Jakub Wierciak Mikrosilniki cz. 1 Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
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
Podstawowe struktury układów wykonawczych (Isermann 2005) Otwarty układ sterowania Układ z pętlą sprzężenia zwrotnego
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
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
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
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
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
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
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
Komutacja w silniku
Mechaniczna komutacja w silniku prądu stałego a) b) a) Schemat uzwojenia, b) schemat przełączania sekcji; 1 działki komutatora, 2 sekcje uzwojenia, 3 szczotki
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
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
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.
Połączenie obwodu maszyn (Syrzycki 1977) a) obcowzbudna, b) bocznikowa, c) szeregowa, d) szeregowo-bocznikowa, e) z biegunami trwałymi
Charakterystyka naturalna silnika szeregowego (Syrzycki 1977) M moment obciążający, n prędkość obrotowa, M n moment nominalny, n n prędkość obrotowa nominalna
Charakterystyki silnika szeregowobocznikowego (Syrzycki 1977) 1 bocznikowa, 2 przy dozwojeniu szeregowym, 3 przy dozwojeniu bocznikowym, 4 przy przeciwdziałaniu przepływów
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
Charakterystyki silnika bocznikowego przy regulacji strumienia wzbudzenia (Syrzycki 1977) M moment obciążający, n prędkość obrotowa, R w opornik osłabiający strumień wzbudzenia
Charakterystyki silnika bocznikowego przy zmianach napięcia zasilania (Syrzycki 1977) M moment obciążający, n prędkość obrotowa
Budowa maszyny ze wzbudzeniem od magnesów trwałych 1 wirnik (twornik), 2 szczotka, 3 komutator, 4 korpus, 5 magnes trwały wzbudzenia
Obwód wzbudzenia magnetycznego w maszynie 1 wirnik, 2 nabiegunnik, 3 magnes trwały, 4 jarzmo
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
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
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
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
Klasyfikacja małych silników ze względu na sposób komutacji (Pochanke 1996) Mikrosilniki z komutacją zestykową (mechaniczną) z komutacją bezzestykową (elektroniczną)
Odmiany konstrukcyjne silników z komutacją zestykową (Pochanke 1996) Silniki z komutacją zestykową z wirnikiem rdzeniowym z wirnikiem bezrdzeniowym żłobkowe bezżłobkowe kubkowe tarczowe
Mikrosilnik z wirnikiem rdzeniowym 2 1 3 4 1 - magnes, 2 rdzeń wirnika, 3 - uzwojenie, 4 komutator
Żłobkowy wirnik silnika komutator rdzeń uzwojenie
Bezżłobkowy wirnik silnika komutator rdzeń uzwojenie
Bezrdzeniowy wirnik silnika komutator uzwojenie włókno szklane
Szczotka i komutator 1 sprężyna, 2 szczotka (grafit), 3 - działka komutatora, 4 izolator
Spadek napięcia na komutatorze Spadek napięcia [V] Gęstość prądu [A/cm 2 ] 1 prąd od komutatora do szczotki, 2 prąd od szczotki do komutatora;
Szczotkotrzymacze szczotek grafitowych a) b) a) silnik tradycyjny, b) mikrosilnik; 1 szczotkotrzymacz, 2 guma, 3 grafitowa szczotka, 4 płaska sprężyna
Usytuowanie szczotek z metali szlachetnych a) b) a) o zwiększonej długości, b) proste, c) do komutatora tarczowego c)
Szczotka podzielona na trzy sekcje szczotka ze szlachetnego metalu
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
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
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
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
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
Mikrosilnik z wirnikiem tarczowym 1 - komutator, 2 - wałek, 3 - panewka, 4 - szczotka, 5 - magnes, 6 - wyprowadzenie, 7 - twornik, 8 - obudowa, 9 - panewka
Budowa silnika bezrdzeniowego tarczowego z płaskim uzwojeniem 1 jarzmo, 2 magnesy trwałe, 3 uzwojenie, 4 komutator,
Drukowane uzwojenie tarczowego silnika Uzwojenie drukowane Rozmieszczenie prętów uzwojenia
Budowa silnika bezrdzeniowego tarczowego z wirnikiem drukowanym a) a) z magnesami ferrytowymi, b) z magnesami z Alnico; b)
Budowa silnika bezrdzeniowego tarczowego z wirnikiem trzypasmowym silnik tarczowy trzypasmowy schemat rozpływu prądów
Iskrzenie miedzy komutatorem i szczotką a) b) c) 1 - iskrzenie, 2 kierunek obrotu komutatora
Elektroerozyjne zużycie komutatora mechanicznego (Jaszczuk, Wierciak, 1985)