4.1.1.2.7 Relunktačné motory

Relunktačné motory sú charakteristické tým, že na rotore nie je žiadne vinutie ani permanentný magnet. Rotor je zložený len z vhodne tvarovaných plechov. Podobne ako pri krokových motoroch s premennou reluktanciou vzniká otáčavý moment v dôsledku rozdielnych magnetických odporov (relunktácií) nerovnomernej vzduchovej rezervy a vhodného napájania statorového vinutia. V posledných rokoch sa riešenie relunktačného motora vyznačuje nerovnakým počtom pólov rotora a statora a riadiacou jednotkou, z ktorej je motor napájaný. Takýto motor býva označovaný ako spínací relunktačný motor (SRM). Zásluhou jednoduchej konštrukcie rotora sa dajú získať vysoké otáčky rotora (až 100 000 l/min.), samozrejme s vysokými nárokmi na prevedenie ložísk. Motory môžu precovať aj v prostredí s relatívne vysokou teplotou okolia.

Ako zvláštny pohon môžeme označiť striedavý relunktačný motor v radiálnom usporiadaní (na zníženie dĺžky) s rotorom uloženým v magnetickom ložisku. Axiálnu a radiálnu pozíciu rotora udržuje prúd cievkami umiestnenými v statore. Informáciu o okamžitej polohe dávajú indukčné senzory. Rotačný pohyb je vyvolaný prepínaním prúdu budiacich cievok tak, ako u bežného relunktačného motora. Riadiaca jednotka tak môže riadiť otáčavú rýchlosť v rozmedzí 0-4 000 l/min. Tento akčný člen s magnetickou levitáciou (magnetickým závesom) je známy pod názvom MagLev [22]. Princíp bol využitý aj pre konštrukciu lineárneho pohonu.


4.1.1.2.8 Lineárne pohybové systémy

Lineárne pohybové systémy sa vyrábajú v modulárnom usporiadaní. Ich translačný pohyb môže byť vyvodený:

-lineárnym elektromotorom (princíp pôsobenia podľa druhu motora);

-pneumatickým pohonom;

-hydraulickým pohonom.

V prvom zmienenom prípade tvorí mechanické diely lineárneho modulu pohyblivá časť motora s primárnym vinutím motora, meniaca svoju polohu na permanentne zmagnetizovanej vodiace tyči obmedzenej dĺžky, ktorá je sekundárnou časťou motora. Pohyblivá časť motora má guličkové vedenie dráhy. Jednotka obsahuje lineárny enkodér a koncové bloky. Nemá rotujúce časti ani prevody rotačného pohybu na priamočiary. Dĺžka dráhy lineárneho motoru môže byť 2 000 mm, vyvodená sila 1 000 N, rýchlosť 2,6 m/s a zrýchlenie do 150 m/s2. Elektrická konštanta motora 1,06 ms [12].

Časté sú riešenia s prevodom rotačného pohybu na priamočiary pohyb.

Pohonom môže byť aj krokový sevomotor. Jeho malý moment vyvoláva po prevode s konštantou posuvu niekoľko mm/otáčku silu až 150 N. Pohybový systém je opatrený vodiacou koľajnicou a dosahuje maximálneho zrýchlenia až 6 m/s2 a najväčšej rýchlosti 0,2 m/s [13].

Riešenia inteligentných pneumatických pohonov Interakt spoločnosti Hoerbiger-Origa spočíva v začlenení všetkých ovládacích a signalizačných prvkov vrátane rozhrania zbernice AS-i do riadiacej jednotky, ktorá je súčasťou pohonu [22]. Priamočiare jednotky pneumatických valcov alebo bezpiestnicových lineárnych pohonov je možné pomocou zbernice prevádzkovať vo vzdialenosti až 300 m od komunikačnej jednotky.

4.1.2 Akčné členy s elektrickým poľom

Táto skupina akčných členov využíva silové účinky elektrostatického poľa. Keďže je však hustota energie elektrického poľa malá, nachádza princíp svoje uplatnenie len v špeciálnych prípadoch, napr. v meracej technike. Pre akčný člen tvaru doskového kondenzátora je typická príťažlivá sila, ktorou elektrické pole pôsobí na elektródy akčného člena.

Rovnakosmerné napätie U vybudí medzi elektródami elektrického poľa o intenzite E = U/h. Zvážme ďalej kapacitu doskového kondenzátora

C = ere0 S/h
kde er je relatívna permitivita prostredia, e0 je permitivita vákua, S efektívna plocha elektród a h vzdialenosť medzi elektródami.

Energia elektrického poľa akumulovaná v kondenzátore o kapacite C je

W = 1/2 CU2

Ak sa zmenší pri konštantnom napätí U vzdialenosť medzi elektródami o Δh, tak sa zväčší energia poľa medzi elektródami o ΔW

ΔW = ere0.S .U2/2h2Δh

pričom

ΔAp = ΔF.Δh = ΔW

Z toho príťažlivá sila

F = ere0S .U2/2h2

4.1.3 Akčné členy využívajúce vlastnosti inteligentných materiálov

Moderné elektromechanické výkonové prevodníky sa dajú charakterizovať snahou o:

-integráciu senzorických a aktuačných funkcií s mechanickým systémom;

-zmenšenie rozmerov pri maximálnom využití vlastností použitých materiálov;

-využitie počítačových prostriedkov podporujúcich konštrukciu (CAD).

Táto tendencia je zrejmá zvlášť pri novej generácii elektromagnetických akčných členov s priamou premenou elektrickej energie na mechanickú. Jú tak ovplyvňované významné aplikačné oblasti, ako sú:

-automobilová technika (riadenie spaľovacieho procesu, jazdný komfort);

-letectvo a kozmonautika (aktuátory elektroaktívneho riadenia letu, riadené prečerpávanie paliva);

-biomedicínske inžinierstvo (diagnostika, pohyby protéz a ortéz);

-strojárenská výroba (mikroobrábanie, presné merania);

-automatizácia v domácnosti.

Významný podiel na tomto trende majú moderné materiály s pasívnymi vlastnosťami (kompozitné magnetické materiály), alebo elektroaktívnymi vlastnosťami (piezoelektrické a elektrostrikčné materiály, magnetostrikčné zliatiny a materiály s tvarovou pamäťou). V súčasnej dobe sú také materiály označované ako inteligentné materiály.

Zaoberať sa teraz budeme akčnými členmi, ktoré na vyvodenie silových účinkov na výstupe (mechanické posunutie, sila, deformácia) využívajú vlastnosti vybraných inteligentných materiálov. Takéto prevodníky môžu byť na vstupe budené elektrickým alebo magnetickým poľom, mechanickým napätím, teplom alebo svetlom. Môžeme ich označovať názvom aktuátory pevnej fázy.

Ďalej sa budeme venovať elektroaktívnym látkam, ktoré vykazujú deformáciu vyvolanú elektrickým poľom v dôsledku existencie obráteného piezoelektrického javu a sú preto využiteľné pre konštrukciu akčných členov.

Pozn.: Je vhodné pripomenúť, že v takejto látke sa môže uplatniť aj priamy piezoelektrický jav, kedy polarizácia a vznik elektrického poľa sú spôsobené mechanickým napätím, resp. deformáciou telesa. Tento ja je využiteľný pre konštrukciu senzorov vybraných mechanických veličín.

4.1.3.1 Materiály s tvarovou pamäťou

Materiály s tvarovou pamäťou sú významnou a rozvíjajúcou sa skupinou inteligentných materiálov. Ide o zliatiny, ktoré pri teplote fázového prechodu (alebo tiež transformačnej teplote) menia svojú kryštalickú štruktúru a tvar. Typickými predstaviteľmi sú zliatiny Cu-Al-Ni, prípadne Ni-Ti-Cu, Ti-Pa-Ni a mnohé ďalšie. Pri teplotách nižších než je transformačná teplota má teleso zhotovené z Cu-Al-Ni orthorhombickú štruktúru a môže byť trvalo deformované. Pri zahriatí nad transformačnú teplotu prejde do tzv. vysokoteplotnej, kubickej štruktúry a vráti sa do tvaru, ktorý malo pred deformáciou. Vravíme, že teleso má tvarovú pamäť. Efekt novej a novej aplikácie zvlášť v lekárstve (steny pri terapii kardiovaskulárnych chorôb), v zubnom lekárstve, v mikroelektromechanických systémoch (MEMS), kde sú realizované mikroaktuátory (miniaturizované akčné členy), zhotovené z materiálov s tvarovou pamäťou.

4.1.3.2 Piezoelektrické materiály

Piezoelektrické materiály menia priamo elektrickú energiu na mechanickú a naopak (priamy a obrátený piezoelektrický jav). Piezoelektrické vlastnosti majú mnohé

-kryštály bez stredu súmernosti (kremeň);

-polykryštalické, elektrickým poľom polarizované látky (PZT keramika na báze tuhých roztokov oxidov olova, zirkónu a titánu);

-kompozitné látky (nepiezoelektrická látka v istom pomere s piezoelektrickou);

-zpolarizované polyméry (polyvinildifluorid-PVDF);

-niektoré biologické látky (kosti)

Ich podstatnou výhodou je možnosť využitia oboch typov piezoelektrického javu, a to pre senzorické a aktuačné funkcie, pripadne pre rezonančný režim piezoelektrického prvku.

Podľa smeru sily pôsobiacej na vzorku z piezoelektrickej látky a usporiadania elektród môžeme pre oba piezoelektrické javy rozlišovať mechanické posunutia na šírku aj na dĺžku, priečne a strižne. Deformácia telesa v dôsledku pôsobiacej sily (mechanického napätia) môže byť v jednej osy, potom S = th/h, kde h je pôvodná hrúbka alebo dĺžka vzorky a th je mechanické posunutie v príslušnom smere.

Väzby elektrických a mechanických veličín a vlastnosti pieoelektrickej látky popisujeme pomocou rovníc, ktoré obsahujú tzv. materiálové konštanty. Najdôležitejšie z nich a niektoré ďalšie sú:

-piezoelektrická deformačná konštantna d;

-piezoelektrická napäťová konštanta g;

-koeficient elektromechanickej väzby k;

-činiteľ mechanickej kvality Q;

-akustická impendácie Za piezoelektrického telesa.

Závislosť deformácie piezoelektrického telesa S na elektrickom poli E je prejavom obráteného piezoelektrického javu

S= d .E

Vzťah je dôležitý pre posúdenie piezoelektrických aktuátorov.

Naopak vznik elektrického poľa E pôsobiacim mechanickým napätím T vyjadruje vzťah

E = -g .T

Vzťah medzi čisto mechanickými veličinami definuje rovnice

S = s.T

V ktorej S označuje deformáciu telesa, s elastický koeficient materiálu telesa a T mechanické napätie, ktoré je v tomto prípade príčinou vzniku deformácie.

Koeficient elektromechanickej väzby, vyjadrovaný obvykle mocninou k2, vyjadruje pomer akumulovanej mechanickej energie a vstupnej energie pre akumulátory, resp. opačný pomer pre senzory.

Činiteľ mechanickej kvantity Q nám pomôže posúdiť ostrosť rezonančnej krivky kmitajúceho piezoelektrického telesa.

Konečne akustická impedancia Za je parametrom charakterizujúcim prenos akustickej energie medzi dvoma prostrediami. Uplatní sa zvlášť v prípadoch, kedy výkonový ultrazvukový prevodník vysiela ultrazvukové vlny do prostredia s rôznymi akustickými impedanciami. Pre pevnú piezoelektrickú látku je

Za = (p.c)1/2

Kde p je hustota látky a c označuje elastický modul.

Piezoelektrické teleso má svoje materiálové, teda elastické, piezoelektrické a dielektrické vlastnosti závislé na polohe bodu telesa vzhľadom k súradnému systému. Hovoríme, že látka má anizotropné vlastnosti. Tieto vlastnosti sú charakterizované materiálovými konštantami.

Vzájomné súvislosti elastických, piezoelektrických a dielektrických vlastností piezoelektrickej látky vyjadrujú piezoelektrické stavové rovnice. Platí obvykle pre konštantnú teplotu a adiabatický dej. Tvorí sústavu štyroch dvojíc rovníc popisujúcich oba piezoelektrické javy. Uvedieme len jedinú stavovú rovnicu, ktorá vyjadruje javy v piezoelektrickom prostredí, namáhanom mechanickým napätím a elektrickým poľom. Vyjadruje deformáciu Sy:

Sy = seyuTu + djyEj

V tejto rovnici seyu je elastický koeficient, definovaný pre konštantné elektrické pole, djy je piezoelektrický koeficient, Tu je mechanické napätie a Ej elektrické pole. Podľa tejto rovnice je výsledná deformácia S piezoelektrickej tuhej látky spôsobená jednak mechanickým napätím T, jednak piezoelektrickým deformačným príspevkom dE elektrického poľa E. Vo vzťahu vystupujú veličiny, ktoré sú matematicky popísané tzv. tenzory (indexy y, u nadobúdajú hodnôt 1-6, index j hodnôt 1-3). Tenzormi sa môžete zaoberať pri hlbšom štúdiu na vysokej škole.

Väzba elektrickej a mechanickej energie piezoelektrického prostredia je využiteľná aj pre ďalšie aplikácie, z ktorých najvýznamnejšie sú:

-piezoelektrické rezonátory;

-zariadenia pre konverziu energie (vysokonapäťové generátory, prípadne piezoelektrické transformátory).