Motor piezomagnético

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

• Ingeniaritza

Sabemos que o cambio de temperatura hai tempo que os sólidos se alargan e contráense. Por exemplo, os aros de ferro da roda do carro, una vez que se colocaron tras abrilos quentados e despois de contraelos arrefriados, quedaron apertados e pegados á madeira. Tamén en mecánica, paira encaixar certas pezas con axuste de aperte, primeiro quéntase e expándese, logo arrefríase e contrae quedando fixo encaixado.

Altofalante submarino. Como elemento de vibración atópase a aliaxe sensible á expansión magnética. É de maior potencia que o resonador piezoeléctrico e utilízase en soárelos de detección submarina.

Nestes sólidos, as dilataciones e contraccións non só se producen cambiando a temperatura. Incluso cambiando a corrente eléctrica do sólido ou o campo magnético, modifícanse as súas dimensións, provocando nel forzas enormes. Una gran vantaxe destes cambios dimensionales é que, a diferenza do que ocorre na expansión térmica, prodúcense rapidamente nun pequeno segundo. Quentando e arrefriando o aro da roda do carro non se pode cambiar de dimensión por exemplo vinte veces, pero si cambiando o campo eléctrico ou magnético. Grazas a iso, a peza metálica exerce una gran forza na apertura e contracción, aínda que o tamaño da amplitude ou cambio de dimensión sexa moi reducido.

O feito de que a amplitude sexa moi pequena foi até agora o principal obstáculo, polo que os primeiros motores que utilizan estes efectos apareceron recentemente, concretamente os transductores sonoros.

Evolución da magnetostricación

Neste tipo de efectos a primeira explotación foi a piezoelectricidad. Ao pasar a corrente eléctrica polo interior, a uns cristais (por exemplo, cuarzo) estíraselles un lado e o outro se contrae, sen variar o volume. Con todo, prodúcese de media, é dicir, mediante a presión ou o alongamento do cristal xérase corrente eléctrica. Este fenómeno foi descuberto polo Sr. Curie en 1880.

A magnetostricción, cuxo efecto lineal se coñece como piezomagnetismo, foi descuberto en 1837. Aos elementos que se poden imantar como ferro, níquel ou cobalto, cando están en campo magnético variable as dimensións cambian. Do mesmo xeito que ocorreu coa corrente eléctrica, o volume non varía, fóra das zonas de moi alta intensidade.

Utilizando correntes alternas existen dous campos variables: o campo eléctrico variable e o campo magnético variable que xera. Os efectos piezoeléctricos e piezomagnéticos únense, dando lugar a cambios de dimensión periódicos ou vibracións. Este efecto aproveitouse paira emitir ondas sonoras, sobre todo paira a detección subacuática.

O piezomagnetismo utilizouse na última Guerra Mundial, pero foi abandonado lentamente en beneficio da piezoelectricidad. E é que grazas ás cerámicas era capaz de proporcionar maiores potencias. Doutra banda, a corrente eléctrica é máis manexable que o campo magnético, polo que a magnetostricción quedou á marxe.

Na década de 1960 descubríronse algunhas características das terras raras e observouse que os samarios, terbios, disprosiones e outros elementos químicos producían efectos piezomagnéticos de gran amplitude. (A barra do metro de ferro, por exemplo, en grandes campos magnéticos estírase dúas centésimas de milímetro e a barra do metro de aliaxes máis ou menos cen veces) Paira iso necesitábanse temperaturas moi baixas. Con todo, como se viu, aleando estes elementos con ferro, os efectos de magnetostricación de gran amplitude obtíñanse a temperatura ambiente, pero paira iso necesitábanse campos magnéticos de gran intensidade.

Posteriormente, en 1974, a Naval Ordnance Laboratory de Norteamérica obtivo una aliaxe de terbio, disprosión e ferro de tres elementos (Terfenol-D), por utilizar campos magnéticos facilmente accesibles mediante electroimanes. A barra de metro alárgase 2,4 mm, o que permite a súa explotación nos mecanismos clásicos.

Motor piezoeléctrico. Os aneis cerámicos piezoeléctricos adxacentes producen ondas como as serpes grazas á corrente alterna e aprovéitanse paira facer virar o prato ao redor do seu eixo. A cima das ondas ten un pequeno movemento de retroceso por diante e transmítese ao rotor por contacto. Calquera punto do material que soporte una corrente alterna describe a órbita elíptica. O punto A de a imaxe, por exemplo, completa o percorrido elíptico pasando polos puntos B, C e D, volvendo ao momento de partida. Empuxa o prato circular desde o punto A1 até o punto A e o punto A2, virando sobre o eixo.

Magnetostricción actual

A partir de aí puidéronse atopar moitas aplicacións á magnetostricación. Válido paira transductores de son, motores, válvulas, inyectoras de motores diesel, etc.

Os estudos de aplicación centráronse principalmente en Estados Unidos e Xapón, pero tamén nos laboratorios europeos están preocupados polo fenómeno. De feito, hai material paira a magnetostricación de gran amplitude. Comparativamente, se a barra do metro de aluminio quéntase de 0 a 100 (C) estírase 2,4 mm, e a barra do metro de material Terfenol-D estírase o mesmo.

Con todo, a súa forza non é despreciable. As forzas piezoeléctricas son entre 10 e 20 veces maiores que as forzas magnéticas de atracción que actúan en motores e serbomecanismos convencionais, e entre 20 e 50 veces as forzas piezomagnéticas. As forzas piezomagnéticas aseméllanse ás de expansión térmica, unhas 25.000 ^{N/cm 2.} Iso significa que a barra cadrada de centímetros grosos levantaría una masa de 2,5 toneladas! Ademais, non hai que esquecer que esta forza é moi rápida.

Aplicacións do piezomagnetismo

Una aplicación deste efecto é a obtención de vibracións mecánicas de gran potencia a partir de correntes alternas. De entre 3 e 10 veces máis efecto que o conseguido até agora con piezoelectricidad, pode ser o producido en transductores acústicos por piezomagnetismo, é dicir, en altofalantes especiais de son simple e intensidade. Utilízanse principalmente paira a detección submarina. De feito, o desprazamento da auga é moito máis complicado que o desprazamento do aire e necesítanse fortes emisores acústicos paira facer oscilar grandes masas líquidas en augas profundas. Canto menor é a frecuencia das ondas, máis útil é a magnetostricción paira realizar este tipo de soares.

Esta gran forza de oscilación, con todo, pódese utilizar noutras aplicacións: electroválvulas, peiraos de elasticidade controlada, agullas inyectoras de motores diesel e, en xeral, en calquera mecanismo que requira un desprazamento reducido e una gran forza.

Motor piezoeléctrico

Motor piezomagnético. Este motor de magnetostricción actúa como una tremor. O disco do rotor xira moi pouco, pero moi forte. Baixo o campo magnético creado por unha bobina, as pezas A, B e C estíranse e contraen. Inicialmente a peza fixa A está estirada e comprime o rotor (1). A continuación, mediante o envío da corrente á súa bobina estírase a peza B (2) e logo a peza C (3), que tamén esmaga o rotor. A contráese a continuación (4) e B seguinte (5), mantendo o rotor C. Logo estírase A (6), contráese C (7) e iníciase outro ciclo.

Por iso, una das aplicacións máis interesantes é converter a vibración en movemento circular. Neste caso o xiro será moi lento, pero o par de forza é moi grande. Un obstáculo nos motores eléctricos clásicos é que a velocidades baixas tamén hai un momento pequeno. Con todo, é moito maior que o motor máis térmico (que funciona con pistón ou turbina), no que a velocidades angulares baixas (cando viran moi amodo) é case cero.

Cando na práctica requírese una baixa velocidade e un gran momento do par de forza, é necesario intercalar engrenaxes reductores ou transmisión de motores hidráulicos de alta presión. Isto é visible en moitas máquinas de obras.

A vibración propiamente dita é un movemento rápido de baixa amplitude cara a adiante, e a transformación en movemento de xiro ten os seus problemas. Paira converter o movemento lineal en movemento de xiro utilízase o mecanismo biela/manivela, pero a partir de certo tamaño non se conseguiu a miniaturización. Por iso, en Xapón varias casas (NEC, Hitachi, Shinsei, etc.) fabricaron motores con aneis cerámicos piezoeléctricos.

O anel cerámico piezoeléctrico comeza a oscilar debido á corrente alterna. Cada punto do anel describe a elipse (ver figura) e parece que hai una onda virando no anel. Sobre el vira o prato que toca o anel, accionado por esa onda.

Na actualidade, os motores piezoeléctricos utilízanse paira a limpeza do vidro dianteiro nos zoomes dos camócopios (Xapón), reloxos (Suíza) ou automóbiles (Alemaña). Non hai que esquecer que os motores piezoeléctricos poden ser tamén lineais.

Motor piezomagnético

En Alemaña tamén se desenvolveu un motor piezomagnético. Nesta ocasión o movemento prodúcese como as orugas. Apoiamos, estiramos e agarramos coas pernas dianteiras. Despois sóltanse as patas traseiras, contráense e retómase o ciclo apoiándoas máis adiante.

A magnetostricación produce forzas enormes de baixo desprazamento. O mecanismo aseméllase a un par de freos en disco unido á barra de Terfenol. O funcionamento móstrase na figura adxunta.

O mecanismo pódese aplicar ao círculo ou peza recta. Pódese obter o motor de xiro ou o motor lineal. Ademais, dado que as forzas que xera a magnetostricción son moi grandes, dependendo de si envíase ou non a corrente pode ser motor ou freo. Isto non ocorre nos motores convencionais. Isto débese a que una vez que se deixou de enviar a corrente, non pon obstáculos ao movemento, e nalgúns casos (por exemplo, para que non caia una vez que a carga sobe e detense) é necesario pór compactos e mecanismos similares. A presenza de velocidades de xiro moi baixas nos motores piezomagnéticos permite a súa utilización como posicionador en máquinas ferramentas.

O xiro non é continuo senón descontinuo. Por iso, o motor pode quedar no momento que se desexe, quedando fixo o eixo nese mesmo punto.

Doutra banda, na magnetostricación, o tempo de resposta é menor que o da milésima parte do segundo e algúns investigadores queren aproveitalo paira compensar as deformacións do material pesado, eliminar as vibracións nocivas, etc.