2014-06-02

1

A

ktuatory elektryczne

Przetworniki elektrodynamiczne

Do przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczną wykorzystuje się
oddziaływanie pól elektromagnetycznych.
Zastosowanie:

rotacyjne maszyny elektryczne (silniki), napędy liniowe, głośniki)

Przetworniki elektrodynamiczne w

ykorzystują działanie siły LORENTZA,

gdy przewodnik z prądem porusza się w polu magnetycznym.
W maszynie elementarnej przyjmuje się stałe w czasie jednorodne pole
magnetyczne o gęstości strumienia B

2014-06-02

2

Bilans napięcia:

U=RI+U

ind

Bilans mocy:

Pwej U I





; P.str R I

2





P.el

U.ind I





P.el

P.wej P.str





P.el

P.wyj



P.wyj

F v





- skuteczna moc elektryczna

Uzyskana moc mechaniczna:

Przetworniki elektrodynamiczne

Dla cewki z n zwojami:

Cewka cechuje się spadkami
napięcia na uzwojeniach:

U

ind

=nBlv

Schemat połączeń przetwornika elektrodynamicznego :

Przetworniki elektrodynamiczne

2014-06-02

3

siła proporcjonalna do natężenia prądu

Przetworniki elektrodynamiczne

Prostokątna ramka z przewodników
osadzona na wirniku obraca się w
stałym polu magnetycznym.

Ze wzrostem kąta obrotu φ do
wartości 0.5π (położenie poziome)
nie zmienia się kierunek
działania siły, trzeba zmienić
kierunek pola magnetycznego
lub kierunek prądu w przewodniku.
Dokonuje się zmiany kierunku
przepływu prądu za pomocą komutatora.
Bezwładność wirnika jest tutaj elementem
zapewniającym płynny ruch obrotowy.

Model matematyczny

Przetworniki elektrodynamiczne

2014-06-02

4

Silniki prądu stałego

Silnik obcowzbudny:

Przez uzwojenia w stojanie płynie prąd lF. Wytwarza
on pole magnetyczne o strumieniu magnetycznym
Φ, który przez szczelinę powietrza przenika wirnik.
Równocześnie

przez

uzwojenie

w

wirniku

przepływa prąd lA i wskutek siły Lorentza wywołuje
moment obrotowy silnika. W układzie napięcie
zasilania twornika (wirnika) UF jest niezależne od
napięcia zasilania stojana UA.

W układach rzeczywistych zwykle stojan i twornik
zasilane są z jednego źródła napięcia:

Silniki prądu stałego

2014-06-02

5

Regulacja obrotów:

regulacja pola: zmiana

prądu stojana wpływa na strumień

magnetyczny i przez to na

prędkość obrotową,

regulacja

oporności: zmiana oporności R za pomocą

oporności wstępnej powoduje zmianę prędkości
obrotowej (ale

pociąga za sobą straty),

regulacja

napięcia: zmiana napięcia U na zaciskach daje

zmianę prędkości obrotowej bez strat.

Sterowanie prędkością obrotową
za pomocą nastawnika tyrystorowego:

Silniki prądu stałego

Budowa silników elektrycznych

prądu stałego

Stała czasowa dla silników o

specjalnej budowie wynosi

od 4 ms do 40 ms

2014-06-02

6

Charakterystyka silnika
synchronicznego:
Moment M jest osiągany przy liczbie
obrotów n0, dlatego silnik nie może sam
ruszyć z miejsca. Konieczny jest silnik
rozruchowy lub uzwojenie
asynchroniczne doprowadzające
prędkość obrotową wirnika do
wirowania pola magnetycznego.

Silniki prądu zmiennego (z polem wirującym)

Stojan z uzwojeniami

zasilanymi prądem

zmiennym.

Wirnik - magnes o

stałym kierunku pola

Prędkość obrotowa:

f- częstotliwość,
p - liczba par biegunów stojana.

dla

SILNIK SYNCHRONICZNY z elektroniczną komutacją

Silnik synchroniczny prądu przemiennego

z prawie pustym wirnikiem i trwałymi magnesami

Trójfazowy silnik synchroniczny

Zalety synchronicznego silnika prądu

przemiennego:

• mniejsze wymiary od silnika prądu stałego,
• bardzo mały czas reakcji,
• bardzo duży zakres nastawianych obrotów (do 1:

20000), tzn. że najniższe obroty, przy których
silnik obraca się jeszcze równomiernie, są 20000
razy mniejsze od obrotów maksymalnych,

• małe nakłady na konserwację, brak zużycia np.

szczotek węglowych,

• komutacja nie ogranicza momentu obrotowego,
• lepsze niż w silniku prądu stałego odprowadzanie

ciepła, ponieważ w stojanie jest tylko jedno
uzwojenie,

• wyższa sprawność niż w silniku prądu stałego,
• zamknięta zabudowa, stopień bezpieczeństwa IP

65 (ochrona przed zakurzeniem i bryzgami
wody),

• większa żywotność niż dla silnika prądu stałego,
• ze względu na brak konieczności zasilania

wirnika konstrukcja jest prosta i solidna,

• mniejszy ciężar od silnika prądu stałego.

2014-06-02

7

Układ regulacji obrotów:

Zasilanie prądem trójfazowym z sieci

1. Falownik przetwarza prąd z sieci na prąd
stały, a następnie na prąd trójfazowy zależnie od nastaw z

układu sterowania.

2. Kontrolowany jest kąt obrotu i odpowiednio do niego

jest sterowane wirowanie strumienia (regulator PI
obrotów)

Zastosowanie: napędy posuwu, napędy ruchu obrotowego

Zakres obrotów i

obciążalność silnika

SILNIK SYNCHRONICZNY z elektroniczną komutacją

Silniki prądu zmiennego (z polem wirującym)

Napięcie indukowane Uind zależy
od poślizgu:

n - prędkość obrotowa wirnika,

n

0

- prędkość obrotowa pola wirującego.

Prędkość obrotowa wirnika:

Układ regulacji obrotów:
1. Przełączenie liczby biegunów.
2. Regulacja częstotliwości.
3. Regulacja poślizgowa poprzez zmianę poślizgu s.
W silnikach z pierścieniami ślizgowymi połączonymi z przewodnikami
wirnika silnika istnieje możliwość połączenia dodatkowej oporności wstępnej.

SILNIK ASYNCHRONICZNY

2014-06-02

8

Silniki prądu zmiennego (z polem wirującym)

SILNIK ASYNCHRONICZNY

Zamiast wirnika w postaci magnesu stałego - wirnik z przewodnikami

W przewodnikach wirnika
indukuje się napięcie Ujnd,
układ nie wymaga więc
zasilania.
Wirujące pole indukuje prąd.

Asynchroniczny silnik trójfazowy

Zwarty wirnik i stojan silnika klatkowego

SILNIK ASYNCHRONICZNY

Schemat budowy asynchronicznego

silnika

Symbole silników

Strumień magnetyczny w stojanie i

wirniku silnika

2014-06-02

9

liczba biegunów

2

4

6

8

10

12

24

liczba uzwojeń

3

6

9

12

15

18

36

obroty pola

wiruj

ącego (mim

1

)

3000

1500

1000

750

600

500

250

Liczba obrotów pola wirującego uzwojenia zasilanego z sieci 50 Hz

SILNIK ASYNCHRONICZNY

SILNIK ASYNCHRONICZNY

Stycznikowy układ rozruchu gwiazda-trójkąt

Układy połączeń w gwiazdę i w trójkąt

2014-06-02

10

Typowe dane

maty

duży

charakterystyczne

silnik

silnik

moc znamionowa

Pn

1,1 kW

110kW

obroty synchroniczne "s

3000 min

-1

3000 min-'

obroty znamionowe

n

n

2850 min

-

1

2980 min

-

1

poślizg znamionowy

5%

0,6%

poślizg krytyczny

s

k

ok. 20%

ok. 10%

wsp. sprawności

h

77%

95%

moment znamionowy

3,7 Nm

353 Nm

moment krytyczny

M

k

2,3 M

n

2,8 M

n

moment bezwładności J

0,001 kgm

2

1,3 kgm

2

masa

m

9,9 kg

790 kg

Dla charakterystyki obroty I moment obrotowy

obowiązuje następująca zależność:

SILNIK ASYNCHRONICZNY

SILNIK ASYNCHRONICZNY

Układ rozruchowy silnika

pierścieniowego

Układ do łagodnego rozruchu

silników klatkowych

Stycznikowy układ nawrotny

2014-06-02

11

Silnik asynchroniczny z komutacja

elektroniczną

typowe dane

charakterystyczne

zwykły zakres

obrotów

wyższy

zakres

obrotów

moc znamionowa

Pn

30 kW

14 kW

obroty znamionowe

n

n

1500 min

-1

1500 min

-1

obroty maksymalne

n

max

8000 min

-1

16000 min

-1

moment znamion.

M

n

190 Nm

70 Nm

moment bezwładn.

J

97-10

-3

kgm

2

46 • 10

-3

kgm

2

masa

m

150 kg

90 kg

prąd znamionowy

I

str

102 A

58 A

Zalety silników asynchronicznych z komutacją elektroniczną

są podobne do zalet silnika synchronicznego:

• małe nakłady na konserwację i eksploatację,
• wysoki współczynnik sprawności,
• duża szybkość reakcji,
• małe wymiary,
• odporność na krótkotrwałe, nawet 10-krotne przeciążenia,
• silnik spełnia wymagania IP 65.

Elektromagnesy i sprzęgła

elektromagnetyczne

Urządzenia wykonawcze zbudowane na bazie

elektromagnesów składają się z cewki z żelaznym

rdzeniem i ruchomego żelaznego rdzenia zwanego

zworą. Przepływ prądu przez cewkę powoduje

przyciąganie zwory. Zwora ustawia się tak, aby

istniał najmniejszy opór magnetyczny dla linii

strumienia

magnetycznego.

Rozróżnia

się

elektromagnesy podnoszące z przesuwającą się

zworą i elektromagnesy obrotowe ze zworą

obrotową.
Ruchoma zwora ustawia się tak, aby opór

magnetyczny był jak najmniejszy.
Sprzęgła elektromagnetyczne stosuje się do

zdalnego lub samoczynnego przełączania lub

hamowania

przekładni.

Wśród

sprzęgieł

elektromagnetycznych

rozróżnia

się

sprzęgła

jednotarczowe, wielopłytkowe, proszkowe i zębate.

Elektromagnesy podnoszące i obrotowe

Jednotarczowe sprzęgło elektromagnetyczne

2014-06-02

12

Aktuatory nowego rodzaju

Zjawisko fizyczne

Dane techniczne (wartości
orientacyjne)

Zastosowania

aktuatory piezoelektryczne

przy przyłożeniu napięcia
elektrycznego do plasterkowatego
piezokryształu występuje zmiana
grubości (na podstawie
odwrotnego efektu
piezoelektrycznego)

napięcie znamionowe 800-
1500V
znamionowa droga nastawiania
70-200

m

m

częstotliwość własna 2-50 kHz

translatory sztaplowe (stosowe) i
pasmowe, elementy gnące, silnik
falowy (ang. inchworm motor),
silnik naddźwiękowy,
wytwarzanie kropli atramentu w
drukarce

aktuatory magnetostrykcyjne

przy przyłożeniu pola
magnetycznego do kryształów
ferromagnetycznych występuje
zmiana długości, przy
niezmiennej objętości (na
podstawie efektu
magnetostrykcyjnego)

prąd 2 A
wzbudzenie 50 kA/m
znamionowa droga nastawiania
50

m

m

obciążenie 500 N
częstotliwość własna >1 kHz

translatory (nie jest wymagana
budowa sztaplowa), silnik falowy
(robaczkowy), zawór wtryskowy
do paliwa dieslowskiego, aktywne
tłumiki drgań

aktuatory elektroreologiczne

przy przyłożeniu pola elektrycz-
nego niektóre ciecze wykazują
zwiększenie lepkości

napięcie tnące na natężenie pola
600-800 Pa/(kV/mm)

sprzęgła przełączające, zawory,
łożyska silników, tłumiki uderzeń

Aktuatory nowego rodzaju

2014-06-02

13

Aktuatory nowego rodzaju

aktuatory magnetoreologiczne

przy przyłożeniu pola magnetycz-
nego niektóre ciecze wykazują
zwiększenie lepkości

podobnie

jak

aktuatory

elektroreologiczne

aktuatory termobimetaliczne

dwa sztywno połączone ze sobą
metale o różnych
rozszerzalnościach cieplnych przy
podgrzewaniu wykrzywiają się

wykrzywienie jednostkowe
28,5 • 10-

6

l/K

moduł sprężystości 170-10

3

N/mm

2

dopuszczalne naprężenie zginające
200 N/mm

2

przełączniki

termiczne

wszystkich rodzajów dla małych
sił nastawiania

aktuatory ze stopów z pamięcią kształtu

nadane w pokojowej temperaturze
odkształcenie części
konstrukcyjnej, wykonanej ze
stopu z pamięcią kształtu, znika
podczas podgrzewania

możliwy jest efekt jedno- i

dwukierunkowy

temperatura przemiany -100°C do

+100°C

przegrzanie około -160°C do

+400°C

przełączniki

termiczne

wszelkiego

rodzaju,

człony

nastawcze o małej dynamice

Aktuatory nowego rodzaju

aktuatory z materiałów rozszerzalnych termicznie

podczas podgrzewania
materiału występuje silne
zwiększenie jego objętości

temperatura pracy około -20°C

do +120°C

skok 5-25 mm
siła nastawcza 250-500 N
czas reakcji 8-50 s

proste napędy nastawcze dla
grzejników,

urządzenia

startowe

dla

silników

gaźnikowych

aktuatory elektrochemiczne

przy przyłożeniu małego
napięcia prądu stałego
występuje w określonych
materiałach wydzielanie gazu,
co prowadzi do wzrostu
ciśnienia

napięcie 1,6-2,2 V
prąd 1-4 A
skok 4 mm
ciśnienie 4 bar (0,4 MPa)

proste

napędy nastawcze,

zawory

grzejników,

urządzenia

pozycjonujące,

regulacja dostarczania paliwa
do układów spalania

2014-06-02

14

Zjawisko

piezoelektryczności zostało odkryte w 1880 roku przez Pierre'a i Jacques'a

Curie.

Zauważyli oni, że kwarc zmienia swoje wymiary pod wpływem działania pola

elektrycznego na

odwrót, generuje ładunek elektryczny na skutek deformacji

mechanicznej. Po raz pierwszy zjawisko to

zostało wykorzystane praktycznie w 1920

roku przez Langevina,

który wykonał kwarcowy nadajnik i odbiornik dźwięków

podwodnych - pierwszy sonar. Pierwsze piezoelektryczne

materiały opracowano w

latach czterdziestych XX wieku (tytanian baru) i

pięćdziesiątych (cyrkonian-tytanian

ołowiu - PZT). Rok 1965 to początek produkcji pierwszych urządzeń wykorzystujących
właściwości ceramiki piezoelektrycznej.

Materiały piezoelektryczne przetwarzają
energię elektryczną w mechaniczną i
odwrotnie.

Odkształcenia

sprężyste

piezoelektryka

wywołuje w nim powstanie

wewnętrznego pola elektrycznego (efekt
piezoelektryczny prosty) lub umieszczenie
materiału w polu elektrycznym prowadzi do
zmiany

jego

wymiarów

(efekt

piezoelektryczny

odwrotny).

Zjawisko

piezoelektryczne posiada inny mechanizm

niż

zjawisko elektrostrykcji,

które charakteryzują

znacznie mniejsze

odkształcenia i występuje

ono we wszystkich

materiałach.

Aktuatory

piezoelektryczne

Podstawy przetworników piezoelektrycznych

Przyjmując do analizy tylko jeden kierunek polaryzacji lub działania siły, oraz
oznaczając:
S - deformacje mechaniczne,
D -

indukcję elektrostatyczną,

T -

naprężenia mechaniczne,

E -

natężenie pola elektrycznego

Efekt piezoelektryczny można opisać jako:

Aktuatory

piezoelektryczne

2014-06-02

15

Konstrukcja hybrydowa

Łączy w sobie efekt piezoelektryczny i
mechaniczne

przełożenie dźwigniowe,

pozwala to

zwiększyć drogę nastawiania.

Konstrukcja wymaga

konieczności

kasowania

luzów w przegubach, gdyż

powoduje to zmniejszenie

dokładności

działania aktuatora.
Droga nastawiania

zależy od długości pasm.

Aktuatory

piezoelektryczne

Aktuatory

piezoelektryczne

Zastosowania ceramicznych

materiałów piezoelektrycznych

Materiały piezoelektryczne znajdują zastosowanie w wielu urządzeniach. Zjawisko zamiany energii,
jakie

dają materiały piezoelektryczne, pozwala na uzyskanie za pomocą odpowiednich urządzeń

pewnych

użytecznych efektów: energia elektryczna przetwarzana jest na działanie mechaniczne

(wydłużenie, zginanie, skręcanie, drgania) - aktuatory lub oddziaływanie mechaniczne jest
rejestrowane przez powstanie efektu elektrycznego - sensory.

Najczęściej wymieniane obszary

zastosowań materiałów piezoelektrycznych to automatyzacja, mikromanipulacja, techniki
pomiarowe (np.

nieniszczące badania wad w materiałach) i medyczne (np. diagnostyczne techniki

ultradźwiękowe). Szybko rozwijającą się dziedziną zastosowań materiałów piezoelektrycznych są
systemy monitorowania stanu

materiałów i konstrukcji.

Typowe zastosowania ceramiki piezoelektrycznej

Wykorzystane zjawisko

Zakres zastosowań

Efekt piezoelektryczny prosty

Odbiorniki dźwięku, mikrofony, hydrofony, generatory energii

elektrycznej, generatory iskry, sensory (ciśnienia akustycznego,

drgań)

Efekt piezoelektryczny odwrotny

Nadajniki dźwięku, silniki piezoelektryczne, piezoelektryczne

transformatory, serwomechanizmy, aktuatory

Rezonans piezoelektryczny

Rezonansowe stabilizatory częstotliwości, rezonansowe sensory

ciśnienia, wilgoci i temperatury, filtry piezoelektryczne

Elektrostrykcja

Filtry piezoelektryczne, wzmacniacze

2014-06-02

16

Aktuatory

piezoelektryczne

Rozwój materiałów piezoelektrycznych jest obecnie stymulowany przede wszystkim przez
zapotrzebowanie na nowe aktuatory - elementy o ogromnym znaczeniu dla rozwoju
zaawansowanych urządzeń mechanicznych. Aktuatory w zależności od konstrukcji dzielą się na
kilka typów:

-

aktuatory "bimorph" składają się z dwóch warstw ceramiki piezoelektrycznej polaryzowanej w

przeciwnych kierunkach,
- aktuatory "unimorph" -

warstwa ceramiki połączona jest z warstwą metalu

-

aktuatory typu "raibow", w których zmianę właściwości warstwy wierzchniej uzyskuje się przez

chemiczną redukcję powierzchni piezoelektrycznego materiału ceramicznego. Dzięki temu uzyskuje
się warstwy zintegrowane chemicznie o dużej wytrzymałości powierzchni rozdzielającej,
-

aktuatory typu "FG" złożone z warstw ceramicznych o różnych właściwościach,

-

aktuatory "thunder" złożone są z warstwy ceramiki PZT z metalicznymi okładkami oddzielonymi od

ceramiki warstwą adhezyjną,
-

aktuatory "LIPCA", w których na jednaj powierzchni elementu ceramicznego (PZT) wytarza się

kompozyt węglowo-epoksydowy, a na drugiej szklano-epoksydowy.