Onderzoekers van Siemens hebben een kleine, maar krachtige piëzohydraulische actuator ontwikkeld. Deze is ongeveer 90 mm lang, maar kan een kracht uitoefenen van meer dan 150 N (15 kgf). De actuatoren kunnen dienen voor het bewegen van ventielen of kleppen en zouden in de robotica kunnen worden gebruikt.
Het ontwerp combineert piëzomechanica met hydrauliek. Een elektrische spanning zorgt voor een kleine uitzetting van een piëzokristal en een intern hydraulisch systeem zet deze kleine beweging om in een slag van 20 mm. Ten opzichte van zuiver elektromagnetische actuatoren verliezen ze niet aan efficiëntie als ze klein zijn.
Een ander voordeel van de nieuwe actuator zit in de metalen behuizing: alle hydraulische olie zit in het systeem en heeft alleen maar een elektrische spanning nodig, maar geen toevoer van vloeistof. Bovendien is de actuator beschermd tegen invloeden van stof, vochtigheid of chemicaliën.
Piëzo-elektrische kristallen worden onder andere gebruikt voor de bediening van inspuitventielen voor verbrandingsmotoren. Een van de voordelen is hun dynamiek: door hun grote stijfheid en lage massa reageren ze nagenoeg zonder vertraging. Conventionele hydraulische systemen moeten eerst de hydraulische vloeistof in het leidingsysteem op druk brengen voordat een mechanische beweging mogelijk is.
Piëzohydraulische actuator
De door Siemens ontwikkelde piëzohydraulische actuator heeft een hoge stijfheid en heeft voldoende aan 6 mm³ hydrauliekolie. Het ingekapselde hydraulische systeem bestaat uit drie aan elkaar gekoppelde metalen balgen, die in axiale richting kunnen uitzetten en met terugslagventielen met elkaar zijn verbonden. Wordt het piëzokristal aangestuurd, dan zet de middelste kamer uit, levert daar druk en opent daarmee het ventiel in de volgende kamer, waar een aandrijfstang aan de voorzijde zit. De instromende olie zorgt voor geringe uitzetting van de balg, waardoor de aandrijfstang naar buiten beweegt.
De ontwikkelaars bereiken een slag van in totaal 20 mm met behulp van een gepatenteerde geïntegreerde oplossing. Ze sturen het piëzokristal aan met een hoogfrequente zaagtandspanning, waardoor de snelle kleine uitzettingen worden opgeteld tot de gelijkvormige beweging van de aandrijfstang.
Dit concept heeft twee voordelen: als men de omgekeerde spanningsvorm aansluit, draait de pomprichting om en daardoor ook de beweging. Bovendien houdt actuator een eenmaal ingestelde slag stabiel vast. Actuatoren, die een conventionele aandrijving gebruiken voor het overbrengen, kunnen op de lange termijn door trillingen niet overleven.
Toepassing
Het systeem is een verdere ontwikkeling van een piëzohydraulische actuator, die het concern heeft gerealiseerd voor de klepbediening van grote verbrandingsmachines als gasturbines. De ontwikkelaars zien ook toepassingsmogelijkheden in de robotica, bij de bediening van vleugelflaps van vliegtuigen of in de medische en clean room techniek.
