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 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

3 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

4 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

5 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 przewodników wirnika

6 Komutacja w silniku

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

8 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

9 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

10 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.

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

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

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

14 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

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

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

17 Budowa maszyny 1 wirnik (twornik), 2 szczotka, 3 komutator, 4 korpus, 5 magnes trwały wzbudzenia

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

19 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

20 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

21 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

22 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

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

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

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

26 Żłobkowy wirnik silnika komutator rdzeń uzwojenie

27 Bezżłobkowy wirnik silnika komutator rdzeń uzwojenie

28 Bezrdzeniowy wirnik silnika komutator uzwojenie włókno szklane

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

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

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

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

33 Szczotka podzielona na trzy sekcje szczotka ze szlachetnego metalu

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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

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

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

41 Drukowane uzwojenie tarczowego silnika Uzwojenie drukowane Rozmieszczenie prętów uzwojenia

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

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