verso la miniaturizzazione di attuatori elettrostatici e dielettrici

VERSO LA MINIATURIZZAZIONE DI
ATTUATORI ELETTROSTATICI E DIELETTRICI
P. Di Barba, M.E. Mognaschi, I. Picchi, A. Savini
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Pavia
Via Ferrata 1, 27100 Pavia
INTRODUZIONE
Da molti anni l’Unità di Pavia si occupa dello studio di piccoli attuatori elettrostatici in vista della
miniaturizzazione di questa classe di dispositivi. Uno dei primi dispositivi studiati è stato un
micromotore elettrostatico rotante a campo radiale. La sagomatura delle parti di statore e rotore
affacciati ne permette il funzionamento come motore a capacità variabile. E’ stata effettuata
un’ottimizzazione multiobiettivo di coppia massima, coppia all’avviamento e coppia di commutazione
a vuoto agendo su due variabili di progetto della geometria del motore [1].
Più recentemente, l’attenzione è stata rivolta ai motori dielettrici a induzione. Si tratta di motori
generalmente costituiti da uno statore su cui sono posizionati gli elettrodi, alimentati da una tensione
trifase, e da un rotore costituito da materiale dielettrico dissipativo. Un motore dielettrico a induzione
può sviluppare una coppia grazie alle cariche indotte sul rotore dal campo elettrico rotante impresso
dagli elettrodi. Questo fenomeno è possibile in un dielettrico dissipativo in cui la distribuzione di
carica indotta insegue il campo induttore. Questo tipo di dispositivo non è nuovo alla comunità
scientifica, tuttavia l’interesse verso di esso sta crescendo molto negli ultimi anni grazie alle
applicazioni per cui si presta. In particolare esso trova spazio tra le applicazioni aerospaziali e quelle
bioingegneristiche. Infatti questo motore ha la caratteristica di essere leggero, di poter essere costruito
con materiali biocompatibili e di poter essere costruito a forma di disco e quindi di poter essere ben
inserito, per esempio, in una tasca muscolare.
MOTORI A INDUZIONE DIELETTRICA
Gli ultimi studi effettuati dall’Unità di Pavia riguardano due motori dielettrici: uno cilindrico e uno
piatto (a forma di disco), evoluzione del primo. I
prototipi sono stati realizzati presso il Laboratorio
di Fisica dei Dielettrici del Dipartimento di Fisica
dell’Università di Pavia. Il motore dielettrico a
disco è raffigurato in Fig. 1. Il motore cilindrico,
alimentato da un sistema trifase a 50 Hz con
valore efficace di tensione pari a 950 V, ha uno
statore di diametro 57 mm e lunghezza assiale 94
mm. Il rotore è un cilindro cavo di plastica; un
foglio di materiale dielettrico dissipativo (carta) è
a contatto con la superficie interna dello stesso. Al
variare della conducibilità e della permettività
elettrica della carta, la coppia sviluppata varia [2].
Il motore è stato studiato da un punto di vista
Fig. 1 – Prototipo del motore dielettrico piatto.
sperimentale e numerico. Le misure sul prototipo
hanno permesso di rilevare la coppia massima (789 μNm), la velocità nominale (13.1 rad/s) e il
coefficiente di attrito dinamico (2.525 10-7 kgm-2s-1) del dispositivo. Successivamente è stato costruito
un modello agli elementi finiti bidimensionale, che è stato validato con le misure sperimentali
effettuate.
SIMULAZIONE DI CAMPO E PROBLEMI DI PROGETTO
Si è studiato il seguente problema inverso: data la geometria, l’alimentazione del motore e la coppia
all’avviamento, si identifichi il valore della permettività e della conducibilità del materiale dielettrico
con perdite [3]. In generale, il problema è mal posto, in quanto la soluzione non è unica. Le diverse
soluzioni possono comunque essere utili al progettista perchè forniscono delle indicazioni sul
materiale da utilizzare, data la geometria, l’alimentazione e la coppia voluta del motore.
E’ stato in seguito studiato un altro problema inverso: siano note le proprietà elettriche dei materiali
costituenti il motore e la sua alimentazione; partendo dalla geometria del prototipo, si determini la
geometria che massimizza la coppia all’avviamento [4]. Le variabili geometriche considerate sono lo
spessore dello strato di carta del rotore e il passo elettrodico αβ-1 (cfr Fig. 2).
β
10
-2
α
Torque
[Nm]
Torque
[Nm]
10
σ=10
-3
-8
σ=5 10
-8
σ=2 10
10
10
10
σ=10
-4
-8
σ=10
-5
-9
-6
0
0.2
0.4
0.6
αβ
Fig. 2 – Dettaglio del reticolo del modello agli
elementi finiti del motore cilindrico.
-7
0.8
1
-1
Fig. 3 – Risultati delle simulazioni: il prototipo
corrisponde a αβ-1=0.6. I punti di massimo sono
evidenziati da un cerchio.
La Fig. 3 mostra la coppia all’avviamento in funzione del passo elettrodico per diversi valori della
conducibilità σ della carta. I punti di massimo delle curve si hanno per valori del passo elettrodico
elevati (0.7 ≤αβ-1≥0.9).
L’attività di ricerca è ora rivolta allo studio del motore dielettrico piatto (cfr Fig. 1). Esso è alimentato
da tensione trifase con valore efficace 380 V ed è costituito da tre dischi, due di statore e uno di rotore,
costituiti da Allumina. Il diametro dei dischi è 70 mm e lo spessore del motore è circa 3 mm. Sui
dischi statorici è depositato del materiale conduttore che costituisce gli elettrodi mentre sul rotore è
depositato del materiale dielettrico dissipativo. Il principio fisico che consente al motore di sviluppare
una coppia è analogo a quello del motore cilindrico, tuttavia le componenti del campo interessate nello
sviluppo della coppia giacciono in un piano perpendicolare a quelli delle superfici di rotore e di
statore. E’ stato quindi costruito un modello tridimensionale agli elementi finiti per lo studio della
coppia. Anche per questo motore è interessante studiare l’andamento della coppia in funzione delle
proprietà dielettriche del rotore.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
P. Di Barba, A. Savini, “Progettazione assistita da calcolatore di microattuatori elettrostatici”, XII Riunione
Annuale dei Ricercatori di Elettrotecnica – ET1996, Cagliari.
E.R. Mognaschi, J.H. Calderwood, “The significance of the time constant of the rotor material employed in
a dielectric motor”, Int. J. of Appl. Electrom. and Mech., Vol 10, pp. 177-183, IOS Press, 1999.
P. Di Barba, E.R. Mognaschi, M.E. Mognaschi, A. Savini, “Identifying material properties of a dielectric
motor”, COMPEL, Vol 24, No 3, 2005.
P. Di Barba, E.R. Mognaschi, M.E. Mognaschi, A. Savini, “On a class of small dielectric motors:
experimental results and shape design”, in: A. Krawczyk, S. Wiak, and X.M. Lopez-Fernandez,
"Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, IOS Press.