Napędy elektromechaniczne urządzeń mechatronicznych - projektowanie Dobór mikrosilnika prądu stałego do napędu bezpośredniego przy pracy w warunkach ustalonych
Przykłady napędów bezpośrednich - twardy dysk komputerowy (WD 2005) Silnik napędowy Budowa urządzenia
Przykłady napędów bezpośrednich - wrzeciono urządzenia technologicznego ( )
Przykłady napędów bezpośrednich - wrzeciono szybkoobrotowe do mikrochirurgii (Xi'an Sancai Electronic Co. 2009) Sterownik Narzędzia Wrzeciono
Przykłady napędów bezpośrednich - wentylator ( ) Budowa Widok zewnętrzny 1 magnes trwały wirnika, 2 hallotron
Typowy profil prędkości w układzie napędowym (Wierciak 2000) Prędkość ω Praca z ustaloną prędkością Przyspieszanie Hamowanie Czas t
Przykładowy profil prędkości w układzie o pracy ciągłej (Wierciak 2000) Prędkość ω Czas t
Budowa maszyny prądu stałego z komutatorem mechanicznym (Kenjo, Nagamori 1989) 1 wirnik (twornik), 2 szczotka, 3 komutator, 4 korpus, 5 magnes trwały wzbudzenia
Budowa maszyny prądu stałego z komutacją bezzestykową (Kenjo, Nagamori 1989) 1 wirnik z magnesem trwałym, 2 - uzwojenia, 3 - hallotrony
Statyczny model mikrosilnika prądu stałego (Wierciak 2000) Równanie momentów K T I K D M F M red Równanie napięć I K D K E K T M F U z R I t prąd silnika KE stała tłumienia lepkiego w silniku stała napięcia silnika stała momentu moment tarcia statycznego w silniku M red zredukowany zewnętrzny moment obciążenia U z R t ω stałe napięcie zasilania silnika całkowita rezystancję obwodu twornika prędkość kątowa wirnika Rt Uind Uz I
Obciążeniowe charakterystyki mikrosilnika prądu stałego (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
Zjawiska cieplne w maszynach elektrycznych (Wierciak 2000) wydzielanie ciepła gromadzenie ciepła w elementach konstrukcyjnych przejmowanie ciepła zmiany wartości parametrów pod wpływem zmian temperatury elementów silnika
Zmiana wartości rezystancji uzwojeń (Pełczewski 1956) R t R 0 1 Cu T u T 0 R 0 - rezystancja twornika w temp. T 0 [Ω] R t - całkowita rezystancja obwodu twornika [Ω] T 0 - temperatura odniesienia parametrów silnika [K] T u - chwilowa temperatura uzwojeń [K] α Cu - cieplny współczynnik rezystywności uzwojeń [1/K] dla miedzi Cu 0,00392 1/K
Zmiana wartości stałych silnika (Wierciak 2000) K E K E0 1 T m T 0 K T K T0 1 T m T 0 β - cieplny współczynnik indukcji magnesu wzbudzającego [1/K] K E - stała napięcia [V s/rad] K E0 - stała napięcia w temperaturze T 0 [V s/rad] K T - stała momentu [N m/a] K T0 - stała momentu w temperaturze T 0 [N m/a] T 0 - temperatura odniesienia parametrów silnika [K] T m - chwilowa temperatura magnesu [K]
Wpływ temperatury silnika na jego charakterystyki (MAXON 2000)
Wydzielanie ciepła (Pełczewski 1956) źródła pochodzenia elektrycznego - straty uzwojeniowe - straty na prądy wirowe - straty na przemagnesowanie źródła pochodzenia mechanicznego - straty tarcia w łożyskach - straty tarcia wirnika o powietrze - straty tarcia w komutatorze
Straty uzwojeniowe (Jucker 1974) 2 Pv i R t i - chwilowa wartość prądu pobieranego przez uzwojenia [A] P v - moc strat uzwojeniowych [W] R t - chwilowa wartość rezystancji uzwojenia [Ω]
Sposoby przepływu ciepła (Hering 1980) Przewodzenie (kondukcja) ciepła polega na przekazywaniu energii ruchu bezładnego jednym grupom cząsteczek przez inne sąsiednie i nie jest związane z makroskopowymi ich przemieszczeniami. Konwekcja jest to przepływ ciepła w warunkach, gdy cząsteczki mają swobodę ruchu charakterystyczną dla płynów. Promieniowanie (radiacja) jest przepływem ciepła odbywającym się za pośrednictwem fal elektromagnetycznych.
Cieplna równowaga wyróżnionego ciała (Wierciak 2000) R i1 T 1 C i dt i dt m j 1 1 R ij ( T i T j ) P i T i R i2 T 2 R ij T j P i C i R im T m C i - pojemność cieplna analizowanego i-tego ciała [J/K] m - liczba ciał sąsiadujących z analizowanym R ij - opór cieplny pomiędzy ciałami: i-tym i j-tym [K/W] T i - temperatura i-tego ciała [K]
Cieplna równowaga obiektu opis różniczkowy (Pełczewski 1956) C dt d t 1 R th T T ot Pv C - pojemność cieplna obiektu [J/K] P v - moc doprowadzona do obiektu [W] R th - opór cieplny między obiektem i otoczeniem [K/W] σ - przewodność cieplna [W/K] T - temperatura obiektu [K] T ot - temperatura otoczenia [K]
Ustalony przyrost temperatury uzwojenia (API Portescap 2000) Temperatura uzwojenia I - T u R 0 I prąd twornika [A] 2 R th 1R 0 I 0 2 R 1T T R 0 - rezystancja twornika w temp. T 0 [Ω] R th - opór cieplny między uzwojeniem i otoczeniem [K/W] T 0 - temperatura odniesienia parametrów silnika [K] T ot - temperatura otoczenia [K] T u - chwilowa temperatura uzwojeń [K] α Cu - cieplny współczynnik rezystywności uzwojeń [1/K] th ot
Karta katalogowa silnika prądu stałego z komutacją mechaniczną (Portescap 2005)
Parametry funkcjonalne silnika prądu stałego z komutacją mechaniczną (Portescap 2005)
Karta katalogowa silnika prądu stałego z komutacją elektroniczną (Portescap 2009)
Parametry funkcjonalne silnika prądu stałego z komutacją elektroniczną (Portescap 2009)
Struktura elektrycznego układu napędowego (Oleksiuk, Bodnicki, Wierciak 2003) (Wierciak 2000) UKŁAD NAPĘDOWY Sygnały sprzężenia zwrotnego Obciążenie elektryczne Zredukowane obciążenie Obciążenie Sygnały sterujące Sterownik Mikrosilnik Układ przeniesienia napędu Napędzany mechanizm Napięcia sterujące Moc mechaniczna Moc mechaniczna Moc elektryczna
Napęd bezpośredni z mikrosilnikiem elektrycznym (Oleksiuk, Bodnicki, Wierciak 2003) (Wierciak 2008) Sygnały sterujące Sygnały sprzężenia zwrotnego Sterownik Obciążenie elektryczne Mikrosilnik Moment obciążający M mech Napędzany mechanizm Napięcia sterujące Prędkość kątowa ω mech Moc elektryczna
Typowe wymagania dla napędu bezpośredniego (Wierciak 2009) Wymagania funkcjonalne - tarciowy moment oporów mechanizmu M Fmech, - prędkość obrotową n mech (ω mech ); Wymagania związane z warunkami pracy - temperaturę otoczenia silnika T ot, - maksymalne napięcie zasilania silnika U zmax - maksymalny pobierany prąd I max
Zadanie projektowe (Wierciak 2009) Ze wskazanego katalogu dobrać silnik prądu stałego z komutacją elektroniczną, który będzie służył do napędzania szybkoobrotowego wrzeciona mikronarzędzia. Zakładamy, że podczas pracy wrzeciono obciążone jest stałym momentem tarcia M Fmech, a jego wymagana prędkość obrotowa wynosi n mech. Napięcie zasilania wrzeciona nie powinno przekraczać U zmax, a prąd pobierany przez silnik powinien być nie większy niż I max. Przewidywana temperatura otoczenia będzie wynosiła T ot.
Dobór mikrosilnika prądu stałego z komutacją elektroniczną do napędu bezpośredniego (Portescap 2009) 1. Dobranie najmniejszego silnika zdolnego do rozwijania w sposób ciągły wymaganej prędkości n mech przy obciążeniu go momentem M mech. 2. Obliczenie prądu pobieranego przez silnik pod danym obciążeniem. 3. Obliczenie wymaganego napięcia sterującego. 4. Sprawdzenie warunku cieplnego i skorygowanie wartości napięcia sterującego. 5. Obliczenie wymaganej mocy elektrycznej i sprawności silnika.
Karta katalogowa silników prądu stałego - przykład (Portescap 2005)
Dane katalogowe silników prądu stałego - parametry funkcjonalne i zalecenia (Portescap 2009)
Obszary pracy silnika prądu stałego z komutacją elektroniczną (Portescap 2009)
Wstępny dobór silnika (Portescap 2009) 35000 obr/min 2,4 Nmm
Obliczenie prądu silnika (Portescap 2005) I M K s T M Fmech K I - prąd silnika [A] K T - stała momentu silnika [Nmm/A] M s - moment rozwijany przez silnik [Nmm] M mech - moment wymagany do napędu mechanizmu [Nmm] M I Fmech K T T I 0 I 0 - prąd biegu jałowego silnika [A]
Stała momentu (Portescap 2009)
Obliczenie napięcia sterującego (Portescap 2009) U z R 0 I K E s R 0 I K E mech I - prąd silnika [A] K E - stała napięcia silnika [V/rad/s] R 0 - rezystancja wirnika w temp. odniesienia (22 ºC) [Ω] U z - napięcie zasilania (sterujące) [V] ω s - prędkość kątowa wirnika [rad/s] ω mech - prędkość kątowa na wejściu mechanizmu [rad/s]
Rezystancja uzwojenia i stała napięcia (Portescap 2009)
Sprawdzenie warunku cieplnego (Portescap 2005)
Ustalony przyrost temperatury uzwojenia (API Portescap 2000) Temperatura uzwojenia T u R 0 I 2 R th 1R 1T T 0 I 0 2 R th ot Rezystancja uzwojenia R t R 0 1 T u T 0 Wymagane napięcie zasilania U z R I t K E mech
Opór cieplny uzwojenie-otoczenie w katalogu (Portescap 2009)
Dobór sterownika kryteria (Portescap 2009) sposób sterowania silnika: z czujnikami hallotronowymi lub bez zakres napięć wejściowych maksymalnym ciągły prąd zasilania
Pobór mocy elektrycznej (Portescap 2009) Moc pobierana ze źródła zasilania P1 Uz I P 1 - moc pobierana [W] U z - obliczone napięcie sterujące [V] I - prąd pobierany przez silnik [A]
Moc mechaniczna na wałku silnika (Portescap 2009) Moc oddawana P2 M Fmech mech P 2 - moc oddawana [W] M Fmech - moment obciążający [Nm] ω mech - prędkość kątowa wirnika [rad/s] n - prędkość obrotowa [obr/min] 2 n 60
Sprawność silnika (Portescap 2009) P P 2 1 P 1 - moc pobierana [W] P 2 - moc oddawana [W]