Um novo motor ultrassônico esférico com estatores de fio e medição de torque e pré-carga por meio de um novo método

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11910 (2023) Citar este artigo

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O presente estudo apresenta um motor ultrassônico com vários graus de liberdade (MDOF), que é capaz de acionar um rotor esférico usando estatores de fio espiral e um atuador de pilha piezoelétrico. Estatores de fio e atuadores de pilha piezoelétricos permitem que o motor proposto seja menor e mais simples, tenha menor consumo de energia e tenha modos diferentes em frequências diferentes. Neste motor, dois estatores de fio são usados ​​para acionar o rotor esférico e girá-lo em diferentes direções. As análises de autofrequência e domínio de frequência foram realizadas utilizando o método dos elementos finitos (FEM) para avaliar a capacidade MDOF do motor em diferentes modos de vibração. Foi demonstrado que o atuador de pilha piezoelétrico pode fornecer movimentos MDOF através de seus modos de vibração. A frequência ressonante obtida pela abordagem no domínio da frequência concordou com o teste do analisador de impedância. Velocidade rotacional, torque e força de pré-carga foram investigados experimentalmente. Utilizando a tensão de cisalhamento causada pelo fluido viscoso em contato com o rotor esférico, um novo método de cálculo de torque foi desenvolvido. Com base na força de empuxo exercida no rotor imerso, a força de pré-carga foi medida. Os resultados experimentais indicaram que a velocidade rotacional máxima do rotor esférico foi de 306 rpm e o torque máximo foi de 4,7 μN·m.

Os motores ultrassônicos são uma das principais aplicações do efeito piezoelétrico inverso. Eles transformam os movimentos vibracionais e progressivos ondulatórios do estator (o atrito entre o rotor e o estator) em um movimento rotativo ou linear. Nos últimos anos, as aplicações de alta tecnologia exigem atuadores pequenos, precisos, leves e de baixo ruído, capazes de funcionar em ambientes eletromagnéticos. Os motores ultrassônicos são desenvolvidos para atender a essas necessidades. Os motores ultrassônicos esféricos (SUSMs) foram pesquisados ​​e desenvolvidos para se beneficiar das vantagens dos motores ultrassônicos, embora nenhuma alteração complexa no projeto seja necessária1,2,3,4,5,6,7.

Algumas vantagens dos motores ultrassônicos são as seguintes: (1) alta precisão de posicionamento, (2) tempo de resposta curto, (3) desempenho silencioso, (4) alta densidade de energia, (5) estrutura simples, (6) alta eficiência em campos magnéticos fortes. campos e (7) baixo consumo de energia8,9,10,11,12,13. As vantagens fizeram dos motores ultrassônicos uma escolha adequada para muitas aplicações, como posicionamento preciso, juntas robóticas14, inspeção de tubos de acesso limitado15 e aplicações médicas para mecanismos minúsculos16, especialmente em métodos de diagnóstico como angioscopia, em que um micro-ondas ultrassônica esférica o motor é usado para mover a câmera em qualquer direção para que os médicos vejam o interior dos vasos sanguíneos17,18,19. Vários projetos foram propostos para SUSMs, cada um com vantagens e desvantagens específicas em relação às suas aplicações potenciais e desempenho esperado. Um desses projetos são os SUSMs, cujo estator é um transdutor sanduíche operando em modo de flexão . Fornecendo a atuação adequada do material piezoelétrico, a flexão de vários planos leva à rotação em torno de diferentes eixos; no entanto, não houve nenhum relatório sobre rotações simultâneas em torno de diferentes eixos. Os estatores dentados têm um design altamente flexível, permitindo que o rotor esférico gire em torno de diferentes eixos; no entanto, é um desafio para tais projetos aplicar a pré-carga igualmente8,25,26. O SUSM multigrau de liberdade (MDOF) com quatro placas piezoelétricas dentadas, permitindo o exercício igual da força de pré-carga no rotor, foi examinado em outra abordagem e a correlação entre a taxa de rotação do rotor e a pré-carga também foi investigada . Cada estator dentado requer um conjunto de pelo menos três fases individuais para tensão de excitação, o que pode complicar o circuito de acionamento para graus de liberdade mais elevados. Outro projeto SUSM, denominado SUSMs sanduíche, utiliza placas piezoelétricas circulares divididas em várias zonas. Cada zona deve ser excitada separadamente para girar o rotor esférico. No estudo mencionado, foi adotado um disco piezoelétrico e foram avaliados o carregamento (força entre o rotor e o estator), diferentes superfícies de contato, tensão e frequência ótimas e o atrito entre o rotor esférico e o estator. Observe que a estrutura do motor é complicada e grande quanto à sua eficiência2. Outro tipo de SUSM foi proposto, utilizando piezoelétricos em massa para servir como sistema de atuação. Eles possuem eletrodos de cobre nos quatro lados para excitação e utilizam uma combinação de duas vibrações de flexão perpendiculares para gerar uma onda de movimento no topo do estator, levando ao movimento na direção perpendicular aos planos de flexão . Neste motor a pré-carga é aplicada a um rotor magnético macio utilizando campo magnético externo, portanto a aplicação deste motor em ambientes com campos eletromagnéticos não é viável. SUSMs com estatores de fio são outro tipo que usa estatores de fio simples ou multiespiral com seis transdutores para excitação. Devido aos poucos pontos de contato no rotor, os SUSMs com estatores de fio espiral único geram baixo torque; entretanto, é exatamente o oposto para SUSMs com estatores de fio multiespiral. Isto enquanto este último sofre desvio do sentido de rotação devido à não uniformidade dos pontos de contato17,18.