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.