مکاترونیک موتور‌های آلتراسونیک بسمه تعالی مکاترونیک موتور‌های آلتراسونیک نام و نام خانوادگی ساحل امن‌زاده 92411105 دانشکده مهندسی برق دانشگاه علم و صنعت ایران نیم سال دوم 94-95

سرفصل مطالب تاریخچه معرفی ساختار کارکرد انواع مزایا و معایب کاربرد قیمت و نحوه‌ی تهیه

«موتور‌های آلتراسونیک» تاریخچه

«موضوع ارائه» معرفی

اثر پیزوالکتریک: اثر پیزو الکتریک به زبان ساده ، قابلیت برخی از مواد و کریستال هاست برای تبدبل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی است . تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل ( کوارتز ) تحت کشش یا فشار همان اثر پیزوالکتریک است .پلاریته پتانسیل دو وجه بلور در دو حالت تنش و کُرنش هم ارزند و هرچه میزان فشار کشش باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده به صورت خطی بیشتر خواهد شد . اثر معکوس پیزوالکتریک نیز در این معنی ، تغییر شکل  بلور میزان الکتریکی بین دو وجه روبروی آنها می باشد.

وقتی ماده پیزوالکتریکی تحت تأثیر مکانیکی ( به صورت انبساط یا انقباض ) قرار گیرد ،مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می شود . این بار الکتریکی در اثر نامتقارن بودن سلول یکه واحد کریستال است که به تولید میدان الکتریکی و پتانسیل الکتریکی منجر می شود . به این اثر پیزوالکتریک مستقیم گویند . حال اگر در پی اعمال میدان الکتریکی با مقادیر گرانش مکانیکی و تغییرات مکانیکی در ساختار سرامیک مواجه شویم به این اثر پیزوالکتریک معکوس گویند . که هر دو اثر کاربردیهای متفاوت و فراوان دارند . USM ها بر اساس اثر پیزوالکتریک معکوس کار می‌کنند.

معرفی USM

«موتور‌های آلتراسونیک» ساختار

ساختار موتور USM موتور‌های آلتراسونیک از 4 بخش اصلی تشکیل شده‌ است: 1)عملگر 2)استاتور 3)روتور 4)پوشش

عملگر: عملگر واحد درایو کردن USM می‌باشد. از مواد پیزو الکتریک همچون کوارتز , بریوم تیتانات ,تورمالین , نمک روچل و... مستقیم به منبع وصل می‌شود بر روی استاتور با استفاده ازصفحه‌ی فلزی و یاتاقان‌ها نصب می‌شود.

استاتور: استاتور بخش ایستا اما مرتعش می‌باشد. با استفاده از مواد نرم و قابل انعطاف (معمولا فلز)ساخته می‌شود. می‌تواند حلقه , استوانه , میله‌ای شکل باشد.

روتور: قسمت چرخان می‌باشد که تبدیل انرژی را تامین می کند و گشتاور مورد نظر را روی شفت تولید می‌کند. هم‌جنس استاتور می‌باشد. هم‌شکل استاتور می‌باشد. روتور و استاتور با روش خاصی که کوپلینگ اصطکاکی نامیده می‌شود به هم کوپل می‌شوند که موثر‌تر و ساده‌تر می‌باشد.

پوشش: برای حفاظت USM از تداخل‌های خارجی و نیرو‌های ساینده و شرایط سخت خارجی می‌باشد. از آلیاژ‌ها و فیبر غیر خورنده ساخته‌ شده‌اند. به هر شکل مورد نظر می‌توانند ساخته شوند.

مونتاژ: شیار‌های دندانه‌ی شانه : روی سطح استاتور ایجاد شده و روی روتور میچسبد. این‌ها برای اینکه دامنه‌ی حرکت بیضوی را زیاد کنند و ساییدگی‌ها را کاهش دهند تعبیه شده‌اند. ارتعاشات را تقویت می‌کنند.

«موتور‌های آلتراسونیک» کارکرد

کارکرد: موتور آلتراسونیک شامل تبدیل مستقیم انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی می‌باشد. عملگر به طور مستقیم به منبع تغذیه متصل است. زمانی که منبع on است عملگر به خاطر معکوس اثر پیزوالکتریک شروع به ارتعاش می‌کند. استاتور که روی آن عملگر نصب شده است ارتعاشات را دریافت می‌کند. اجزای استاتور انرژی را از عملگر دریافت می‌کنند و روی سطح شروع به ارتعاش می‌کند که موجب ایجا موج روی سطح می‌شود. استاتور و روتور بسیار نزدیک بهم قرار گرفته‌اند که سطوح آن‌ها تقریبا از هم تغذیه می‌کنند.

امواج سطح که تولید شده‌اند دارای فرکانس در رنج آلتراسونیک هستند و با چشم قابل رویت نیستند. این امواج باعث می‌شوند استاتور در خلاف روتور بچرخد. همانطور که موج انتشار می‌یابد روتور در خلاف جهت حرکت موج به عقب رانده می‌شود.

موج سطحی تولید شده خلاف جهت عقربه‌های ساعت انتشار می‌یابند در حالی که روتور در جهت عقربه‌های ساعت انتشار می‌یابد.شفت که روی آن روتور قرار دارد می‌چرخد و گشتاور خروجی بدست آورده می‌شود. استاتور و روتور همیشه شکل یکسانی دارند.

USM دورانی USM خطی

«موتور‌های آلتراسونیک» انواع

ULTRASONIC MOTOR STANDING WAVE TYPE LINEAR MOTOR ROTARY MOTOR TRAVELLING WAVE TYPE

Standing Wave USM این نوع موتور سه گروه کریستال استفاده می‌کند که دو تای آن‌ها قفل‌شدنی و یکی از آن‌ها محرک است. ابتدا یک گروه از کریستال‌های قفل شدنی فعال می‌شوند که یک طرف ‘sandwich’ قفل و طرف دیگر آزاد می‌شود. سپس گروه کریستال محرک راه اندازی و نگه‌ داشته می‌شوند.انبساط این گروه بخش آزاد گروه قفل شدنی را در طول مسیر موتور حرکت می‌دهد.تنها جایی که حرکت موتور رخ می‌دهد.

بخش ارتعاشی به محرک پیزوالکتریک وصل‌ شده است و بخش نوک حرکت بیضوی مسطح تولید می‌کند.

پس نوک در طول روتور بین A → B حرکت می‌کند و آزادانه بین B → A وقتی جابجایی ارتعاشی u(x) = u0 sin(ωt +α) در ارتعاشگر پیزوالکتریک انگیخته شود قطعه‌ی مرتعش خمیدگی تولید می‌کند به خاطر محدودیت ایجاد شده توسط روتور . پس نوک در طول روتور بین A → B حرکت می‌کند و آزادانه بین B → A اگر قطعه‌ی مرتعش و ارتعاشگر پیزو به طور مناسب کوک شده باشند یک ساختار تشدید‌کننده شکل می‌گیرد. پس فقط جهت A → B یک نیرو‌ی یکسویه به روتور توسط اصطحکاک و.. تامین می‌کند. گشتاور یا نیرو‌ی چرخشی متناوب

LINEAR TYPE STANDING WAVE USM

موتور خطی با عملگر پیزوالکتریک چند لایه و پاهای فلزی چنگالی شکل تجهیز شده‌است. زیرا تفاوت کمی در تشدید شدگی مکانیکی بین دو پا وجود دارد , اختلاف فاز بین ارتعاش خمیدگی دو پا می‌تواند با تغییر فرکانس تحریک کنترل شود.

نمودارمشخصات موتور USM خطی:

ROTATING TYPE STANDING WAVE USM

متصل کننده‌ی پیچشی شامل دو پا که ارتعاش طولی را منتقل می‌کند می‌باشد. دفع‌کننده با زاویه‌ی خاصی با پاها تنظیم شده است که خمیدگی را به ارتعاش پیچشی منتقل می‌کند. این مومنت عرضی که به حرکت خم‌شدگی بالا پایین وصل شده است باعث ایجاد چرخش بیضوی روی بخش نوک می‌شود . فشار بهینه برای رسیدن به فشار ماکزیمم زمانی بدست آورده می‌شود که مکان هندسی بیضوی تا نصفه ناقص شده باشد.

TRAVELLING WAVE USM این نوع دو standing waves را با 90 درجه اختلاف فاز در زمان و مکان ترکیب میکند. نمایش travelling wave : U(x ,t)= A cos(k x) cos(wt) + A cos(k x - 90) cos (wt-90) عضو سطحی بدنه‌ی الاستیک باعث ایجاد مکان هندسی بیضوی به خاطر اتصال طولی و عرضی امواج می‌شود.

LINEAR TYPE TRAVELLING WAVE USM

ROTARY TYPE TRAVELLING USM

«موتور‌های آلتراسونیک» مزایا و معایب

مزایای USM : گشتاور خروجی و بازده بالا گشتاور بالا به نسبت وزن دقت موقعیت بالا قابلیت کار در شرایط محیطی سخت عدم وجود تداخل مغناطیسی ساختار ساده سایز کوچک و قیمت پایین بهینه بودن از لحاظ انرژی

معایب USM : نیاز به منبع تغذیه با فرکانس بالا (رنج KHz ) قیمت بالای مواد پیزو الکتریک رخ دادن نویز آلتراسونیک افتادگی ویژگی های گشتاور-سرعت نیاز به مهار گرما پایداری کمتر

«موتور‌های آلتراسونیک» کاربرد

کاربرد: فوکس اتماتیک و زوم چشمی در دوربین‌های دیجیتال و دوربین‌های مراقبتی. در صنعت اتوموبیل, USM ها برای عملیات انتقال توان , توان‌ پنجره‌ها, فرمان شیب , ORVMها , تنظیم صندلی ماشین و... سر‌های دیسک هارد دیسک, فلاپی‌ها و سی دی درایوها میتوانند توسط USM کنترل شوند. ساعت مچی‌ها و ساعت‌ها رباتیک هوا فضا داروسازی

«موتور‌های آلتراسونیک» قیمت و نحوه‌ی تهیه «موتور‌های آلتراسونیک» قیمت و نحوه‌ی تهیه

«موتور‌های آلتراسونیک» لیست مراجع

لیست مراجع Published in: Ultrasonics Symposium, 1988. Proceedings., IEEE 1988. Date of Conference: 2-5 Oct 1988, Page(s): 519 - 522 vol.1, INSPEC Accession Number: 3439385, Conference Location: Chicago, IL, Product Type: Conference Publications. Meeting Date : 02 Oct 1988-05 Oct 1988. http://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasonic_motor http://www.britannica.com/EBchecked/topic/613488/ultrasonics http://www.seminarsonly.com/electrical%20&%20electronics/Ultras onic%20Motor.php http://www.noliac.com/Files/Billeder/Pdf/Pdf%20%20external/Piezo electric_ultrasonic_motors.pdf http://www.americanpiezo.com/piezo_theory /piezo_theory.pdf