Un nouveau moteur à ultrasons sphérique avec stators filaires et mesure du couple et de la précharge via une nouvelle méthode

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11910 (2023) Citer cet article

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La présente étude présente un moteur ultrasonique à plusieurs degrés de liberté (MDOF), capable d'entraîner un rotor sphérique à l'aide de stators à fil en spirale et d'un actionneur à pile piézoélectrique. Les stators à fil et les actionneurs piézoélectriques à pile permettent au moteur proposé d'être plus petit et plus simple, de consommer moins d'énergie et d'avoir différents modes à différentes fréquences. Dans ce moteur, deux stators filaires sont utilisés pour entraîner le rotor sphérique et le faire tourner dans des directions différentes. Les analyses des domaines de fréquence propre et de fréquence ont été réalisées à l'aide de la méthode des éléments finis (FEM) pour évaluer la capacité MDOF du moteur dans différents modes de vibration. Il a été démontré que l'actionneur à pile piézoélectrique peut fournir des mouvements MDOF grâce à ses modes de vibration. La fréquence de résonance obtenue par l'approche du domaine fréquentiel était en accord avec le test de l'analyseur d'impédance. La vitesse de rotation, le couple et la force de précharge ont été étudiés expérimentalement. En utilisant la contrainte de cisaillement provoquée par un fluide visqueux en contact avec le rotor sphérique, une nouvelle méthode de calcul du couple a été développée. Sur la base de la force de poussée exercée sur le rotor immergé, la force de précharge a été mesurée. Les résultats expérimentaux ont indiqué que la vitesse de rotation maximale du rotor sphérique était de 306 tr/min et que le couple maximal était de 4,7 μN·m.

Les moteurs à ultrasons sont l'une des principales applications de l'effet piézoélectrique inverse. Ils transforment les mouvements vibratoires ondulatoires et progressifs du stator (la friction entre le rotor et le stator) en un mouvement rotatif ou linéaire. Ces dernières années, les applications de haute technologie nécessitent des actionneurs petits, précis, légers et silencieux, capables de fonctionner dans des environnements électromagnétiques. Les moteurs à ultrasons sont développés pour répondre à ces besoins. Les moteurs à ultrasons sphériques (SUSM) ont été recherchés et développés pour bénéficier des avantages des moteurs à ultrasons sans nécessiter de modification de conception complexe1,2,3,4,5,6,7.

Certains avantages des moteurs à ultrasons sont les suivants : (1) précision de positionnement élevée, (2) temps de réponse court, (3) performances silencieuses, (4) densité d'énergie élevée, (5) structure simple, (6) rendement élevé dans un champ magnétique puissant. champs, et (7) faible consommation d'énergie8,9,10,11,12,13. Les avantages ont fait des moteurs à ultrasons un choix approprié pour de nombreuses applications telles que le positionnement précis, les articulations de robots14, l'inspection de canalisations à accès limité15 et les applications médicales pour de minuscules mécanismes16, en particulier dans les méthodes de diagnostic telles que l'angioscopie, dans laquelle un micro- Le moteur est utilisé pour déplacer la caméra dans n'importe quelle direction afin que les médecins puissent voir à l'intérieur des vaisseaux sanguins17,18,19. Diverses conceptions ont été proposées pour les SUSM, chacune présentant des avantages et des inconvénients spécifiques concernant leurs applications potentielles et leurs performances attendues. L'une de ces conceptions est celle des SUSM, dont le stator est un transducteur sandwich fonctionnant en mode flexion20,21,22,23,24. Assurant le bon actionnement du matériau piézoélectrique, la flexion de différents plans conduit à une rotation autour de différents axes ; cependant, aucun rapport n'a été publié sur des rotations simultanées autour de différents axes. Les stators dentés sont d'une conception très flexible permettant au rotor sphérique de tourner autour de différents axes ; cependant, il est difficile pour de telles conceptions d’appliquer la précharge de manière égale8,25,26. Le SUSM à plusieurs degrés de liberté (MDOF) avec quatre plaques piézoélectriques dentées, permettant un exercice égal de force de précharge sur le rotor, a été examiné dans une autre approche et la corrélation entre la vitesse de rotation du rotor et la précharge a également été étudiée27. Chaque stator denté nécessite un ensemble d'au moins trois phases individuelles pour la tension d'excitation, ce qui peut compliquer le circuit de commande pour des degrés de liberté plus élevés. Une autre conception SUSM, appelée SUSM sandwich, utilise des plaques piézoélectriques circulaires divisées en plusieurs zones. Chaque zone doit être excitée séparément pour faire tourner le rotor sphérique. Dans l'étude susmentionnée, un disque piézoélectrique a été adopté et la charge (la force entre le rotor et le stator), différentes surfaces de contact, la tension et la fréquence optimales ainsi que le frottement entre le rotor sphérique et le stator ont été évalués. Notez que la structure du moteur est complexe et importante en ce qui concerne son efficacité2. Un autre type de SUSM a été proposé, utilisant des piézoélectriques en vrac pour servir de système d'actionnement. Ils comportent des électrodes de cuivre sur quatre côtés pour l'excitation et utilisent une combinaison de deux vibrations de flexion perpendiculaires pour générer une onde de mouvement sur le dessus du stator, conduisant à un mouvement dans la direction perpendiculaire aux plans de courbure28. Dans ce moteur, la précharge est appliquée à un rotor magnétique doux en utilisant un champ magnétique externe. Par conséquent, l'application de ce moteur dans des environnements avec des champs électromagnétiques n'est pas réalisable. Les SUSM avec stators à fil sont un autre type utilisant des stators à fil simple ou multi-spirale avec six transducteurs pour l'excitation. En raison du peu de points de contact sur le rotor, les SUSM dotés de stators à fil spiralé unique génèrent un faible couple ; cependant, c'est tout le contraire pour les SUSM dotés de stators à fils multi-spires. En effet, cette dernière souffre d’une déviation du sens de rotation due à la non-uniformité des points de contact17,18.