Capitolul II Mictomotoare

7/25/2019 Capitolul II Mictomotoare

http://slidepdf.com/reader/full/capitolul-ii-mictomotoare 1/13

CAPITOLUL II

2. I. Micromotoare electrostatice conven ionaleț

În funcţionarea micromotoarelor electrostatice sunt întâlnite aceleaşi variante pentru

onversia electromecanică a energiei: sincronă (cu sau fără reluctanţă variabilă) şi asincronă.

In cazul general, conversia electromecanică incronă se realizează prin intermeiulș unor

ispozitive constituite, în principal, intr!un ansamblu e electrozi, cu o anumită ispunere în

spaţiu, care, alimentat cu un sistem polifazat e tensiuni, prouce un câmp electric învârtitor ".

#âmpul menţionat, acţionân asupra rotorului (un ipol cu momentul electric p), îl roteşte cu

viteza e sincronism şi etermină apariţia unui cuplu e rota ie $ț e , e%primat prin relaţia:

$e & " p sin '..ѱ

une, este ecalaul ung*iular intre cei oi vectori.ѱ

+ipolul rotoric poate constituit intr!o perec*e e electrozi cu polaritate iferită, intr!un

electret cu polarizare inusă.

pre eosebire e cazul preceent, realizarea unui micromotor electrostatic asincr: impune

utilizarea unui rotor cu acelaşi număr e poli ca şi statorul. -e baza fenomenului inucţiei

electrice, în rotor ia naştere un câmp electric polifazat care alunecă în raport cu câmpul electricînvârtitor statoric

În omeniul electrostatici, conversia electromecanic/ sincrom/ are un caracter

preponerent. "a se realizează, în maoritatea cazurilor, prin micromotoare pas!cu!pas, c in

punct e veere constructiv şi funcţional, prezintă multe analogii cu varianta electromagnetică.

2.2. Prncipiul de functionare

$icromotorul electrostatic pas!cu!pas se compune, ca orice maşină electrică rotativă, in

ouă părţi constructive e bază: statorul şi rotorul. tatorul, este realizat intr!o succesiune e

electrozi (poli statorici) ispuşi upă un traseu circular şi fi%aţi pe un suport ctroizolant. În



centrul acestuia, într!o poziţie fi%ă, este montat un a% vertical, pe care este plasat rotorul,

prevăzut la e%terior cu un anumit număr e proeminenţe polare (poli rotorici). -olii statorici,

împreună cu proeminenţele polare rotorice îneplinesc rolul armăturilor unor conensatoare prin

intermeiul cărora energia electrostatică este convertită în energie mecanică. #onversia

menţionată evine posibilă printr!o alimentare secven ială iscretă a fazelor statorului.ț

0ig. c*ema pentru alimentarea secvenţială iscretă a unui motor electrostatic pas!cu!pas cu

trei faze

-rincipial, e%istă oua posibilităţi e comană şi alimentare secvenţială a fazelor statorului: cânsursa este conectată între oi poli statorici iametral!opuşi (fig.l la)1 cân sursa este conectată

între a%ul micromotorului şi o perec*e e poli statorici iametral!opuşi.

2ltima variantă presupune un contact galvanic sigur între a%ul micromotorului şi rotor.

"vient, acest lucru ar putea fi realizat relativ simplu, în cazul unor motoare cu imensiuni



centimetrice sau mai mari une pot fi utilizate contacte alunecătoare e tip inelperie. In cazul

micromotoarelor electrostatice une imensiunile rotorului se reuc la valori e orinul sutelor

sau c*iar al zecilor e microni soluţia escrisă îşi piere importan a practică. +in cauzaț

particolelor izolante care pot pătrune acciental în spaţiul intre a% şi rotor, contactul electric

men ionat evine aproape imposibil, ceea ce face ca, în practică, să fieț preferată prima variantă

e consieră că rotorul se găseşte iniţial în poziţia inicată în fig. a. -rin conectarea la

sursă a polilor statorici inica i în figură, se ezvoltă forţe tangenţiale, care acţioneazăț sensul

creşterii energiei câmpului electric. În consecinţă, rotorul se va roti cu un anumit ung*i, până

cân a%ele e simtrie ale suprafeţelor polare active, statorice şi rotorice (suprafeţele între care se

stabileşte câmpul electric), se suprapun. În acest moment, legătura intre sursă şi stator este

comutată pe o altă perec*e e poli statorici, fapt care etermină o nouă eplasare ung*iulară arotorului, egală cu cea in secvenţa preceentă. 3otorul este eplasat prin acţiuni succesive, într!

un mo asemănător cu cel întâlnit la varianta electromagnetcă a motorului pas!cu!pas.

a).



b).

0ig.' "%plicativă privin interacţiunea electrostatică intre polii e%citaţi ai unui $""- a) !

motor electrostatic pas!cu!pas realizat în varianta 45'1 b) 6 conensator ec*ivalent corespunzător

cuplaului electrostatic intre poli

În figura 'a se prezintă un micromotor electrostatic pas!cu!pas avân raportul intre

polii statorici şi cei rotorici egal cu 45'. 7a nivelul unei singure perec*i e poli (un poi statoric iș

altul rotoric) se observă analogia cu un conensator plan cu armătura mobilă eplasabilă pe o

irecţie paralelă cu planul celor ouă armături (fig. 'b).

#onform teoremei forţelor generalizate în câmp electrostatic, forţa e interacţiune întreoi poli aflaţi în cupla este ată e relaţia:

0 & gra 8e & ! gra (1

2 #2' )1 '.'.

une : 0 este fora electrostatică (generalizată) care actionează asupra rotorului1 8e 9energie

magazinată în câmpul electrostatic al celor oi poli, 2 6 tensiunea electrică a sursei inentare, # !

capacitatea conensatorului ec*ivalent.



vân în veere configuraţia geometrică şi notaţiile aoptate pentru imensiunile

conensatorului ec*ivalent, ilustarat in figura 'a, rezulta:

# & ;<*s

x

d '.4.

2ne: ;< este permitivitatea electrică absolută a ielectricului plasat în interstiţiul intre parteamobilă şi cea fi%ă a micromotorului (consierată egală cu cea a viului), * 6 lăţimea

pac conensatorului ecnivalent, egală cu înălţimea statorului micromotorului1 %! lungimea zonei

e suprapunere a armăturilor conensatorului1 6 lărgimea intersti iului intre armăturiț

0orţa 0 are ouă componente:

componenta 0%, paralelă cu planul plăcilor, e%primată prin relaţia:

0% &∂W e

∂ x &1

2 2' ;< h

d 1 '.=.

componenta 0 perpeniculară pe planul plăcilor , e%primată prin rela ia:ț

0 &∂W e

∂d &1

2 2' ;< h x

d2 1 '.>



#onform acestor relaţii componenta tangenţială 0% , etermină valoarea cuplului e rotaţie,

mărimea ei epinzân în principal e înălţimea * a polilor. #omponenta raială 0 , nu oacă un

rol activ în obţinerea cuplului e rotaţie, putân fi consierată ca un efect secunar.În cazul în

care rotorul se găseşte sub acţiunea simultană a oi poli statorici activi, afla i în poziţie iametralț

opusă, componenta 0 se anulează. cest lucru este e orit, eşi, în practică, simetriile

geometrice, îneosebi la imensiuni reuse, sunt foarte greu e realizat.

În continuare este analizată influenţa numărului e faze şi a numărului e poli asupra

funcţionării unui $"--.

0ig. 4 #azul unui $""- 45, cu ouă faze, avân poziţia polilor rotorici simetrică în raport cu

polii statorici e%citaţi

e consieră mai întâi (fig. 4) cazul unui micromotor cu ouă faze, cu şase poli în stator şi trei

poli în rotor (raportul numărului e poli in stator şi rotor 6 45). ituaţia ilustrată in figura 4

evien iază imposibilitatea efectuării pasului, eoarece poziţia simetrică a polilor rotoriciț în

raport cu cei statorici e%citaţi conuce la o for ă tangenţială rezultantă nulă.ț

"vitarea acestei situaţii este posibilă acă la începutul fiecărei secvenţe e comutare, polii

rotorici se găsesc într!o poziţie asimetrică faţă e polii statorici activaţi. În acest caz, inegalitatea



forţelor tangenţiale antagoniste care acţionează asupra fiecărui pol rotoric, conuce la o

rezultantă iferită e zero, ce eplasează rotorul într!un sens sau altul, funcţie e

sensul asimetriei iniţiale.

0ig. = #azul unui $""- 45, cu ouă faze, avân poziţia polilor rotorici asimetrică în raport cu

polii statorici e%citaţi

#oniţia e asimetrie este realizată, relativ simplu, la $""- cu trei faze. În figura =. se

prezintă cazul unui motor electrostatic cu şase poli statorici şi oi poli rotorici (raportul

numărului e poli 6 45). simetria pozi iei polilor rotorici, face ca istan ele fa ă e poliiț ț ț

statorici activaţi să fie inegale. #a urmare, rezultanta forţelor tangenşiale antagoniste va

fi.nenulă. 0iecare secvenţă e comutare asigură eplasarea rotorului cu câte un pas, sensul

eplasării fiin mereu acelaşi cu sensul e comutare a polilor statorici. +in figura = constată că,

în faza iniţială a fiecărui pas, suprafeţele polare active ale polilor nu se suprapun, ceea ce

conuce la un cupla electrostatic slab, cu efect negativ asupra valorii cuplului pornire.

$icromotorul cu trei faze, cu raportul numărului e poli egal cu 45', poate constitui o

soluţie pentru iminuarea ezavantaului arătat mai sus. $oificarea menţionată păstrează



avantaul creat e asimetria e poziţie a polilor aucân, în plus, o ameliorare a cuplaului

electrostatic, atorită suprapunerii parţiale a suprafeţelor active ale polilor (fig.>).

0ig. > #azul unui $""- 45', cu trei faze, avân poziţia polilor rotorici asimetrică în raport cu

cei statorici

pre eosebire e cazul preceent, sensul e rota ie nu mai coincie cu sensul eț

comutare. ?recerea e la varianta 45 la varianta 45' are urmări şi asupra numărului e paşi

necesar pentru o rota ie completă. -entru cazul 45, sub acţiunea a ouă impulsuri e comanaț

succesive, se ob ine un pas elementar ung*iular e @<ț <, în timp ce pentru cazul 45', în aceleasi

coniţii, pasul elementar este e numai 4<<.

$ărimea numărului e paşi corespunzători unei rotaţii complete poate fi obţinuta,

principial şi prin creşterea numărului polilor rotorici şi statorici. A soluţie în acest sens o

reprezintă polii statorici ivizaţi (cu oi sau mai mulţi inţi). În figura @ proeminentele polare

statorice sunt constituite in câte oi inţi şi o crestătură intermeiară, avan esc*ierea

ung*iulară egală cu cea a inţilor.



0ig. @ #azul unui $""- cu poli statorici ivizaţi

3otorul este realizat intr!o succesiune e proeminenţe polare separate prin crestături avân

aceeaşi esc*iere ung*iulară. +esc*ierile ung*iulare ale inţilor şi crestăturilor rotorice sunt

egale cu cele in stator. -rin combinaţii ale numărului e inţi şi ale numărului e crestături se

poate obţine teoretic orice număr e paşi pe rotaţie. În practică numărul e paşi este limitat e

cerinţele impuse e sistemul e acţionare în care este integrat micromotorul.

0ig. B +ispunerea polilor la $""- cu şase faze



-entru stabilirea influenţei numărului e faze se analizează comparativ ouă micromotoare

ientice în ceea ce priveşte construcţia şi imensiunile, unul cu trei faze şi altele cu şase faze.

#onsierân că C reprezintă numărul e poli statorici, pentru micromotorul cu trei faze va

rezulta C54 conensatoare ec*ivalente active pe fază, iar pentru cel cu @ faze, C5@ conensatoare

ec*ivalente active pe fază, în ambele cazuri, pasul ungDliu)

fiin acelaşi (5@ pentru pasul polar rotoric 6figura B).

0ig. E #aracteristica ung*iulară a unui $""-

a) 6 cu trei faze1 b) 6 cu şase faze

0igura E reprezintă evoluţia componentei tangenţiale 0% în funcţie e ung*iul

θ

, eeviaţie a rotorului faţă e poziţia e ec*ilibru. În ambele cazuri se constată că forţa variaza upă

o lege sinusoială. Cotân cu 0ma%4, 0ma%@ 10min4, 0min@1 0me4, 0me@,valorile ma%ime, minime şi

meii pentru un $"-- cu 4, respectiv @ faze, iferenţele intre cele ouă variaiante analizate se

e%primă prin relaţiile:



0ma%4 & '0 0ma%@.

0min4 & ,> 0min@, '.@.

0me4 & ,B 0me@.

e constată că in punct e veere al conversiei electromecanice, varianta cu numar

mic e faze este mai eficientF. fapt ce e%plică preferinta, în practică, pentru $""- cu trei faze.

3.Concluzii.

-rogresele înregistrate în fabricarea şi utilizarea micromotoarelor electrostatice se

atorează apariţiei şi ezvoltării te*nologiilor e mică fabricaţie, bazate pe procese

fotolitografice. 2tilizate, mai întâi, pentru fabricarea circuitelor integrate, aceste te*nologii aufost e%tinse la uzinarea unor microstructuri între care micromotoarele cu imensiuni

submilimetrice ocupă un loc însemnat.

3ealizarea, între stator şi rotor a unei interstiţiu e%trem e mic reprezintă, în prezent

singura soluţie practică pentru creşterea rigiităţii ielectrice a aerului la valori ce permit

obţinerea unor ensităţi e energie comparabile cu cele întâlnite la motoarele electromagnetice.

"le reprezintă rezultatul efectului -asc*en în interstiţii e%trem e mici, posibil a fi obţinute

numai cu te*nologiile moerne. În fabricarea motoarelor electostatice sunt cunoscute în principal

ouă te*nologii:

! te*nologia planară1

! te*nologia 7IG.

mbele proceee se bazează pe procese fotolitografice.

În te*nologia planară aplicată la realizarea motoarelor electrostatice, microstructura

finală reprezintă rezultatul prelucrării superficiale, pe cale c*imică, a unei plac*ete e siliciu,

ltfel spus, iversele straturi epuse pe un substrat sunt coroate selectiv pe cale c*imică, pentru

a obtine in siliciu policristalin, statorul, rotorul şi arborele fi%.

$icromotorul electrostatic cu electreţi, are la bază o placă e electret care atorită

intercaţiunii câmpului propriu cu câmpul electric al unui conensator plan, poate fi respinsă sau

poate fi atrasă în interstiţiul intre armăturile acestuia. +eplasarea rotorului este rezultatul



interacţiunii intre câmpurile electrice statorice şi rotorice, e%citarea ansamblurilor polare

statorice realizânu!se printr!un sistem e comană electronică. "lectreţii oferă posibilitatea

valorificării simultane atât a forţelor e atracţie cât şi a forţelor e respingere.

A problemă esenţială legată e micromotoarele electrostatice o reprezintă frecarea carereuce viteza reală e =<<!><< e ori în raport cu viteze teoretică posibilă. Ariginea frecărilor la

motorul electrostatic este atât e natură soliă cât şi e natură aeroinamic atorită vitezelor

relativ riicate ezvoltate e rotor într!un interstiţiu e aer foarte mici (frecare vâscoasă).

-erformanţele micromotoarelor electrostatice epin nu numai e caracteristici

funcţionale ar şi e configuraţia geometrică a rotorului şi a statorului care reprezintă un obiectiv

e cercetare continuă a specialiştilor în omeniu.

+escoperirea unor materiale noi, cu caracteristici mecanice superioare utilizate larealizarea rotorului şi a părţii vibrante va riica posibilităţile e utilizare.

BIBLIOGRAFIE

Hogeanu .+. Contribufii la studiul motoarelor electrice cu rotor rulant –

?eză e octorat . 2niversitatea G*. sac*iJ, 0acultatea

e electrote*nică, Iaşi, KEK.

#ernomazu, +. ,7upu, Motor electrostatic. #erere e brevet e invenţie.

Cr.>>K, AI$ Lucuresti, KKB.

#ernomazu, +. 7upu, $anici,Contribu ii la realizarea şi exerimentareaț

unor . modele demonstrati!e de micromotoare

electrostatice, oua conferinţă internaţională I7$"#,

KKK.



#ernomazu, +. 7upu, $anici, $icromotor electrostatic. #erere e brevet

e inventie. 5<<4B4, AI$, Lucuresti, '<<<.

3o ca, M., tuiu privin posibilită ile e realizare a unor motoareș ț

piezoelectrice! -roiect e iplomă. 2niversitatea Ntefan cel

$areJ, uceava, KKE.

0lorescu, $., "tudiul motoarelor electrostatice. #ontribuţii la proiectarea şi

realizarea unor moele iactice pentru micromotoare e

construcţie specială.

2niversitatea Ntefan cel $areJ uceava, KKK.

Capitolul II Mictomotoare

Documents

Transcript of Capitolul II Mictomotoare