INTELLIGENS TERMÉKEK ELEMEI AKTUÁTOROK

Átírás

1 INTELLIGENS TERMÉKEK ELEMEI AKTUÁTOROK Dr. Fekete Róbert Tamás adjunktus Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék BME, D é., 5. e., 412. sz , frt@mogi.bme.hu

2 SZABÁLYOZÁS

3 KONTROLL

4 ENERGIAFAJTÁK, TELJESÍTMÉNYEK Villamos teljesítmény: Mechanikai teljesítmény: Fluid-mechanikai t.: Termikus teljesítmény: Kémiai teljesítmény: (fűtőérték, fogyasztás, hatásfok)

5 ENERGIA FAJTÁK

6 KÉMIAI ENERGIA

7 HELYZETI ENERGIA

8 ÁTALAKÍTÓK Mozgás átalakítók Pl: orsó-anya, fogaskerék-fogasléc, fogaskerék-fogasszíj, zsinórhajtás, forgattyús mechanizmus Energia átalakítók Pl: napelem, napkollektor, gőzgép, gáztűzhely, pneumatikus hajtás, villamos hajtás, belső égésű motor

9 MOZGÁS ÁTALAKÍTÓK (TENGELYKAPCSOLÓK)

10 MOZGÁS ÁTALAKÍTÓK (FORDULATSZÁM ÁTALAKÍTÓK)

11 AKTUÁTOROK OSZTÁLYOZÁSA Elektromágneses (villanymotorok, adattároló) Sugárzási (fény, lézer, CRT, rádióhullám) Hanghullám Termikus (hőtágulási, hőnyomtató) Anyagtulajdonság (folyadékkristály) Kémiai (belsőégésű motorok) Pneumatikus Hidraulikus Piezoelektromos Emlékező fémes Mesterséges izom Magnetostrikciós (ferromágneses anyagok mágneses igénybevétel hatására létrejövő rugalmas alakváltozása)

12 AKTUÁTOROK MEGHATÁROZÁSA Elektromos árammal, olajjal, vagy levegővel működtetett beavatkozó elem, amely képes valamilyen irányító jelnek megfelelő hatás kifejtésére.

13 ROBOT AKTUÁTOROK Helyváltoztatás (pozíció, orientáció) Lépegetés, kerekek, holonomikus hajtás, lánctalpak, légpárna, ugrálás Mozgás Fogás a kezekkel, fej forgása, erőkifejtés, gesztusok Hatáskeltés Lézer, hanghullám, elektromos védelem Jelzések, kommunikáció UI, fényjelek, hangjelek

14

15

16 PNEUMATIKUS AKTUÁTOROK

17 PNEUMATIKUS AKTUÁTOROK

18 PNEUMATIKUS AKTUÁTOROK (ELŐNYÖK) gyors működésű tiszta, nem szennyez (gyógyszer-, élelmiszeriparban is elfogadott), munkavégző elemek felépítése egyszerű, így alacsony a költsége a működtetéshez szükséges sűrített levegő mindenütt előállítható nagy távolságra szállítható, a visszavezetéséről nem kell gondoskodni érzéketlen a hőmérséklet változásokra az erők és a sebesség fokozatmentesen szabályozható lineáris mozgások könnyen megvalósíthatók karbantartást nem igényelnek

19 PNEUMATIKUS AKTUÁTOROK (HÁTRÁNYOK) főként kis tömegekhez alkalmas (7 bar nyomásnál kb N a maximális erő) a levegő összenyomhatósága miatt nem lehet állandó, ill. egyenletes dugattyúsebességet elérni zajos a távozó levegő levegő-előkészítést igényel a sűrített levegő viszonylag drága energiahordozó

20 MESTERSÉGES IZOM

21 HIDRAULIKUS AKTUÁTOROK

22 HIDRAULIKUS AKTUÁTOROK

23 HIDRAULIKUS AKTUÁTOROK (ELŐNYÖK) az olaj összenyomhatatlansága miatt merev rendszer, nagy teherbírás, legmagasabb teljesítmény/saját tömeg arány, kis méreteknél elegendően gyors reagálás, tetszőleges P, I, D stb. jellegű szabályozásra alkalmas, egyenletes mozgás egészen alacsony sebességen (<0.1 mm/s) és nagy teherrel is lehetséges.

24 HIDRAULIKUS AKTUÁTOROK (HÁTRÁNYOK) kiépítés költséges, visszavezető ág kell hidraulika-folyadék számára, szennyezés veszélyes: gyógyszer-, élelmiszeripar kizárja, a hidraulikus tápegység zajos, helyigényes, hűtendő, olajszennyezett, csőtörés esetére biztonsági szelepekre van szükség, csak közepes vagy kis sebességekre alkalmas, a tömítések az elhasználódás miatt gyakori karbantartást igényelnek.

25 HIDRAULIKUS ROBOTKAR

26 VILLAMOS AKTUÁTOROK (ELŐNYÖK) közepes beszerzési ár, gyors és pontos végrehajtásra képes, kis mozgatási sebességekre (0,01 mm/s) is alkalmas a legkifinomultabb mozgásfeladatokra is használható: akár 0,1µm legkisebb beállítható úthossz gyors irányváltás nagy gyorsulások legnagyobb sebességek legmagasabb igényű szabályozási tulajdonságok realizálhatók, a számítógéppel történő szabályozásnak köszönhetően

27 VILLAMOS AKTUÁTOROK (HÁTRÁNYOK) kis nyomaték, nagy fordulatszám miatt gyakran áttétel (1:5, 1:30, de akár 1:1000 is) szükséges, a fogaskerekek kopása és holtjátéka ellen esetlegesen költséges kiviteli kiegészítő válhat szükségessé, áramkimaradás esetére mechanikus fékekre van szükség, a korszerű szinkronmotoros szervohajtások szabályozása bonyolult számítógépes irányítást igényel, a motorok és a teljesítményelektronikai áramkörök túlmelegedés elleni védelme fontos szempont.

28 VILLAMOS MOTOROK FAJTÁI Forgó és lineáris Egyenáramú, váltakozó áramú (szinkron, aszinkron) és léptető Villamos motorok energia közvetítő közege Súrlódó felületek Elektromos tér Elektromágneses tér Piezo motorok v. Ultraszonikus motorok Elektrosztatikus motorok (MEMS) Klasszikus villamos motorok

29 ELEKTROMÁGNESES MOTOROK A forgómozgású motorok egy csőszerű részből és egy hengerszerű részből állnak. A forgó mozgást csapágyazás teszi lehetővé. Az elektromágneses villamos gépek működése két, egymáshoz képest relatív nyugalomban lévő villamos vagy mágneses mező kölcsönhatásán alapul. Az elektromágneses villamos gépek működése reverzibilis, azaz az energiaáramlás iránya megfordítható. Az elektromágneses villamos gépek hatásfoka elméletben tetszőlegesen megközelítheti a 100%-ot.

30 GERJESZTŐ MÁGNESES TÉR Gerjesztés helye lehet: állórész (egy oldalról gerjesztet) forgórész (egy oldalról gerjesztet) mindkettő (két oldalról gerjesztet) A gerjesztést megvalósíthatjuk tekercs segítségével állandó mágnes segítségével Elektromágneses forgó motorok alapvető felépítése Axiális fluxusú Radiális fluxusú

31 LÉPTETŐMOTOR Digitálisan vezérelhető elektromágneses aktuátor, legtöbbször forgó mozgás előállítására. Mikor használjunk léptető motort? Ha a mozgássá átalakítandó információ digitális formában áll rendelkezésre, és a kimenetről nincs visszacsatolásunk, tehát nem szabályozási, hanem vezérlési feladatról van szó. Melyek a léptető motor legfontosabb tulajdonságai felhasználási szempontból? A motor szögsebessége csak kivételes esetben állandó, a meghatározott lépésszög miatt a motor forgórésze csak diszkrét helyzetekben állhat meg, a motor álló helyzetben is fogyaszt, ilyenkor a hatásfoka nulla, digitális rendszerekhez könnyen illeszthető.

32 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.

33 LÉPTETŐMOTOR

34 LÉPTETŐMOTOR

35 LÉPTETŐMOTOR (ELŐNYÖK) széleskörű alkalmazhatóság kis méret, kis költség egyszerű felépítés nem igényel karbantartást nagy megbízhatóság könnyen és pontosan szabályozható hosszú élettartam nem igényel visszacsatolást, illetve szögelfordulást mérő szenzort

36 LÉPTETŐMOTOR (HÁTRÁNYOK) korlátozott a terhelhetőségük (kisebb nyomatékkal és tehetetlen tömeggel terhelhetők) kis sebességnél durva mozgás léphet fel túlmelegedhet nagyobb sebesség esetén zajos lehet alacsony fordulatszám (maximum fordulat/perc) nem számítógépes környezetben bonyolultabb vezérlés drágább

37 EGYENÁRAMÚ (DC) MOTOR Egyenáramú motor elvi felépítése és működése. Ha a tekercsben áram folyik, körülötte mágneses mező létesül, amely igyekszik az állórész mező irányába állni. A forgórész a kommutátorral együtt forog, a kefék az állórészhez rögzítettek, és a kommutátor egymástól elszigetelt lemezein csúsznak. Minden fél fordulatnál a stabil helyzet elérésekor a kommutátor megfordítja a tekercsben folyó áram irányát, így a forgás folytatódik.

38 EGYENÁRAMÚ (DC) MOTOR A hagyományos (kefés) egyenáramú motornál a kefék létesítenek mechanikai kapcsolatot a forgórészen lévő villamos érintkezőkkel (ezt hívják kommutátornak), így elektromos áramkört létrehozva az egyenfeszültségű forrás és az armatúra tekercselése között. Miközben az armatúra forog a tengelye körül, a mozdulatlan kefék kapcsolatba kerülnek a forgó kommutátor különböző részeivel. A kommutátor és kefe rendszer villamos kapcsolók sorozatát alkotják, mindegyik sorrendben kapcsol úgy, hogy az áram mindig az állórészhez (állandómágnes) legközelebb lévő armatúratekercsen folyik keresztül.

39 EGYENÁRAMÚ (DC) MOTOR Az elektromos energia mechanikus energiává való átalakítását Michael Faraday angol tudós mutatta be 1821-ben. Az első villanymotort Jedlik Ányos készítette 1825-ben.

40

41 KOMMUTÁTOR

42 EGYENÁRAMÚ (DC) MOTOR

43 BLDC VAGY ECDC MOTOROK (ELEKTRONIKUSAN KOMMUTÁLT MOTOROK) Egy BLDC motorban az elektromágnesek nem mozognak; helyettük az állandómágnesek forognak és az armatúra marad nyugvó. Ezzel megoldódik az a kérdés, hogy miként lehet átvinni az áramot egy mozgó armatúrába. Ebből a célból a kefe-kommutátor rendszert felváltja egy elektronikus vezérlő. A vezérlő hasonlóan osztja el az áramot, mint az egyenáramú kefés motornál történik, de ez egy félvezetős áramkör a kefe-kommutátor rendszer helyett.

44 BLDC VAGY ECDC MOTOROK (ELEKTRONIKUSAN KOMMUTÁLT MOTOROK)

45 BLDC VAGY ECDC MOTOROK (ELEKTRONIKUSAN KOMMUTÁLT MOTOROK) Az egyenáramú motoroknak alapvető jellemzője a mechanikus kommutáció. Egyúttal ez, tehát a kefék, a kommutátor, és különösképpen a kettő kapcsolata a legproblematikusabb része az egyenáramú motoroknak. Leginkább a kefék, de legtöbbször a kommutátor is kopnak, a motor élettartama során elhasználódnak. Mivel a működéshez az áramot a forgásban lévő forgórész tekercseibe kell vezetni, ez csak kisebbnagyobb szikrázások árán lehetséges, amely viszont zavarforrást jelent minden elektronikus készülék számára. Az egyenáramú motorok hátrányos tulajdonságai jórészt a kefekommutátor kapcsolat tökéletlenségeiből következnek. érintkezési bizonytalanság korlátozott élettartam elektromágneses és akusztikus zajok súrlódási veszteségek

46 BLDC VAGY ECDC MOTOROK (ELEKTRONIKUSAN KOMMUTÁLT MOTOROK) Az egyenáramú motoroknak alapvető jellemzője a mechanikus kommutáció. Egyúttal ez, tehát a kefék, a kommutátor, és különösképpen a kettő kapcsolata a legproblematikusabb része az egyenáramú motoroknak. Leginkább a kefék, de legtöbbször a kommutátor is kopnak, a motor élettartama során elhasználódnak. Mivel a működéshez az áramot a forgásban lévő forgórész tekercseibe kell vezetni, ez csak kisebbnagyobb szikrázások árán lehetséges, amely viszont zavarforrást jelent minden elektronikus készülék számára. Az egyenáramú motorok hátrányos tulajdonságai jórészt a kefekommutátor kapcsolat tökéletlenségeiből következnek. érintkezési bizonytalanság korlátozott élettartam elektromágneses és akusztikus zajok súrlódási veszteségek

47 BLDC VAGY ECDC MOTOROK (ELEKTRONIKUSAN KOMMUTÁLT MOTOROK) A mechanikus kommutáló berendezést, tehát a keféket és a kommutátort elektronikus berendezéssel kiváltva megtarthatóak az egyenáramú gépek kedvező tulajdonságai, és ezzel az előbbi hátrányok megszüntethetőek. Hogyan lehet ezt a célt elérni? Mivel a tekercsek kapcsolgatása csak álló rendszerben lehet problémamentes, az elektronikus kommutátorú motorban az állórész és a forgórész szerepe felcserélődik. Ezeknél a motoroknál a forgórész tartalmazza az állandó mágnest (ebbe így nyilvánvalóan nem kell áramot vezetni), a tekercselés pedig áll, ez képezi az állórészt, amelynek tekercseiben folyó áramot azonban kommutálni kell, méghozzá elektronikus eszközökkel, (ezek gyakorlatilag kapcsoló tranzisztorok). Ahhoz, hogy az állórész tekercseit megfelelően kapcsolni tudjuk, a forgórész szöghelyzetét a motornak magának ismernie kell. Ehhez különféle érzékelőket és vezérléseket használnak: Hall generátoros, optoelektronikai, csatolótranszformátoros, indukált feszültséges vezérléseket.

48 REZGETŐ MOTOR A MOBILTELEFONOKBAN egyenáramú motor excentrikus tömeg

49 TÁRCSÁS ÉS HENGERES KONSTRUKCIÓK REZGETŐ TÖMEG TENGELLYEL

50 HELIKOPTER INTEGRÁLT VENTILLÁTOR

51 BLDC VAGY ECDC MOTOROK

52 EGYENÁRAMÚ, LÉPTETŐ, ELEKTRONIKUSAN KOMMUTÁLT MOTOROK ÖSSZEHASONLÍTÁSA DC léptető EC Hatásfok legjobb rossz jó Fajlagos teljesítmény legjobb legrosszabb rosszabb Élettartam rövid hosszú hosszú Vezérelhetőség nagyon jó korlátlan, de lépked rossz Irányváltás pólusváltás fázissorrend fázissorrend Zavarforrás szélessávú meghatározott fr. meghatározott fr. Hajtómű igény van nincs van Szögsebesség folytonosság van nincs van Nyílthurkú szabályozás alkalmatlan alkalmas alkalmatlan

53 VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ (AC) MOTOR Állórészre szinuszos váltóáram kapcsolása Szinkron és aszinkron típus

54 VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ (AC) MOTOR

55 ASZINKRON MOTOROK (INDUKCIÓS) Az aszinkron gép más néven indukciós motor a legáltalánosabban használt, legegyszerűbb szerkezetű villamos forgógép, s mint ilyen egy forgó és egy álló részből tevődik össze. A gyakorlatban az egyik legelterjedtebb villamos gép. Kisebb teljesítményre általában egyfázisú, míg nagyobb teljesítmény esetében kizárólag háromfázisú kivitelben készül. Hátránya: fordulatszám változtatás csak külön költséges berendezéssel, vagy kialakítással biztosítható.

56 ASZINKRON MOTOROK (INDUKCIÓS)

57 ASZINKRON MOTOROK (INDUKCIÓS) Az aszinkron gép állórészén általában többfázisú tekercselés található, amely forgó mágneses mezőt hoz létre. A forgó mágneses tér erővonalai metszik a forgórész tekercselését, és abban feszültséget indukálnak. Mivel a tekercselés zárt, vagy rövidre zárt áramkört alkot, az abban indukálódott feszültség hatására a körben áram folyik. Lenz-törvénye értelmében az így indukált áram akadályozni igyekszik az őt létrehozó indukáló folyamatot, ezért a forgórész elfordul, így igyekezvén megakadályozni az erővonalmetszést, és vele az indukciót. Természetesen a forgórész soha nem érheti el az állórész forgó mágneses mezőjének értékét, mivel akkor megszűnne az erővonalmetszés, ezt az elcsúszást nevezik szlipnek.

58 ELEKTROSZTATIKUS MOTOROK Coulomb-törvény Tekercs helyett kondenzátorok a forgórészen

59 LINEÁRIS MOTOROK

60 LINEÁRIS MOTOR

61 LINEÁRIS MOTOR

62 MAGLEV

63 LINEÁRIS AKTUÁTOR

64 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. Előnyük a tömegükhöz képesti nagy munkavégző képességük (nagy erő és elmozdulás). 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 A hűlést befolyásolja még a felület/térfogat arány is, ezért vékonyabb huzalok gyorsabb működésre képesek.

65 EMLÉKEZŐ FÉMES AKTUÁTOROK (SHAPE MEMORY ALLOY, SMA) Egyutas működés Kétutas működés, az aktuátortechnikában csak ezt használják

66 PIEZO-AKTUÁTOROK

67 PIEZO-AKTUÁTOROK ahol egyéb okok miatt nem lehet ferromágneses anyagokat használni a kristályok belső szerkezeti irányai szerint más-más mértékben nő a hosszuk a működtető feszültségre, térfogatuk gyakorlatilag állandó, azaz keresztirányban a feszültségimpulzus alatt összehúzódnak, tartósan ráadott feszültséggel nem vezérelhetők, erő alatti deformációk nem hanyagolhatók el, tehát túl nagy terhelés alatt nem reagálnak a rákapcsolt feszültségre, mozgatásuk hiszterézissel történik, a visszahúzódás nem a kezdetre történik