MOTOR PIEZOELÉCTRICO

Los motores piezoeléctricos funcionan en base al fenómeno piezoeléctrico inverso, que consiste en el cambio de forma que experimenta un material piezoeléctrico cuando es sometido a un campo eléctrico, obtenido mediante la aplicación de una tensión eléctrica.

En la nota Piezoelectricidad, fue explicado el fenómeno. Ahora mostraremos el funcionamiento de un motor real. 
Motor piezoeléctrico rotativo, excitado por onda viajera

Consta de dos partes: el estator, de material piezoeléctrico, donde se aplica la señal eléctrica y el rotor, que  presiona sobre la superficie del estator y entrega la salida mecánica.

Mediante la aplicación de dos tensiones eléctricas adecuadas sobre el estator, como veremos, se logra generar una onda viajera, que a su vez  produce perturbaciones mecánicas elípticas sobre el estator. Por fricción, el estator empuja al rotor y lo hace girar sobre su eje. En la Fig. 1 se muestra el principio de funcionamiento y en las Fig. 2  y 3 se muestran dos de las posiciones posibles durante la rotación. En estas figuras no se ha representado el eje.

Fig.1 – Principio de funcionamiento del motor piezoeléctrico rotativo por onda viajera

Generación de la onda viajera

Recordando la teoría de las ondas, una onda viajera tiene la forma:

Yv(x, t) = A cos(kx − ωt)        (1)

Mientras que una onda estacionaria es representada por:

Ye(x, t) = A cos kx cos ωt      (2)

Utilizando relaciones trigonométricas, la (1) puede ser transformada en:

Yv(x, t) = A cos kx cos ωt + A cos(kx − π/2) cos(ωt − π/2).     (3)

Esto nos conduce a un resultado importante: una onda viajera se puede generar mediante la superposición de dos ondas estacionarias cuyas fases difieren en 90º entre sí tanto en el tiempo como en el espacio. Además, un punto que se mueva cumpliendo con ambos términos de la (3), se estará moviendo sobre una elipse, ya que ellos representan la ecuación paramétrica de una elipse sobre un plano.

Una onda viajera se genera sobre la superficie del estator, mediante la aplicación de dos tensiones desfasadas 90º entre si, actuando como un anillo flexible para producir movimiento elíptico sobre la cara del rotor. El movimiento elíptico de la superficie de contacto impulsa al rotor y al eje de accionamiento conectado. Se pueden utilizar dientes unidos al estator para aumentar la velocidad de rotación. La operación depende de la fricción entre el rotor en movimiento y el estator, así como de la amplitud y calidad de la onda que viaja en el estator.

Una onda viajera se genera dentro del estator mediante la activación de dos modos simultáneamente. Estos modos son producidos por un circuito de accionamiento que entrega señales cos (wt) y sin (wt), respectivamente, cerca de la resonancia mecánica del anillo del estator. La dirección de la onda que viaja se puede revertir cambiando el signo de una de las señales de accionamiento.

El Rotor

La corrección del micro-movimiento se consigue oprimiendo el rotor sobre la parte superior del estator. La fuerza de fricción entre los dos hace que el rotor gire. La transferencia de movimiento resultante funciona como un engranaje y conduce a una velocidad de rotación mucho más baja que la frecuencia de la onda. El rotor podría ser un material en forma de anillo especial unido a un eje de salida, o podría ser una parte integral de la aplicación que debe ser activado. Puesto que el rotor es un componente pasivo hay una gran libertad en el diseño. Lo más importante es el comportamiento de la superficie que debe ser compatible con el material de los dientes del estator con el fin de producir la fricción necesaria para impulsar la aplicación.

Fig.2 – Una de las posiciones  posibles capturadas

durante el giro.

Fig.3 – Otra de las posiciones  posibles capturadas

durante el giro.

Referencias

http://pcbmotor.com/information/technology-20/

http://www.piezo-motor.net/    

http://www.pi-usa.us/products/Piezo_Motors_Stages/Linear-Motor-Precision-Positioning.php

http://pcbmotor.com/information/technology-20/

http://piceramic.com/piezo-technology/fundamentals.html