П'єзодвигун

1947 року було отримано перші керамічні зразки титанату барію і, вже з цього часу виробництво п'єзоелектричних двигунів стало теоретично можливим. Але перший такий двигун з'явився лише за 20 років. Вивчаючи п'єзоелектричні трансформатори у силових режимах, співробітник Київського політехнічного інституту В.В. Лавриненко виявив обертання одного з них у тримачі. Розібравшись у причині цього явища, він 1964 року створив перший п'єзоелектричний обертальний двигун, а відтак і лінійний двигун для приводу реле. За першим двигуном з прямим фрикційним контактом, він створює групи нереверсивних двигунів з механічним зв'язком п'єзоелемента з ротором через штовхачі. На цій основі він пропонує десятки конструкцій нереверсивних двигунів, що перекривають діапазон швидкостей від 0 до 10 000 об/хв і діапазон моментів обертання від 0 до 100 Нм. Використовуючи два нереверсивних двигуни, Лавриненко оригінально вирішує проблему реверсу. Інтегрально на валу одного двигуна він встановлює другий двигун. Проблему ресурсу двигуна він вирішує, збуджуючи кобертальні коливання в п'єзоелементі.

На десятиліття випереджаючи подібні роботи у країні та за кордоном, Лавриненко розробив практично усі основні принципи побудови п'єзоелектричних двигунів, не виключивши й можливість роботи їх у режимі генераторів електричної енергії.

Враховуючи перспективність розробки, Лавриненко спільно зі співавторами, що допомагали йому реалізувати його двигун, захищає численні авторські свідоцтва і патенти. У Київському Політехнічному інституті створюється галузева лабораторія п'єзоелектричних двигунів під керівництвом Лавриненка, організовується перше у світі серійне виробництво п'єзодвигунів для відеомагнітофона «Електроніка-552». У подальшому, серійно виробляються двигуни для діапроєкторів «Дніпро-2», кінокамер, приводів кульових кранів та інших. 1980 року видавництво «Енергія» друкує першу книгу про п'єзоелектричні двигуни, отже до них з'являється інтерес. Починаються активні розробки п'єзодвигунів у Каунаському політехнічному інституті під керівництвом проф. Рагульскіса К. М. Вишневський В.С., у минулому аспірант Лавриненка, виїжджає до Німеччини, де продовжує роботу з впровадження лінійних п'єзоелектричних двигунів на фірмі PHyzical Instryment. Поступове вивчення та розробка п'єзоелектричних двигунів, виходить за межі СРСР. У Японії та Китаї активно розробляються та впроваджуються хвильові двигуни, в Америці - надмініатюрні двигуни обертання.

Ультразвуковий двигун має значно менші габарити і масу у порівнянні з аналогічним за силовими характеристиками, електромагнітним двигуном. Відсутність обмоток, вимочених в клейовому розчині, робить його придатним для використання в умовах вакууму. Ультразвуковий двигун має значний момент самогальмування (до 50% від величини максимального обертального моменту) за відсутності напруги живлення за рахунок своїх конструктивних особливостей. Це дозволяє забезпечувати дуже малі дискретні кутові переміщення (від одиниць кутових секунд) без застосування будь-яких спеціальних заходів. Цю властивість пов'язано з квазінеперервним характером роботи п'єзодвигуна. Дійсно, п'єзоелемент, який перетворює електричні коливання у механічні, споживає не постійну, а змінну напругу резонансної частоти. У разі подачі одного або двох імпульсів, можна отримати дуже маленьке кутове переміщення ротора. Наприклад, деякі зразки ультразвукових двигунів, що мають резонансну частоту 2 МГц і робочу частоту обертання 0,2-6 об/сек , за подачі одиночного імпульсу на обкладки п'єзоелемента дадуть в ідеальному випадку кутове переміщення ротора в 1/9.900.000-1/330.000 від величини кола, тобто 0,13-3,9 кутових секунд.

Одним із серйозних недоліків такого двигуна є значна чутливість до потрапляння у нього твердих речовин (наприклад піску). З іншого боку , п'єзодвигуни можуть працювати у рідкому середовищі, наприклад у воді або у маслі.

На «гнучкий» статор (тонка біморфна пластина, чим тонша пластина, тим більше амплітуда коливань і тим нижче частота резонансу) «подають» змінну напругу високої частоти , яке змушує його виробляти ультразвукові коливання, що формують механічну біжучу хвилю, яка і штовхає (зачіпляє) розташований поруч ротор. Під час руху ліворуч, штовхач - розклинює, а у разі руху праворуч - заклинює. На цьому принципі працюють усі п'єзоелектричні мотори зі штовхачами. Збільшуючи число штовхачів можна створювати мотори з величезними пусковими моментами.

Простота принципу складна в реалізації . І якщо звичайний електродвигун можна зробити практично «на коліні», ультразвукової двигун з високим ККД 80-90% без складного обладнання не створити . Але якщо знехтувати ККД (отримаємо 50-60%) ми можемо створити ультразвуковий двигун у домашніх умовах. Для цього як ротор можна взяти шарикопідшипник і притиснути до нього п'єзопластину з узгодженими розмірами.

П'єзодвигун обертання

П'єзоелемент з двома парами електродів

В основі роботи п'єзоелектричних обертальних двигунів лежить принцип, згідно з яким всі точки п'єзоелементу, що входять в контакт з ротором, повинні рухатися за траєкторіями близькими до еліптичної. Для цього в п'єзоелементі одночасно збуджують два типи взаємно ортогональних коливань. Це може бути будь-яке поєднання взаємно поперечних поздовжніх, згинальних, зсувних й крутильних коливань. Важливим є лише те, що ці коливання не повинні бути механічно пов'язаними, тобто енергія з одного коливання не повинна переходити в інше коливання. Якщо коливання механічно незв'язані, то між ними можна отримати будь-який зсув фаз. А оптимальним для п'єзоелектричних моторів є зсув фази рівний 90 градусів. Проблему ресурсу Лавриненко вирішує таким способом: він використовує властивість нахиленої та притиснутої до гладкої поверхні пластини, змінювати зусилля притиску під час руху в одну і протилежну сторону.

Однією з найбільш важливих переваг даного типу двигуна є те, що для будь-якої швидкості обертання можливий прямий привід. У конструктивному відношенні значно спрощується привід і у низці випадків істотно зростає ККД, який «з'їдає» редуктор. Саме ця властивість, дозволила розробляти приводи кульових кранів з будь-яким прохідним перетином та здійснити їх серійне виробництво.

За швидкодією, п'єзоелектричним моторам немає рівних. Це пов'язано з тим, що їх потужність не залежить від маси ротора, як це відбувається для електромагнітних моторів. За частки мілісекунди вони набирають потрібну швидкість і можуть конкурувати навіть з дорогими п'єзоелектричними актюаторами, наприклад, для паливних інжекторів.

Мінімальний крок п'єзомоторів може становити тисячні частки кутової секунди. На їх основі створюються напрямні для мікроскопів, що працюють у нанометровому діапазоні. Для побутових низькообертових приладів, через відсутність редуктора, вони безшумні і не виділяють запаху від підгорілих обмоток, яких у них немає. Загальмованість ротора у відключеному стані, пластичність форми, здатність інтегрально вписуватися у виріб, також бувають корисними.

П'єзоелектричні мотори можуть повністю виготовлятися з немагнітних матеріалів. Деякі з них можуть працювати в умовах високих температур (аж до 300 градусів Цельсія), у вакуумі, у сильних магнітних полях, в умовах підвищеної радіації, за занурення у воду чи мастило.

Ультразвуковий двигун може з успіхом використовуватися у тих областях техніки, де потрібно досягнення мінімальних кутових і лінійних переміщень . Наприклад, в астрономії, у космічних дослідженнях, де потрібне точне орієнтування за досить малими об'єктами (зірками); у прискорювачах заряджених частинок, де треба утримувати пучок у заданих геометричних координатах; у наукових дослідженнях у разі вивчення кристалографічної структури (орієнтування головки гоніометра); у робототехніці тощо.

На основі п'єзоелектричних моторів розроблялися: приводи антен і камер спостереження, електробритви, приводи ріжучого інструменту, стрічкопротяжні механізми, баштові вуличні годинники, низькообертові (2 об/хв) приводи рекламних платформ, електродрилі, приводи дитячих іграшок і рухливих протезів, стельові вентилятори, приводи роботів та інше.

Хвильові п'єзоелектричні мотори також використовуються в об'єктивах для одно-об'єктивних дзеркальних фотоапаратів. Варіації назви технології в таких об'єктивах різних виробників:

Canon - USM , UltraSonic Motor;

Minolta , Sony - SSM , SuperSonic Motor;

Nikon - SWM , Silent Wave Motor;

Olympus - SWD , Supersonic Wave Drive;

Panasonic - XSM , Extra Silent Motor;

Pentax - SDM , Supersonic Drive Motor;

Sigma - HSM , Hyper Sonic Motor;

Tamron - USD , Ultrasonic Silent Drive , PZD , Piezo Drive.

У верстатобудуванні такі двигуни застосовуються для надточного позиціонування ріжучого інструменту.

• Авторское свидетельство № 217509 «Электрический двигатель», авт. Лавриненко В. В., Некрасов М. М. по заявке № 1006424 с приор. от 10 мая 1965 г.
• США, Патент № 4.019.073, 1975 р.
• США, Патент № 4.453.103, 1982 р.
• США, Патент № 4.400.641, 1982 р.
• Пьезоэлектрические двигатели. В,В,Лавриненко, И. А. Карташев, В. С. Вишневский. Изд."Энергия" 1980 г.
• Вибродвигатели. Р. Ю. Бансявичюс,К. М. Рагульскис. Изд. «Мокслас» 1981 г.
• Survey of the variousoperating principles of ultrasonicpiezomotors. K.Spanner, White Paper for ACTUATOR 2006.
• Принципы построения пьезоэлектрических моторов. В. Лавриненко, ISBN 978-3-659-51406-7, ISBN 3659514063, вид. «Lambert», 2015, 236с.

• Приводи автофокусування
• ULTRASONIC MOTOR
• Ultrasonic Actuators, Motors and Sensors
• Ultrasonic Linear Motor
• speed control for ultrasonic motors
• picture of ultrasonic motor^{[недоступне посилання з квітня 2019]}