Классификация керамических приводов

Микроскопическое происхождение пьезоэлектричества и вклад в пьезоэлектрический эффект

Поскольку пьезоэлектрический эффект присутствует в огромном количестве соединений, начиная от простых составов, таких как кварц, и заканчивая сложными растворами в твердом состоянии, природными и синтетическими органическими и биологическими материалами и многими гетерогенными материалами, становится ясно, что существует множество различных микроскопических механизмов, которые может привести к пьезоэлектрическому отклику.

Первая теория пьезоэлектрического эффекта в кристаллах была предложена Борном в 1933 г.

В своей теории динамики кристаллических решеток он сформулировал пьезоэлектрический эффект в терминах смещения положительных и отрицательных зарядов, но количественное согласие расчетного отклика и экспериментальных значений оказалась неудовлетворительной, особенно для кристаллов со смешанной ковалентно-ионной связью.

Теоретически некоторое время в литературе существовали разногласия даже по поводу формального доказательства того, что пьезоэлектричество является четко определенным объемным свойством. В настоящее время наиболее продвинутый теоретический подход к описанию пьезоэлектрического отклика как простых по составу пьезоэлектриков, так и сложных твердых растворов перовскита основан на расчетах из первых принципов.

Традиционные приводы включают гидравлические и электромагнитные приводы. Пределы сил и перемещений исполнительных механизмов на основе гидроприводов зависят от энергопроизводящего механизма и гидравлического контура, образующего исполнительный механизм.

Таким образом, гидравлические приводы использовались в таких больших системах, как симуляторы землетрясений, и таких маленьких, как миниатюрные клапаны. Пределы линейной силы и перемещения приводов на основе электромагнитных катушек весом 45 кг и 12,5 мм легко доступны в продаже. Возможна более высокая производительность, но может потребоваться индивидуальный дизайн.

Многослойные пьезоприводы PICMA®

Примеры активных приводов

Примером гидравлической активной системы изоляции является полностью активная подвеска высокопроизводительных гоночных автомобилей Lotus. В этих системах гидравлические приводы расположены на каждом колесе, а усилие обеспечивается системой резервуара и насоса.

Автомобиль с активной подвеской запрограммирован так, чтобы автомобиль всегда оставался параллельным дороге, сводя таким образом к минимуму крен и тангаж.

Примером системы электромагнитной активной изоляции является система виброизоляции и подавления эксперимента ВИСС. В этой системе приводы звуковой катушки образуют шестигранную опору, которая активно изолирует инфракрасный телескоп от шины космического корабля. Приводы, в которых используются активные материалы, включают пьезокерамические магнитострикционные и магнитореологические материалы.

Поскольку пьезокерамические материалы, как правило, обладают относительно высокой силой и малым ходом, их часто комбинируют с гидравлическим или механическим механизмом соединения нагрузки для увеличения движения за счет приложенной силы.

Примером использования пьезокерамических приводов, является эксперимент по спутниковой технологии сверхтихой изоляции (SUITE). В этом эксперименте пьезокерамические приводы с вязкоупругим демпфированием образуют шестигранную опору для изоляции чувствительного прибора от автобуса космического корабля.

Примером привода, в котором используется магнитострикционный материал, является привод реакционной массы (RMA) на основе терфенола-D производства SatCon Technologies. Этот актуатор исследуется для использования в управлении шумом и вибрацией вертолетов.

Наконец, примером линейного привода, использующего магнитореологическую жидкость, является система управления линейным пневматическим движением, производимая LORD Corporation. Эта технология также доступна в амортизаторах и тормозах.

Классификация керамических приводов

Пьезоэлектрические и электрострикционные приводы можно разделить на две категории в зависимости от типа управляющего напряжения, приложенного к устройству, и характера деформации, вызванной напряжением:

• во-первых, устройства с жестким смещением, для которых деформация индуцируется однонаправленно вдоль приложенного поля постоянного тока,
• во-вторых, устройства с резонансным перемещением, в которых переменная деформация возбуждается переменным полем на механической резонансной частоте (ультразвуковые двигатели).

Первую категорию можно разделить на два типа: датчики перемещения с сервоприводом (позиционеры), управляемые системой обратной связи через сигнал определения положения, и двигатели с импульсным приводом, работающие в простом режиме включения и выключения, примером чего служат матричные принтеры.

Ниже на рисунке показана классификация керамических приводов по напряжению привода и индуцированному смещению.

Резонансное смещение переменного тока не прямо пропорционально приложенному напряжению, а вместо этого зависит от регулировки частоты возбуждения. Хотя точность позиционирования не так высока, как у устройств с жестким перемещением, очень высокая скорость движения из-за высокой частоты является привлекательной особенностью ультразвуковых двигателей.

Сервопреобразователи смещения, в которых используется напряжение обратной связи, наложенное на смещение постоянного тока, используются в качестве позиционеров для оптических систем и систем точного машиностроения. Напротив, импульсный приводной двигатель создает только напряжения включения и выключения, подходящие для ударных элементов матричных или струйных принтеров.

Требования к материалам для этих классов устройств несколько отличаются, и некоторые соединения лучше подходят для конкретных применений. Например, для ультразвукового двигателя требуется очень твердый пьезоэлектрик с высокой механической добротностью, чтобы свести к минимуму тепловыделение.

Сервопреобразователь смещения больше всего страдает от гистерезиса деформации, поэтому для этого применения предпочтительнее использовать электростриктор PMN. Обратите внимание, что даже в системе с обратной связью гистерезис приводит к гораздо более низкой скорости отклика.

Импульсному двигателю требуется материал с низкой диэлектрической проницаемостью, нацеленный на быстрый отклик при ограниченном источнике питания, а не на небольшой гистерезис, так что мягкий PZTпьезоэлектрики предпочтительнее PMN с высокой диэлектрической проницаемостью для этого приложения.

Статья написана по материалам сайта Школа для электрика