ACTUATORI ELECTROSTATICI1.NOTIUNI GENERALE
Actuatorii electrostatici se incadreaza in grupa actuatorilor
electrici.Proiectarea lor se bazeaza pe conversia energiei
electrostatice in lucru mecanic.Primii actuatori electrostatici au
fost realizati inca din anul 1750 de catre Andrew Gordon si
Benjamin Franklin. Motoarele electrostatice au avut putine
aplicatii practice datorita tensiunii de activare relativ mare si
datorita preciziei deosebite impuse structurii mecanice.Cercetarile
in domeniul microtehnologiilor au permis realizarea unor
microactuatori electrostatici deosebit de performanti cu aplicatii
in: electronica,optica, aparatura de
cercetare,calculatoare,echipamente periferice,aparatura
video,echipament de microchirurgie si neurochirurgie,Motoarele
electrostatice au o durata de viata scurte datorita frecarii dintre
elementele fixe si cele mobile.
Actuatorii sunt elemente de execuie controlabile care transform
energia de
intrare (electric, magnetic, termic, optic sau chimic) n lucru
mecanic. Conversia
energiei de intrare n energie util de ieire se realizeaz prin
intermediul cmpurilor
electrice, magnetice, ca urmare a unor fenomene fizice:
fenomenul piezoelectric,
fenomenul magnetostrictiv, fenomenul de memorare a formei, ca
urmare a dilatrii
corpurilor la creterea temperaturii, a schimbrilor de faz, a
efectului electro-reologic,
electro-hidrodinamic, de diamagnetism. Mecanismul actuatorului
transform, amplific
i transmite micarea fcnd acordul cu parametrii specifici
scopului tehnologic.
Alegerea actuatorilor pentru o tem dat poate s constituie o
activitate complex.
Adesea, opiunile se bazeaz pur i simplu pe familiarizarea
proiectantului cu anumite
sisteme. n multe situaii se duce lips de resursele sau timpul
necesar pentru a efectua
o analiz detaliat a fiecarei alternative de acionare posibil.2.
CLASIFICAREA ACTUATORILOR
Exist o mare varietate de actuatori care utilizeaz diverse surse
de energie cum ar
fi: electric, mecanic, hidraulic, chimic sau radiaii solare.
Acetia difer mult din punct de vedere a performanelor; n timp ce
unii sunt capabili de curse i fore mari alii au dimensiuni foarte
reduse. Chiar i cei cu dimensiuni foarte reduse pot dezvolta
puteri
ridicate dac acetia sunt utilizai la frecvene ridicate. Pentru a
putea fi clasificai actuatorii, este necesar identificarea
caracteristicilor de performan ale acestora. Actuatorii reprezint
partea activ a sistemului, care n plus fa de acetia conine i sursa
de energie necesar, la care se adaug uneori i dispozitivul de
conversie a energiei n forma acceptat. Pentru actuatorii electrici
din componena sistemelor flexibile de fabricaie sursa de energie o
constituie de obicei reeaua naional de electricitate, n timp ce
pentru un actuator hidraulic destinat s lucreze n spaiul cosmic,
situaia este diferit: la greutatea actuatorului se adaug i cea a
pompei hidraulice precum si cea a sursei de energie necesar
acionrii pompei hidraulice.
Principalele caracteristici de performan ale actuatorilor
sunt:
- Cursa specific: reprezint raportul dintre cursa maxim i
lungimea actuatorului msurat pe direcia cursei.
- Fora specific: reprezint raportul dintre fora maxim generat i
seciunea transversal a actuatorului.
- Densitatea: reprezint raportul dintre greutatea actuatorului
si volumul acestuia n forma iniial; se neglijeaz masa sursei i a
dispozitivelor periferice.
- Eficiena: lucrul mecanic produs n timpul unui ciclu complet,
raportat la energia consumat n acel ciclu.
- Rezoluia: cea mai mic deplasare controlat posibil.
- Puterea volumetric: puterea la ieire raportat la volumul minim
al actuatorului.
- Coeficientul cursei de lucru: raportul dintre cursa specific i
fora specific.
- Coeficientul de putere pe ciclu: puterea maxim dezvoltat pe
parcursul unui ciclu.
Actuatorii utilizai cel mai frecvent pot fi concepui ca i
actuatori liniari sau rotativi, avnd curs limitat sau teoretic
nelimitat, cu un element activ sau cu mai multe elemente active n
structur. Acionarea propriu-zis este obinut pe trei ci distincte.
Interaciuni de cmpuri Interaciuni mecanice.
Cele mai cunoscute tipuri de actuatori sunt cei care se bazeaz
pe interaciunea cmpurilor magnetice, a curentului electric cu
cmpuri magnetice precum i pe interaciunea sarcinilor electrice,
care permit materializarea unor actuatori ce pot avea teoretic curs
nelimitat (micromotoare de curent continuu, micromotoare de curent
alternativ asincrone i sincrone - n special cu rotor pe baz de
magnei permaneni, micromotoare electrostatice), sau limitat
(micromotoare liniare de curent continuu, microelectromagnei).
n funcie de semnalul de intrare folosit pentru deplasarea
controlat a elementului activ, actuatorii din aceast categorie se
mpart, la rndul lor n:
- actuatori comandai termic (prin intermediul unui flux de
cldur):
- actuatori pe baz de bimetale;
- actuatori pe baz de aliaje cu memoria formei;
- actuatori comandai electric (prin intermediul intensitii
cmpului electric):
- actuatori piezoelectrici, cu elemente active din
piezocristale, piezoceramici sau piezopolimeri;
- actuatori electroreologici;
- actuatori comandai magnetic (prin intermediul induciei cmpului
magnetic):
- actuatori magnetostrictivi;
- actuatori pe baz de ferofluide;
- actuatori comandai optic ( optoelectric sau optotermic ):
- actuatori termo- / electro - fotostrictivi;
- actuatori piro - piezoelectrici;
- actuatori comandai chimic:
- muchi artificiali;
alte tipuri de actuatori, bazai pe alte fenomene fizice.
Fig. 1 Acionarea actuatorilor3.Principiul de functionare a
actuatorilor electrostraticiPentru dezvoltarea unei forte utile
de-a lungul unei curse,actuatorii electrostatic utilizeaza forta de
atractie electrostatic dintre corpuri incarcate cu sarcini
electrice diferite.Aceasta forta poate fi calculate pe baza
energiei campului electrostatic, WE data de relatia:
WE=CU2
Unde C este capacitatea iar U tensiunea aplicata.
Cei doi electrozi plani si paraleli de arie S aflati la distanta
d unul celalalt, prezenti in figura 1.1 formeaza un condensator a
carui capacitate este:C=== 1.1Unde este permitivitatea mediului
dintre electrozi ,Q sarcina electrica si E intensitatea campului
electric dintre armaturi.
Fortele dezvoltate de-a lungul celor trei directii(Ox,Oy si
Oz)sunt definite de derivatele partiale ale energiei campului
electrostatic: Fx=; Fy=; Fz=; Unii actuatori electrostatic au o
comportare neliniara,fiind necesare metode numerice pentru
proiectarea si simularea functionarii lor.In continuare se prezinta
metodele analitice ce ilustreaza conceptele de baza utilizate la
proiectarea actuatorilor electrostatic.Cazul miscarii
perpendicular;
Tensiunea U aplicata armaturilor plane ale condensatorului din
fig 5.2 a este constanta.
Armaturile nu au posibilitatea de a se deplasa de-a lungul
axelor Oy si Oz ci numai pe directia axei Ox.Capacitatea este
,astfel ca forta orientate pe Ox,in sensul micsorarii distantei
dintre armature conform relatiilor (5.1)
Din expresia fortei electrostatice data de relatia (5.4) rezulta
ca aceasta depinde de tensiunea aplicata,distant dintre
electrozi,atria lor si nu este influientata de grosimea armaturilor
si de volum (din aceasta cauza forta electrostatica se numeste
forta de suprafata,spre deosebire de forta magnetic,cunoscuta ca si
forta de volum ).Acest lucru favorizeaza posibilitatile de
miniaturizare a actuatorilor electrostatic prin aplicarea
microtehnologiilor de suprafata. In contextual aplicatiilor
practice,un actuator dezvolta un lucru mechanic impotriva unei
sarcini.In multe cazuri,aceasta poate fi modelata printr-un system
format dintr-o masa si un element elastic.
In figura 5.3 sunt prezentate caracteristicile forta-deplasare
pentru un astfel de actuator(curbele 1,2,si 3) pentru tensiunile
U1U2U3,peste care este suprapusa caracteristica arcului 4.Ecuatiile
specific sistemului actuator arc din fig5.2 b) sunt:
Unde k este constanta arcului.
Din egalitatea Factuator=Farc se determina pozitia de echilibru
a armaturii superioare,pentru o anumita tensiune. Aceasta pozitie
poate fi determinate si grafic cu ajutorul caracteristicilor din
fig.5.3.Din cele doua puncte de intersectie ale caracteristicii 4 a
arcului cu caracteristica actuatorului(1,2 sau 3)pentru diferite
tensiuni,numai unul determina o pozitie stabile de
echilibru.Energia totala a sistemului arc-actuator este:
Variatia energiei totale este repezentata in figura 5.4 pentru o
tensiune U data.In apropiere de x=0(pentru x=x)atinge un maxim,iar
pentru valori de x=d atinge un minim (x=x).-+ Pentru x=x si
x=x,forta dezvoltata de actuator este zero,dar numai pentru x=x se
obtine o pozitie stabile de echilibru.sistemul arc-actuator poate
fi modelat de un element elastic avand o constanta echivalenta Kech
data de relatia:
Din relatia(5.7) se observa ca KechK.
Cazul miscarii laterale Conform celor prezentate in fig.5.5,la
deplasarea lateral a electrozilor plani si paraleli,forta
electrostatic in lungul axei Oyeste:
Fy=; (5.8)Capacitatea condensatorului format este proportionala
cu suprafata comuna a armaturilor:
C== (5.9)
Unde y si z sunt dimensiunile suprafetei commune,pe axele Oy si
Oz.Se considera Z=ct si tinand cont de relatiile (5.1) si
(5,9),relatia (5.8) poate fi scrisa sub forma:
Fy= U2; y