечного использования и производственной мощности.

Региональный анализ с точки зрения анализа цепочки поставок, ведения бизнеса и анализа рыночной стоимости дает всестороннее представление о будущих масштабах мирового рынка пьезоэлектрических двигателей. Кроме того, был предусмотрен отдельный раздел о структуре рынка. В разделе представлен подробный анализ ключевых игроков рынка и стратегии расширения рынка пьезоэлектрических двигателей.

Есть запрос, связанный с отчетом? Свяжитесь с нами напрямую

Ключевые сегменты рынка пьезоэлектрических двигателей

Факт.Исследование рынка пьезоэлектрических двигателей MR предлагает информацию, разделенную на четыре важных сегмента: продукт, конечное использование, рабочая сила / крутящий момент и региональный анализ. В этом отчете представлены исчерпывающие данные и информация о важной динамике рынка и параметрах роста, связанных с этими категориями.

Продукт

• Стандартный LPM
• Немагнитный LPM
• Вакуумный LPM
• Стандартная частота вращения
• Немагнитный об / мин
• Обороты вакуума

Конечная промышленность

• Этапы микропозиционирования
• Оборудование для медицинской и лабораторной автоматизации
• Автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и оборона
• Робототехника и автоматизация производства
• Оптика и фотоника
• Приборы

Рабочее усилие / крутящий момент

• 0-20 N
• 20-150 Н
• 150-225 Н
• Выше 225 N
• Ниже 10 мНм
• 10-25 мНм
• Более 225 мНм

Регион

• Северная Америка
• Латинская Америка
• Европа
• Япония
• APEJ
• MEA

LPM: линейный пьезоэлектрический двигатель

об / мин: роторный пьезоэлектрический двигатель

Рынок пьезоэлектрических двигателей — объем отчета

Факт.MR недавно опубликовал исследование мирового рынка пьезоэлектрических двигателей. В исследовании содержится подробная оценка ключевой динамики рынка, включая движущие силы, тенденции, возможности, ограничения, а также подробная информация о структуре рынка пьезоэлектрических двигателей. В исследовании рынка представлена ​​эксклюзивная информация о том, как рынок пьезоэлектрических двигателей будет расти в прогнозный период 2020-2030 гг.

Ключевые индикаторы роста рынка, которые включают рост рынка в годовом исчислении, цепочку создания стоимости, анализ цепочки поставок и совокупный годовой темп роста (CAGR), объясняются в фактах.Исследование MR всесторонне. Эта информация может помочь читателям понять перспективы количественного роста рынка пьезоэлектрических двигателей в прогнозируемый период.

Исследование актуально для заинтересованных сторон на рынке пьезоэлектрических двигателей, включая производителей, поставщиков, дистрибьюторов и инвесторов, и может помочь им в разработке соответствующих стратегий роста на рынке. Заинтересованные стороны на рынке пьезоэлектрических двигателей, инвесторы, отраслевые эксперты, исследователи и журналисты, а также бизнес-исследователи могут использовать информацию и данные, представленные в Факт.MR исследование.

Исследование также включает статистические данные, а также факты, касающиеся макро- и микроэкономических факторов, влияющих на развитие рынка пьезоэлектрических двигателей. Он также предлагает практические идеи, основанные на будущих тенденциях на рынке пьезоэлектрических двигателей. Кроме того, малые предприятия и новые участники рынка пьезоэлектрических двигателей могут использовать информацию, представленную в этом исследовании, на основе которой они могут принимать соответствующие бизнес-решения, чтобы набрать обороты на рынке.

Ключевые вопросы, на которые даны ответы в обзоре рынка пьезоэлектрических двигателей MR

• Какие регионы останутся наиболее прибыльными региональными рынками для участников рынка пьезоэлектрических двигателей?
• Какие факторы вызовут изменение спроса на пьезоэлектрический двигатель в течение периода оценки?
• Как меняющиеся тенденции повлияют на рынок пьезоэлектрических двигателей?
• Как участники рынка могут использовать маловисящие возможности рынка пьезоэлектрических двигателей в развитых регионах?
• Какие компании лидируют на рынке пьезоэлектрических двигателей?
• Каковы выигрышные стратегии заинтересованных сторон на рынке пьезоэлектрических двигателей для повышения своего положения в этом ландшафте?

Рынок пьезоэлектрических двигателей: методология исследования

Фактически.Господин исследование использует уникальную методологию исследования для проведения обширных исследований роста рынка пьезоэлектрических двигателей и получения выводов о параметрах будущего роста рынка. Эта методология исследования представляет собой сочетание первичного и вторичного исследования, которое помогает аналитикам обеспечивать точность и надежность выводов.

Дополнительные ресурсы, на которые обращаются к аналитикам во время проведения исследования рынка пьезоэлектрических двигателей, включают статистику правительственных организаций, отраслевые журналы, официальные документы, а также внутренние и внешние частные базы данных.Аналитики опросили старших менеджеров, менеджеров портфелей продуктов, генеральных директоров, вице-президентов, менеджеров по маркетингу / продуктам и менеджеров по анализу рынка, которые внесли свой вклад в разработку этого отчета в качестве основного ресурса.