- ProdukteProduktePI Ceramic bietet eine große Auswahl an Standardprodukten und -lösungen für die Piezotechnik. Hierzu gehören piezokeramische Komponenten und Bauelemente wie auch piezoelektrische Aktoren.
- Piezokeramische BauelementePiezokeramische BauelementePI Ceramic fertigt ein breites Sortiment an piezokeramischen Komponenten in verschiedenen Formen und Größen – auch mit Kontaktierung oder im Miniaturformat.
- Scheiben, Stäbe und ZylinderPiezokeramische Scheiben, Stäbe und Zylinder
- Platten und BlöckePiezokeramik Platten und Blöcke
- RingePiezokeramische Ringe
- RohrePiezokeramische Rohre
- Halb- und HohlkugelnPiezokeramische Halb- und Hohlkugeln
- BiegeelementePiezokeramische Biegeelemente
- Scheiben, Stäbe und Zylinder
- Piezokeramische AktorenPiezokeramische AktorenPI Ceramic bietet verschiedenste piezoelektrische Aktoren für Anwendungen in Industrie und Forschung.
- PICMA® PiezolinearaktorenPICMA® PiezolinearaktorenDie kompakten PICMA® Multilayer-Aktoren bieten lineare Auslenkungen bei geringen Ansteuerspannungen und erzeugen in der Chip-Variante dynamische Bewegungen.
- PICMA® Piezo BiegeaktorenPICMA® Piezo BiegeaktorenMultilayer-Biegeaktoren: große Stellwege bei hoher Dynamik. Der bimorphe Aufbau sorgt für bidirektionale Auslenkung.
- PICA gestapelte piezoelektrische AktorenPICA gestapelte piezoelektrische AktorenGestapelte Piezolinearaktoren mit Betriebsspannungen bis 1000 V: sehr zuverlässig, große spezifische Auslenkung und hohe Kräfte.
- PICA Shear ScheraktorenPICA Shear ScheraktorenGestapelte Mehrachsen- und Scheraktoren: hervorragende Dynamik bei minimalem elektrischem Leistungsbedarf.
- DuraAct FlächenwandlerDuraAct FlächenwandlerDuraAct Flächenwandler wandeln Spannung in Energie und umgekehrt: als Aktor, Sensor oder auch als Energieerzeuger.
- Picoactuator® PiezokristallPicoactuator® PiezokristallDie Bewegung der Picoactuator® Piezokristalle ist hochlinear und nahezu hysteresefrei und damit ideal für hochdynamische Anwendungen geeignet.
- Piezokeramische RohrePiezorohrePiezorohre für radiale und axiale Kontraktion: zur Erzeugung dynamischer Scan-Bewegungen sowie als Fiberstretcher.
- PICMA® Piezolinearaktoren
- Piezobauelemente mit flexiblen LeiterkartenPiezobauelemente mit flexiblen LeiterkartenPI Ceramic versieht piezokeramische Bauelemente mit flexiblen Leiterkarten und nimmt Kunden damit einen zeitaufwändigen und fehlerintensiven Arbeitsschritt ab.
- Piezoverstärker und -controllerPiezoverstärker und -controllerDie Ansteuerelektronik spielt eine Schlüsselrolle für die Leistungsfähigkeit von Piezoaktoren. Neben Universal-Ansteuerelektroniken, die für die meisten Anwendungsbereiche gut geeignet sind, bietet PI ein breites Spektrum an Piezoverstärkern an, die auf bestimmte Zwecke spezialisiert sind.
- Für PICMA® Stack/Chip Multilayer-AktorenVerstärker und Controller für PICMA® Stack/Chip Multilayer-AktorenPiezoverstärker für PICMA® Multilayer-Piezoaktoren bieten eine Ausgangsspannung bis 130 V
- Für PICMA® Bender Multilayer-AktorenVerstärker und Controller für PICMA® Bender Multilayer-AktorenPiezoverstärker für PICMA® Biegeaktoren bieten feste und variable Ausgangsspannungen bis zu 60 V für die differentielle Ansteuerung.
- Für PICA Stack/Power/Thru AktorenVerstärker und Controller für PICA AktorenPiezoverstärker für PICA Aktoren bieten einen Spannungshub bis 1100 V, der unipolar oder bipolar zur Verfügung steht. Verstärker mit hohem Ausgangsstrom ermöglichen einen dynamischen Betrieb der Aktoren und präzise Positionierung mit geringerem Leistungsbedarf.
- Für PICA ScheraktorenVerstärker und Controller für PICA ScheraktorenPiezoverstärker für PICA Shear Scheraktoren bieten eine bipolare Ausgangsspannung von ±250 V.
- Für DuraAct AktorenVerstärker und Controller für DuraAct AktorenDuraAct Aktoren brauchen je nach integrierter Keramik unterschiedliche Ansteuerspannungsbereiche.
- Für Picoactuator® AktorenVerstärker und Controller für Picoactuator® AktorenPicoactuator® Aktoren werden bipolar mit ±500 V betrieben. Der Ausgangsspannungsbereich der PICA Verstärker kann dafür entsprechend eingestellt werden. Für geringere Auslenkungen können auch die Verstärker für PICA Shear Aktoren mit ±250 V eingesetzt werden.
- Für PiezorohreVerstärker und Controller für PiezorohrePiezoverstärker für Piezorohre sind optimal für die Ansteuerung von segmentierten Piezoscannerrohren angepasst und können bipolar betrieben werden.
- Für Energy HarvestingElektronik für Energy HarvestingE-821 nutzt gepulste oder kontinuierliche Anregung zur Energiegewinnung mit Piezoaktoren.
- Für PICMA® Stack/Chip Multilayer-Aktoren
- Piezokeramische MaterialienPiezokeramische MaterialienPI Ceramic bietet eine Vielzahl verschiedener piezoelektrischer Materialien inklusive bleifreier Materialien.
- Miniaturisierte PiezokeramikenMiniaturisierte PiezokeramikenDurch ihre kompakte Bauform sind miniaturisierte Piezokomponenten ideal für die Erzeugung und Detektion von Schwingungen auf kleinstem Bereich geeignet.
- ScheibenMiniaturisierte Scheiben
- PlattenMiniaturisierte Platten
- RingeMiniaturisierte Ringe
- RohreMiniaturisierte Rohre
- Halb- und HohlkugelnMiniaturisierte Halb- und Hohlkugeln
- ScherelementeMiniaturisierte Scherelemente
- BiegeelementeMiniaturisierte Biegeelemente
- HexagoneMiniaturisierte Hexagone
- (Scher-)KegelMiniaturisierte (Scher-)Kegel
- Chip Aktoren (PL022.3x)Chip Aktoren (PL022.3x)
- Scheiben
- Piezokeramische Bauelemente
- OEMOEM-Lösungen für Piezokeramiken von PI CeramicPI Ceramic bietet kundenspezifische OEM-Lösungen für Piezokeramiken auf höchstem technologischen Niveau und mit einer optimierten Wirtschaftlichkeit.
- Das PI Ceramic TechnikumDas PI Ceramic TechnikumOb Kleinserienfertigung oder neue Fertigungstechnologien: das Technikum unterstützt Sie bei der schnellen Qualifizierung Ihrer projektspezifischen Muster.
- Das PI Ceramic Technikum
- AnwendungenAnwendungen und Märkte der PiezotechnikPiezotechnik wird in verschiedenen Anwendungen in der Medizintechnik, dem Maschinen- und Automobilbau oder der Halbleitertechnik eingesetzt.
- UltraschallmesstechnikUltraschallmesstechnikUltraschallsensoren emittieren hochfrequente Schallimpulse und empfangen an Objekten reflektierte Signale. Die Zeit bis zum Eintreffen der Echosignale wird elektronisch ausgewertet und kann für unterschiedlichste Anwendungen in der Messtechnik verwendet werden.
- Berührungslose Luftultraschall-MessungenBerührungslose Luftultraschall-MessungenDas am meisten verbreitete Prinzip zur Füllstandsmessung beruht auf der Laufzeitmessung eines ausgesandten und reflektierten Luftultraschallimpulses.
- Berührungslose DurchflussmessungenBerührungslose DurchflussmessungenDie Laufzeitmessung und der sogenannte Doppler-Effekt sind die zwei grundlegenden Messverfahren in der berührungslosen Ultraschall-Durchflussmessung.
- Berührungslose Luftultraschall-Messungen
- LeistungsschallLeistungsschallMit Hilfe von Piezokeramiken können Ultraschallwellen im Frequenzbereich des Leistungsultraschalls (20 bis 800 kHz) erzeugt werden. Diese können in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. der Zahnsteinentfernung oder der Lithotripsie aber auch in der Ultraschallschweißtechnik eingesetzt werden.
- Ultraschallreinigung in der IndustrieUltraschallreinigung in der IndustrieMit Hilfe der Ultraschallreinigung können Schmutzpartikel im Nanometerbereich entfernt werden, ohne dass empfindliche Oberflächen beschädigt werden.
- Ultraschall-PiezomotorenUltraschall-PiezomotorenWesentlicher Bestandteil desPILine® Ultraschall-Piezomotors ist ein piezokeramischer Aktor, der über ein Kopplungselement gegen einen beweglich geführten Läufer vorgespannt ist.
- Sonartechnik und Hydroakustik mit PiezowandlernSonartechnik und Hydroakustik mit PiezowandlernPiezokeramische Bauteile werden in Systemen der Sonartechnik und der Hydroakustik eingesetzt, um Mess- und Ortungsaufgaben.
- Ultraschallreinigung in der Industrie
- BeschleunigungsmessungBeschleunigungsmessungPiezoscheiben als Kernstück in Kraft-/Beschleunigungssensoren.
- Scientific InstrumentationScientific InstrumentationPiezokomponenten sind als Antriebe und Ultraschallwandler in der modernen Wissenschaft fest etabliert. Sie arbeiten zuverlässig auch unter extremen Bedingungen wie Magnetfeldern, kryogenen Temperaturen oder Ultrahochvakuum.
- PI Ceramic liefert Piezoaktoren für Mars Rover CuriosityPI Ceramic liefert Piezoaktoren für Mars Rover CuriosityNASA vertraut auf PICMA® Multilayer-Piezoaktoren von PI Ceramic.
- Kryogene Anwendungen im Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY)Kryogene Anwendungen im Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY)Dynamische Kompensation von Lorentzkräften an den Beschleunigerelementen in kryogener Umgebung.
- RastersondenmikroskopieRastersondenmikroskopiePiezorohre positionieren die AFM-Spitze und Probe hochdynamisch in XYZ.
- PI Ceramic liefert Piezoaktoren für Mars Rover Curiosity
- PräzisionsdosierungPräzisionsdosierungPiezoelemente pumpen und dosieren zuverlässig und präzise kleine Flüssigkeits- oder Gasvolumina im Bereich von einigen hundert Millilitern bis hin zu wenigen Nanolitern. Die Piezoelemente lassen sich perfekt an die jeweilige Applikationsumgebung anpassen.
- Dosieren mit PiezoventilenDosieren mit PiezoventilenPiezoventile sind für Dosieraufgaben gut geeignet: Die Piezoaktoren können das Ventil direkt schalten, aber auch gegen eine Verschlussfeder arbeiten.
- Dosieren mit Piezoventilen
- MedizintechnikMedizintechnikPiezokomponenten für die Medizintechnik und verwandte Life-Science-Disziplinen müssen schnell, zuverlässig und energiesparend arbeiten. In miniaturisierter Form ermöglichen sie außerdem minimalinvasive und hochpräzise Diagnose- und Therapiemethoden.
- Therapeutischer Ultraschall mit PiezokomponentenTherapeutischer Ultraschall mit PiezokomponentenTherapeutischer Ultraschall wird als Kernelement in Anwendungen wie der Gewebeablation, der gezielten Wirkstoffabgabe oder der Lithotripsie genutzt.
- Miniaturisierte Piezorohre in SFEMiniaturisierte Piezorohre in der hochauflösenden Scanning Fiber EndoscopyDie schnelle Auslenkung und Steuerung kleinster Piezorohre erzeugt eine Scanbewegung der optischen Faser im Scanning Fiber Endoskopen (SFE) – und führt zu mehr Bildinformation und verbesserten minimalinvasiven Verfahren im klinischen Alltag.
- Vernebler mit PiezoringenVernebler mit PiezoringenSpeziell geformte Piezoscheiben wirken als Ultraschallwandler und erzeugen in Verneblern mit hochfrequenten Schwingungen besonders homogene Aerosole.
- Piezoventile in der BiotechnologiePiezoventile in der BiotechnologiePiezobetriebene Ventile ermöglichen eine präzise Dosierung im Nanoliterbereich, etwa für die Wirkstoff-Forschung oder das Drug-Screening.
- Piezoelemente für MikropumpenPiezoelemente für MikropumpenPiezo-Mikropumpen werden in der Labor- und Medizintechnik, der Biotechnologie, der chemischen Analytik und der Verfahrenstechnik eingesetzt.
- Piezoaktoren in medizinischen ImplantatenPiezoaktoren in medizinischen ImplantatenIm Körper implantierte Systeme wie Dosierpumpen für Insulin oder Hörhilfen sind fast unsichtbar und verbessern die Lebensqualität der Patienten enorm. Sie funktionieren mit ultrakompakten und energie-effizienten miniaturisierten Piezoaktoren.
- Therapeutischer Ultraschall mit Piezokomponenten
- Energieautarke SystemeEnergieautarke SystemeDuraAct Flächenwandler nutzen Bewegungsenergie zur elektrischen Versorgung von energieautarken Systemen und werden z. B. in der Strukturüberwachung eingesetzt.
- Ultraschallmesstechnik
- TechnologiePiezotechnologie und FertigungstechnikenPI Ceramic verfügt über umfangreiches Know-how und langjährige Erfahrungen bei der Fertigung piezokeramischer Komponenten und Sub-Systeme. Profitieren Sie von diesem Wissen und lernen Sie mehr über die Welt des Piezoeffekts.
- Grundlagen der PiezotechnologieGrundlagen der PiezotechnologiePhysikalische Grundlagen und Erläuterungen zur Piezoelektrizität und Elektromechanik.
- Eigenschaften von PiezoaktorenEigenschaften von PiezoaktorenCharakteristik piezokeramischer Aktoren: Auslenkungsarten, Kräfte und Steifigkeiten, Dynamik, Umgebungsbedingungen.
- AuslenkungsverhaltenAuslenkungsverhaltenAuf dieser Seite finden Sie Informationen zum Auslenkungsverhalten von Piezokeramiken.
- Auslenkungsarten piezoelektrischer AktorenAuslenkungsarten piezoelektrischer AktorenAuf dieser Seite erfahren Sie mehr über die verschiedenen Auslenkungsarten von Piezokeramiken.
- TemperaturabhängigkeitTemperaturabhängigkeitDie erreichbare Auslenkung und Abmessung einer Piezokeramik ist temperaturabhängig. Erfahren Sie hier mehr zu diesem Thema.
- Kräfte und SteifigkeitenKräfte und SteifigkeitenKraft und Steifigkeit sind wichtige Eigenschaften von Piezoaktoren. Erfahren Sie hier mehr zu diesem Thema.
- Dynamischer BetriebDynamischer BetriebErfahren Sie auf dieser Seite mehr zu den Themen Resonanzfrequenz, dynamische Kräfte und Ansprechverhalten.
- Verhalten bei AnsteuerungVerhalten bei AnsteuerungErfahren Sie auf dieser Seite mehr zu den Themen Betriebsspannung, elektrisches Verhalten und Betriebsmodus.
- UmgebungsbedingungenUmgebungsbedingungenPiezoaktoren eignen sich für den Betrieb in verschiedensten, teilweise extremen Umgebungs- bedingungen. Erfahren Sie hier mehr zu diesem Thema.
- Auslenkungsverhalten
- Erzeugung von UltraschallErzeugung von Ultraschall mit PiezokomponentenPiezoelektrische Komponenten nutzen den Piezoeffekt zum Erzeugen und Detektieren von Ultraschallwellen, z. B. mittels Laufzeitmessung oder Doppler-Effekt.
- Kundenspezifische Entwicklung von TransducernKundenspezifische Entwicklung von TransducernPI Ceramic liefert neben Piezokomponenten auch komplette Transducer, die wir gemeinsam mit Ihnen nach Ihren Applikationsvorgaben entwickeln können.
- Kundenspezifische Entwicklung von Transducern
- FertigungstechnologieFertigungstechnologiePI Ceramic bietet ein breites Spektrum an Herstellungstechniken: Press- oder Folientechnologie, Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Prüfverfahren.
- PICMA® TechnologiePICMA® TechnologieHohe Zuverlässigkeit und überlegene Lebensdauer durch das patentierte Herstellungsverfahren für Multilayer-Aktoren.
- DuraAct Flächenwandler TechnologieDuraAct Flächenwandler TechnologieHerstellung, Funktionsweise und die typischen Arbeitskenngrößen von DuraAct Flächenwandlern erläutern die mögliche Kraftentwicklung und Auslenkung.
- Grundlagen der Piezotechnologie
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- Produktdokumentation
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- Standort KarlsruheStandort KarlsruhePI macht Zukunft. Wir ermöglichen unseren Kunden, Technologiesprünge zu meistern und Trends auf Jahrzehnte zu prägen. Werden Sie Teil eines agilen Mittelständlers mit globaler Power.
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- Ausbildung & Duales StudiumAusbildung & Duales StudiumDie Ausbildung der Profis von morgen ist unsere Zukunft. Und: Dieser Profi kannst du sein! Wenn du mit Motivation und Engagement in deine berufliche Karriere starten möchtest, bist du bei uns genau richtig!
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- Ausbildung & Duales StudiumAusbildung & Duales StudiumDeine Zukunft ist auch unsere Zukunft! Denn mit deiner Ausbildung zu einem echten Profi können wir mit Hightech die Zukunft gemeinsam gestalten und prägen. Daher bilden wir bei PI Ceramic seit vielen Jahren Fachkräfte für technische und kaufmännische Berufe aus und übernehmen qualifizierte Nachwuchskräfte anschließend gerne in ein festes Arbeitsverhältnis.
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Vorspannung und Belastbarkeit
Die Dauerzugfestigkeiten spröder Piezokeramik- und Einkristallaktoren sind mit Werten im Bereich von 5 bis 10 MPa relativ gering. Daher wird empfohlen, die Aktoren in der Anwendung mechanisch vorzuspannen. Die Vorspannung sollte so niedrig wie möglich gewählt werden. Erfahrungsgemäß genügen zur Kompensation von >> dynamischen Kräften 15 MPa, bei konstanter Belastung sollten 30 MPa nicht überschritten werden.
Querkräfte bewirken in kurzen Aktoren hauptsächlich Scherspannungen. Bei längeren Aktoren mit größerem Aspektverhältnis werden zusätzlich Biegespannungen erzeugt. Die Summe beider Spannungen ergeben maximale Querbelastbarkeiten, die für die >> PICA Shear Aktoren im Datenblatt angegeben sind. Die Werte können auf Aktoren mit ähnlicher Geometrie übertragen werden. Grundsätzlich wird jedoch empfohlen, die Aktoren durch Führungselemente vor Querkräften zu schützen.
Grenzen der Vorspannung
Bereits bei einigen 10 MPa beginnt der Aktor mechanisch zu depolarisieren. Eine Großsignalansteuerung repolarisiert den Aktor, wodurch einerseits zwar die induzierte Auslenkung zunimmt, andererseits aber die effektiven Kapazitäts- und Verlustwerte ansteigen, was nachteilig für die Lebensdauer des Bauelementes ist.
Eine Druckvorspannung erzeugt partiell auch >> Zugspannungen. Daher besteht bei sehr hohen Vorspannungen die Gefahr, dass die Zugspannungsfestigkeit lokal überschritten wird. Die Größe der möglichen Vorspannung wird nicht durch die Festigkeit des keramischen Materials bestimmt. Piezoaktoren erreichen Druckfestigkeiten von mehr als 250 MPa.
Die Aktorsteifigkeit kA ist ein wichtiger Parameter zur Berechnung von Krafterzeugung, Resonanzfrequenz und Systemverhalten. Piezokeramische Stapelaktoren zeichnen sich durch sehr hohe Steifigkeitswerte bis zu einigen Hundert Newton pro Mikrometer aus.
Zur Berechnung dient folgende Gleichung:
Biegeaktoren hingegen haben um mehrere Größenordnungen geringere Steifigkeiten von einigen Newton pro Millimeter. Neben der Geometrie hängt die Steifigkeit auch bei ihnen vom effektiven Elastizitätsmodul E* ab.
Die Form der Spannungs-Dehnungs-Kurven (Abb. 1) ist aufgrund mechanischer Depolarisationsvorgänge ähnlich nichtlinear und hysteresebehaftet wie die der elektromechanischen Kennlinien (Abb. 2). Darüber hinaus hängt die Kurvenform von den jeweiligen elektrischen Ansteuerbedingungen, der Ansteuerfrequenz und der mechanischen Vorspannung ab, so dass Werte in einem Bereich von 25 bis 60 GPa gemessen werden können. In der Folge ist es daher schwer, einen allgemeingültigen Steifigkeitswert zu definieren.
Für die Angabe der technischen Daten für Piezoaktoren wird die quasistatische Großsignalsteifigkeit bei gleichzeitiger Ansteuerung mit einer hohen Feldstärke bzw. Spannung und geringer mechanischer Vorspannung bestimmt. Damit wird ein ungünstiger Betriebsfall betrachtet, d. h. in einer Anwendung ist die reale Aktorsteifigkeit häufig höher.
Die Klebeschichten in den PICA Aktoren reduzieren die Steifigkeiten nur wenig. Durch den Einsatz optimierter Technologien sind die Klebespalte nur wenige Mikrometer hoch, so dass die Großsignalsteifigkeit gegenüber Multilayeraktoren ohne Klebstoffschichten nur um ca. 10 bis 20 % geringer ist. Einen weit stärkeren Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit hat das Aktordesign, z. B. ballige Kopfstücke mit einem relativ nachgiebigen Punktkontakt zur Gegenfläche.
Die Erzeugung von Kraft oder Auslenkung im Piezoaktor lässt sich am besten aus dem Arbeitsdiagramm entnehmen (Abb. 3). Jede Kennlinie wird durch zwei Werte bestimmt: die Nominalauslenkung und die Blockierkraft.
Nominalauslenkung
Die Nominalauslenkung ΔL0 ist in den technischen Daten eines Aktors spezifiziert. Zur Ermittlung des Wertes wird der Aktor frei, d. h. ohne Vorspannung durch eine Feder, betrieben, so dass bei der Auslenkung keine Kraft erzeugt werden muss. Nach dem Anlegen der entsprechenden Spannung wird die Auslenkung gemessen.
Blockierkraft
Die Blockierkraft Fmax ist die maximal vom Aktor erzeugte Kraft. Diese Kraft wird erzielt, wenn man die Auslenkung des Aktors vollständig blockiert, d. h. er arbeitet gegen eine Last mit unendlich hoher Steifigkeit. Da eine solche Steifigkeit real nicht existiert, wird die Blockierkraft folgendermaßen gemessen: Die Aktorlänge vor Ansteuerung wird erfasst. Anschließend wird der Aktor ohne Last bis zur Nominalauslenkung ausgelenkt und mit einer ansteigenden externen Kraft bis auf die Ausgangsposition zurückgedrückt. Die dafür notwendige Kraft ist die Blockierkraft.
Arbeitet der Piezoaktor gegen eine Federkraft, verringert sich seine induzierte Auslenkung, da sich bei der Stauchung der Feder eine Gegenkraft aufbaut. Bei den meisten Anwendungen von Piezoaktoren ist die effektive Steifigkeit der Last kL deutlich geringer als die des Aktors kA. Die resultierende Auslenkung ΔL liegt daher nahe an der Nominalauslenkung ΔL0:
Die sorgfältige Krafteinleitung ist bei diesem Lastfall besonders wichtig, da im Aktor große mechanische Spannungen entstehen. Um eine hohe Lebensdauer zu erreichen, müssen lokale Zugspannungen unbedingt vermieden werden.
Feff
Effektive Kraft
Fmax
Blockierkraft
kL
Laststeifigkeit
kA
Aktorsteifigkeit
ΔL0
Nominalauslenkung
ΔL
Auslenkung
V
Betriebsspannung
V0
Nominalspannung
Als Beispiel eines Lastfalls, bei dem eine nichtlineare Arbeitskennlinie entsteht, ist in Abb. 6 eine Ventilsteuerung skizziert. Der Start der Auslenkung entspricht dem Betrieb ohne Last. In der Nähe des Ventilschlusses wirkt eine stärkere Gegenkraft durch die Fluidströmung. Beim Erreichen des Ventilsitzes wird die Auslenkung nahezu vollständig blockiert, so dass sich nur die Kraft erhöht.
Feff
Effektive Kraft
Fmax Blockierkraft
kL
Laststeifigkeit
kA
Aktorsteifigkeit
ΔL0
Nominalauslenkung
ΔL
Auslenkung
V
Betriebsspannung
V0
Nominalspannung
Wird auf den Aktor eine Masse gelegt, führt die Gewichtskraft FV zu einer Stauchung des Aktors. Die Nullposition bei Beginn der darauffolgenden Ansteuerung verschiebt sich entlang der Steifigkeitskennlinie des Aktors. Während der darauffolgenden Ansteuerung entsteht keine zusätzliche Kraft, so dass die Arbeitskennlinie näherungsweise dem Verlauf ohne Vorspannung entspricht (Abb. 7).
Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die Dämpfung von Schwingungen einer Maschine mit großer Masse.
Feff
Effektive Kraft
Fmax
Blockierkraft
kL
Laststeifigkeit
kA
Aktorsteifigkeit
ΔL0
Nominalauslenkung
ΔL
Auslenkung
V
Betriebsspannung
V0
Nominalspannung
Federvorspannung
Federvorspannung
Wird die mechanische Vorspannung durch eine relativ weiche Feder in einem Gehäuse aufgebracht, findet die gleiche Verschiebung auf der Steifigkeitskennlinie wie beim Auflegen der Masse statt (Abb. 8). Bei elektrischer Ansteuerung erzeugt der Aktor jedoch eine kleine zusätzliche Kraft und die Auslenkung wird durch die Vorspannfeder gegenüber dem Fall ohne Last etwas reduziert. Die Steifigkeit der Vorspannfeder sollte daher mindestens eine Größenordnung unter der des Aktors liegen.
Bei longitudinalen Stapelaktoren ist die Aktorlänge die bestimmende Größe für die Auslenkung ΔL0. Bei Nominalfeldstärken von 2 kV/mm sind Auslenkungen von etwa 0,10 bis 0,15 % der Länge erzielbar. Die Querschnittsfläche bestimmt die Blockierkraft Fmax. Hier können etwa 30 N/mm² erreicht werden.
Für die erzielbare mechanische Energie Emech=(ΔL0 F max)/2 ist demzufolge das Aktorvolumen der bestimmende Parameter.
Die Energiemenge Emech, die beim Betrieb eines Aktors von elektrischer in mechanische Energie umgewandelt wird, entspricht der Fläche unter der Kennlinie in Abb. 9. Von dieser Gesamtmenge kann jedoch nur ein Bruchteil Eoutan die mechanische Last abgegeben werden. Das mechanische System ist energetisch optimiert, wenn die Fläche ihr Maximum erreicht. Dieser Fall tritt ein, wenn die Laststeifigkeit und die Aktorsteifigkeit gleich sind. Die im Arbeitsdiagramm hellblau dargestellte Fläche entspricht diesem Betrag. Ein longitudinaler Piezoaktor kann ca. 2 bis 5 mJ/cm³ mechanische Arbeit verrichten, ein Biegeaktor erreicht etwa
10-fach geringere Werte.Wirkungsgrad und Energiebilanz eines piezoaktorischen Systems
Die Berechnung und Optimierung des Gesamtwirkungsgrades eines piezoaktorischen Systems hängt von der Effizienz der Verstärkerelektronik, der elektromechanischen Wandlung, des mechanischen Energietransfers und der möglichen Energierückgewinnung ab. Grundsätzlich handelt es sich bei dem Großteil der elektrischen und mechanischen Energien um Blindenergien, die unter Abzug der Verluste, z. B. durch Wärmeentwicklung, wieder zurückgewonnen werden können. Damit können, vor allem in dynamischen Anwendungen, sehr effiziente Piezosysteme aufgebaut werden.
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