În această secțiune, vom avea în vedere alți actori electrici care găsesc aplicație în mecatronică. Sunt discutate pe scurt aici motoarele sincrone AC și actuatoarele liniare (solenoizi și motoare liniare).

7.5.1 Motoare sincrone

Servomecanismele blocate în fază și motoarele pas cu pas pot fi considerate motoare sincrone, deoarece ele rulează în sincronism cu un semnal de comandă extern (un tren de impuls) în condiții normale de operare. Rotorul unui motor AC sincron se rotește în sincronism cu câmpul magnetic rotativ generat de înfășurările statorului. Principiul de generare al acestui câmp rotativ este identic cu cel al unui motor cu inducție. Spre deosebire de un motor cu inducție, însă, înfășurările rotorului ale unui motor sincron sunt alimentate de o sursă DC externă. Polii magnetici ai rotorului generați în acest mod se vor bloca cu câmpul magnetic rotativ generat de stator și se vor roti cu aceeași viteză (viteză sincronă). Din acest motiv, motoarele sincrone sunt deosebit de potrivite pentru aplicații cu viteză constantă în condiții de sarcină-variabilă. Motoarele sincrone cu rotori cu magnet permanent (de exemplu, samariu-cobalt) sunt și ele disponibile comercial. Tensiunea DC, care este necesară pentru a alimenta înfășurările rotorului unui motor sincron, poate proveni din mai multe surse. O sursă DC independentă, o sursă AC externă și un redresor (sau un generator DC, care este acționat de motorul sincron în sine) sunt trei moduri de generare a semnalului DC.

Un dezavantaj major al motorului AC sincron este faptul că este necesar un „demaror” auxiliar pentru a porni motorul și a-l apropia de viteză sincronă. Motivul pentru aceasta este că în motoarele sincrone, cuplul de pornire este practic zero. Pentru a înțelege acest lucru, considerați condițiile de pornire. Rotorul este în repaus și câmpul statorului se rotește (la viteza sincronă). În consecință, există o alunecare de 100% (S = 1). Când, de exemplu, un pol N al câmpului rotativ din stator se apropie de un pol S în rotor, forța magnetică va tinde să întoarcă rotorul în direcția opusă câmpului rotativ. Când același pol N al câmpului rotativ tocmai a trecut de polul S al rotorului, forța magnetică va tinde să tragă rotorul în aceeași direcție cu câmpul rotativ. Aceste interacțiuni opuse se echilibrează, producând un cuplu net zero pe rotor. O metodă de pornire a unui motor sincron este folosirea unui motor DC mic. Odată ce motorul sincron atinge viteza sincronă, motorul DC este acționat ca un generator DC pentru a furniza energie înfășurărilor rotorului. Alternativ, un motor mic cu inducție poate fi utilizat pentru a porni motorul sincron. Un aranjament mai de dorit, care folosește principiul, este să includă mai multe seturi de înfășurări ale rotorului tip-motor cu inducție (tip-cușcă sau înfășurat) în rotorul motorului sincron. În toate aceste cazuri, alimentarea înfășurărilor rotorului motorului sincron este deconectată pe durata condițiilor de pornire și este conectată numai când viteza motorului se apropie de viteza sincronă.

7.5.1.1 Controlul unui motor sincron

În condiții normale de operare, viteza motorului sincron este determinată de frecvența alimentării AC la înfășurările statorului, deoarece viteza motorului este egală cu viteza ωf a câmpului rotativ (vezi Ecuația 7.44). Prin urmare, controlul vitezei poate fi realizat prin metoda de control cu ​​frecvență-variabilă, așa cum este descris pentru un motor cu inducție. În unele aplicații ale motoarelor AC (atât cu inducție, cât și sincrone), dispozitivele de ambreiaj care leagă motorul la sarcina acționată sunt utilizate pentru a realiza un control de ​​viteză variabilă (de exemplu, folosind un sistem de ambreiaj cu curent eddy care produce o forță de cuplare variabilă prin curenți eddy generați în ambreiaj). Aceste tehnici disipative sunt destul de risipitoare și poate degrada considerabil eficiența motorului. Mai mult, ar fi necesare metode de îndepărtare a căldurii pentru a evita problemele termice. Prin urmare, acestea nu sunt recomandate pentru aplicații de mare putere, unde eficiența motorului este o considerație primordială.

Rețineți că, dacă nu este utilizat un rotor cu magnet permanent, un motor sincron ar necesita un mecanism inel de alunecare-perie pentru a alimenta tensiunea DC la înfășurările rotorului. Acesta este un dezavantaj care nu este prezent într-un motor cu inducție.

Curba viteză-cuplu în stare staționară a unui motor sincron este o linie dreaptă paralelă cu axa de cuplu. Dar cu un control adecvat (de exemplu, control de frecvență), un motor AC poate funcționa ca servomotor. În mod convențional, un servomotor are o relație liniară cuplu-viteză, care poate fi abordată de un servomotor cu un sistem de acționare adecvat. Aplicațiile motoarelor AC sincrone includ laminatoare de oțel, cuptoare rotative de ciment, transportoare, ascensoare, compresoare de proces, pompe de recirculare în centrale hidroelectrice și, mai recent, servomotoare și robotică. Motoarele sincrone sunt adecvate în special în aplicații de mare viteză, de mare putere, unde motoarele DC ar putea să nu fie adecvate. Un motor sincron poate funcționa cu un interstițiu mai mare între rotor și stator în comparație cu un motor cu inducție. Acesta este un avantaj pentru motoarele sincrone din punct de vedere al proiectării mecanice (de exemplu, toleranțele de rulment și deflecțiile rotorului datorate încărcărilor termice, statice și dinamice). Mai mult, pierderile în rotor sunt mai mici pentru motoarele sincrone decât pentru motoarele cu inducție.

7.5.2 Actuatoare liniare

Etajele de acționare liniară sunt frecvente în aplicațiile mecatronice industriale. Acestea pot utiliza aceleași principii ca și actuatoarele rotative, dar folosesc aranjamente liniare pentru stator și elementul în mișcare, sau un motor rotativ cu o unitate de transmisie a mișcării rotative/liniare. Solenoizii sunt de regulă actuatoare lineare de tip on-off (sau push-pull), utilizate frecvent în relee, actuatoare de supape, întrerupătoare și o varietate de alte aplicații. Unele tipuri utile de actuatoare liniare sunt prezentate în secțiunea următoare.

7.5.2.1 Solenoid

Solenoidul este un actuator rectiliniu comun, care constă dintr-o bobină și un miez de fier moale. Când bobina este activată printr-un semnal DC, miezul de fier moale devine magnetizat. Acest electromagnet poate servi ca un actuator on-off (sau push-pull), de exemplu, pentru a mișca un element feromagnetic (pol sau piston în mișcare). Elementul în mișcare este sarcina, care este în mod obișnuit restricționată de un arc ușor și un element de amortizare.

FIGURA 7.38 Un releu acționat cu solenoid:
(a) Componente fizice; (b) curba caracteristică

Solenoizii sunt dispozitive robuste și ieftine. Aplicații comune ale solenoizilor includ actuatoare de supapă, comutatoare mecanice, relee și alte sisteme de poziționare în două stări. Un exemplu de releu este prezentat în figura 7.38.

Un astfel de releu poate fi utilizat pentru a porni și opri dispozitive precum motoare, încălzitoare și supape în sisteme industriale. Ele pot fi controlate de un controler logic programabil (PLC). Un releu cu întârziere de timp oferă o acțiune on-off întârziată cu un interval de timp reglabil, așa cum este necesar în unele aplicații de proces.

Procentul de timp on în raport cu perioada totală on-off este ciclul de serviciu al unui solenoid. Un solenoid va avea nevoie de un curent suficient de mare pentru a muta o sarcină. Există o limită la forța magnetică rezultată, deoarece bobina se va satura. Pentru a evita acest lucru, valorile nominale ale solenoidului trebuie să corespundă nevoilor sarcinii. Există o altă considerație a performanței. Pentru cicluri de serviciu îndelungate, este necesar să se mențină un curent prin bobina solenoidului pentru o perioadă lungă de timp corespunzătoare. Dacă curentul de activare inițial al solenoidului este menținut pe o perioadă lungă de timp, acesta va încălzi bobina și va crea probleme termice. În afară de pierderea de energie, această situație nu este de dorit din cauza problemelor de siguranță, reducerea duratei de viață a bobinei și necesitatea de a avea mijloace speciale de răcire. O soluție obișnuită este încorporarea unui circuit de reținere, care va reduce curentul prin bobina solenoidului la puțin timp după ce este activat. În figura 7.39 este prezentat un simplu circuit de reținere.

Rezistența Rh este suficient de mare și comparabilă cu rezistența Rs a bobinei solenoidului. Inițial, condensatorul C este complet descărcat. Atunci tranzistorul este „on” (adică polarizat direct) și este capabil să conducă de la emitor (E) la colector (C). Când comutatorul, care este normal-deschis (notat cu NO) este apăsat (adică închis), sursa DC trimite un curent prin bobina solenoidului (Rs) și circuitul este completat prin tranzistor. Deoarece tranzistorul oferă doar o rezistență scăzută, curentul rezultat este suficient de mare pentru a acționa solenoidul. Pe măsură ce curentul curge prin circuit (în timp ce întrerupătorul este închis), condensatorul C devine complet încărcat. Tranzistorul devine polarizat invers datorită tensiunii rezultate a condensatorului. Aceasta comută off tranzistorul. Atunci, circuitul este completat nu prin tranzistor, ci prin rezistorul hold-in Rh. Ca rezultat, curentul prin solenoid scade cu un factor Rs/(Rs + Rh). Acest curent mai mic este adecvat pentru a menține starea solenoidului fără a-l supraîncălzi. Un solenoid rotativ asigură o mișcare rotativă push-pull. Principiul său de funcționare este același ca cel al unui solenoid liniar. Un alt tip de solenoid este solenoidul proporțional. Este capabil să producă o mișcare rectilinie proporțională cu curentul prin bobină. Prin urmare acționează ca un motor liniar. Solenoizii proporționali sunt utili în special ca actuatoare de supapă în sistemele de alimentare cu fluide; de exemplu, ca actuatoare pentru supapele spool în dispozitivele hidraulice cilindri-piston (actuatoare rectilinii) și actuatoare de supape pentru motoare hidraulice (actuatoare rotative).

FIGURA 7.39 Un circuit de reținere pentru un solenoid.

7.5.2.2 Motoare liniare

Este posibil să se obțină o mișcare rectilinie de la un actuator electromecanic rotativ (motor) folosind un mecanism cinematic auxiliar (transmisie de mișcare), cum ar fi o camă și un urmăritor (folower), o bandă și scripete, o cremalieră și pinion, sau șurub conducător și piuliță. Aceste dispozitive au, în mod inerent, probleme de frecare și recul. Mai mult, ele adaugă inerție și flexibilitate la sarcina acționată, generând astfel rezonanțe nedorite și erori de mișcare. Adaptarea corectă a inerției de transmisie și a inerției de încărcare este esențială. În special, inerția de transmisie ar trebui să fie mai mică decât inerția de încărcare, atunci când se referă la o parte a mecanismului de transmisie. Mai mult, este nevoie de energie suplimentară pentru a opera sistemul împotriva inerției mecanismului de transmisie.

Pentru performanțe îmbunătățite, sunt de dorit actuatoarele electromecanice directe rectilinii. Aceste actuatoare operează după același principiu ca omoloagele lor rotative, cu excepția faptului că sunt folosiți statori plani și elemente care se mișcă rectiliniu (în locul rotorilor). Acestea vin în următoarele tipuri diferite:

1. Actuatoare liniare pas cu pas
2. Actuatoare DC lineare
3. Actuatoare AC lineare
4. Pistoane și cilindri de fluide (hidraulice și pneumatice)

Am indicat deja principiul funcționării unui motor pas cu pas liniar. Fluidele, pistoanele și cilindrii sunt discutate mai târziu în acest capitol. Motoarele electrice liniare sunt de asemenea denumite cilindri electrici și sunt potriviți ca etaje liniare de înaltă precizie a aplicațiilor de mișcare.

De exemplu, un motor DC liniar fără perie funcționează similar cu un motor rotativ fără perii și folosește un amplificator de acționare similar. Magneții avansați din pământuri-rare sunt utilizați pentru elementul în mișcare, oferind un raport mare forță/masă. Statorul are forma unui canal-U în care glisează elementul în mișcare. Rulmenții liniari (culisanți) sunt standard. Deoarece rulmenții magnetici pot interfera cu forța generatoare de flux magnetic, rulmenții cu aer sunt folosiți în aplicații mai sofisticate. Statorul are bobina „de forțare” pentru generarea câmpului magnetic de acționare și senzori cu efect-Hall pentru comutare. Deoarece materialul conductiv va crea probleme de curent-eddy, sunt utilizate structuri epoxy ceramice consolidate pentru canalul stator de către producătorii de vârf de motoare liniare. Aplicațiile motoarelor liniare includ dispozitive de tracțiune, pompe lichid-metal, mese multi-ax, roboți Cartesian, mecanisme transportoare și actuatoare de servovalve.

7.6 Actuatoare hidraulice