Bezszczotkowy silnik prądu stałego

Prezentacja na temat: "Bezszczotkowy silnik prądu stałego"— Zapis prezentacji:

1 Bezszczotkowy silnik prądu stałego
Rotor ma wbudowany magnes stały. W skład statora wchodzą cewki napędzające, sterowane dwoma hallotronami. Hallotrony rejestrują względne położenia rotora i poprzez tranzystory sterują prądami cewek. Prądy w statorze zmieniają się łagodnie. Silniki te posiadają szereg zalet: wydłużony czas życia (istotne tylko zużycie łożysk) niskie szumy brak iskrzenia Chętnie stosowane w urządzeniach HiFi.

2 Pomiar prędkości obrotowej
Rotor ma wbudowane magnesy. Nieruchomy czujnik hallotronowy rejestruje pojawiające się zmiany pola magnetycznego a tym samym rejestrowany sygnał może być wykorzystany do określania ilości obrotów w jednostce czasu lub prędkości kątowej. Rysunek: Wikipedia/org/wiki/hallotron

3 Magnetorezystor Magnetorezystor wykazuje zależność rezystancji od pola magnetycznego. Wczesne lata rozwoju magnetorezystorów wiązały się z wykorzystaniem półprzewodników, np. InSb dla pól B > 2kGs. Obecnie wykorzystuje się zjawiska magnetorezystancyjne zachodzące w: metalach ferromagnetycznych (efekt Thomsona) zwany również efektem AMR (anisotropic magnetoresistance), warstwowych strukturach magnetycznych (efekt GMR – giant magnetoresistance) magnetycznych złączach tunelowych (MTJ – magnetic tunnel junction) Elementy AMR wchodzą w użycie wraz z rozwojem technologii cienkowarstwowych. Stosuje się stopy: Ni Fe Ni Co Ni Fe Co Zmiana rezystancji w funkcji pola magnetycznego zależy od kąta jaki tworzy kierunek prądu z osią anizotropii magnet. (oś łatwego magnesowania).

4 Magnetorezystor AMR Praktyczne rozwiązanie czujnika MR Dla ε = ± 45°
zależność kwaziliniowa Praktyczne rozwiązanie czujnika MR Paski metaliczne wymuszają kierunek przepływu prądu. Czujnik BARBER-POLE firmy PHILIPS. Charakterystyka w przybliżeniu liniowa.

5 (giant magnetoresistance)
Gigantyczna magnetorezystancja GMR (giant magnetoresistance) Jest to gwałtowny spadek rezystancji w obecności pola magnetycznego w strukturze wielowarstwowej, gdzie warstwy magnetyczne ( Fe, Co ) przedzielone są warstwami niemagnetycznymi ( Cu, Ag ) ( Baibich 1988). Rozpraszanie elektronu w zal. od kierunku spinu względem wektora namagnesowania M a – spin w górę, b – spin w dół

6 GMR W praktyce wytwarza się supersieci
Chrakterystyka supersieci GMR [Co (1.1nm) Cu(0.9nm)] · 100 Wytwarzając strukturę w postaci tzw. zaworu spinowego uzyskuje się czułości dla małych pól magnetycznych.

7 GMR IBM Almaden Res. Center

8 Magnetyczne złącza tunelowe (Magnetic Tunnel Junction MTJ)
Dwie feromagnetyczne elektrody CoFeB oddzielone są tunelową warstwą izolatora MgO. Prąd płynie prostopadle do złącza. Przy antyrównoległych orientacjach warstwy swobodnej (górnej) i zamocowanej (dolnej) występuje wysoka rezystancja (IrMn – warstwa powodująca zamocowanie). Przemagnesowanie warstwy górnej do orientacji równoległej daje spadek rezystancji. CR Magnetics Inc.

9 MTJ – mechanizm zjawiska
Elektrony spin-up to te o orientacji spinu równoległej do zew. pola magnetycznego, podczas gdy spin-down to elektrony o orientacji antyrównoległej w stos. do zew. pola mag. Dla złącza bez polaryzacji elektrony tunelują w obu kierunkach z równymi prędkościami. Po przyłożeniu napięcia U, elektrony tunelują przeważająco w kierunku dodatniej elektrody. Zakładając, że spin podczas tunelowania jest zachowany, prąd można opisać stosując model dwuprądowy. Prąd całkowity dzieli się na dwa prądy cząstkowe, jeden dla elektronów spin-up i drugi dla elektronów spin-down. Prądy te zmieniają się w zależności od magnetycznego stanu złącz. 9 9

10 Czujnik MTJ Micro Magnetics STJ-001 mikrosensor magnetyczny wysokiej czułości w formie kształtki sensorowej. Powierzchnia aktywna ma wymiar 1x2 mikrometra Kształtka to kwadrat o boku 1.9 mm i grubości 300 mm. Posiada 4 złote pola kontaktowe do bondingu, umożliwiające 4-punktowy pomiar rezystancji. Czułość magnetyczna STJ-001 to 5 nT, co jest 10 tys. razy mniejsze niż pole magnet. Ziemi.

11 Zastosowania czujników MR
Głowica odczytowa w napędzie dyskowym Zasada działania magnetorezystancyjnej głowicy odczytowej. Istotne są zmiany strumienia w kierunku prostopadłym do powierzchni nośnika.

12 Napęd dyskowy IBM Almaden Res. Center

13 Zastosowania czujników MR
Głowica odczytowa w napędzie dyskowym Zalety głowicy MR w stosunku do głowic indukcyjnych: niezależność sygnału od szybkości przesuwu taśmy większa czułość, a zatem większa gęstość zapisu Głowice te nie mogą jednak spełnić jednocześnie roli głowicy zapisującej (indukcyjnej) Pierwsza głowica z czujnikiem MR – 1970r. Głowice do odczytu taśm, IBM –1985r. Obecnie wszystkie głowice do twardych dysków wykorzystują elementy MR do odczytu.

14 Głowica odczytowa w napędzie dyskowym – HD Tunnel Reader
Pierwszy egzemplarz 120 GB 2.5-in Seagate Momentus II wysokiej pojemności napęd z elementem odczytowym MTJ.

15 Zastosowania czujników MR
Bezstykowe pomiary prądu DC i AC, transformowanie prądów stałych Wykrywanie zmian położenia i obrotu materiałów magnetycznych Busole cyfrowe Czytniki kart kredytowych Wykrywanie wad montażu i defektów w strukturach półprzewodnikowych Pamięci MRAM

16 Izolacja galwaniczna transformator prądu stałego sumator dwóch prądów

17 Układ identyfikacji monet
W trakcie przemieszczania monety w polu cewki indukują się prądy wirowe. Mierzone jest przesunięcie fazowe między sygnałem cewki i magnetorezystora, charakterystyczne dla danego rodzaju monety, a niezależne od szybkości przemieszczania monety.

18 Układ ABS z czujnikami MR
Przy tendencji poślizgowej układ elektroniczny oraz hydrauliczny wpływają na odpowiednie hamulce.

19 Zastosowanie magnetorezystorów MTJ
defekty połączeń w mikrostrukturach

20 Zastosowanie magnetorezystorów MTJ
Wady montażu

21 Czujniki magnetoelastyczne
Zmiana własności magnetycznych pod wpływem oddziaływań mechanicznych Naprężenie σ obraca magnetyzację MS o kąt θ względem pola magnetycznego H. Z warunku minimum energii (dla θ<< θ0): Optymalny przypadek: θ0 = 450, H - małe Miarą momentu skręcającego FR dla pręta zamocowanego jednostronnie jest kąt skręcenia θ

22 Pomiar momentu skręcającego z użyciem czujnika magnetoelastycznego
w formie cylindra Przy braku naprężenia (moment skręcający M = 0), nie ma sprzężenia między cewkami Po przyłożeniu momentu skręcającego M pojawia się napięcie wyjściowe Uwyj = kM