e.mail: e.mitronikas@ee.upatras.gr, a.n.safacas@ee.upatras.gr

ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΜΙΚΡΗΣ ΚΑΙ ΕΛΑΧΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Ε. Μητρονίκας, Λέκτορας, Α. Σαφάκας, Καθηγητής Πανεπιστήµιο Πατρών Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας e.mail: e.mitronikas@ee.upatras.gr, a.n.safacas@ee.upatras.gr Περίληψη Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να γίνει µια συνοπτική παρουσίαση των τεχνολογιών που εµφανίζονται στους µικρούς ηλεκτρικούς κινητήρες που απαντώνται σήµερα σ ένα πλήθος εφαρµογών, καθώς και νέων τύπων ηλεκτρικών κινητήρων που αναπτύσσονται σήµερα στα ερευνητικά εργαστήρια πανεπιστηµιακών σχολών και εταιριών. Για τον σκοπό αυτό γίνεται µια σύντοµη παρουσίαση των αρχών λειτουργίας των µηχανών αυτών και των εφαρµογών τους. Για κάθε τύπο κινητήρα αναφέρονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, κατασκευαστικά και λειτουργικά που διαφοροποιούν αυτόν τον κινητήρα από τους άλλους τύπους κινητήρων. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η τεχνολογική εξέλιξη των τελευταίων δεκαετιών οδήγησε µεταξύ των άλλων στη µαζική κατασκευή και ευρεία χρήση πλήθους συσκευών και συστηµάτων που περιλαµβάνουν ηλεκτρικούς κινητήρες. Η διαρκής παραγωγή και διάθεση στο εµπόριο ενός πλήθους αυτοµατοποιηµένων συσκευών παντός τύπου που χρησιµοποιούνται στις βιοµηχανίες, βιοτεχνίες, γραφεία, αλλά και σε οικιακές εφαρµογές και η συνεχής ανάγκη για βελτιστοποίηση και µείωση του κόστους και των διαστάσεων των συσκευών αυτών έδωσε µια µεγάλη ώθηση τα τελευταία χρόνια στην έρευνα στον τοµέα των µικρών κινητήρων και κινητηρίων συστηµάτων. Η κατάταξη των ηλεκτρικών κινητηρίων συστηµάτων σε κατηγορίες µεγάλης, µικρής και ελάχιστης ισχύος ή µικροµετρικής κλίµακας σ ένα µεγάλο βαθµό αντικατοπτρίζει τις σηµαντικές αλλαγές στο σχεδιασµό, τα χαρακτηριστικά αλλά και την αρχή λειτουργίας των κινητήρων (σε κάποιες περιπτώσεις). Ο διαχωρισµός των µηχανών στις τρείς αυτές κατηγορίες γίνεται ως εξής: Κινητήρες µεγάλης ισχύος: Στην κατηγορία αυτή κατατάσσονται κινητήρες, των οποίων η ισχύς υπερβαίνει την τάξη µεγέθους των kw. Οι κινητήρες αυτοί δεν διαφοροποιούνται από τις βασικές αρχές λείτουργίας των ηλεκτρικών µηχανών, χρησιµοποιούνται για την παραγωγή µηχανικού έργου σε βιοµηχανικό περιβάλλον, ενώ βασικό κριτήριο για την ποιότητά τους αποτελεί ο συντελεστής απόδοσης. Κινητήρες µικρής ισχύος: Πρόκειται για ηλεκτρικούς κινητήρες, η ισχύς των οποίων κυµαίνεται από 1W έως 1kW. Οι κινητήρες αυτοί χρησιµοποιούνται σε ένα πλήθος εφαρµογών µικρών απαιτήσεων σε ισχύ. Βασικό κριτήριο ποιότητάς τους δεν αποτελεί πλέον συντελεστής απόδοσης αλλά άλλα κριτήρια που, ανάλογα µε την εφαρµογή µπορεί να είναι το κόστος, η ακρίβεια µε την οποία µπορεί να ελεγχθεί η ταχύτητα περιστροφής ή η θέση κ.α. Κινητήρες ελάχιστης ισχύος: Οι κινητήρες αυτής της κατηγορίας είναι ιδιαίτερα µικροί σε ισχύ (κάτω του ενός Watt) και σε αρκετές περιπτώσεις το µέγεθός τους δεν υπερβαίνει το 1mm (κινητήρες µικροµετρικής κλίµακας). Σε µεγέθη διαστάσεων κάτω του 1mm, πολλές φορές, είναι σκόπιµο κατασκευαστικά ο κινητήρας να µη βασίζετι σε ηλεκτροµαγνητικά αλλά σε ηλεκτροστατικά φαινόµενα για τη λειτουργία του. - 1 -

Στην κατηγορία αυτή µπορούµε επίσης να κατατάξουµε τους πιεζοηλεκτρικούς κινητήρες υπερηχητικού κύµατος (Ultrasonic motors). 2. Κατάταξη των κινητήρων µικρής και ελάχιστης ισχύος ανάλογα µε τις εφαρµογές τους Οι κινητήρες µικρής ισχύος, ανάλογα µε τις απαιτήσεις των εφαρµογών στις οποίες χρησιµοποιούνται, µπορούν να χωριστούν στις παρακάτω βασικές κατηγορίες: Κινητήρες που χρησιµοποιούνται σε εφαρµογές που δεν απαιτούν ακριβή έλεγχο της ταχύτητα περιστροφής του άξονα. Τα συστήµατα στα οποία χρησιµοποιούνται τέτοιοι κινητήρες παράγονται συνήθως µαζικά και έχουν ιδιαίτερα χαµηλό κόστος. Κριτήριο για τη επιλογή του κινητήρα σε αυτή την περίπτωση θα είναι, συνεπώς, η ελάττωση του κόστους ανάπτυξης και κατασκευής. Τέτοιοι κινητήρες είναι συνήθως ειδικοί τύποι ασύγχρονων ή σύγχρονων κινητήρων. Για εφαρµογές στις οποίες απαιτείται ακριβής έλεγχος της ταχύτητας περιστροφής ή της θέσης του άξονα του κινητήρα και, συνεπώς, κριτήριο για µια καλή επιλογή αποτελεί η ακρίβεια µε την οποία ο κινητήρας επιτυγχάνει τον έλεγχο, ενώ πολλές φορές σηµαντικό ρόλο παίζει και η δυναµική απόκρισή του. Για να καλυφθούν οι απαιτήσεις αυτές, χρησιµοποιούνται συνήθως σύγχρονοι κινητήρες µε µόνιµο µαγνήτη στο δροµέα ή βηµατικοί κινητήρες. Σε κάποιες περιπτώσεις είναι αναγκαίο εκτός από τον έλεγχο θέσης η ηλεκτρική µηχανή να είναι σε θέση αναπτύσσει µια ροπή, η οποία να µπορεί να συγκρατεί το δροµέα της σε µια συγκεκριµένη θέση υπερνικώντας πιθανό φορτίο στον άξονά της. Κάτι τέτοιο είναι δυνατό να επιτευχθεί µε βηµατικό κινητήρα µε κατάλληλη παλµοδότηση, ενώ σε πολλές περιπτώσεις προτιµάται ο πιεζοηλεκτρικός κινητήρας υπερηχητικού κύµατος (Ultrasonic), ο οποίος λόγω της αρχής λειτουργίας του αναπτύσσει ροπή συγκράτησης χωρίς να καταναλώνει ισχύ. Όσο µικραίνει το µέγεθος των µηχανών, τόσο δυσχεραίνει η κατασκευή των τυλιγµάτων τους. Ειδικά για µηχανές πολύ µικρού µεγέθους, έχει αποδειχθεί ότι συµφέρει κατασκευαστικά η δηµιουργία ηλεκτροστατικών κινητήρων, γραµµικών ή περιστροφικών. 3. Ηλεκτροµαγνητικοί κινητήρες A. Σύγχρονοι κινητήρες Ο σύγχρονος κινητήρας µικρής ισχύος µε µόνιµο µαγνήτη διέπεται από τις ίδιες αρχές λειτουργίας των κλασσικών σύγχρονων µηχανών µεγάλης ισχύος. Σε ακριβή αναλογία µε την κλασσική σύγχρονη µηχανή µε εξωτερική διέγερση, η ηλεκτροµαγνητική ροπή που παράγει ο σύγχρονος κινητήρας µε µόνιµο µαγνήτη δίνεται από το σχέση: Μel=kΦIsinβ (1) όπου Φ είναι η ροή του διακένου, Ι το ρεύµα του τυλίγµατος της µηχανής και k µια σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της µηχανής. Οι κινητήρες αυτοί παρουσιάζουν τη χαρακτηριστική ιδιότητα να διατηρούν την ταχύτητα του δροµέα τους στο σύγχρονο αριθµό στροφών, ανεξαρτήτως του φορτίου. Έτσι, για µια σύγχρονη µηχανή µε 2p πόλους, η οποία τροφοδοτείται µε σταθερή συχνότητα f s, η ταχύτητα περιστροφής του δροµέα είναι: f S n = (2) p Η διατήρηση σταθερών στροφών ανεξαρτήτως του φορτίου είναι βασική προϋπόθεση για αρκετά µικρά κινητήρια συστήµατα, όπου απαιτείται ο έλεγχος των στροφών να είναι ιδιαίτερα ακριβής. Επίσης, µικροί σύγχρονοι κινητήρες χρησιµοποιούνταν παλιότερα σε αυτόµατα συστήµατα ως χρονοµετρητές (πλυντήρια ρούχων, πλυντήρια πιάτων), αλλά τα τελευταία χρόνια έχουν αντικατασταθεί από ηλεκτρονικούς χρονοµετρητές, οι οποίοι, χωρίς να χάνουν σε ακρίβεια, είναι αρκετά πιο ευέλικτοι. Επίσης, µε την πληθώρα των νέων κινητήρων χαµηλού κόστους, που σε συνδυασµό µ ένα κατάλληλο σύστηµα οδήγησης µπορούν να ελέγξουν µε πολύ µεγάλη ακρίβεια την ταχύτητα περιστροφής του άξονά τους, ο ρόλος των σύγχρονων κινητήρων στα συστήµατα µικρής ισχύος µειώνεται συνεχώς. Παρά το γεγονός αυτό, - 2 -

σύγχρονοι κινητήρες ακόµη χρησιµοποιούνται κατά κόρον, σε συνδυασµό µε κατάλληλους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος, σε συστήµατα και βιοµηχανικές διεργασίες όπου απαιτείται ιδιαίτερα µεγάλη ακρίβεια κινήσεων. B. Βηµατικοί κινητήρες Οι βηµατικοί κινητήρες αποτελούν σήµερα µια ιδιαίτερα διαδεδοµένη µορφή µικρών ηλεκτρικών κινητήρων και χρησιµοποιούνται σε συσκευές όπου βασική απαίτηση είναι ο ακριβής έλεγχος της θέσης ενός περιστρεφόµενου άξονα, µε ακρίβεια και χωρίς τη βοήθεια επιπρόσθετου αισθητήρα θέσης. Τυπικά παραδείγµατα τέτοιων εφαρµογών είναι π.χ. ο µηχανισµός ελέγχου της θέσης της κεφαλής ενός εκτυπωτή, οι µηχανισµοί ελέγχου θέσης γενικά σε εκτυπωτές, σχεδιογράφους, µονάδες ανάγνωσης (δίσκοι), συστήµατα αριθµητικού ελέγχου (CNC), ροµποτ, φωτοτυπικά µηχανήµατα, µηχανήµατα τηλεοµοιοτυπίας (fax), σε εξοπλισµούς δορυφόρων, διαστηµικά οχήµατα, ιατρικά όργανα, µηχανές συσκευασίας τροφίµων, συστήµατα αυτόµατης βαφής, ωρολόγια, κάµερες, χρονοδιακόπτες, κ.λ.π.. Οι βηµατικοί κινητήρες είναι ηλεκτροµαγνητικοί κινητήρες, οι οποίοι λειτουργούν βάσει των δυνάµεων έλξης που αναπτύσσονται µεταξύ των µαγνητικών πόλων, που δηµιουργούνται όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύµα από τις οδοντώσεις του στάτη. Το ρεύµα οδηγείται στο στάτη µέσω κατάλληλων διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος και η τροφοδοσία του γίνεται µε παλµούς. Εκτός από τη ροπή που µπορεί ν αναπτύξει ο κινητήρας αυτός, χαρακτηριστικό του µέγεθος αποτελεί επίσης η γωνία που διαγράφει ο δροµέας µε κάθε παλµό που εφαρµόζεται στο στάτη, η οποία ονοµάζεται βηµατική γωνία. Με κατάλληλες µεθόδους παλµοδότησης είναι δυνατό να επιτύχουµε κίνηση του δροµέα σε κλάσµατα της βηµατικής γωνίας, όµως η κίνησή του γίνεται πάντα µε βήµατα και δεν είναι οµαλή όπως αυτή του σύγχρονου κινητήρα. Ένα τυπικό παράδειγµα δοµής βηµατικού κινητήρα φαίνεται στο σχ. 1. Σχήµα 1. οµή ενός βηµατικού κινητήρα [6]. Τα βασικά πλεονεκτήµατα της οικογένειας των βηµατικών κινητήρων είναι τ ακόλουθα: Η οδήγησή τους γίνεται µε παλµούς, κάθε παλµός αντιστοιχεί σε συγκεκριµένη γωνία στροφής του δροµέα, η οποία εξαρτάται αποκλειστικά από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του κινητήρα. Για το λόγο αυτό, είναι δυνατός ο έλεγχος της θέσης του δροµέα χωρίς την ανάγκη τοποθέτησης αισθητήρων, δίνοντας τον απαραίτητο αριθµό παλµών. Σε χαµηλές ταχύτητες λειτουργίας επιτυγχάνονται µεγάλες τιµές ροπής, πράγµα ιδιαίτερα ευνοϊκό σε συστήµατα ελέγχου της θέσης. Με κατάλληλη παλµοδότηση µπορούµε να επιτύχουµε ικανή ροπή συγκράτησης, πολύ χρήσιµη για εφαρµογές όπως π.χ. οι ροµποτικοί βραχίονες. Στους τύπους αυτούς των κινητήρων µπορούν να εµφανιστούν προβλήµατα όσον αφορά τη δυναµική συµπεριφορά, ιδιαίτερα λόγω ιδιοµορφιών στις χαρακτηριστικές συγκεκριµένων φορτίων. Αν βέβαια οι ιδιαιτερότητες στις χαρακτηριστικές ληφθούν υπόψη κατά το στάδιο του σχεδιασµού του εκάστοτε συγκεκριµένου κινητήριου συστήµατος (βηµατικός κινητήρας και φορτίο), τα προβλήµατα αυτά µπορούν να αποφευχθούν εύκολα, γιατί τότε ο σχεδιασµός εξειδικεύεται και προσαρµόζεται καταλλήλως. - 3 -

4. Πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες υπερηχητικού κύµατος (Ultrasonic) Ο πιεζοηλεκτρικός κινητήρας υπερηχητικού κύµατος είναι ένας ειδικός τύπος κινητήρα, η λειτουργία του οποίου βασίζεται στην αξιοποίηση των ταλαντώσεων που δηµιουργούνται σ ένα κεραµικό υλικό κατάλληλης κατασκευής, όταν σ αυτό εξασκείται κατάλληλη εναλλασσόµενη τάση. Η τάση αυτή, που ανήκει στο φάσµα των υπερηχητικών συχνοτήτων, προκαλεί µηχανικές ταλαντώσεις στο κεραµικό υλικό που έχουν σαν συνέπεια να τίθεται σε κίνηση. Ο πιο διαδεδοµένος τύπος πιεζοηλεκτρικού κινητήρα είναι ο πιεζοηλεκτρικός κινητήρας οδεύοντος κύµατος (σχ. 2), ο οποίος επινοήθηκε το 1982 από τον Sashida [9]. Η λειτουργία του κινητήρα αυτού βασίζεται στη δηµιουργία ενός οδεύοντος κύµατος υπερηχητικής συχνότητας που θέτει σε ελλειπτική κίνηση το κεραµικό υλικό του στάτη. Ο δροµέας, ο οποίος βρίσκεται σε µηχανική επαφή µε το στάτη, τίθεται σε κίνηση από την κίνηση του κεραµικού υλικού (σχ. 3). Από την παραπάνω σύντοµη περιγραφή γίνεται προφανές ότι λόγω της συνεχούς επαφής του στάτη µε το δροµέα προκύπτει το βασικό πλεονέκτηµα του κινητήρα αυτού, που συνίσταται στο γεγονός ότι ο κινητήρας αυτός είναι ικανός να αναπτύξει σηµαντική ροπή συγκράτησης. Επίσης, από την αρχή λειτουργίας του προκύπτει κι ένα βασικό µειονέκτηµά του, που είναι η περιορισµένη διάρκεια ζωής του λόγω της τριβής. Εκτός από τη µεγάλη, για το µέγεθός του, ροπή συγκράτησης, ένα άλλο πλεονέκτηµα του πιεζοηλεκτρικού κινητήρα είναι η δυνατότητα να λειτουργήσει αθόρυβα και χωρίς τη βοήθεια άξονα, γεγονός που τον καθιστά ιδανική λύση για χρήση σε φωτογραφικούς φακούς και κάµερες. Άλλες εφαρµογές στις οποίες µπορεί να χρησιµοποιηθεί είναι ροµποτικοί βραχίονες και γενικά σε εφαρµογές στις οποίες απαιτείται γραµµική και περιστροφική κίνηση µε ακριβή έλεγχο της θέσης και της ταχύτητας. Σχήµα 2. Πιεζοηλεκτρικός κινητήρας οδεύοντος κύµατος [9]. Σχήµα 3. Αρχή λειτουργίας πιεζοηλεκτρικού κινητήρα οδεύοντος κύµατος [9]. - 4 -

5. Ηλεκτροστατικοί κινητήρες Οι περισσότεροι κινητήρες που συναντώνται στις διάφορες εφαρµογές βασίζουν τη λειτουργία τους σε µαγνητικά φαινόµενα. Αντίθετα, σε διατάξεις µικροµετρικής κλίµακας διαφαίνεται µια σαφής προτίµηση στην κατασκευή ηλεκτροσταστικών κινητήρων. Η σαφής προτίµηση για την κατασκευή ηλεκτροστατικών κινητήρων µικροµετρικής κλίµακας οφείλεται σ ένα βαθµό σε περιορισµούς στους οποίους υφίσταται η τρέχουσα τεχνολογία κατασκευής τους, και πιο συγκεκριµένα οι περιορισµοί που αφορούν τη δυνατότητα κατασκευής τυλιγµάτων πολύ µικρών διαστάσεων. Όµως, από κάποιο µέγεθος και κάτω, φαίνεται ότι η προτίµηση στους ηλεκτροστατικούς κινητήρες οφείλεται σε βαθύτερους περιορισµούς, που άπτονται της φυσικής των κινητήρων αυτών. Ειδικότερα, οι περιορισµοί αυτοί οφείλονται στη µείωση της δυνατότητας παραγωγής έργου των ηλεκτροµαγνητικών κινητήρων σε σχέση µε τους ηλεκτροστατικούς, όταν οι διαστάσεις τους µειώνονται κάτω από ένα κρίσιµο µέγεθος. Ένα επιπλέον θετικό χαρακτηριστικό των ηλεκτροστατικών κινητήρων είναι η δυνατότητα µαζικής κατασκευής τους µε λιθογραφικές µεθόδους (LIGA), παρόµοιες µε αυτές που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Ένα πρόβληµα που παρουσιάζεται λόγω της µεγάλης απαιτούµενης τάσης λειτουργίας στους ηλεκτροστατικούς κινητήρες, είναι η αδυναµία ενσωµάτωσης, µε την παρούσα τεχνολογία, των διατάξεων οδήγησης στο ίδιο ολοκληρωµένο κύκλωµα. Ενδεικτικά αναφέρεται [8] ότι για τη λειτουργία ενός τυπικού ηλεκτροστατικού κινητήρα απαιτείται τάση πάνω από 1000V, ενώ µέχρι τώρα έχει γίνει εφικτό να ενσωµατωθούν πλήρως σε ολοκληρωµένο κύκλωµα µετατροπείς ισχύος µε τάση της τάξεως έως 100V. 6. Ανακεφαλαίωση συµπεράσµατα Στην παρούσα εργασία γίνεται µια σύντοµη παρουσίαση των βασικών τύπων των κινητήρων µικρής και ελάχιστης ισχύος, µε έµφαση στην παρουσίαση των κινητήρων τελευταίας τεχνολογίας, που χρησιµοποιούνται σε συσκευές όπου απαιτείται ακριβής έλεγχος της ταχύτητας περιστροφής ή της θέσης του άξονα. Ταυτόχρονα µε την παρουσίαση των βασικών χαρακτηριστικών των παραπάνω κινητήρων (χαρακτηριστικές καµπύλες, απόδοση, καταλληλότητα για συγκεκριµένες εφαρµογές) παρουσιάστηκαν οι διαγραφόµενες προοπτικές για τη χρήση των κινητήρων ελάχιστης ισχύος, καθώς και οι λόγοι για τους οποίους η τεχνολογία οδηγείται στην κατασκευή ηλεκτροστατικών κινητήρων µικροµετρικής κλίµακας. Τέλος, αναδείχθηκαν οι ιδιαιτερότητες των κινητήρων αυτών, τόσο οι κατασκευαστικές, όσο και οι σχετικές µε την τεχνολογία των ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος, οι οποίοι χρησιµοποιούνται για την τροφοδοσία και την οδήγησή τους. 7. Βιβλιογραφία [1]. A. N. Σαφάκα, "Ηλεκτρικές Μηχανές Β", Εκδόσεις Πανεπιστηµίου Πατρών, Πάτρα 2004. [2]. Η. Moczala, J. Draeger, H. Krauss, H. Schock, S. Tillner, "Electrische Kleinmotoren", Expert Verlag, 1998. [3]. H. Stolting, A. Beisse, "Electrische Kleinmaschinen", Teubner Stuttgart, 1987. [4]. S.E. Lysheski, "Electromechanical Systems, Electric Machines, and Applied Mechatronics", CRC Press, Boca Raton, Florida, 2000. [5]. Βodefeld/Seqeunz: «Elektrische Maschinen», Springer-Verlag 1971. [6]. T. Kenjo, A. Sugawara, Stepping Motors and their Microprocessor controls, Oxford Science Publications, Clarendon Press, Oxford 1994. [7]. C. Livermore, A. Forte, Th. Lysczarz, D. Umans, A. Ayon, J. Lang: A High Power MEMS Electric Induction Motor, Journal of Micromechanical Systems, Vol. 13, No. 3, June 2004. [8]. P.L. Chapman, P.T. Krein, Smaller is better? Perspectives on Mircomotors and Electric Drives, IEEE Industry Applications Magazine, Jan-Feb 2003, pp. 62-67. [9]. Toshiiku Sashida, Takashi Kenjo, An introduction to Ultrasonic Motors, Oxford Science Publications, Clarendon Press, Oxford 1993. - 5 -