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压电陶瓷50000N推力、260微米位移可以同时获得吗?

一提到压电陶瓷,我们马上会想到它的几个重要的特性:高分辨率、高精度、高动态、大负载、大推力。

我们今天就来说说压电陶瓷的推力:

 推力/zui大推力

 我们都知道当外部无可变负载力时,给压电陶瓷加载电压后它会产生一定的位移形变,若外部加有可变负载力,对压电陶瓷伸长形变会产生阻碍力,压电陶瓷同时产生克服阻碍的力,我们称之为推力。假设将压电陶瓷夹在两面墙之间(假定墙具有无限大的刚度),这时给压电陶瓷加载zui大电压,由于墙的刚度无限大导致压电陶瓷无法伸长形变,此时压电陶瓷克服阻碍的力,我们称之为zui大推力。

zui大推力可以通过以下公式计算得出:

陶瓷推力1

推导公式:

陶瓷推力2

 

推力、位移与外部机械负载刚度的关系

 

有很多用户在选择压电陶瓷的时候,想要同时得到参数表中列出的zui大位移及zui大推力,但实际上这个两个指标是无法同时实现的。

因为当外部负载机械结构后,压电陶瓷会因为要克服外部机构的刚度而损失位移,外部机构刚度越大,损失的位移也就越大。

 

陶瓷推力3

那么如果确定压电陶瓷克服外部机构刚度所需要产生的推力是多大呢?(本文所提到的外部机构均为具有一定刚度的弹性机械结构)我们可以通过以下公式进行计算得出:

陶瓷推力4

 

其中的可以通过以下公式计算得出:

陶瓷推力6

 

应用举例

 

  例1:

芯明天的封装型压电陶瓷PSt1000/35/200VS45, 无任何负载时zui大位移为260μm,陶瓷刚度为150N/μm,外部机构的刚度为70N/μm,通过以上计算公式得出产生的位移为177μm,这时压电陶瓷产生克服外部机构的有效推力为12450N, 当外部机构的刚度为500N/μm,此时产生的位移为60μm,有效推力为30000N。

外部负载机械变力的时候,压电陶瓷产生的推力取决于压电陶瓷的伸长量,下图是根据芯明天压电陶瓷PSt150/5x5/20 与PSt150/7x7/20的位移推力值所绘曲线图,可以粗略的估算这两个型号的压电陶瓷在不同机构刚度下,产生的推力及位移形变量。

陶瓷推力7

横坐标为压电陶瓷的zui大推力,纵坐标为未负载的情况下压电陶瓷的位移,Smech为外部机构的刚度曲线。 外部机构刚度曲线与压电陶瓷推力位移曲线交叉点为此时压电陶瓷抵抗外部机构时的性能参数。

当外部机构的刚度与陶瓷的刚度相同时,位移与推力为zui大位移与zui大推力的一半,压电陶瓷能效得到zui大的利用。

上图可以看到,当外部负载刚度与PSt150/5x5/20的刚度相同时,给压电陶瓷加载zui大电压,此时压电陶瓷可以输出zui大位移10μm及zui大出力800N。

在相同外部机械结构条件下,因为PSt150/7x7/20 的刚度更大,zui大驱动电压下可以输出更大的位移及出力。

 

陶瓷推力8

 

  例2: 

问:芯明天压电陶瓷PSt150/5x5/20,无任何负载的条件下,它可以产生的标称位移为20μm,若使其推动500N的机构负载,此时还能产生多少位移?

答:我们可以通过两种方式求得,一种方式可以通过以上曲线,根据横坐标500N对应的纵坐标位移值粗略估算,可产生的位移大概为12μm左右,另一种方式我们可以通过以下公式进行计算:压电陶瓷的刚度大概为60N/μm,位移结果为11.7μm。

陶瓷推力9

 

现在您应该了解了吧,既要大位移又要大推力,那么您在选择压电陶瓷的时候不能单单只看参数表,还要根据外部负载机构的刚度来计算推导方能选定适合的规格型号。

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