Новый сферический ультразвуковой двигатель с проволочными статорами, измеряющий крутящий момент и предварительную нагрузку новым методом.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11910 (2023) Цитировать эту статью

438 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В настоящем исследовании представлен ультразвуковой двигатель с несколькими степенями свободы (MDOF), который способен приводить в движение сферический ротор с использованием статоров со спиральной проволокой и пьезоэлектрического привода. Проволочные статоры и пьезоэлектрические актуаторы позволяют предлагаемому двигателю быть меньше и проще, потреблять меньше энергии и иметь разные режимы на разных частотах. В этом двигателе два проволочных статора используются для привода сферического ротора и вращения его в разных направлениях. Анализ собственной частоты и частотной области проводился с использованием метода конечных элементов (МКЭ) для оценки способности двигателя к MDOF в различных режимах вибрации. Было продемонстрировано, что пьезоэлектрический привод может обеспечивать движения MDOF посредством своих режимов вибрации. Резонансная частота, полученная с помощью частотного подхода, совпала с результатами теста анализатора импеданса. Экспериментально исследовались скорость вращения, крутящий момент и сила предварительного натяга. Используя напряжение сдвига, вызванное вязкой жидкостью, контактирующей со сферическим ротором, был разработан новый метод расчета крутящего момента. По силе плавучести, действующей на погруженный ротор, измерялась сила предварительного натяга. Результаты эксперимента показали, что максимальная скорость вращения сферического ротора составила 306 об/мин, а максимальный крутящий момент — 4,7 мкН·м.

Ультразвуковые двигатели являются одним из основных применений обратного пьезоэлектрического эффекта. Они превращают волнообразные колебательные и поступательные движения статора (трение между ротором и статором) во вращательное или линейное движение. В последние годы для высокотехнологичных приложений требуются небольшие, точные, легкие и малошумные приводы, способные работать в электромагнитной среде. Ультразвуковые двигатели разработаны для удовлетворения таких потребностей. Сферические ультразвуковые двигатели (SUSM) были исследованы и разработаны с учетом преимуществ ультразвуковых двигателей, при этом не требуется никаких сложных изменений конструкции1,2,3,4,5,6,7.

Некоторые преимущества ультразвуковых двигателей заключаются в следующем: (1) высокая точность позиционирования, (2) короткое время отклика, (3) бесшумная работа, (4) высокая плотность энергии, (5) простая конструкция, (6) высокая эффективность в условиях сильного магнитного поля. поля и (7) низкое энергопотребление8,9,10,11,12,13. Преимущества сделали ультразвуковые двигатели подходящим выбором для многих приложений, таких как точное позиционирование, роботизированные соединения14, проверка труб с ограниченным доступом15 и медицинское применение для крошечных механизмов16, особенно в диагностических методах, таких как ангиоскопия, в которых сферический ультразвуковой микро- мотор используется для перемещения камеры в любом направлении, чтобы врачи могли видеть кровеносные сосуды изнутри17,18,19. Для SUSM были предложены различные конструкции, каждая из которых имеет определенные преимущества и недостатки в отношении их потенциального применения и ожидаемых характеристик. Одной из таких конструкций являются СУСМ, статор которых представляет собой сэндвич-преобразователь, работающий в изгибном режиме20,21,22,23,24. При обеспечении правильного срабатывания пьезоэлектрика изгиб различных плоскостей приводит к вращению вокруг разных осей; однако сообщений об одновременном вращении вокруг разных осей не поступало. Зубчатые статоры представляют собой очень гибкую конструкцию, позволяющую сферическому ротору вращаться вокруг разных осей; однако в таких конструкциях сложно обеспечить равномерную предварительную нагрузку8,25,26. SUSM с несколькими степенями свободы (MDOF) с четырьмя зубчатыми пьезоэлектрическими пластинами, обеспечивающими равное воздействие силы предварительного натяга на ротор, был исследован в другом подходе, а также исследована корреляция между скоростью вращения ротора и предварительной нагрузкой27. Для каждого зубчатого статора требуется набор как минимум из трех отдельных фаз для напряжения возбуждения, что может усложнить схему управления для более высоких степеней свободы. Другая конструкция SUSM, называемая сэндвич-SUSM, использует круглые пьезоэлектрические пластины, разделенные на несколько зон. Каждая зона должна возбуждаться отдельно для вращения сферического ротора. В вышеупомянутом исследовании был использован пьезоэлектрический диск и оценены нагрузка (сила между ротором и статором), различные контактные поверхности, оптимальное напряжение и частота, а также трение между сферическим ротором и статором. Обратите внимание, что конструкция двигателя сложна и велика с точки зрения эффективности2. Был предложен другой тип СУСМ, в котором в качестве исполнительной системы использовался объемный пьезоэлектрик. Они имеют медные электроды с четырех сторон для возбуждения и используют комбинацию двух перпендикулярных изгибных колебаний для создания волны движения на верхней части статора, приводящей к движению в направлении, перпендикулярном плоскостям изгиба28. В этом двигателе предварительная нагрузка прикладывается к магнитомягкому ротору с помощью внешнего магнитного поля, поэтому применение этого двигателя в средах с электромагнитными полями нецелесообразно. СУСМ с проволочными статорами — это еще один тип, в котором используются одно- или многоспиральные проволочные статоры с шестью преобразователями возбуждения. Из-за небольшого количества точек контакта на роторе SUSM со статорами с одной спиральной проволокой создают низкий крутящий момент; однако для СУСМ с многоспиральными проволочными статорами все обстоит наоборот. При этом последний страдает от отклонения направления вращения из-за неравномерности точек контакта17,18.