Mikrosilniki prądu stałego cz. 1

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Mikrosilniki cz. 1 Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Struktura elektrycznego układu napędowego (Wierciak 2000) UKŁAD NAPĘDOWY Sygnały sprzężenia zwrotnego Obciążenie elektryczne Zredukowane obciążenie Obciążenie Sygnały sterujące Sterownik Siłownik elektryczny Układ przeniesienia napędu Napędzany mechanizm Napięcia sterujące Energia mechaniczna Energia mechaniczna Energia elektryczna Napęd elektryczny

3 Podstawowe struktury układów wykonawczych (Isermann 2005) Otwarty układ sterowania Układ z pętlą sprzężenia zwrotnego

4 Siłowniki elektryczne w urządzeniach mechatronicznych (Isermann 2005, Pochanke 1996) Siłowniki o ruchu liniowym - silniki liniowe - elektromagnesy Siłowniki o ruchu obrotowym - silniki - silniki indukcyjne - silniki synchroniczne - silniki skokowe - silniki jednofazowe komutatorowe - silniki o innych zasadach konstrukcyjnych

5 Silniki elektryczne o ruchu obrotowym (Isermann 2005) Silnik obcowzbudny szeregowy trójfazowy asynchron. trójfazowy synchroniczny jednofazowy uniwersalny jednofazowy asynchron. z kondensatorem jednofazowy asynchron. Ferrarisa Schemat elektryczny Charakterystyka mechaniczna Sterowane charakterystyki Zmienne sterujące

6 Zasady działania siłowników elektrycznych (Heimann, Gerth, Popp 2001) Z wykorzystaniem siły Lorenza (elektrodynamiczne) - silniki - silniki indukcyjne - silniki jednofazowe komutatorowe Z wykorzystaniem siły reluktancji (elektromagnetyczne) - elektromagnesy - silniki skokowe - silniki synchroniczne

7 Zasady działania siłowników elektrycznych (Heimann, Gerth, Popp 2001) Z wykorzystaniem siły Lorenza (elektrodynamiczne) - silniki - silniki indukcyjne - silniki jednofazowe komutatorowe Z wykorzystaniem siły reluktancji (elektromagnetyczne) - elektromagnesy - silniki skokowe - silniki synchroniczne

8 Budowa maszyny (Syrzycki 1977) 1 jarzmo stojana, 2 biegun, 3 nabiegunnik, 4 rdzeń twornika, 5 komutator, 6 uzwojenie twornika, 7 szczotka, 8 uzwojenie wzbudzenia, 9 strumień wzbudzenia

9 Reguła lewej dłoni (regułafleminga) Siła elektrodynamiczna F F BIL 1 siła, 2 strumień magnetyczny, 3 prąd; I natężenie prądu, B indukcja pola magnetycznego, L długość przewodnika

10 Moment elektromagnetyczny w mikrosilniku siła elektrodynamiczna F F BIL strumień magnetyczny Ф przenikający przez zwoje Φ RLB moment M rozwijany przez silnik z M Φ stała momentu K T K T I 2 z Φ 2 M K T I L - długość przewodnika I prąd, B - indukcja pola magnetycznego R - promień wirnika Z - liczba zwojów wirnika

11 Komutacja w silniku

12 Mechaniczna komutacja w silniku prądu stałego a) b) a) Schemat uzwojenia, b) schemat przełączania sekcji; 1 działki komutatora, 2 sekcje uzwojenia, 3 szczotki

13 Reguła prawej dłoni (regułafleminga) Siła elektromotoryczna E E BL 1 siła, prędkość, 2 siła elektromotoryczna, 3 strumień magnetyczny, 4 prąd, 5 przemieszczenie; v prędkość przewodnika, B indukcja pola magnetycznego, L długość przewodnika

14 Napięcie indukowane w mikrosilniku siła elektromotoryczna E indukowana w przewodniku siła elektromotoryczna U ind indukowana w wirniku silnika stała napięcia K E E BL Uind K E K E B - indukcja pola magnetycznego K E - stała napięcia silnika z Φ 2 L długość elementu przewodzącego U ind napięcie indukowane w uzwojeniu silnika ν prędkość elementu przewodzącego ω kątowa prędkość wirnika

15 Klasyfikacja małych silników (Pochanke 1996) W zależności od sposobu połączenia uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia twornika rozróżnia się silniki: - obcowzbudne, - bocznikowe, - szeregowo-bocznikowe, - szeregowe. Obecnie w małych maszynach używa się prawie wyłącznie magnesów trwałych. Charakterystyki silników: obcowzbudnego, bocznikowego, szeregowo-bocznikowego i wzbudzanego magnesem trwałym są zbliżone.

16 Połączenie obwodu maszyn (Syrzycki 1977) a) obcowzbudna, b) bocznikowa, c) szeregowa, d) szeregowo-bocznikowa, e) z biegunami trwałymi

17 Charakterystyka naturalna silnika szeregowego (Syrzycki 1977) M moment obciążający, n prędkość obrotowa, M n moment nominalny, n n prędkość obrotowa nominalna

18 Charakterystyki silnika szeregowobocznikowego (Syrzycki 1977) 1 bocznikowa, 2 przy dozwojeniu szeregowym, 3 przy dozwojeniu bocznikowym, 4 przy przeciwdziałaniu przepływów

19 Charakterystyka naturalna silnika bocznikowego (Syrzycki 1977) M moment obciążający, n prędkość obrotowa, M n moment nominalny, n n prędkość obrotowa nominalna, n 0 prędkość obrotowa biegu jałowego

20 Charakterystyki silnika bocznikowego przy regulacji strumienia wzbudzenia (Syrzycki 1977) M moment obciążający, n prędkość obrotowa, R w opornik osłabiający strumień wzbudzenia

21 Charakterystyki silnika bocznikowego przy zmianach napięcia zasilania (Syrzycki 1977) M moment obciążający, n prędkość obrotowa

22 Budowa maszyny ze wzbudzeniem od magnesów trwałych 1 wirnik (twornik), 2 szczotka, 3 komutator, 4 korpus, 5 magnes trwały wzbudzenia

23 Obwód wzbudzenia magnetycznego w maszynie 1 wirnik, 2 nabiegunnik, 3 magnes trwały, 4 jarzmo

24 Konstrukcje magnetycznych obwodów silników z magnesami trwałymi a) b) c) d) 1 nabiegunnik, 2 korpus, 3 jarzmo; a) korpus z materiału niemagnetycznego, b) 4 magnesy w niemagnetycznej obudowie, c) korpus ze stali miękkiej magnetycznie w roli magnetowodu, d) walcowy korpus ze stali miękkiej magnetycznie

25 Charakterystyki materiałów magnetycznych Indukcja B [T] Natężenie pola magnetycznego H [ka/m] 1 samarowo-kobaltowe, 2 alnico, 3 ferryt na bazie strontu, 4 - ferryt na bazie baru

26 Statyczny model mikrosilnika prądu stałego (Wierciak 2000) Równanie napięć U z RtI KE Rt I Równanie momentów Uz K T I K D M F M r Uind U z stałe napięcie zasilania silnika R t - całkowita rezystancję obwodu twornika K D - stała tłumienia lepkiego w silniku M F - moment tarcia statycznego w silniku M r zewnętrzny moment obciążenia

27 Obciążeniowe charakterystyki mikrosilnika (Wierciak 2000) Prędkość kątowa ω Prąd I Moc oddawana P 2 Sprawność η ω η P 2 I M r Moment silnika M M s

28 Klasyfikacja małych silników ze względu na sposób komutacji (Pochanke 1996) Mikrosilniki z komutacją zestykową (mechaniczną) z komutacją bezzestykową (elektroniczną)

29 Odmiany konstrukcyjne silników z komutacją zestykową (Pochanke 1996) Silniki z komutacją zestykową z wirnikiem rdzeniowym z wirnikiem bezrdzeniowym żłobkowe bezżłobkowe kubkowe tarczowe

30 Mikrosilnik z wirnikiem rdzeniowym magnes, 2 rdzeń wirnika, 3 - uzwojenie, 4 komutator

31 Żłobkowy wirnik silnika komutator rdzeń uzwojenie

32 Bezżłobkowy wirnik silnika komutator rdzeń uzwojenie

33 Bezrdzeniowy wirnik silnika komutator uzwojenie włókno szklane

34 Szczotka i komutator 1 sprężyna, 2 szczotka (grafit), 3 - działka komutatora, 4 izolator

35 Spadek napięcia na komutatorze Spadek napięcia [V] Gęstość prądu [A/cm 2 ] 1 prąd od komutatora do szczotki, 2 prąd od szczotki do komutatora;

36 Szczotkotrzymacze szczotek grafitowych a) b) a) silnik tradycyjny, b) mikrosilnik; 1 szczotkotrzymacz, 2 guma, 3 grafitowa szczotka, 4 płaska sprężyna

37 Usytuowanie szczotek z metali szlachetnych a) b) a) o zwiększonej długości, b) proste, c) do komutatora tarczowego c)

38 Szczotka podzielona na trzy sekcje szczotka ze szlachetnego metalu

39 Odmiany konstrukcyjne silników z wirnikiem bezrdzeniowym Silniki z wirnikiem bezrdzeniowym kubkowe (walcowe) tarczowe z wirnikiem wewnątrz magnesu z wirnikiem na zewnątrz magnesu z uzwojeniem płaskim z uzwojeniem drukowanym

40 Silnik bezrdzeniowy z magnesami na zewnątrz wirnika a) konstrukcja silnika, b) przekrój poprzeczny; 1 wał ze stali nierdzewnej, 2 korpus (jarzmo), 3 wirnik bezrdzeniowy, 4 magnes trwały, 5 wyprowadzenia, 6 łożysko kulkowe, 7 wirnik (twornik), 8 wewnętrzny magnetowód (jarzmo), 9 magnetowód, 10 nabiegunnik, 11 wał; S biegun południowy, N biegun północny

41 Silnik bezrdzeniowy z magnesami na zewnątrz wirnika 1 łożysko kulkowe, 2 magnes trwały, 3 wyprowadzenia silnika, 4 wyprowadzenia prądnicy tachometrycznej, 5 wirnik bezrdzeniowy (twornik), 6 korpus ze stali miękkiej magnetycznie, 7 wirnik bezrdzeniowy, 8 aluminiowa pokrywka łożyskowa, 9 wał ze stali nierdzewnej

42 Mikrosilnik z wirnikiem bezrdzeniowym kubkowym 1 - tuleja, 2 - wałek, 3 - obudowa, 4 - magnes, 5 - twornik, 6 - szczotka, 7 - wyprowadzenie, 8 - komutator, 9 - piasta, 10 - łożysko

43 Wirniki silników bezrdzeniowych kubkowych a) b) c) a) wirnik z uzwojeniem romboidalnym, b) wirnik z uzwojeniem prostokątnym, c) wirnik kokonowy; 1 uzwojenie, 2 karkas z tworzywa sztucznego, 3 magnes trwały wzbudzenia

44 Mikrosilnik z wirnikiem tarczowym 1 - komutator, 2 - wałek, 3 - panewka, 4 - szczotka, 5 - magnes, 6 - wyprowadzenie, 7 - twornik, 8 - obudowa, 9 - panewka

45 Budowa silnika bezrdzeniowego tarczowego z płaskim uzwojeniem 1 jarzmo, 2 magnesy trwałe, 3 uzwojenie, 4 komutator,

46 Drukowane uzwojenie tarczowego silnika Uzwojenie drukowane Rozmieszczenie prętów uzwojenia

47 Budowa silnika bezrdzeniowego tarczowego z wirnikiem drukowanym a) a) z magnesami ferrytowymi, b) z magnesami z Alnico; b)

48 Budowa silnika bezrdzeniowego tarczowego z wirnikiem trzypasmowym silnik tarczowy trzypasmowy schemat rozpływu prądów

49 Iskrzenie miedzy komutatorem i szczotką a) b) c) 1 - iskrzenie, 2 kierunek obrotu komutatora

50 Elektroerozyjne zużycie komutatora mechanicznego (Jaszczuk, Wierciak, 1985)