Ein neuartiger kugelförmiger Ultraschallmotor mit Drahtstatoren und der Messung von Drehmoment und Vorspannung mittels einer neuen Methode

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 11910 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die vorliegende Studie stellt einen Ultraschallmotor mit mehreren Freiheitsgraden (MDOF) vor, der einen kugelförmigen Rotor mithilfe von Spiraldrahtstatoren und einem piezoelektrischen Stapelaktuator antreiben kann. Drahtstatoren und piezoelektrische Stapelaktoren ermöglichen, dass der vorgeschlagene Motor kleiner und einfacher ist, einen geringeren Stromverbrauch aufweist und unterschiedliche Modi bei unterschiedlichen Frequenzen aufweist. Bei diesem Motor werden zwei Drahtstatoren verwendet, um den kugelförmigen Rotor anzutreiben und ihn in verschiedene Richtungen zu drehen. Die Eigenfrequenz- und Frequenzbereichsanalysen wurden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, um die MDOF-Fähigkeit des Motors in verschiedenen Vibrationsmodi zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der piezoelektrische Stapelaktor durch seine Vibrationsmodi MDOF-Bewegungen erzeugen kann. Die durch den Frequenzbereichsansatz erhaltene Resonanzfrequenz stimmte mit dem Impedanzanalysatortest überein. Drehzahl, Drehmoment und Vorspannkraft wurden experimentell untersucht. Unter Verwendung der Scherspannung, die durch viskose Flüssigkeit in Kontakt mit dem kugelförmigen Rotor verursacht wird, wurde eine neue Methode zur Drehmomentberechnung entwickelt. Anhand der auf den eingetauchten Rotor ausgeübten Auftriebskraft wurde die Vorspannkraft gemessen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die maximale Drehzahl des sphärischen Rotors 306 U/min und das maximale Drehmoment 4,7 μN·m betrug.

Ultraschallmotoren sind eine der Hauptanwendungen des inversen piezoelektrischen Effekts. Sie wandeln die wellenförmige Schwingung und die fortschreitende Bewegung des Stators (die Reibung zwischen Rotor und Stator) in eine rotierende oder lineare Bewegung um. In den letzten Jahren erfordern High-Tech-Anwendungen kleine, präzise, leichte und geräuscharme Aktoren, die in elektromagnetischen Umgebungen funktionieren können. Ultraschallmotoren werden entwickelt, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Sphärische Ultraschallmotoren (SUSMs) wurden erforscht und entwickelt, um von den Vorteilen von Ultraschallmotoren zu profitieren, ohne dass komplexe Designänderungen erforderlich sind1,2,3,4,5,6,7.

Einige Vorteile von Ultraschallmotoren sind: (1) hohe Positionierungsgenauigkeit, (2) kurze Reaktionszeit, (3) geräuschloser Betrieb, (4) hohe Energiedichte, (5) einfacher Aufbau, (6) hoher Wirkungsgrad bei starker Magnetisierung Felder und (7) geringer Stromverbrauch8,9,10,11,12,13. Die Vorteile haben Ultraschallmotoren zu einer geeigneten Wahl für viele Anwendungen gemacht, beispielsweise für die präzise Positionierung, Robotergelenke14, die Inspektion von Rohren mit eingeschränktem Zugang15 und medizinische Anwendungen für winzige Mechanismen16, insbesondere bei diagnostischen Methoden wie der Angioskopie, bei der ein kugelförmiger Ultraschallmikro- Mit einem Motor wird die Kamera in jede Richtung bewegt, damit Ärzte in die Blutgefäße sehen können17,18,19. Für SUSMs wurden verschiedene Designs vorgeschlagen, von denen jedes spezifische Vor- und Nachteile hinsichtlich seiner potenziellen Anwendungen und der erwarteten Leistung hat. Eine dieser Konstruktionen sind SUSMs, deren Stator ein Sandwich-Wandler ist, der im Biegemodus arbeitet20,21,22,23,24. Bei ordnungsgemäßer Betätigung des piezoelektrischen Materials führt die Biegung verschiedener Ebenen zu einer Drehung um verschiedene Achsen. Es liegen jedoch keine Berichte über gleichzeitige Drehungen um verschiedene Achsen vor. Zahnstatoren sind ein äußerst flexibles Design, das es dem kugelförmigen Rotor ermöglicht, sich um verschiedene Achsen zu drehen; Bei solchen Konstruktionen ist es jedoch schwierig, die Vorspannung gleichmäßig aufzubringen8,25,26. SUSM mit mehreren Freiheitsgraden (MDOF) mit vier gezahnten piezoelektrischen Platten, die eine gleichmäßige Ausübung der Vorspannkraft auf den Rotor ermöglichen, wurden in einem anderen Ansatz untersucht und auch die Korrelation zwischen Rotordrehrate und Vorlast wurde untersucht27. Jeder gezahnte Stator erfordert einen Satz von mindestens drei einzelnen Phasen für die Erregerspannung, was die Ansteuerschaltung für höhere Freiheitsgrade komplizieren kann. Ein weiteres SUSM-Design, sogenannte Sandwich-SUSMs, verwendet kreisförmige piezoelektrische Platten, die in mehrere Zonen unterteilt sind. Jede Zone muss separat angeregt werden, um den Kugelrotor zu drehen. In der oben genannten Studie wurde eine piezoelektrische Scheibe eingesetzt und die Belastung (die Kraft zwischen Rotor und Stator), verschiedene Kontaktflächen, optimale Spannung und Frequenz sowie die Reibung zwischen kugelförmigem Rotor und Stator bewertet. Beachten Sie, dass die Motorstruktur im Hinblick auf ihren Wirkungsgrad kompliziert und groß ist2. Es wurde ein anderer Typ von SUSM vorgeschlagen, bei dem massive Piezoelektrika als Betätigungssystem dienen. Sie verfügen an vier Seiten über Kupferelektroden zur Anregung und nutzen eine Kombination aus zwei senkrechten Biegeschwingungen, um auf der Oberseite des Stators eine Bewegungswelle zu erzeugen, die zu einer Bewegung in Richtung senkrecht zu den Biegeebenen führt28. Bei diesem Motor wird die Vorspannung über ein externes Magnetfeld auf einen weichmagnetischen Rotor ausgeübt, daher ist der Einsatz dieses Motors in Umgebungen mit elektromagnetischen Feldern nicht möglich. SUSMs mit Drahtstatoren sind ein weiterer Typ, der ein- oder mehrspiralförmige Drahtstatoren mit sechs Wandlern zur Erregung verwendet. Aufgrund der wenigen Kontaktpunkte am Rotor erzeugen SUSMs mit Einzelspiraldraht-Statoren ein geringes Drehmoment; Bei SUSMs mit Multispiraldrahtstatoren ist es jedoch genau das Gegenteil. Letzteres leidet jedoch unter einer Abweichung der Drehrichtung aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Kontaktpunkte17,18.

Auch die Drehmomentmessung in SUSMs wird in mehreren Untersuchungen untersucht. Herkömmliche Methoden wie das Aufbringen des Drehmoments durch Gewichtskraft aufgrund der hängenden Masse sind aufgrund der Geometrie des kugelförmigen Rotors eine Herausforderung. Darüber hinaus liefern diese Motoren eine geringe Leistung und es ist schwierig, eine Abweichung der Drehachse beim Aufbringen des Drehmoments zu verhindern18,29,30. Es werden auch indirekte Methoden wie die Drehmomentschätzung durch Messung des Übergangsverhaltens des Motors vorgeschlagen31. Der Nachteil dieser Methode ist das einfache lineare Modell für den Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl (Lastkennlinie) sowie die aufwändige Messmethode, die für verschiedene SUSM-Designs ungenau sein kann.

In dieser Studie wurden die Größe und die Designkomplexität des Motors reduziert, indem der Vibrationsaktuator erstmals mithilfe von Drahtstatoren und einem piezoelektrischen Stapelaktuator vom Rotor getrennt wurde, was zu zwei Hauptvorteilen führte: erstens eine hohe Drehzahl und zweitens eine niedrige Energieverbrauch. In der vorliegenden Studie wurden neuartige Methoden zur Messung des Drehmoments und der Vorspannkraft vorgeschlagen, um die Einschränkungen herkömmlicher Methoden zu überwinden. Das Drehmoment wurde anhand der viskosen Scherspannung berechnet, die auf den eingetauchten kugelförmigen Rotor ausgeübt wurde, und die Vorspannkraft wurde anhand der auf den schwimmenden Rotor ausgeübten Auftriebskraft berechnet. Die Schwingungen des piezoelektrischen Stapels und ihre verschiedenen Moden wurden numerisch analysiert, um die Fähigkeiten des piezoelektrischen Stapels und die Frequenzantwort des piezoelektrischen Stapels und des Stators zu bestimmen.

Die Motorstruktur und das Funktionsprinzip sind in Abb. 1 dargestellt. Der Aktuator ist ein integrierter piezoelektrischer Stapel (oder Mehrschicht-Piezoelektrika) ohne gleitende oder rollende Komponenten. Piezoelektrische Stapel oder Mehrschicht-Piezoelektrika reagieren schnell (100-mal schneller als bimorphe Piezoelektrika), ermöglichen eine genaue Positionierung im Nanometerbereich, erzeugen große Kräfte bei geringem Energieverbrauch, erzeugen in elektromagnetischen Feldern keine Geräusche und sind relativ kostengünstig. Dementsprechend verringern sie die Motorgröße und den Stromverbrauch31,32. Das in dieser Studie verwendete piezoelektrische Material war TOKIN AE0505D16 – ein harzbeschichteter Aktuator der AE-Serie mit den Abmessungen 5 × 5 × 20 mm. Der Drahtstator bestand aus SUS304 mit hoher Elastizität und Steifigkeit, und seine glatte Oberfläche verringert die Reibung zwischen dem Stator und dem kugelförmigen Rotor. Die Eigenschaften des Drahtstators sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der nächste Schritt bestand darin, eine Kupplung vorzubereiten, um den Drahtstator mit dem piezoelektrischen Stapelaktor zu verbinden. Die beste Kopplung besteht darin, den Drahtstator direkt mit dem piezoelektrischen Stapelaktor zu verbinden, um die Vibration explizit zu übertragen. Diese Kopplung ist nur mit starken Klebstoffen möglich. Da wir für unsere Experimente verschiedene Statoren nutzen wollten, kam eine solche Kopplung nicht in Frage. Dementsprechend wurde eine Kupplung entwickelt, um die Vibration effektiv zu übertragen und eine einfache Statoreinstellung zu ermöglichen. Der Stecker muss sehr steif sein, um die vom Aktor erzeugten Vibrationen vollständig auf den Stator zu übertragen; Daher wurde für den 3D-Druck der Kupplung Polymilchsäure (PLA) verwendet. Als kugelförmiger Rotor wurde ein Kunststoffball (Tischtennisball FOX Inc.) in Betracht gezogen, dessen Eigenschaften in Tabelle 2 aufgeführt sind. Außerdem wurde eine 6-DOF-Vorrichtung verwendet, um die Statoren genau zu positionieren und ihre Höhen anzupassen. Durch Anlegen der richtigen Spannung und Frequenz wurde vom piezoelektrischen Stapelaktor eine sinusförmige Schwingung erzeugt und durch Kopplung eine wandernde Transversalwelle auf den Drahtstator übertragen, die aufgrund der Wellenausbreitung eine elliptische Bewegung im Drahtstator induziert. Aufgrund der Reibung zwischen Rotor und Stator drängen die Wellenkämme dieser Wanderwelle im Ringabschnitt des Stators den Rotor dazu, sich entgegen der Wellenausbreitungsrichtung mit der Resonanzfrequenz der Baugruppe aus piezoelektrischem Stapelaktor und Drahtstator zu bewegen (Abb. 1C). Da der piezoelektrische Stapelaktor unterschiedliche Schwingungsmodi (Längs-, Biege- und Torsionsschwingungen) bei unterschiedlichen Frequenzen aufweist, könnten für unterschiedliche Modi unterschiedliche Wellenformen in unterschiedlichen Richtungen erzeugt werden.

(A) Explosionszeichnung, (B) zusammengebaute Ansicht des vorgeschlagenen Motors und (C) schematische Darstellung des Funktionsprinzips.

Eine FEM-Simulation wurde durchgeführt, um die Fähigkeit des piezoelektrischen Stapels zu bewerten, die notwendigen Bewegungen zur Betätigung des Stators auszuführen, und um die Frequenzbereiche der Vibrationsmodi des piezoelektrischen Stapelaktuators und der Stator-Draht-Baugruppe zu bewerten. Die Modalanalyse wurde auch für den piezoelektrischen Stapelaktor und den Drahtstator als Ganzes durchgeführt, um die Auswirkung einzelner Vibrationsmodi auf Statorbewegungen zu bestimmen. Der piezoelektrische Effekt ist ein Zusammenspiel mechanischer und elektrischer Phänomene. In COMSOL Multiphysics 6 umfasst die piezoelektrische Modellierung eine Festkörpermechanik und elektrostatische Umgebungen, die durch eine Multiphysikfunktion gekoppelt sind. Zunächst wurde die Modalanalyse durchgeführt, durch die der piezoelektrische Stapelaktor gemäß der vorherigen Studie als Festkörper in der Software modelliert wurde. Für das Modalanalysemodell wurde davon ausgegangen, dass der piezoelektrische Stapelaktor an einem Ende befestigt ist. Die Modalanalyse befasste sich mit verschiedenen Modi des piezoelektrischen Stapelaktuators, des Drahtstators und der Statorbaugruppe. Die Abbildungen 2, 3, 4 und 5 zeigen die Ergebnisse.

Verschiebung verschiedener Modi des piezoelektrischen Stapelaktors; (A) Längsrichtung, (B) Torsionsrichtung und (C) Biegerichtung.

Längsschwingungsmodi für (A) Drahtstator, (B) piezoelektrischen Stapelaktor und (C) Statorbaugruppe.

Biegeschwingungsmodi für (A) Drahtstator, (B) piezoelektrischen Stapelaktor und (C) Statorbaugruppe.

Torsionsschwingungsmodi für (A) Drahtstator, (B) piezoelektrischen Stapelaktor und (C) Statorbaugruppe.

Als nächstes wurde die Frequenzbereichsanalyse im Wobbelbereich von 20–80 kHz für den piezoelektrischen Stapelaktor durchgeführt. Ziel dieser Analyse war es, die Resonanzfrequenz der Anordnung zu bestimmen, wenn die piezoelektrischen Stapel in Längsrichtung betätigt wurden. Es wurde angenommen, dass das elektrische Feld entlang der 33-Achse der Piezoelektrika angelegt wurde; Daher wurde beim Betätigen der Piezoelektrika kein anderer Vibrationsmodus angeregt. Zunächst wurde eine harmonische Analyse für die piezoelektrischen Stapel durchgeführt. Anschließend wurden die Ergebnisse als Grundlage für die harmonische Analyse der Baugruppe betrachtet, wobei davon ausgegangen wurde, dass der piezoelektrische Stapelaktor an einem Ende befestigt war und die strukturellen Dämpfungseffekte der Piezoelektrika und des Drahtstators sowie des Dielektrikums und der Kopplung der Piezoelektrika vernachlässigbar waren. Die Amplitude der an die Piezoelektrika angelegten Spannung betrug 4 V. Um zu überprüfen, ob es sich bei der im Antriebselement erzeugten Welle um eine Wanderwelle handelt, wurde eine transiente Simulation durchgeführt und die Ergebnisse für eine Vibrationsperiode in Abb. 6 dargestellt.

Transiente Bewegungsbahn des Antriebselements.

Wie in Abb. 7 dargestellt, wurde der piezoelektrische Stapel und die Anordnung aus piezoelektrischem Stapel, Drahtstatoren und kugelförmigem Rotor mit dem Impedanzanalysator LCR-8110G getestet, um die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Stapels und des Motors als Ganzes zu ermitteln. Die vom Hersteller angegebene maximale Verschiebung, Anregungsfrequenz, Kapazität und Steifigkeit betrugen 17,5 μm, 69 kHz, 1,4 μF bzw. 49 N/μm im freien Zustand.

Versuchsaufbau eines Impedanzanalysators.

Der Versuchsaufbau zur Drehzahlmessung inklusive der in den Experimenten verwendeten Geräte ist in Abb. 8 dargestellt. In dieser Studie fungiert die Funktionsgeneratorkarte (TNM-DS20080A) als Schnittstelle zwischen PC und Schaltung. Der Ausgang der Verstärkerschaltung war mit einer Verstärkerschaltung der Klasse B verbunden. In der nichtinvertierenden Verstärkerschaltung wurde ein integrierter NE5532-Schaltkreis (IC) verwendet, der die Spannungsamplitude bei hohen Frequenzen verstärken kann. Die Verstärkung des Spannungsverstärkers betrug 11. Piezoelektrische Stapel haben eine hohe Kapazität und ihre Impedanz nimmt bei hohen Frequenzen ab. Dementsprechend benötigen sie mehr Strom, als herkömmliche piezoelektrische Antriebe nicht liefern können. Zu diesem Zweck wurden Stromkreise der Klasse B verwendet, um den zusätzlichen Strom bereitzustellen.

Experimentiergeräte: (1) PC, (2) Funktionsgeneratorkarte, (3) Oszilloskop, (4) Netzteil, (5) Stromkreis und (6) Rotorbaugruppe.

Der Impedanzanalysatortest des piezoelektrischen Stapels unter freien Bedingungen und seine Frequenzbereichsanalyse wurden im Bereich von 25–85 kHz durchgeführt. Der Impedanzanalysatortest und die Frequenzanalyse wurden für den gesamten Motor durchgeführt, um die Resonanzfrequenz abzuleiten, mit der der Motor gestartet werden konnte. Das schematische Diagramm der Bewegungen und ihrer Achsen für Einzel- und Kombinationszustände ist in Abb. 9 dargestellt. Es ist zu beachten, dass der grüne Pfeil in Abb. 9 die Achse der resultierenden Drehung darstellt, wenn beide Statoren aktiviert sind.

Schematische Darstellung der multidirektionalen Bewegung.

Das Drehmoment ist ein wichtiger Parameter für die Leistung eines Motors. Aufgrund ihrer besonderen Geometrie können die herkömmlichen Drehmomentmessmethoden nicht für sphärische Rotoren verwendet werden, da ein neuartiger Ansatz zur Messung des Motordrehmoments vorgeschlagen wurde, der die Probleme herkömmlicher Methoden angeht. Der vorgeschlagene Ansatz nutzte die Scherspannung, die das Fluid auf den kugelförmigen Rotor ausübt. In diesem Fall befand sich der Stator oben auf dem Rotor und ein kugelförmiges Kappenvolumen des Rotors war in die Flüssigkeit eingetaucht. Um die Genauigkeit der Berechnungen zu verbessern, wurde eine hochviskose Flüssigkeit (Motoröl SAE 5W30) verwendet. Die Viskosität des Öls wurde bei verschiedenen Geschwindigkeiten mit einem Rheometer gemessen. Da der Rotor eine niedrige Rotationsgeschwindigkeit hatte, wurde μ = 0,26 Pa.s aus dem Rheometriediagramm ausgewählt, das für Rotationen mit niedriger Geschwindigkeit verwendet wurde. Die Drehzahl des sphärischen Rotors betrug 12 U/min. Wie Abb. 10A und Gl. (2) abgeleitet in33 legt nahe, dass das Drehmoment T wie folgt berechnet werden kann:

Dabei ist θ der sphärische Kappenwinkel des Rotors, a die Flüssigkeitshöhe bis zum tiefsten Punkt des kugelförmigen Rotors und ω die Drehzahl des kugelförmigen Rotors innerhalb der viskosen Flüssigkeit. Gemäß dem Schema wurde ein Versuchsaufbau verwendet, um die erforderlichen Parameter in den Gleichungen zu messen. 1 und 2 mit einem Digitalmikroskop (Dino-lite AM-413ZT). Die gewünschten Parameter wurden wie in Abb. 10B gezeigt erhalten.

Drehmomentmessung: (A) schematischer und (B) experimenteller Aufbau.

Die Messung der Vorspannung und das Erreichen einer gleichmäßigen Vorspannkraft für sphärische Rotoren waren schon immer eine Herausforderung. Diese Studie nutzte eine experimentelle Methode und das Auftriebsprinzip zur Messung der Vorspannkraft. Erstens befand sich der kugelförmige Rotor frei in der Flüssigkeit (Wasser), ohne Verbindung zum Stator. Das Flüssigkeitsvolumen nahm allmählich zu und so kam es zu einem leichten Kontakt zwischen Rotor und Stator. Dadurch begann sich der Rotor zu drehen, und mit zunehmender Flüssigkeitsmenge drehte sich der Rotor schneller (aufgrund der vergrößerten Kontaktfläche zwischen Rotor und Stator). Sobald die Flüssigkeit ein bestimmtes Niveau erreichte, hörte der Rotor aufgrund der übermäßigen Vorspannung auf, sich zu drehen, und der Stator konnte den Rotor nicht mehr bewegen (Abb. 11).

Messung der Vorspannung.

Es ist zu beachten, dass die durch die Flüssigkeitsviskosität verursachte Reibung die Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit beeinflusst. Mit zunehmender Flüssigkeitshöhe und Vorspannung dehnte sich die Kontaktfläche zwischen Rotor und Flüssigkeit aus, was zu einer höheren Viskose-Scherspannung auf den Rotor führte. In diesem Fall verhinderten die Reibungskraft zwischen Rotor und Stator und das durch die viskose Scherspannung verursachte Drehmoment die Bewegung des kugelförmigen Rotors. In Gl. (3) h ist die Höhe des Rotors innerhalb der Flüssigkeit (Kugelkappe), R ist der Radius des kugelförmigen Rotors und ρ ist die Flüssigkeitsdichte.

Die Abbildungen 2A und 3B zeigen die longitudinalen Vibrationsmodi (entlang der Z-Achse) für den freien und den freitragenden piezoelektrischen Stapel bei den Frequenzen 65 bzw. 46,391 kHz. Die freien Torsionsschwingungsmodi und der freitragende piezoelektrische Stapel bei 50,3 und 57,263 kHz sind in den Abbildungen dargestellt. 2B bzw. 5B. Darüber hinaus sind Abb. 2C und 4B veranschaulichen die Biegeschwingungsmodi für den freien und den freitragenden piezoelektrischen Stapel bei 63,26 kHz bzw. 63,923 in der x-z-Ebene.

Wie in den Abb. dargestellt. 3, 4 und 5 wurden die Frequenzmodi für jede Komponente und auch für den gesamten Aufbau bewertet und verglichen. Abbildung 3 zeigt den Longitudinalmodus für den piezoelektrischen Stapel bei 46,391 kHz, den Drahtstator bei 47,531 kHz und den gesamten Aufbau (piezoelektrischer Stapel und Drahtstator) bei 47,108 kHz. Abbildung 4 zeigt die Frequenzmodi für den piezoelektrischen Stapel bei 63,923 kHz, den Drahtstator bei 63,471 kHz und den gesamten Aufbau bei 63,266 kHz. Abbildung 5 zeigt den Torsionsschwingungsmodus für den piezoelektrischen Stapel bei 57,263 kHz, die Frequenzmodi des Drahtstators bei 54,306 kHz und den gesamten Aufbau bei 56,653 kHz. Alle Moden können die notwendigen Modeformen für die MDOF-Bewegung des Stators bereitstellen.

Die Frequenzbereichsanalyse für den freien piezoelektrischen Stapel ohne Vorlast wurde im Bereich von 25–85 kHz und im Rahmen der Impedanzanalysatorprüfung ausgewertet. Eine Frequenzbereichsanalyse wurde auch für einen vorbelasteten piezoelektrischen Stapel durchgeführt, wie in Abb. 12 dargestellt. Der Impedanzanalysatortest und die Simulation ergaben, dass die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Stapels 68 bzw. 65 kHz betrug. Gemäß Abb. 12 lagen die durch Simulation und Experiment erhaltenen Resonanzfrequenzwerte sehr nahe beieinander (Unterschied von weniger als 5 %), was auf einen numerischen Fehler zurückzuführen ist.

Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Stapels im Bereich von 25–85 kHz.

Daher wurde die Statorbaugruppe (piezoelektrischer Stapel und Drahtstator) in der Software modelliert und das Modell im Bereich von 25–40 kHz bewertet. Die Resonanz trat in der Nähe von 33 kHz auf. Der Frequenzbereich wurde an drei verschiedenen Punkten des Drahtstators (Abb. 13) bewertet, die identisch waren.

Frequenzbereichsanalyse des Aufbaus für drei verschiedene Punkte im Drahtstator.

Für die MDOF-Betätigung des sphärischen Rotors erhielt der Stator S1 eine Frequenz von 31,4 kHz, um sich um die Achse S1 zu drehen, und der Stator S2 erzeugte keine Welle. Im nächsten Schritt erhielt der Stator S2 eine Frequenz von 33 kHz, um sich um die Achse S2 zu drehen, und der Stator S1 erzeugte keine Welle. Durch Anlegen einer Spannung von 3,6 V (7,2 V Spitze-zu-Spitze) und eines Ausgangsstroms von 0,2 A begannen sie zu vibrieren und die Statoren S1 und S2 wurden gleichzeitig betätigt, was zur MDOF-Bewegung des Motors führte. Die Drehzahlen in jedem Zustand von Abb. 9 sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Abbildung 14 vergleicht die experimentellen und Frequenzdomänen-Simulationskurven der Statorbaugruppe. Die vom Impedanzanalysator und der Simulation berechnete Resonanzfrequenz betrug 33.800 bzw. 33.250 Hz. Dementsprechend stimmten die Ergebnisse sehr gut überein (Unterschied < 3 %).

Frequenzbereichsanalyse des piezoelektrischen Stapels und Drahtstators als Ganzes.

Wie in Abb. 15A dargestellt, kommen zwei Statoren mit dem kugelförmigen Rotor in Kontakt, um den Motor anzutreiben. Mit zunehmender Spannung stieg die Schwingungsamplitude des Stators, was zu einer höheren Drehzahl des Rotors führte. Der maximal gemessene Strom während des Motorbetriebs betrug 0,2 A und die maximale Leistungsaufnahme 0,36 Wrms. Die experimentellen Ergebnisse des Ausgangsdrehmoments gegenüber verschiedenen Erregerspannungen sind in Abb. 15B dargestellt, die mit der neuartigen Messmethode gemessen wurden.

SUSM-Eigenschaften: (A) Drehzahl vs. Spannung (Peak-to-Peak) (B) Drehmoment vs. Spannung (Peak-to-Peak).

Gemäß der Rheometermessung betrug die Flüssigkeitsviskosität bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 12,5 U/min 0,26 Pa.s. Für verschiedene Werte des Parameters a variierte der Drehmomentwert. Die Ergebnisse zeigten, dass das Drehmoment mit steigender Flüssigkeitshöhe abnahm (höhere Werte von a). Durch Erhöhung der Flüssigkeitshöhe (Ölhöhe) verringerte sich das Drehmoment beispielsweise von 4,7 μN·m auf 0,17 μN·m. Durch die Verwendung dieser Methode zur Drehmomentmessung und die Kenntnis der Drehzahl wurde die maximale Ausgangsleistung des Motors auf 4,93 μW berechnet. Da die Reibungskraft die Vorspannungsberechnungen beeinflusst, gilt Gl. (1) führen zu einem Drehmoment von 0,2 nN.m. Bezogen auf den Radius des Kugelrotors (dh 0,02 m) betrug die Reibungskraft 40 nN, was vernachlässigbar ist. Bei der Vorspannkraft von 29,5 mN wurde die maximale Rotor-Stator- und Rotorrotationsgeschwindigkeit (also 38 U/min) erreicht. Die maximale Vorspannung für den Kugelrotor betrug 44,5 mN, die Drehzahl betrug 35 U/min. Bei der Vorspannkraft von 54 mN blieb der Rotor stehen, um sich zu bewegen (Abb. 16). Der Vergleich der Eigenschaften mit anderen mehrachsigen rotierenden piezoelektrischen Aktuatoren ist in Tabelle 4 aufgeführt. Da in früheren Studien die Spannung im Effektivwert (RMS) angegeben wurde, wurde die Spannung des vorgeschlagenen Motors in Effektivwert umgerechnet, um den Vergleich zu erleichtern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die sehr niedrige Antriebsspannung, der einfache Aufbau, die einfach zu implementierenden und leicht zu steuernden Antriebsschaltungen für die Betätigung, die Fähigkeit, einen Stator in verschiedenen Vibrationsmodi zu verwenden, um den Rotor bei verschiedenen Frequenzen um verschiedene Achsen zu bewegen, usw. sind Als Vorteile des vorgeschlagenen Motors könnten die sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit des Systems genannt werden. Die Optimierung des Designs des Motors zusammen mit den genannten Vorteilen ermöglicht es dem vorgeschlagenen Motor, eine Mikrokamera in der Mikroendoskopie und Dünnschichtsensoren in verschiedenen Ausrichtungen als spezifische Anwendungen zu bewegen. Andererseits sind die geringe Stabilität und Knickfestigkeit von Drahtstatoren aufgrund des geringen Drahtdurchmessers sowie ein sehr niedriges Ausgangsdrehmoment aufgrund der Einschränkungen des piezoelektrischen Stapels, ausreichend Leistung für ein großes Ausgangsdrehmoment bereitzustellen, die Nachteile des Motors. Die Untersuchung und Optimierung der effektiven Designfaktoren zur Maximierung der Output-Betriebsparameter könnte Gegenstand zukünftiger Studien sein.

Einfluss der Vorspannkraft auf die Drehzahl.

Ziel dieser Studie war es, einen sphärischen Ultraschallmotor konzeptionell zu entwerfen und numerisch und experimentell zu bewerten, bei dem große Wandler durch kleine piezoelektrische Stapel als Aktuator des sphärischen Rotors ersetzt wurden. Das neue Design verringerte die Motorgröße und den Stromverbrauch und der Motor kann für jeden DOF in einer einzelnen Phase angeregt werden. Darüber hinaus können unterschiedliche Modi piezoelektrischer Stapel für unterschiedliche Frequenzen verwendet werden, was eine Rotordrehung in verschiedene Richtungen ermöglicht. Es wurde ein Stator aus einem einzelnen Spiraldraht verwendet, wodurch die Größe und der Wirkungsgrad des Motors verbessert wurden.

Es wurden eine FE-basierte Modal- und Frequenzbereichsanalyse sowie die Simulation piezoelektrischer Stapel durchgeführt. Es wurden verschiedene Schwingungsmodi für piezoelektrische Stapel und ihre entsprechenden Frequenzen abgeleitet. Die Resonanzfrequenzen der piezoelektrischen Stapel und des gesamten Motors betrugen 65 und 32,8 kHz. Der Frequenzbereich wurde an drei verschiedenen Punkten ausgewertet und ihre Resonanzfrequenz betrug etwa 33 kHz. Der Impedanzanalysatortest wurde für piezoelektrische Stapel und die gesamte Baugruppe durchgeführt und ein Vergleich der Ergebnisse mit den Simulationen ergab eine Fehlertoleranz von weniger als 5 %.

Nach dem Entwurf und der Bestimmung der Eigenschaften wurden einige Experimente durchgeführt. Im Hinblick auf die Einschränkungen herkömmlicher Drehmomentberechnungsmethoden wurde eine neue Methode vorgeschlagen, die auf der Scherspannung basiert, die durch den viskosen Flüssigkeitsstrom über den kugelförmigen Rotor verursacht wird. Die Vorspannkraft wurde anhand der auf den eingetauchten Rotor ausgeübten Auftriebskraft berechnet. Bei 32 kHz war die Drehzahl des Kugelrotors direkt proportional zur Spannung. Die maximale Drehzahl von 306 U/min wurde bei einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von 7,2 V erreicht. Das maximale Drehmoment und die Vorspannkraft betrugen 4,7 μN·m bzw. 44,5 mN. Bei der Vorspannung von 30 mN betrug die maximale Drehzahl 38 U/min. Die Ergebnisse legen nahe, dass der vorgeschlagene SUSM die Fähigkeit zur präzisen MDOF-Winkelpositionierung als Thema für zukünftige Forschungen besitzt. Die Bewertung der Auswirkung von Designparametern (Drahtdurchmesser, Länge der Statorarme, Anzahl der Spiralen usw.) auf die Gesamtleistung und die Messung der Auflösung und Effizienz des vorgestellten Motors könnten Gegenstand zukünftiger Studien sein.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Fakultät für Maschinenbau, Tarbiat-Modares-Universität, Teheran, Iran

Seyed Hassan Jahantab, Yousef Hojjat, Behzad Ghavami Namin und Mohammad Shirkosh

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SJ: Formale Analyse, Untersuchung, Überprüfung und Bearbeitung des Schreibens. YH: Supervision, Konzeptualisierung, Überprüfung und Bearbeitung des Schreibens. B.Gn.: Konzeptualisierung, Überprüfung und Bearbeitung des Schreibens. M.Sh.: Konzeptualisierung, Überprüfung und Bearbeitung des Schreibens.

Korrespondenz mit Seyed Hassan Jahantab oder Yousef Hojjat.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jahantab, SH, Hojjat, Y., Ghavami Namin, B. et al. Ein neuartiger kugelförmiger Ultraschallmotor mit Drahtstatoren und der Messung von Drehmoment und Vorspannung mittels einer neuen Methode. Sci Rep 13, 11910 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39111-8

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Eingegangen: 14. Januar 2023

Angenommen: 20. Juli 2023

Veröffentlicht: 24. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39111-8

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