Tecnología de motores ultrasónicos piezoeléctricos Funcionamiento y aplicaciones

Los motores ultrasónicos fueron inventados en 1965 por V.V Lavrinko. En general, sabemos que la fuerza motriz la da el campo electromagnético en los motores convencionales. Pero aquí, para proporcionar una fuerza motriz, estos motores utilizan el efecto piezoeléctrico en el rango de frecuencias de los ultrasonidos, que va de 20 kHz a 10 MHz y no es audible para los seres humanos normales. De ahí que se denomine tecnología USM piezoeléctrica. La tecnología ultrasónica es utilizada por los USM que utilizan la potencia de vibración ultrasónica de un componente para su funcionamiento.

Antes de hablar en detalle de esta tecnología, debemos conocer la información relativa a los sensores ultrasónicos, los sensores piezoeléctricos y los actuadores piezoeléctricos.

Sensor piezoeléctrico

Los cambios en las magnitudes físicas como la deformación, la fuerza, la tensión y la aceleración pueden medirse convirtiendo éstas en energía eléctrica. Los dispositivos o sensores que se utilizan para este proceso se denominan sensores piezoeléctricos. Y este proceso se denomina efecto piezoeléctrico. Si se aplica un voltaje a través de un cristal, la presión se ejercerá sobre los átomos del cristal provocando una deformación de los átomos de sólo el 0,1%.

Sensor ultrasónico

Los transductores que generan ondas sonoras de alta frecuencia -una frecuencia de unos 20 kHz a 10 MHz- y, atribuyen el objetivo mediante la lectura del intervalo de tiempo entre la recepción del eco tras el envío de la señal, se denominan sensores ultrasónicos. Por tanto, los sensores ultrasónicos pueden utilizarse para detectar obstáculos y evitar colisiones.

Actuador piezoeléctrico

Para el ajuste fino de las lentes de una cámara, un espejo, herramientas de mecanizado y otros equipos similares se requiere un control preciso del movimiento; este control preciso del movimiento se puede conseguir mediante los actuadores piezoeléctricos. La señal eléctrica puede convertirse en un desplazamiento físico controlado con precisión mediante un actuador piezoeléctrico. Se utilizan para controlar las válvulas hidráulicas y los motores de propósito especial.

Tecnología de motores ultrasónicos piezoeléctricos

Simplemente podemos llamar a la tecnología ultrasónica como inversa del efecto piezoeléctrico porque, en este caso, la energía eléctrica se convierte en movimiento. Por lo tanto, podemos llamarla tecnología USM piezoeléctrica.

Los materiales piezoeléctricos denominados titanato de circonato de plomo y cuarzo se utilizan muy a menudo para los USM y también para los actuadores piezoeléctricos, aunque los actuadores piezoeléctricos son diferentes de los USM. Los materiales como el niobato de litio y algunos otros materiales monocristalinos también se utilizan para los USM y la tecnología piezoeléctrica.
La principal diferencia entre los actuadores piezoeléctricos y los USM es la vibración del estator en contacto con el rotor, que puede amplificarse utilizando la resonancia. La amplitud del movimiento del actuador está entre 20 y 200 nm.

Tipos de motores ultrasónicos

Los USM se clasifican en diferentes tipos en función de distintos criterios, que son los siguientes

Clasificación de los USM en función del tipo de funcionamiento de la rotación del motor

• Motores de tipo rotativo
• Motores de tipo lineal

Clasificación de los USM en función de la forma del vibrador

• Tipo de varilla
• Con forma de П
• Con forma cilíndrica
• Tipo de anillo (cuadrado)

Clasificación basada en el tipo de onda de vibración

• Tipo de onda estacionaria: se clasifica a su vez en dos tipos:

1. Unidireccional
2. Bidireccional

• Tipo de onda propagadora o tipo de onda viajera

Funcionamiento de los motores ultrasónicos

La vibración se induce en el estator del motor, y se utiliza para transmitir el movimiento al rotor y también para modular las fuerzas de fricción. La amplificación y las (micro) deformaciones del material activo se utilizan para generar el movimiento mecánico. El macromovimiento del rotor puede conseguirse mediante la rectificación del micromovimiento utilizando la interfaz de fricción entre el estator y el rotor.

El motor ultrasónico consta de estator y rotor. El funcionamiento del USM cambia el rotor o traductor lineal. El estator del USM consta de cerámica piezoeléctrica para generar vibraciones, un metal del estator para amplificar las vibraciones generadas y un material de fricción para hacer contacto con el rotor.

Cuando se aplica la tensión, se genera una onda viajera en la superficie del metal del estator que hace girar al rotor. Como el rotor está en contacto con el metal del estator, como ya se ha dicho, pero sólo en cada pico de la onda viajera -lo que provoca el movimiento elíptico- y, con este movimiento elíptico, el rotor gira en la dirección inversa a la de la onda viajera.

Características y ventajas de los motores ultrasónicos

• Tienen un tamaño reducido y una respuesta excelente.
• Tienen una velocidad baja, de diez a varios cientos de rpm, y un par elevado, por lo que no se necesitan engranajes de reducción.
• Constan de una gran potencia de retención, y aunque se desconecte la potencia, no necesitan freno ni embrague.
• Son pequeños, delgados y tienen menos peso en comparación con otros motores electromagnéticos.
• Estos motores no contienen ningún material electromagnético y no generan ondas electromagnéticas. Por lo tanto, pueden utilizarse incluso en zonas de alto campo magnético, ya que no se ven afectados por éste.
• Estos motores no tienen engranajes, y para su accionamiento se utiliza una frecuencia de vibración inaudible. Por tanto, no generan ningún ruido y su funcionamiento es muy silencioso.
• Con estos motores es posible un control preciso de la velocidad y la posición.
• La constante de tiempo mecánica de estos motores es inferior a 1 ms y el control de la velocidad de estos motores es de paso menor.
• Estos motores tienen un rendimiento muy alto, y su rendimiento es insensible a su tamaño.

Desventajas de los motores ultrasónicos

• Se necesita una fuente de alimentación de alta frecuencia.
• Como estos motores funcionan por fricción, su durabilidad es muy reducida.
• Estos motores tienen unas características de velocidad-par decaídas.

Aplicaciones de los motores ultrasónicos

• Se utilizan para el autoenfoque de los objetivos de las cámaras.
• Se utiliza en dispositivos de manipulación de papel compacto y en relojes.
• Utilizado en piezas de máquinas transportadoras.
• Se utiliza para el secado y la limpieza por ultrasonidos.
• Se utiliza para inyectar aceite en los quemadores.
• Utilizados como los mejores motores conocidos por ofrecer un alto potencial de miniaturización de los equipos.
• Utilizados en la exploración de imágenes por resonancia magnética en medicina.
• Se utiliza para controlar las cabezas de disco de los ordenadores, como los disquetes, los discos duros y las unidades de CD.
• Se utiliza en muchas aplicaciones en los campos de la medicina, la industria aeroespacial y la robótica.
• Se utiliza para controlar automáticamente la pantalla enrollable.
• En el futuro, estos motores pueden encontrar aplicaciones en campos como la industria del automóvil, el nanoposicionamiento, la microelectrónica, la tecnología de sistemas microelectromecánicos y los bienes de consumo.

Este artículo trata sobre los motores ultrasónicos piezoeléctricos, los sensores ultrasónicos, los sensores piezoeléctricos, los actuadores piezoeléctricos, el funcionamiento de los USM, los méritos, los deméritos y las aplicaciones de los USM en resumen. Para obtener más información sobre los temas anteriores, envía tus preguntas comentando a continuación.

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