Zasada działania maszyn komutatorowych1 Bieguny główne indukują pole magnetyczne.

Zasada działania maszyn komutatorowych2 Poprzez szczotki i wycinki komutatora prąd doprowadzany jest do zezwoju na wirniku.

Zasada działania maszyn komutatorowych3 Na umieszczony w polu magnetycznym przewód wiodący prąd działa siła wynikająca z prawa Ampera: F = Bil.

Zasada działania maszyn komutatorowych4 W rzeczywistości siły działają na zęby, nie na bok z prądem. Bowiem prąd w zezwoju modyfikuje lokalny rozkład pola nad zębami. Siły te, liczbowo, pokrywają się z siłami wynikającymi z Bil. Bok jest zanurzony w żłobku, co ekranuje dochodzące do niego pole.

Zasada działania maszyn komutatorowych5 Pole główne najczęściej indukowane jest przez prąd wzbudzenia. Wzbudzenia: obce, bocznikowe, szeregowe, bocznikowo-szeregowe. Na schematach szczotki lokalizuje się tak aby sugerowały kierunek pola indukowanego przez prądy wirnika. W rzeczywistości szczotki są w osi biegunów głównych, tzn. w połowie pomiędzy bokiem lewym i prawym zezwoju będącego w strefie neutralnej.

Maszyna komutatorowa1 Prądu stałego: silniki w samochodach (z wyjątkiem alternatora), napędy walcownicze, maszyny wyciągowe, tramwaje, pociągi. Prądu przemiennego: odkurzacze, suszarki, miksery.

Maszyna komutatorowa2

Maszyna komutatorowa3 Niezależnie od aktualnego kąta położenia wirnika, prądy wirnika tworzą pozorną nieruchomą cewkę Lt. Prąd w tej cewce indukuje pole twornika, prostopadłe do pola głównego: pole oddziaływania twornika. Aktualnie komutujący zezwój jest zwarty przez szczotkę. Boki tego zezwoju są w strefie neutralnej, gdzie nie ma pola głównego. Fizycznie, szczotki są w osi biegunów głównych.

Maszyna komutatorowa4 Schemat ideowy Na wirniku znajduje się multum cewek, przyłączonych do wycinków komutatora. Komutator składa się z miedzianych segmentów, odizolowanych miką. Do komutatora przylegają szczotki, umieszczone w tzw. strefie neutralnej. Cewki połączone są tak, że tworzą uzwojenie pętlicowe lub faliste. Poprzez wycinki komutatora cewki są ze sobą połączone. W uzwojeniu pętlicowym (a) początek i koniec danej cewki przyłączone są do sąsiednich wycinków komutatora. Istnieje całe multum odmian uzwojeń pętlicowych i falistych, a także tzw. połączeń wyrównawczych łączących te segmenty komutatora, które winny posiadać te same potencjały.

Maszyna komutatorowa5 Jeśli komutator posiada wystarczająco dużo wycinków, to pole magnetyczne indukowane przez prądy wirnika jest takie jak gdyby było indukowane przez nieruchomą cewkę zastępczą o indukcyjności Lt. Położenie osi tej cewki wynika z aktualnego położenia szczotek. Położenie szczotek ustawiamy tak, aby oś cewki Lt była prostopadła do osi uzwojenia wzbudzenia. Wtedy szczotki są w tzw. strefie neutralnej. W cewkach wirnika, przyłączonych do wycinków komutatora znajdujących się w danym momencie w strefie neutralnej, nie indukuje się Sem od pola głównego. Komutator wprowadza tzw. więzy nieholonomiczne. Równania maszyny komutatorowej można wyprowadzić na podstawie formalizmu Lagrange’a dla układów nieholonomicznych. Nie korzystamy w nim z rzeczywistych prądów płynących w multum rzeczywistych cewek wirnika, lecz z indukcyjności Lt i prądów zewnętrznych, dopływających do wirnika poprzez szczotki.

Indukcyjność wzbudzenie - wirnik Ewentualna zmiana aktualnego kąta η położenia szczotek, zmienia położenie kierunku osi cewki Lt. Zmienia się więc indukcyjność wzajemna Lwzb,t uzwojenia wzbudzenia i zastępczej cewki wirnika. Pochodną tej tej indukcyjności, po kącie η , dla η odpowiadającego strefie neutralnej, nazywamy indukcyjnością rotacji M. strefa neutralna

Równania maszyny komutatorowej równanie wirnika równanie wzbudzenia równanie mechaniczne moment elektromagnetyczny Równania te dotyczą stanów dynamicznych maszyn zasilanych prądem stałym lub przemiennym.

Maszyna obcowzbudna Jest to zawsze maszyna prądu stałego. W stanie ustalonym równanie wzbudzenia redukuje się do równania ”grzejnika”: cała dostarczana energia podlega dyssypacji na ciepło. W czasie narastania prądu, po załączeniu napięcia wzbudzenia, energia jest przekazywana do pola magnetycznego głównego. W stanie ustalonym równanie wirnika== twornika redukuje się do: gdzie Często oznaczamy Daje to możliwość uwzględnienia wpływu nasycenia na wielkość strumienia głównego.

Charakterystyka mechaniczna sil. obcowzbudnego Jest to równanie prostej. w0 zależy od iwzb. Szybkość opadania zależy od Rt + Rd. Komutator jest zdolny do komutacji prądów do 2*ItN. Przy większych prądach na komutatorze może się pojawić niszczący go łuk elektryczny. Mała rezystancja wirnika Rt prowadziłaby do prądów rozruchu, kiedy w jest =0, wielokrotnie przekraczających 2*ItN. Stąd konieczność używania rezystorów rozruchowych. Prędkość obrotową można łatwo sterować napięciem Ut lub prądem wzbudzenia iwzb. Łatwość sterowania prędkości jest głównym powodem stosowania maszyn komutatorowych prądu stałego, tam gdzie sterowanie prędkości jest nieodzowne, mimo że są drogie w produkcji (skomplikowane uzwojenie wirnika + komutator) i ekploatacji (ścieranie szczotek i komutatora, iskrzenie): walcownie, maszyny wyciągowe.

Silnik szeregowy prądu stałego Stosowany w trakcji: możliwe hamowanie generatorowe także przy małych w. W równaniach wirnika podstawiamy: oraz Prędkość wirnika: Moment elektromagnetyczny: Jeśli maleje moment obciążenia, to maleje również równoważący go moment elektromagnetyczny Tem  maleje prąd It  w -----> nieskończoności: silnik się rozbiega i może ulec zniszczeniu  silnika szeregowego nie wolno pozostawić bez obciążenia. Regulacja prędkości poprzez częściowe bocznikowanie wzbudzenia== osłabianie wzbudzenia== odwzbudzanie.

Silnik szeregowy prądu przemiennego: uniwersalny Może też być zasilany prądem stałym. Jarzmo musi być blachowane  nie może równocześnie być obudową. Dodając równania wirnika i wzbudzenia otrzymujemy: gdzie Stan ustalony, zasilanie sinusoidalne: Rozwiązanie uzyskamy z równania symbolicznego:

Trójkąt impedancyjny odpowiada równaniu symbolicznemu. Prąd: Moment: Moment średni: Częstotliwość składowej przemiennej wynosi 2*fzasil= 100 Hz.

Komutacja W miarę obracania się wirnika należy przełączać prądy w zezwojach wirnika, tak, aby prądy pod biegunami zachowały kierunek. Przełączanie wymusza komutator. Gdy działka komutatora wychodzi spod szczotki to jej rezystancja staje się nieskończenie wielka  prąd musi do zezwoju dopłynąć z drugiej strony: OK przy małych mocach. Resistive commutation is the process relied upon in small machines. W dużych maszynach instaluje się bieguny dodatkowe indukujące Sem przyspieszającą rewers prądu w zezwoju komutującym.

Komutacja Prąd dzieli się na dwie gałęzie równoległe: lewą i prawą. Przed komutacją lewa połowa prądu dopływa do zezwoju B i przez niego, i przez wycinek 2, do szczotki +. Po komutacji prawa połowa prądu płynie przez zezwój B do wycinka 1. Zmianie kierunku prądu przeciwdziała sem samoindukcji zezwoju komutującego, od strumienia rozproszenia tego zwoju. Przepływowi prądu przez wirnik towarzyszy indukowanie strumienia oddziaływania twornika, prostopadłego do strumienia głównego. Indukuje on w zezwoju komutującym sem zgodną z poprzednim== starym kierunkiem prądu, co również pogarsza warunki komutacji. Zadaniem biegunów komutacyjnych jest wytworzyć takie lokalne pole magnetyczne aby indukowało ono sem w zezwoju komutującym, znoszącą poprzednie dwie, i lekko przyspieszały komutację.

Uzwojenie kompensacyjne Prądy wirnika deformują pole pod biegunami głównymi. Pod jedną połową nabiegunnika pole maleje, a pod drugą rośnie. Większe pole indukuje większe sem w cewkach aktualnie mijających strefę o zwiększonym polu. Prowadzić to może do przekroczenia dopuszczalnego napięcia międzywycinkowego 40V. It is common in very highly rated machines to wind compensation coils: essentially mirror-images of the armature coils. Uzwojenia kompensacyjne stosuje się tylko w maszynach dużych mocy: >~200 kW.

Napięcie transformacji w silniku prądu przemiennego W Polsce, w Czechach, na kolei jest DC, 3kV. Na Słowacji 50Hz, 25kV. Tramwaje: DC, 600V. Aktualnie komutujący zezwój jest zwarty przez szczotkę. Zezwój ten jest w strefie neutralnej  w nim nie indukuje się sem rotacji od pola głównego zależnej od indukcyjności rotacji M. Zezwój ten jest w pełni sprzężony z uzwojeniem wzbudzenia  indukuje się w nim sem transformacji, jeśli prąd wzbudzenia jest przemienny  w zwartym zezwoju płynie prąd zwarcia zamykający się przez szczotkę  pogarsza się komutacja. Aby opanować komutację w dużych maszynach, Niemcy na kolei stosują 162/3Hz, 15kV.

Blachy stojana silników komutatorowych prądu przemiennego dużych mocy ~500 kW W biegunach głównych są wyfrezowane żłobki na uzwojenie kompensacyjne. Uzwojenia: wirnika, komutacyjnego, i kompensacyjnego są połączone w szereg.

W nowoczesnych lokomotywach instaluje się silniki asynchroniczne klatkowe. f=var bogey=bogie=bogy Jeśli lokomotywa zasilana jest z trakcji DC to odpada transformator. W lokomotywach z silnikami prądu stałego, regulację uzyskuje się przez szeregowo równoległe łączenie silników, przy niskich prędkościach, i odwzbudzanie, przy wysokich prędkościach.

Sterowanie prędkości lokomotywy prądu stałego1 Zwieraniem kolejnych sekcji rezystorów można sterować ręcznie. W miarę wzrostu prędkości maleje prąd  przekaźnik odcinający zwiera==usuwa następną sekcję rezystorów. Przekaźnik nadprądowy wyłącza zasilanie przy przeciążeniach i zwarciach. Przekaźnik podnapięciowy przywraca początkowe położenia łączników, aby powrót napięcia nie nastąpił przy zwartych rezystorach.

Sterowanie prędkości lokomotywy prądu stałego2 Obniżkę napięcia na silniku uzyskuje się przez łączenie silników w szereg. Pełną prędkość uzyskuje się przy równoległym połączeniu silników  wtedy na każdym panuje pełne napięcie.

Ster. prędkości i hamowanie lokomotywy pr. stałego2 Osłabienie pola podnosi prędkość: dopiero przy większej prędkości E prawie zrówna się z Uzasilania. Hamowanie: Przełączenie zacisków wzbudzenia  mimo zmiany kierunku prądu iA, prąd iF płynie w tym samym kierunku, co zachowuje kierunek sem E.

Sterowanie prędkości silnika szeregowego Im większe osłabienie pola, czyli im mniejsze RP, tym większe obroty. W lokomotywach elektrycznych prędkość znamionową osiąga się przy IF = 30% IA. Rozruch pociągu, przy zerowych i niskich obrotach, prowadzi się z pełnym prądem wzbudzenia.

Sterowanie napięciowe prędkości s. obcowzbudnego1 Praca silnikowa z mostem P  obroty w prawo. Praca silnikowa z mostem N  obroty w lewo. Hamowanie od pełnych obrotów prawych, tzn. wynikających z pełnego dodatniego napięcia na wirniku, wynikającego z zerowego kąta opóźnienia zaworów w moście P: Albo: iwzb niezmienione + falownikowa praca mostu N: Początkowy kąt wyprzedzenia zapłonu w N winien zapewnić ujemne napięcie N równe Sem wirnika prąd nie płynie brak udaru hamowania. Następnie powiększamy kąt wyprzedzenia zapłonu w N, tak aby Sem wirnika wymusiła przepływ prądu od wirnika do mostu N i do sieci. Albo: zmieniamy kierunek iwzb + falownikowa praca mostu P.

Sterowanie napięciowe prędkości s. obcowzbudnego2 W poprzednim układzie obydwa mosty zasilane były z różnych uzwojeń wtórnych transformatora trójuzwojeniowego (droższy). Układ nawrotny z zasilaniem obydwu mostów antyrównoległych ze wspólnego uzwojenia wtórnego transformatora: Załączenie zaworów mostu N jest możliwe po dłuższej przerwie niż poprzednio, aby nie powstało zwarcie. Skutek: większa niż poprzednio zwłoka w rozpoczęciu hamowania.

Samowzbudzenie generatora bocznikowego Warunki samowzbudzenia: 1. istnienie remanentu magnetycznego. 2. obroty większe od krytycznych, przy danej rezystancji obwodu dla If. 3. rezystancja mniejsza od krytycznej, przy danych obrotach. W generatorze szeregowym, należy zamienić zaciski uzwojenia wzbudzenia aby nie powstał układ samobójczy, likwidujący remanent. Dla gen. szeregowego, bez dodatkowych rezystancji, ”resistance line” jest prawie pozioma  można uzyskać pracę generatorową także przy niewielkiej prędkości tramwaj może hamować generatorowo prawie do zatrzymania, co przemawia za silnikiem szeregowym w tramwaju.

Regulacja napięcia generatora bocznikowego Zmiana rezystancji w obwodzie wzbudzenia zmienia nachylenie ”resistance line”, co zmienia punkt pracy  zmienia się napięcie Vout. Polepszenie własności regulacyjnych uzyskuje się przez dodatkową szczelinę w biegunach, co czyni charakterystykę magnesowania bardziej wypukłą.

To make the motor go forwards, Q4 is turned on, and Q1 has the PWM signal applied to it. Q4 is kept on so when the PWM signal is off, current can continue to flow around the bottom loop through Q3's intrinsic diode. Current is maintained by rotor leakage inductance. Backwards: Q3 is on, Q2 in PWM mode.

W czasie pracy generatorowej, prąd wymusza Sem wewnętrzna, ta sama, która w czasie pracy silnikowej nosiła nazwę Sem przeciwelektromotorycznej. For regeneration, when the motor is going backwards for example, the motor (which is now acting as a generator) is forcing current right through its armature, through Q2's diode, through the battery (thereby charging it up) and back through Q3's diode.

Silnik ze wzbudzeniem od magnesu trwałego Magnes trwały zastępuje uzwojenie wzbudzenia. Wirnik wykonany klasycznie. Zwykle są to maszyny małe. Opad charakterystyk odmagnesowania magnesów: Neodym + Boron + Żelazo lub kobalt + samarium jest taki jak m0. Br= B remanentu. Ferryt baru anizotropowy: Br=0.4T Nd+ B+ Fe: Br= 1.2 T natężenie koercji= 860 kA/m.

Servos Silniki wykonawcze prądu stałego Aktuatorem jest silnik wykonawczy, od którego żądamy szybkiej reakcji.

National Electrical Manufacturers Association

Silniki wykonawcze pr. stałego z magnesem trwałym

Silnik wykonawczy prądu stałego, kokonowy Ze względu na mały moment bezwładności, znajduje zastosowania w elementach wykonawczych o wysokiej dynamice: szybkie przyspieszanie i szybkie hamowanie. Są to silniki małej mocy.

Pancake motors A pancake motor can be considered any motor having a large diameter compared to its thickness. Commonly referred to as a torque motor, these motors offer direct drive capability without the use of mechanical transmissions to deliver power to the load. DC ServoDisc. Silniki momentowe są zdolne do normalnej pracy, tzn. do stałego generowania momentu, przy obrotach biskich lub równych zero.

Silnik wykonawczy prądu stałego, tarczowy Posiadają znacznie większe moce niż silniki kokonowe. Na wirniku jest uzwojenie drukowane  dopuszcza duże gęstości prądu: ~15 A/mm2. Standard: 5 A/mm2. Stosowane jako elementy wykonawcze o dużej dynamice.