壓電馬達(dá)提供無磁性,齒輪的精確運(yùn)動

當(dāng)大多數(shù)工程師聽到"電機(jī)"時,他們通常認(rèn)為"磁性".這是有道理的,因?yàn)閭鹘y(tǒng)電機(jī)使用線圈,繞組和磁性材料來提供旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動.無論是交流電機(jī)還是直流電機(jī),拉絲或無刷,步進(jìn)電機(jī)或其他配置(參見電機(jī)譜系的神秘與魔力)),磁場與材料之間的相互作用將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動.

因此,在實(shí)現(xiàn)小規(guī)模和精確運(yùn)動的時候,設(shè)計師通常首先考慮一個非常小的電機(jī)甚至一個小型電機(jī)和齒輪組.然而,在這些較小的尺度下,磁電機(jī)難以控制并且仍然相對較大,而齒輪組會帶來更多的尺寸,重量,成本,機(jī)械游隙,間隙和磨損問題.即使使用先進(jìn)的運(yùn)動控制電子設(shè)備和軟件,它也可能是一個棘手且令人不滿意的解決方案.

但是目前廣泛使用的基于磁性的電動機(jī)存在替代方案:壓電電動機(jī),也稱為壓電致動器.其操作原理利用了眾所周知的壓電效應(yīng).工程師熟悉這種雙向現(xiàn)象及其許多應(yīng)用,例如將振動轉(zhuǎn)換為電能以進(jìn)行能量收集,構(gòu)建壓力傳感傳感器以及實(shí)施火花點(diǎn)火器.在互補(bǔ)模式中,該效果用于將電能轉(zhuǎn)換成壓力和運(yùn)動,在音頻信號裝置/信號器中,當(dāng)然,作為普遍存在的晶體振蕩器的核心.

壓電馬達(dá)由單個陶瓷晶體或這些陶瓷材料的疊層構(gòu)成.當(dāng)通過電壓在組件上施加電場時,材料變形,如圖1所示.在最常見的設(shè)計中,伸長限于單個運(yùn)動平面.通過開/關(guān)電壓脈沖和機(jī)械布置來引導(dǎo)材料以進(jìn)行一系列拉伸和定位保持,因此像毛毛蟲一樣移動(有時也稱為"尺""設(shè)計").

圖1:壓電電機(jī)通常由堆疊的壓電元件制成,并由施加的電壓激勵(左).有些單元還包括一個用于閉環(huán)控制的應(yīng)變計(中心),可以更精確地控制所施加的電壓與位移(右).(來源：PhysikInstrumenteGmbH＆Co.)

動議既精準(zhǔn)又精確.基于壓電的電動機(jī)用于納升輸液泵和光學(xué)位置機(jī)構(gòu).這些電機(jī)可以提供低至納米公差的定位,步進(jìn)速率達(dá)到MHz范圍-顯然是磁電機(jī)方法的不可能的規(guī)格.可用力范圍從納牛頓到大約一牛頓(1N),(雖然一些馬達(dá)可以達(dá)到數(shù)百牛頓,而小馬達(dá)的馬達(dá)重量在不到10克的范圍內(nèi).

這些通常不是"高功率"電機(jī),但它們不需要用于目標(biāo)應(yīng)用.而且,在某些情況下,壓電馬達(dá)的非磁性特性是有益的(甚至是必需的).壓電電機(jī)可作為開環(huán)傳感器運(yùn)行,也可用作反饋回路中的應(yīng)變計,以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制提供的額外精度.

壓電電機(jī)的基本物理不僅與磁電機(jī)的基本物理特性不同,驅(qū)動要求也不同.基于磁性的電動機(jī)是電流驅(qū)動的裝置,因?yàn)榇艌龊蛷?qiáng)度是通過繞組的電流的函數(shù)(當(dāng)然,有電壓用于驅(qū)動電流進(jìn)入繞組;電動機(jī)方程式都是基于當(dāng)前和磁性之間的相互作用).

基于壓電的電動機(jī)是電壓驅(qū)動的場景.壓電材料需要由跨越材料的電壓差提供的電場.根據(jù)電機(jī)的大小,此電壓可低至50V或高至1000V或更高(簡單的壓電蜂鳴器和振動器通常僅需要約25-30V).

這給驅(qū)動電子設(shè)計帶來了一些挑戰(zhàn):

由于潛在的致命電壓,使用適當(dāng)?shù)慕^緣和電線布線至關(guān)重要,同時要注意監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定的蠕變和間隙要求.

與用于控制磁電機(jī)中電流流動的MOSFET/IGBT開關(guān)不同,壓電電機(jī)通常由高壓,低電流放大器驅(qū)動(標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器由其輸出端的高壓晶體管或特定應(yīng)用提升)高壓運(yùn)算放大器).

磁電機(jī)是高感性負(fù)載,因此驅(qū)動電路必須處理電流浪涌,感應(yīng)踢和其他感性負(fù)載屬性.相比之下,壓電電機(jī)具有高電容性,因此驅(qū)動器運(yùn)算放大器必須能夠?yàn)?,000pF(皮法)或更高的負(fù)載提供所需的電壓,同時保持穩(wěn)定,即使運(yùn)算放大器也需要特殊的輸出級設(shè)計可以輕松提供高壓.

壓電式非磁性電機(jī)的廣泛使用表明,聰明的工程師如何調(diào)整基本材料和物理原理,為微動應(yīng)用創(chuàng)造創(chuàng)新解決方案.運(yùn)動和運(yùn)動控制的下一步是開發(fā)實(shí)用的基于MEMS的電機(jī),它太小而無法用肉眼觀察,用于諸如通過醫(yī)療測試儀器中的微毛細(xì)管路徑"泵送"單個細(xì)胞的用途-大量的研發(fā)工作是那些已經(jīng)在進(jìn)行中.