Mikrosilniki prądu stałego cz. 2

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Mikrosilniki cz. 2 Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Mikrosilnik z komutacją bezzestykową 1 - wałek, 2 - korpus, 3 - płytka drukowana, 4 - obudowa, 5 - magnes trwały wirnika, 6 - uzwojenie stojana, 7 - halotron

3 Mikrosilnik z komutacją bezzestykową 1 wirnik z magnesem trwałym, 2 - uzwojenia, 3 - halotrony

4 Bezzestykowy trzypasmowy silnik prądu stałego z komutacją jednobiegunową 1 fototranzystory, 2 wał silnika, 3 wirująca przesłona; N, S bieguny wirnika

5 Kolejność przełączania uzwojeń i obrót pola magnetycznego stojana PT1, PT2, PT3 fototranzystory, I1, I2, I3 prądy cewek położenie wirnika czas

6 Bezzestykowy trzypasmowy mikrosilnik z komutacją dwubiegunową oświetlenie I instrukcja wyboru kierunku wirowania, II układ logiczny określające kolejność komutacji kluczami od 1 do 6, III fototranzystory, IV wirująca przysłona

7 Pole magnetyczne stojana 1 pole magnetyczne, 2 kierunek magnetycznego pola stojana, 3 moment elektromagnetyczny; N, S bieguny wirnika

8 Wirowanie magnetycznego pola stojana zgodnie ze wskazówkami zegara a) b) c) d)

9 Wirowanie magnetycznego pola stojana przeciwnie do wskazówek zegara a) b) c) d)

10 Zjawisko Halla a) b) a) typ p-n, b) typ n-p; 1 elektrony, 2 dziury

11 Wyjściowe sygnały z czujnika Halla a) Zastępczy schemat halotronu, b) wyjściowe sygnały halotronu; N, S bieguny wirnika położenie wirnika

12 Zasada działania silnika bezszczotkowego z wykorzystaniem czujnika Halla 1 - halotron

13 Zastosowanie silnika z komutacją elektroniczną w drukarce laserowej a) Metoda skanowania promienia laserowego, b) bezszczotkowy silnik prądu stałego napędzający zwierciadło wieloboczne; 1 promień odbity, 2 bęben światłoczuły, 3 promień laserowy, 4 zwierciadło wieloboczne, 5 odbicie

14 Dwupasmowy silnik z komutacją elektroniczną napędzający wentylator 1 magnes trwały, 2 hallotron

15 Napęd talerza gramofonu silnikiem prądu stałego z komutacją elektroniczną 1 podkładka gumowa, 2 wałek, 3 panewka talerza, 4 talerz, 5 magnes trwały wirnika, 6 jarzmo (magnetowód) wirnika, 7 płytka drukowana, 8 uzwojenie, 9 hallotron, 10 magnetowód stojana, 11 łożysko wzdłużne, 12 łożysko, 13 wspornik łożyska wzdłużnego

16 Dynamiczny model mikrosilnika (Wierciak 2000) Równanie napięć Równanie momentów K T di u Rti L K E dt d i ( Js Jr ) KD ( MF sgn( ) Mr ) dt i - prąd twornika (A) L - indukcyjność uzwojenia twornika (H), J r - moment bezwładności napędzanych zespołów (kg m 2 ) J s - moment bezwładności wirnika (kg m 2 ) K D - stała tłumienia lepkiego M F - moment tarcia statycznego w silniku (N m), M r - moment obciążenia (N m), R t - całkowita rezystancja obwodu twornika (Ω), w silniku (N m s) K E - stała napięcia (V s) K T - stała momentu (N m/a) L - indukcyjność uzwojenia twornika (H), u - ω - napięcie zasilania (V), prędkość kątowa wirnika (1/s) M F - moment tarcia statycznego w silniku (N m),

17 Katalogowe parametry mikrosilnika prądu stałego z komutacją zestykową (API Portescap 1998)

18 Momenty strat w silniku (Wierciak 2000) M m M e M si M s1 M s2 M s3 M s4 M m M e - moment rozwijany przez silnik (moment na wałku ) - moment elektromagnetyczny silnika - momenty strat w silniku - moment tarcia suchego w łożyskach - moment tarcia suchego w komutatorze - moment wentylatorowy - moment tarcia lepkiego i M si Moment elektromagnetyczny mikrosilnika M e K T i K T i - stała momentu silnika - prąd silnika

19 Mechaniczne straty w silnikach odniesione do mocy pobieranej przez silnik (Gerhard, Lee 1985) Silnik 1 (Faulhaber 1,5 W) Silnik 2 (Faulhaber 2 W) Silnik 3 (Buhler 5 W) Wirnik Wirnik bezrdzeniowy Wirnik rdzeniowy Silnik 4 (Buhler 3,5 W) Komutator Łożyskowanie Straty w żelazie (elektryczne) Straty na szczotkach Straty w łożyskach Straty wentylatorowe Łączne straty mechaniczne Szczotki metalowe Spiekane suche Szczotki metalowe Spiekane nasączone olejem Szczotki metalowo grafitowe Spiekane suche Szczotki metalowo grafitowe Spiekane suche - - (3,5 %) (4,5 %) 0,2 % 0,8 % 5,3 % 5,5 % 0,26 % 1,6 % 1,5 % 2,0 % 0,34 % 0,2 % b. małe b. małe 0,8 % 2,6 % 6,8 % 7,5 %

20 Katalogowe dane mikrosilnika elektrycznego (API Portescap 1998)

21 Ograniczenie obszaru pracy mikrosilnika elektrycznego (API Portescap 1998) Prędkość kątowa silnika ω s Maksymalna dopuszczalna prędkość ω max Maksymalna dopuszczalna moc P 2cont Maksymalny dopuszczalny moment obciążenia T max Moment silnika M

22 Dwa podstawowe sposoby sterowania silników a) b) a) sterowanie napięciowe, b) sterowanie prądowe

23 Zastępcze parametry mikrosilnika prądu stałego Stała czasowa elektromagnetyczna e L R t Stała czasowa elektromechaniczna m K R E t K T J s M 0 s J s J s - masowy moment bezwładności wirnika (kg m 2 ) K E - stała napięcia (V s) K T - stała momentu (N m/a) L - indukcyjność uzwojenia twornika (H) M s - moment rozruchowy silnika (N m) R t - całkowita rezystancja obwodu twornika (Ω) ω 0 - prędkość kątowa biegu jałowego (rad/s)

24 Rzeczywisty przebieg prędkości podczas rozruchu silnika (Owczarek 1982) n prędkość obrotowa silnika, n 0 prędkość obrotowa biegu jałowego, τ e - stała czasowa elektromagnetyczna, τ m stała czasowa elektromechaniczna

25 Idealny przebieg prędkości podczas rozruchu silnika (Owczarek 1982) n prędkość obrotowa silnika, n 0 prędkość obrotowa biegu jałowego, τ m stała czasowa elektromechaniczna

26 Profil prędkości przy pozycjonowaniu na krótkiej drodze (Wierciak 2000) Prędkość ω Hamowanie Przyspieszanie Czas t

27 Sterowanie z modulacją szerokości impulsu a) b) a) schemat modulacji, b) schemat sterownika; 1 prąd, 2 średnie napięcie

28 Pozycjonowanie z wykorzystaniem analogowego przetwornika położenia Kompa rator Wzmacniacz napięcia Wzmacniacz mocy 1 silnik, 2 potencjometr; V i napięcie odniesienia, V 0 sygnał sprzężenia zwrotnego

29 Zastosowanie prądnicy tachometrycznej w układzie pozycjonującym Kompa rator Kompa rator Wzmacniacz napięcia Wzmacniacz mocy 1 prądnica tachometryczna, 2 potencjometr, 3 sprzężenie zwrotne od położenia wirnika, 4 sprzężenie zwrotne od prędkości obrotowej; V i napięcie odniesienia, V 0 sygnał sprzężenia zwrotnego