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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Motori piezoelettrici. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Elettricità per principianti Un motore piezoelettrico (PD) è un motore elettrico in cui il movimento meccanico del corpo condotto (rotore o indotto) avviene per effetto piezoelettrico. La prima cosa che li attrae è l'assenza di avvolgimenti a induzione, solitamente realizzati con filo di rame o alluminio e uno speciale nucleo di tipografia. L'elemento di lavoro in essi è la ceramica piezoelettrica. Sembrerebbe sufficiente eccitare l'elemento piezoelettrico con una tensione elettrica alternata e, utilizzando mezzi meccanici noti, convertire le oscillazioni dell'elemento piezoelettrico nel movimento rotatorio del corpo di lavoro. Ma, sebbene questo principio sia semplice, è difficile da implementare per le frequenze e le ampiezze delle oscillazioni piezoelettriche che si incontrano nella pratica. In una delle varianti di PD, si propone di piegare l'elemento piezoelettrico simultaneamente su tre piani utilizzando un campo elettrico trifase in modo che la sua estremità, spostandosi in avanti, descriva una traiettoria circolare (Fig. 1).
All'estremità mobile era presente un perno 1, che interagiva per attrito con il rotore 2, facendolo ruotare. Questo principio non è stato applicato nella pratica. I DP passo-passo hanno ricevuto una maggiore applicazione pratica. In questi motori (fig. 2), un diapason o un elemento piezoelettrico a sbalzo trasmette un moto oscillatorio all'asta 2, che muove il rotore 3 di un dente.
Quando l'asta si muove nella direzione opposta, il nottolino 4 fissa la posizione del rotore 3. Una versione più semplice di questo PD è un motore (Fig. 3, a), costituito da un elemento piezoelettrico 1, realizzato sotto forma di un piastra rettangolare, che viene premuta ad un'estremità da una forza esterna contro la superficie del rotore 2 Quando l'elemento piezoelettrico viene eccitato elettricamente, questa estremità, come una pala di remo, si muove lungo un percorso chiuso, dando periodicamente un impulso al rotore. Il suo design è mostrato più in dettaglio in Fig. 3b. Un elemento piezoelettrico 1 e cuscinetti 2 sono installati sulla base dello statore 3. Il rotore 4 è solitamente realizzato con materiali duri (acciaio, ceramica). L'elemento di serraggio 7 può essere realizzato sotto forma di una molla piatta in acciaio, la cui estremità, attraverso la guarnizione elastica 8, preme sull'estremità dell'elemento piezoelettrico 2. Una vite di regolazione 9 è installata per modificare la forza di serraggio.
La velocità di rotazione del rotore in questo sistema è determinata dall'ampiezza di spostamento massima consentita dell'elemento piezoelettrico o dal suo surriscaldamento. Quando si surriscalda al di sopra del punto di Curie, le proprietà piezoelettriche vengono perse. Per la maggior parte dei materiali industriali, la temperatura di Curie supera i 250°C, quindi l'ampiezza massima dello spostamento è limitata dalla resistenza alla trazione del materiale. Per il materiale TBK-3, la velocità lineare massima consentita Vl è 1,5 m/s. Tenendo conto del doppio margine di resistenza, prenderemo Vl = 0,75 m/s. La frequenza di rotazione del rotore PD è n = 60Vl/πD (min-1). Per D = 0,5 cm, n = 3000 min-1, per D = 5 cm, rispettivamente, n = 300 min-1. Pertanto, cambiando solo il diametro del rotore PD, è possibile coprire un'ampia gamma di frequenze di rotazione dell'albero PD. Riducendo la tensione di alimentazione è possibile ridurre la velocità di rotazione a 30 min-1 mantenendo una potenza sull'albero sufficientemente elevata per unità di massa. Una caratteristica importante del PD, che consente di confrontarli con altri motori elettrici, è il coefficiente di prestazione (COP). La stima di questo parametro per PD è molto difficile, poiché l'efficienza dipende dal design PD, dalla forza e dall'angolo di pressione, dall'angolo di contatto, dal materiale del rotore e dalla guarnizione resistente all'usura e dalla frequenza operativa. Per il PD sopra descritto con un elemento piezoelettrico montato all'estremità, è stata studiata la dipendenza dell'efficienza dal momento sull'albero M (Fig. 4, a), dalla forza di serraggio. (Fig. 4b) e sulla frequenza di eccitazione f (Fig. 4c). L'efficienza massima dipende dal materiale dell'elemento piezoelettrico, ad esempio, per PKR-10 è stata ottenuta un'efficienza record dell'85%. Attualmente, ci sono più di 50 progetti PD fondamentalmente diversi.
Uno dei vantaggi più importanti del PD è la possibilità di ottenere movimenti molto piccoli del rotore. Ad esempio, alcuni campioni PD con una frequenza di rotazione di 0,2-6 rpm, quando viene applicato un singolo impulso, danno uno spostamento angolare del rotore 1/3000000 della circonferenza, cioè 0,4 secondi d'arco. Inoltre, i PD possono essere controllati direttamente da un computer. A causa del fatto che le dimensioni e il peso dei PD sono 3-5 volte inferiori a quelli dei motori elettrici convenzionali, possono essere utilizzati nelle videocamere, nelle unità disco magnetiche e laser e nella ricerca scientifica.
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