晶振与电机紧密相连的关系

压电马达提供无磁性,齿轮的精确运动

当大多数工程师听到"电机"时,他们通常认为"磁性".这是有道理的,因为传统电机使用线圈,绕组和磁性材料来提供旋转或线性运动.无论是交流电机还是直流电机,拉丝或无刷,步进电机或其他配置(参见电机谱系的神秘与魔力)),磁场与材料之间的相互作用将电能转换为机械运动.

因此,在实现小规模和精确运动的时候,设计师通常首先考虑一个非常小的电机甚至一个小型电机和齿轮组.然而,在这些较小的尺度下,磁电机难以控制并且仍然相对较大,而齿轮组会带来更多的尺寸,重量,成本,机械游隙,间隙和磨损问题.即使使用先进的运动控制电子设备和软件,它也可能是一个棘手且令人不满意的解决方案.

但是目前广泛使用的基于磁性的电动机存在替代方案:压电电动机,也称为压电致动器.其操作原理利用了众所周知的压电效应.工程师熟悉这种双向现象及其许多应用,例如将振动转换为电能以进行能量收集,构建压力传感传感器以及实施火花点火器.在互补模式中,该效果用于将电能转换成压力和运动,在音频信号装置/信号器中,当然,作为普遍存在的晶体振荡器的核心.

压电马达由单个陶瓷晶体或这些陶瓷材料的叠层构成.当通过电压在组件上施加电场时,材料变形,如图1所示.在最常见的设计中,伸长限于单个运动平面.通过开/关电压脉冲和机械布置来引导材料以进行一系列拉伸和定位保持,因此像毛毛虫一样移动(有时也称为"尺""设计").

图1:压电电机通常由堆叠的压电元件制成,并由施加的电压激励(左).有些单元还包括一个用于闭环控制的应变计(中心),可以更精确地控制所施加的电压与位移(右).(来源：PhysikInstrumenteGmbH＆Co.)

动议既精准又精确.基于压电的电动机用于纳升输液泵和光学位置机构.这些电机可以提供低至纳米公差的定位,步进速率达到MHz范围-显然是磁电机方法的不可能的规格.可用力范围从纳牛顿到大约一牛顿(1N),(虽然一些马达可以达到数百牛顿,而小马达的马达重量在不到10克的范围内.

这些通常不是"高功率"电机,但它们不需要用于目标应用.而且,在某些情况下,压电马达的非磁性特性是有益的(甚至是必需的).压电电机可作为开环传感器运行,也可用作反馈回路中的应变计,以实现闭环控制提供的额外精度.

压电电机的基本物理不仅与磁电机的基本物理特性不同,驱动要求也不同.基于磁性的电动机是电流驱动的装置,因为磁场和强度是通过绕组的电流的函数(当然,有电压用于驱动电流进入绕组;电动机方程式都是基于当前和磁性之间的相互作用).

基于压电的电动机是电压驱动的场景.压电材料需要由跨越材料的电压差提供的电场.根据电机的大小,此电压可低至50V或高至1000V或更高(简单的压电蜂鸣器和振动器通常仅需要约25-30V).

这给驱动电子设计带来了一些挑战:

由于潜在的致命电压,使用适当的绝缘和电线布线至关重要,同时要注意监管机构设定的蠕变和间隙要求.

与用于控制磁电机中电流流动的MOSFET/IGBT开关不同,压电电机通常由高压,低电流放大器驱动(标准运算放大器由其输出端的高压晶体管或特定应用提升)高压运算放大器).

磁电机是高感性负载,因此驱动电路必须处理电流浪涌,感应踢和其他感性负载属性.相比之下,压电电机具有高电容性,因此驱动器运算放大器必须能够为1,000pF(皮法)或更高的负载提供所需的电压,同时保持稳定,即使运算放大器也需要特殊的输出级设计可以轻松提供高压.

压电式非磁性电机的广泛使用表明,聪明的工程师如何调整基本材料和物理原理,为微动应用创造创新解决方案.运动和运动控制的下一步是开发实用的基于MEMS的电机,它太小而无法用肉眼观察,用于诸如通过医疗测试仪器中的微毛细管路径"泵送"单个细胞的用途-大量的研发工作是那些已经在进行中.