Badanie silników prądu stałego.

I. Część teoretyczna.

1. Silniki komutatorowe prądu stałego o wzbudzeniu elektromagnetycznym.

Dla maszyn prądu stałego bez względu na układ połączeń uzwojenia wywołującego strumień główny z uzwojeniem twornika, jak również i dla maszyn prądu stałego o magnesach trwałych obowiązują następujące podstawowe równania:

gdzie:

Ui – napięcie indukowane w uzwojeniach twornika maszyny,

N – liczba prętów w uzwojeniu wirnika,

F - strumień magnetyczny,

p – liczba par biegunów,

n – prędkość obrotowa,

a – liczba par gałęzi równoległych uzwojenia twornika,

Cu – wartość stała dla maszyny,

oraz:

gdzie:

M – moment elekromagnetyczny maszyny,

Ia – prąd twornika,

CM – wartość stała dla maszyny.

Równanie napięć dla stanu ustalonego maszyny wirującej może być przedstawione w postaci:

gdzie:

Ra – rezystancja uzwojenia twornika,

Rd – rezystancja uzwojeń dodatkowych (uzwojenia szeregowego) i wewnętrznych przewodów łączących,

Rsz – rezystancja przejścia na szczotkach.

Korzystając z powyższych wyrażeń można napisać wzór wyrażający zależność prędkości obrotowej silnika bocznikowego od prądu twornika:

Wynika stąd wniosek, że wzrost momentu przy U=const, a w następstwie i wzrost prądu powinien spowodować zmniejszenie prędkości obrotowej silnika. Jednocześnie ze zwiększeniem prądu wzrost reakcji twornika w maszynach o biegunach wykonanych z materiału magnetycznie miękkiego będzie powodował zmniejszenie strumienia F. Wpływ zmian napięcia na rezystancji uzwojenia i szczotek jest jednakże większy aniżeli wpływ zmniejszenia strumienia i w efekcie uzyskuje się charakterystykę taką jak przedstawiono poniżej:

Rys.1. Charakterystyka mechaniczna Rys.2. Charakterystyka mechaniczna

silnika bocznikowego. silnika szeregowego.

Zupełnie odmienny jest przebieg charakterystyki silnika szeregowego (rys. 2).

Analitycznie można tę charakterystykę wyrazić zakładając, że strumień F silnika jest proporcjonalny do prądu Ia . Stąd wyrażenie na prędkość n przyjmuje postać:

zaś wyrażenie dla momentu może być przedstawione w nowej postaci:

Równanie umożliwiające wyznaczenie charakterystyki mechanicznej silnika dla występującego w praktyce zakresu pracy (obwód nasycony), uzyskane na podstawie obu równań będzie miało postać:

Na podstawie przebiegu charakterystyki mechanicznej oraz powyższego wyrażenia można stwierdzić, że w silniku tej odmiany będzie występował duży wzrost prędkości obrotowej przy zmniejszaniu jego obciążenia oraz, że małej prędkości obrotowej odpowiada duży moment. W przypadku silników bardzo małej mocy wzrost prędkości obrotowej jest na ogół ograniczony wzrostem strat mechanicznych. Im moc silnika jest mniejsza, tym na ogół mniejszy jest stosunek no/nn . Silniki szeregowe są przeważnie stosowane w urządzeniach wymagających dużego momentu rozruchowego. Silniki prądu stałego małej mocy o wzbudzeniu elektromagnetycznym są coraz rzadziej stosowane w urządzeniach przemysłowych i pojazdach mechanicznych. Stosuje się je tylko wtedy, gdy konieczna jest regulacja prędkości obrotowej przez osłabienia pola głównego oraz wtedy, gdy potrzebny jest duży moment rozruchowy silnika (silniki szeregowe). Silniki o wzbudzeniu elektromagnetycznym są coraz częściej zastępowane silnikami o wzbudzeniu pochodzącym od magnesów trwałych.

2. Silniki komutatorowe o magnesach trwałych.

Większa sprawność (od 15 do 25%) i niezawodność w porównaniu z maszynami o wzbudzeniu elektromagnetycznym oraz w wielu przypadkach mniejsze wymiary i masa silników o magnesach trwałych spowodowały, że coraz chętniej silniki te są stosowane w wielu urządzeniach, a głównie: w sprzęcie powszechnego użytku, pojazdach mechanicznych, narzędziach elektrycznych, urządzeniach pomiarowych. W niektórych z tych urządzeń silniki o magnesach trwałych stanowią niezastąpiony napęd, np. w przenośnym sprzęcie do zapisu i odtwarzania dźwięku. Rozwój elektroniki, dążenie do miniaturyzacji sprzętu oraz obniżenie kosztów wytwarzania elementów stworzyły dogodne podstawy dla rozwoju produkcji silników prądu stałego o magnesach trwałych.

Można wymienić cztery podstawowe odmiany silników komutatorowych prądu stałego o magnesach trwałych:

a) silniki o uzwojeniach tworników umieszczonych na wirujących rdzeniach, przy czym rozwiązania zarówno uzwojeń, komutatorów, jak i rdzeni (w tym kształty żłobków) są przeważnie takie same jak w maszynach o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Istotną różnicę w stosunku do maszyn o wzbudzeniu elektromagnetycznym stanowi rozwiązanie podzespołu wzbudzającego. Najczęściej elementem wywołującym główny strumień magnetyczny maszyny jest magnes trwały wykonany w postaci pierścienia lub wycinka pierścienia (segmentu). W pierwszym przypadku zastosowany materiał magnetycznie twardy jest materiałem izotropowym, zaś w drugim przypadku najczęściej jest materiałem anizotropowym. Silniki o magnesach trwałych tych odmian produkowane są w dużych ilościach. Moce silników zawierają się w granicach od ułamka wata do kilkuset watów, rzadziej kilku kilowatów.

b) Silniki o uzwojeniach twornika ukształtowanych w postaci wydrążonego cylindra (rys.3b), przy czym elementem wiążącym przewody jest najczęściej żywica epoksydowa. Elementami magnetycznymi drogi strumienia głównego są: magnes trwały i jarzmo (rys.3a), przy czym jeden z tych elementów umieszczony jest wewnątrz cylindra (kubka), a drugi zewnątrz. Oba elementy są nieruchome. Moce tych silników wynoszą od ułamka wata do około 200 W. Charakterystyczną cechą tych silników są: bardzo małe stałe czasowe elektromechaniczne, duża liniowość charakterystyk, małe napięcie rozruchu, a ponadto bardzo duża równomierność biegu spowodowana między innymi skośnym ułożeniem prętów uzwojenia twornika oraz dużą liczbą prętów na obwodzie wirnika.

Rys.3. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego silnika prądu stałego o magnesach trwałych z wirnikiem kubkowym: a) 1 – magnes trwały; 2 – uzwojenie twornika (kubek); 3 – szczotki; 4 – łożyska; 5 – ścianka boczna kubka; 6 – jarzmo (obudowa); 7 – komutator walcowy;

c) uzwojenie twornika z uwidocznionym sposobem układania przewodów.

d) silniki o wirnikach tarczowych z uzwojeniami wykrawanymi z blachy miedzianej. Podobnie jak w rozwiązaniu powyższym wirniki silników nie mają rdzeni magnetycznych. Fragment uzwojenia na obwodzie wirnika stanowi jednocześnie komutator. Pręty uzwojenia o grubości poniżej 0,5 mm przyklejane są do tarczy wykonanej z tkaniny z włókna szklanego nasycanej żywicami. Z uwagi na bardzo małe czasowe elektromechaniczne tych silników oraz korzystne charakterystyki stosuje się je w układach automatyki i urządzeniach peryferyjnych cyfrowych maszyn.

e) silniki bezstykowe (o komutatorach elektronicznych), w których uzwojenia twornika wykonywane jako jedno a częściej jako wielopasmowe jest umieszczane na stojanie. Poszczególne pasma uzwojenia w czasie pracy silnika są łączone kolejno ze źródłem prądu za pośrednictwem sterowanych elementów półprzewodnikowych. Źródłem głównego strumienia magnetycznego jest często magnes trwały (2p=2 lub 4) umieszczany na wirniku. Sterowanie elementami półprzewodnikowymi włączającymi pasma uzwojeń do źródła prądu odbywa się za pomocą czujnika położenia wirnika względem uzwojenia stojana oraz odpowiedniego impulsatora.

Charakterystyki mechaniczne silników o magnesach trwałych są podobne do charakterystyk silników bocznikowych. Różnice w przebiegach mogą być większe lub mniejsze w zależności od tego czy silnik o magnesach trwałych będzie miał jedynie bieguny wykonane z materiału magnetycznie twardego, czy też będzie wyposażony w nabiegunniki z materiału magnetycznie miękkiego. Przebieg charakterystyki mechanicznej silnika o magnesach trwałych bez nabiegunników jest bardziej zbliżony do linii prostej z uwagi na znaczne ograniczenie strumienia reakcji twornika spowodowane małą przenikalnością magnetyczną materiału magnetycznie twardego (zbliżoną pod względem wartości do przenikalności powietrza). Kierunek strumienia w magnesie trwałym silnika jest zależny od sposobu namagnesowania oraz od rodzaju zastosowanego materiału magnetycznie twardego. Większość materiałów magnetycznie twardych stosowanych w produkcji silników prądu stałego to ferryty barowe i strontowe.

II. Przebieg ćwiczenia.

W ćwiczeniu należy zbadać trzy silniki prądu stałego małej mocy: dwa silniki z magnesami trwałymi i jeden o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Każdy z silników jest zasilany trzema różnymi napięciami: napięciem znamionowym oraz napięciem nieco niższym i nieco wyższym od napięcia znamionowego.

1. Silnik magnetoelektryczny (Un=24V).

2. Silnik magnetoelektryczny (Un=12V).

3. Silnik elektromagnetyczny (Un=24V).