Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ś L I S K I E J S e ria: E L E K T R Y K A z. 95
_________1985 Nr kol. 820
T a d e u s z G L I N K A
I n s ty tut M a s z y n i U r z ą d z e ń E l e k t r y c z n y c h P o l i t e c h n i k a Ś ląska
S I L N I K P I E Z O E L E K T R Y C Z N Y
S t r e s z c z e n i e . N owe m a t e r i a ł y p i e z o e l e k t r y c z n e typu c e r a m i c z n e g o pos i a d a j ą e n e r g e t y c z n y w s p ó ł c z y n n i k s p r a w n o ś c i w y n o s z ą c y k i l k a d z i e siąt procent.
M a t e r i a ł y te u m o ż l i w i a j ą b u d o w ę e l e k t r o m e c h a n i c z n y c h p r z e t w o r n i ków e ner gii - s i l n i k ó w pie z o e l e k t r y c z n y c h .
W a r t y k u l e p r z e d s t a w i o n o p o d s t a w y b u d o w y 1 d z i a ł a n i a s i l nika p i e z o e l e k t r y c z n e g o , p r z e d s t a w i o n o t a k Z e m od e l t a k iego s i l nika i p o d s t awowe J ego c h a r a k t e r y s t y k i e l e k tr o m e c h a n i c z n e .
1. Wst ęp
Z j a w i s k o p o w s t a w a n i a ind u k c j i e l e kt r y c zn e j w ciele s t ałym z a c h o d z ą c e pod w p ł y w e m n a p r ę ż e ń m e c h a n i c z n y c h , n a z y w a n e w fizyce p r o s t y m efektem p i e z o e l e k t r y c z n y m , o dkryli w 1880 r. br acia Pier r e i O a c q u e s Curie.
Z j a w i s k o p o w s t a w a n i a o d k s z t a ł c e ń m a t e r i a ł ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h pod w p ł y w e m pola el e k t r y c z n e g o , od w r o t n y efekt p i e z o e l e k t r y c z n y , z o stał teo
r e t y czni e p r z e w i d z i a n y przez G. Lippm a n a , a p r ak t y c z n i e p o t w i e r d z o n y p r z e z braci Curie w 1881 roku.
W pr a k t y c e po raz p i e r w s z y k r y s z t a ł y p i e z o e l e k t r y c z n e z o s t a ł y w y k o r z y s tane w 1917 r. do p o b u d z a n i a fal a k u s t y c z n y c h w wodzie. Odtąd r o z poczyna się o k res sto s o w a n i a k r y s z t a ł ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h r ó w n i e ż w innych u r z ą d z e n iach , np. w ukł a d a c h rezonan s o w y c h , g e n e r a t o r a c h o bardzo stabilnej c z ę s t o t l i w o ś c i z mia n n a pięcia, filtrach o bardz o w ą s k i m p a śmie c z ę s t o t l i w o ś c i i innych.
Coraz p o w s z e c h n i e j s z e stos o w a n i e k r y s z t a ł ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h Jest c z y n n i k i e m w y m u s z a j ą c y m rozwój t ec h n o l o g i i ich o t r z y m y w a n i a , a także s t y mulu je p o s z u k i w a n i a c or az to n owy c h m a t e r i a ł ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h . W u k ł a dach i p r z y r z ą d a c h e l e k t r o n i c z n y c h w y k o r z y s t u j e się k r y s z t a ł y kwarcu S i 0 2 , k r y s z t a ł y b e r l i n i t u A 1 P 0 4 oraz k r y s z t a ł n l o b i a n u litu LiNbOj.
K r y s z t a ł y te c ec huje duża s tałość p a r a m e t r ó w w c z a s i e i w s z e r o k i m p r ze d z i a l e t e m p e r a t u r y - natomiast mają niską s p ra w no ś ć p r z e t w a r z a n i a e n e r g i i w g r an i c a c h 1 % [l].
D rugą grupę m a t e r i a ł ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h s t a no w i ą m a t e r i a ł y c e r a m i c z ne. M a t e r i a ł y te c e chuje p rosta t ec h n o l o g i a w y t w a r z a n i a , p o z w a l a j ą c a u z y s k i w a ć próbki o dowo lne j w i e l k o ś c i i kształcie. W a d ą tych m a t e r i a ł ó w Jest
98 T. G li n k a
t r u dno ść o t r z y m y w a n i a c e r a m i k o p o w t a r z a l n y c h p a r a m e t r a c h oraz z n a c z n i e m n i e j s z e w p o r ó w n a n i u z k r y s z t a ł a m i kwarcu, s t a b i l n o ś ć p a r a m e t r ó w w c z a sie, a także w i ę k s z a z a l e ż n o ś ć ich p a r a m e t r ó w od t e m p e ratury.
C e r a m i k i p i e z o e l e k t r y c z n e maję w y s o k ę s p r a w n o ś ć p r z e t w a r z a n i a energ i i m e c h a n i c z n e j na e l e k t r y c z n a d o c h o d z g c a d o k i l k u d z i e s i ę c i u procent.
W y soka s p r a w n o ś ć st a n o w i g ł ó w n ę ich z a l e t ę i stwa r z a m o ż l i w o ś ć w y k o r z y sta nia tych m a t e r i a ł ó w do b u d o w y e l e k t r o m e c h a n i c z n y c h p r z e t w o r n i k ó w e n e rg ii [2, 3. 4, 5]. K o n s t r u k t o r z y tych p r z e t w o r n i k ó w p o d a j ę szereg ich zalet :
- duża s t a b i l n o ś ć p r ę d k o ś c i o b ro t o we j lub liniowej , - prost a b u d o w a w s z c z e g ó l n o ś c i s i l n ik a liniowego, - p ro ste u k ł a d y z a s i l a n i a i s t e r o w an i a,
- n iski p o ziom h a ła sów, j e ż e l i p r a cu j ę przy c z ę s t o t l i w o ś c i a c h p o nad a k u st ycznych.
w I n s t y t u c i e M a s z y n i U r z ę d z e ń E l e k t r y c z n y c h P o l i t e c h n i k i śląsk i e j p r z e p r o w a d z o n o także p ewne w s t ę p n e prace d o t y c z ę c e p r z e t w o r n i k ó w e l e k t r o m e c h a n i c z n y c h p i e z o e l e k t r y c z n y c h [2J. Z b u d o w a n o m o d e l t a k i e g o siln ik a i p r z e p r o w a d z o n o J e g o badania, co w s p o s ó b k r ó t k i o m ó w i o n o w tym artykule.
2. R e z o n a t o r p i e z o e l e k t r y c z n y
R e z o n a t o r p i e z o e l e k t r y c z n y Jest to p r ó b k a m a t e r i a ł u p i e z o c e r a m i c z n e g o o k r e ś l o n e g o k sz t a ł t u z n a n i e s i o n y m i m e t a l i c z n y m i e l e k t r o d a m i . W p r z e t w o r n i k a c h e l e k t r o m e c h a n i c z n y c h s t o s o w a n e sę r e z o n a t o r y p i e z o e l e k t r y c z n e o k s z t a ł c i e p r o s t o p a d ł o ś c i a n u lub pie r ś c ie n ia . W r e z o n a t o r z e pod w p ł y w e m p r z y ł o ż o n e g o p r z e m i e n n e g o pola e l e k t r y c z n e g o w z b u d z a n e sę d r g a n i a m e c h a niczne. P i e z o e l e k t r y c z n y r e z o n a t o r m e c h a n i c z n i e n i e o b c l ę ż o n y ( s w o b o d n y ) , w p o b l i ż u c z ę s t o t l i w o ś c i rezona n s o w e j m o ż n a p r z e d s t a w i ć w p o s t a c i s c h e m a tu z a s t ę p c z e g o z e l e m e n t a m i s k u p i o n y m i (rys. 1).
P oje m n o ś ć C Q naz y w a n a Jest p o j e m n o ś c i ą s t a t y c z n a rez o n a t o r a , a p a r a m e t r y L, R, C p a r a m e t r a m i d y n a m i c z n y m i , p r z y c z y m r e z y s t a n c j a R re p r e z e n t u j e s t r a t y m e c h a n i c z n e w płytce.
C h a r a k t e r y s t y k a m o d u ł o w o - f a z o w a a d m i t a n c j i r e z o n a t o r a p i e z o e l e k t r y c z n e g o w y n o s i
Y =. JcoC ♦ j- . G + JB (1)
R + * > L + i k
p r z y czym
G _ _______o>2 C^R_________
(l - o>2 L C ) 2 + (toCR)2
S i l n i k p i e zoelek try czny. 99
Rys. 1. R e z o n a t o r p i e z o e l e k t r y c z n y (a) 1 j e g o e l e k t r y c z n y echemat z a s t ę p czy (b)
co C (1 - co2LC) B « coC ♦ --- >--- *--- K
0 (l - CO LC) + (toCR)
i ma kształt z b l i ż o n y d o o kręgu (rys. 2).
C h a r a k t e r y s t y k a ta m oże być w y k o r z y s t a n a d l a i d e n t y f i k a c j i p a r a m e t ró w sc h e m a t u z a s t ę p c z e g o :
M a k s i m u m a d m i t a n c j i | Yfflax | w y s t ę p u j e w p r z y p a d k u tzw. rezo n a n s u s z e r e
gowego, to z n a c z y gdy:
*°sL + prć ‘ 0 (2)
» . *
Imax
+ JW8C0 (3)
M i n i m u m a d m i t a n c j i | X m ± n I " y 9 t 9 P u J e > 9 d y z e c h o d z i tzw. rezonans r ó wn o legły:
1 1 0 (4)
^ r L +
100 T. G l in k a
, l cn * c 2* fr " w r
I m l n m 1 7 LC---
R ł cou ; - *■■&■)
♦ J
i C
+ ^
° rLC U 0
c i i
J T T f1
o
c0(c0 ł C)
(5)
Z n a j ą c z p o m i a r ó w w y k r e s m o d u ł o w o - f a z o w y r e zo n a t o r a , m o ż n a o k r e ś l i ć m e t o dę g r a f i c z n ę a d m i t a n c j e Y „ ax i Y«iln dla c z ę s t o t l i w o ś c i r e z o n a n s o w y c h
1 f_. Z a d m i t a n c l i Y (równ a ni e 3) o b l i c z a się R i C , a z
S r u — max o
a d m i t a n c j i Y,„in (równanie 5) p o z o s t a ł e dwa p a r a m e t r y p ł y t k i L I C .
S i l n i k pi ezo e l e k t r y c z n y . . 101
P a r a m e t r y s c h e m a t u z a s t ę p c z e g o można r ó w n i e ż ob l i c z y ć z i n nych p u n k t ó w c h a r a k t e r y s t y k i c z ę s t o t l i w o ś c i o w e j y(ł>) , na przy k ł a d :
B « (im Y) - o k r e ś l o n ę dla c z ę s t o t l i w o ś c i f..
m a x *■ ins x “
B = O - okr e ś l o n ę dla c z ę s t o t l i w o ś c i f i
B . Biin = (im Y) , - okr e ś l o n ę dla c z ę s t o t l i w o ś c i ~ ni i n f-.*
Dla p ły tki n i e o b c i ę ż o n e j , którę w y k o r z y s t a n o do b u d o w y m o d e l u silnika, z d j ę t o c h a r a k t e r y s t y k ę c z ę s t o t l i w o ś c i o w e (rys. 2). W o p a r c i u o tę c h a r a k t e r y s t y k ę w y z n a c z o n o p a r a m e t r y sch e m a t u z a s t ę p c z e g o , które w y n o s z ę :
f = 16,221 kHz fp = 16,755 kHz
R = l,084fl ; CQ » 4,97 JtF, C « 0,32 ¿xF
L « 17 mH.
P a r a m e t r y te mogę służ yć do dobor u g e n e r a t o r a z a s i l a j ę c e g o oraz do o b l i czeń p r o j e k t o w y c h p r z e t w o r n i k a e l e k t r o m e c h a n i c z n e go . P ł ytki p i e z o e l e k t r yc z ne maję kilka pasm c z ę s t o t l i w o ś c i rez o na n so w y c h . Podane tutaj pasmo 16 kHz Jest pie r w s z ę c z ę s t o t l l w o ś c i ę rezonansowę. Druga i w y ż s z e c z ę s t o t l i w o ści r e z o n a n s o w e leżę w paśmie z n ac z ni e w y ż s z y m od c z ę s t o t l i w o ś c i a k u stycznej. Stęd też sę częściej w y k o r z y s t y w a n e w p r z e t w o r n i k a c h e l e k t r o m e c h a n i c z n y c h z u wa gi na m i n i m a l n e z a k ł ó c e n i a akustyczne.
3. P i e z o e l e k t r y c z n e p r z e t w o r n i k i e l e k t r o m e c h a n i c z n e
E n erg ia e l e k t r y c z n a d o s t a r c z a n a do płyt k i pi e z o e l e k t r y c z n e j jest z a mi e n i a n a pod w p ł y w e m pola e l e k t r y c z n e g o na en e r g i ę d r g a ń mechanicznych.
P r o b l em k o n s t r u k c j i p r z e t w o r n i k a e l e k t r o m e c h a n i c z n e g o p i e z o e l e k t r y c z n e g o s p r o w a d z a się do z a m i a n y tych d rga ń w ruch o b r o t o w y lub liniowy.
O b e c n i e w k o n s t r u k c j i s i l n i k ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h m ożna w y r ó ż n i ć trzy typy [ 3 ] :
- s i l nik i p i e z o e l e k t r y c z n e z a k t y w n y m s t oj a n e m i pasy w n y m wirn i k i e m , - s i lnik i p i e z o e l e k t r y c z n e z akt y w n y m w i r n i k i e m i p a s y w n y m stojanem, - s i lnik i p i e z o e l e k t r y c z n e z a k t y w n y m w i r n i k i e m i a k t y w n y m stojanem.
Z a p r e z e n t o w a n y tutaj zo s t a n i e si lnik z a kt y w n y m s t o j a n e m i pasy w n y m wirn i kiem . Schema t k i n e m a t y c z n y tego siln i k a podan o na rys. 3. Układ po k a z a n y na rys. 3 po d d a n y jest d z i a ł a n i u n a s t ę p u j ą c y c h sił:
F^ - siły d o c i s k u płytki do wirnika, P - siły c i ę ż k o ś c i płytki,
Fs - siły reakcj i w p u nkcie z a m o c o w a n i a płytki, F (t) - siły napędza jącej.
102 T. G li n ka
Rye. 3. K i n e m a t y c z n y sche ma t s i l n i k a p i e z o e l e k t r y c z n e g o
W e k t o r y s i ł Fd , P, F# , Fp na rye. 3 n a r y s o w a n e sę linię cięgłę. S i ł y Fd , p, Fg sę s i ł a m i s t a ł y m i w czasi e , n at o m i a a t siła Fn Jest siłę z m i e n n ę s i n u s o i d a l n i e
F„(t) - Fo sinG>t ( 6 )
O e ś l i p ł y t k a p i e z o e l e k t r y c z n a Jest z a m o c o w a n a w a h l i w i e , to z r ó w n a n i a m o m e n t ó w d z i a ł a j ę c y c h w p u n k c i e s t yk u p ł y t k i z w i r n i k i e m m o ż n e o b l i c z y ć , że
F. ■ ? P
(7)W p u n k c i e s t y c z n o ś c i p ł y t k i p i e z o e l e k t r y c z n e j i w i r n i k a d z i a ł a j ę d w i e s i ły w y p a d k o w e t
- siła styczna ;
F 8 (t) « Fn ( t )sl noc- (Frf + j P ) s i n /$ (8)
- siła n o r m a l n a :
N ( t ) « Fn ( t ) c o s « + (Fd + j P)cos/!i (9)
W e k t o r y s iły % ( * ) 1 N (*) na rV 8 - 2 88 n a r y s o w a n e linię przerywanę.
Na rys. 3 p o k a z a n o s i ł y Fg(t) 1 N(t) d z i a ł a j ę c e na p ł y t k ę p i e z o e l e k - trycznę. I d e n t y c z n e s iły o z w r o t a c h p r z e c i w n y c h będę d z i a ł a ć na wirnik.
Pod w p ł y w e m s iły [ - % ( * ) ] b ę d zi e o d b y w a ł się ruch wirn i k a . W p r z e d z i a łach czasu, w k t ó r y c h p ł y t k a się w y d ł u ż a i siła n a p ę d z a j ę c a ma w a r t o ś ć d o d a t n i ę przy o d p o w i e d n i m kęcle oC , i s t n i e j e m o ż l i w o ś ć s p e ł n i e n i a w a r u n k u :
i?t N(t) > Fg (t)
S il n ik p i e z o e l e k t r y c z n y 103
g dzie
7 t - w s p ó ł c z y n n i k tarcia
1 w ó w c z a s m a m y do c z y n i e n i a z ruchem p ł y t k i 1 ruch e m w i r n i k a b e z p o ś l i z g o wym. Z w a r u n k u tego można o b liczy ć kęt oc st yku p ł y t k i z n o r m a l n a do po
w i e r z c h n i wi r n i k a , przy którym nie w y s t ę p u j e poślizg. Kęt ten o k r e ś l a m y dla a m p l i t u d y s i ł y n a p ę d z a j ę c e j , to Jest d l a c h w i l i ^
Fn (tl> ■ Fo
O z n a c z a j ę c
Fh + ? P
& = d p ■— (10)
O
oraz
•pt * sin<*0 (ll)
a także b ioręc pod uwagę, że w a r t o ś ć -yt J«st mała £ 0 , 1 m o ż n a z a łożyć , że
1 “S cosoco . (12)
Pr z y tym z a ł o ż e n i u o t r z y m u j e się w y r a ż e n i e na o k r e ś l e n i e kęta styku oc , p r z y k t ó r y m nie w y s t ę p u j e poślizg, to Jest p r z y któr y m p r ę d k o ś ć liniowa p ły t ki p i e z o e l e k t r y c z n e j przy jej w y d ł u ż a n i u się Jest równa pręd k o ś c i ob w o d o we j wirnika.
OC » a rcs in sin(/$ + 0CQ )J + cco (13)
M oż n a r ó w n i e ż o k r e ś l i ć o p t y m a l n y s t o s u n e k siły d o c i s k u i a m p l i t u d y s i ł y n apę dza JęceJ
sin(oc - cc )
* “ i T ń t ^ T J oT
W p ó ł o k r e s a c h d rgań płytki, p r z y k t ó r y ch d ł u g o ś ć płytki p i e z o e l e k t r y c z ne j z m n i e j s z a się. ki e r u n e k siły n a p ę d z a ję c ej Fn (*) z m i e n i a się na p r z e c i w ny Fn^*) co po w o d u J e z m n i e j s z e n i e się siły norm a l n e j N(t).
G d y n(t ) z m n i e j s z y się do zera, w ó w c z a s n a s t ę pl o d e r w a n i e robo c z e g o k ońca p ły tki p i e z o e l e k t r y c z n e j od p o w i e r z c h n i w i r n i k a (rys. 4).
N ( t 2 ) * F ^ (1
2
)cos cc + (Fj + j P)coa/i = O (15)104 T. Glinka
Rys. 4. P r zeb ieg c z a s o w y s iły n a p ę d z a j ą c e j Fn (t) p ł y t k i p i e z o e l e k t r y c z nej p rzy jej b lo k a d z i e m e c h a n i c z n e j
s tęd
Fd * 2 P cos ¡i s i n w t 2 - p .
O
2 o)
* K ł 1 ■ §§si
N a t o m i a s t p o n o w n y styk p ł y t k i i w i r n i k a n a s t ę p i w c z a s i e n a r a s t a n i a N(t) w c h w i l i tj. gdy N(tj) = O (rys. 4).
- a r c s i n Fd ; cos&
r~ C O S OC O
C z a s styku p łyt ki p i e z o e l e k t r y c z n e j z w i r n i k i e m
¿ ' i * ¥ - ¿ ' 2
przy c zy m czas o d e r w a n i a się końca p ł ytki od w i r n i k a
S i l n i k p i e z o e l e k t r y c z n y 105
4. Opis m o d e l u s i ln ika
S z ki c k o n s t r u k c y j n y m o d e l u siln i k a po k a z a n y Jest na rys. 5, a na rys.
6 z d j ę c i e z b u d o w a n e g o modelu. E l e m e n t e m a k t y w n y m jest p r o s t o p a d ł o ś c i e n n a
Rys. 5. S z k i c k o n s t r u k c y j n y s i l n i k a p i e z o e l e k t r y c z n e g o
płyt k a p i e z o e l e k t r y c z n a 1 z m e t a l i c z n y m i e l e k t r o d a mi n a p y l o n y m i na jej d wóch p r z e c i w l e g ł y c h p o w i e r z c h n i a c h bocznych.
W i e l k o ś ć p ł y t k i w a r u n k o wa ł a w y b ó r kons t r u k c j i silnika. Płytka piez o ce - ramiczna u m i e s z c z o n a jest w meta l o w e j o b e j m i e 4 i o d i z o l o w a n a jest od niej folię mikanitowę. Obejma łęcznie z płyt k ę u m i e s z czona Jest w a h l i w i e w , , . . - ,, t r z y m a d l e 2 z a m o c o w a n y m Rys. 6. S i l n i k p i e z o e l e k t r y c z n y - w i d o k o g ó l
ny na p o d s t a w i e 3. T r z y m a d ł o
jest b l o k o w a n e śrubę 9 i m ożna go przesu wać , z m i e n i a j ę o w ten s p o s ó b kęt p r z y ł o ż e n i a p ł y t k i do w i r nika. Koniec r obo czy p łytki p i e z o c e r a m i c z n e j z a k o ń c z o n y Jest n a s a d k ę ze s t a l i twardej i o p a r t y Jest na w i r n i k u s t a l o w y m 8.
W i r n i k osa d z o n y jest na w a ł k u 7, k tó r y Jest u ł o ż y s k o w a n y za p o m o c ę ło
żysk śliz g o w y c h saraocentrujęcych się w ob u d o w i e 6. U r z ę d z e n i e d o c i s k a j ę c e r o b o c zy koniec p ły tki p i e z o e l e k t r y c z n e j do w i r n i k a s k łada się z p r o w a dn i -
106 T. Gl inka
\
V )
Rys. 7. S c h e m a t u k ł a d u z a s i l a j ą c e g o 6 il n ik p i e z o e l e k t r y c z n y
c y 5. s wo rznia 11 i t a r c z y 10, no którą s t aw i a się c i ę ż a r e k F^. Do e l e k trod p ły tki p i e z o e l e k t r y c z n e j p r z y l u t o w a n e sę p r z e w o d y 12 d o p r o w a d z a j ę c e n a pięcie. S chemat u k ła du z a s i l a j ę c e g o s i l n i k p i e z o e l e k t r y c z n y p o k a z a n y jest na rys. 7. U k ł a d ten w y m a g a g e n e r a t o r a o p a r a m e t r a c h : o koło 100 W, ( 1 0 0 - 3 0 0 ) V , ( 4 0 - 6 0 ) kHz oraz m i e r n i k ó w prądu, n a p i ę c i a i m o c y p r z y s t o s o w a ny c h do p racy w p aśm ie c z ę s t o t l i w o ś c i (40-60)kHz. Z u wagi na brak w n a szym l a b o r a t o r i u m g e n e r a t o r a o takich p ar a m e t r a c h , b a d a n i a z o s t a ł y p r z e p r o w a d z o n e w p aśm ie p ie r w s z e j c z ę s t o t l i w o ś c i r e zo n a n s o w e j płytki, to jest ( 1 5 - 1 7 ) k H z . U k ład ten z uwagi na t r a n s f o r m a t o r d o p a s o w u j ą c y Tr nie mógł być w y k o r z y s t a n y w p asmach w y ż s z y c h c z ę s t o t l i w o ś c i rez o n a n s o w y c h . Nie m i e l i ś m y r ó w n i e ż r o z w i ą z a n e g o z a g a d n i e n i a po m i a r u mocy, co z u b o ż y ł o pomiary, g d y ż nie m ożna było o k r e ś l i ć np. s p r a w n o ś c i silnika.
W tym ukł a d z i e p o m i a r o w y m p o m i e r z o n o c h a r a k t e r y s t y k i :
- p r ę d k o ś c i obroto wej w f unkcj i m o m e n t u o b c i ą ż e n i a n = f(M) przy U = c onst i f = 16,3 kHz i F^ = 4 N ,
- p r ę d k o ś c i o b rot owej w f unkcj i n a p i ę c i a n =
f ( u)
p r z y M « const i f = 16,3 kHz i Fd = 4 N.- p r ę d k o ś c i obrot owe j od s iły do c i s k u n = f(Fd ) przy U = 100 V, f = 16,3 kHz i M = const,
które p r z e d s t a w i o n o na rys. 8.
5. W n i o s k i
Badania w y k a z a ł y , że i s t n i e j e m o ż l i w o ś ć w y k o r z y s t a n i a m a t e r i a ł ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h do b u d o w y p r z e t w o r n i k ó w e l e k t r o m e c h a n i c z n y c h . Z uwagi na brak w naszych l a b o r a t o r i a c h ź r ó d e ł z a s i l a n i a o w y s o k i e j c z ę s t o t l i w o ś c i i dużej mocy. b a dania b yły p r o w a d z o n e przy dolnej c z ę s t o t l i w o ś c i r e z o n a n s o wej p ł ytki, to jest 16,3 kHz. C z ę s t o t l i w o ś ć z a l e c a n a do z a s i l a n i a s i lnika w inna m i e ś c i ć się w p r z e d z i a l e c z ę s t o t l i w o ś c i u l t r a d ź w i ę k o w y c h (20-200) kHz. Brak w a t o m i e r z a u n i e m o ż l i w i ł w y k o n a n i e p e ł n e g o z a k r e s u b adań c h a r a k t e r y s tyk e l e k t r o m e c h a n i c z n y c h sil nika W l i t e r a t u r z e [5] p o dane są dane
S i l n i k p i e z o e l e k t r y c z n y 107
O gem 4 0 gem
BO g c m
i "[o^/min]
60..
50..
40..
~4 6 8 10 ' fd M
Rys. 8. C h a r a k t e r y s t y k i si l nika p i e z o e l e k t r y c z n e g o 0 g e m
40 gem
108 T. G l in k a
T a b e l a 1 P o d s t a w o w e dane s i l n i k ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h
Typ silnika U
V f
kHz n
o b r / m i n M 10-3 Nm
G a b a r y t
mm Mass
kg
DPE-0 1, W L / 0 0 1 - 0 1 20 65 300 3 3 4 x 1 3 x 6 0 , 0 0 5
D P E - 0,4, W L / 0 0 1 - 0 1 35 50 6 0 0 7 5 2 x 2 4 x 2 0 0 , 0 3 5
D P E - 0,4, W L / 0 0 1 — 02 35 50 2000 2,5 5 2 x 2 4 x 2 0 0 , 0 3 5
D P E - 1,5, W L / 0 0 1 - 0 1 120 27 600 500 8 8 x 4 0 x 3 0 0 , 0 8 0
D P E - 0.75, N L / 3 0 1 - 0 1 30 60 60 2 00 0 $ 4 4 x 1 0 0 , 0 8 0
D P E - 0,4, N L / 3 0 2 - 0 1 5 70 60 150 7 0 x 7 0 x 1 0 0 , 1 5 0
s i l n i k ó w p i e z o e l e k t r y c z n y c h , które z o s t a ł y o p r a c o w a n e i są w y t w a r z a n e w P o l i t e c h n i c e Ki jo w s k i e j - t abela 1. N a j w i ę k s z y s i l n i k s k o n s t r u o w a n y w tym o ś r o d k u posiada m ome nt o b r o t o w y na w a l e 10 Nm p r z y 4 8 obr/ m i n , co daje moc o b c i ą ż e n i a 50 W, N a t o m i a s t j e ś l i c h o d z i o p r ę d k o ś ć o b r o t o w ą , u zy s k a n o g ó r n ą g r a n i c ę 1 0 000 obr/min. P r z e w i d u j e się J e d n a k , że n a j w i ę k s z e z a s t o sowa ni e tych s i l n i k ó w b ędzie w z a k r e s i e m a ł y c h m o c y (ok. 3 W).
W z a l e t a c h tego typu s i l n i k ó w po d k r e ś l a się:
- p r o s t o t ę budowy, - n i e palność,
- m o żna d o p u ś c i ć w y s o k ą t e m p e r a t u r ę p r a c y (kil ka s et s t o p n i C) ,
- c a ł y s ilnik moż e być w y k o n a n y z e l e m e n t ó w n i e m e t a l o w y c h (mat e r i a ł y c e r a micz n e , szkło, tw o r z y w a sztuczn e ) ,
- p a r a m e t r y i c h a r a k t e r y s t y k i s i l n ik a są z n a c z n i e k o r z y s t n i e j s z e niż s i l n i k ó w e l e k t r o m a g n e t y c z n y c h , m i ę d z y I n n y m i s i l n i k i te c e c h u j e duża s t a b i l n o ś ć i r ó w n o m i e r n o ś ć p r ę d k o ś c i ob r o t o w e j , stąd p r z e p r o w a d z a się p r ó by ich s t o s o w a n i a w v i d e o m a g n e t o f o n e c h , r e j e s t r a t o r a c h m a g n e t y c z n y c h itp,
L I T E R A T U R A
ClJ W s t ę p do p i e z o s l e k t r o n i k l . Praca zbio r o w a. WNT, W a r s z a w a 1981.
[2] M i g u r s k i P. , P i e t r z y k W. : W y k o r z y s t a n i e e f e k t u p i e z o e l e k t r y c z n e g o do b u do wy p r z e t w o r n i k ó w e l e k t r o m e c h a n i c z n y ch . Praca dyp l o m o w a . P o l i t e c h nika Ś l ąska, In s t y t u t M a s z y n i U r z ą d z e ń E l e k t r y c z n y c h , G l i w i c e 1983.
[3] V i s h n e v s k i V . S., L a v r i n i e n k o V . V . : A p i e z o - E l e c t r i c Motor. Patent USA Nr 40 1 9 0 7 9 , paten t U.K. N r 1480864, p atent F r an c j a Nr 22774 5 8 , patent C anada Nr 1034179.
[4] T r o f i m o w A.I., O e w m j e n j e n k o W . W . : L i n i e j n y j e p i e z o e l j e k t r i c z e s k i j e mi- k rodwiga t j e l i . E l j e k t r i c z j e s t w o . 1981 r. Nr 5.
[5] Ł a w r i n j e n k o W.W. , W i s z n J e w s k i J W.S. , B o j c z j e n k o O.Ł. , H a d k j e r n i c z n y j S .P., S z u l j r j e n k o A. P. : Piezoelj ekt ricz j eskij d w i g a t j e l . E l j e k t r i c z j e s t w o 1981 r. Nr 6.
R e c e n z e n t : doc. dr inż. O e r z y H i c k i e w l c z W p ł y n ę ł o do r e dak cji d nie 2 . V . 1984 r.
S i l n i k p i e z o e l e k t r y c z n y 109
ITbE303JIEKTHlHi»KHii flBHrATEJIB
P e 3 io u e
H o Bue ni>6303jiBKipHHecKHS uaTe p a a ^ u K e p a M H H e c K o r o n p o r c H o z m e H H H miexii 3HepreiHuecKHil K0 3<M>HUHeHT rxoaesHoro AeitoiBHfl HecKOJifcKo x e c a i K O B u p o u s H T • 9t h waiepHajiH ^acT b o3m o j c h o c t b oipoe H HH BJieKTpoMexaHnnecKHX n p e o O p a 3 0 B ai e - jieil 3HeprHH-ni.e303aeKTpH'iecKHx ABa r a ie x ea . B ciaTbe npejuioxeHti o c h o b h no- CTpo&KH h AeS c T B H H nte303jieKipHaecKoro i BHraieia, a Taxxe n p H B S A e H H Moaejib Taxoro- XBHraiejifl h pe3yjn>Taibi sKcnepHMeHTajiBHHX HcnuTaHHfi noxyneHKbie aa 3X0« MOflejIK.
P I E Z O - E L E C T R I C M O TOR
S u m m a r y
N ew p i e z o e l e c t r i c ce r a m i c m a t e r l a l e give the p o e e i b i l i t y of e n e r g y t r a n e f o r m e t i o n w i t h e f f i c i e n c y of some s c o r es of p e r cent.
T h e s e m a t e r i a l s c l e a r a w a y for c o n s t r u c t i o n of e l e c t r o m e c h a n i c a l tra n sfo rmers. In the p a p e r the p r i n c i p l e s of c o n s t r u c t i o n and a c t i o n of p i e z o e l e c t r i c m otor are given. T here is a l s o p r e s e n t e d a w o r k i n g m odel of such a m o t o r and Its testing results.
