壓電馬達提供無磁性,齒輪的精確運動

當大多數工程師聽到"電機"時,他們通常認為"磁性".這是有道理的,因為傳統電機使用線圈,繞組和磁性材料來提供旋轉或線性運動.無論是交流電機還是直流電機,拉絲或無刷,步進電機或其他配置(參見電機譜系的神秘與魔力)),磁場與材料之間的相互作用將電能轉換為機械運動.

因此,在實現小規模和精確運動的時候,設計師通常首先考慮一個非常小的電機甚至一個小型電機和齒輪組.然而,在這些較小的尺度下,磁電機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,機械游隙,間隙和磨損問題.即使使用先進的運動控制電子設備和軟件,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存在替代方案:壓電電動機,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.工程師熟悉這種雙向現象及其許多應用,例如將振動轉換為電能以進行能量收集,構建壓力傳感傳感器以及實施火花點火器.在互補模式中,該效果用于將電能轉換成壓力和運動,在音頻信號裝置/信號器中,當然,作為普遍存在的晶體振蕩器的核心.

壓電馬達由單個陶瓷晶體或這些陶瓷材料的疊層構成.當通過電壓在組件上施加電場時,材料變形,如圖1所示.在最常見的設計中,伸長限于單個運動平面.通過開/關電壓脈沖和機械布置來引導材料以進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""設計").

圖1:壓電電機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控制的應變計(中心),可以更精確地控制所施加的電壓與位移(右).(來源：PhysikInstrumenteGmbH＆Co.)

動議既精準又精確.基于壓電的電動機用于納升輸液泵和光學位置機構.這些電機可以提供低至納米公差的定位,步進速率達到MHz范圍-顯然是磁電機方法的不可能的規格.可用力范圍從納牛頓到大約一牛頓(1N),(雖然一些馬達可以達到數百牛頓,而小馬達的馬達重量在不到10克的范圍內.

這些通常不是"高功率"電機,但它們不需要用于目標應用.而且,在某些情況下,壓電馬達的非磁性特性是有益的(甚至是必需的).壓電電機可作為開環傳感器運行,也可用作反饋回路中的應變計,以實現閉環控制提供的額外精度.

壓電電機的基本物理不僅與磁電機的基本物理特性不同,驅動要求也不同.基于磁性的電動機是電流驅動的裝置,因為磁場和強度是通過繞組的電流的函數(當然,有電壓用于驅動電流進入繞組;電動機方程式都是基于當前和磁性之間的相互作用).

基于壓電的電動機是電壓驅動的場景.壓電材料需要由跨越材料的電壓差提供的電場.根據電機的大小,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).

這給驅動電子設計帶來了一些挑戰:

由于潛在的致命電壓,使用適當的絕緣和電線布線至關重要,同時要注意監管機構設定的蠕變和間隙要求.

與用于控制磁電機中電流流動的MOSFET/IGBT開關不同,壓電電機通常由高壓,低電流放大器驅動(標準運算放大器由其輸出端的高壓晶體管或特定應用提升)高壓運算放大器).

磁電機是高感性負載,因此驅動電路必須處理電流浪涌,感應踢和其他感性負載屬性.相比之下,壓電電機具有高電容性,因此驅動器運算放大器必須能夠為1,000pF(皮法)或更高的負載提供所需的電壓,同時保持穩定,即使運算放大器也需要特殊的輸出級設計可以輕松提供高壓.

壓電式非磁性電機的廣泛使用表明,聰明的工程師如何調整基本材料和物理原理,為微動應用創造創新解決方案.運動和運動控制的下一步是開發實用的基于MEMS的電機,它太小而無法用肉眼觀察,用于諸如通過醫療測試儀器中的微毛細管路徑"泵送"單個細胞的用途-大量的研發工作是那些已經在進行中.

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