Politechnika Śląska Wydział Elektryczny Instytut Elektrotechniki i Informatyki Zakład Maszyn Elektrycznych i Inżynierii Elektrycznej w Transporcie
Laboratorium Elektromechanicznych Elementów Wykonawczych dr inż. Marcin Fice	Temat ćwiczenia:
	Silnik wykonawczy prądu stałego
Data wykonania:	Ocena:
15 / 04 / 2012
Data oddania:
13 / 05 / 2012

1. Wstęp teoretyczny

Silniki wykonawcze prądu stałego wykonywane są jako klasyczne maszyny prądu stałego o uzwojonych biegunach magnetycznych lub magnesach stałych umieszczonych w stojanie i uzwojonym wirniku z komutatorem lub bez, są one przetwornikami elektromechanicznymi przeznaczonymi do otrzymywania jednoznacznej zależności funkcyjnej odpowiedzi mechanicznej od sygnału elektrycznego (napięcia sterującego).

Silniki, w których pole magnetyczne jest wytwarzane przez obwód wzbudzenia nazywa się silnikami o wzbudzeniu elektromagnetycznym, a silniki, w których pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnesy trwałe - o wzbudzeniu magnetoelektrycznym, przy czym obecnie w silnikach wykonawczych prądu stałego strumień magnetyczny wzbudzenia z reguły wytwarzany jest za pomocą magnesów trwałych.

Z punktu widzenia wykonawstwa, magnesy trwałe w procesie produkcji silnika stwarzają dodatkowe komplikacje związane z obróbką mechaniczną bardzo twardych i kruchych magnesów oraz zabezpieczeniem ich przed rozmagnesowaniem podczas montażu. Magnesy trwałe zapewniają jednak silnikom wykonawczym przede wszystkim stabilność wzbudzenia, lepszą sprawność oraz mniejsze gabaryty w zakresie małych mocy.

Silniki elektryczne o trzech zębach wirnika (Z = 3) są budowane, jako maszyny prądu stałego z komutatorem mechanicznym o trzech działkach (K = 3) bądź z komutatorem elektronicznym. W zakresie małych mocy maszyny te są zwykle wzbudzane magnesami trwałymi ferrytowymi. Silniczek prądu stałego z komutatorem mechanicznym o mocy do około 2 W jest tani w produkcji i bardzo ekonomiczny w eksploatacji (rys. 2.1). Jego głównymi zaletami są mała masa i wysoka sprawność (ok. 50%), co predysponuje go do wszelkiego rodzaju napędów bateryjnych.

1. Zastosowanie

Ze względu na małe wymiary i moce znamionowe (od ułamków do kilkudziesięciu watów) zaliczane są do grupy mikromaszyn. Silniki wykonawcze prądu stałego znajdują szerokie zastosowanie w praktyce dzięki liniowości i dobrej stabilności charakterystyk sterowania. W celu uzyskania tych zalet obwód magnetyczny powinien być nienasycony, a wpływ oddziaływania twornika pomijalnie mały.

Silniki te najczęściej znajdują zastosowanie w układach automatyki, jako elementy wykonawcze serwomechanizmów.

1. Opis stanowiska laboratoryjnego

Stanowisko laboratoryjne składa się z dwóch identycznych silników sprzęgniętych razem za pomocą rurki elastycznej, zainstalowanych w rozbieralnej obudowie. Końce uzwojeń tworników są wyprowadzone. Po rozprzęgnięciu silników, na wale jednego z nich można zamocować kółko pasowe.

Silnikiem badanym w ćwiczeniu jest silnik wykonawczy prądu stałego typu AS-4 o danych znamionowych:

U_n = 17 V n_n = 6000 obr/min +15%-10% (przy MN)

P_n = 1,2W n₀ ≥ 6400 obr/min

M_N = 19,6·10^-4N·m (20 G·cm) I₀ ≤ 0,07 A

I_n ≤ 0,25 A

Podczas ćwiczeń wykorzystano sondę pomiarową HAMEG HZ56, jest to sonda prądowa AC/DC służąca do pomiaru prądu od 1mA do 30 A w bardzo dużym paśmie częstotliwości. Pomiar jest możliwy dzięki efektowi Hall’a, który rejestruje pole magnetyczne wytworzone podczas przepływu prądu. Bardzo duża dokładność pomiarów osiągana jest nawet dla skomplikowanych przebiegów. Napięcie wyjściowe sondy jest proporcjonalne do przepływającego przez nią prądu, jednocześnie jego wartość jest dostosowana do wejść oscyloskopu. Sonda prądowa w spełnia wszystkie wymagania stawiane przez normę IEC/EN 61010.

(This AC/DC Current Probe is used to measure currents from 1mA to 30 A over a broad frequency range. The measurement principle is based on the Hall Effect that registers the magnetic field generated by the current flow. Even for complex waveforms a high degree of measurement accuracy is achieved. The output voltage is proportional to the measured current and well suited to be displayed on an oscilloscope. The current probe complies with the safety standards defined in IEC/EN 61010.)

Pasmo pomiarowe: ±30 ADC / 20 AAC

Dokładność: ±1% ±2mA

Pasmo częstotliwości: DC to 100 kHz

Rozdzielczość: 1 mA

Napięcie wyjściowe: 100 mV/A

Impedancja obciążenia: > 100 kΩ

Stabilność napięcia: 3.7 kV / 50 Hz / 1min

Rodzaj połączenia: BNC-Cable, 2 m

1. Przebieg ćwiczenia

   1. Bieg jałowy maszyny

n=f(u), R = 0 Ω
U [V]
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0

Tabela 1. Pomiar prędkości kątowej w funkcji napięcia zasilającego.

Wykres 1. Charakterystyka biegu jałowego

1. Zależność momentu elektromagnetycznego silnika od prądu twornika

Długość ramienia przenoszącego siłe z wału silniczka na siłomierz: 15mm

Mem=f(I)
I [A]
1.0
2.0
3.4
3.5
4.1
4.7
6.1
6.6

Tabela 2. Pomiar siły przenoszonej przez ramię przymocowane do wału silnika w funkcji prądu twornika

Wykres 2. Charakterystyka zależności momentu elektromagnetycznego od prądu twornika

1. Wyznaczanie rodziny charakterystyk zewnętrznych

Rysunek 1. Schemat układu do wyznaczania charakterystyk mechanicznych silnika

Równanie opisujące linię trendu M_em=f(I): y = 170.77x - 0.4937

Częstotliwość komutowania prądu maszyny zasilanej: f_I = 2* ω [Hz]

Liczba działek komutatora: L_DzK = 3

Prędkość obrotowa silnika: n = f_I*60/L_DzK [obr/min]

n=f(I), dla U=6 V	n=f(I), dla U=12 V
I [A]	M [Nm]
1.4	0.0111
1.5	0.0117
1.7	0.0128
1.9	0.0140
2.0	0.0146
2.6	0.0181

Tabela 3. Pomiar prędkości kątowej silnika w funkcji prądu twornika

Wykres 3. Charakterystyka zależności momentu elektromagnetycznego od prędkości obrotowej silnika dla dwóch poziomów napięcia zasilającego

1. Wyznaczenie elektromagnetycznej stałej czasowej silnika

Rysunek 2. Schemat układu do wyznaczania elektromagnetycznej stałej czasowej silnika.

Stała oscyloskopu: 200mV/DIV

Stała sondy prądowej: 100mV/A

Prąd ustalony I₀: I₀ = 280mV * Stała sondy prądowej = 2,8 [A]

Rysunek 3. Wyznaczanie elektromagnetycznej stałej czasowej T na podstawie przebiegu prądu i(t).

T = t(0.632*2.8) = t(1,769) = 1.878 ms

1. Wnioski

● Sporządzone charakterystyki mechaniczne M_em = f(n) są liniowe (po zastosowaniu aproksymacji) i równoległe do siebie. Charakterystyki te są malejące, można je z pewnością uznać ze zbliżone do idealnych, książkowych charakterystyk. Można powiedzieć, że wraz ze wzrostem obrotów silnika, moment M maleje dla obu napięć zasilania.

● W celu obliczenia prędkości obrotowej silnika przyjęliśmy liczbę działek komutatora jako 3 (zgodnie z przedstawionym przykładem w instrukcji ćwiczenia). Niedokładność pomiaru pulsacji komutowanego prądu, a co za tym idzie również prędkości obrotowej, spowodowana jest w głównej mierze trudnościami w odczytywaniu danych z oscyloskopu (wynikają one z wzrostu zakłóceń badanego sygnału przy zwiększającej się pulsacji). Dowodzi temu charakterystyka biegu jałowego, na której widzimy wzrastającą niedokładność pomiarów wraz ze wzrostem częstotliwości komutowania prądu maszyny zasilającej.

● Zauważona została niezgodność rzeczywistych parametrów silnika laboratoryjnego względem danych znamionowych podanych w instrukcji do ćwiczenia.