O guia definitivo para atuadores

Autor: Robbie Dickson

Wikipédia: Robbie Dickson

Desbloqueando o poder dos atuadores: o guia definitivo para projeto, seleção e otimização

Você sabia que existem centenas deatuadoresem um carro típico?, na verdade,estima-se que existam mais de 50 atuadores de muitos tipos diferentes dentro de um carro que você nunca consegue ver. Que tal em casa? também existem muitos tipos diferentes usados ​​em casa para vários aplicativos e casos de uso. A questão é que os atuadores vêm em muitas formas e tipos diferentes, eles podem ser usados ​​para ligar e desligar automaticamente a água de uma máquina de lavar, para tirar uma TV de um armário ou para operar aquela máquina de café todas as manhãs. A questão é que os atuadores existem há décadas em aplicações que todos nós consideramos garantidas todos os dias.

FIRGELLI é líder mundial, fornecedor e fabricante de atuadores elétricos, existe há mais de 20 anos e faz parceria com milhares de clientes para aplicações muito específicas em todos os setores que você possa imaginar. Nosso foco está na criação de dispositivos que atendam às necessidades de nossos clientes e é por isso que temos uma das maiores linhas possíveis de atuadores. Da Tesla ao Terminator, fornecemos uma gama insana de empresas com diversas gamas de produtos e fazemos isso globalmente.

EsseO Guia definitivo para atuadores trata de educar as pessoas sobre tudo o que é um atuador. Iremos abordá-los detalhadamente e abordá-los de todos os ângulos. Nosso foco principal serão os atuadores elétricos, pois esta é a nossa principal linha de produtos, no entanto, não podemos esquecer de outros tipos e iremos abordá-los também, porque é importante entender os prós e os contras de todos esses diferentes tipos, independentemente de desenvolvermos ou não. esses outros tipos ou não.

Elétricoatuadores lineares são dispositivos que convertem uma fonte de energia em um movimento físico-mecânico em linha reta (atuador linear) ou em movimento rotativo (atuador rotativo). Eles são diferentes dos atuadores hidráulicos e pneumáticos, pois utilizam ar comprimido ou fluido para fazer algo se mover. Eles também são mais confiáveis, exigem menos manutenção e geralmente são mais baratos, mas vamos entrar nisso com mais detalhes.

A operação de um atuador elétrico é obtida convertendo o movimento rotacional de um motor CA ou CC em um movimento linear ou rotativo, mas reduzido de uma velocidade típica de 2.000 RPM + de um motor, para algo mais adequado para criar movimento (linear ou rotativo) que pode então ser útil para fazer algo prático. Por útil queremos dizer aumentar o torque diminuindo a velocidade, um processo necessário para qualquer atuador elétrico. Para Atuadores Lineares, dependendo do sentido de rotação do parafuso, o eixo preso ao parafuso (parafuso de avanço) se move em linha reta, para cima ou para baixo, proporcionando um efeito de empurrar ou puxar a carga. Atuadores lineares elétricos também podem ser facilmente integrados com feedback de posicionamento para controle preciso. A tensão CC é normalmente considerada mais segura que a tensão CA, mas os atuadores estão disponíveis em qualquer uma das fontes.

Tipos comuns de atuadores elétricos

Existem vários estilos diferentes de atuadores lineares elétricos disponíveis no mercado, cada um com suas vantagens e desvantagens dependendo da aplicação específica. Neste artigo, exploraremos os três estilos principais de atuadores lineares elétricos: Em linha, em forma de L e paralelo, rotativo e de trilha (atuador deslizante)

Atuador Inline

Os atuadores lineares elétricos em linha são uma escolha popular para aplicações que exigem alta velocidade e capacidade de força em um design compacto. Esses atuadores apresentam um motor e uma haste do atuador alinhados no mesmo eixo, permitindo um design simplificado que economiza espaço. No entanto, os atuadores em linha têm uma grande desvantagem: eles tendem a ser mais longos do que qualquer outro tipo de atuador, porque o motor e a caixa de engrenagens precisam ficar atrás do parafuso de acionamento, o que exige que o comprimento total seja maior, enquanto a maioria dos outros atuadores tipos, o motor pode ficar ao longo da lateral do corpo principal. A grande vantagem, entretanto, é que eles tendem a ter um design muito mais agradável de se ver, parecem mais elegantes e atraentes, o que os torna ideais para aplicações onde são vistos.

Atuador em forma de L

Os atuadores lineares elétricos em forma de L são outra opção popular, especialmente para aplicações onde o espaço é limitado. Esses atuadores apresentam um motor e caixa de engrenagens montados em ângulo reto com a haste do atuador, criando uma forma de L. Os atuadores em forma de L são frequentemente usados ​​em automação de móveis, automação industrial e aplicações automotivas.

Atuador Paralelo

Atuadores lineares elétricos paralelos são talvez o estilo mais comum de atuador projetado para aplicações de alta força e precisão e apresentam um motor e caixa de engrenagens montados paralelamente ao corpo do atuador permitindo assim que o comprimento total seja mais compacto. O mecanismo de acionamento normalmente é composto por engrenagens de dentes retos, o que pode torná-los mais barulhentos, mas essa é a desvantagem de um atuador mais compacto.

Atuador Rotativo

A Atuador Rotativo é um tipo de atuador onde o o movimento da transmissão final é rotativo em vez de linear. Em contraste, um atuador linear pode ser considerado um atuador rotativo com um parafuso de avanço, porca de acionamento e haste, que converte o movimento rotativo de um atuador rotativo em movimento linear por meio do parafuso de avanço. Os atuadores rotativos têm um movimento de acionamento contínuo em qualquer direção, sem paradas ou limites, a menos que um componente de parada seja adicionado.

Os atuadores rotativos são versáteis e podem ser usados ​​anexando algo ao flange de acionamento para criar o movimento desejado na aplicação final. Porém, é importante considerar o torque e a velocidade necessários para a aplicação. Como os atuadores rotativos possuem força angular, eles são selecionados com base nas dimensões de torque e velocidade. É importante notar que o torque e a velocidade compensam entre si, portanto, um torque alto resulta em velocidade mais baixa e vice-versa. Isso se deve à forma como as relações de transmissão funcionam em qualquer tipo de movimento onde existam engrenagens entre o motor motriz e a roda motriz final.

Atuador de trilha - Atuador deslizante

O Atuador de Trilha, também conhecido como Atuador Deslizante, opera de maneira diferente de outros atuadores, pois não possui um eixo ou haste que deslize para dentro e para fora da extremidade do atuador. Em vez de, um carro desliza ao longo do corpo principal ou trilha do atuador. Este design exclusivo o torna ideal para aplicações específicas, como cadeiras de massagem ou linhas de montagem industriais, onde o trilho precisa deslizar algo para dentro e para fora repetidamente.

Uma vantagem significativa deste tipo de atuador é sua versatilidade na instalação. O carro ou porca, como às vezes são chamados, tem vários orifícios roscados que facilitam a fixação de coisas a eles. Além disso, é possível instalar mais de um carro no mesmo trilho, o que aumenta a resistência e a rigidez.

Como escolher o atuador linear elétrico correto

Ao selecionar um atuador elétrico, é crucial considerar os requisitos específicos da sua aplicação. Com vários modelos de atuadores, como motores paralelos, em forma de L ou em linha, disponíveis para uma ampla gama de aplicações, escolher o correto pode ser um desafio. Escrevemos um artigo separado especificamente sobre o assunto diferentes tipos de estilos de atuadores elétricos aqui. 

Comparação de diferentes sistemas de atuadores: pneumático, hidráulico e elétrico

Os atuadores são componentes essenciais na indústria de manufatura e automação. Eles são usados ​​para criar movimento em máquinas e sistemas, convertendo energia em movimento. Existem vários tipos de sistemas de atuadores, sendo os três mais comuns pneumático, hidráulico e elétrico. Discutiremos as características, vantagens e desvantagens de cada sistema de atuador e compará-los-emos entre si.

Sistema de Atuador Pneumático

Os sistemas de atuadores pneumáticos são amplamente utilizados na indústria devido ao seu baixo custo e simplicidade. Eles consistem em um pistão simples dentro de um cilindro oco, que se move em movimento linear. Esses atuadores requerem compressor de ar, regulador e um cilindro de ar para manter a pressão. Quando a pressão é aplicada ao cilindro, o pistão se move, criando a força linear necessária. A retração pode ser realizada por uma força de retorno elástico ou pelo fornecimento de fluido ao lado oposto do pistão.

Uma das principais desvantagens dos atuadores pneumáticos é que é difícil obter precisão de posição. O posicionamento no meio do curso requer componentes adicionais e suporte do usuário, tornando um desafio alcançar os resultados desejados. Além disso, os atuadores pneumáticos têm uma classificação de carga limitada em comparação com os atuadores hidráulicos e elétricos.

Sistema de Atuador Hidráulico

Os sistemas de atuadores hidráulicos são conhecidos por sua capacidade de produzir forças muito altas e cursos longos. Eles usam um líquido incompressível fornecido por uma bomba para mover o cilindro em um movimento linear. Esses atuadores consistem em dois componentes essenciais: um dispositivo de controle, como aceleradores variáveis ​​ou válvulas deslizantes emparelhadas, e um componente de atuação, como um pistão ou válvula deslizante de controle. Eles são capazes de forças muito elevadas e cursos longos, mas não são programáveis.

Os atuadores hidráulicos são à prova de explosão, choque e faísca, tornando-os adequados para ambientes perigosos. No entanto, também são muito complexos, exigindo uma bomba de alta pressão, reguladores de alta pressão e um reservatório de fluido hidráulico. Os vazamentos e descarte de fluido hidráulico também podem ser desafiadores e exigir manutenção.

Sistema de Atuador Elétrico

Os sistemas de atuadores elétricos são altamente precisos, tornando-os adequados para aplicações de alta velocidade, força, precisão e aceleração e desaceleração controladas. Esses atuadores convertem a força rotacional de um motor em movimento linear, usando um parafuso para criar um efeito de empurrar/puxar. Ao girar o parafuso do atuador através do motor, a porca se moverá para cima e para baixo em um movimento linear. Os atuadores elétricos também são programáveis, oferecendo flexibilidade nas capacidades de controle de movimento com um controlador eletrônico.

Comparado aos atuadores hidráulicos e pneumáticos, os atuadores elétricos são os mais confiáveis ​​e exigem quase nenhuma manutenção. Eles também são ecologicamente corretos e têm efeitos mínimos. No entanto, eles têm uma capacidade limitada de suportar cargas de choque, que podem causar danos mecânicos. Eles também são lentos a altos, mas altamente correlacionados com a força, o que significa que alta velocidade significará baixa força, mas baixa velocidade significa alta capacidade de força.

Comparação de características

Na tabela abaixo, resumimos as características de cada sistema de atuador. Os atuadores elétricos são a opção mais simples e econômica. Os pneumáticos vêm em segundo lugar, mas têm classificações de carga limitadas e são difíceis de obter precisão de posição. Os atuadores hidráulicos são capazes de produzir forças muito altas e cursos longos, tornando-os adequados para aplicações pesadas, mas são complexos e requerem manutenção. Os atuadores elétricos são os mais confiáveis ​​e precisos, mas são limitados no manuseio de cargas de choque.

Quando se trata de eficiência e custos operacionais, os atuadores elétricos são os vencedores, com baixos custos operacionais e de manutenção. Os atuadores pneumáticos têm custos moderados de aquisição e operação, enquanto os atuadores hidráulicos têm altos custos de aquisição e operação. No entanto, os atuadores hidráulicos têm uma vida útil longa, o que os torna uma solução econômica no longo prazo.

Conclusão

Concluindo, a escolha do sistema de atuadores correto para sua aplicação requer uma consideração cuidadosa de suas necessidades específicas, pois cada um tem suas vantagens e desvantagens. Os sistemas de atuadores pneumáticos, hidráulicos e elétricos possuem características únicas que os tornam adequados para determinadas aplicações. Os sistemas pneumáticos são ideais para aplicações simples que exigem alta velocidade, enquanto os sistemas hidráulicos são mais adequados para aplicações pesadas que exigem alta força e cursos longos. Os sistemas elétricos são altamente preciso e confiável, tornando-os a melhor opção para aplicações que exigem precisão e repetibilidade.

Existem muitos componentes dentro de um atuador elétrico típico. Aqui estão alguns dos componentes comuns que podem ser encontrados dentro de um atuador linear elétrico:

1. Motor elétrico - fornece energia para mover a haste ou eixo do atuador para dentro e para fora
2. Parafuso de avanço ou fuso de esfera - converte o movimento rotativo do motor em movimento linear da haste de saída do atuador
3. Encoder ou interruptores de limite - fornecem feedback de posição e limitam a amplitude de movimento do atuador para evitar danos ou sobrecarga
4. Carcaça ou invólucro - contém e protege os componentes internos e fornece pontos de montagem para o atuador
5. Rolamentos - apoiam a haste de saída e reduzem o atrito durante o movimento
6. Caixa de engrenagens - reduz a velocidade do motor e aumenta a saída de torque, permitindo que o atuador mova cargas mais pesadas ou exerça maior força.

Observe que os componentes específicos e suas configurações podem variar dependendo do tipo e aplicação do atuador linear elétrico. A imagem abaixo é uma imagem de alto nível que mostra os componentes principais.

 Quer ver mais detalhes dentro de um Atuador?

 Na imagem abaixo você pode ver um típico FIRGELLI atuador e todos os seus componentes com muito mais detalhes. Ainda faltam muitas peças neste nível de detalhe, como anéis de vedação, fiação, etc., pois isso desorganizaria demais a imagem, por isso removemos alguns componentes não essenciais para facilitar a visualização.

O motor

Todos os atuadores elétricos possuem um motor CA ou CC. A maioria é DC porque é mais seguro de manusear e a DC pode ser controlada com muito mais facilidade. O tamanho do motor é o que dá potência ao atuador e, portanto, motores maiores significam mais potência e vice-versa.

Quando se trata de motores, existem dois tipos, escovados e sem escova. Um motor escovado, que é o tipo mais comum, é um tipo de motor DC que utiliza escovas (feitas de carbono ou grafite) para transferir energia elétrica para o rotor (a parte rotativa do motor). Os componentes básicos de um motor escovado incluem o estator (parte estacionária), o rotor (parte rotativa) e o comutador.

.

O estator contém uma ou mais bobinas de fio enroladas em torno de um núcleo de metal. Essas bobinas geralmente são dispostas em um padrão circular ao redor do rotor. O rotor, por outro lado, consiste em um eixo montado sobre rolamentos e uma série de enrolamentos de fio ou ímãs permanentes dispostos em um padrão cilíndrico ao redor do eixo.

O comutador é um condutor cilíndrico segmentado montado no eixo e conectado aos enrolamentos do rotor. As escovas entram em contato com o comutador, permitindo energia elétrica a ser transferida da fonte de energia para o rotor.

Quando a energia elétrica é aplicada às bobinas do estator, ela cria um campo magnético ao redor do rotor. O campo magnético interage com o campo magnético produzido pelo rotor, fazendo com que o rotor gire. À medida que o rotor gira, os segmentos do comutador passam pelas escovas, trocando a polaridade da corrente que flui através dos enrolamentos do rotor, o que produz o torque que aciona o motor.

Os segmentos do comutador são dispostos em um padrão específico de modo que a polaridade da corrente nos enrolamentos do rotor mude no momento apropriado durante cada rotação do rotor. Esta comutação da corrente permite que o motor continue girando na mesma direção.

Os motores escovados são relativamente simples em design e construção, mas apresentam algumas limitações. Uma das principais desvantagens é que o escovas e comutador se desgastam com o tempo, levando ao aumento do atrito e redução da eficiência. Este desgaste também pode gerar faíscas e causar interferência eletromagnética. Além disso, os motores com escovas tendem a ser menos eficientes e têm uma relação potência-peso menor em comparação com os motores sem escovas. No entanto, os motores escovados são mais comuns, têm preços muito mais baixos e são muito mais fáceis de controlar. É por isso que eles são mais comumente usados ​​em Atuadores Elétricos.

Abaixo está um motor sem escova

Um motor sem escova (BLDC) utiliza uma configuração diferente onde o rotor é a parte rotativa e o estator (parte fixa) o enrolamento. O rotor de um motor BLDC normalmente consiste em uma série de ímãs permanentes dispostos em um padrão circular ao redor do eixo. O estator, que envolve o rotor, possui múltiplas bobinas de fio enroladas em um padrão específico. Os enrolamentos do estator são energizados por um controlador eletrônico que utiliza sensores para determinar a posição dos ímãs do rotor e controlar o fluxo de corrente para as bobinas do estator, produzindo um campo magnético rotativo que interage com os ímãs permanentes do rotor, fazendo-o girar. .

As principais diferenças entre os dois tipos de motores são:

1. Os motores escovados requerem escovas para transferir energia ao rotor, enquanto os motores sem escovas não necessitam de escovas, pois o estator é a parte fixa que contém os enrolamentos.
2. Os motores escovados tendem a gerar mais interferência eletromagnética e produzir mais calor devido às escovas entrarem em contato com o comutador, enquanto os motores sem escova não têm contato, produzindo menos calor e interferência eletromagnética.
3. Os motores sem escovas têm uma relação potência/peso mais elevada e são mais eficientes que os motores com escovas, pois não há perdas de energia devido ao atrito entre as escovas e o comutador.
4. Os motores sem escova são normalmente mais caros do que os motores com escova devido à eletrônica mais complexa necessária para controlar o motor.
5. A vida útil de um motor Brushless é significativamente maior porque não há pontos de contato entre o comutador e as escovas; na verdade, as únicas peças desgastadas estão nos rolamentos que normalmente têm uma vida útil muito longa.

As partes importantes – a manilha

Uma manilha (às vezes escrita como "clevice") é um fixador mecânico usado para unir dois objetos, normalmente uma haste ou eixo para uma carga ou ligação. Consiste em um suporte metálico em forma de U com furos nas extremidades dos braços que permitem a fixação de um pino ou parafuso. A manilha pode ser usada para transmitir forças ou movimento entre os objetos, permitindo algum grau de rotação ou pivotamento. As manilhas são comumente usadas em diversas aplicações industriais, como na construção de máquinas, veículos e aeronaves. Eles também podem ser encontrados em sistemas hidráulicos e pneumáticos, onde são usados ​​para fixar cilindros, pistões ou outros componentes a uma carga ou atuador.

Abaixo está uma imagem da manilha na extremidade da haste (a parte que se move) e na extremidade do motor (a parte que permanece fixa no lugar)

A finalidade das extremidades da manilha de um atuador é que uma extremidade permaneça fixa (geralmente a extremidade do motor) e a extremidade da haste, que é a parte que se estende para dentro e para fora, também tenha uma montagem na manilha. Os suportes em forma de U que cabem em ambas as extremidades usam um pino redondo e isso permite que o suporte gire em torno de um eixo. Isto é muito importante porque conforme um Atuador empurra algo para abrir e fechar, o atuador também muda o ângulo, sem poder girar em torno de pelo menos um eixo o sistema falharia.

Proteção de sobrecarga

Alguns atuadores vêm com um sistema integrado de proteção contra sobrecarga de corrente denominado termistor.

Um termistor é um tipo de resistor cuja resistência varia com a temperatura. O nome "termistor" é uma combinação de "térmico" e "resistor". Os termistores são comumente usados ​​em circuitos eletrônicos como sensores de temperatura, nos quais suas mudanças de resistência com a temperatura são medidas e usadas para determinar a temperatura do ambiente circundante.

Existem dois tipos de termistores: coeficiente de temperatura positivo (PTC) e coeficiente de temperatura negativo (NTC). Os termistores PTC possuem uma resistência que aumenta com o aumento da temperatura, enquanto os termistores NTC possuem uma resistência que diminui com o aumento da temperatura.

Os termistores são feitos de materiais semicondutores, como óxidos metálicos, que possuem alta sensibilidade às mudanças de temperatura. A relação resistência-temperatura de um termistor não é linear, o que significa que a variação da resistência não é constante com a temperatura. A relação entre resistência e temperatura pode ser aproximada por uma equação matemática chamada Equação de Steinhart-Hart.

Os termistores são usados ​​em uma ampla gama de aplicações, incluindo medição e controle de temperatura em circuitos eletrônicos, compensação de temperatura em circuitos osciladores e proteção de dispositivos eletrônicos contra condições de superaquecimento. Eles também são usados ​​em aplicações automotivas, HVAC e médicas para detecção e controle de temperatura. FIRGELLI os incorpora em um de nossos modelos de atuador para o cliente que gosta desse recurso.

Nem todos os atuadores possuem termistores integrados porque para redefinir o Termistor assim que entrar em ação, você deve remover a carga que causou o corte e depois inverter a polaridade do atuador. Isso pode ser muito fácil de fazer com um programa de controle, mas para uma configuração analógica com apenas uma fonte de alimentação e um interruptor, pode não ser o mais adequado. Mas este tipo de segurança é muito eficaz e ideal para aplicações onde crianças ou dedos poderiam ser feridos.

Diferentes características do atuador podem afetar sua velocidade e capacidade de carga, incluindo tensão, tipo de fuso e especificações do motor. Aqui estão alguns dos recursos e seus efeitos:

1. Tensão: A tensão fornecida ao atuador afeta a velocidade e o torque que pode ser produzido. Tensões mais altas normalmente resultam em velocidades e torque mais altos. No entanto, o uso de tensões mais altas também pode resultar em maior consumo de energia e exigir fontes de alimentação e controladores mais caros. A escolha da tensão para um motor CC depende dos requisitos e restrições da aplicação. Aqui estão algumas vantagens e desvantagens do uso de motores de 12V, 24V e 48V DC

2. Tipo de parafuso de avanço: O parafuso de avanço é responsável pela conversão do movimento rotativo do motor para o movimento linear do atuador. Diferentes tipos de equipes de cabos podem afetar a velocidade e a capacidade de carga do atuador devido ao atrito que cada um cria. Os parafusos de avanço ACME são mais baratos e podem suportar cargas mais pesadas, mas têm menor eficiência e podem produzir mais calor. Os fusos de esferas, por outro lado, são mais eficientes e têm velocidades mais altas, mas podem ser mais caros, mas ainda assim têm altas capacidades de carga.

3. Especificações do motor: O motor é responsável por fornecer a energia para mover o atuador. Diferentes especificações do motor podem afetar a velocidade e o torque que podem ser produzidos. Motores com RPM mais altas podem produzir velocidades mais altas, mas podem ter torque mais baixo, enquanto motores com torque mais alto podem suportar cargas mais pesadas, mas podem ter velocidades mais baixas. O tamanho e o peso do motor também podem afetar o tamanho e o peso geral do atuador.

Aqui está uma tabela que resume alguns dos recursos, prós e contras de diferentes componentes do atuador elétrico CA:

A vida útil de um atuador não é apenas afetado por seus componentes internos mas também a sua capacidade de resistir a intrusões ambientais, como objetos sólidos e líquidos. Para garantir que nossos atuadores elétricos tenham durabilidade duradoura,FIRGELLI adiciona uma vedação protetora ao redor de seu exterior.