Actuadores 1 q Actuadores Electromecnicos q Maquinas Elctricas

Actuadores 1 q Actuadores Electromecánicos q Maquinas Eléctricas q Actuadores Piezoeléctricos q Sistemas de actuación hidráulica y neumática q MEMS

2 ACTUADORES: Actuadores: Electromecánicos

Actuadores: Electromecánicos 3 Convierten energía eléctrica a mecánica Principio de Operación: Conservación Faraday) de la energía (Ley de Lorentz y

Actuadores Electromecánicos: Solenoide 4 El solenoide como un electroimán El solenoide push and pull:

Actuadores Electromecánicos: Solenoide 5 Solenoide Rotacional:

Actuadores: Voice-coil motor. 6 Aplicaciones : • Audio Bocinas. • Válvulas Hidráulicas • Lectura y escritura de Discos duros • Vibraciones Actuadores lineales Voice-Coil.

Actuadores: Motores Electricos 7

Actuadores: Motores DC 8 Maquina eléctrica. Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía cinética en otra energía, o bien, en energía potencial pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores. Una máquina eléctrica (un motor eléctrico).

Actuadores: Maquinas Eléctricas 9 Motores DC Motores AC Motores a Pasos Motores sin escobillas

Actuadores: Motores DC 10 Consideración de un motor DC. Relación Torque, Velocidad Métodos de Conexión Control de velocidad

Actuadores: Motores DC 11

Actuadores: Motores DC 12 Fuerza electromotriz de armadura (emf) Φ representa velocidad dada en (rev/s) Emf total incluyendo Zs

Actuadores: Motores DC 13 Armadura de Torque (T) F= Fuerza de carga B=Flujo magnético I = Corriente en el conductor L = Longitud axial del conductor T total incluyendo Zs dada en Kl m o HP

Actuadores: Motores DC 14 Métodos de Conexión con devanado en serie

Actuadores: Motores DC 15 Métodos de Conexión con devanado en serie

Actuadores: Motores DC 16 Arreglos Voltaje variable de flujo en la bobina para variación de la velocidad

Actuadores: Motores DC 17 Arreglos Voltaje variable el armadura para variación de la velocidad

Actuadores: Motores DC 18 Arreglos con tiristores tipo chopper para variación de la velocidad

Actuadores: Motores AC 19 Motores Síncronos Los motores síncronos son llamados así, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales. Los motores síncronos se usan en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante Motor Síncrono trifásico f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz) n: Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto)

Actuadores: Motores AC 20 La inducción del motor Partes de un motor Inducción del estator al rotor

Actuadores: Motores AC 21 Torque Motores Síncronos

Actuadores: Motores AC 22 Reducción de voltaje en el estator a diferentes voltajes

Actuadores: Motores AC 23 Reducción de voltaje con varios resistores

Actuadores: Motores a pasos 24 Definición El motor Pasos a Paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos

Actuadores: Motores a pasos 25 De imán Permanente y reluctancia variable Variable reluctance stepper motor. Cilindro imantado

Actuadores: Motores a pasos 26 Paso Orden de Faces de polarización del motor Terminal 1 Terminal 2 Bobina A Paso 1 +Vcc -Vcc (Semi-)Paso 2 +Vcc -Vcc Paso 3 (Semi-)Paso 4 -Vcc +Vcc Bobina B +Vcc -Vcc Imagen

Actuadores: Motores a pasos 27 Paso Orden de Faces de polarización del motor Terminal 1 Terminal 2 Bobina A Paso 5 -Vcc +Vcc (Semi-)Paso 6 -Vcc +Vcc Paso 7 (Semi-)Paso 8 +Vcc -Vcc Bobina B -Vcc +Vcc Imagen

28 Actuadores: Brushless dc Motors Motores de conmutación electrónica y con imán permanente en el rotor Básicamente, hay dos tipos de motores brushless, los inrunner y los outrunner. Los primeros son de mas velocidad, su torque máximo lo tienen a muy altas revoluciones, por lo que se usan con reductoras o con ducted funs. Los outrunner tienen su torque máximo a baja velocidad, por lo que no necesitan reductoras. Los motores brushless han derivado de los motores de los CD ROM, los DISCOS RIGIDOS y los ventiladores de computación,

29 Actuadores: Brushless dc Motors Torque contra velocidad.

30 ACTUADORES: Actuadores: Piezoeléctricos

Actuadores: Piezoeléctricos 31 Sistemas de posicionamiento en materiales PZT Un actuador Piezoeléctricos puede producir cambios de posición extremadamente finos, por abajo del rango del subnanómetro. Los pequeños cambios de voltaje de operación son convertidos en pequeños movimientos. Motor Elliptec X 15 G

Actuadores: Piezoeléctricos 32 Válvula piezoeléctrica de una bomba de inyección de un motor diesel. El actuador piezoeléctrico gris de la derecha mueve la aguja del inyector. Los actuadores piezoeléctricos de un moderno motor de inyección directa de gasoil, tienen una forma similar a una válvula. Con elllos se consiguen presiones de hasta 2. 000 bares con tan sólo apilar elementos piezoeléctricos que mueven la aguja, dentro del inyector. Cuando se necesita una pequeña gota de combustible (de unos pocos microlitros), éste se inyecta en un cilindro. Comparados con los pulverizadores de inyección convencional, que utilizan válvulas magnéticas, los actuadores piezoeléctricos son unas tres veces más rápidos y permiten múltiples inyecciones por cada una de las explosiones del cilindro. Esto hace más óptimo el proceso de quemado del combustible.

Actuadores: Piezoeléctricos 33 Sistemas de posicionamiento en materiales PZT • El efecto piezoeléctrico es (casi exclusivamente) lineal, lo que significa que si se dobla la presión ejercida, le corresponde una intensidad doble del campo eléctrico. • En un motor piezoeléctrico dependiendo de la polaridad de la tensión aplicada a lo largo del eje polar, el material se encogerá o se expandirá en torno al 0, 1 5% de su tamaño. Esta etapa de deslizamiento se mueve gracias un disco piezoeléctrico. ( Phisik Instrumente (Pl) GMBH & Co. KG)

Actuadores: Piezoeléctricos 34 Motor PZT Diagrama de un motor de onda de desplazamiento. En medio se encuentra el estator. • Si se aplica una tensión continua de unos 200 voltios, los elementos piezoeléctricos se estiran y se contraen de manera alternativa. • Los motores alcanzan pares que van desde los 0, 0003 Nm hasta los 2 Nm, • Con diámetros del estator desde los 3 hasta los 90 mm. • La velocidad de rotación está en el rango de las 2. 000 vueltas por minuto (rpm), bajando hasta las 70 rpm • Con frecuencias de trabajo que van desde los 650 hasta los 42 KHz.

Actuadores: Piezoeléctricos 35 Materiales PZT

Actuadores: Piezoeléctricos 36 Aplicaciones de actuadores PZT Óptica y Fotónica: sistemas de autoenfoque, sintonización de laceres, posicionamiento de espejos. Unidades de disco: prueba de cabezas y cancelación de la vibración. Microelectrónica: posicionamiento de obleas y mascaras. Medicina: Tecnología de genes, micromanipulación, etc. Mecánica de Precisión: Deformación estructural, corrección de desgaste, piezomartillos, etc.

37 ACTUADORES: Actuadores: Sistemas Hidráulicos

38 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Tipos de Actuadores Hidráulicos. 1. Cilindro hidráulico 2. Motor hidráulico 3. Motor hidráulico de oscilación

39 Actuadores: Sistemas Hidráulicos • En los sistemas hidráulicos y neumáticos la Cilindros Hidráulicos. energía es transmitida a través de tuberías. Esta energía es función del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema. • Las partes de trabajo esenciales son: 1) La camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, 2) El pistón con sus guarniciones, 3) El vástago con su buje y guarnición. • Una de las características destacables de los sistemas de potencia fluidos es que la fuerza, generada por la fuente fluida, controlada y dirigida por válvulas convenientes, y transportada por las líneas, puede ser convertida fácilmente a casi cualquier clase de movimiento mecánico deseado en el mismo lugar que sea necesario. • Sea tanto movimiento lineal, como rotatorio, éste puede ser obtenido usando un dispositivo de impulsión conveniente. Un actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida en fuerza y movimiento mecánicos.

40 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Cilindros Hidráulicos. Cilindro actuador tipo émbolo de simple efecto. Cilindro émbolo de doble efecto.

41 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Potencia de Entrada = Presión x Caudal Potencia Entregada en el Actuador = Variación de Presión x Caudal. Esta variación de presión deberá computarse entre la entrada y la salida del actuador. En estas expresiones no consideramos las pérdidas por rozamiento* que existen y no se debe dejar de tenerlas en cuenta para las realizaciones prácticas. La potencia mecánica de salida estará dada en los actuadores lineales por: Potencia de Salida = Fuerza x Velocidad Y en los actuadores rotativos por: Potencia de Salida = Momento Motor ( Torque ) x Velocidad Angular Es evidente que las perdidas entre la potencia de entrada y salida serán las pérdidas por rozamiento*. *Las pérdidas por rozamientos son función de la rugosidad del conducto, de la viscosidad del fluido, del régimen de funcionamiento (flujo laminar o flujo turbulento) y del caudal circulante, es decir de la velocidad (a más velocidad, más pérdidas).

42 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Cilindro de Efecto simple. La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo del cilindro. Una válvula de control direccional de tres vías se utiliza normalmente para controlar la operación del cilindro de pistón de simple efecto.

43 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Cilindro de Efecto doble y triple. La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón

44 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Cilindro telescópico. La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en comparación con la longitud del cilindro. Tienen dos o mas buzos telescópicos y se construyen con un máximo de seis. Usualmente son de simple efecto del tipo empuje, o de doble efecto. Los buzos se extienden en una secuencia establecida por el área, sale primero el mayor y en forma subsiguiente los de menor diámetro.

45 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Actuador Rotatorio o motor hidráulico. Los actuadores rotativos del tipo piñón/cremallera, también conocidos como cilindros de rotación limitada, de pistón bidireccional único o múltiple, son utilizados para girar, posicionar, dirigir, abrirse y cerrarse, hacer pivotar, o cualquier otra función mecánica que implique rotación restringida.

46 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Motores de engranajes Son de tamaño reducido y pueden girar en los dos sentidos, pero el par es pequeño, son ruidosos, pueden trabajar a altas velocidades pero de forma análoga a los motores de paletas, su rendimiento cae a bajas velocidades. Bomba de lóbulos dobles Bomba de engranaje

47 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Motores de paletas Tienen la misma estructura que las bombas de paletas, pero el movimiento radial de las paletas debe ser forzado, mientras que en las bombas se debe a la fuerza centrífuga.

48 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Motores de pistones Son los más empleados de todos ya que se consiguen las mayores potencias trabajando a altas presiones. En función de la posición de los pistones con respecto al eje podemos encontrar: Motores de pistones axiales: Los pistones van dispuestos en la dirección del eje del motor. El líquido entra por la base del pistón y lo obliga desplazarse hacia fuera. Como la cabeza del pistón tiene forma de rodillo y apoya sobre una superfice inclinada, la fuerza que ejerce sobre ella se descompone según la dirección normal y según la dirección tangencial a la superficie. Esta última componente la obligará a girar, y con ella solidariamente, el eje sobre la que va montada.

49 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Motor de pistones radiales: Los pistones van dispuestos perpendicularmente al eje del motor. El principio de funcionamiento es análogo al de los axiales pero aquí el par se consigue debido a la excentricidad, que hace que la componente transversal de la fuerza que el pistón ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos posiciones diametralmente opuestas, dando lugar a una resultante no nula que origina el par de giro. El motor de pistones radiales internos se usa en sistemas que requieren torques altos. Para este tipo de motores hay disponibles motores con un desplazamiento de 300 litros/revolución y un torque de salida de más de 1 400 000 Nm!

50 Actuadores: Sistemas Hidráulicos Válvulas Hidráulicas. Válvula Anti retorno Si el elemento de cierre actúa como un 'sello o tapón' en la vía de circulación para detener el flujo. Válvula de bola Válvula de mariposa Si el elemento de cierre 'rota' en la vía de circulación para detener el flujo. Válvula de compuerta Si el elemento de cierre de la válvula es 'insertado' en la vía de circulación para detener el flujo. Una servoválvula es esencialmente un motor eléctrico de baja velocidad y alto torque, que no gira vueltas enteras, sino fracciones de vuelta en contra de una resistencia mecánica

51 ACTUADORES: Actuadores: Sistemas Neumáticos

52 Actuadores: Sistemas Neumáticos La energía neumática emplea aire comprimido como fuente de potencia, tiene cualidades excelentes: Se transporta facilmente Es abundante y barato Es limpio no produce contaminacion, y carece de peligrod e combustion o alteracion con la temperatura Al ser aire comprimido presenta algunas desventajas, como pueden ser los movimientos no uniformes de los pistones cuando se realizan avances lentos con carga aplicada. El proceso de aire comprimido es una serie de transformaciones de energías: Motor eléctrico Energía eléctrica Eje del compresor Energía mecánica Entrada y salida de aire Energía fluidica Actuador Energía mecánica

53 Actuadores: Sistemas Neumáticos Musculo neumático, es un actuador de tracción que funciona como un músculo humano y es capaz de generar una fuerza de tracción inicial mas grande que la de los cilindros neumáticos convencional. Las ventajas que distinguen al músculo neumático: Gran fuerza (En comparación con un cilindro del mismo diámetro, la fuerza inicial el hasta 10 veces superior) Gran dinamismo Ausencia de movimientos a tirones (stick-slip) Regulación sencilla de las posiciones intermedias mediante ajuste de la presión Estructura robusta Buena relación entre el peso y el rendimiento Liviano Hermético

54 Actuadores: Sistemas Neumáticos Aplicaciones de músculos neumáticos Prensa portátil de montaje Mesa de montaje Grúa

55 Actuadores: Sistemas Neumáticos Fuelles neumáticos: Un fuelle es un dispositivo mecánico cuya función es la de contener aire para expelerlo a cierta presión y en cierta dirección para diversos fines. Básicamente un fuelle es un contenedor deformable el cual tiene una boquilla de salida. Cuando el volumen del fuelle disminuye, el aire sale expulsado del mismo a través de una boquilla.

56 Actuadores: Sistemas Neumáticos Actuador Rotatorio Neumático Para hacer funcionar el actuador neumático, se conecta aire comprimido a uno de los lados del émbolo o veleta (en adelante, solo “émbolo”) generando una fuerza en sentido de la expansión del espacio entre el émbolo y la pared del cilindro o el cuerpo. Actuador de Veleta Única (Rotary Vane) Mediante un dispositivo mecánico que puede ser el conjunto piñón y cremallera, yugo escocés, o una simple veleta, el movimiento se transforma en rotatorio. Para. mover el actuador en sentido contrario es necesario introducir aire comprimido en el lado opuesto del émbolo. El torque genera el actuador es directamente proporcional a la presión del aire comprimido, pero dependiendo de su diseño puede ser variable de acuerdo a la posición actual del actuador.

57 Actuadores: Sistemas Neumáticos Actuador de piñón o cremallera Actuador neumático rotario en ambas direcciones de viaje. .

58 Actuadores: Sistemas Neumáticos Actuador tugo escoses Por yugo escocés se entiende un mecanismo que permite transformar un movimiento rectilíneo alternativo (de una guía) en un movimiento de rotación (de una manivela y su árbol). También puede funcionar al revés cambiando la rotación de un árbol y una manivela en un movimiento alternativo rectilíneo. . .

59 Actuadores: Sistemas Neumáticos . . A continuación se tiene una tabla de las principales características de ambos tipos de actuadores.

60 ACTUADORES: Actuadores: MEMS

Actuadores: MEMS 61 Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) Los sistemas micro y nanoelectromecánicos (MEMS: microelectromechanical systems, y NEMS: nanoelectromechanical systems) forman una tecnología a base de estructuras mecánicas (estáticas o dinámicas), sensores, actuadores. y electrónica de control, integrados en un mismo sustrato para realizar una aplicación específica. MEMS implica estructuras con dimensiones de 1μm a 1 mm, y NEMS menores a 100 nm. Éstos pueden ser sistemas simples con estructuras estáticas o sistemascomplejos con estructuras dinámicas de múltiples movimientos. El principal criterio para considerar aun sistema como MEMS/NEMS, es que al menos uno de los elementos tengadimensiones en el rango micro nanométrico y realice una función de tipo mecánica, ya sea estática o dinámica. Los MEMS han ganado gran mercado al haberse consolidado en la tecnología de información (IT), computación, medicina, salud, transporte, energía, seguridad. . .

Actuadores: MEMS 62 Técnicas de diseño En la tecnología de microsistemas se utiliza una gran variedad de materiales(dieléctricos, semiconductores, metales, etc. ), los cuales están en función de las características del proceso. Los materiales se obtienen por diversas técnicas con el objetivo de satisfacer los requerimientos de cada aplicación; destacando las técnicas de depósito químico en fase vapor (CVD) a presión atmosférica (APCVD), a baja presión (LPVCD), asistido por plasma (PECVD); y las técnicas de depósito físico en fase vapor (PVD). Un resumen comparativo entre diferentes métodos para depósito de materiales por CVD, se indican sus principales aplicaciones, temperaturas típicas de depósito, cobertura de escalón, entre otros aspectos importantes a considerar para la fabricación de microestructuras.

Actuadores: MEMS 63 Tabla comparativa entre métodos de deposito Proceso de fabricación ECMOS 1 – INAOE .

Actuadores: MEMS 64 . Propiedades de algunos materiales utilizados en tecnología de microsistemas.

Actuadores: MEMS 65 . Principios o efectos físicos en los que basan su funcionamiento los sensores y actuadores micromecánicos, los cuales se clasifican como: electrostáticos, piezoeléctricos, electrotérmicos, magnéticos, piezorresistivos; se indica el rango de deflexiones, el tiempo de respuesta, y su compatibilidad de fabricación (e. g. , materiales) con un proceso de fabricación de CI’s CMOS.

Actuadores: MEMS 66 Efecto electrostático Las cargas electrostáticas surgen del exceso (carga, -) o déficit (carga, +) de electrones en un material. La interacción de dos cargas estáticas origina una fuerza atractiva o repulsiva entre ambas, si son de distinto o mismo signo, respectivamente, conocida como fuerza electrostática. Los actuadores electrostáticos están basados en el principio fundamental de que dos placas con cargas opuestas son atraídas entre sí. Estos actuadores tienen una relación no lineal fuerza-voltaje. Se pueden distinguir dos casos de actuado de la fuerza: cuando el desplazamiento es en dirección z, y cuando el desplazamiento esel plano x, y.

Actuadores: MEMS 67 Mecanismos electrostaticos Existen arreglos electrostáticos interdigitados (comb-drive) para aplicaciones comerciales específicas, como lo son: resonadores laterales y de torsión para detección de aceleración o giro, y para la extracción de parámetros mecánicos. Resonador Electrostático formado por una arreglo de peines interdigitados, un electrodo fijo y otro móvil.

Actuadores: MEMS 68 Actuadores Electrotermicos Este tipo de actuador electrotérmico es conocido como pseudobimorfo o STA (Single Two Arms), y es capaz de generar deflexiones de 8μm. Es capaz de generar deflexiones de 8μm en el plano paralelo a la superficie de la oblea, con fuerzas de 4. 4μN y 10μN respectivamente, y un consumo de potencia de ~10 m. W, operando a frecuencias < 10 k. Hz. Su principal ventaja es que openra en un régimen corriente/voltaje compatible con la tecnología CMOS.

Actuadores: MEMS 69 Tecnologias de fabricacion MEMS Los MEMS son fabricados mediante diversas técnicas, dentro de las cuales destacan: la técnica de micromaquinado de volumen (bulk micromachining), que consiste en realizar grabados selectivos en el sustrato, y la técnica de micromaquinado superficial (surface micromachining), la cual consiste en el depósito de materiales estructurales y de sacrificio sobre la superficie de un sustrato, grabado selectivo y un proceso de liberación mecánica. Secuencia del proceso: a) Deposito de película aislante. b) Grabado litográfico. c) Deposito de soporte mecánico. d) Eliminación de película aislante.

Actuadores: MEMS 70 Tecnologías de fabricación MEMS con policio Poli. MEMS-INAOE El proceso Poly. MEMS del INAOE tiene el propósito de fabricar microestructuras mecánicas de silicio policristalino (poly-Si) mediante micromaquinado superficial. Las estructuras pueden ser pasivas o dinámicas con dimensiones de 5μm a 800μm aplicables en sistemas micro electromecánicos(MEMS). Patrón geométrico del circuito de pruebas Poly. MEMS III, mostrando las diversas estructuras para caracterización eléctrica y mecánica

Actuadores: MEMS 71 Estructuras de policilio mostradas anteriormente.

Actuadores: MEMS 72 Estructura de espiral. El análisis consistió en determinar la deflexión del extremo libre (no anclado) respecto al extremo fijo, mediante un microscopio óptico. Una vez determinado el valor de la deflexión (h = 0. 5μm), y conociendo la longitud (L = 200μm) del trampolín y el parámetro mecánico conocido como módulo de elasticidad.

Actuadores: Micromotores 73 Los micromotores DC de precisión habitualmente están equipados con imanes permanentes de altas prestaciones. El sistema de rotor hueco o rotor sin hierro representa el corazón de la tecnología coreless (sin núcleo). Caracteristicas: • Sin retención magnética, es decir de giro suave. • Reducida emisión electromagnética EMC (interferencias)debido a su bajo ruidoeléctrico. • Baja inductancia Aproximadamente un rotor sin hierro puede tener la inductancia de la bobina unas 14 veces menor que un motor DC convencional. • Relación lineal voltaje/velocidad, carga/velocidad, y carga/corriente. ilar potencia. • Motor pequeño, concentración de potencia los imanes de Neodimio(Nd). El imán de Neodimio produce un campo magnético unas 25 veces superior al de un imán convencional de Ferrita.

Bibliografía 74 Bishop, Robert H. (Editor in Chief), "The Mechatronics Handbook", ISA - The Instrumentation, Systems, and Automation Society, CRC Press, The University of Texas at Austin, Texas, 2002. Revista electronica “Elektor” Viernez 25 de septiembre del 2009. Tema, Actuadores piezoelectricos. WIKIPEDIA FESTO Tesis INAOE 2008 “Desarrollo del Proceso de Fabricación Poly. MEMS INAOE” Por: José Andrés Alanís Navarro