2014-06-02
Aktuatory elektryczne
Przetworniki elektrodynamiczne
Do przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczną wykorzystuje się
oddziaływanie pól elektromagnetycznych.
Zastosowanie: rotacyjne maszyny elektryczne (silniki), napędy liniowe, głośniki)
Przetworniki elektrodynamiczne wykorzystują 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
1
2014-06-02
Przetworniki elektrodynamiczne
Bilans napięcia: U=RI+Uind
Bilans mocy: 2
Pwej :�=� U��I ; P.str :�=� R��I
P.el :�=� U.ind��I
- skuteczna moc elektryczna
P.el :�=� P.wej -� P.str
P.el :�=� P.wyj
Uzyskana moc mechaniczna:
P.wyj :�=� F��v
Przetworniki elektrodynamiczne
Dla cewki z n zwojami:
Uind=nBlv
Schemat połączeń przetwornika elektrodynamicznego :
Cewka cechuje się spadkami
napięcia na uzwojeniach:
2
2014-06-02
Przetworniki elektrodynamiczne
siła proporcjonalna do natężenia prądu
Przetworniki elektrodynamiczne
Prostokątna ramka z przewodników
osadzona na wirniku obraca się w
stałym polu magnetycznym.
Ze wzrostem kąta obrotu Ć do
wartości 0.5Ą (położenie poziome)
nie zmienia się kierunek
działania siły, trzeba zmienić
Model matematyczny
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.
3
2014-06-02
Silniki prądu stałego
Silnik obcowzbudny:
Przez uzwojenia w stojanie płynie prąd lF. Wytwarza
on pole magnetyczne o strumieniu magnetycznym
Ś, 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.
Silniki prądu stałego
W układach rzeczywistych zwykle stojan i twornik
zasilane są z jednego z
ródła napięcia:
4
2014-06-02
Silniki prądu stałego
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:
Budowa silników elektrycznych
prądu stałego
Stała czasowa dla silników o
specjalnej budowie wynosi
od 4 ms do 40 ms
5
2014-06-02
Silniki prądu zmiennego (z polem wirującym)
Stojan z uzwojeniami
zasilanymi prądem
zmiennym.
Wirnik - magnes o
stałym kierunku pola
Charakterystyka silnika
Prędkość obrotowa:
synchronicznego:
Moment M jest osiągany przy liczbie
obrotów n0, dlatego silnik nie może sam
ruszyć z miejsca. Konieczny jest silnik
rozruchowy lub uzwojenie
f- częstotliwość,
asynchroniczne doprowadzające
p - liczba par biegunów stojana.
prędkość obrotową wirnika do
wirowania pola magnetycznego.
dla
SILNIK SYNCHRONICZNY z elektroniczną komutacją
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,
Silnik synchroniczny prądu przemiennego " lepsze niż w silniku prądu stałego odprowadzanie
ciepła, ponieważ w stojanie jest tylko jedno
z prawie pustym wirnikiem i trwałymi magnesami
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.
Trójfazowy silnik synchroniczny
6
2014-06-02
SILNIK SYNCHRONICZNY z elektroniczną komutacją
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)
Zakres obrotów i
obciążalność silnika
Zastosowanie: napędy posuwu, napędy ruchu obrotowego
Silniki prądu zmiennego (z polem wirującym)
SILNIK ASYNCHRONICZNY
Napięcie indukowane Uind zależy
od poślizgu:
n - prędkość obrotowa wirnika,
n0 - 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.
7
2014-06-02
Silniki prądu zmiennego (z polem wirującym)
SILNIK ASYNCHRONICZNY
Asynchroniczny silnik trójfazowy
Zwarty wirnik i stojan silnika klatkowego
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.
SILNIK ASYNCHRONICZNY
Schemat budowy asynchronicznego
silnika
Strumień magnetyczny w stojanie i
wirniku silnika
Symbole silników
8
2014-06-02
SILNIK ASYNCHRONICZNY
Liczba obrotów pola wirującego uzwojenia zasilanego z sieci 50 Hz
liczba biegunów 2 4 6 8 10 12 24
3 6 9 12 15 18 36
liczba uzwojeń
3000 1500 1000 750 600 500 250
obroty pola
wirującego (mim1)
SILNIK ASYNCHRONICZNY
Układy połączeń w gwiazdę i w trójkąt
Stycznikowy układ rozruchu gwiazda-trójkąt
9
2014-06-02
SILNIK ASYNCHRONICZNY
Typowe dane maty duży
charakterystyczne silnik silnik
moc znamionowa Pn 1,1 kW 110kW
obroty synchroniczne "s 3000 min-1 3000 min-'
obroty znamionowe nn 2850 min-1 2980 min -1
poślizg znamionowy 5% 0,6%
poślizg krytyczny sk ok. 20% ok. 10%
wsp. sprawności h 77% 95%
moment znamionowy 3,7 Nm 353 Nm
moment krytyczny Mk 2,3 Mn 2,8 Mn
moment bezwładności J 0,001 kgm2 1,3 kgm2
masa m 9,9 kg 790 kg
Dla charakterystyki obroty I moment obrotowy
obowiązuje następująca zależność:
SILNIK ASYNCHRONICZNY
Układ rozruchowy silnika
pierścieniowego
Układ do łagodnego rozruchu
silników klatkowych
Stycznikowy układ nawrotny
10
2014-06-02
Silnik asynchroniczny z komutacja
elektroniczną
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.
typowe dane zwykły zakres wyższy zakres
charakterystyczne obrotów obrotów
moc znamionowa Pn 30 kW 14 kW
obroty znamionowe nn 1500 min-1 1500 min-1
obroty maksymalne nmax 8000 min-1 16000 min-1
moment znamion. Mn 190 Nm 70 Nm
moment bezwładn. J 97-10-3 kgm2 46 " 10-3 kgm2
masa m 150 kg 90 kg
prąd znamionowy Istr 102 A 58 A
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
Elektromagnesy podnoszące i obrotowe
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.
Jednotarczowe sprzęgło elektromagnetyczne
11
2014-06-02
Aktuatory nowego rodzaju
Aktuatory nowego rodzaju
Zjawisko fizyczne Dane techniczne (wartości Zastosowania
orientacyjne)
aktuatory piezoelektryczne
przy przyłożeniu napięcia napięcie znamionowe 800- translatory sztaplowe (stosowe) i
elektrycznego do plasterkowatego 1500V pasmowe, elementy gnące, silnik
piezokryształu występuje zmiana znamionowa droga nastawiania falowy (ang. inchworm motor),
grubości (na podstawie 70-200 mm silnik naddz
więkowy,
odwrotnego efektu częstotliwość własna 2-50 kHz wytwarzanie kropli atramentu w
piezoelektrycznego) drukarce
aktuatory magnetostrykcyjne
przy przyłożeniu pola prąd 2 A translatory (nie jest wymagana
magnetycznego do kryształów wzbudzenie 50 kA/m budowa sztaplowa), silnik falowy
ferromagnetycznych występuje znamionowa droga nastawiania (robaczkowy), zawór wtryskowy
zmiana długości, przy 50 mm do paliwa dieslowskiego, aktywne
niezmiennej objętości (na obciążenie 500 N tłumiki drgań
podstawie efektu częstotliwość własna >1 kHz
magnetostrykcyjnego)
aktuatory elektroreologiczne
przy przyłożeniu pola elektrycz- napięcie tnące na natężenie pola sprzęgła przełączające, zawory,
nego niektóre ciecze wykazują 600-800 Pa/(kV/mm) łożyska silników, tłumiki uderzeń
zwiększenie lepkości
12
2014-06-02
Aktuatory nowego rodzaju
aktuatory magnetoreologiczne
przy przyłożeniu pola magnetycz- podobnie jak aktuatory
nego niektóre ciecze wykazują elektroreologiczne
zwiększenie lepkości
aktuatory termobimetaliczne
dwa sztywno połączone ze sobą wykrzywienie jednostkowe przełączniki termiczne
metale o różnych 28,5 " 10-6 l/K wszystkich rodzajów dla małych
rozszerzalnościach cieplnych przy moduł sprężystości 170-103 N/mm2 sił nastawiania
podgrzewaniu wykrzywiają się dopuszczalne naprężenie zginające
200 N/mm2
aktuatory ze stopów z pamięcią kształtu
nadane w pokojowej temperaturze możliwy jest efekt jedno- i przełączniki termiczne
odkształcenie części dwukierunkowy wszelkiego rodzaju, człony
konstrukcyjnej, wykonanej ze temperatura przemiany -100�C do nastawcze o małej dynamice
stopu z pamięcią kształtu, znika +100�C
podczas podgrzewania przegrzanie około -160�C do
+400�C
Aktuatory nowego rodzaju
aktuatory z materiałów rozszerzalnych termicznie
podczas podgrzewania temperatura pracy około -20�C proste napędy nastawcze dla
materiału występuje silne do +120�C grzejników, urządzenia
zwiększenie jego objętości skok 5-25 mm startowe dla silników
siła nastawcza 250-500 N gaz
nikowych
czas reakcji 8-50 s
aktuatory elektrochemiczne
przy przyłożeniu małego napięcie 1,6-2,2 V proste napędy nastawcze,
napięcia prądu stałego prąd 1-4 A zawory grzejników,
występuje w określonych skok 4 mm urządzenia pozycjonujące,
materiałach wydzielanie gazu, ciśnienie 4 bar (0,4 MPa) regulacja dostarczania paliwa
co prowadzi do wzrostu do układów spalania
ciśnienia
13
2014-06-02
Aktuatory piezoelektryczne
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 dz
więków
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:
14
2014-06-02
Aktuatory piezoelektryczne
Konstrukcja hybrydowa
A
ączy w sobie efekt piezoelektryczny i
mechaniczne przełożenie dz
wigniowe,
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
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
ultradz
więkowe). 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 dz
więku, mikrofony, hydrofony, generatory energii
elektrycznej, generatory iskry, sensory (ciśnienia akustycznego,
drgań)
Efekt piezoelektryczny odwrotny Nadajniki dz
więku, silniki piezoelektryczne, piezoelektryczne
transformatory, serwomechanizmy, aktuatory
Rezonans piezoelektryczny Rezonansowe stabilizatory częstotliwości, rezonansowe sensory
ciśnienia, wilgoci i temperatury, filtry piezoelektryczne
Elektrostrykcja Filtry piezoelektryczne, wzmacniacze
15
2014-06-02
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.
16