Digitális számítógép. Mechatronikai berendezés általános felépítése Intelligens termékek elemei. Mechatronikai struktúra. Hajtások és vezetékek

Átírás

1 Mechatronikai berendezés általános felépítése Fizikai mennyiségek??????????? Szenzorok?????????????????????? Mért értékek Rendelkező jelek Visszacsatolások Mechatronikai struktúra Mért érték feldolgozás Digitális számítógép Teljesítmény rész!!!!!!!!!!! Aktuátorok!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Mozgások Hajtások és vezetékek Erők vagy sebességek BME, MOM, fólia

2 Amit az aktuátorokról tudni kell: a legfontosabb jellemzők Az aktuátorok közös jellemzője, hogy valamilyen anyag vagy energiafolyamba beavatkoznak. Bemenetük mindig villamos jel, amelynek legtöbbször teljesítmény szinten kell rendelkezésre állnia. Fizikai működés szerinti osztályozás Elektronikus (teljesítmény transzisztor, tirisztor, triak) Elektromágneses (egyen- és váltakozóáramú motorok, lineáris motorok) Termikus Pneumatikus Hidraulikus (bimetallok, halmazállapot változással működő aktuátorok) (pneumatikus hengerek, motorok) (hidraulikus hengerek, motorok) Piezoelektromos (transzlátorok, motorok) Emlékező fémes (mesterséges izom) Magnetostrikciós (transzlátorok) Elekrotroreológiai (tengelykapcsolók, szelepek, csillapítók) BME, MOM, fólia H. Janocha: Aktoren, Springer 1992.

3 Egyszerű villamos érintkezőpár modellje 1. fémes érintkezés 2. kvázifémes 3. oxidok, szulfidok Védőgázas (reed)-érintkező A reed érintkezők működtetése állandó mágnessel BME, MOM, fólia

4 Mikrokapcsolók Útkülönbség: 0,1 0,2 mm Elméleti karakterisztika: Egy valóságos mikrokapcsoló jelleggörbéje: BME, MOM, fólia

5 Kapcsolók mechanizmusai Mikrokapcsolók mechanizmusai: omega-rugós szigonyrugós szimmetrikus húzórugós kettős pattanórendszerű Egyszerű billenőkapcsoló mechanizmusa BME, MOM, fólia

6 A különböző fizikai elveken működő aktuátorok összehasonlítása BME, MOM, fólia Programja Forrás: keretében TU Ilmenau, Lernmodul Mechatronik

7 Az elektromágneses aktuátorok, motorok: A munkapont fogalma és ábrázolása A legfontosabb jellemző: a nyomatékfordulatszám jelleggörbe Hatásfok: η = P mech /P vill Vezérelhetőség: v = n max /n min Merevség: m = ΔM/Δn Fajlagos teljesítmény: P mech /G vagy P mech /V Élettartam (megbízhatóság) Zavarforrás Ár, költségek a.) motornyomaték és terhelőnyomaték ábrázolása egy diagramban, stabil és instabil munkapontok b.) motor nyomatékának időbeli alakulása BME, MOM, fólia

8 Az elektromágneses aktuátorok elektromágnesek egyenáramú motorok váltakozóáramú motorok különleges motorok lineáris motorok Az egyenáramú motorok működési elve Elektromágneses kölcsönhatáson alapuló motorok (vasmagos motorok) Uk Uk Kétpólusú kivitel: holtponttal rendelkezik Hárompólusú kivitel: nincs holtpont A legfontosabb ismérv: az állórész állandó mágnest tartalmaz, áramot csak a forgórészbe vezetünk a keféken és kommutátoron keresztül. BME, MOM, fólia

9 Kétpólusú motor működése Az ábra vasmagos, kétpólusú motor három szöghelyzetét mutatja. A holtpontot nem mutatja be. BME, MOM, fólia

10 Az egyenáramú szervomotorok legfontosabb tulajdonságai Feszültségegyenlet és helyettesítő kép U = R i + ΔU + U R i + U a kefe szénkefe: ΔU kefe =1 2 V nemesfém kefe: ΔU kefe =0,1 0,2 V i a i Ug Ig=áll. M D M É Uk Uk A tekercsekben indukált feszültség: U i = k M ω Ra La 0 ΔUkefe Uk Ui BME, MOM, fólia

11 Az egyenáramú szervomotorok legfontosabb tulajdonságai A permanens mágnes gerjesztésű egyenáramú szervomotor a külső gerjesztésű motorból származtatható. A fontosabb összefüggések: A nyomaték: M = k M i Indítási áram: i = 0 U R a Indítási (maximális) nyomaték: Az ideális üresjárási fordulatszám: M = 0 ω 0 kmu R = a U k M BME, MOM, fólia

12 Az egyenáramú szervomotor jelleggörbéi A szögsebesség és a motoráram Minden motornak a saját forgásban tartásához szükséges egy nyomaték: ez a veszteségi nyomaték, M R A maximális teljesítmény és a maximális hatásfok egyenáramú motoroknál nem esik egybe P = Mω M 0 M ( Pmax) = 2 M ( η M M max ) R 0 BME, MOM, fólia

13 Az egyenáramú szervomotor vezérlési lehetőségei A kapocsfeszültség változtatása A kapocsfeszültség változtatásával a jelleggörbék önmagukkal párhuzamosan tolódnak el, a merevség nem változik. Ez az ajánlható megoldás. Előtétellenállás alkalmazása Előtétellenállás bekapcsolásánál a jelleggörbék az ideális üresjárási fordulatszám mint forgáspont körül fordulnak el, a merevség csökken. Rossz megoldás. BME, MOM, fólia

14 Állórész és forgórész elrendezések Belső forgórész Külső forgórész Köztes forgórész BME, MOM, fólia Köztes állórész

15 Tipikus vasmagos motorkonstrukció A forgórész tekercsei lemezelt vasmagon helyezkednek el. A gerjesztést itt is állandó mágnes hozza létre BME, MOM, fólia

16 Különféle mágneskör konstrukciók A gerjesztést állandó mágnessel hozzuk létre, amelynek nagy előnye, hogy nem igényel teljesítményfelhasználást szemben az elektromágnessel előállított gerjesztéssel. A mágnesanyag háromféle lehet: öntött, köszörült Alnico, szinterelt kerámia, ritka földfém (NdFeB) BME, MOM, fólia

17 A mágnesanyagok fejlődése Az egyenáramú szervomotoroknál a nyomaték az átfolyó áramon kívül a k M motorállandótól is függ, amely viszont a fluxustól, a fluxus a méreteken kívül a mágnes által létrehozott indukciótól függ. Ezért fontos, hogy milyen mágnesanyagot használunk. Forrás:Vakumschelze GmBH BME, MOM, fólia

18 A légréstekercses motorok A motorok konstrukciója kétféle lehet: vasmagos légréstekercses A légréstekercses motorok működési elve: A mágneses teret (gerjesztést) állandó mágnes állítja elő. A nyomatékot a Lorentz-erő adja. A semleges helyzet: itt kell kommutálni A valóságban a tekercsek által létrehozott mágneses tér elhanyagolhatóan kicsiny. BME, MOM, fólia

19 A légréstekercses motorok jellegzetes konstrukciói Radiális fluxusú konstrukció Axiális fluxusú konstrukció A radiális fluxusú motor forgórésze serleg alakú Az axiális fluxusú motor forgórésze tárcsa alakú BME, MOM, fólia Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek, MK 1990

20 Faulhaber gyártmányú DC szervomotor konstrukciója Az állandó mágnes két pólusú, és radiális (átmérő) irányban van felmágnesezve. A forgórész öntartó, az axiális erőkomponensek kiegyenlítik egymást. BME, MOM, fólia

21 A Faulhaber típusú tekercselés A serleges forgórész képe BME, MOM, fólia

22 Radiális fluxusú DC szervomotorok robbantott képei kefepajzs ház serleges forgórész állandó mágnes a csapágyakkal A kisebb teljesítményű motorok nemesfém kefékkel, a nagyobb teljesítményűek grafit kefékkel készülnek. Forrás: Faulhaber BME, MOM, fólia

23 A tárcsás forgórész BME, MOM, fólia

24 Axiális fluxusú törpemotorok Példa axiális fluxusú motorokra (hajtóművel ellátott típusok is) BME, MOM, fólia

25 Alkalmazási példa Példa a jó hatásfokú elektromágneses légréstekercses motorokra: A Marsra küldött Pathfinder robotba aktuátorként összesen 11 Maxon-motort építettek be Ilyen és ehhez hasonló rendszereknél az egyik legfontosabb szempont a jó hatásfok, hiszen a rendelkezésre álló energia rendkívül korlátozott Maxon motor katalógus BME, MOM, fólia

26 Egyenáramú szervo híd kapcsolásban BME, MOM, fólia

27 Autóipari alkalmazási példa Forrás: TU Ilmenau BME, MOM, fólia

28 Elvi felépítés 1 szívóoldal 6 nyomóoldal 2 túlnyomásszelep 5 visszacsapószelep 3 szivattyú BME, MOM, fólia 4 motor forgórész Forrás: TU Ilmenau

29 A komplett benzinszivattyú BME, MOM, fólia

30 A motor forgórésze réz kommutátorral BME, MOM, fólia

31 Újabb kivitelű forgórész BME, MOM, fólia

32 A régebbi és az újabb forgórész A képeken jól látszik, hogy az újabb kivitel mennyire kompaktabb, és áramlástanilag kedvezőbb kialakítású. BME, MOM, fólia

33 Különböző típusú üzemanyag szivattyú forgórészek BME, MOM, fólia Forrás: TU Ilmenau

34 Példa az egyenáramú mikromotor alkalmazására A mobil telefonokban alkalmazott hang nélküli hívásjelzés, a rezgetés szintén egyenáramú légréstekercses motorokkal történik. BME, MOM, fólia

35 A rezgető motor a telefon előlapjában egyenáramú motor excentrikus tömeg BME, MOM, fólia

36 Két szokásos motorkonstrukció tárcsás motor hengeres motor BME, MOM, fólia

37 Az excentrikus tömeg a tengellyel A tengely átmérője 0,7 mm BME, MOM, fólia

38 Különböző típusú forgórészek mobil telefonokhoz BME, MOM, fólia Forrás: TU Ilmenau

39 Alkalmazási példa: a kerékpár segédmotor (Ez még nem a motoros változat) BME, MOM, fólia

40 1880-as évek BME, MOM, fólia

41 Ez a modell is az 1880-as évekből való (figyelemre méltó a mechanikai áttétel és a világítás) BME, MOM, fólia

42 XIX. század vége (a kormány a hölgy kezében van, az úr csak pedálozik) BME, MOM, fólia

43 Közvetlen hajtású modell Ezt a kerékpárt tényleg taposni kellett BME, MOM, fólia

44 Áttétellel rendelkező modell Ennél a konstrukciónál is megtalálható az áttétel, a hajtómű BME, MOM, fólia

45 A megvalósított motor-hajtómű egység A mai kerékpárt: már hajtani sem mindig kell. A tárcsás egyenáramú motor és a hajtómű a megnagyobbított első kerékagyba van beépítve BME, MOM, fólia Forrás: TU Ilmenau

46 A motor forgórésze A légréstekercses, tárcsás motor forgórészének tekercselése és a kommutátor BME, MOM, fólia Forrás: TU Ilmenau

47 Léptető motorok Előnyök: Mind a pozicionálás mind pedig a sebességszabályozás visszacsatolás nélkül, vezérléssel megvalósítható, ezért stabilitási problémák nincsenek. A lépéshibák nem összegződnek. Kompatibilisek a modern digitális berendezésekkel. Egyszerű kialakítás Nagy megbízhatóság. Karbantartást nem igényelnek Alacsony ár A szervomotorokhoz képest alapvetően kisebb meghibásodási lehetőség. Hátrányok: A hajtásláncban a szögsebesség egyenlőtlensége miatt rezonancia hatások léphetnek fel. Kis lépésfrekvenciákon egyenlőtlen szögsebesség, a szögsebesség esetenként irányt vált. (kivéve a mikrolépéses vezérlésnél) A nyílthurkú vezérlés eredményeként nem érzékelt lépés (helyzet) vesztés fordulhat elő. A hasznos nyomaték a lépésfrekvencia növelésekor csökken, határesetben zérussá válik. A méret csökkentésnek és a pozicionálási pontosságnak fizikai korlátai vannak. BME, MOM, fólia

48 Léptetőmotorok modellje A legfontosabb ismérvek: a forgórész fogazott lágyvas, vagy állandó mágnes, árambevezetés a forgórészbe nincs. az állórész az óramotorok kivételével többfázisú tekercseléssel rendelkezik. a szögsebesség általában nem egyenletes, a motor darabol, kis lépésfrekvenciáknál a szögsebesség irányt vált. BME, MOM, fólia

49 Léptető motorok nyomaték-lépésfrekvencia jelleggörbéi BME, MOM, fólia

50 Reális léptető motor nyomaték-lépésfrekvencia jelleggörbéi 1: üzemi nyomaték 2: a nyomaték startstop üzemben BME, MOM, fólia

51 Reális léptető motor nyomaték-lépésfrekvencia jelleggörbéi Az állandó feszültséggel hajtás a tekercsek induktivitása miatt kisebb nyomatékot eredményez. BME, MOM, fólia

52 A statikus jelleggörbe M(ϕ)=0 ϕ e M(ϕ)=0 M = hajtó K mágn ( ϕ ϕe ) M hajtó = M B + M J + M t (t) BME, MOM, fólia

53 A dinamikus karakterisztika BME, MOM, fólia

54 A léptető motorok három fő fajtája BME, MOM, fólia

55 Háromfázisú, változó reluktanciájú motor A motor három fázisa nem egy síkban helyezkedik el, ezért három osztatúnak is nevezik. A motor metszete és felépítése. BME, MOM, fólia

56 Háromfázisú, változó reluktanciájú motor A vázlaton egyosztatú, háromfázisú, változó reluktanciájú léptető motor látható. A fázisok itt egy síkban helyezkednek el. BME, MOM, fólia

57 Az állandó mágneses léptetőmotor Az állandó mágneses léptetőmotor felépítése hasonlít az egyosztatú változó reluktanciájú motoréhoz, azonban ezeknél a motoroknál a forgórész nem fogazott és az anyaga állandó mágnes. Az ábrán látható motor forgórészének két mágneses pólusa van, amely a gerjesztésnek megfelelően az állórész két pólusának irányába áll. Ha a két fázis gerjesztését megváltoztatjuk, a forgórész 90 -kal elfordul. A forgásirányt a gerjesztő áram iránya határozza meg. BME, MOM, fólia

58 A hibrid léptetőmotor A hibrid léptető motoroknál gyakran egyetlen, axiálisan mágnesezett állandó mágnest alkalmaznak. Ezeket szokás homopoláris motoroknak is nevezni. BME, MOM, fólia

59 A hibrid léptetőmotor Egy hibrid léptetőmotor álló és forgórésze BME, MOM, fólia

60 Egy homopoláris hibrid léptetőmotor metszete BME, MOM, fólia

61 Hibrid léptető motorok A gyakorlatban alkalmazott hibrid léptető motorok BME, MOM, fólia

62 Tárcsás léptetőmotor Escap gyártmányú, kétfázisú léptetőmotor, axiális mágnesezettségű, speciális kialakítású forgórésszel BME, MOM, fólia

63 A léptetőmotorok vezérlése A léptetőmotorokat vezérlési szempontból két csoportra lehet osztani: unipoláris és bipoláris vezérlésűekre. Az unipoláris motorok jellemzője, hogy a tekercsek középleágazással rendelkeznek, amelyek jellemzően a pozitív tápfeszültségre vannak kötve. A tekercsek kivezetéseit tranzisztorok felváltva a földre kapcsolják. Az unipoláris vezérlés előnye, hogy a vezérlő áramkörnek fázisonként csak két tranzisztort kell tartalmaznia. Hátránya viszont, hogy a beépített rézmennyiségnek csak a fele vesz részt a mágneses tér létrehozásában. A léptetés sebessége növelhető a T=L/R időállandó csökkentésével. BME, MOM, fólia A bipoláris motorok tekercselése egyszerűbb, minden motorfázis csak egy tekercselést tartalmaz, nem található rajtuk középleágazás. Így a motor egyszerűbbé válik, viszont a motor vezérlőáramköre lesz bonyolultabb, mivel a tekercseket nem csak ki és bekapcsolni kell, hanem az áramirányt is meg kell fordítani. A bipoláris vezérlés létrehozásához motorfázisonként négy tranzisztorra van szükség, viszont a teljes beépített rézmennyiség részt vesz a mágneses tér felépítésében, ezért helykihasználásuk nagyobb az unipoláris motorokhoz viszonyítva.

64 A léptetőmotorok vezérlése Unipoláris vezérlés két fázisra előtétellenállással Bipoláris vezérlés egy fázisra előtétellenállással és anélkül BME, MOM, fólia

65 Mikrolépéses vezérlés A mikrolépéses üzemmód esetén a teljes lépést rendszerint 2 hatványai szerint elosztjuk úgy, hogy a motorfázisok árama az ábra szerint alakuljon. Ennek az elektronikus aláosztásnak azonban csak akkor van értelme, ha a mikrolépések a súrlódási és terhelési viszonyok miatt valóban be is következnek. BME, MOM, fólia

66 A léptető motorok fázisszám szerinti osztályozása A fázisszám a léptető motor meghajtását végző áram fázisainak számát jelenti, amelyet az egyes fázisok között lévő fázisszöggel tudunk jellemezni. A fázisszám így a motor függetlenül kapcsolható tekercseinek számát is jelenti, amely konstrukciós alapjellemző. Az alábbi táblázat a fázisszám-fázisszög összefüggést (φ=360º/z) mutatja, azzal a megjegyzéssel, hogy egyfázisú konstrukciót nem lehet készíteni, másrészt öt fázisnál nagyobb fázisszámot gazdaságossági okokból nem érdemes készíteni. Fázisszám (z) fázisszög (φ) tulajdonság csak óraszerkezetekben használják ritkább, mint a négyfázisú 4 90 a leggyakoribb 5 72 a legkisebb lépésszög BME, MOM, fólia

67 Az óramotor Analóg kijelzésű (mutatós) óraszerkezetekben használják. Lényegét tekintve kétfázisú bipoláris léptető motor. Az egyirányú forgást az aszimmetrikus légrés biztosítja. A kvarcvezérlésű elektronika által szolgáltatott jelalak Az óramotor vázlata: gerjesztés nélküli állapot, az áram nulla gerjesztett állapot BME, MOM, fólia

68 Elektronikusan kommutált motorok Az egyenáramú motoroknak velejárója a mechanikus kommutáció. Ugyanakkor ez (a kefe-kommutátor kapcsolat) a legproblematikusabb elem is. Az egyenáramú motorok hátrányos tulajdonságai jórészt ebből következnek: érintkezési bizonytalanság korlátozott élettartam elektromágneses és akusztikus zajok súrlódási veszteségek A mechanikus kommutáló berendezést elektronikusra cserélve megtarthatóak az egyenáramú gépek kedvező tulajdonságai, a fenti hátrányokat megszüntetve. Az elektronikus kommutátorú motorban az állórész és a forgórész szerepe felcserélődik. A forgórész tartalmazza az állandó mágnest, az állórész pedig a tekercselést. Ahhoz, hogy az állórész tekercseit megfelelően kapcsolni tudjuk, a forgórész szöghelyzetét ismerni kell. Ehhez különféle vezérléseket alkalmaznak: Hall generátoros, optoelektronikai, csatolótranszformátoros, indukált feszültséges vezérléseket. BME, MOM, fólia Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek

69 Elektronikusan kommutált motorok Az elektronikusan kommutált motorok elvét, illetve az egyik lehetséges szöghelyzet érzékelést mutatja az ábra. BME, MOM, fólia Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek

70 Elektronikusan kommutált légréstekercses motorok Légréstekercses kommutátoros motor állórész Külső forgórészű elektronikusan kommutált motor I F B I F B U U A mágneses térben elhelyezett vezetékben áram folyik, ez hozza létre az erőt (Lenz törvény) r f forgórész = i l r ds r B akció = reakció BME, MOM, fólia

71 Az EC motorok állórész-tekercselésének típusai Egyfázisú, kétütemű motorok Az egyfázisú tekercselés előnye: az egyszerű kapcsoló elektronika Az egyfázisú tekercselés hátránya: nulla nyomatékú helyek vannak (ezt egyirányú forgás esetén légrés-aszimmetriával lehet kiküszöbölni) BME, MOM, fólia Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek, MK 1990

72 Az EC motorok állórész-tekercselésének típusai Háromfázisú, háromütemű motorok Ahhoz, hogy forgórész minden helyzetében nyomaték keletkezzen, minimum három tekercsre van szükség. A tekercskihasználás kedvezőtlen. Négyfázisú, négyütemű motorok A nagyobb fázisszám miatt kisebb a nyomatéklüktetés és jobb a kihasználás Előnye, hogy az éppen nem gerjesztett tekercsekben keletkező indukált feszültség könnyen felhasználható a tekercsek vezérlésére. BME, MOM, fólia Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek, MK 1990

73 Az EC motorok állórész-tekercselésének típusai Háromfázisú, hatütemű motorok A tekercselés klasszikus háromfázisú tekercselés, amelyet híd táplál Előnyök: a nyomatéklüktetés minimális a kihasználás a legkedvezőbb Háránya: az indukált feszültséggel nem lehet a vezérlést megvalósítani a vezérlés bonyolultabb Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek, MK 1990 BME, MOM, fólia

74 A világ legkisebb sorozatban gyártott EC motorja Példa egy miniatűr méretű elektronikusan kommutált, motorra. A méreteket a gyufaszál jól mutatja. A kép a vezérlő elektronikát nem mutatja. BME, MOM, fólia Forrás: Faulhaber

75 Az előbbi mikromotor és hajtómű robbantott ábrája A motor és hajtómű átmérője 1,9 mm Forrás: Faulhaber BME, MOM, fólia

76 Az elektronikusan kommutált motorok jelleggörbéi A fordulatszám, a teljesítmény és a hatásfok jelleggörbék. A szaggatott vonal A a hőmérséklet hatására bekövetkező változásokat mutatja. A jelleggörbék kezdeti szakasza. BME, MOM, fólia

77 Példák elektronikusan kommutált motorokra Ahol hosszú élettartam, és egyetlen forgásirány szükséges, (pl. ventillátormotorok a számítástechnikában) kifejezetten egy célra kifejlesztett olcsó, elektronikusan kommutált motorokat alkalmaznak. A nulla nyomatékú helyek elkerülését, azaz az indítási nehézségeket mágneses aszimmetriával (a légrés változik a szöghelyzet függvényében) kerülik el. Ezeknek a motoroknak a működése hasonló a reluktancia-motorokéhoz. BME, MOM, fólia

78 Példák elektronikusan kommutált motorokra EC motorok fordulatszám szabályozása A fordulatszám-szabályozáshoz, a hagyományos egyenáramú motortól eltérően, nem szükséges tachogenerátor. Egy armatúratekercs két egymást követő hálózatra kapcsolása között az indukált feszültség előjelet vált, így ebben az időszakban a forgás által előállított indukált feszültség nagysága egyenirányító segítségével fordulatszám-jeladóként felhasználható. A fordulatszámmal arányos simított egyenfeszültséget hídra kapcsoljuk. Névleges fordulatszámnál a híd kiegyenlített állapotban van, ettől eltérő fordulatszám esetén a hídfeszültség nem lesz nulla. Ezt felerősítve a jel alkalmas egy oszcillátor amplitúdójának és ezzel a tranzisztorok munkapontjának változtatására. BME, MOM, fólia

79 Tárcsás (axiális fluxusú) motor forgórész tekercsek állórész N S Hall-szenzor állandó mágnesek előnyök a. Kompakt felépítés b. Nincs reluktancia nyomaték hátrányok a. Nagyobb légrés szükséges, emiatt kisebb a mágneses indukció BME, MOM, fólia Forrás: TU Ilmenau

80 Tárcsás EC motor állandó mágnesek forgórész forgórész vasmagos tekercsek Forrás: TU Ilmenau BME, MOM, fólia

81 Elektronikusan kommutált motor robbantott képe Forrás: Faulhaber BME, MOM, fólia

82 Axiális ventillátorok 25-től 135 mm-ig BME, MOM, fólia

83 Axiális ventilátor forgórész hegesztett lapátokkal BME, MOM, fólia

84 A motor, a vezérlő elektronika és a ventillátor integrációja BME, MOM, fólia

85 Példa elektronikusan kommutált motorokra Háromfázisú elektronikusan kommutált motor rajza és fényképe BME, MOM, fólia

86 Példa elektronikusan kommutált motorokra Szenzoros fúvóka S 2000 BME, MOM, fólia

87 A szenzorral integrált fúvóka Smart actuator 1-hőmérséklet érzékelő 2 - alsó bepattanó rögzítő 5 - kivezetések BME, MOM, fólia

88 Külső forgórészű EC motor golyóscsapágy Hall - érzékelő állórész forgórész a tengellyel mágnes BME, MOM, fólia

89 Belső forgórészű EC motor vezérlő elektronika mágnes az érzékelőhöz golyóscsapágy állórész tekercselés a forgórész mágnese motorház tengely BME, MOM, fólia

90 A DC, a léptető, és az EC motorok összehasonlítása DC Léptető EC Hatásfok legjobb rossz jó Fajlagos teljesítmény legjobb legrosszabb rosszabb Élettartam rövid hosszú hosszú Vezérelhetőség nagyon jó korlátlan, de lépked korlátozott Irányváltás pólusváltás fázissorrend fázissorrend Zavarforrás szélessávú meghatározott fr. meghatározott fr. Számítógép kompatibilitás DA, PWM végfok DA Hajtómű igény van nincs van Szögsebesség folytonosság van nincs van Nyílthurkú vezérlés alkalmatlan alkalmas alkalmatlan Az összehasonlításból látszik, hogy mindig az adott feladat dönti el, hogy melyik motortípust a legcélszerűbb használni. BME, MOM, fólia

91 Árnyékolt (hasított) pólusú aszinkron motorok 5 W-nál kisebb teljesítmények esetében széles körben elterjedt. A gerjesztőtekercset a hálózatra kapcsolva kialakul egy fluxus. Ez a pólusokon két részre oszlik. A fluxus azon része, amelyik az árnyékoló menetekkel is kapcsolódik, az árnyékoló menetekben indukált feszültség hatására folyó áram miatt, fázisban késni fog az árnyékolatlan pólusíven áthaladó fluxushoz képest. Így különböző fázisú, térben is eltolt helyzetű fluxus alakul ki a gépben, amelyek közelítőleg elliptikus forgómezőt hoznak létre. Az árnyékolt pólusú gép indítónyomatéka függ az árnyékoló-menet rezisztanciájától és az árnyékolt pólusív nagyságától. Az árnyékolt pólusú motorok nyomatékfordulatszám jelleggörbéjére jellemző a kis indítónyomaték, valamint a hálózati frekvenciától és a motor kialakításától függő aszinkron üresjárási fordulatszám. BME, MOM, fólia

92 Árnyékolt (hasított) pólusú aszinkron motorok Példák az árnyékolt pólusú motorok kialakítására Az árnyékolt pólusú motorok forgásiránya kötött, (gyártáskor eldől)az árnyékolt pólus helyzete határozza meg. Fordulatszámuk közel állandó. Olyan helyeken használják, ahol van hálózati váltakozó feszültség, egyetlen forgásirányra és viszonylag állandó fordulatszámra van szükség, és a rossz hatásfok is megengedhető. BME, MOM, fólia

93 Piezoelektromos aktuátorok A fordított piezoelektromos effektus: az elektródákra adott villamos feszültség hatására a kristályszerkezet deformálódik, ami elmozdulásként jelentkezik. Jellemző rájuk a néhány μm-es elmozdulási tartomány (0,1%) és az ezen belüli nm-es feloldás, a gyors működés és a viszonylag nagy kifejtett erő, nagy merevség. Alacsony energia-disszipáció, magas hatásfok. A piezokerámiáknál hátrányos tulajdonságként jelentkezik a hiszterézis. Mivel a piezokerámia által kifejtett erő viszonylag nagy, ez lehetőséget ad arra, hogy mechanikai áttételekkel az elmozdulást meg lehessen növelni (mechanikai erősítő). Alkalmazások: A piezoelektromos mikroaktuátorokat nagy sikerrel lehet nm-es feloldású pozicionálásokra alkalmazni. Autofocus, precíziós pásztázó mikrószkópia. BME, MOM, fólia

94 Piezoelektromos aktuátorok hosszváltozása ΔL ΔL μm nagyságrend U 100 V kv nagyságrend U BME, MOM, fólia

95 Az alakváltozások különböző terhelési esetekre Fall a: Belastung eines Piezos mit konstanter Kraft - Nullpunktverschiebung bei gleichbleibender Ausdehnung ΔL N M g F = = C C T T Δ L N ΔL A Δ L 0 A Masse B Δ L 1 Δ L 0 Δ L N Δ L 0 B U Fall b: Belastung eines Piezos mit einer Feder - Reduzierung der Ausdehnung ΔL ΔL R CT = ΔL0( 1 ) C + C S T Δ L R A Δ L 0 B U Δ L 0 A B BME, MOM, fólia

96 Piezoelektromos aktuátorok fontosabb konstrukciós formái F ΔL hosszirányú alakváltozás - L ΔL + keresztirányú alakváltozás hajlítás mechanikai áttétel (nagyítás) BME, MOM, fólia

97 Magnetostrikciós aktuátorok BME, MOM, fólia Különböző ferromágneses anyagoknál, mint például a nikkel-vas ötvözeteknél, a mágneses tér hatására megváltozik az anyag Ennek a változásnak a mágneses permeabilitása. hatására az anyagban feszültségek ébrednek, az anyag deformálódik. Erre a tulajdonságra már az 1960-as években felfigyeltek, és kifejlesztették a Td-Dy-Fe ötvözetet, amelynél meglehetősen nagy magnetostrikciós hatás figyelhető meg. (Terfenol) A magnetostrikció az anyag atomi mágnesezettségének átrendezéséből adódik. A ferromágneses anyagokat mágneses térbe helyezve az anyag domain-szerkezete a mágnesezettség irányának megfelelően átrendeződik (elfordulnak, illetve elmozdulnak a domain-falak). Amikor a rendezettség teljesen végbemegy, a jelenség telítődéses jelleget mutat.

98 Tulajdonságok BME, MOM, fólia Jellemző maximális megnyúlás kb a hexagonális szerkezetű ritka földfémek (Tb, Dy) esetében. A fenti megnyúlások az abszolút nulla fok hőmérsékleten érhetők el, szobahőmérsékleten csak kb A kristályok deformációja miatti hiszterézis igen nagy. Ebből a hiszterézisből következik a szerkezet működés közbeni jelentős melegedése, és a pozicionáló szerkezet hőmérsékletfüggése. A kristálynövesztési technikák fejlődésével egyre jobb tulajdonságú magnetostrikciós anyagokat fejlesztettek ki, ezek a mágneses tér kis megváltozására is nagy alakváltozásra képesek. Ezeket az anyagokat GMA-nak (Giant Magnetostrictive Alloy) nevezik. Mivel a magnetostrikciós aktuátorokat külső mágneses térrel lehet vezérelni, az aktuátor maga vezetékek nélkül képes elmozdulni, számos esetben ez további előnyt jelent. Forrás: Emergen Inc. Az elérhető mozgástartományok 0,01 mm körüli tartományban vannak.

99 Példák Féregmozgást végző aktuátor LSWUM (Linear Standing Wave Ultrasonic Motor) RSWUM (Rotating Standing Wave Ultrasonic Motor) BME, MOM, fólia

100 Emlékező fémes aktuátorok (Shape Memory Alloy, SMA) Az emlékező-fémek (SMA) hőközlés hatására radikálisan megváltoztatják kristályszerkezetüket (martenzitesből ausztenitessé). Az átmeneti hőmérséklet alatti hőmérsékleten rugalmasan jól deformálhatók. Felhevítve az átmeneti hőmérséklet fölé, az ötvözet visszanyeri a deformáció előtti alakját. A hevítés történhet árammal is, mivel a fajlagos ellenállásuk kb. 80 μω/cm. Az SMA ötvözetek közül a Ni-Ti ötvözetek a legismertebbek (Nitinol). Az egyes ötvözetek átmeneti hőmérséklete különböző, a 70 C a leggyakoribb. Előnyük a tömegükhöz képesti nagy munkavégző képességük (nagy erő és elmozdulás). A termodinamikus hatásfokuk azonban alacsony (kb. 95% hőveszteséggel lehet számolni). Az ismételt, dinamikus működést a hűlés befolyásolja, ezért minél magasabb az anyag átmeneti hőmérséklete, annál inkább dinamikusabb működés érhető el. Természetesen ez a bevitt teljesítményben és a hatásfokban is jelentkezik. A hevítés gyorsasága nem befolyásolja a kifejtett erőhatást. Általánosan huzal formájában alkalmazzák (mesterséges izom). A hűlést befolyásolja még a felület/térfogat arány is, ezért vékonyabb huzalok gyorsabb működésre képesek. BME, MOM, fólia

101 Az aktuátortechnikában használatos effektus Az emlékező fémek legfontosabb tulajdonságai: Egyutas működés (max 8%) Kétutas működés, az aktuátortechnikában csak ezt használják, (max 3 5%) Szuperelaszticitás A Nitinol gyakorlatilag nem forrasztható, ezért mechanikai csatlakozásokat kell alkalmazni. BME, MOM, fólia

102 Példák emlékező fémes aktuátorok alkalmazására lépegető robot mesterséges kéz BME, MOM, fólia