ACTUATORI ELECTROSTATICI1.NOTIUNI GENERALE

Actuatorii electrostatici se incadreaza in grupa actuatorilor electrici.Proiectarea lor se bazeaza pe conversia energiei electrostatice in lucru mecanic.Primii actuatori electrostatici au fost realizati inca din anul 1750 de catre Andrew Gordon si Benjamin Franklin. Motoarele electrostatice au avut putine aplicatii practice datorita tensiunii de activare relativ mare si datorita preciziei deosebite impuse structurii mecanice.Cercetarile in domeniul microtehnologiilor au permis realizarea unor microactuatori electrostatici deosebit de performanti cu aplicatii in: electronica,optica, aparatura de cercetare,calculatoare,echipamente periferice,aparatura video,echipament de microchirurgie si neurochirurgie,Motoarele electrostatice au o durata de viata scurte datorita frecarii dintre elementele fixe si cele mobile.

Actuatorii sunt elemente de execuie controlabile care transform energia de

intrare (electric, magnetic, termic, optic sau chimic) n lucru mecanic. Conversia

energiei de intrare n energie util de ieire se realizeaz prin intermediul cmpurilor

electrice, magnetice, ca urmare a unor fenomene fizice: fenomenul piezoelectric,

fenomenul magnetostrictiv, fenomenul de memorare a formei, ca urmare a dilatrii

corpurilor la creterea temperaturii, a schimbrilor de faz, a efectului electro-reologic,

electro-hidrodinamic, de diamagnetism. Mecanismul actuatorului transform, amplific

i transmite micarea fcnd acordul cu parametrii specifici scopului tehnologic.

Alegerea actuatorilor pentru o tem dat poate s constituie o activitate complex.

Adesea, opiunile se bazeaz pur i simplu pe familiarizarea proiectantului cu anumite

sisteme. n multe situaii se duce lips de resursele sau timpul necesar pentru a efectua

o analiz detaliat a fiecarei alternative de acionare posibil.2. CLASIFICAREA ACTUATORILOR

Exist o mare varietate de actuatori care utilizeaz diverse surse de energie cum ar

fi: electric, mecanic, hidraulic, chimic sau radiaii solare. Acetia difer mult din punct de vedere a performanelor; n timp ce unii sunt capabili de curse i fore mari alii au dimensiuni foarte reduse. Chiar i cei cu dimensiuni foarte reduse pot dezvolta puteri

ridicate dac acetia sunt utilizai la frecvene ridicate. Pentru a putea fi clasificai actuatorii, este necesar identificarea caracteristicilor de performan ale acestora. Actuatorii reprezint partea activ a sistemului, care n plus fa de acetia conine i sursa de energie necesar, la care se adaug uneori i dispozitivul de conversie a energiei n forma acceptat. Pentru actuatorii electrici din componena sistemelor flexibile de fabricaie sursa de energie o constituie de obicei reeaua naional de electricitate, n timp ce pentru un actuator hidraulic destinat s lucreze n spaiul cosmic, situaia este diferit: la greutatea actuatorului se adaug i cea a pompei hidraulice precum si cea a sursei de energie necesar acionrii pompei hidraulice.

Principalele caracteristici de performan ale actuatorilor sunt:

- Cursa specific: reprezint raportul dintre cursa maxim i lungimea actuatorului msurat pe direcia cursei.

- Fora specific: reprezint raportul dintre fora maxim generat i seciunea transversal a actuatorului.

- Densitatea: reprezint raportul dintre greutatea actuatorului si volumul acestuia n forma iniial; se neglijeaz masa sursei i a dispozitivelor periferice.

- Eficiena: lucrul mecanic produs n timpul unui ciclu complet, raportat la energia consumat n acel ciclu.

- Rezoluia: cea mai mic deplasare controlat posibil.

- Puterea volumetric: puterea la ieire raportat la volumul minim al actuatorului.

- Coeficientul cursei de lucru: raportul dintre cursa specific i fora specific.

- Coeficientul de putere pe ciclu: puterea maxim dezvoltat pe parcursul unui ciclu.

Actuatorii utilizai cel mai frecvent pot fi concepui ca i actuatori liniari sau rotativi, avnd curs limitat sau teoretic nelimitat, cu un element activ sau cu mai multe elemente active n structur. Acionarea propriu-zis este obinut pe trei ci distincte. Interaciuni de cmpuri Interaciuni mecanice.

Cele mai cunoscute tipuri de actuatori sunt cei care se bazeaz pe interaciunea cmpurilor magnetice, a curentului electric cu cmpuri magnetice precum i pe interaciunea sarcinilor electrice, care permit materializarea unor actuatori ce pot avea teoretic curs nelimitat (micromotoare de curent continuu, micromotoare de curent alternativ asincrone i sincrone - n special cu rotor pe baz de magnei permaneni, micromotoare electrostatice), sau limitat (micromotoare liniare de curent continuu, microelectromagnei).

n funcie de semnalul de intrare folosit pentru deplasarea controlat a elementului activ, actuatorii din aceast categorie se mpart, la rndul lor n:

- actuatori comandai termic (prin intermediul unui flux de cldur):

- actuatori pe baz de bimetale;

- actuatori pe baz de aliaje cu memoria formei;

- actuatori comandai electric (prin intermediul intensitii cmpului electric):

- actuatori piezoelectrici, cu elemente active din piezocristale, piezoceramici sau piezopolimeri;

- actuatori electroreologici;

- actuatori comandai magnetic (prin intermediul induciei cmpului magnetic):

- actuatori magnetostrictivi;

- actuatori pe baz de ferofluide;

- actuatori comandai optic ( optoelectric sau optotermic ):

- actuatori termo- / electro - fotostrictivi;

- actuatori piro - piezoelectrici;

- actuatori comandai chimic:

- muchi artificiali;

alte tipuri de actuatori, bazai pe alte fenomene fizice.

Fig. 1 Acionarea actuatorilor3.Principiul de functionare a actuatorilor electrostraticiPentru dezvoltarea unei forte utile de-a lungul unei curse,actuatorii electrostatic utilizeaza forta de atractie electrostatic dintre corpuri incarcate cu sarcini electrice diferite.Aceasta forta poate fi calculate pe baza energiei campului electrostatic, WE data de relatia:

WE=CU2

Unde C este capacitatea iar U tensiunea aplicata.

Cei doi electrozi plani si paraleli de arie S aflati la distanta d unul celalalt, prezenti in figura 1.1 formeaza un condensator a carui capacitate este:C=== 1.1Unde este permitivitatea mediului dintre electrozi ,Q sarcina electrica si E intensitatea campului electric dintre armaturi.

Fortele dezvoltate de-a lungul celor trei directii(Ox,Oy si Oz)sunt definite de derivatele partiale ale energiei campului electrostatic: Fx=; Fy=; Fz=; Unii actuatori electrostatic au o comportare neliniara,fiind necesare metode numerice pentru proiectarea si simularea functionarii lor.In continuare se prezinta metodele analitice ce ilustreaza conceptele de baza utilizate la proiectarea actuatorilor electrostatic.Cazul miscarii perpendicular;

Tensiunea U aplicata armaturilor plane ale condensatorului din fig 5.2 a este constanta.

Armaturile nu au posibilitatea de a se deplasa de-a lungul axelor Oy si Oz ci numai pe directia axei Ox.Capacitatea este ,astfel ca forta orientate pe Ox,in sensul micsorarii distantei dintre armature conform relatiilor (5.1)

Din expresia fortei electrostatice data de relatia (5.4) rezulta ca aceasta depinde de tensiunea aplicata,distant dintre electrozi,atria lor si nu este influientata de grosimea armaturilor si de volum (din aceasta cauza forta electrostatica se numeste forta de suprafata,spre deosebire de forta magnetic,cunoscuta ca si forta de volum ).Acest lucru favorizeaza posibilitatile de miniaturizare a actuatorilor electrostatic prin aplicarea microtehnologiilor de suprafata. In contextual aplicatiilor practice,un actuator dezvolta un lucru mechanic impotriva unei sarcini.In multe cazuri,aceasta poate fi modelata printr-un system format dintr-o masa si un element elastic.

In figura 5.3 sunt prezentate caracteristicile forta-deplasare pentru un astfel de actuator(curbele 1,2,si 3) pentru tensiunile U1U2U3,peste care este suprapusa caracteristica arcului 4.Ecuatiile specific sistemului actuator arc din fig5.2 b) sunt:

Unde k este constanta arcului.

Din egalitatea Factuator=Farc se determina pozitia de echilibru a armaturii superioare,pentru o anumita tensiune. Aceasta pozitie poate fi determinate si grafic cu ajutorul caracteristicilor din fig.5.3.Din cele doua puncte de intersectie ale caracteristicii 4 a arcului cu caracteristica actuatorului(1,2 sau 3)pentru diferite tensiuni,numai unul determina o pozitie stabile de echilibru.Energia totala a sistemului arc-actuator este:

Variatia energiei totale este repezentata in figura 5.4 pentru o tensiune U data.In apropiere de x=0(pentru x=x)atinge un maxim,iar pentru valori de x=d atinge un minim (x=x).-+ Pentru x=x si x=x,forta dezvoltata de actuator este zero,dar numai pentru x=x se obtine o pozitie stabile de echilibru.sistemul arc-actuator poate fi modelat de un element elastic avand o constanta echivalenta Kech data de relatia:

Din relatia(5.7) se observa ca KechK.

Cazul miscarii laterale Conform celor prezentate in fig.5.5,la deplasarea lateral a electrozilor plani si paraleli,forta electrostatic in lungul axei Oyeste:

Fy=; (5.8)Capacitatea condensatorului format este proportionala cu suprafata comuna a armaturilor:

C== (5.9)

Unde y si z sunt dimensiunile suprafetei commune,pe axele Oy si Oz.Se considera Z=ct si tinand cont de relatiile (5.1) si (5,9),relatia (5.8) poate fi scrisa sub forma:

Fy= U2; y