محرك كهرضغطية
المحرك الكهروإجهادي، أو محرك بيزو، هو نوع من المحركات الكهربائية يعتمد على تغير شكل المادة الكهروإجهادية عند تطبيق مجال كهربائي ، نتيجةً للتأثير الكهروإجهادي العكسي. تُحدث دائرة كهربائية اهتزازات صوتية أو فوق صوتية في المادة الكهروإجهادية، والتي غالبًا ما تكون زركونات تيتانات الرصاص ، وأحيانًا نيوبات الليثيوم أو مواد أخرى أحادية البلورة ، مما يُنتج حركة خطية أو دورانية حسب آلية عملها. [ 2 ] تشمل أمثلة أنواع المحركات الكهروإجهادية محركات الدودة ، والمحركات الخطوية، ومحركات الانزلاق والالتصاق، بالإضافة إلى المحركات فوق الصوتية التي يمكن تصنيفها إلى محركات الموجة المستقرة ومحركات الموجة المتحركة. تستخدم المحركات الكهروإجهادية عادةً حركة خطوية دورية، مما يسمح لتذبذب البلورات بإنتاج حركة واسعة النطاق، على عكس معظم المحركات الكهروإجهادية الأخرى حيث يكون نطاق الحركة محدودًا بالإجهاد الساكن الذي قد يحدث في العنصر الكهروإجهادي.
يُعدّ نموّ وتشكيل البلورات الكهروإجهادية صناعةً متطورة ، تُنتج تشوّهًا منتظمًا وثابتًا للغاية عند تطبيق فرق جهد مُحدد . هذا، بالإضافة إلى دقة التشوهات المتناهية الصغر، يُتيح للمحرك الكهروإجهادي القدرة على إحداث خطوات دقيقة جدًا. ويدّعي المصنّعون دقةً تصل إلى مقياس النانومتر . كما يسمح معدل الاستجابة العالي والتشوّه السريع للبلورات بحدوث هذه الخطوات بترددات عالية جدًا، تصل إلى 5 ميجاهرتز . وهذا يُوفّر سرعة خطية قصوى تبلغ حوالي 800 ملم في الثانية، أو ما يُقارب 2.9 كم/ساعة.
تتميز المحركات الكهروإجهادية بقدرتها الفريدة على العمل في مجالات مغناطيسية قوية، مما يوسع نطاق استخدامها ليشمل تطبيقات لا يمكن فيها استخدام المحركات الكهرومغناطيسية التقليدية، مثل تلك الموجودة داخل هوائيات الرنين المغناطيسي النووي . وتُحدد درجة حرارة التشغيل القصوى بدرجة حرارة كوري للخزف الكهروإجهادي المستخدم، وقد تتجاوز 250 درجة مئوية.
تتمثل المزايا الرئيسية للمحركات الكهروإجهادية في دقة تحديد المواقع العالية، وثبات الموقع حتى في حالة انقطاع التيار الكهربائي، وإمكانية تصنيعها بأحجام صغيرة جدًا أو بأشكال غير تقليدية كالحلقات الرقيقة. تشمل التطبيقات الشائعة للمحركات الكهروإجهادية أنظمة التركيز في عدسات الكاميرات، بالإضافة إلى التحكم الدقيق في الحركة في تطبيقات متخصصة كالمجهر.
أنواع المحركات الرنانة
محرك فوق صوتي
تختلف المحركات فوق الصوتية عن المحركات الكهروإجهادية الأخرى في عدة جوانب، مع أن كليهما يستخدم عادةً نوعًا من المواد الكهروإجهادية. ويكمن الاختلاف الأبرز في استخدام الرنين لتضخيم اهتزاز الجزء الثابت الملامس للجزء الدوار في المحركات فوق الصوتية.
تتوفر طريقتان رئيسيتان للتحكم في الاحتكاك على طول سطح التلامس بين الجزء الثابت والجزء الدوار، وهما الاهتزاز الموجي المتحرك والاهتزاز الموجي المستقر . [ 3 ] استخدمت بعض النسخ الأولى من المحركات العملية في سبعينيات القرن الماضي، والتي صممها ساشيدا على سبيل المثال، الاهتزاز الموجي المستقر مع زعانف موضوعة بزاوية على سطح التلامس لتشكيل محرك، وإن كان يدور في اتجاه واحد فقط. وفي تصميمات لاحقة، استخدم ساشيدا وباحثون في ماتسوشيتا ، وألبس، وزيريون، وكانون الاهتزاز الموجي المتحرك للحصول على حركة ثنائية الاتجاه، ووجدوا أن هذا الترتيب يوفر كفاءة أفضل وتآكلًا أقل لسطح التلامس. ويستخدم محرك الموجات فوق الصوتية "الهجين" ذو عزم الدوران العالي للغاية عناصر كهرضغطية مستقطبة محيطيًا ومحوريًا معًا لدمج الاهتزاز المحوري والالتوائي على طول سطح التلامس، مما يمثل تقنية قيادة تقع بين طريقتي القيادة بالموجات المستقرة والمتحركة.
أنواع المحركات غير الرنانة
محرك دودة القياس
يستخدم محرك الدودة الخزفية مواد كهرضغطية لدفع الجزء الثابت بحركة تشبه المشي. تعتمد هذه المحركات الكهرضغطية على ثلاث مجموعات من البلورات: مجموعتان "للتثبيت"، ومجموعة "للتحريك" تتصل بشكل دائم إما بغلاف المحرك أو بالجزء الثابت (وليس كليهما). توفر مجموعة التحريك، المحصورة بين المجموعتين الأخريين، الحركة.
يُمكن ضبط سلوك هذا المحرك الكهروإجهادي في حالة عدم وجود مصدر طاقة، إما بخيارين: "مُقفل عادةً" أو "حر عادةً". يسمح النوع الحر عادةً بالحركة الحرة عند عدم وجود مصدر طاقة، ولكن يُمكن قفله بتطبيق جهد كهربائي.
يمكن لمحركات الدودة تحقيق تحديد المواقع على مستوى النانومتر عن طريق تغيير الجهد المطبق على البلورة المحركة أثناء تشغيل مجموعة واحدة من بلورات القفل.
خطوات
تُعد عملية تشغيل محرك الدودة عملية دورية متعددة الخطوات: [ 2 ]
- أولاً، يتم تنشيط مجموعة واحدة من البلورات "القفل" لقفل جانب واحد وفتح الجانب الآخر من "شطيرة" البلورات الكهروإجهادية.
- بعد ذلك، يتم تنشيط مجموعة بلورات "المحرك" وتثبيتها. يؤدي تمدد هذه المجموعة إلى تحريك مجموعة "القفل" غير المقفلة على طول مسار المحرك. هذه هي المرحلة الوحيدة التي يتحرك فيها المحرك.
- ثم يتم تحرير مجموعة "القفل" التي تم تشغيلها في المرحلة الأولى (في المحركات "التي يتم قفلها بشكل طبيعي"، وفي الأخرى يتم تشغيلها).
- ثم يتم تحرير مجموعة "الدافع"، مما يؤدي إلى سحب مجموعة "القفل الخلفي".
- وأخيراً، تعود كلتا مجموعتي "القفل" إلى حالتيهما الافتراضيتين.
محرك متدرج أو محرك دفع بالمشي
لا ينبغي الخلط بين هذه المحركات ومحرك الخطوة الكهرومغناطيسي الذي يحمل اسمًا مشابهًا ، فهذه المحركات تشبه محرك الدودة، إلا أن العناصر الكهروإجهادية فيها يمكن أن تكون مشغلات ثنائية الشكل تنحني لتغذية المنزلق بدلاً من استخدام عنصر منفصل للتمدد والانكماش. [ 4 ]
محرك انزلاقي
تعتمد آلية عمل محركات الانزلاق والالتصاق على القصور الذاتي بالإضافة إلى الفرق بين الاحتكاك الساكن والاحتكاك الحركي. تتألف حركة الخطوة من مرحلة تمدد بطيئة لا يتم فيها التغلب على الاحتكاك الساكن، تليها مرحلة انقباض سريعة يتم فيها التغلب على الاحتكاك الساكن وتغيير نقطة التلامس بين المحرك والجزء المتحرك.
محركات الدفع المباشر
يُحدث المحرك الكهروإجهادي ذو الدفع المباشر حركةً من خلال اهتزاز فوق صوتي مستمر. وتُطبّق دائرة التحكم الخاصة به موجة جيبية أو مربعة ثنائية القنوات على العناصر الكهروإجهادية، بما يتوافق مع تردد الرنين الانحنائي للأنبوب الملولب - وهو عادةً تردد فوق صوتي يتراوح بين 40 و200 كيلوهرتز. وهذا يُولّد حركةً مداريةً تُحرّك البرغي.
يستخدم نوع آخر من المحركات، وهو محرك التذبذب، عناصر كهرضغطية ملتصقة بشكل متعامد بصامولة. وتؤدي اهتزازاتها فوق الصوتية إلى تدوير برغي قيادة مركزي.
إجراء واحد
يمكن تصنيع محركات خطوية بسيطة أحادية الفعل باستخدام بلورات كهرضغطية. على سبيل المثال، باستخدام دوار صلب مغطى بطبقة رقيقة من مادة أكثر ليونة (مثل مطاط البولي يوريثان )، يمكن ترتيب سلسلة من محولات الطاقة الكهرضغطية المائلة (انظر الشكل 2). عندما تُفعّل دائرة التحكم مجموعة من محولات الطاقة، فإنها تدفع الدوار خطوة واحدة. لا يُمكن لهذا التصميم تحقيق خطوات صغيرة أو دقيقة مثل التصاميم الأكثر تعقيدًا، ولكنه يُتيح سرعات أعلى، كما أنه أقل تكلفة في التصنيع.
براءات الاختراع
قد تكون أول براءة اختراع أمريكية تكشف عن محرك يعمل بالاهتزاز هي "طريقة وجهاز لتوصيل الطاقة الاهتزازية" (براءة الاختراع الأمريكية رقم 3,184,842، ماروبيس، 1965). تصف براءة اختراع ماروبيس "جهازًا اهتزازيًا يتم فيه تحويل الاهتزازات الطولية في عنصر اقتران رنيني إلى اهتزازات دورانية في عنصر طرفي رنيني من النوع الحلقي". صُممت وأُنتجت أولى المحركات الكهروإجهادية العملية بواسطة ف. لافرينينكو في مختبر الإلكترونيات الكهروإجهادية، بدءًا من عام 1964، في معهد كييف للفنون التطبيقية ، الاتحاد السوفيتي. ومن بين براءات الاختراع المهمة الأخرى في المراحل الأولى لتطوير هذه التقنية ما يلي:
- "المحرك الكهربائي"، V. Lavrinenko، M. Nekrasov، براءة اختراع اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية رقم 217509، الأولوية في 10 مايو 1965.
- "هياكل المحركات الكهروإجهادية" (براءة الاختراع الأمريكية رقم 4,019,073، فيشنفسكي وآخرون، 1977)
- "محرك اهتزاز الالتواء المدفوع بالكهرباء الانضغاطية" (براءة الاختراع الأمريكية رقم 4,210,837، فاسيليف وآخرون، 1980)
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ جهاز تدوير المكعب ANR101
- روبيتش ، ستيفان يوهان (2019)، "الكهرباء الانضغاطية" ، أجهزة الاستشعار والمحركات الكهروإجهادية ، موضوعات في التعدين والمعادن وهندسة المواد، برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ، ص 43-81 ، doi : 10.1007/978-3-662-57534-5_3 ، ISBN 978-3-662-57532-1تم الاطلاع عليه بتاريخ 2021-05-05
- ↑ تشاو، تشونشنغ (2011). المحركات فوق الصوتية . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. doi : 10.1007/978-3-642-15305-1 . ISBN 978-3-642-15304-4.
- ↑ سبانر، كارل؛ كوتش، برهان الدين (26-02-2016). "المحركات الكهروإجهادية: نظرة عامة" . المحركات . 5 (1): 6. doi : 10.3390/act5010006 . ISSN 2076-0825 .
- المحركات الكهربائية