Như đã tóm tắt trong các chương trước, một hệ thống Cơ điện tử có thể được chia thành các khốichức năng như trong hình 20.1. Trong chương này, chúng tôi sẽ tập trung vào phần cơ cấu chấp hànhcủa hệ thống. Đặc biệt, chúng tôi sẽ đưa ra các thảo luận chung về các dạng cơ cấu chấp hành cơ điện vànhững ảnh hưởng của tải trọng hay môi trường vật lý đến chúng. Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét cácthành phần điện tử cơ bản cần thiết cho việc điều chỉnh năng lượng điện.
20 Cơ cấu chấp hành Rymantas Tadas Tolocka Kaunas University of Technology Stefano Pastorelli Politecnico di Torino 20 20-1 20.1 Cơ cấu chấp hành Cơ điện 20-1 20.2 Máy điện 20-30 20.3 Cơ cấu chấp hành áp điện 20-47 20.1 Cơ cấu chấp hành Cơ điện George T.-C Chiu Giới thiệu Như tóm tắt chương trước, hệ thống Cơ điện tử chia thành khối chức hình 20.1 Trong chương này, chúng tơi tập trung vào phần cấu chấp hành hệ thống Đặc biệt, đưa thảo luận chung dạng cấu chấp hành điện ảnh hưởng tải trọng hay môi trường vật lý đến chúng Tiếp theo, xem xét thành phần điện tử cần thiết cho việc điều chỉnh lượng điện HÌNH 20.1 Hệ thống Cơ điện tử cấu chấp hành HÌNH 20.2 Sơ đồ chức 20-1 Metechvn.com Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 20.3 Cơ cấu chấp hành thuỷ lực điện Một hệ thống Cơ điện tử chia cách tương đối thành phần lượng cao tương tác với môi trường vật lý phần lượng thấp xử lý liệu, hình 20.1 Cảm biến cấu chấp hành thiết bị thực nhiệm vụ điều chỉnh chuyển hoá lượng Bởi cấu trúc cấu chấp hành mơ tả hình 20.2 Thơng thường cấu chấp hành thiết bị chuyển đổi lượng Tuy nhiên, với phát triển điện tử công suất, cách tổng quan coi cấu chấp hành bao gồm phần khuếch đại công suất Một cấu chấp hành thuỷ lực tuyến tính, hình 20.3, phân loại tương tự, van cuộn (spool valve) khối khuyếch đại/điều chỉnh cơng suất với vị trí van tín hiệu điều khiển áp suất/lưu lượng chất lỏng nguồn lượng Xi lanh thuỷ lực hoạt động thiết bị chuyển đổi từ thủy sang dạng Với hệ cấu chấp hành điện thông thường động điện chiều (hình 20.3), khối khuếch đại cơng suất phần truyền động cho động cơ, khuếch đại mức tín hiệu điều khiển (dịng điện/cơng suất nhỏ) tới tín hiệu cơng suất cao (dịng điện lớn), dùng để chuyển lượng điện thành lượng dựa nguyên lý điện từ Trong chương này, phần đầu khái quát dạng cấu chấp hành điện Chúng chia thành nhóm có cấu chuyển đổi lượng tương ứng Các thành phần điện tử công suất điốt, thyristor, transitor, dùng để khuếch đại công suất điều chỉnh giới thiệu thông qua việc xây dựng khối khuếch đại công suất Cuối kết luận số vấn đề liên quan tới cấu chấp hành điện Các dạng cấu chấp hành điện - Nguyên lý hoạt động Nguyên lý chung cấu chấp hành điện chuyển lượng điện sang lượng Có nhiều dạng cấu khác nhau, ví dụ cấu chuyển đổi trực tiếp chuyển đổi áp điện cấu chuyển đổi qua trung gian từ trường Các cấu chấp hành điện phổ biến giới thiệu cách khái quát sau đề cập chi tiết mục nhỏ Điện từ - Từ trường Điện từ phương pháp chuyển đổi lượng ứng dụng phổ biến cấu chấp hành điện Một lý sử dụng từ trường thay điện trường mật độ lượng từ trường cao Vùng khơng khí chia phần tĩnh (stator) phần chuyển động cấu chấp hành điện nơi diễn chuyển đổi lượng điện Tổng số lượng đơn vị vùng từ trường bậc lượng lượng đơn vị tương đương điện trường Luật Lorentz lực điện từ luật Faraday cảm ứng điện từ hai nguyên tắc chi phối cấu chấp hành điện từ Trước vào chi tiết điện từ, giới thiệu định nghĩa từ trường từ thông 20-2 Cơ cấu chấp hành r r Từ thông tồn có từ trường Độ lớn từ trường H (A/m) mật độ từ thông B (tesla [T]) liên quan với độ từ thẩm vật liệu Trong chân không, mật độ từ thông tỉ lệ với độ lớn từ trường công thức sau: r r B = m0 ×H (20.1) Trong m0 = [T m/A] số độ thẩm từ Với vật liệu từ sắt từ khác, công thức tính sau: ur uur uur B = mr (H ) ×m0 ×H (20.2) r Trong đó, mr ( H ) độ từ thẩm ứng với loại vật liệu Hình 20.4 đường cong đặc trưng BH µ- H Luật Lorentz lực điện từ Khi vật dẫn mang dòng điện đặt từ trường, chịu tác động lực cảm ứng theo công thức ur r ur F = i´ B (20.3) HÌNH 20.4 Biểu đồ µ- H biểu đồ B-H HÌNH 20.5 Lực điện từ Lorentz r r r Trong F vectơ lực, i vectơ dịng điện, B mật độ từ thông Lực gọi lực điện từ hay lực Lorentz Nếu vật dẫn có độ dài L mang dịng điện i không đổi đặt vùng từ thông B không đổi, hình 20.5, độ lớn lực Lorentz tính theo cơng thức: ur F = F = BLi (20.4) Định luật Faraday cảm ứng điện từ Chuyển động vật dẫn từ trường sinh suất điện động (emf), hay hiệu điện thế, hai đầu vật dẫn: emf = E = - Trong f = r r ịĐB dA df dt (20.5) từ thơng Với vật dẫn có độ dài L chuyển động với tốc độ v từ trường khơng đổi vng góc với bề mặt A, hình 20.6, độ lớn suất điện động cảm ứng (hiệu điện thế) là: em f = E = B Lv (20.6) 20-3 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 20.6 Suất điện động cảm ứng r r Có phương pháp để tạo từ trường H , hay mật độ từ thơng B mong muốn dùng nam châm vĩnh cửu sử dụng luật Boit–Savart Luật Boit–Savart Một vật dẫn mang điện dài (vô hạn), thẳng, cảm ứng từ trường quanh vật dẫn hình 20.7 Mật độ từ thông khoảng cách r vuông góc từ vật dẫn tính theo cơng thức: B = mr m0 ×i 2p r HÌNH 20.7 Từ trường sinh vật dẫn mang dịng điện (20.7) HÌNH 20.8 Từ trường cảm ứng cuộn cảmTrong đó, i dòng điện Nếu ta bẻ cong vật dẫn mang dòng điện thành dạng cuộn cảm xoắn ốc với N vòng (solenoid), cảm ứng từ trường tương ứng mơ tả hình 20.8 Nếu độ dài cuộn cảm L lớn đường kính D nó, mật độ từ thông xác định theo quy tắc bàn tay phải độ lớn xấp xỉ B = m N ×i L (20.8) m = mr m0 độ từ thẩm vật liệu cuộn cảm i dòng điện qua cuộn dây Đại lượng khuếch đại cách cài lõi sắt từ cuộn cảm để tăng độ thẩm từ Cuộn cảm sử dụng rộng rãi thiết bị điện từ cho việc tạo từ trường điều khiển thường liên quan tới nam châm điện 20-4 Cơ cấu chấp hành HÌNH 20.9 Phân loại cấu chấp hành kiểu cuộn cảm (Courtesy of Shih Hsing Industrial Co., Ltd.) HÌNH 20.10 Một cuộn cảm thông thường Thiết bị kiểu cuộn cảm (Solenoid Type Devices) Cuộn cảm (nam châm điện có lõi), hình 20.9, dạng cấu chấp hành điện từ đơn giản dùng phát động dạng thẳng quay cho van, khố chuyển mạch (cơng tắc) rơle Như tên gọi ra, cuộn cảm solenoid bao gồm khung sắt tĩnh (stator), cuộn cảm, lõi sắt từ có dạng pittơng (phần ứng) cuộn cảm hình 20.10 Khi cuộn cảm cung cấp lượng, từ trường cảm ứng cuộn cảm Phần lõi di chuyển thu hẹp khe hở khơng khí pittơng khung sắt stato tĩnh làm tăng từ thơng móc vịng Lực từ sinh xấp xỉ tỉ lệ với bình phương dịng điện i tỉ lệ nghịch với bình phương diện tích khe hở khơng khí δ, gọi hành trình cuộn cảm: F¥ i2 d2 (20.9) Như hình 20.11, với hành trình nhỏ 0.060 in., pittông dạng mặt phẳng cần lực kéo đẩy lớn pittông 60° từ 3-5 lần Với hành trình lớn khoảng 0.750 in., pittơng 60° có lợi lớn pittơng thẳng Khi cuộn cảm không cấp lượng, từ trường giảm pittơng trở vị trí cũ nhờ tải trọng thân nhờ lò xo kéo trở lại Tất cuộn cảm tuyến tính kéo pittơng vào cuộn cảm cung cấp lượng Cuộn cảm dạng đẩy thực cách kéo dài pittơng qua lỗ vị trí dừng cuối (back-stop), hình 20.12 Do cấp lượng, pittông tiếp tục đẩy cuộn cảm, phần kéo dài sinh chuyển động đẩy từ phần cuối cuộn cảm Khi cuộn cảm không cấp lượng pittơng tự chuyển động trở vị trí ban đầu nhờ tải thân (trọng lượng tải) nhờ lực lị xo, cung cấp phần khơng thể thiếu cuộn cảm HÌNH 20.11 Đường cong lực-hành trình cuộn cảm (Courtesy of Magnetic Sensor Systems) 20-5 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 20.12 Các dạng cuộn cảm đẩy kéo (Curtesy of Ledex® & Dormeyer® Products) HÌNH 20.13 Các cuộn cảm dạng quay (Courtesy of Ledex® & Dormeyer® Products) Các cuộn cảm dạng quay sử dụng ổ bi để di chuyển xuống theo hướng đường vòng ổ bi biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay Khi cuộn cảm cấp lượng, pittơng kéo phía stator quay góc xác định đường vịng ổ bi, Hình 20.13 Một rơle điện (EMR) thiết bị sử dụng cuộn cảm để đóng hay mở liên kết khí (cơng tắc) dây dẫn điện cơng suất lớn Một rơle thực chức tương tự transitor công suất, dùng lượng điện nhỏ để điều khiển dòng điện lớn Điểm khác rơle có khả điều khiển mức dòng điện lớn nhiều Sự khác cấu là: số rơle có nhiều điểm tiếp xúc, số lại bị kết nang (encapsulated), số lại có mạch điện gắn liền làm trễ tiếp xúc khép kín sau khởi động số khác ví dụ mạch điện thoại, lại di chuyển qua loạt vi trí bước (được kích hoạt khơng kích hoạt) cung cấp lượng khơng cung cấp lượng Thiết kế/lựa chọn Lực, hành trình, nhiệt độ vịng qt điểm cần cân nhắc thiết kế/lựa chọn cuộn cảm Một cuộn cảm tuyến tính cấp tối đa lực 30lb từ đơn vị ¼ in độ dài Một cuộn cảm quay cung cấp momen 100lb từ đơn vị nhỏ ¼ in chiều dài Như hình 20.11, quan hệ lực hành trình sửa cách thay đổi thiết kế số phận bên Tăng dịng điện tới cuộn cảm để đạt lực đầu Tuy nhiên dòng điện lớn lại có xu hướng làm tăng nhiệt độ cuộn dây, điện trở dây dẫn tăng Điều dẫn tới giảm lực đầu Các cuộn cảm thường có dải hoạt động với vịng qt liên tục khơng liên tục Một cuộn cảm với 100% vịng qt cấp lượng điện áp định mức liên tục tổng nhiệt độ cuộn cảm không vượt qua dải tối đa cho phép, cuộn cảm có vịng qt khơng liên tục có thời gian "on" cho phép khơng vượt q Cuộn cảm vịng khơng liên tục cung cấp lực lớn cuộn cảm liên tục Nhiệt độ hoạt động tối đa cuộn cảm định dải nhiệt độ vật liệu cách điện dùng cuộn dây (Bảng 20.1) BẢNG 20.1 Dải nhiệt độ vật liệu cách điện Phân loại 20-6 Dải nhiệt độ Loại (lớp) A Loại (lớp) 105 1050C 221 0F Loại (lớp) E Loại (lớp) 120 1200C 248 0F Loại (lớp) B Loại (lớp) 130 1300C 266 0F Loại (lớp) F Loại (lớp) 155 1550C 311 0F Loại (lớp) H Loại (lớp) 180 1800C 356 0F Cơ cấu chấp hành Loại (lớp) N Loại (lớp) 200 2000C 392 0F HÌNH 20.14 Động cuộn dây động Động cuộn dây động (Voice-Coil Motors) (VCMs) Động cuộn dây động (voice-coil motor) có ứng dụng bắt nguồn từ loa phát Hiện dùng rộng rãi đầu đọc/ghi ổ đĩa cứng Khi cuộn cảm chuyển động, VCM cấu chấp hành cuộn cảm động VCM bao gồm cuộn cảm (phần ứng) khe nam châm vĩnh cửu (stator) nơi cung cấp từ trường khe, Hình 20.14 Khi dịng điện qua cuộn cảm, cuộn cảm chịu lực điện từ tác động theo luật Lorentz bằng: r r r F = i´ B Hầu hết cuộn cảm động thiết kế có từ thơng vng góc với chiều dịng điện nên lực Lorentz tính sau: FV CM = g BNl ×i = K F ìi ị FV CM Ơ i (20.10) Trong ú l độ dài cuộn cảm/một vòng, B độ từ thơng, N số vịng dây cuộn cảm γ hệ số sử dụng cuộn cảm Công thức lực tỉ lệ với độ lớn dòng điện cấp số tỉ lệ KF thường gọi số lực Cuộn cảm thường “treo” khe nhờ lò so nối với tải sơ đồ loa radio, ống cuộn van thuỷ lực hay đầu đọc/ghi ổ đĩa Quan hệ tuyến tính lực đầu dịng điện cung cấp, khả thuận nghịch hai chiều làm cuộn cảm động ưu điểm cuộn cảm Tuy nhiên điều khiển lực đầu cuộn cảm động, cần dùng điều khiển vịng kín lị xo giảm chấn Thiết kế/lựa chọn Từ cơng thức (20.10) ta thấy số lực phụ thuộc vào mật độ từ thơng số lượng dây dẫn đặt khe Có cách để tăng số lực Một tăng mật độ từ thơng, đạt cách dùng vật liệu từ mạnh tăng thông số khác N l, tức bó nhiều dây làm cuộn cảm có đường kính lớn Với khe thể tích, dùng loại dây dẫn nhỏ cách để tăng số vòng dây Tuy nhiên, tăng số vòng dây dẫn tới điện trở cao làm tăng nhiệt cuộn dây giới hạn cho phép dịng điện Thêm vào đó, phần cách ly thêm vào chiếm nhiều thể tích có xu hướng giảm hiệu việc tăng số vịng dây N Tóm lại, để tăng hiệu suất cuộn cảm động, người thiết kế chọn vật liệu từ tốt tăng kích cỡ động cách tăng độ lớn cuộn cảm (tăng D) hay tăng độ dài cuộn cảm (tăng N) Động điện Các động điện sử dụng rộng rãi cấu chấp hành điện Nó phân loại theo chức theo đặc tính điện từ Sự khác chủ yếu động điện thiết kế rôto phương pháp tạo từ trường Hình 20.15 mơ tả thành phần cấu tạo động chiều nam châm vĩnh cửu Một số thuật ngữ chung cho động điện là: 20-7 Sổ tay Cơ điện tử Stator: phần tĩnh bên bên động làm vật liệu tạo từ trường stator thích hợp Nó làm nam châm vĩnh cửu cuộn dây cảm Hệ thống kích từ: phần stator, tạo từ thông stator Rotor phần quay động Tuỳ theo cấu trúc, nam châm vĩnh cửu hay lõi sắt từ với cuộn dây (phần ứng) để cung cấp từ trường phần ứng tương tác với từ trường stato tạo mômen Phần ứng cuộn dây roto mang điện cảm ứng từ trường rotor Khe hở khơng khí khe hở nhỏ rotor stator nơi hai từ trường tương tác sinh mô men đầu Chổi than phận cho dòng điện cung cấp cho phần ứng (rotor) động chiều qua Ở động xoay chiều đồng bộ, việc thực vành trượt Vành đổi chiều phần rotor động chiều nối với chổi than dùng để điều khiển chiều dòng điện phần ứng Vành đổi chiều dùng để điều khiển chiều dòng điện stato và/hoặc cuộn cảm phần ứng để trì chiều từ thông stator rotor Với động xoay chiều, việc chuyển mạch thực dòng điện xoay chiều cung cấp sơ đồ đấu nối cuộn dây Với động bước động chiều không chổi than (BLDC), chuyển mạch thực mạch điện tử và/hoặc lệnh tới động HÌNH 20.15 Động chiều nam châm vĩnh cửu (T Keujo and S Nagamori, Động chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than, 1985, Nhà xuất đại học Oxford) Mô men sinh động điện tương tác dòng điện phần ứng với từ trường stator (định luật Lorentz) tương tác từ trường stator từ trường phần ứng Bảng 20.2 tổng kết cách phân loại chung động điện Phần sau nêu chi tiết hoạt động loại động điện đặc điểm cần cân nhắc thiết kế BẢNG 20.2 Phân loại động điện Phân loại Loại động Từ trường Động Nam châm vĩnh cửu chiều Nam châm điện 20-8 Mô tả Nam châm vĩnh cửu sinh từ trường stator, Dòng điện cấp trực tiếp tới cuộn dây phần ứng rotor qua chổi than chuyển mạch Kích từ Cuộn dây stator (kích từ) nam châm điện Cuộn dây kích từ song song nối song song với cuộn dây phần ứng Kích từ nối Cuộn dây stator (kích từ) nam châm điện Cuộn dây kích từ tiếp nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng Cơ cấu chấp hành Kích từ hỗn cuộn dây stator (kích từ) nam châm điện Một cuộn dây hợp kích từ nối nối tiếp, nối song song với cuộn dây phần ứng Kích từ độc Cuộn dây stator (kích từ) nam châm điện Từ trường stator lập từ trường phần ứng cấp điện độc lập Một pha Gồm cuộn dây stator rotor lồng sóc Khơng có kết nối bên Cảm ứng ngồi với rotor Mơ men sinh cảm ứng điện từ stator (khơng rotor Dịng điện xoay chiều quy định đổi chiều từ đồng bộ) trường Tốc độ rotor chậm so với tốc độ từ trường quay stator (độ trượt) Đồng Động xoay chiều Rotor nam châm vĩnh cửu rotor dây quấn vành đổi chiều Tốc độ quay đồng với tần số nguồn điện xoay chiều Cảm ứng Tương tự động cảm ứng pha có nhiều cuộn dây (không đồng stator Tự khởi động Nhiều bộ) pha Tương tự động đồng pha có nhiều cuộn dây hơn, Đồng hoạt động êm Vạn Về chất giống động xoay chiều cảm ứng pha, với sơ đồ nối động chiều kích từ nối tiếp Có thể điều khiển nguốn xoay chiều chiều Nam châm vĩnh cửu Rotor nam châm vĩnh cửu với dây quấn stator sinh từ trường tương ứng Khi cung cấp trình tự (cực tính) dịng điện cuộn cảm khác nhau, từ trường nam châm vĩnh cửu rotor đồng với từ trường cảm ứng stator Từ trở biến thiên Rotor sắt từ dạng cưa cuộn dây stator Chuyển động rotor kết tối thiểu từ trở cực rotor stator Lai Rotor cưa với dây quấn stator Rotor bao gồm hai sắt từ phần ứng kết hợp với nam châm vĩnh cửu Động chiều Nhiều Đồng pha không chổi than Về giống động xoay chiều nhiều pha dùng chuyển mạch điện tử, từ trường rotor stator đồng Chuyển mạch điện từ dùng nguồn chiều để điều khiển động đồng Động bước 20-9 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 20.16 Cơ cấu truyền động lược MEMS sử dụng kích động tĩnh điện (Courtesy of Sandia National Laboratories, MEMS and Novel Si Science and Technology Department, SUMMIT Technologies, www.mems.sandia.com.) Tĩnh điện học - Điện trường Do điện trường có mật độ lượng thấp từ trường, ứng dụng điển hình lực điện trường giới hạn thiết bị đo gia tốc phần tử tích điện, mật độ lượng yêu cầu nhỏ Gần đây, với phát triển nhanh công nghệ chế tạo siêu nhỏ (microfabrication), cung cấp lực tĩnh điện nhỏ cho cấu chấp hành vi điện cấu chấp hành kiểu lược (hình 20.16) Ưu điểm phát động dựa tĩnh điện học có tốc độ chuyển mạch cao tiêu hao lượng so sánh với phát động điện từ Tuy nhiên, cần tính đến giới hạn lực, di chuyển, điện áp làm việc cao Bộ phát động tĩnh điện khởi động cho việc di chuyển phần tử tích điện q trình chụp khơ tĩnh điện, ví dụ máy in laser Áp điện Áp điện thuộc tính tinh thể mà sinh điện áp chịu biến dạng học chịu bị biến dạng học có điện áp Khi vật liệu áp điện chịu tác động học, có dịch chuyển không đối xứng cấu trúc tinh thể điện tích trung tâm tinh thể ion bị tác động Kết có phân điện tích sinh điện áp đo theo tỉ lệ với biến dạng học Đó hiệu ứng áp điện thuận Ngược lại, vật liệu biến dạng với thể tích khơng đổi cung cấp điện áp Đó hiệu ứng áp điện ngược dùng để sinh tác động học Có loại vật liệu áp điện: gốm nung lead-zirconate-titinate (PZT), nhựa (polymers) polyvinylidence fluoride (PVDF) Sứ áp điện có lực đầu lớn sử dụng nhiều cấu chấp hành PVDF có xu hướng tạo độ biến dạng lớn dùng nhiều ứng dụng cảm biến HÌNH 20.17 Các dạng cấu áp điện phổ biến (Courtesy of Piezo Systems, Inc.) Sự liên hệ đặc tính điện vật liệu mơ hình cơng thức tuyến tính sau: ïì S = s E ×T + d ×E ïì E = - g ×T + (eT )- ×D ïïí ïïí Û ïï D = d ×T + eT ×E ùù S = s D ìT + g ìD ợù îï Trong đó: E = Độ lớn điện trường [V/m] D = mật độ điện tích (dielectric) đơn vị diện tích [C/m2] T = ứng suất [N/m2] S = sức căng s = độ mềm 20-10 (20.11) Cơ cấu chấp hành HÌNH 20.77 Động chiều nam châm vĩnh cửu Động bước Động bước dạng động có số vịng quay trục động tỉ lệ với chuỗi xung điện áp chiều Về chất, động bước dạng động đồng Do chuyển động động bước khơng liên tục nên phù hợp với việc ứng dụng công nghệ số dựa sở hệ vi điều khiển Tốc độ động bước thay đổi cách điều chỉnh tỉ lệ chuỗi xung đầu vào Do vậy, động bước cần 48 xung để quay trọn vịng quay, tín hiệu vào 96 xung/một giây, làm động quay 120 vòng/phút Một vòng quay thực khoảng thời gian hữu hạn, nhiên bề ngồi khơng thể thấy rõ tất với tốc độ thấp Động bước kéo tải 2.2-kW vởi tỉ lệ bước từ 1000 tới 20,000 giây tương ứng với góc từ 1800 giảm tới 0.750 Có dạng động bước: Biến từ trở (Variable reluctance): Động bước dạng có rotor làm thép mềm, có nhiều với stator dây quấn Số rotor stator, với dạng dây quấn kích thích định bước góc Động bước dạng có bước góc trung bình hoạt động tỉ lệ bước cao Nam châm vĩnh cửu: Rotor dạng động bước nam châm vĩnh cửu (PM) bao bồm nam châm vĩnh cửu hình trịn đặt trục Động bước PM có dải bước góc lớn từ 45 o tới 120 o Dạng hỗn hợp: động bước dạng hỗn hợp dạng kết hợp dạng Thơng thường stator có cực lồi, cung cấp lượng cuộn dây pha Rotor bao gồm nam châm hình trụ từ hóa Bước góc tùy thuộc cấu trúc, thơng thường dải từ 0.90–50 Bước góc thơng thường 1.8 Ngun lý làm việc động bước minh họa với dạng máy biến từ trở pha Động thường có stator rotor Hình 20.78 Nếu đưa điện vào pha stator, rotor đối diện thẳng hàng với pha stator Răng rotor liền kề theo chiều kim đồng hồ chênh bước150 với stator tương ứng Đưa điện vào dây quấn pha làm rotor quay tiếp góc 150 ngược chiều kim đồng hồ để cặp rotor đối diện liền kề thẳng hàng với pha stator tương ứng Nếu dây quấn stator kích thích theo thứ tự 1, 2, 3, 4, rotor di chuyển liên tiếp bước 150 theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Kích thích theo thứ tự ngược làm rotor quay ngược chiều lại Một số thơng số động bước Pull-out torque: Mơmen tối đa cung cấp cho động cơ, chạy với tỉ lệ bước định mức khơng làm tính đồng Pull-in torque: Mơmen cản tối đa động khởi động, với tỷ lệ xung định đạt đồng mà không bước Mômen động lực học: Mômen sinh động tốc độ bước thấp Mơmen giữ: Mơmen tối đa cung cấp cho phần tĩnh động không làm quay trục Pull-out rate: Tốc độ chuyển mạch tối đa để động giữ đồng tốc độ chuyển mạch tăng dần 20-43 Sổ tay Cơ điện tử Pull-in rate: Tốc độ chuyển mạch tối đa động có tải khởi động mà khơng bị bước Dải quay (Slew range): Dải tốc độ chuyển mạch pull-in pull-out mà động quay đồng khởi động đảo chiều Những đặc tính động bước thơng thường mơ tả hình 20.79 HÌNH 20.78 Động bước biến từ trở HÌNH 20.79 Các đặc tính động bước Khi có tác động dãy xung, rotor động bước gia tốc nhanh chóng tới vị trí Nhưng thường có vượt q vị trí dao động khơng cung cấp mômen trễ đủ lớn để ngăn tượng xảy Các dao động nguyên nhân gây cộng hưởng rotor tần số xung định gây tổn hao mơmen, chí thỏa mãn điều kiện pull-out Các động biến từ trở có giảm chấn sẵn có, chúng dễ bị cộng hưởng dạng động nam châm vĩnh cứu dạng động hỗn hợp Có thể dùng giảm chấn khí điện tử để tối thiểu tác động có hại tượng cộng hưởng rotor Tốt nên chọn động có tần số cộng hưởng khơng tới hạn với ứng dụng lựa chọn Với đặc tính mình, động bước sử dụng rộng rãi ứng dụng điều chỉnh vị trí, tốc độ, thời gian có tính đồng Chúng thông dụng máy vẽ đồ thị X-Y, đĩa mềm, phận truyền động máy in, truyền động trượt máy công cụ điều khiển số, máy thu tiền tự động, cấu điều khiển máy camera Giới hạn động khả công suất thấp, khoảng 2.25 kW Động chiều không chổi than Các động dạng sử dụng phản hồi vị trí để dạng sóng đầu vào giữ khoảng thời gian thích hợp tương ứng với vị trí rotor Các khóa chuyển mạch bán dẫn dùng để điều khiển tín hiệu đầu vào động chiều khơng chổi than hoạt động tần số cao hơn, với mơmen tương ứng tốc độ Động khơng chổi than gia tốc nhanh từ tốc độ tới tốc độ hoạt động động nam châm vĩnh cửu Khi đạt tới tốc độ hoạt động, động chuyển tới chế độ đồng Động không chổi than bao gồm stator dây quấn, rotor nam châm vĩnh cửu, cảm biến vị trí rotor, chuyển mạch bán dẫn Stator dây quấn làm với hai nhiều pha đầu vào Hình 20.80 đưa sơ đồ tiêu biểu động hai pha không chổi than Mômen đầu pha A công thức (20.29) T A = I A (Z F / 2p ) sin( p q / 2) = I A K T sin( p q / 2) đó: IA: dịng điện pha A, KT = (Z/2): số mômen động 20-44 (20.29) Cơ cấu chấp hành p: số cực : vị trí góc rotor Z: tổng số dẫn, : từ thông Với dạng tương tự, mômen đầu pha B là: T B = I B K T cos( pq / 2) (20.30) Nếu dòng điện động thỏa mãn: I A = I sin( pq / 2) I B = I cos( pq / 2) Mômen tổng cho động cực trở thành T = T A + T B = IK T [sin ( p q / 2) + cos2 ( p q / 2) ]= IK T (20.31) Công thức (20.31) tất điều kiện thỏa mãn động chiều khơng chổi than hoạt động tương tự động chiều, mơmen tỉ lệ tuyến tính với dịng điện phần ứng Lưu ý dòng điện phần ứng trường hợp tương ứng với dây quấn stator Kích thích pha phải có đầu vào dạng sóng hình sin vng Sóng sin hiệu transistor đầu mạch điện tử tiêu tốn nhiều lượng dạng xung vuông Xung vuông có thêm ưu điểm dùng với cơng nghệ số Động chiều không chổi than đặc tính động chiều có đảo chiều thích hợp Sự đảo chiều phù hợp có nghĩa cuộn dây kích thích stator theo trình tự cho giữ từ trường sinh stator sớm pha trước từ trường rotor xấp xỉ 900 điện Có thể thấy động không chổi than mô tả khơng hồn tồn máy điện chiều, mà có dạng máy điện xoay chiều với phản hồi vị trí HÌNH 20.80 Động khơng chổi than hai pha Chọn động Thơng thường mối quan tâm kỹ sư Cơ điện tử lựa chọn động phù hợp cho ứng dụng Ít động phải có cơng suất đáp ứng tải truyền động Do đó, tất trường hợp, cơng suất động phải tính tốn với dự đốn trước yêu cầu tải Ngoài ra, động phải có mơmen đủ lớn để khởi động thắng ma sát tĩnh, gia tốc tải tới tốc độ làm việc kiểm sốt độ q tải tối đa Hiện tượng mômen khởi động dẫn đến gia tốc lớn khởi động Một số hệ thống u cầu khởi động mềm mơmen động tăng dần để tải tăng tốc từ từ Tốc độ làm việc động xác định điểm mômen cấp cho động cân với mômen yêu cầu tải Ở điều kiện khác, động tải gia tốc giảm tốc Một động truyền động xác định hoàn tồn phù hợp biết đặc tính mơmen - tốc độ động tải Các đặc tính mơmen - tốc độ động thường nhà sản xuất cung cấp Các thiết bị có ma sát máy đánh bóng cơng nghiệp, đệm có đặc tính mơmen-tốc độ đoạn khởi động cao lại đột ngột hạ chuyển động bắt đầu Khi tiếp tục tăng tốc thường thấy mômen yêu cầu tải giảm với tốc độ thấp khởi động Sự khác ma sát tĩnh động xét đến trường hợp 20-45 Sổ tay Cơ điện tử Quạt máy thổi khí có đặc tính mơmen-tốc độ tăng từ theo đường parabol tốc độ tăng Do máy không cần mômen lớn để khởi động động Các thiết bị quán tính cao hệ truyền động máy công cụ, máy cán, thang máy điện yêu cầu mômen khởi động lớn để thắng qn tính Khi chuyển động bắt đầu, mơmen u cầu có xu hướng giảm tương ứng với tăng tốc độ Động chiều dây quấn nối tiếp lý tưởng cho dạng tải Trên đây, mô tả sơ lược máy điện quay Những vấn đề chi tiết cần tham khảo tài liệu máy điện xoay chiều chiều tác giả Gray [1] Sen [2] Orthwein [3] đưa ứng dụng thực tế động xoay chiều chiều ngành khí Kenjo & Nagamori [4] nghiên cứu sâu động chiều nam châm vĩnh cửu Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] 20-46 Gray, C B (1989), Electrical Machines and Drive Systems, Longmans Scientific and Technical, Harlow Sen, P C (1989), Principles of Electric Machines and Power Electronics, Wiley, Chichester Orthwein, W (1990), Machine Component Design, West Publishing, St Paul, Minnesota Kenjo, T & Nagamori, S (1985), Permanent Magnet and Brushless dc Motors, Monographs in Electrical & Electronic Engineering, Clarendon Press, Oxford Cơ cấu chấp hành 20.3 Cơ cấu chấp hành áp điện Ramutis Bansevicius and Rymantas Tadas Tolocka Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện Curie phát năm 1880 [1] Hiệu ứng áp điện thuận xảy số vật liệu có khả tích điện theo tỉ lệ với lực bên tác động Hiệu ứng áp điện ngược tượng vật liệu biến dạng tác động điện trường song song với chiều phân cực Hiệu ứng tồn có lực điện động điện trường tác động Các hiệu ứng sử dụng cấu chấp hành cảm biến ứng dụng kỹ thuật Phương trình Các phương trình kết hợp điện vật liệu áp điện môi trường chiều là: (20.31) S = s ET + dE (20.32) D = eT E + dT Trong S sức căng (m), T ứng suất (N/m ), E: điện trường (V/m), D: độ dịch chuyển chất điện mơi (lượng điện tích đơn vị diện tích (C/m2)), sE: độ biến dạng (ép, nén) vật liệu (m2/N) điện trường số, T: số điện môi với ứng suất (F/m), d số áp điện (m/V hay C/N) Các thành phần phía bên phải phương trình tương ứng với đặc tính vật đàn hồi, (cơng thức (20.31)) đặc tính điện môi trường chất điện môi (Công thức (20.32)) Các vật liệu áp điện nhân tạo tồn trạng thái phân cực suốt trình phân cực Chiều phân cực trùng với cực điện trường Chiều theo quy ước tương ứng với trục Z hệ tọa độ trực giao X, Y, Z Thứ tự 1, 2, tương ứng quy định trục Đặc tính áp điện vật liệu áp điện phụ thuộc vào chiều đầu vào/ra điện đồng dọc trục Do đặc tính mơ tả số với số, số thứ liên quan tới điện, số thứ liên quan tới Các số 4, 5, dùng thêm để mô tả độ biến dạng trượt tương ứng với chiều 1, 2, (hình 20.81) Các số biểu diễn chế độ hoạt động vật liệu áp điện - độ dày giãn nở, độ giãn nở ngang, độ trượt dọc độ trượt bề mặt Chế độ chuyển động phụ thuộc vào hình dạng định hướng vật tương xứng với trục tinh thể vùng điện cực Chiều cực điện trường nguyên nhân gây giãn dài theo chiều co theo trục trực giao khác Điện trường ngược nguyên nhân gây co dọc theo chiều điện trường giãn theo chiều vng góc Chế độ d33 có độ dịch chuyển lớn gấp lần chế độ d 31 HÌNH 20.81 Các số hiệu ứng áp điện là: dij (hằng số áp điện) - sức căng hay hệ số tích điện biểu diễn M/V hay C/N (tùy thuộc vào đặc tính cảm biến/cơ cấu chấp hành vật liệu áp điện) Chúng liên quan tới sức căng gây điện trường E khơng có ứng suất (Cơng thức (20.31)), với điện tích 20-47 Sổ tay Cơ điện tử đơn vị tác động ứng suất điện trường không (Công thức (20.32)) ví dụ: d31 nghĩa điện cực vng góc với trục (điện trường dọc theo nó) ứng suất hay sức căng dọc theo trục gij - hệ số điện áp điện trường đầu quan hệ với điện trường mạch hở gây tác động ứng suất hay sức căng gây mật độ điện tích tác động biểu thị V m/N Quan hệ dij and gij biểu diễn theo công thức (20.33) gij = dij (20.33) eT kij (Các hệ số kép) - mô tả tỉ lệ lượng chuyển đổi từ sang điện ngược lại Hệ số k2 tỉ lệ lượng chuyển đổi lưu trữ lượng đầu vào tần số hoạt động khác với tần số cộng hưởng k2 = d2 s E eT (20.34) Hệ số kp tương ứng với chế độ hoạt động phẳng (sức căng ứng suất tất phương vng góc với trục 3) BẢNG 20.4 Đặc tính vật liệu áp điện Thơng số Đơn vị Pz26 Pz27 Pz29 Hằng số điện môi tương đối K 33T - 1.300 1.800 2.900 Hệ số tổn hao điện môi, tan - 0.003 0.017 0.019 C 330 350 235 Hệ số kép, kp - 0.57 0.59 0.64 Hệ số kép, k31 - 0.33 0.33 0.37 Hệ số kép, k33 - 0.68 Nhiệt độ Curie, Tc Hệ số tích điện, d31 m/V Hệ số tích điện, d33 m/V Hệ số điện áp, g31 0.71 -130 x 10 - 12 0.75 -170 x 10 - 12 -240 x 10 12 290 x 10-12 425 x 10 -12 575 x 10-12 V m/N -11 x 10-3 -11 x 10-3 -10 x 10-3 Hệ số điện áp, g33 V m/N 28 x 10-3 27 x 10-3 23 x 10-3 Tần số hằng, Np Hz m 2.230 2.010 1.970 Tần số hằng, Nt Hz m 2.040 1.950 1.960 -12 17 x 10-12 m /N 13 x 10 Độ đàn hồi m2/N 20 x 10 -12 23 x 10-12 23 x 10-12 Độ đàn hồi m2/N 12 x 10 -12 15 x 10-12 15 x 10-12 Độ đàn hồi m2/N 11 x 10 -12 12 x 10-12 10 x 10-12 Pa 4.5 x 10-12 4.5 x 10-12 4.7 x 10-12 - 0.33 0.39 0.34 Tỷ lệ Poison 17 x 10 -12 Độ đàn hồi Module Young 20-48 Cơ cấu chấp hành Các số quan trọng khác moduleYoung, số điện môi tương đối (tỉ lệ số điện môi vật liệu số điện môi chân không), hệ số tổn hao điện môi (hệ số tổn hao điện môi vật liệu, biểu diễn tang góc tổn hao), nhiệt độ Curie (Nhiệt độ vật liệu áp trở nên hoàn toàn phân cực), v.v Vật liệu áp điện Các vật liệu dùng cho hiệu ứng áp điện chia thành nhóm: tự nhiên (thạch anh, muối Rochelle), tinh thể nhân tạo (lithium sulfate, ammonium dihydrogen phosphate), sứ điện chứa sắt phân cực, phim nhựa định Vật liệu cho kỹ thuật ứng dụng áp điện sứ điện (ferroelectric ceramics), đặc biệt Lead Zirconate Titanate (PZT) Tiếp theo vật liệu có đặc tính hệ số đôi cao, số áp điện số điện môi vượt dải nhiệt độ mở rộng ứng suất Các hợp chất Barium titanate, lead magnesium niobate, modified lead titanate, bismuth titanate dùng nhiều chất tổng hợp đặc biệt khác Vì cấu trúc tự nhiên không đối xứng chúng, vật liệu tinh thể không dùng nhiều Tuy nhiên, vật liệu sứ điện phải phân cực điện trường mạnh nhân tạo vật liệu cần nung điểm Curie sau làm mát từ từ với tác động điện trường Hiệu ứng áp điện thể vật liệu có phân cực Nhựa áp điện Piezopolymers - polyvinylidene fluorides (PVDF PVF2) -là dạng riêng nhóm nhựa huỳnh quang (fluoropolymer) có độ áp điện cao Chúng dùng để sản xuất piezofilms với mỏng (nhỏ 30 µm), dát mỏng vật liệu xây dựng Bảng 20.4 số đặc tính vật liêu áp điện hãng sứ áp điện Ferroperm Piezoceramics sản xuất [6] Các phần tử áp điện Các phần tử áp điện có nhiều kích thước hình dáng khác vng, chữ nhật, vòng tròn, đĩa, cầu, bán cầu, thanh, trụ dạng riêng khác Độ dày thông thường từ 20 µm tới 15 mm tới 100 mm chiều dài đường kính mở rộng Do đặc tính vật liệu đáp ứng nhanh, độ cứng vững cao, công suất tiêu thụ thấp, hiệu suất chuyển đổi điện cao - chúng dùng trực tiếp cấu chấp hành Hiệu ứng áp điện phụ thuộc tuyến tính với điện trường tác động; Độ lớn khoảng 1–2 kV/mm phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch vật liệu áp điện BẢNG 20.5 Biểu thức tần số cộng hưởng phần tử áp điện Chế độ hoạt động Biểu thức (L: chiều dài; W: chiều rộng; T: độ dày; D: đường kính) Chế độ ngang, mỏng Nl = fr x L Chế độ vòng tròn, đĩa Np = fr x D Chế độ dày, đĩa Nt = fr x T Chế độ dài, trụ N3 = fr x L Chế độ trượt, mỏng Ns = fr x T HÌNH 20.82 20-49 Sổ tay Cơ điện tử Điện áp điều khiển phụ thuộc vào độ dày lớp vật liệu áp điện Sự thay đổi tương đối tối đa theo độ dài tới 0.13% Khoảng thời gian ngắn biến dạng 1/3 chu kỳ tần số dao động cộng hưởng hệ bao gồm phần tử áp điện Đặc tính cộng hưởng phần tử áp điện mô tả tần số Ni, với tần số cộng hưởng fr nhân với kích thước chiều dài cộng hưởng chủ yếu Bảng 20.5 mô tả chế độ hoạt động Điện áp thay đổi (V số lại sau thay đổi), vật liệu áp điện tiếp tục giãn/co theo phương, hàm mũ phân rã hướng tới trạng thái ổn định Độ lệch (độ trượt) tính (20.35) D L (t ) = D L (1 + g lg 0.1) ∆L độ biến dạng sau 0.1s, hệ số lệch Nó phụ thuộc vào thiết kế tải cơ, thường nằm khoảng 0.01 0.02 Hiện tượng trễ đặc điểm chung vật liệu áp điện Trễ PZT phần nhỏ xác định tác động độ rộng đường cong trễ 20% tác động Do việc bù sai số trễ giảm tới 3% Phần tử áp điện với phiến điện cực điện dung Do điện trở cao (lớn 100 MΩ), vật liệu áp điện cho dịng điện nhỏ phóng qua vật liệu áp điện trạng thái biến dạng Do đó, phần tử áp điện cách biệt với nguồn điện áp cao, độ biến dạng giảm chậm Đây nguyên nhân gây việc nạp điện dòng điện là: i= dQ dV =C dt dt (20.36) Q: điện tích, C: điện dung , V: điện áp Bảng 20.6 biểu diễn cảm biến/cơ cấu chấp hành áp điện khác với hình dáng định Các cấu chấp hành áp điện có thiết kế dạng ngăn phiến Cơ cấu chấp hành thiết kế dạng phiến bao gồm nhiều mảnh với điện cực gắn chặt chúng Các cấu chấp hành dạng nhiều ngăn bao gồm vài mỏng vật liệu áp điện điện cực kim loại nối song song (Hình 20.82(a)) BẢNG 20.6 Các cảm biến/cơ cấu chấp hành áp điện Chế độ tác động (L: chiều dài; W: chiều rộng; T: độ dày; D: đường kính) Dịch chuyển ngang theo độ dài : L>3W>3T Dịch chuyển theo độ dày: D>5T Theo vòng tròn: D>5T Theo chiều dọc: L>3D 20-50 Điện áp sinh ra, V V = V = g31 F W 4T g33 F p D2 Không V = 4L g33F p D2 Độ dịch chuyển, L (T) Dl = d 31L V T D T = d33V DD = d 31D V T D L = d 33V Điện dung, C C = eT3 L W T C = peT3 D 4T C = p T D2 K e0 T C = p D2 T K e0 4L Cơ cấu chấp hành Trượt theo chiều dày W>5T, L>5T V = g15 F W D x = d15V C = LW T K e0 T Chú thích: F lực eT3 số điện môi vật liệu với ứng suất số theo phương 3, K iT số điện môi tương đối ( K iT = eiT / e0 ), e0 số điện môi chân không Cấu trúc cho phép dịch chuyển khoảng lớn điện áp thấp Thường mỏng có độ dày 0.3–1 mm Các cấu dạng ngăn thường tương ứng với chế độ hoạt động d33 Tổng dịch chuyển tới 200µm, trường hợp tỉ lệ với số tấm, khơng có tải phụ cung cấp: (20.37) D l = V nd 33 n số phần tử Cấu trúc dạng ngăn thường sinh lực đẩy mạnh: F = D lA Ls 33Y (20.38) Trong L độ dài ngăn, A diện tích phần tử, s33, Y độ bù moduleYoung, tương ứng Tham khảo thêm bảng 20.7, đặc tính số cấu chấp hành ngăn (nhiều lớp) trích theo catalog nhà cung cấp sứ áp điện [6] BẢNG 20.7 Đặc tính cấu chấp hành ngăn (nhiều lớp) STT chuẩn Vật liệu Hình dạng Dài x rộng x dày (mm) đường kính ngồi x đường kính x độ dày (mm) Vmm (V) Hành trình (m) Fmax (kN) A01 Pz26 Chữ nhật 2.5 x 2.0 x 2.0 200 1.8 0.5 A06 Pz26 Vuông 10 x 10 x 2.0 200 2.0 10 A16 Pz27 Vuông 10 x 10 x 2.0 200 3.2 5.0 A21 Pz26 Tròn 6.0 x 2.0 x 2.0 200 1.7 2.5 A27 Pz26 Tròn 25 x15 x 2.0 200 2.2 31 A37 Pz27 Tròn 25 x15 x 2.0 200 3.4 16 Nếu yêu cầu biến dạng dài, phần tử áp điện mở rộng cách ghép Ghép việc kết hợp hai lớp khác (Hình 20.82(b)) Một lớp vật liệu xây dựng, lớp vật liệu áp điện Vật liệu áp điện dùng cho hai lớp Trong trường hợp này, lớp giãn, lớp thứ hai co Tuy nhiên, dạng có độ cứng thấp 20-51 Sổ tay Cơ điện tử Ứng dụng Do đặc tính vốn có vật liệu áp điện, cấu chấp hành với nhiều ưu điểm kỹ thuật xây dựng Ví dụ rắn nhẹ, lực lớn, dải tần số hoạt động rộng, độ cứng vững cao, chịu nén có độ dịch chuyển tỉ lệ với điện áp cung cấp, hiệu suất chuyển đổi lượng 50% Chúng dùng cấu nhỏ, hệ thống giảm dao động, van, laser quang, động sóng siêu âm, cảm biến vị trí, rơle, máy bơm, cơng nghiệp tự động hóa, viễn thơng, máy tính, Một vài ứng dụng kể ra, hình 20.83 a) Giảm dao động: Vật liệu áp điện - phần giảm chấn chuyển dao động sang lượng điện Năng lượng sinh sau tiêu hao dạng nhiệt,… lượng dao động bị khử Sơ đồ nguyên lý đưa [2] b) Vi rôbốt Các chân rôbốt cấu áp điện Bằng việc cấp điện áp tới điện cực, chân áp điện (piezolegs) dài ra, ngắn đi, cong theo hướng trình dịch chuyển c) Bơm siêu nhỏ Màng ngăn, màng chắn tác động cấu chấp hành áp điện, van kiểm tra đầu vào đầu mở để bơm chất lỏng khí Ưu điểm chuyển mạch nhanh cơng suất nén khí cao d) Bàn kẹp siêu nhỏ Cơ cấu chấp hành áp điện làm việc co giãn chuyển động kẹp dựa cấu hợp lý Bàn kẹp thường có kích thước nhỏ có hầu hết dạng hình học yêu cầu e) Tay máy siêu nhỏ: Do có độ phân giải không hạn chế, cấu chấp hành áp điện thường dùng ứng dụng nhiều vị trí f) Thiết bị vi lượng Cơ cấu chấp hành áp điện có độ xác lượng cao với nhiều chất lỏng dải nanơ lít nhiều ứng dụng Động áp điện (Động siêu âm) Động Vibromotors [4] ứng dụng rộng rãi cấu chấp hành dựa việc chuyển đổi dao động tần số cao (nhiều kHz) sang chuyển động liên tục [7,8] Các phần tử áp điện dùng máy tạo dạo động trường hợp vibromotors gọi động áp điện [5,7,8] Ưu điểm động áp điện mơmen lớn, độ phân giải cao, dễ kiểm sốt, số thời gian nhỏ, đơn giản, hiệu suất cao, không gây ồn, không cảm ứng điện từ Các dạng động áp điện Các động áp điện khác với phương pháp chuyển dao động sang chuyền động tuyến tính Các dạng đưa bảng 20.8 Các động áp điện sinh chuyển động ellip vùng tiếp xúc đầu nối vào sử dụng Với mục đích này, tác động xiên, chéo có nhờ vào đầu sóng dịch chuyển Ở động áp điện, sử dụng tác động xiên, lực ma sát truyền chuyển động lượng đường nối đầu vào Có thể nhận dao động (thành phần pháp tuyến tiếp tuyến) u y and ux vùng tiếp xúc với góc lệch pha , dùng để thay đổi chiều chuyển động đầu Cả chuyển động nhận hai phần liên kết tích cực dao động cộng hưởng Các dao động phát triển dạng khác nhau: theo chiều dọc, chiều ngang, chiều dịch chuyển xoắn Các động áp điện tận dụng tác động chéo chiếm dải tần số rộng Giới hạn thấp tần số siêu âm thấp (loại trừ tác động âm thanh), 16–20 kHz, giới hạn vài MHz Sự truyền sóng piezomotors dựa ma sát qua lại chuyển động sóng vật đàn hồi liên kết đầu ra, tức nguyên tắc hoạt động tương tự truyền sóng điều hịa Sóng truyền dọc bề mặt (sóng Rayleigh) dạng đầu vào có dạng chuyển động ellip vùng tiếp xúc Sóng Rayleigh sóng kết hợp sóng dọc sóng di chuyển; điểm bề mặt môi trường đàn hồi di chuyển dọc theo quỹ đạo ellip Các dạng sóng gấp khúc, xiên, xoắn dọc dùng Sóng chạy sứ áp điện kích thích điện trường Các đặc tính chuyển động sóng động áp điện (ABB Corporate Research ITCRC/AS) nêu bảng 20.9 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 20-52 Cơ cấu chấp hành HÌNH 20.83 BẢNG 20.8 Nguyên lý hoạt động động áp điện Khái niệm Sơ đồ thực Chú ý A Chuyển động Elip vùng tiếp xúc: chuyển động thành phần có độ lệch pha Một khớp tích cực u y = u y sin( wt + j ) u x = u x sin wt Hai khớp tích cực u y = u y sin( wt + j ) u x = u x sin wt đó: u y0, ux0, biên độ, tần số góc pha chuyển động dao động phần tử áp điện uy = u cos 2p / l (u * - ct ) B Chuyển động Elip vùng tiếp xúc: sóng dịch chuyển đó: u0, c biên độ, độ dài vận tốc sóng tương ứng C Tính khơng đẳng hướng ma sát vùng tiếp xúc Thơng thường a) tc ³ 0.05 T t c , T khoảng thời gian tiếp xúc dao động b) 20-53 Sổ tay Cơ điện tử c) D Các chu kỳ dao động không đối xứng a) b) BẢNG 20.9 Đặc tính số dạng sóng chạy động áp điện Động Đơn vị USR60 USR45 USR30 Tần số làm việc kHz 40 43 42 Điện áp làm việc Vrms 100 100 100 Mô men định mức Nm 0.38 0.15 0.04 Đầu định mức W 2.3 1.0 Tốc độ quay định mức rpm 100 150 250 Hàng số thời gian ms 1 Khối lượng G 175 69 33 Độ quay không % 2 Tuổi thọ H 1000 1000 1000 Nhiệt độ làm việc, dải C -10+50 -10+50 -10+50 Việc kích thích sóng chạy thực đồng thời dao động kích thích lệch pha tần số chế độ Việc thực cách chia điện cực chuyển đổi thành n phần nối với n pha máy phát dao động điện, n≥3 luân phiên điện cực liền kề góc 2/n, cách dùng chuyển đổi không liên tục Các động áp điện với ma sát không đẳng hướng tiếp xúc dựa sở biến thiên dao động phần tiếp xúc tiếp tuyến chu kỳ dao động Việc thực tác động điều hòa bổ trợ chồng chất vùng tiếp xúc Đặc tính phân biệt thời gian c/T tỉ lệ khoảng thời gian rút gọn tồn tiếp xúc với chu kỳ dao động thông số liên hệ Tiếp xúc khơng đẳng hướng thực theo cách: (a) cách khóa liên kết tích cực đoạn riêng biệt quỹ đạo (Bảng 20.8, trường hợp C, a), (b) cách thêm dao động tần số cao (Bảng 20.8, Trường hợp C, b), theo hướng dao động sở, theo hướng vng góc dao động sở (Bảng 20.8, Trường hợp C, c) mặt phẳng pháp tuyến tiếp tuyến Động áp điện với dao động không đối xứng dựa không đối xứng lực qn tính dao động khơng điều hịa tần số cao, dao động đa tần (Bảng 20.8, trường hợp D, a), lực ma sát tĩnh với quan hệ phi tuyến lực vận tốc (Bảng 20.8, trường hợp D, b) Chu kỳ không đối xứng dao động sinh điều hòa tổng đa tần Biên độ điều hòa chọn cách thay đổi hình dáng điện cực diện tích điện cực riêng biệt biến thiên biên độ điện áp cung cấp Có thay đổi luân phiên pha điện áp cung cấp Hiệu suất động áp điện trường hợp thấp thiết kế thiết bị có độ phân giải cao tới 20-54 Cơ cấu chấp hành 0,002m truyền động tịnh tiến Do đó, cho phép động áp điện giới hạn kích thước theo hai tọa độ, việc quan trọng số ứng dụng Các động áp điện dễ dàng tối thiểu kích thước, đo vi động phát triển mạnh Động quay [5] ví dụ điển hình dạng Nó có đường kính mm, độ cao 0.3 mm, thể tích 0.49 mm3 Động quay ổn định vài vị trí mơmen khởi động khoảng 3.2 Nm Động áp điện nhiều bậc tự Động áp điện nhiều bậc tự dạng cấu trúc thay đổi thông số cấu trúc động học chúng điều chỉnh Nếu hai liên kết cặp động học làm từ vật liệu áp điện, tạo độ dịch chuyển tĩnh phần tử nó, giả tĩnh dao động cộng hưởng, kết sinh lực momen vùng diện tích tiếp xúc liên kết Chuyển động tương đối liên kết với phần khác đảm bảo Các cặp động học xác định tích cực Các cặp động học tích cực đặc trưng khả năng: Điều khiển số bậc tự Đơn giản điều khiển va chạm cặp, dùng phần tử cặp khép kín lực Ở hệ số va chạm hay biên độ lực tác động thay đổi Việc có kích thích dao động tiếp tuyến pháp tuyến tần số cao vùng tiếp xúc cặp Sinh lực mômen vùng tiếp xúc liên kết Phương lực sinh mômen điều khiển thay đổi dao động, ví dụ, tác động riêng đến điện cực chuyển đổi Có đặc tính phụ: tự chuẩn đốn, đa chức năng, tự sửa chữa, tự thích nghi.Ví dụ mắt robot (Hình 20.84(a)) có CCD camera đặt cầu thụ động 2, liên kết với vòng áp điện Áp suất vùng liên kết xác định nam châm vĩnh cửu Hệ thống có bậc tự (a) (b) HÌNH 20.84 20-55 Sổ tay Cơ điện tử (a) (b) HÌNH 20.85 Điện cực vịng áp điện chia vùng (trong trường hợp – chia thành phần đối xứng); tích cực vài điện cực số với tần số cộng hưởng AC kết hình cầu quay xung quanh trục nó, vị trí chúng điều khiển cách thay đổi tác động điện cực khác Các dao động sóng dịch chuyển vành (bằng cách cung cấp điện pha xoay chiều tới điện cực) làm cầu quay vòng quanh trục vành Các dạng động có độ phân giải xấp xỉ góc giây theo phương, cao yêu cầu hệ thống thị giác robot Với phương pháp có, dạng điều khiển loại dao động cộng hưởng, cho phép thiết kế cấu máy với liên kết linh hoạt sử dụng hai cặp động học nhằm làm tăng độ dư thừa hệ thống Một robot áp điện loại hình 20.84(b) Nó bao gồm vật liệu thụ động (như thép) - cầu 3, với chuyển đổi áp điện chúng Lò xo liên hệ tất liên kết Một robot với cầu có bậc tự Các cặp động học di chuyển tuỳ thuộc phương pháp thiết kế động áp điện Các điện cực khớp tích cực chia nhỏ Hình 20.84(b) dạng chúng phân phối ba dao động thành phần vùng liên kết Các dao động nhiều thành phần tần số cao sinh điểm liên kết (các điện cực định “A” liên kết tác động) quay nối liên hệ với nối A /3 thay đổi vị trí dao động mẫu (Sự thay đổi vị trí nút dao động điểm liên kết) khiến nối quay mối liên hệ với nối Dùng hiệu ứng áp điện thuận, thu thông tin phụ (với điện cực “B”) lực mômen, tác động lên lên trạng thái bề mặt tiếp xúc Các thông tin dùng để giảm sai số vị trí hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động Bằng cách tăng độ xác cứng vững phần tử hệ thống, sai số tĩnh động hộp số, cột chống, dẫn giảm loại bỏ hoàn toàn Kết hợp đặc tính chuyển đổi áp điện cấu chấp hành hệ thống điều khiển giảm đỉnh nhọn chí loại bỏ hồn toàn hầu hết sai số hộp số, cột chống dẫn dùng thiết bị đo có độ xác cao Ngun nhân hộp số, cột chống nhiều bậc tự với hai phần tử làm từ vật liệu áp điện tích cực với vùng kích thích xác định Độ lệch tâm trục, khe hở vùng chết, sai số thơng thường tối thiểu hố thiết bị Sơ đồ ổ trục tích cực hình 20.85(a) số trục n bán kính m vùng điện cực n = m = Các ổ trục tích cực dùng hệ thống đo xác bề mặt thành phần độ nghiêng để quét bề mặt Ví dụ ước lượng sai số vịng ngồi ổ trục bi xác cao Ở đo luân phiên đồng thời mặt nghiêng mặt thẳng Điều chuyển đổi áp điện (Hình 20.85(b)) tiếp xúc với thành phần vùng với kiểu phân bố dao động chuyển luân phiên thành phần dao động tiếp tuyến pháp tuyến Khơng có lực suy rộng, rõ ràng sai số gây mômen vùng liên kết không đáng kể 20-56 Cơ cấu chấp hành Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Cady, W G., Piezoelectricity, Dover Publications, New York, 1964 Volkov, V., Some Theoretical Problems in Modern Techniques of Diagnostics in Mechanical Systems, in Proc Int AMSE Conf Systems Analysis, Control and Design, Lyon, France, 205 Uchino, K., Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors, Kluwer Academic Publishers, MA, 1997, 349 Ragulskis, K., Bansevicius, R., Barauskas, R., Kulvietis, G., Vibromotors for Precision Microrobots, Hemisphere Publishing Corporation, 1988, 310 Suzuki, Y., Tani, K., Sakuhara, T., Development of new type piezoelectric micromotor, J Sensors & Actuators, 83, 244, 2000 Catalog Ceramic Multilayer Actuator CMA d33 & d31, July 2000 Sashida, T., Kenjo T., An Introduction to Ultrasonic Motors, Oxford Science Publications, 1993, Oxford University Press, New York, 242 Ueha S., Tomikawa Y., Ultrasonic Motors, Theory and Application, Oxford Science Publications, Oxford Press, Oxford, 1993, 298 20-57 ... dt (20. 36) Q: điện tích, C: điện dung , V: điện áp Bảng 20. 6 biểu diễn cảm biến /cơ cấu chấp hành áp điện khác với hình dáng định Các cấu chấp hành áp điện có thiết kế dạng ngăn phiến Cơ cấu chấp. .. liên quan tới cấu chấp hành điện Các dạng cấu chấp hành điện - Nguyên lý hoạt động Nguyên lý chung cấu chấp hành điện chuyển lượng điện sang lượng Có nhiều dạng cấu khác nhau, ví dụ cấu chuyển đổi... xử lý liệu, hình 20. 1 Cảm biến cấu chấp hành thiết bị thực nhiệm vụ điều chỉnh chuyển hoá lượng Bởi cấu trúc cấu chấp hành mơ tả hình 20. 2 Thơng thường cấu chấp hành thiết bị chuyển đổi lượng