Un nuovo motore a ultrasuoni sferico con statori a filo e misurazione della coppia e del precarico tramite un nuovo metodo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11910 (2023) Citare questo articolo

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Il presente studio introduce un motore a ultrasuoni multi-grado di libertà (MDOF), in grado di azionare un rotore sferico utilizzando statori a spirale e un attuatore piezoelettrico. Gli statori a filo e gli attuatori piezoelettrici consentono al motore proposto di essere più piccolo e più semplice, di ridurre il consumo energetico e di avere modalità diverse a frequenze diverse. In questo motore, vengono utilizzati due statori a filo per azionare il rotore sferico e ruotarlo in diverse direzioni. Le analisi della frequenza propria e del dominio della frequenza sono state condotte utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM) per valutare la capacità MDOF del motore in diverse modalità di vibrazione. È stato dimostrato che l'attuatore piezoelettrico può fornire movimenti MDOF attraverso le sue modalità di vibrazione. La frequenza di risonanza ottenuta mediante l'approccio nel dominio della frequenza concordava con il test dell'analizzatore di impedenza. La velocità di rotazione, la coppia e la forza di precarico sono state studiate sperimentalmente. Utilizzando lo stress di taglio causato dal fluido viscoso a contatto con il rotore sferico, è stato sviluppato un nuovo metodo di calcolo della coppia. Sulla base della forza di galleggiamento esercitata sul rotore immerso, è stata misurata la forza di precarico. I risultati sperimentali hanno indicato che la velocità di rotazione massima del rotore sferico era di 306 giri al minuto e la coppia massima era di 4,7 μN·m.

I motori ad ultrasuoni sono una delle principali applicazioni dell'effetto piezoelettrico inverso. Trasformano i movimenti ondulatori, vibrazionali e progressivi dello statore (l'attrito tra rotore e statore) in un movimento rotatorio o lineare. Negli ultimi anni, le applicazioni ad alta tecnologia richiedono attuatori piccoli, precisi, leggeri e silenziosi in grado di funzionare in ambienti elettromagnetici. I motori a ultrasuoni sono sviluppati per soddisfare tali esigenze. I motori a ultrasuoni sferici (SUSM) sono stati studiati e sviluppati per beneficiare dei vantaggi dei motori a ultrasuoni senza che siano necessarie modifiche complesse alla progettazione1,2,3,4,5,6,7.

Alcuni vantaggi dei motori a ultrasuoni sono i seguenti: (1) elevata precisione di posizionamento, (2) breve tempo di risposta, (3) prestazioni silenziose, (4) alta densità di energia, (5) struttura semplice, (6) alta efficienza in condizioni magnetiche forti campi e (7) basso consumo energetico8,9,10,11,12,13. I vantaggi hanno reso i motori a ultrasuoni una scelta adeguata per molte applicazioni come il posizionamento preciso, i giunti robot14, l'ispezione di tubi ad accesso limitato15 e le applicazioni mediche per piccoli meccanismi16, in particolare nei metodi diagnostici come l'angioscopia, in cui un micro-ultrasonico sferico il motore viene utilizzato per spostare la telecamera in qualsiasi direzione affinché i medici possano vedere all'interno dei vasi sanguigni17,18,19. Sono stati proposti vari progetti per i SUSM, ognuno dei quali presenta vantaggi e svantaggi specifici per quanto riguarda le potenziali applicazioni e le prestazioni attese. Uno di questi progetti sono i SUSM con lo statore che è un trasduttore sandwich che funziona in modalità di flessione20,21,22,23,24. Fornendo il corretto azionamento del materiale piezoelettrico, la flessione di vari piani porta alla rotazione attorno a diversi assi; tuttavia, non è stato riportato alcun rapporto su rotazioni simultanee attorno a diversi assi. Gli statori dentati hanno un design altamente flessibile che consente al rotore sferico di ruotare attorno a diversi assi; tuttavia, è difficile per tali progetti applicare il precarico in modo uniforme8,25,26. Il SUSM a più gradi di libertà (MDOF) con quattro piastre piezoelettriche dentate, che consentono un uguale esercizio della forza di precarico sul rotore, è stato esaminato in un altro approccio ed è stata anche studiata la correlazione tra la velocità di rotazione del rotore e il precarico27. Ciascuno statore dentato richiede una serie di almeno tre fasi individuali per la tensione di eccitazione, il che può complicare il circuito di pilotaggio per gradi di libertà più elevati. Un altro progetto SUSM, chiamato SUSM sandwich, utilizza piastre piezoelettriche circolari divise in diverse zone. Ciascuna zona deve essere eccitata separatamente per far ruotare il rotore sferico. Nello studio sopra menzionato è stato adottato un disco piezoelettrico e sono stati valutati il ​​carico (la forza tra il rotore e lo statore), diverse superfici di contatto, tensione e frequenza ottimali e l'attrito tra il rotore sferico e lo statore. Si noti che la struttura del motore è complicata e di grandi dimensioni per quanto riguarda la sua efficienza2. È stato proposto un altro tipo di SUSM, che utilizza piezoelettrici sfusi come sistema di attuazione. Hanno elettrodi di rame su quattro lati per l'eccitazione e utilizzano una combinazione di due vibrazioni di flessione perpendicolari per generare un'onda di movimento sulla parte superiore dello statore, portando al movimento nella direzione perpendicolare ai piani di flessione28. In questo motore il precarico è applicato ad un rotore magnetico dolce utilizzando un campo magnetico esterno, pertanto l'applicazione di questo motore in ambienti con campi elettromagnetici non è fattibile. I SUSM con statori a filo sono un altro tipo che utilizza statori a filo singolo o multispirale con sei trasduttori per l'eccitazione. A causa dei pochi punti di contatto sul rotore, i SUSM con statori a filo a spirale singola generano una coppia bassa; tuttavia, è esattamente il contrario per i SUSM con statori a filo multispirale. Questo mentre quest'ultimo soffre di deviazione del senso di rotazione dovuta alla non uniformità dei punti di contatto17,18.