ES2199412T3 - Accionador amplificado de materiales activos. - Google Patents
Accionador amplificado de materiales activos.Info
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- Control Of Position Or Direction (AREA)
Abstract
ACCIONADOR, CARACTERIZADO PORQUE LLEVA UNA PLURALIDAD DE APILAMIENTOS DE BLOQUES ELEMENTALES DE UN MATERIAL ACTIVO DE TIPO PIEZOELECTRICO, ELECTROSTRICTIVO O MAGNETOSTRICTIVO, QUE ESTAN REPARTIDOS PARA FORMAR UNA ESTRUCTURA TUBULAR, ASI COMO MEDIOS QUE PERMITEN APLICAR SOBRE DICHO BLOQUES ELEMENTALES UN CAMPO ELECTRICO O MAGNETICO QUE DEFORMAN DICHOS BLOQUES ELEMENTALES PARA QUE LA ESTRUCTURA TUBULAR SE ENROSQUE.
Description
Accionador amplificado de materiales activos.
La presente invención se refiere a unos
accionadores amplificados de materiales activos de tipo
piezoeléctrico, electroestrictivo o magnetoestrictivo.
Existen a bordo de las aeronaves dos tipos de
mando de vuelo:
- -
- los mandos primarios que sirven para mandar los movimientos inmediatos del avión; son en general unos alerones situados en los bordes de fuga de las alas;
- -
- los mandos de vuelo secundarios que sirven para regular la configuración aerodinámica de la aeronave de conformidad con las fases de vuelo. Se encuentran en esta categoría los empenajes y alerones hipersustentadores y el plano fijo posterior.
Las características requeridas a los accionadores
de estas superficies son extremadamente diferentes.
Los mandos primarios deben en efecto soportar una
banda pasante superior a la anchura del espectro de los movimientos
del avión, asegurar un funcionamiento permanente, permitir un
retorno a la posición neutra en caso de corte de la energía.
Los mandos secundarios deben, en cuanto a sí
mismos, presentar una banda pasante baja, para un funcionamiento
intermitente, y permitir mantener la última posición en caso de
corte de la energía.
Estos mandos son en general realizados por unos
dispositivos hidráulicos que, para los mandos primarios, son de
mando directo y para los mandos secundarios realizan el mando a
través de los medios que constituyen un reductor mecánico. Son estos
medios los que constituyen un reductor mecánico, que en el segundo
caso aseguran la irreversibilidad requerida.
Por diversas razones (mantenimiento, polución,
riesgo de incendio, etc. ...), los constructores de aviones buscan
reducir la parte de la hidráulica en el mando en provecho de mandos
eléctricos. Sin embargo, la tecnología de los motores
electromagnéticos asociados a los medios que constituyen un
reductor conduce a unos equipos cuya masa es demasiado elevada.
Un objetivo de la presente invención es proponer
unos motores a base de materiales piezoeléctricos,
electroestrictivos o magnetoestrictivos aptos para presentar unas
densidades de energía elevadas y capaces de soportar unos esfuerzos
elevados, y que constituyen por consiguiente unos candidatos
interesantes para el mando primario.
Se ha propuesto ya realizar unos accionadores por
medio de motores con vibraciones, en los cuales unas vibraciones
tangenciales y normales generadas sobre un estator son
transformadas en movimiento continuo gracias al rozamiento del
contacto mecánico entre dicho estator y el rotor.
Para una presentación general de aplicaciones de
este tipo de motor a los mandos de vuelos secundarios, se podrá por
ejemplo hacer referencia a:
``Actionneurs - Des matériaux piézoélectriques
pour les commandes du futur'' - Usine nouvelle - 31 octubre 1996 -
nº 2568.
``Des commandes de vol piézoélectriques'' - Air
et Cosmos/Aviation International - nº 1602 - 28 febrero 1997.
Sin embargo, este tipo de motor no puede ser
utilizado para realizar unos mandos primarios, dado que el
funcionamiento permanente conduce a un desgaste demasiado rápido de
la intercara y al mantenimiento de la última posición en caso de
corte de la energía.
Otra solución, también ya propuesta, consiste en
utilizar directamente el desplazamiento piezoeléctrico para
realizar el desplazamiento limitado del mando. Como los materiales
piezoeléctricos son capaces de esfuerzos muy grandes pero permiten
sólo pequeños desplazamientos, conviene incluirlos en unas
estructuras que aumenten el desplazamiento a fin de que sean
compatibles con el movimiento requerido para los mandos. Estos
dispositivos se denominan comúnmente ``amplificadores'' aunque la
energía de entrada sea siempre mayor que la energía de salida.
Unas estructuras de accionadores amplificados han
sido por ejemplo descritas en:
``A new amplifier piezoelectric actuator for
precise positioning and semi-passive damping'' - R.
Le Letty, F. Claeyssen, G. Thomin - 2^{nd} space microdynamics
and accurate control symposium - 13-16 mayo 1997 -
Toulouse.
En este artículo, se proponía utilizar como
amplificador de salida del accionador piezoeléctrico un
amplificador mecánico elástico. Otros aún han propuesto utilizar
como amplificador unos medios de conversión hidráulica (ver artículo
ya citado aparecido en Usine Nouvelle).
Sin embargo, estas soluciones no son
satisfactorias. La estructura que realiza la conversión debe en
efecto ser más rígida que el accionador de base, a falta de lo cual
la energía del accionador de partida sirve para deformar la
estructura de conversión en detrimento de la energía de salida.
Y esta rigidez es a menudo obtenida por el empleo
de piezas macizas, lo que reduce considerablemente la ventaja
inicial de ligereza y de densidad de energía elevada.
Constituye por tanto el objeto de la invención
proponer una estructura rígida y ligera que convierte los pequeños
desplazamientos piezoeléctricos elementales en grandes
desplazamientos.
A este fin, la invención propone, en cuanto a sí
misma, un accionador caracterizado porque comprende una pluralidad
de apilamientos de bloques elementales de un material activo de
tipo piezoeléctrico, electroestrictivo o magnetoestrictivo, que
están repartidos en varias capas apiladas en las cuales están
yuxtapuestos estando encerrados de manera que formen una estructura
tubular, así como unos medios que permitan aplicar sobre dichos
bloques elementales un campo eléctrico o magnético que deforma
dichos bloques elementales de tal manera que la estructura tubular
se retuerce.
Según unas primeras variantes de realización, los
bloques elementales son piezoeléctricos o electroestrictivos, y los
medios para deformar dichos bloques comprenden unos medios que
constituyen unos electrodos que permiten aplicar unos campos
eléctricos sobre dichos bloques.
Un accionador de este tipo es ventajosamente
completado por las diferentes características siguientes tomadas
solas o según todas sus combinaciones posibles:
- -
- los bloques elementales trabajan en alargamiento/contracción y están apilados con una polarización alternada en la altura de la estructura tubular;
- -
- los apilamientos están separados dos a dos por unos medios de separación que se extienden según la altura de la estructura y los elementos de separación están constituidos por una sucesión de losas que presentan, cada una, una altura correspondiente a por lo menos la altura de dos bloques elementales, siendo estas losas aptas para deslizar unas sobre las otras y siendo de una rigidez superior a la de los bloques elementales, estando las zonas de separación entre las losas superpuestas según una misma altura, de un medio de separación al otro, desplazadas en la altura de la estructura;
- -
- los medios de separación están constituidos por unas bandas que presentan una pluralidad de hendiduras que delimitan dos a dos las losas;
- -
- los medios de separación están constituidos por una pluralidad de elementos de separación que están superpuestos y que constituyen cada uno una losa elemental;
- -
- los medios que constituyen los electrodos están constituidos por los medios de separación;
- -
- dos bloques elementales trabajan a cizalladura;
- -
- los bloques elementales sucesivos en la altura de un mismo apilamiento presentan unas metalizaciones que forman el electrodo en sus caras enfrentadas;
- -
- los apilamientos de bloques elementales están separados por unos medios de separación eléctricamente conductores a los cuales las metalizaciones que forman el electrodo están conectadas;
- -
- los bloques elementales están repartidos en arandela en la altura de la estructura tubular;
- -
- el accionador comprende una envolvente de pretensado en la cual la estructura tubular de bloques elementales está dispuesta;
- -
- la envolvente de pretensado comprende una pluralidad de anillos que aseguran cada uno el pretensado de una arandela de bloques elementales de la estructura tubular;
- -
- los anillos son eléctricamente conductores y el accionador comprende una pluralidad de bornes de contacto repartidos en la altura de la estructura entre los medios de separación y los anillos de pretensado;
- -
- los bornes de contacto están repartidos de manera que estén en contacto con una losa cada dos;
- -
- los anillos están separados por unas arandelas eléctricamente aislantes;
- -
- la envolvente o los anillos de pretensado es o son de una aleación con memoria de forma.
Un accionador de este tipo está ventajosamente
realizado de la forma siguiente:
- -
- se apilan en un tubo externo una alternancia de anillos de pretensado en fase de baja temperatura y de arandelas aislantes,
- -
- se pegan a lo largo de las generatrices de un núcleo interno cilíndrico de superficie aislante, unas bandas metálicas hendidas, desplazándolas dos a dos, a lo largo de dicho núcleo, en un semiespesor de núcleo,
- -
- se introduce el núcleo y sus bandas en la estructura tubular que constituyen los anillos de pretensado y las arandelas,
- -
- se introducen los bloques elementales en los alojamientos entre los anillos, las bandas y el núcleo,
- -
- se calienta el conjunto de manera que se provoque el cambio de fase de los anillos de pretensado.
Según otras variantes de realización aún, los
bloques elementales de la estructura activa tubular comprenden una
pluralidad de apilamientos de losas destinados a ser deformados por
efecto magnetoestrictivo entre los cuales están interpuestos unos
medios de separación constituidos por apilamientos de losas de
separación que presenta, cada una, una altura correspondiente por
lo menos a la altura de dos losas destinadas a ser deformadas por
efecto magnetoestrictivo, siendo las diferentes losas superpuestas
en una altura de la estructura activa aptas para deslizar unas
sobre las otras, estando las zonas de separación entre las losas de
separación superpuestas según una misma altura, de un medio de
separación a otro, desplazadas en la altura de la estructura,
comprendiendo el accionador además unos medios para aplicar sobre
las losas destinadas a ser deformadas por efecto magnetoestrictivo
un campo magnético que produce, de forma alternada en la altura de
la estructura y en el contorno de ésta, la contracción y el
alargamiento de dichas losas.
Un accionador de este tipo es ventajosamente
completado por las diferentes características siguientes tomadas
solas o según todas sus combinaciones posibles:
- -
- la estructura activa es un tubo de un material magnetoestrictivo, que presenta una pluralidad de hendiduras dispuestas al tresbolillo que definen entre ellas unas zonas que corresponden a las losas destinadas a ser deformadas por efecto magnetoestrictivo y unas zonas que corresponden a las losas de separación;
- -
- el accionador comprende unos medios para aplicar un campo magnético radial permanente uniforme sobre la estructura activa y para añadir a este campo permanente un campo de mando radial que es alternado de una losa que está destinada a ser deformada por efecto magnetoestrictivo a otra;
- -
- comprende unos medios para aplicar sobre la estructura activa un campo radial permanente alternado de una losa que está destinada a ser deformada por efecto magnetoestrictivo a otra y para añadir a este campo permanente un campo de mando radial uniforme;
- -
- comprende unos imanes permanentes enfrentados a las diferentes losas destinadas a ser deformadas por efecto magnetoestrictivo;
- -
- los imanes permanentes presentan una polarización que está alternada de un imán a otro;
- -
- los imanes permanentes están soportados por un núcleo que comprende una pluralidad de porciones aptas para girar unas con respecto a las otras y el accionador comprende además unos medios para comunicar a estas porciones el movimiento de torsión de la estructura activa;
- -
- dichos medios comprenden una barra de torsión axial;
- -
- dichos medios comprenden unas uniones de elastómero entre unos imanes permanentes sucesivos en la altura de la estructura activa.
La descripción que sigue es puramente ilustrativa
y no limitativa. La misma debe ser leída con respecto a los planos
anexos, en los cuales:
- La figura 1 es una representación esquemática
en perspectiva de un accionador de acuerdo con un modo de
realización posible de la invención.
- La figura 2 es una representación desarrollada
de la estructura activa del accionador de la figura 1.
- La figura 3 es una representación parecida a la
de la figura 2 que ilustra el funcionamiento de la estructura
activa.
- La figura 4 es una representación desarrollada
de otra variante de realización posible en la estructura
activa.
- La figura 5 ilustra el deslizamiento entre dos
losas de los medios de separación de la estructura de la figura
4.
- La figura 6 es una representación en sección
transversal del accionador de la figura 1.
- La figura 7 es una representación esquemática
en perspectiva que ilustra un modo de realización posible para la
envolvente de pretensado.
- La figura 8 es una representación en
perspectiva que ilustra un modo de realización posible para unos
medios de separación.
- Las figuras 9a a 9d son unas representaciones
esquemáticas que ilustran diferentes etapas de realización del
accionador de la figura 1.
- Las figuras 10 y 11 son unas representaciones
parecidas a las de las figuras 2 y 3 que ilustran otro modo de
realización posible de la invención.
- La figura 12 es una representación parecida a
la de la figura 10 que ilustra otra variante de realización también
posible.
- La figura 13 es una representación esquemática
en perspectiva parecida a la de la figura 1 que ilustra un
accionador magnetoestrictivo de acuerdo con otra variante de
realización posible.
- La figura 14 es una representación en forma
desarrollada de la estructura activa del accionador de la figura
13.
- La figura 15 es una representación parecida a
la de la figura 14 que ilustra el movimiento de torsión de la
estructura activa.
- La figura 16 es una representación parecida a
la de la figura 14 que ilustra otro modo de realización posible
para la invención.
- La figura 17 es un gráfico sobre el cual se ha
representado el alargamiento L de un material magnetoestrictivo en
función del campo magnético B que le es aplicado.
- La figura 18 es una semivista en sección radial
del accionador de la figura 15.
- La figura 19 es una vista en sección
transversal del mismo accionador.
- La figura 20 es una representación parecida a
la de la figura 17 que ilustra otro modelo de realización de la
invención.
- Las figuras 21 y 22 ilustran dos tipos de
estructura posible para el vástago de la estructura de la figura 18
o de la figura 20.
El accionador de acuerdo con un modo de
realización posible que se ilustra en la figura 1 tiene una forma
cilíndrica y comprende una estructura activa 1 tubular, así como un
envolvente pretensado 2 en la cual la estructura activa 1 está
montada. Comprende además eventualmente un núcleo central 3, que
sirve principalmente para la construcción del accionador y que,
como será explicado más adelante de forma detallada, puede en caso
necesario ser retirado al final de la fabricación.
Este accionador cilíndrico toma un movimiento de
torsión importante alrededor de su eje de revolución cuando se
aplica una tensión de mando sobre su envolvente de pretensado. Esta
torsión puede, con las estructuras activas 1 que serán descritas,
alcanzar 0,25 rd o sea 15º.
La figura 2 representa en forma desarrollada una
pequeña altura de una estructura activa 1 de acuerdo con un modo de
realización posible.
El eje A representa la dirección del eje del
cilindro.
Los rectángulos que presentan una flecha dibujada
en su centro representan unos bloques de material piezoeléctrico o
electroestrictivo, que han sido referenciados por 4.
Estos bloques 4 son o bien unos bloques macizos
de cerámica, o bien unos bloques multicapa. En el primer caso, el
sentido de la flecha corresponde a la orientación de la
polarización. En el segundo caso, el sentido de la flecha
corresponde a la orientación de la polarización de las capas
extremas.
Los bloques 4 están apilados en la altura de la
estructura y cada capa de apilamiento está constituida por una
pluralidad de bloques 4 que están yuxtapuestos de manera que se
cierren anularmente y constituyan una arandela R.
Sobre una misma capa de apilamiento, los bloques
4 sucesivos están separados dos a dos por unos elementos de
separación 5 inertes (losas), que se extienden cada uno sobre dos
capas de apilamiento. Estos elementos de separación son de unos
materiales de rigideces más elevadas que las de la cerámica de los
bloques 4. Son por ejemplo de acero.
Los elementos de separación 5 sucesivos de una
misma capa de apilamiento se extienden alternativamente a través de
una y la otra de las dos capas de apilamiento a uno y otro lado de
la capa de apilamiento considerada y constituyen unos elementos de
separación para los bloques 4 de respectivamente una y la otra de
estas dos capas.
Dos elementos de separación 5 sucesivos en la
altura del eje A de la estructura están en contacto uno con el
otro, pero son aptos para desplazarse uno con respecto al otro.
Los sentidos de polarización de los bloques 4 (o
de sus capas externas en el caso de materiales multicapa) están
alternados de una capa de apilamiento a otra.
Si se aplica una tensión alterna (+V, -V) sobre
las alineaciones según el eje A de los elementos de separación 5,
se produce un movimiento de desplazamiento de cada capa con
respecto a su adyacente. Debido a la alternancia de los campos en
cada arandela R y a la alternancia de polarización de una arandela
R a la otra el desplazamiento es siempre en el mismo sentido.
Es lo que se ilustra en la figura 3.
Suponiendo que la deformación del material de los
elementos de separación 5 (metal) es despreciable con respecto al
de la cerámica de los bloques 4 (gran diferencia de módulo de
Young) y que los elementos 5 se desplazan permaneciendo paralelos a
sí mismos, se tiene como primera aproximación:
\theta = 2\pi\mu\varepsilon.
m/n
K =
(E/2\pi\mu)(n^{2}/m^{2})R.\DeltaR.l
con
\theta = torsión máxima del árbol bajo
tensión
m = número de capas en el cilindro.
\varepsilon = deformación relativa máxima bajo
campo de la cerámica
\mu = relación volumen de cerámica \rho
*ar = relación al volumen total metal +
cerámica,
R = radio externo de la estructura activa,
K = rigidez en torsión del árbol
n = número de losas de cerámica en una
arandela
E = módulo de Young de la cerámica,
\DeltaR = diferencia entre el radio externo y
el radio interno de la capa activa
l = longitud del accionador.
Con la ayuda de estas dos fórmulas, se pueden
elegir las características que se desean para el árbol que
constituye el accionador cilíndrico. Se ve que la relación \mum/n
representa el coeficiente de amplificación mecánica. Se busca, para
una gran relación, tener un gran número de capas con un mínimo de
bloques por capa.
La relación \mu debe también se elevada pero
conviene dejarla más baja que 0,5. En efecto, cuando esta relación
aumenta, los elementos de separación 5 metálicos sufren un
movimiento de torsión perjudicial para el funcionamiento del
dispositivo.
Para poder aumentar \mu evitando al mismo
tiempo mejor este fenómeno, se pueden ventajosamente remplazar los
elementos de separación 5 individuales por unos elementos de
separación constituidos por bandas 6, por ejemplo metálicas, que son
paralelas al eje A del cilindro y en las cuales están integradas
unas hendiduras 7.
Una variante en este sentido está ilustrada la
\hbox{figura 4.}
Las hendiduras 7 de una banda 6 están separadas
en una distancia que corresponde a la altura de dos capas de
bloques 4 sucesivas.
De una banda a la otra, estas hendiduras 7 están
desplazadas en la altura de una capa de bloques 4.
Con una estructura de este tipo, la masa metálica
(losa) entre dos hendiduras 7 sucesivas de una banda representa el
equivalente de un elemento de separación 5 en la estructura
descrita con referencia a las figuras 2 y 3 y dichas hendiduras 7
simulan unas uniones entre los elementos de separación 5 que
permiten el deslizamiento de un elemento 5 respecto al otro y
limitan la basculación.
Una deformación de la zona de una banda 6
alrededor de una hendidura 7 está ilustrada en la
\hbox{figura
5.}
Se observará que las hendiduras 7 eliminan una
gran parte de los esfuerzos de cizalladura, que están uniformemente
repartidos en la superficie cuando tiene lugar la traslación y
maximiza los esfuerzos de tracción/compresión que son importantes
sobre los bordes del elemento de separación 5 cuando tiene lugar
una basculación.
La envolvente de pretensado 2 está realizada,
para cada capa del cilindro, con la ayuda de un anillo de
pretensado 8 que aprieta el conjunto metal/cerámica de la manera
que se ilustra en la figura 6.
Se utiliza ventajosamente para realizar los
anillos de pretensado 8 una aleación con memoria de forma con una
gran histéresis en temperatura del tipo
Ni-Ti-Nb. En su fase de baja
temperatura obtenida por inmersión en nitrógeno líquido, este anillo
8 presenta a temperatura ordinaria un diámetro interior suficiente
para construir la alternancia cerámica-metal.
Calentando a más de 150ºC el anillo 8 toma su estructura de alta
temperatura apretándose y asegura así el pretensado. El mismo
conserva esta estructura incluso volviendo a las temperaturas
usuales de utilización (-60ºC a +100ºC).
Para evitar los cortocircuitos entre los
circuitos de alimentación +V y -V, solamente una banda 6 (o un
elemento de separación 5) cada dos está en contacto con el anillo
8.
El contacto está preferentemente asegurado por
unos bornes de contacto 10.
Y para homogeneizar el pretensado, se alterna de
una capa a la otra la repartición de los bornes de contacto. Esto
tiene como resultado que cada anillo de pretensado 8 está a un
potencial opuesto al de su adyacente inmediato. Conviene por tanto,
como se ilustra en la figura 7, intercalar entre los anillos de
pretensado 8 unas arandelas de aislamiento eléctrico 9.
Un ejemplo de estructura posible para una banda 6
de separación ha sido ilustrado en la figura 8.
La banda 6 ilustrada en esta figura presenta una
sucesión de protuberancias que forman unos bornes de contacto 10
que alternan con unos rehundidos 11, correspondiendo cada borne 10
y rehundido 11 a una capa de la estructura activa 1.
Esta solución es la preferida puesto que asegura
una buena continuidad eléctrica y permite transmitir el pretensado
de una capa a la otra por los bordes o láminas laterales 12 que se
extienden a lo largo de las bandas 6, y a uno y otro lado de las
hendiduras. Así, incluso las zonas de las bandas 6 que corresponden
a unos rehundidos 11 y que no están en contacto con el anillo de
pretensado 8 de la capa que les corresponde, son sostenidas por los
anillos 8 de las capas inmediatamente próximas.
Otra ventaja de esta solución es la perfecta
continuidad eléctrica.
Ventajosamente, la estructura que acaba de ser
descrita se realiza de la forma siguiente (figuras 9a a 9d):
- a.
- Se toma un tubo externo 13 en el cual se apilan una alternancia de anillos 8 de pretensado en fase de baja temperatura y de arandelas aislantes 9 (figura 9a),
- b.
- Sobre un núcleo 3 interno cilíndrico de superficie aislante, se pegan temporalmente o no a lo largo de las generatrices unas bandas 6 metálicas hendidas. Estas bandas están desplazadas a lo largo de la generatriz del espesor de una capa (figura 9b).
- c.
- Se introduce el
núcleo y sus bandas en el tubo formado por las arandelas de
pretensado
\hbox{(figura 9c).}
- d.
- En los alojamientos que quedan entre los anillos 8, las bandas 6 y el núcleo 3, se introducen unos bloques de cerámica de manera que la orientación ortorradial de la polarización sea la misma en cada capa del apilamiento así realizado y esté alternada de una capa a la otra.
- e.
- Se calienta el conjunto o el exterior de manera que se provoque el cambio de fase de los anillos de pretensado 8. La temperatura a la cual dichos anillos son llevados debe ser inferior a la temperatura de Curie de las cerámicas para no provocar la despolarización.
- f.
- Según la utilización ulterior, se retira o no el tubo externo 13 y/o el núcleo interior 3. Si el núcleo interior se deja en posición, de presentar, gracias a su flexibilidad propia o la de su envolvente aislante, una rigidez mucho menor que la de la estructura activa. Dicho núcleo 3 puede comprender en su centro un vástago que permita aplicar un pretensado axial.
Otras variantes de realización son desde luego
también posibles.
En particular, en la descripción que precede se
ha supuesto implícitamente que los bloques 9 eran de unas cerámicas
que trabajan alargándose o se contraen (coeficientes de deformación
piezoeléctrica D33 ó D31).
Sin embargo, unas cerámicas que trabajan a
cizalladura (coeficiente D15) pueden también ser previstas.
Unas cerámicas piezoeléctricas de ese tipo
existen actualmente en forma de cerámicas macizas.
Y, dado que pueden ser utilizadas unas tensiones
de varios centenares de voltios en los accionadores de vuelo, es
previsible el empleo de dichas cerámicas.
Se ha ilustrado en las figuras 10 y 11 una
estructura de accionador de acuerdo con la invención en la cual los
bloques, referenciados por 104, son de unos materiales
piezoeléctricos que trabajan a cizalladura.
Estos bloques 104 están apilados en la altura de
la estructura (eje A) con una alternancia de su polarización.
Dos bloques sucesivos 104 del mismo apilamiento
están separados por una metalización que forma un electrodo 120,
estando dichas metalizaciones 120 alternativamente conectadas en la
altura de la estructura activa a las bandas de separación 106
conductoras, dispuestas a un lado o al otro de dicho
apilamiento.
Así, aplicando alternativamente un potencial +V ó
-V a los elementos de separación 106, se deforma la estructura de
la forma que se ha ilustrado en la
\hbox{figura 11.}
En el ejemplo ilustrado en las figuras 10 y 11,
los bloques 104 de la misma capa en la altura de la estructura
presentan unas polarizaciones en el mismo sentido y -en
representación desarrollada- la repartición de las láminas 120 es
simétrica a uno y otro lado de los elementos de separación 106.
Sin embargo, no es en modo alguno necesario que
la polarización de los bloques 104 sea la misma para todos los
bloques 104 de una misma capa de apilamiento. La polarización puede
en una misma capa estar alternada de un bloque 104 a otro, las
metalizaciones 120 de dos bloques 104 sucesivos en una misma capa
están entonces conectadas a los elementos de separación 106
diferentes.
El accionador magnetoestrictivo de acuerdo con un
modo de realización posible que se ilustra en la figura 13 tiene
una forma cilíndrica y comprende una estructura activa 201 tubular,
así como una envolvente 202 en la cual la estructura activa 201
está montada y un núcleo central 203.
La figura 14 representa en forma desarrollada una
pequeña altura de una estructura activa 201 de acuerdo con un modo
de realización posible.
El eje A representa la dirección del eje del
cilindro.
Esta estructura activa comprenderá una pluralidad
de bloques o losas 204 de cerámica magnetoestrictiva, que están
apiladas en la altura de la estructura, estando cada capa de
apilamiento constituida por una pluralidad de bloques 204 que están
yuxtapuestos de manera que se cierren anularmente y constituyan una
arandela R.
Sobre una misma capa de apilamiento, los bloques
204 sucesivos están separados dos a dos por unos elementos de
separación 205 inertes (losas metálicas), que se extienden cada uno
sobre dos capas de apilamiento. Estos elementos de separación son de
unos materiales de rigideces más elevadas que las de la cerámica de
los bloques 204 y son por ejemplo de acero.
Los elementos de separación 205 sucesivos de una
misma capa de apilamiento se extienden alternativamente a través de
una y la otra de las dos capas de apilamiento, a uno y otro lado de
la capa de apilamiento considerada, y constituyen unos elementos de
separación para los bloques 204 de respectivamente una y la otra de
estas otras dos capas.
Dos elementos de separación 205 sucesivos en la
altura del eje A de la estructura están en contacto uno con el
otro, pero son aptos para desplazarse uno con respecto al otro.
Se aplican sobre los bloques 204 unos campos
magnéticos radiales que son tales que los bloques 204 de una misma
capa son deformados de tal manera que dos bloques sucesivos de una
misma capa o dos bloques sucesivos en la altura de la estructura son
uno estrechado, el otro alargado y se produce un movimiento de
desplazamiento de cada capa con respecto a su adyacente y que la
estructura activa 201 se retuerce.
Es lo que se ilustra en la figura 14. Los
elementos de separación 205 (metal) son de un material elegido de
manera que presente una deformación que es despreciable con
respecto a la de la cerámica de los bloques 204 (gran diferencia de
modulo de Young).
Se puede también prever que estas bandas de
separación sean de una pieza con los bloques 204, en cuyo caso se
llega a una estructura activa del tipo de la ilustrada en la figura
15, constituida por un tubo 206 de un material magnetoestrictivo que
presenta una pluralidad de hendiduras 207 repartidas al
tresbolillo, estando las zonas que corresponden las losas 205
definidas entre las hendiduras 207 cuyas hendiduras están situadas
sobre una misma generatriz en una altura de la estructura, siendo
las zonas donde se producirán los efectos de magnetoestricción
cuando tiene lugar la aplicación de un campo magnético radial y que
corresponde a los bloques 204 (zonas rayadas en la figura 16) las
delimitadas entre las porciones que se recubren de las hendiduras
207 situadas a dos alturas sucesivas de la estructura.
Como la magnetoestricción es un fenómeno par, es
decir que no depende del signo del campo (ver figura 17), conviene
aplicar un campo magnético de polarización para que cada zona
presente un efecto mecánico alternado tanto según el eje del
cilindro como en una dirección ortorradial.
Existen dos posibilidades:
- -
- O bien poner un campo magnético radial permanente uniforme sobre todo cilindro y añadir un campo de mando radial alternado de una zona a la otra (flecha doble I sobre la figura 17);
- -
- O bien poner un campo radial permanente alternado de una zona a la otra y añadir un campo de mando radial uniforme para el mando (flechas simples II sobre la figura 17).
Una estructura correspondiente a esta segunda
posibilidad está ilustrada en la figura 18 y se describe de forma
detallada en la continuación del presente texto.
Se pueden sin embargo imaginar también unas
estructuras intermedias en las que el campo radial permanente en
lugar de ser constante está alternado sobre unas zonas mayores,
estando la alternancia del campo de mando desplazada de un paso de
una zona a la otra.
Otra estructura intermedia consistiría en una
estructura en la cual un campo de mando radial alternado sobre
grandes zonas, siendo la alternancia del campo permanente
desplazada al paso de una zona a la otra.
La estructura ilustrada en la figura 18 es una
representación en semisección radial.
La envolvente 202 es aquí de un material
magnético flojo, por ejemplo en metal.
El núcleo 203 está constituido por un vástago 210
de un material magnético flojo (metal) que soporta una pluralidad
de imanes 209 que están enfrentados a unas zonas 204. Estos imanes
209 presentan una polarización que está alternada a la vez en la
altura y en el contorno del vástago 210.
Estos imanes están por ejemplos interpuestos
entre dicho vástago 210 y unos elementos 210a de un material
magnético flojo con respecto a la estructura activa 201.
La alternancia de las polarizaciones de los
imanes 209 produce la alternancia de los campos permanentes en el
material magnetoestrictivo. Como muestra la figura 19, esta
alternancia tiene lugar también en la dirección ortorradial.
En el extremo del núcleo 203 se encuentra la
bobina de mando que inyecta un campo axial y que se cierra por la
envolvente exterior.
El campo de mando se cierra de una manera
uniforme a través del material magnetoestrictivo a condición de que
la reluctancia del núcleo 203 y del cierre sea pequeña frente a las
de los entrehierros. Esto no es forzosamente verificado cuando el
cilindro es muy largo. Para ello se puede estar obligado, como se
ilustra en la figura 20, a alternar los sentidos de los campos de
mando colocando regularmente unas bobinas de mando 211 a lo largo
del vástago 210. Esto reduce la reluctancia vista por cada
bobina.
Se observará que la estructura que acaba de ser
descrita es particularmente ventajosa dado que el cierre del campo
constante se realiza ortorradialmente en el cierre a causa de la
alternancia ortorradial de las polarizaciones de los imanes. El
dispositivo no es sensible a la longitud.
Sin embargo, cuando la estructura activa se
tuerce según el eje del cilindro los polos del núcleo no se
encuentran ya frente a las zonas 204 que conviene excitar. Conviene
por tanto que el núcleo 203 pueda torcerse también como la
estructura activa 201 teniendo al mismo tiempo una rigidez mucho
más baja. Para ello el núcleo 203 debe ser solidario de la
estructura activa 201 por sus extremos.
El vástago 210 está a este fin ventajosamente
compuesto por varias porciones 213 ligadas entre si por una barra
de torsión axial 214 de pequeño diámetro si es metálica o de un
diámetro mayor si se trata de un elastómero. Es lo que se ha
ilustrado en la figura 21 (semisección axial) en la cual los puntos
representan los puntos de unión de los elementos del núcleo con la
barra de torsión.
Se puede también realizar una unión entre dos
elementos 210a del núcleo por unas arandelas 212 de elastómero
dispuestas entre las diferentes capas de polo.
Es lo que ilustra la figura 22.
Estas arandelas 212 de elastómero pueden también
revestir la bobina de mando.
Claims (27)
1. Accionador, caracterizado porque comprende una
pluralidad de apilamientos y bloques elementales (4,204) de un
material activo del tipo piezoeléctrico, electroestrictivo o
magnetoestrictivo, que están repartidos en varias capas apiladas en
las cuales están yuxtapuestos estando encerrados de manera que
formen una estructura tubular (1,201), así como unos medios que
permiten aplicar sobre dichos bloques elementales (4,204) un campo
eléctrico o magnético que deforma dichos bloques elementales de tal
manera que la estructura tubular se retuerce.
2. Accionador según la reivindicación 1,
caracterizado porque los bloques elementales (4) son
piezoeléctricos o electroestrictivos y porque los medios para
deformar dichos bloques comprenden unos medios que forman
electrodos que permiten aplicar unos campos eléctricos sobre dichos
bloques.
3. Accionador según la reivindicación 2,
caracterizado porque los bloques elementales trabajan en
alargamiento/contracción y porque están apilados con una
polarización alternada en la altura de la estructura tubular.
4. Accionador según la reivindicación 3,
caracterizado porque los apilamientos están separados dos a
dos por unos medios de separación (5) que se extienden según la
altura de la estructura y porque los elementos de separación (5)
están constituidos por una sucesión de losas que presentan, cada
una, una altura que corresponde por lo menos a la altura de dos
bloques elementales (4), siendo estas losas aptas para deslizar unas
sobre las otras y siendo de una rigidez superior a los bloques
elementales, estando las zonas de separación entre las losas
superpuestas según una misma altura, de un medio de separación a
otro, desplazadas en la altura de la estructura.
5. Accionador según la reivindicación 4,
caracterizado porque los medios de separación (5) están
constituidos por unas bandas (6) que presentan una pluralidad de
hendiduras (7) que delimitan dos a dos las losas.
6. Accionador según la reivindicación 4,
caracterizado porque los medios de separación (5) están
constituidos por una pluralidad de elementos de separación que están
superpuestos y que constituyen cada uno una losa elemental.
7. Accionador según la reivindicación 4,
caracterizado porque los medios que forman los electrodos
están constituidos por los medios de separación (5).
8. Accionador según la reivindicación 2,
caracterizado porque los bloques elementales (4) trabajan a
cizalladura.
9. Accionador según la reivindicación 8,
caracterizado porque dos bloques elementales (4) sucesivos
en la altura de un mismo apilamiento presentan unas metalizaciones
que forman un electrodo en sus caras enfrentadas.
10. Accionador según la reivindicación 9,
caracterizado porque los apilamientos de bloques elementales
(4) están separados por unos medios de separación eléctricamente
conductores a los cuales las metalizaciones que forman el electrodo
están conectadas.
11. Accionador según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque los bloques elementales
están repartidos en arandelas (R) en la altura de la estructura
tubular.
12. Accionador según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque comprende un envolvente de
pretensado (2, 202) en la cual la estructura tubular de bloques
elementales (4, 204) está dispuesta.
13. Accionador según las reivindicaciones 11 y 12
caracterizado porque la envolvente pretensado (2) comprende
una pluralidad de anillos (8) de pretensado que aseguran cada uno
el pretensado de una arandela de bloques elementales de la
estructura tubular.
14. Accionador según la reivindicación 13 tomada
en combinación con una de las reivindicaciones 7 ó 10,
caracterizado porque los anillos (8) son eléctricamente
conductores y porque comprende una pluralidad de bornes de contactos
(10) repartidos en la altura de la estructura entre los medios de
separación (5) y los anillos (8) de pretensado.
15. Accionador según la reivindicación 14 tomada
en combinación con la reivindicación 5, caracterizado porque
los bornes de contacto (10) están repartidos de forma que estén en
contacto con una losa (5,6) cada dos.
16. Accionador según una de las reivindicaciones
14 y 15, caracterizado porque los anillos (8) están
separados por unas arandelas eléctricamente
\hbox{aislantes
(9).} 17. Accionador según una de las reivindicaciones
13 a 16, caracterizado porque la envolvente (2) o los
anillos (8) de pretensado es o son de una aleación con memoria de
forma.
18. Procedimiento para la realización de un
accionador según las reivindicaciones 16 y 17 tomadas en
combinación, caracterizado porque:
- a.
- Se apilan en un tubo (13) externo una alternancia de anillos (8) de pretensado en fase de baja temperatura y de arandelas aislantes (9),
- b.
- Se pegan a lo largo de las generatrices de un núcleo interno cilíndrico de superficie aislante, unas bandas metálicas hendidas, desplazándolas dos a dos, a lo largo de dicho núcleo, en un semiespesor del núcleo.
- c.
- Se introducen el núcleo (3) y sus bandas (6) en la estructura tubular que constituyen los anillos (8) de pretensado y las arandelas (9).
- d.
- Se introducen los bloques elementales (4) en los alojamientos entre los anillos (8), las bandas (6) y el núcleo (3).
- e.
- Se calienta el conjunto de manera que se provoque el cambio de fase de los anillos (8) de pretensado.
19. Accionador según la reivindicación 1,
caracterizada porque los bloques elementales de la estructura
activa tubular (201) comprenden una pluralidad de apilamientos de
losas (204) destinadas a ser deformadas por efecto magnetoestrictivo
entre las cuales están interpuestos unos medios de separación (205)
constituidos por apilamientos de losas de separación que presentan,
cada una, una altura que corresponde por lo menos a la altura de
dos losas destinadas a se reformadas por efecto magnetoestrictivo,
siendo las diferentes losas superpuestas en una altura de la
estructura activa aptas para deslizar unas sobre las otras, estando
las zonas de separación entre las losas de separación superpuestas
según una misma altura, de un medio de separación al otro,
desplazadas en la altura de la estructura, comprendiendo el
accionador además unos medios para aplicar sobre las losas
destinadas a ser deformadas por efecto magnetoestrictivo un campo
magnético que produce, de forma alternada en la altura de la
estructura y en el contorno de ésta, la contracción y el
alargamiento de dichas losas.
20. Accionador según la reivindicación 19,
caracterizado porque la estructura activa (201) es un tubo
(206) de un material magnetoestrictivo, que presenta una pluralidad
de hendiduras (207) dispuestas al tresbolillo que definen entre
ellas unas zonas que corresponden a las losas destinadas a ser
deformadas por efecto magnetoestrictivo y unas zonas que
corresponden a las losas de separación.
21. Accionador según una de las reivindicaciones
19 y 20, caracterizado porque comprende unos medios para
aplicar un campo magnético radial permanente uniforme sobre la
estructura activa y para añadir a este campo permanente un campo de
mando radial que está alternado de una losa que está destinada a
ser deformada por efecto magnetoestrictivo a otra.
22. Accionador según una de las reivindicaciones
19 y 20, caracterizado porque comprende unos medios para
aplicar sobre la estructura activa un campo radial permanente
alternado de una losa que está destinada a ser deformada por efecto
magnetoestrictivo a otra y para añadir a este campo permanente un
campo de mando radial uniforme.
23. Accionador según una de las reivindicaciones
19 a 22, caracterizado porque comprende unos imanes
permanentes frente a las diferentes losas destinadas a ser
deformadas por efecto magnetoestrictivo.
24. Accionador según las reivindicaciones 22 y 23
tomadas en combinación, caracterizado porque los imanes
permanentes presentan una polarización que está alternada de un
imán a otro.
25. Accionador según la reivindicación 23,
caracterizado porque los imanes permanentes están soportados
por un núcleo (203) que comprende una pluralidad de porciones (213)
aptas para girar unas con respecto a las otras y porque comprende
además unos medios para comunicar a estas porciones el movimiento
de torsión de la estructura activa.
26. Accionador según la reivindicación 25,
caracterizado porque dichos medios comprenden una barra de
torsión axial (214).
27. Accionador según la reivindicación 25,
caracterizado porque dichos medios comprenden unas uniones
(212) de elastómero entre unos imanes permanentes sucesivos en la
altura de la estructura activa.
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