مادة ذكية
الفائدة الميكانيكية للكهرو أجهادية (piezoelectric) في المحركات

استخدمت بعض المعادلات التأسيسية لاشتقاق تعابير محول لمجموعة كهرضغطية (piezoelectric) للمحركات ثنائية الاوجه لتحليل الضوء، تقتصر هذه الطريقة في عملها على كميو خروج حزمة (piezoelectric) من المعدن حيث تكون مجبرة بالامر من submicrometers لعشرات من ميكرومتر. في حين أنه يمكن ل (piezoelectric) المحركات الثنائية الاوجه توليد الإزاحة الناتجة بناءا على أمر من مئات ميكرومتر إلى 1 ملليمتر تقريبا. حيث ان الاساس في مفاضلة زيادة الإزاحة الناتجة باستخدام المحركات الثنائية يكون تخفيض كبير في قوة الإنتاج مقارنة باستخدام (piezoelectric) في هذه العملية، ويوجد الكثير من المعادلات التفاضلية التي تشرح هذا الموضوع بتفاصيله حيث اننا إذا لم نستخدم تقنية (piezoelectric) سوف نستهلك جزء كبير من قدرة المحرك في سبيل ذلك حيث ان الانحراف الحر يتناسب مع عدد الطبقات بينما القوى المحجوبة تتناسب مع مساحة المقطع العرضي وبالنسبة لل (piezoelectric) الثنائية، الانحرافات الحرة تتناسب مع مربع الطول إلى نسبة السمك والقوة المانعة الثنائية تتناسب مع عرض المحرك ولن يتناسب عكسيا مع نسبة الطول إلى السماكة وهذه العلاقات تلخص المبادئ الاساسية لتصميم الحزم الثنائية.
ويمكن شراء أجهزة كهرضغطية (piezoelectric) من عدد من البائعين في مجموعة متنوعة من النماذج القياسية وتفصيلها. حيث انه في الكثير من الحالات يمتلك البائع مجموعات قياسية للاجهزة المصنعة والمعتمدة في تصنيعها على (piezoelectric) وهذه الاشكال تتألف من عدد قليل حالة المحركات مكدس، وهذه المنتجات القياسية تتكون عموما من شريحة قليلة الأشكال (على سبيل المثال، مربع، دائري، أو الحلقي) التي يتم تصنيعها مع تفاوت أرقام من طبقات (piezoelectric) الثنائية وعادة ما تكون ذات الجهد المنخفض (100-200 V).
اما في الجهد العالى (~1000v) يتوقف هذا على سمك طبقات الحزمة الفردية ويظهر ذلك في الشكل المقابل
(Piezoelectric ceramic bimorphs) تتوفر فيها أيضا الكثير من التكوينات القياسية وعلى الرغم من ذلك فانها تهدف في بعض الاجهزة لتكون ثنائية الوجه ويمكن أيضا ان تستخدم تلك الاجهزة ببساطة بدعم وترتيب في التصميم السليم واحيانا يمتلك البائع سلسلة من الاجهزة التي تحتوي على عدد أكبر من القوة ومسارات الانحراف وذلك موضح في الشكل المقابل.
بالإضافة إلى ذلك هناك مواتير ثنائية لل (piezoelectric) تباع اما في ترتيب متوازي أو متوالي،
حيث ان هناك دراسات كثيرة لحالة التوازي وتعتمد هذه الدراسات على مجموعة من المعادلات التي تربط النظم المختلفة في محركات (piezoelectric) مع بعضها.
اما في حالة التوالي فتعتمد على طبقتين من (piezoelectric) المتصلة مع بعضها وتكون عكس بعضها البعض في الاستقطاب وهذه الطبقات تكون متصلة كهريبا مع بعضها لذلك يكون أحد اوجه (piezoelectric) هو الأرض ويتم تطبيق القدرة على الوجه المعاكس أو الطبقة الأخرى حيث ان تغيير الأسلاك من سلسلة توصيل توازي لسلسة توصيل توالى لا يغير من الاداء الاساسى لل (piezoelectric bender) بل يغير فقط من كمية الجهد المطلوب لإنتاج كمية من الانحرافات المحددة أو إخراج قوة حيث انه في سلسلة التوالي نحتاج إلى جهد يكون ضعف الجهد المطلوب في سلسلة التوازي والتيار المطلوب يكون نصف ذلك في حالة سلسلة التوازي بالإضافة إلى ذلك فان سعة محول التوالي تساوى ربع السعة الناتجة من محول التوازي وذلك لنفس الشكل والتركيب الهندسى.
لكل من محور التوالي والتوازي حيث ان النموذج لقوة الممانعة ومواصفات الانحراف الحر وحزم (piezoelectric)مع بعضها كل ذلك يظهر في الشكل المقابل. حيث ان هذا التخطيط يوضح هذه الحزم وطرق انحرافها حيث انها عموما تم تقيسمها إلى منطقتين حيث انه في التصميم للفراغ الذي تتحرك فيه القوة حيث تتم عملية الانحراف. حيث ان هذه المحركات تقع اسفل اليمين وجزء من مساحة التصميم في قوة الذي هو بين 0.01 وN 1 وازاحة حرة بين 50 ميكرو متر وما يقارب 3 مللي متر.
خلال العشرة أو الخمسة عشر عاما الماضية جرت ابحاث وتطورات جوهرية حول المحركات الكهرضغطية. كما يتبين من الاسم ان المحركات الكهرضغطية تستفيد من الترابط الميكانيكي بين المواد الكهرضغطية والحمل لعكس خواص انحراف القوة للمواد النقية. وبالنسبة للمواد الكهرضغطية فيسبب هذا زيادة في الإزاحة الناتجة يقابلها نقصان في القوة الناتجة. على هذا النحو يمكن تصنيع جميع الأجهزة التي تتجاوز طائفة واسعة من خصائص انحراف القوة أكثر من المعروضة في الشكل السابق.
و لزيادة الإزاحة الناتجة للأجهزة الكهرضغطية يوجد مفهوم واحد وهو استخدام رافعة ميكانيكية بين المحرك والحمل. افترض رافعة ميكانيكية جاسئة كالمعروضة في الشكل المقابل مع نسبة تكبير l2\l1. الإزاحة المدخلة u ينتج عنها على الجانب الآخر من الرافعة ازاحة هي حاصل ضرب نسبة التكبير والإزاحة المدخلة. ولأن الشغل المبذول على جانبي الرافعة يجب ان يكون متساويا لذلك فإن الزيادة في الانحراف يرافقها نقصان في القوة الخارجة بنسبة هي عكس نسبة التكبير.
الشكل المقابل مثال على محرك رافعة كهرضغطية متاح تجاريا. الرافعة الميكانيكية ليست حتى قريبة من بساطة المثال التوضيحي المعروض في الشكل السابق. الجهاز المعروض في الشكل السابق ينتج تقريب 100 ميكرومتر من الإزاحة مما يشير إلى ان نسبة التكبير حوالى 1\10. يجب تصميم الرافعة لتنتج نسبة التكبير المطلوبة بالإضافة إلى الصلابة الضرورية لتحمل الإجهادات الداخلية التي تتولد من انحناء الرافعة الناتج عن ازاحة المحرك.
نوع اخر من المحركات الكهرضغطية يسمى محرك الشد الانحنائي يستخدم محراب مصمم خصيصا لزيادة الانحراف الخارجي الناتج عن استطالة الشبكة الكهرضغطية. السمة الرئيسية لمحركات الشد الانحنائي هي أن استطالة الشبكة تنتج انحناء في المحراب والذي ينتج بالتبعية تكبير خطي للإزاحة الناتجة على الجهاز. التصميم المناسب للمحراب يؤدي إلى القدرة على التحكم في نسبة التكبير كما في نسبة التكبير في الرافعة الميكانيكية.
فكرة عمل اجهزة الشد الانحنائي اقترحها في الأصل رويستر في بدايات عام 1970. وتجدد الاهتمام بهذا المجال في نهايات عامي 1980 و1990. وآخر تجسيدان لفكرة العمل هما محرك موني ومحرك كيمبال. فكرة العمل الاساسية لمحركي موني وكيمبال هي الاستفادة من تمدد المحرك الكهرضغطى (عادة ما تكون شبكة ولكن يمكن ان تكون اسطوانة) لانحناء المحراب. الاختلاف الرئيسى بين التصميمات هو شكل المحراب. يمكن تصميم المحراب لتحسين الانحرافات والقوى التوليدية للمحرك. القيم النموذجية للإزاحة الحرة والقوة في تصميم كيمبال هي 160 ميكرومتر و15 نيوتن على الترتيب.
تصميمات محراب متطورة أخرى استخدمت لتخليق فئة من محرك الشد الانحنائي التي لها مدى عريض من مواصفات القوى والازاحات الحرة. سلسلة من المحركات متاحة عند الباعة مثل المواد والمنشآت الديناميكية تستفيد من محراب يدمج نقاط الانحناء لتخطيط الانحرافات الناتجة والقوى للجهاز. هذا المفهوم يمكن مدى عريض من المحركات خواص محددة للقوى والازاحات.
المحركات في هذه الفئة من الاجهزة التي لها انحرافات حرة تقريبا ما بين 150 ميكرومتر وأكثر من 2 مللي متر ومواصفات للقوى بين العشرات والمئات من النيوتن. اغلب محركات الرافعة التي نوقشت في هذه النقطة تكبر عند نسق العمليات 33 للمحول. والجدير بالذكر ان العملية عند نسق 33 أفضل مقارنة بنسق 31 ويرجع هذا لارتفاع كثافة الطاقة الحجمية للمحركات الشكية مقارنة بمحركات بندر. الحسابات التمثيلية في هذا الجزء تبين ان كثافة الطاقة الحجمية للشبكات متعددة الطبقات ما يقارب 8 أو 10 اضعاف مقارنة ببيمورف بندر. على الرغم من ان كثافة الطاقة اقل في بيمورف بندر تظل مفيدة لتطبيق تقنيات الرفع الميكانيكية لمحركات الانحناء بغرض زيادة ازاحتهم الناتجة لقيم أكبر حتى من الكابولي النموذجي لبيمورف.
تم تطوير فئة ضخمة من محركات يونيمورف والتي تستفيد من تمدد المواد الكهرضغطية في نسق 31 لتحرك الركيزة التي لها تكوين هندسي مصمم ليكبّر الانحراف الناتج في اتجاه عمودي على الطبقة الكهرضغطية. وكما يتضح من الاسم يونيمورف هذه المحركات في الاصل تستخدم فقط في طبقة كهرضغطية منفردة موازية للمحور المحايد للمحرك والركيزة المركب لينتج الاستجابة.
فئة واحدة من محركات يونيمورف تستخدم مقاطع الإجهاد المنحنية لتكبير استجابة الإزاحة. هذه المحركات صنعت بربط المحركات الكهرضغطية بركيزة معدنية عند درجة حرارة مرتفعة. عند التبريد معاملات التمدد الحراري المختلفة للطبقات الفعالة والطبقات الغير فعالة ينتج عنها شكل منحنى في كل من الركيزة والمادة الكهرضغطية تحت تأثير الإجهادات.
تطبيقات المجال الكهربائي للطبقة الكهرضغطية تنتج عزم انحناء في المركب المعدني الكهرضغطي وتنتج انحراف عمودي في المحرك. مواد المحرك في هذه الفئة تتضمن محركات القوس قزح ومحركات الهلال ومحركات الرعد. تمت دراسة محركات الرعد على نطاق واسع وهي متاحة تجاريا من (Face International Corporation). وقد باعو تشكيلة من الابعاد مع مدى لخواص الإزاحة الحرة من 100 ميكرو متر إلى 7 مللى متر ومدى لخواص القوة من 3 نيوتن إلى أكثر من 100 نيوتن.
فئة مبتكرة من اجهزة بيمورف التي تمكن من اداء التحجيم هي محركات كتلة البناء. نوع واحد من المحركات هو الكتلة سي والذي يتكون من مقطع منحنى من خزف كهروضغطي أو بوليمر مشكل على شكل حرف سي باللغة الإنجليزية. نوع آخر من محركات كتلة البناء هو محرك احادي الانحناء. والنوعان السابقان لهما القدرة على التحجيم في النطاق الذي يسمح بجعلها متصلة ميكانيكيا في سلسلة أو موازية لخيط من خواص انحراف القوى لجهاز مشترك. التجارب الديناميكية لعناصر إعادة الانحناء الفردية المشيدة بمواد بيزوخزفية تقدر ازاحتها بما يقارب 70 ميكرو متر لقيادة الفولتية في مدى خطي.