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压电陶瓷电动机

/piezoelectric ceramic motor/
条目作者朱孝勇

朱孝勇

最后更新 2023-02-25
浏览 181
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利用压电材料的逆压电效应,通过将施加在压电陶瓷上的高频电能转化为弹性振子的振动能,并借助定转子间的摩擦获得动力的驱动机构。又称超声波电动机。

英文名称
piezoelectric ceramic motor
又称
超声波电动机
所属学科
电气工程

压电陶瓷的逆压效应是压电陶瓷电机的基本运行原理(见图)。在瓷片上施加与极化方向相同的电场,极化强度增大,瓷片发生伸长形变。反之则发生缩短形变,进而将电能转变为机械能。

压电陶瓷电动机的基本运行原理图压电陶瓷电动机的基本运行原理图

当给压电陶瓷电动机输入驱动电压后,压电陶瓷产生逆压电现象,同时发生的纵向延伸和横向弯曲模式的激励,在陶瓷指尖的狭小的椭圆通道里产生二维声波,压挤靠着一个陶瓷条的陶瓷指尖产生一个驱动力,驱动与之接触的陶瓷条,带动直线或旋转平台产生运动。但没有驱动电压的时候,陶瓷指尖对陶瓷条的压力使之在运动装置上维持一个保持力矩,而不产生位移和滞后。

按照定子表面椭圆运动方式的不同,可分为单振动模式和多振动模式。单振动模式主要分为驻波型和行波型。①驻波型是利用作固定椭圆运动的定子来推动转子,属间断驱动方式。②行波型则是利用定子产生的椭圆运动来推动转子,属连续驱动方式。

多振动模式主要有模态转换型、多模振子型、模态旋转型和混合换能器型。①模态转换型,分为振动片型、扭转耦合型和偏心耦合型;②多模振子型分为纵向弯曲耦合振动型、同心剪切与径向模耦合型、环形元件的非轴对称振动与径向扩张振动、十字型振子的纵向和弯曲振动和极板的两个弯曲振动或者有两个不同长度臂的音叉的弯曲振动;③模态旋转型,分为利用双简并振动模、环的弯曲和扩展振动、环形极板的弯曲或非轴对称振动和空心圆柱的弯曲振动;④混合换能器型,分为扭转振子多层压电伸缩器、相互垂直的两个纵向振动和两个相垂直的双晶片。

由于工作时没有内在磁场和运动部件,结构紧凑,行程不受限制,能够达到电磁能量转换类直线和旋转电动机所不能匹敌的精度和动态特性,具有如下一些优点:①运行在超声波段,运行噪声低;②直接获得低转速大力矩,可直接用于驱动元件,无须额外的减速器;③没有线圈和磁铁,本身不产生电磁波,且具有较强的抗干扰和电磁兼容性能;④具有无源自锁性能,且响应速度快;⑤可实现高精密定位;⑥体积小,易于集成,能量密度高。

但也存在如下缺点:①运行效率低、输出功率小;②寿命短,不适合用于长时间连续工作的场合;③驱动控制电路复杂;④电机性能对温度变化敏感。

可用在从普通环境到超高真空环境的半导体设备、平面平台设备、光学纤维制动态元件制造设备、存储介质制造和测试设备,以及生物医药和制药、度量衡和超高精度的微型数控等设备中。

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