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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Motores piezoeléctricos. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Electricidad para principiantes. Un motor piezoeléctrico (PM) es un motor eléctrico en el que el movimiento mecánico de la parte accionada (rotor o armadura) se realiza debido al efecto piezoeléctrico. Lo primero que llama la atención es la ausencia de devanados de inducción, que suelen estar hechos de alambre de cobre o aluminio y un núcleo apilado especial. El elemento de trabajo en ellos es la cerámica piezoeléctrica. Parecería que basta con excitar el piezoelemento con tensión eléctrica alterna y, utilizando medios mecánicos conocidos, convertir las oscilaciones del piezoelemento en movimiento de rotación del elemento de trabajo. Pero, aunque este principio es simple, es difícil de implementar para las frecuencias y amplitudes de vibración del elemento piezoeléctrico que se encuentran en la práctica. En una de las opciones PD, se propone utilizar un campo eléctrico trifásico para doblar el piezoelemento simultáneamente en tres planos de modo que su extremo, avanzando, describa una trayectoria circular (Fig. 1).
En el extremo móvil había un pasador 1, que interactuaba por fricción con el rotor 2, haciéndolo girar. Este principio no ha recibido aplicación práctica. Los PD paso a paso han recibido una mayor aplicación práctica. En estos motores (Fig. 2), un diapasón o un elemento piezoeléctrico montado en voladizo transmite el movimiento oscilatorio a la varilla 2, que mueve el rotor 3 un diente.
Cuando la varilla se mueve en la dirección opuesta, el trinquete 4 fija la posición del rotor 3. Una versión más simple de este PD es un motor (Fig. 3a), que consta de un elemento piezoeléctrico 1, hecho en forma de placa rectangular. , que en un extremo es presionado por una fuerza externa contra la superficie del rotor 2. Cuando el piezoelemento se excita eléctricamente, este extremo, como una pala de remo, se mueve a lo largo de un camino cerrado, dando periódicamente impulso al rotor. Su diseño se muestra con más detalle en la Fig. 3,b. En la base del estator 1 están instalados un elemento piezoeléctrico 2 y cojinetes 3. El rotor 4 suele estar hecho de materiales duros (acero, cerámica). El elemento de sujeción 7 puede tener la forma de un resorte de acero plano, cuyo extremo, a través de una junta elástica 8, presiona el extremo del elemento piezoeléctrico 2. Para cambiar la fuerza de sujeción, se instala un tornillo de ajuste 9.
La velocidad de rotación del rotor en este sistema está determinada por la amplitud de desplazamiento máxima permitida del elemento piezoeléctrico o su sobrecalentamiento. Cuando se sobrecalienta por encima del punto de Curie, las propiedades piezoeléctricas se pierden. Para la mayoría de los materiales industriales, la temperatura de Curie supera los 250°C, por lo que la amplitud máxima de desplazamiento está limitada por la resistencia a la tracción del material. Para el material TBK-3, la velocidad lineal máxima permitida Vl es de 1,5 m/s. Teniendo en cuenta el doble margen de seguridad, tomamos Vl = 0,75 m/s. La velocidad del rotor del PD es n = 60Vl/πD (min-1). Para D = 0,5 cm n = 3000 min-1, para D = 5 cm, respectivamente, n = 300 min-1. Por tanto, cambiando sólo el diámetro del rotor PD, es posible cubrir una amplia gama de frecuencias de rotación del eje PD. La reducción de la tensión de alimentación permite reducir la velocidad de rotación a 30 min-1 manteniendo al mismo tiempo una potencia de eje suficientemente alta por unidad de masa. Una característica importante de los PD que les permite compararlos con otros motores eléctricos es el factor de eficiencia (eficiencia). Estimar este parámetro para un PD es muy difícil, ya que la eficiencia depende del diseño del PD, la fuerza y el ángulo de presión, el ángulo de contacto, el material del rotor y la junta resistente al desgaste, y la frecuencia de operación. Para el PD descrito anteriormente con un elemento piezoeléctrico montado en el extremo, se estudió la dependencia de la eficiencia del momento en el eje M (Fig. 4a) y de la fuerza de sujeción. (Fig. 4, b) y en la frecuencia de excitación f (Fig. 4, c). La eficiencia máxima depende del material del elemento piezoeléctrico; por ejemplo, para PKR-10 se obtuvo una eficiencia récord del 85%. Actualmente existen más de 50 diseños de PD fundamentalmente diferentes.
Una de las ventajas más importantes de la PD es la capacidad de obtener movimientos del rotor muy pequeños. Por ejemplo, algunas muestras de PD con una velocidad de rotación de 0,2 a 6 rpm, cuando se aplica un solo pulso, dan un movimiento angular del rotor de 1/3000000 de la circunferencia, es decir 0,4 segundos de arco. Además, los PD se pueden controlar directamente desde una computadora. Debido a que las dimensiones y el peso de los PD son entre 3 y 5 veces más pequeños que los de los motores eléctricos convencionales, se pueden utilizar en cámaras de vídeo, unidades de disco magnético y láser y en investigaciones científicas.
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