Ultraäänimoottori ( ultraäänimoottori , pietsomoottori , pietsomagneettinen moottori , pietsosähköinen moottori ), ( USM - Ultra Sonic -moottori, SWM - Silent Wave -moottori, HSM - Hyper Sonic -moottori, SDM - Supersonic Direct-drive -moottori jne.) - moottori, sisään jonka työelementti on pietsosähköinen keramiikka , jonka ansiosta se pystyy muuttamaan sähköenergian mekaaniseksi energiaksi erittäin suurella hyötysuhteella , joissakin tyypeissä yli 90 %. Näin on mahdollista saada ainutlaatuisia laitteita, joissa sähkövärähtelyt muunnetaan suoraan roottorin pyörimisliikkeeksi .tällaisen moottorin akselille kehittyvä vääntömomentti on niin suuri, että se eliminoi mekaanisen vaihteiston tarpeen lisätä vääntömomenttia. Lisäksi tällä moottorilla on tasasuuntaajan ominaisuuksia ja tasainen kitkakosketus. Nämä ominaisuudet ilmenevät myös äänitaajuuksilla. Tällainen kosketin on analoginen sähköisen tasasuuntausdiodin kanssa. Siksi ultraäänimoottori voidaan katsoa kitkakäyttöisten sähkömoottoreiden ansioksi.
Vuonna 1947 saatiin ensimmäiset keraamiset näytteet bariumtitanaattia , ja siitä lähtien pietsosähköisten moottoreiden valmistus on tullut teoreettisesti mahdolliseksi. Mutta ensimmäinen tällainen moottori ilmestyi vasta 20 vuotta myöhemmin. Tutkiessaan pietsosähköisiä muuntajia tehotiloissa Kiovan ammattikorkeakoulun työntekijä V.V. Lavrinenko löysi yhden niistä pyörimisen pitimessä. Selvitettyään tämän ilmiön syyn hän loi vuonna 1964 ensimmäisen pietsosähköisen rotaatiomoottorin, jota seurasi lineaarimoottori ohjaamaan relettä [1] [2] . Ensimmäisen moottorin, jossa on suora kitkakosketus, taakse se muodostaa ei-reversiibelien moottoreiden ryhmiä [3] , joissa on mekaaninen yhteys pietsosähköisen elementin ja roottorin välille työntimien kautta. Tältä pohjalta se tarjoaa kymmeniä ei-käännettäviä moottorimalleja, jotka kattavat nopeusalueen 0 - 10 000 rpm ja vääntömomentin välillä 0 - 100 Nm. Lavrinenko ratkaisee käänteisen ongelman alkuperäisellä tavalla käyttämällä kahta ei-reversiibeliä moottoria. Hän asentaa toisen moottorin kiinteästi yhden moottorin akselille. Hän ratkaisee moottoriresurssin ongelman jännittävillä vääntövärähtelyillä pietsosähköisessä elementissä.
Vuosikymmeniä ennen samanlaista työtä maassa ja ulkomailla Lavrinenko kehitti melkein kaikki pietsosähköisten moottoreiden rakentamisen perusperiaatteet, mutta ei sulkenut pois mahdollisuutta käyttää niitä sähköenergian generaattorien tilassa.
Kehityksen mahdollisuudet huomioon ottaen Lavrinenko ja hänen ehdotuksensa toteuttamisessa auttaneiden tekijöiden kanssa suojaavat lukuisilla tekijänoikeustodistuksilla ja patenteilla. Kiovan ammattikorkeakouluun ollaan luomassa Lavrinenkon johdolla toimivaa pietsosähköisten moottoreiden laboratoriota ja maailman ensimmäistä pietsosähköisten moottoreiden sarjatuotantoa Elektronika-552 -videonauhuriin . Myöhemmin massatuotantona valmistetaan moottoreita diaprojektoreille "Dnepr-2", elokuvakameroita , palloventtiilikäyttöjä jne. Vuonna 1980 Energia-kustantamo julkaisee ensimmäisen kirjan pietsosähköisistä moottoreista [4] , kiinnostus niitä kohtaan ilmaantuu. Pietsosähköisten moottoreiden aktiivinen kehittäminen alkaa Kaunasin ammattikorkeakoulussa prof. Ragulskis K. M. [5] . Vishnevsky V.S., Lavrinenkon entinen jatko-opiskelija, matkustaa Saksaan, jossa hän jatkaa työskentelyä lineaaristen pietsosähköisten moottoreiden käyttöönotossa PHyzical Instryment -yrityksessä . Pietsosähköisten moottoreiden asteittainen tutkimus ja kehittäminen ulottuu Neuvostoliiton ulkopuolelle [6] . Japanissa ja Kiinassa aaltomoottoreita kehitetään ja toteutetaan aktiivisesti, Amerikassa - pienikokoisia pyöriviä moottoreita.
Ultraäänimoottorilla on huomattavasti pienemmät mitat ja paino verrattuna sähkömagneettiseen moottoriin , joka on samanlainen tehoominaisuuksiltaan . Liimoilla kyllästettyjen käämien puuttuminen tekee siitä sopivan käytettäväksi tyhjiöolosuhteissa. Ultraäänimoottorilla on suunnitteluominaisuuksien vuoksi merkittävä itsejarrutusmomentti (jopa 50 % suurimmasta vääntömomentista), jos syöttöjännitettä ei ole. Tämä mahdollistaa erittäin pienten diskreettien kulmasiirtymien aikaansaamisen (kaarisekuntien yksiköistä) ilman erityisiä toimenpiteitä. Tämä ominaisuus liittyy pietsosähköisen moottorin toiminnan lähes jatkuvaan luonteeseen. Itse asiassa pietsosähköinen elementti , joka muuntaa sähköiset värähtelyt mekaanisiksi, ei saa virtaa vakiosta, vaan resonanssitaajuuden vaihtojännitteestä . Käytettäessä yhtä tai kahta pulssia voidaan saavuttaa hyvin pieni roottorin kulmasiirtymä . Esimerkiksi jotkut näytteet ultraäänimoottoreista, joiden resonanssitaajuus on 2 MHz ja toimintanopeus 0,2-6 rpm, kun yksi pulssi kohdistetaan pietsosähköisen elementin levyihin, ihannetapauksessa roottorin kulmasiirtymä on 1 / 9.900.000-1 / 330.000 ympärysmitta, eli 0.13-3.9 kaarisekuntia. [7]
Yksi tällaisen moottorin vakavista haitoista on sen merkittävä herkkyys kiinteiden aineiden (esim. hiekka) sisäänpääsylle. Toisaalta pietsomoottorit voivat toimia nestemäisessä väliaineessa, kuten vedessä tai öljyssä.
"Joustavaan" staattoriin (ohut bimorfinen levy, mitä ohuempi levy, sitä suurempi värähtelyjen amplitudi ja pienempi resonanssitaajuus) "syötetään" korkeataajuisella vaihtojännitteellä, joka pakottaa sen tuottamaan ultraäänivärähtelyjä, jotka muodostavat mekaaninen liikkuva aalto , joka työntää (koukuttaa) viereistä roottoria. Vasemmalle siirrettäessä työntö - kiilattu, oikealle siirrettäessä - kiilattu. Kaikki työntövoimalla varustetut pietsosähköiset moottorit toimivat tällä periaatteella. Lisäämällä työntölaitteiden määrää voit luoda moottoreita, joilla on valtava käynnistysmomentti.
Mutta jos tavanomainen sähkömoottori voidaan valmistaa käytännössä "polvella", ultraäänimoottoria, jonka hyötysuhde on 80-90%, ei voida luoda ilman kehittyneitä laitteita. Ultraäänimoottori on edelleen mahdollista tehdä kotona, mutta hyötysuhde ei ylitä 60 %, tätä varten voi ottaa kuulalaakerin roottoriksi ja painaa sitä vasten sovitun kokoisen pietsosähköisen levyn.
Pietsosähköisten pyörimismoottoreiden toiminta perustuu periaatteeseen, että kaikkien roottorin kanssa kosketuksiin joutuvien pietsosähköisen elementin pisteiden tulee liikkua lähellä elliptisiä liikeratoja. Tätä varten pietsosähköisessä elementissä viritetään samanaikaisesti kahdenlaisia keskenään ortogonaalisia värähtelyjä. Se voi olla mikä tahansa yhdistelmä poikittaissuuntaisia pitkittäis-, taivutus-, leikkaus- ja vääntövärähtelyjä. Ainoa tärkeä asia on, että nämä värähtelyt eivät saa olla mekaanisesti kytkettyjä, eli yhden värähtelyn energia ei saisi siirtyä toiseen värähtelyyn (neliömäisessä levyssä pituussuuntaisten värähtelyjen viritys sen toisella puolella johtaa värähtelyn herättämiseen pituussuuntaiset värähtelyt toisella puolella, mikä on esimerkki kytkentävaihteluista). Jos värähtelyt eivät ole mekaanisesti yhteydessä toisiinsa, niiden välillä voidaan saada mikä tahansa vaihesiirto. Ja optimaalinen pietsosähköisille moottoreille on 90 asteen vaihesiirto. Yksinkertaisimmassa moottorissa (kuva 3) pietsosähköisessä elementissä viritetään sähköisesti aallonpituuden pitkittäiset aallot ja poikittaisaallot - taipuvat, kun pietsosähköisen elementin pää liikkuu roottorin pintaa pitkin. Pietsosähköisen elementin mitat valitaan siten, että sekä pitkittäis- että poikittaisvärähtelyllä on mekaaninen resonanssi. Silloin hyötysuhde voi ylittää 80 %. Tällaisissa moottoreissa roottorin ja staattorin välinen kitkakosketus tapahtuu linjaa pitkin, mikä vähentää niiden resursseja. Kiinnittäminen yhdellä elektrodilla (1), kuva. 4 pietsosähköisessä elementissä (2) vääntövärähtelyt ja muut elektrodit (3) - pitkittäisvärähtelyt, voit luoda moottorin litteällä kitkakontaktilla. Lavrinenko ratkaisee resurssiongelman tällä tavalla. Se käyttää sileää pintaa vasten kallistetun ja puristetun levyn ominaisuutta muuttaakseen puristusvoimaa liikkuessaan yhteen ja vastakkaiseen suuntaan.
Yksi tämäntyyppisten moottoreiden tärkeimmistä eduista on, että suora käyttö on mahdollista kaikilla nopeuksilla. Rakenteellisessa mielessä käyttö on yksinkertaistettu huomattavasti, ja joissakin tapauksissa tehokerroin, joka "syö" vaihteiston, kasvaa merkittävästi. Tämä ominaisuus mahdollisti minkä tahansa virtausalueen (kuva 5) palloventtiilikäyttöjen kehittämisen ja niiden massatuotannon.
Nopeuden suhteen pietsosähköisillä moottoreilla ei ole vertaa. Tämä johtuu siitä, että niiden teho ei riipu roottorin massasta, kuten sähkömagneettisten moottoreiden tapauksessa. Millisekunnin murto-osassa ne saavuttavat halutun nopeuden ja voivat jopa kilpailla kalliiden pietsosähköisten toimilaitteiden kanssa esimerkiksi polttoainesuuttimista.
Pietsosähköisten moottoreiden pienin askel voi olla kaaren tuhannesosaa. Niiden perusteella luodaan mikroskoopin opasteita, jotka toimivat nanometrialueella. Kotitalouksien hidaskäyntisissä laitteissa ne ovat vaihteiston puutteen vuoksi hiljaisia eivätkä päästä hajua palaneista käämeistä, joita niillä ei ole. Myös roottorin esto off-tilassa, muodon plastisuus, kyky sovittaa kiinteästi tuotteeseen ovat hyödyllisiä.
Pietsosähköiset moottorit voidaan valmistaa kokonaan ei-magneettisista materiaaleista. Jotkut niistä voivat toimia korkeissa lämpötiloissa (jopa 300 celsiusastetta), tyhjiössä, vahvoissa magneettikentissä, korkean säteilyn olosuhteissa, upotettuna veteen tai öljyyn.
Ultraäänimoottoria voidaan käyttää menestyksekkäästi niillä tekniikan alueilla, joilla on tarpeen saavuttaa mahdollisimman vähän kulma- ja lineaarisia liikkeitä. Esimerkiksi tähtitieteessä , avaruustutkimuksessa, jossa vaaditaan tarkkaa suuntausta erittäin pieniltä esineiltä (tähdiltä); varautuneissa hiukkaskiihdyttimissä , joissa on tarpeen pitää säde tiukasti määritellyissä geometrisissa koordinaateissa; tieteellisessä tutkimuksessa kristallografisen rakenteen tutkimuksessa ( goniometrin pään suuntaus ); robotiikassa jne .
Pietsosähköisten moottoreiden pohjalta kehitettiin: antennien ja valvontakameroiden käyttölaitteet, sähköparranajokoneet, leikkaustyökalujen taajuusmuuttajat, nauha-asemat, tornikatukellot, palloventtiilien käytöt, hidaskäyntiset (2 rpm) taajuusmuuttajat mainosalustoille , sähköporat, lasten lelujen ja liikkuvien proteesien käyttölaitteet, kattotuulettimet, robottikäytöt jne.
Pietsosähköisiä aaltomoottoreita käytetään myös yksilinssisten refleksikameroiden objektiiveissa . Tekniikan nimen muunnelmat eri valmistajien tällaisissa linsseissä:
Työstökoneteollisuudessa tällaisia moottoreita käytetään leikkaustyökalun erittäin tarkkaan sijoitteluun.
Esimerkiksi mikrokäyttöisellä työkalulla varustetuille sorveille on olemassa erikoistyökalunpidikkeitä .
