와이어 고정자가 있고 새로운 방법을 통해 토크 및 예압을 측정하는 새로운 구형 초음파 모터

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11910(2023) 이 기사 인용

320 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

본 연구에서는 나선형 와이어 고정자와 압전 스택 액츄에이터를 사용하여 구형 회전자를 구동할 수 있는 MDOF(다자유도) 초음파 모터를 소개합니다. 와이어 고정자와 압전 스택 액츄에이터를 사용하면 제안된 모터가 더 작고 단순하며 전력 소비가 낮고 다양한 주파수에서 다양한 모드를 가질 수 있습니다. 이 모터에서는 두 개의 와이어 고정자가 구형 로터를 구동하고 다른 방향으로 회전시키는 데 사용됩니다. 다양한 진동 모드에서 모터의 MDOF 기능을 평가하기 위해 유한 요소법(FEM)을 사용하여 고유 주파수 및 주파수 영역 분석을 수행했습니다. 압전 스택 액츄에이터는 진동 모드를 통해 MDOF 동작을 제공할 수 있음이 입증되었습니다. 주파수 영역 접근법으로 얻은 공진 주파수는 임피던스 분석기 테스트와 일치했습니다. 회전 속도, 토크 및 예압력을 실험적으로 조사했습니다. 구형 로터와 접촉하는 점성 유체로 인한 전단 응력을 사용하여 새로운 토크 계산 방법이 개발되었습니다. 잠긴 로터에 가해지는 부력을 바탕으로 예압력을 측정했습니다. 실험 결과 구형 로터의 최대 회전 속도는 306rpm, 최대 토크는 4.7μN·m인 것으로 나타났다.

초음파 모터는 역압전 효과의 주요 응용 분야 중 하나입니다. 이는 고정자의 기복이 있는 진동 및 진행 운동(회전자와 고정자 사이의 마찰)을 회전 또는 선형 운동으로 바꿉니다. 최근 몇 년 동안 첨단 기술 응용 분야에서는 전자기 환경에서 작동할 수 있는 작고 정확하며 가볍고 소음이 적은 액추에이터가 필요합니다. 초음파 모터는 이러한 요구를 해결하기 위해 개발되었습니다. 구형 초음파 모터(SUSM)는 초음파 모터의 장점을 활용하면서 복잡한 설계 변경이 필요하지 않도록 연구 및 개발되었습니다1,2,3,4,5,6,7.

초음파 모터의 장점은 다음과 같습니다: (1) 높은 위치 정확도, (2) 짧은 응답 시간, (3) 무소음 성능, (4) 높은 에너지 밀도, (5) 간단한 구조, (6) 강한 자기에서 높은 효율 분야 및 (7) 낮은 전력 소비8,9,10,11,12,13. 장점으로 인해 초음파 모터는 정밀한 위치 지정, 로봇 관절14, 접근이 제한된 파이프 검사15, 작은 메커니즘에 대한 의료 응용 분야, 특히 구형 초음파 미세 모터는 의사가 혈관 내부를 볼 수 있도록 카메라를 어떤 방향으로든 이동하는 데 사용됩니다. SUSM에 대해 다양한 설계가 제안되었으며, 각 설계에는 잠재적인 응용 분야 및 예상 성능과 관련하여 특정한 장점과 단점이 있습니다. 이러한 설계 중 하나는 고정자가 굽힘 모드에서 작동하는 샌드위치 변환기인 SUSM입니다. 압전 재료의 적절한 작동을 제공하면 다양한 평면이 구부러져 서로 다른 축을 중심으로 회전하게 됩니다. 그러나 서로 다른 축을 중심으로 한 동시 회전에 대한 보고는 없습니다. 톱니형 고정자는 구형 로터가 다른 축을 중심으로 회전할 수 있도록 하는 매우 유연한 설계입니다. 그러나 이러한 설계에서는 예압을 균등하게 적용하기가 어렵습니다8,25,26. 회전자에 예압력을 동일하게 가할 수 있는 4개의 톱니형 압전판을 갖춘 다중 자유도(MDOF) SUSM을 다른 접근 방식으로 조사했으며 회전자 회전 속도와 예압 사이의 상관 관계도 조사했습니다. 각각의 톱니형 고정자에는 여자 전압을 위한 최소 3개의 개별 위상 세트가 필요하며, 이는 더 높은 자유도를 위해 구동 회로를 복잡하게 만들 수 있습니다. 샌드위치 SUSM이라고 하는 또 다른 SUSM 설계는 여러 구역으로 나누어진 원형 압전판을 사용합니다. 구형 로터를 회전시키려면 각 영역을 개별적으로 자극해야 합니다. 앞서 언급한 연구에서는 압전 디스크를 사용하여 하중(회전자와 고정자 사이의 힘), 다양한 접촉면, 최적의 전압 및 주파수, 구형 회전자와 고정자 사이의 마찰을 평가했습니다. 모터 구조는 효율성과 관련하여 복잡하고 크다는 점에 유의하십시오2. 벌크 압전 장치를 작동 시스템으로 활용하는 또 다른 유형의 SUSM이 제안되었습니다. 그들은 여기를 위해 4면에 구리 전극을 가지고 있으며 두 개의 수직 굴곡 진동의 조합을 사용하여 고정자 상단에 운동 파동을 생성하여 굽힘 평면에 수직인 방향으로 이동합니다. 이 모터에서는 외부 자기장을 이용하여 연자성 회전자에 예압을 가하기 때문에 전자장이 있는 환경에서는 이 모터를 적용할 수 없습니다. 와이어 고정자가 있는 SUSM은 여자용 변환기가 6개 있는 단일 또는 다중 나선형 와이어 고정자를 사용하는 또 다른 유형입니다. 로터의 접촉점이 적기 때문에 단일 나선형 와이어 고정자를 갖춘 SUSM은 낮은 토크를 생성합니다. 그러나 다중 나선형 와이어 고정자를 갖춘 SUSM의 경우에는 정반대입니다. 이는 후자는 접점의 불균일로 인해 회전 방향의 편차로 인해 어려움을 겪는 것입니다.