Actuadores Magnéticos:

Introducción

Debido a la naturaleza tridimensional de los imanes y solenoides, los sistemas EM son difíciles de micromaquinar utilizando procesos de circuito integrado (IC). Los motores electrostáticos son más simples y compatibles con la fabricación de circuitos integrados, y la electrostática a menudo se escala mejor en el microdominio. Tanto la actuación electrostática como la magnética presentan ventajas y desventajas y ambas tienen graves problemas cuando se exige una salida de alta potencia de los sistemas miniaturizados en los que están integrados.

Escalamiento en magnetismo

Para comprender el escalamiento en magnetismo se puede partir de la ley circuital de Ampere, utilizada para calcular el campo de inducción magnética B.

Esta ley establece que la integral de línea de B.dl sobre una curva cerrada C es igual a permeabilidad magnética del espacio libre por la corriente a través de C:

Esta ecuación describe la creación de un campo magnético por una corriente, donde S define el área de la superficie limitada por C, y J la densidad de corriente.

A continuación, se muestra el cálculo para el ejemplo de la figura 1.

Los resultados de Trimmer indican que depende de la densidad de corriente y la transferencia de calor se tienen diferentes leyes de escala.

Cuando J es constante y el tamaño del sistema disminuye, la fuerza (EM) entre dos bobinas se escala como (l a la 4 ). La fuerza electrostática se escala como (l a la 2), cuanto menor es el coeficiente en (l), mejor es el comportamiento de escala en el microdominio. Entonces, los actuadores electrostáticos escalan mejor que los EM.

Figura 1: La integral de línea de B · dl sobre una curva cerrada C A medida que el sistema se hace más pequeño, el área disminuye más rápidamente que la longitud de la línea discontinua.

El escalamiento de la interacción entre una bobina y un imán permanente es (l a la 3 ). Se puede mejorar al aumentar la densidad de corriente. El calor resultante, se elimina más eficazmente de las microestructuras, evitando así el sobrecalentamiento. El flujo de calor constante por unidad de área de los devanados da como resultado (l a la 3)(l a la 2.5 con un imán permanente). Una diferencia de temperatura constante entre los devanados y el entorno produce (l a la 2) (y también (l a la 2) para la carcasa del imán permanente). Para el caso magnético, donde la fuerza se escala como (l a la 2 ), la potencia que debe ser disipada por unidad de volumen se escala como (l a la -1 ). El uso de superconductores podría eliminar este problema.

Levitación magnética (Maglev): Es un método por el cual un objeto es mantenido a flote por acción únicamente de un campo magnético. Es decir, la presión magnética se contrapone a la gravedad. Todo objeto puede ser levitado siempre y cuando el campo magnético sea lo suficientemente fuerte. [1].

La fricción y el desgaste en los sistemas miniaturizados se relacionan principalmente con el contacto de la superficie entre los sólidos, en particular en las superficies de apoyo que soportan la carga de la micromaquina. Se escalan como (l a la 2). La levitación elimina el desgaste y la fricción

Levitación con electroimanes y permanentes

La levitación con dispositivos magnéticos se puede lograr mediante varios métodos, con imanes permanentes, electroimanes (incluidos imanes superconductores) y cuerpos diamagnéticos.

Trabajar con imanes permanentes conduce a un mejor comportamiento de escala que trabajar con electroimanes. Wagner y col. Levitó un pequeño imán permanente de tierras raras fuera del plano de un sustrato de silicio equipado con una bobina plana (ver figura 2).

Esta estructura móvil se puede usar para cerrar un agujero en el asiento de una válvula, accionando la válvula magnéticamente. El imán permanente se pegó sobre una placa delgada de silicona micromaquinada suspendida por un delgado resorte de silicona hecho de vigas de suspensión paralelas al borde del sustrato. La bobina plana de diecisiete vueltas integrada se usó para generar una fuerza de campo magnético, que fuerza al imán a moverse verticalmente. El uso de tecnologías IC planas para fabricar la bobina asegura un flujo de calor óptimo dentro del dispositivo. La magnetización del imán permanente es independiente del campo de inducción magnética, B, la fuerza vertical que actúa sobre el imán permanente está dada por:

donde representa el componente vertical del campo magnético producido por la bobina plana. La fuerza magnética es proporcional al volumen del imán. Las capas magnéticas delgadas serán, en general, insuficientes para generar altas fuerzas. Los problemas con los imanes permanentes de neodimio disponibles comercialmente, es que incorporan en sus superficies laterales (no polos) una capa magnéticamente invertida de aproximadamente 20 μm de espesor. Esta desmagnetización de la superficie limita la miniaturización de estos imanes permanentes a unos pocos cientos de micrómetros.

La desviación del actuador está dada por la ley de Hooke de la siguiente manera:

Figura 2: Actuador magnético. (a) Fuerza electromagnética sobre un imán. El punto indica la posición del imán en el dispositivo fabricado. (b) Esquema de un microaccionador magnético vertical con bobina plana integrada e imán permanente montado híbrido.

donde k es una constante. La magnitud del campo magnético depende de la densidad de corriente en los devanados que generan el campo, y esta corriente a su vez está limitada por el calentamiento del metal solenoide. La resistencia de la lámina de los conductores de película delgada, la electromigración y las restricciones térmicas y geométricas conspiran para reducir la densidad de energía magnética alcanzable. En la práctica, la fuerza magnética en el ejemplo aumenta rápidamente al principio y luego disminuye lentamente con z (ver Figura 2 a). Para un rango de corriente de conducción entre –300 y +300 mA, se logra una elevación del imán permanente de 143 μm. Este ejemplo indica que estos actuadores no son demasiado difíciles de implementar cuando se permite un montaje manual final.

En la figura 2 b se ve una válvula meso, accionada electromagnéticamente, normalmente cerrada, que utiliza tecnología de cinta de cerámica cofreada a baja temperatura (LTCC). En este dispositivo híbrido, la tecnología LTCC se utiliza para el electroimán y para el colector de fluido fabricado al mismo tiempo. El Si grabado anisotrópicamente se emplea para el resorte rectangular y un SmCo de alta energía para el mini imán permanente. Usando un imán 900-Gauss SmCo (1 mm de diámetro), se obtuvo una desviación de 200 μm del resorte de Si rectangular plano. El resorte espiral cuadrado está cubierto con una película de polisiloxano; el resorte rectangular se apoya contra un asiento de válvula de polisiloxano en la pila de serpentín de cerámica y se levanta del asiento de la válvula cuando se enciende.

Diamagnetismo:

La auto-levitación también puede basarse en materiales diamagnéticos. Los materiales diamagnéticos son aquellos que tienen valores muy pequeños de susceptibilidad magnética y negativa. [2].

En diamagnetismo, a medida que el imán se acerca a un material diamagnético que se opone al campo aplicado. El diamagnetismo es una forma muy débil de magnetismo que no es permanente y persiste solo mientras el campo externo está presente. [3].

Algunos materiales diamagnéticos comunes, como el carbono y el bismuto, con una susceptibilidad magnética de aproximadamente (-1* 10 a la -6) pueden levitar imanes a temperatura ambiente. Aunque solo es una fuerza pequeña por unidad de masa, este tipo de levitación no requiere energía.

Levitación con superconductores.

El fenómeno de la levitación magnética es una aplicación muy estimulante de la superconductividad, además de ofrecer un gran potencial en sus aplicaciones tecnológicas. Se basa en la expulsión del campo magnético por parte de los materiales superconductores (efecto Meissner). [4]

Hay dos tipos de superconductores según se comportan en presencia de un campo B:

Tipo I: La expulsión del campo magnético se debe a la formación de corrientes superficiales en el superconductor que crean un campo magnético igual y opuesto al campo externo. Si el campo es suficientemente fuerte o la temperatura es alta se destruye la superconductividad y la levitación no ocurre.

Tipo II: Presentan el efecto Meissner con campos magnéticos pequeños, pero cuando el campo magnético supera una determinada magnitud permiten que el campo lo penetre parcialmente formando vórtices, atrapando parte del campo magnético. Los vórtices pueden anclarse en un superconductor debido a defectos en la red de átomos. Cuando esto ocurre, el imán

que está levitando encima del superconductor también está anclado y cuesta separarlos. [5]

Imagen 1: Imán de neodimio levitando sobre un disco superconductor [6].

Imagen 2: Comportamiento de un superconductor de tipo I (arriba), y de tipo II (abajo) en presencia de un campo magnético (B) permanente. [6].

Bombeo magnetohidrodinámico

El bombeo magnetohidrodinámico (MHD) se usa ampliamente en los sistemas de enfriamiento de centrales nucleares y se ha aplicado para bombear y detectar gases conductores y metales líquidos.

El bombeo MHD, no implica partes móviles, tiene un flujo continuo y es compatible con soluciones que contienen muestras biológicas. Una bomba MEMS MHD se ilustra esquemáticamente en la imagen 3. El efecto se basa en la fuerza de Lorentz, que es la fuerza generada por un conductor que transporta corriente en un campo magnético.

Imagen 3: Esquema de un sistema microelectromecánico de bomba magnetohidrodinámica.

Esta fuerza magnética, en el caso de un fluido, se puede escribir de la siguiente manera:

donde:
σ = conductividad del fluido (Ω – 1m – 1)

B = campo magnético permanente (Gauss)

E = campo eléctrico aplicado a la bomba (V / m), que es E = V / L

En una microbomba AC MHD, una corriente eléctrica de CA sinusoidal y un campo magnético de CA sinusoidal perpendicular pasan a través de la solución de electrolitos y son transversales a un microcanal. La fuerza de Lorentz promediada en el tiempo en este arreglo está dada por:

donde I es la amplitud actual y w el ancho del microcanal. La capacidad de controlar la fase permite controlar tanto la velocidad como la dirección del flujo.

Magnetostricción

Propiedad de los materiales magnéticos que hace que estos cambien de forma al encontrarse en presencia de un campo magnético. Este efecto bidireccional entre los estados magnéticos y mecánicos de un material magnetoestrictivo o piezomagnético presenta capacidad de transducción que puede usarse para construir actuadores y sensores. El efecto magnetoestrictivo se puede observar en el zumbido de los transformadores (expansión y contracción de las bobinas).

Figura 3: Materiales magnetoestrictivos: el efecto Joule.

El coeficiente magnetostrictivo, ε, es el cambio fraccional de longitud (Δl / l) a medida que la magnetización del material aumenta de cero a su valor de saturación (Δl / l = ε) (Figura 3). Puede ser positivo o negativo en una dirección paralela al campo magnético y es independiente de la dirección de ese campo:

donde β define una constante de deformación magnetostrictiva con dimensiones de
( m a la 2 *W* b a la -1). A medida que el campo B aumenta, el cambio de longitud se satura y el aumento de la intensidad del campo no produce cambios adicionales. El efecto inverso también existe, se llama efecto Villari; se produce una densidad de flujo cambiante cuando se modula el estrés en un piezomagnetico.

El fenómeno de magnetostricción se atribuye a las rotaciones de pequeños dominios magnéticos en el campo magnético. La orientación de estos dominios mediante la imposición de un campo magnético da como resultado el desarrollo de un campo de deformación (Figura 4).

Figura 4: Magnetostricción Con una carga de compresión aplicada a un material magnetoestrictivo, la estructura del dominio está orientada perpendicular a la fuerza aplicada. A medida que se introduce un campo magnético, la estructura del dominio gira, produciendo la máxima tensión posible en el material.

Las aplicaciones para dispositivos magnetoestrictivos incluyen motores lineales de alta fuerza, posicionadores para óptica adaptativa, sistemas activos de control de vibración o ruido, ultrasonidos médicos e industriales, bombas y sonar.

El efecto Wiedemann describe lo que sucede cuando se aplica un campo magnético axial a un cable magnetoestrictivo, con una corriente que lo atraviesa, se produce una torsión en la ubicación del campo magnético axial (Figura 5). La torsión es causada por la interacción del campo magnético axial, con el campo magnético a lo largo del cable, debido a la corriente en el cable. El efecto inverso se conoce como efecto Matteucci.

Figura 5: El efecto Wiedemann.

Comparación actuación magnética con actuación electrostática:

Fujita y sus compañeros de trabajo, han argumentado que se prefiere la actuación electrostática, señalando los siguientes atributos de los actuadores electrostáticos de superficie micromaquinados:

1. La fuerza electrostática es una fuerza superficial que exhibe una ley de escala favorable. La actuación es simple, ya que involucra solo un par de electrodos separados por un aislante.

Figura 6: Actuadores magnetostrictivos. (a) Comportamiento de actuación de un voladizo magnetoestrictivo bimorfo. (b) Vista esquemática de la máquina viajera. [Después de Honda, T., K.I. Arai y M. Yamaguchi. 1994. Fabricación de actuadores utilizando películas delgadas magnetostrictivas. En el Taller internacional de IEEE sobre sistemas microelectromecánicos (MEMS '94), 51–56. Oiso, Japón.]

2. El actuador electrostático es impulsado por voltaje, y el cambio de voltaje es mucho más fácil y rápido que el cambio de corriente (como en los actuadores EM). La pérdida de energía a través del calentamiento Joule también es menor.

3. El peso y el consumo de energía son bajos. Sin embargo, la comparación entre micromotores electrostáticos y magnéticos demostró que muchos factores además del escalado necesitan ser considerados al decidir sobre un cierto tipo de principio de actuación. Mientras que, en algunos casos, la potencia magnética puede escalar de manera desventajosa en la microescala, las fuerzas magnéticas absolutas alcanzables son mucho mayores.

Micromotores:

En la década de los 60 se construyó el primer motor eléctrico de solamente un 1/64 de pulgada.

Todos los micromotores eléctricos tienen dos componentes básicos, un rotor y un estator. El rotor, que en muchos casos comprende partes movibles, contiene conductores que producen y forman un campo magnético que interactúa con el campo magnético generado por el estator.

El par de torsión de los motores electrostáticos y electromagnéticos depende de la tensión de corte en el rotor integrado en toda su área, y la producción de fuerza es proporcional a los cambios en la energía almacenada en el espacio entre el rotor y el estator.

La cantidad de fuerza que puede generarse por unidad de área de sustrato es proporcional a la altura del motor. Por lo tanto, se desean estructuras de rotor de relación de aspecto grande para ambos tipos de motores. El par es un efecto de volumen, y los micromotores micromaquinados de superficie plana tienen una fuerza pequeña disponible para la actuación. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas, se requieren motores con pares mayores de (10 a la -6) a (10 a la -7) Nm, pero, el par generado con un motor electrostático micro-mecanizado de superficie típico está solo en el rango de nano-newton o de pico-newton.

Esencialmente, un rotor magnético permanente sigue un campo magnético giratorio en las bobinas del estator. Tanto el rotor como el estator en este micromotor están hechos de níquel puro. Dicho motor con un diámetro de 285 μm funciona a velocidades ligeramente superiores a 30,000 rpm, con un nivel de excitación actual de 600 mA.

Un equipo de la Universidad de Wisconsin demostró una serie de motores magnéticos LIGA, que generalmente consisten en un rotor de níquel plateado que puede girar libremente sobre un eje fijo. Algunos de los motores fabricados por este grupo también pueden funcionar electrostáticamente. Dado su par dramáticamente aumentado, estos motores son mucho mejores que sus primos micromecanizados de superficie de tamaño similar.

En los motores convencionales que usan hierro, la inducción magnética está limitada a 1.5 T debido a la saturación, produciendo una densidad de energía de aproximadamente . Esto ya es más del doble de la energía electrostática alcanzable en un espacio de 1 μm. Además, en el caso de los motores electrostáticos, el margen de mejora es poco, ya que la densidad de energía electrostática es cercana a la que se puede lograr en el vacío. Por el contrario, hay mucho margen de mejora en la densidad de energía magnética.

La eficiencia (la relación entre la potencia utilizada para realizar una tarea deseada y la cantidad total de potencia consumida para un motor magnético accionado por corriente) será peor que para un dispositivo electrostático impulsado por voltaje. Sin embargo, Busch-Vishniac, argumenta que, debido a las perdidas mecánicas, casi todos los tipos son igualmente ineficientes.

Además, dado que la brecha en el magnetismo puede ser mayor, la fricción es realmente más fácil de evitar en los actuadores magnéticos. Se podría agregar que un espacio de separación más amplio también haría que el actuador fuera menos sensible al polvo y humedad.

Busch-Vishniac calculó que existe un problema genérico de disipación de calor si los microaccionadores microfabricados continúan reduciendo su tamaño sin una reducción análoga en la cantidad de energía utilizada en el sistema.

Un modelo más preciso daría como resultado una reducción del calor perdido por convección ya que la viscosidad efectiva en el espacio es mayor que la predicha por el modelo clásico.

El desafío más inmediato para ambos tipos de motores es fabricarlos en lotes. Las actividades de MEMS en motores micromecanizados hoy en día han generado una gran cantidad de nuevos conocimientos sobre fenómenos como la fricción, desgaste de varios materiales, pero aún no han producido micromotores viables producidos en lotes que puedan competir con un producto probado como el dispositivo piezoeléctrico de Panasonic (imagen 4).

Imagen 4: Motor magnético de gran relación de aspecto. (Cortesía de IMM, Alemania.)

El análisis anterior parece poner la actuación magnética en una ventaja sobre la actuación electrostática e incluso sugiere que los actuadores micromaquinados no siempre son posibles o útiles.

Conclusión sobre electrostática vs electromagnetismo

Durante muchos años, la micromagnética ha encontrado un uso importante en chips Hall y cabezales de película delgada para disco magnético. Además de los micromotores, los nuevos esfuerzos se concentran en hacer cabezas magnéticas de película delgada más densas; cabezales de impresión magnetográficos de alto rendimiento; componentes electrónicos de swiching; diferentes tipos de actuadores verticales, torsionales y multiaxiales.

Las ventajas de la actuación magnética incluyen alta fuerza y carrera para el tamaño del actuador, la capacidad de atraer y repeler, la capacidad de múltiples ejes y la respuesta de corriente lineal. La ventaja más destacada de los actuadores magnéticos es el largo alcance de la fuerza. Con

dimensiones superiores a y para fuerzas mayores, los actuadores basados en imanes permanentes se convierten en una buena opción.

En la tabla 1 se se realiza la comparación de los actuadores electromagnéticos frente a los electrostáticos.

En conclusión con respecto al estado de los microaccionadores es que la electrostática es útil en entornos secos y a distancias limitadas, y que la electromagnética aún es difícil de colapsar en estructuras integradas

Tabla 1: Comparación de actuadores electrostáticos versus magnéticos

Referencias

[1]	«https://es.wikipedia.org/wiki/Levitaci%C3%B3n_magn%C3%A9tica,» [En línea].
[2]	G. M. Paul Allen Tipler, Física para la ciencia y la tecnología. II.
[3]	W. D. Callister, Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. II.
[4]	«https://aulaenred.ibercaja.es/contenidos-didacticos/superconductores-alrededor/levitacion-magnetica-6045/,» [En línea].
[5]	«https://wp.icmm.csic.es/superconductividad/superconductividad/levitacion/,» [En línea].
[6]	«http://ubuscientia.blogspot.com/2015/02/levitacion-magnetica-con.html,» [En línea].

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Actuadores Magnéticos

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