Motor piezomagnético

1992/04/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza

Sabem que el canvi de temperatura fa temps que els sòlids s'allarguen i es contreuen. Per exemple, els cèrcols de ferro de la roda del carro, una vegada que s'han col·locat després d'obrir-los escalfats i després de contreure'ls refredats, han quedat atapeïts i pegats a la fusta. També en mecànica, per a encaixar certes peces amb ajust d'estrenyi, primer s'escalfa i s'expandeix, després es refreda i contreu quedant fix encaixat.

Altaveu submarí. Com a element de vibració es troba l'aliatge sensible a l'expansió magnètica. És de major potència que el ressonador piezoelèctric i s'utilitza en els sonessis de detecció submarina.

En aquests sòlids, les dilatacions i contraccions no sols es produeixen canviant la temperatura. Fins i tot canviant el corrent elèctric del sòlid o el camp magnètic, es modifiquen les seves dimensions, provocant en ell forces enormes. Un gran avantatge d'aquests canvis dimensionals és que, a diferència del que ocorre en l'expansió tèrmica, es produeixen ràpidament en un petit segon. Escalfant i refredant el cèrcol de la roda del carro no es pot canviar de dimensió per exemple vint vegades, però sí que canviant el camp elèctric o magnètic. Gràcies a això, la peça metàl·lica exerceix una gran força en l'obertura i contracció, encara que la grandària de l'amplitud o canvi de dimensió sigui molt reduït.

El fet que l'amplitud sigui molt petita ha estat fins ara el principal obstacle, per la qual cosa els primers motors que utilitzen aquests efectes han aparegut recentment, concretament els transductors sonors.

Evolució de la magnetostricación

En aquesta mena d'efectes la primera explotació ha estat la piezoelectricitat. En passar el corrent elèctric per l'interior, a uns cristalls (per exemple, quars) se'ls estira un costat i l'altre es contreu, sense variar el volum. No obstant això, es produeix de mitjana, és a dir, mitjançant la pressió o l'allargament del cristall es genera corrent elèctric. Aquest fenomen va ser descobert pel Sr. Curie en 1880.

La magnetostricción, l'efecte lineal de la qual es coneix com piezomagnetismo, va ser descobert en 1837. Als elements que es poden imantar com a ferro, níquel o cobalt, quan estan en camp magnètic variable les dimensions canvien. Igual que va ocórrer amb el corrent elèctric, el volum no varia, a excepció de les zones de molt alta intensitat.

Utilitzant corrents alternes existeixen dos camps variables: el camp elèctric variable i el camp magnètic variable que genera. Els efectes piezoelèctrics i piezomagnéticos s'uneixen, donant lloc a canvis de dimensió periòdics o vibracions. Aquest efecte s'ha aprofitat per a emetre ones sonores, sobretot per a la detecció subaqüàtica.

El piezomagnetismo es va utilitzar en l'última Guerra Mundial, però va ser abandonat lentament en benefici de la piezoelectricitat. I és que gràcies a les ceràmiques era capaç de proporcionar majors potències. D'altra banda, el corrent elèctric és més manejable que el camp magnètic, per la qual cosa la magnetostricción va quedar al marge.

En la dècada de 1960 es van descobrir algunes característiques de les terres estranyes i es va observar que els samaris, terbis, disprosiones i altres elements químics produïen efectes piezomagnéticos de gran amplitud. (La barra del metre de ferro, per exemple, en grans camps magnètics s'estira dues centèsimes de mil·límetre i la barra del metre d'aliatges més o menys cent vegades) Per a això es necessitaven temperatures molt baixes. No obstant això, com s'ha vist, aleando aquests elements amb ferro, els efectes de magnetostricación de gran amplitud s'obtenien a temperatura ambient, però per a això es necessitaven camps magnètics de gran intensitat.

Posteriorment, en 1974, la Naval Ordnance Laboratory d'Amèrica del Nord va obtenir un aliatge de terbi, disprosión i ferro de tres elements (Terfenol-D), per utilitzar camps magnètics fàcilment accessibles mitjançant electroimants. La barra de metre s'allarga 2,4 mm, la qual cosa permet la seva explotació en els mecanismes clàssics.

Motor piezoelèctric. Els anells ceràmics piezoelèctrics adjacents produeixen ones com les serps gràcies al corrent altern i s'aprofiten per a fer girar el plat al voltant del seu eix. El cim de les ones té un petit moviment de reculada per davant i es transmet al rotor per contacte. Qualsevol punt del material que suporti un corrent altern descriu l'òrbita el·líptica. El punt A de la imatge, per exemple, completa el recorregut el·líptic passant pels punts B, C i D, tornant al punt de partida. Empeny el plat circular des del punt A1 fins al punt A i el punt A2, girant sobre l'eix.

Magnetostricción actual

A partir d'aquí s'han pogut trobar moltes aplicacions a la magnetostricación. Vàlid per a transductors de so, motors, vàlvules, inyectoras de motors dièsel, etc.

Els estudis d'aplicació s'han centrat principalment als Estats Units i el Japó, però també en els laboratoris europeus estan preocupats pel fenomen. De fet, hi ha material per a la magnetostricación de gran amplitud. Comparativament, si la barra del metre d'alumini s'escalfa de 0 a 100 (C) s'estira 2,4 mm, i la barra del metre de material Terfenol-D s'estira el mateix.

No obstant això, la seva força no és menyspreable. Les forces piezoelèctriques són entre 10 i 20 vegades majors que les forces magnètiques d'atracció que actuen en motors i serbomecanismos convencionals, i entre 20 i 50 vegades les forces piezomagnéticas. Les forces piezomagnéticas s'assemblen a les d'expansió tèrmica, unes 25.000 ^{N/cm 2.} Això significa que la barra quadrada de centímetres gruixuts aixecaria una massa de 2,5 tones! A més, cal no oblidar que aquesta força és molt ràpida.

Aplicacions del piezomagnetismo

Una aplicació d'aquest efecte és l'obtenció de vibracions mecàniques de gran potència a partir de corrents alterns. D'entre 3 i 10 vegades més efecte que l'aconseguit fins ara amb piezoelectricitat, pot ser el produït en transductors acústics per piezomagnetismo, és a dir, en altaveus especials de so simple i intensitat. S'utilitzen principalment per a la detecció submarina. De fet, el desplaçament de l'aigua és molt més complicat que el desplaçament de l'aire i es necessiten forts emissors acústics per a fer oscil·lar grans masses líquides en aigües profundes. Quant menor és la freqüència de les ones, més útil és la magnetostricción per a realitzar aquest tipus de sonessis.

Aquesta gran força d'oscil·lació, no obstant això, es pot utilitzar en altres aplicacions: electrovàlvules, molls d'elasticitat controlada, agulles inyectoras de motors dièsel i, en general, en qualsevol mecanisme que requereixi un desplaçament reduït i una gran força.

Motor piezoelèctric

Motor piezomagnético. Aquest motor de magnetostricción actua com una tremolor. El disc del rotor gira molt poc, però molt fort. Sota el camp magnètic creat per una bobina, les peces A, B i C s'estiren i contreuen. Inicialment la peça fixa A està estirada i comprimeix el rotor (1). A continuació, mitjançant l'enviament del corrent a la seva bobina s'estira la peça B (2) i després la peça C (3), que també aixafa el rotor. A se contreu a continuació (4) i B següent (5), mantenint el rotor C. Després s'estira A (6), es contreu C (7) i s'inicia un altre cicle.

Per això, una de les aplicacions més interessants és convertir la vibració en moviment circular. En aquest cas el gir serà molt lent, però el parell de força és molt gran. Un obstacle en els motors elèctrics clàssics és que a velocitats baixes també hi ha un moment petit. No obstant això, és molt major que el motor més tèrmic (que funciona amb pistó o turbina), en el qual a velocitats angulars baixes (quan giren molt a poc a poc) és gairebé zero.

Quan en la pràctica es requereix una baixa velocitat i un gran moment del parell de força, és necessari intercalar engranatges reductors o transmissió de motors hidràulics d'alta pressió. Això és visible en moltes màquines d'obres.

La vibració pròpiament dita és un moviment ràpid de baixa amplitud cap endavant, i la transformació en moviment de gir té els seus problemes. Per a convertir el moviment lineal en moviment de gir s'utilitza el mecanisme biela/manovella, però a partir de certa grandària no s'ha aconseguit la miniaturització. Per això, al Japó diverses cases (NEC, Hitachi, Shinsei, etc.) han fabricat motors amb anells ceràmics piezoelèctrics.

L'anell ceràmic piezoelèctric comença a oscil·lar a causa del corrent altern. Cada punt de l'anell descriu l'el·lipse (veure figura) i sembla que hi ha una ona girant en l'anell. Sobre ell gira el plat que toca l'anell, accionat per aquesta ona.

En l'actualitat, els motors piezoelèctrics s'utilitzen per a la neteja del vidre davanter en els zoomes dels camócopios (el Japó), rellotges (Suïssa) o automòbils (Alemanya). Cal no oblidar que els motors piezoelèctrics poden ser també lineals.

Motor piezomagnético

A Alemanya també s'ha desenvolupat un motor piezomagnético. En aquesta ocasió el moviment es produeix com les erugues. Secundem, estirem i agarrem amb les cames davanteres. Després es deixen anar les potes posteriors, es contreuen i es reprèn el cicle secundant-les més endavant.

La magnetostricación produeix forces enormes de baix desplaçament. El mecanisme s'assembla a un parell de frens en disc unit a la barra de Terfenol. El funcionament es mostra en la figura adjunta.

El mecanisme es pot aplicar al cercle o peça recta. Es pot obtenir el motor de gir o el motor lineal. A més, atès que les forces que genera la magnetostricción són molt grans, depenent de si s'envia o no el corrent pot ser motor o fre. Això no ocorre en els motors convencionals. Això es deu al fet que una vegada que s'ha deixat d'enviar el corrent, no posen obstacles al moviment, i en alguns casos (per exemple, perquè no caigui una vegada que la càrrega puja i es deté) és necessari posar compactes i mecanismes similars. La presència de velocitats de gir molt baixes en els motors piezomagnéticos permet la seva utilització com posicionador en màquines eines.

El gir no és continu sinó discontinu. Per això, el motor pot quedar-se en el moment que es desitgi, quedant fix l'eix en aquest mateix punt.

D'altra banda, en la magnetostricación, el temps de resposta és menor que el de la mil·lèsima part del segon i alguns investigadors volen aprofitar-lo per a compensar les deformacions del material pesat, eliminar les vibracions nocives, etc.