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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Motores piezoelétricos. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Eletricidade para iniciantes Um motor piezoelétrico (PM) é um motor elétrico no qual o movimento mecânico da parte acionada (rotor ou armadura) é realizado devido ao efeito piezoelétrico. A primeira coisa que atrai é a ausência de enrolamentos de indução, que geralmente são feitos de fio de cobre ou alumínio e um núcleo especial empilhado. O elemento de trabalho neles é a cerâmica piezoelétrica. Parece que basta excitar o piezoelemento com tensão elétrica alternada e, por meios mecânicos conhecidos, converter as oscilações do piezoelemento em movimento rotacional do elemento de trabalho. Mas, embora este princípio seja simples, é difícil de implementar para as frequências e amplitudes de vibração do elemento piezoelétrico encontradas na prática. Em uma das opções de PD, propõe-se utilizar um campo elétrico trifásico para dobrar o piezoelemento simultaneamente em três planos de forma que sua extremidade, avançando, descreva uma trajetória circular (Fig. 1).
Na extremidade móvel havia um pino 1, que interagia por fricção com o rotor 2, fazendo-o girar. Este princípio não recebeu aplicação prática. Stepper PDs receberam maior aplicação prática. Nestes motores (Fig. 2), um diapasão ou um elemento piezoelétrico montado em cantilever transmite movimento oscilatório à haste 2, que move o rotor 3 em um dente.
Quando a haste se move na direção oposta, a lingueta 4 fixa a posição do rotor 3. Uma versão mais simples deste PD é um motor (Fig. 3a), composto por um elemento piezoelétrico 1, feito em forma de placa retangular , que em uma extremidade é pressionado por uma força externa na superfície do rotor 2. Quando o elemento piezoelétrico é excitado eletricamente, essa extremidade, como uma lâmina de remo, se move ao longo de um caminho fechado, dando periodicamente impulso ao rotor. Seu design é mostrado com mais detalhes na Fig. 3, b. Um elemento piezoelétrico 1 e rolamentos 2 são instalados na base do estator 3. O rotor 4 é geralmente feito de materiais duros (aço, cerâmica). O elemento de fixação 7 pode ser feito em forma de mola plana de aço, cuja extremidade, através da junta elástica 8, pressiona a extremidade do elemento piezoelétrico 2. Para alterar a força de fixação, é instalado um parafuso de ajuste 9.
A velocidade de rotação do rotor neste sistema é determinada pela amplitude máxima de deslocamento permitida do elemento piezoelétrico ou seu superaquecimento. Quando superaquecido acima do ponto Curie, as propriedades piezoelétricas são perdidas. Para a maioria dos materiais industriais, a temperatura Curie excede 250°C, portanto a amplitude máxima de deslocamento é limitada pela resistência à tração do material. Para o material TBK-3, a velocidade linear máxima permitida Vl é de 1,5 m/s. Levando em conta a dupla margem de segurança, tomamos Vl = 0,75 m/s. A velocidade do rotor do PD é n = 60Vl/πD (min-1). Para D = 0,5 cm n = 3000 min-1, para D = 5 cm, respectivamente, n = 300 min-1. Assim, alterando apenas o diâmetro do rotor PD, é possível cobrir uma ampla faixa de frequências de rotação do eixo PD. A redução da tensão de alimentação permite reduzir a velocidade de rotação para 30 min-1, mantendo uma potência de eixo suficientemente alta por unidade de massa. Uma característica importante dos PDs que permite compará-los com outros motores elétricos é o fator de eficiência (eficiência). Estimar este parâmetro para um PD é muito difícil, uma vez que a eficiência depende do projeto do PD, da força e do ângulo de pressão, do ângulo de contato, do material do rotor e da junta resistente ao desgaste, e da frequência de operação. Para o PD descrito acima com um elemento piezoelétrico montado na extremidade, foi estudada a dependência da eficiência do momento no eixo M (Fig. 4a) e da força de fixação. (Fig. 4, b) e na frequência de excitação f (Fig. 4, c). A eficiência máxima depende do material do elemento piezoelétrico, por exemplo, para o PKR-10 foi obtida uma eficiência recorde de 85%. Atualmente, existem mais de 50 designs de DP fundamentalmente diferentes.
Uma das vantagens mais importantes do PD é a capacidade de obter movimentos de rotor muito pequenos. Por exemplo, algumas amostras PD com velocidade de rotação de 0,2-6 rpm, quando um único pulso é aplicado, fornecem um movimento angular do rotor de 1/3000000 da circunferência, ou seja, 0,4 segundos de arco. Além disso, os PDs podem ser controlados diretamente de um computador. Devido ao fato de as dimensões e o peso dos PDs serem 3 a 5 vezes menores que os dos motores elétricos convencionais, eles podem ser utilizados em câmeras de vídeo, unidades de disco magnético e laser e em pesquisas científicas.
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