Традиционные электромагнитные сервоприводы и шаговые двигатели испытывают электрические и механические потери, которые приводят к выделению тепла и могут ограничить их производительность. Пьезодвигатели также испытывают потери и тепловыделение, но поскольку они работают за счет пьезоэлектрического эффекта и не имеют механических деталей, на их производительность влияют различные факторы.

Благодаря своей низкой электропроводности и высокой теплоемкости пьезокерамические материалы обладают высокой тепловой инерцией. Это означает, что им требуется много времени, чтобы нагреться или остыть. В результате пьезодвигатель не будет испытывать значительного нагрева при кратковременной работе с высокой мощностью. Но когда кратковременная работа на высокой мощности происходит регулярно, средняя мощность (и, следовательно, вырабатываемое тепло) будет увеличиваться, и это следует оценивать при проектировании и выборе.

Количество энергии, преобразуемой в тепло во время работы, может быть рассчитано следующим образом:

Где:

P = мощность, преобразованная в тепло (Вт)

tan δ = коэффициент диэлектрического рассеяния

f = рабочая частота (Гц)

C = емкость пьезоматериала (F)

U_п-п = межпиковое напряжение привода (В)

То коэффициент диэлектрического рассеяния это спецификация диэлектрических потерь, присущих пьезоматериалу. При статическом режиме (удержании) выделяется очень мало тепла, но когда напряжение подается с высокой частотой, тепло, выделяемое внутри пьезоматериала, пропорционально коэффициенту рассеивания.

Как правило, при работе с низкой амплитудой и низкой частотой от 1 до 2% мощности, проходящей через привод, преобразуется в тепло. Когда привод работает в условиях высокой амплитуды и высокой частоты, от 8 до 12% мощности может быть преобразовано в тепло, и могут потребоваться меры по охлаждению. Конечно, также необходимо учитывать теплопроводность к соседним конструкциям, конвекцию через воздух, масло или другие жидкости и излучение (в случае вакуумных сред). Наилучший способ избежать перегрева двигателя — это контролировать его нагрев с помощью датчика температуры и выполнять тепловое моделирование, учитывающее двигатель, прилегающие конструкции и факторы окружающей среды.

Пьезодвигатели действительно имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными двигателями, когда дело доходит до выработки тепла. Во-первых, они не испытывают возвратно-поступательного оседающего движения (обычно называемого “колебанием”) и возникающего в результате этого тепловыделения, которые характерны для серводвигателей. Далее, пьезодвигатели способны создавать относительно высокие удерживающие усилия без выделения тепла. И в отличие от традиционных двигателей, КПД которых снижается (больше энергии преобразуется в тепло) по мере их уменьшения, пьезодвигатели обладают практически постоянным КПД, независимо от их размера.

Автор изображения: Noliac