Silnik o wirniku reluktancyjnym

Na rys. 5 przedstawiono zasadê dzia³ania

silnika skokowego o wirniku reluktancyj-

nym o czterech zêbach. Na szeœciu biegu-

nach ferromagnetycznego stojana znajdu-

je siê uzwojenie w postaci szeœciu cewek,

które ³¹czy siê w trzy pasma: ka¿de pa-

smo sk³ada siê z dwóch, przeciwleg³ych

cewek i jest zasilane niezale¿nym napiêciem

o sta³ej biegunowoœci (zasilanie napiêciowe

bipolarne).

Na rys. 5a przedstawiono sytuacjê, gdy pa-

smo 1 jest zasilane napiêciem o umownie

dodatniej biegunowoœci, a wirnik znajduje

siê w takim po³o¿eniu, które zapewnia naj-

mniejsz¹ reluktancjê na drodze strumienia

pasma 1 (oœ dobrej przewodnoœci wirnika

pokrywa siê z osi¹ strumienia, a zwrot stru-

mienia nie jest istotny; gdyby zmieniæ pola-

ryzacjê napiêcia zasilaj¹cego pasmo 1, to

sytuacja by³aby identyczna). Jest to po³o¿e-

nie równowagi stabilnej. Jeœli od³¹czyæ za-

silanie pasma 1, a zasiliæ pasmo 2 napiê-

ciem o takiej samej polaryzacji co uprzednio

pasmo 1, to wektor strumienia stojana prze-

mieœci siê o 2

π

/

3 rad elektr. w kierunku

przeciwnym do ruchu wskazówek zegara

(rys. 5b). Na wirnik zadzia³a moment elek-

tromagnetyczny, który spowoduje jego ruch

w kierunku minimalnej reluktancji na drodze

strumienia pasma 2 i po zaniku oscylacji wir-

nik zatrzyma siê w po³o¿eniu jak na rys.

5c. Z uwa¿nego porównania rysunków wi-

daæ, ¿e ruch wirnika bêdzie odbywa³ siê

w tym samym kierunku co ruch wektora

strumienia, a skok, jaki wykona wirnik wyno-

si w tym przypadku  2

π

/

12 rad. Kolejny

skok, najpierw strumienia uzwojenia stoja-

na a za nim wirnika, zostanie wykonany po

od³¹czeniu zasilania pasma 2 i zasileniu

pasma 3 napiêciem o identycznej biegu-

nowoœci jak uprzednio dla pasm 1 i 2. Przy

opisanym sposobie zasilania otrzymuje siê

28

SILNIKI SKOKOWE

(2)

komutacjê trójtaktow¹, co znaczy, ¿e mo¿-

liwe s¹ tylko trzy ró¿ne uk³ady napiêæ zasi-

laj¹cych pasma uzwojenia stojana daj¹ce

trzy ró¿ne po³o¿enia wektora strumienia

stojana. Zmiana polaryzacji napiêæ zasilaj¹-

cych zmieni wprawdzie zwroty poszczegól-

nych strumieni na przeciwne (obrót wekto-

ra strumienia o

π

rad elektr.), lecz nie wp³y-

nie to na ruch wirnika.  Omówiony cyklogram

komutacji mo¿na zapisaæ skrótowo: (+1),

(+2), (+3), (+1),...  lub (-1), (-2), (-3), (-1),...

Drugi kierunek wirowania uzyskuje siê przy

sekwencji prze³¹czeñ np. wg cyklogramu:

(+1), (+3), (+2), (+1),...

Podobn¹ komutacjê trójtaktow¹ mo¿na zre-

alizowaæ zasilaj¹c jednoczeœnie oba pasma

uzwojenia napiêciami o kolejno zmienianej

biegunowoœci, np. wg cyklogramu: (+1,+2),

(+2,+3), (+1,+3), (+1,+2),... lub (-1, -2), (-2,-3),

(-1,-3), (-1,-2),... Wówczas strumieñ wypad-

kowy uzwojenia stojana, a za nim wirnik, bê-

d¹ zajmowa³y kolejne po³o¿enia poœrednie

w stosunku do zilustrowanych na rys. 5, tzn.

przesuniête o po³owê skoku podstawowego.

Przyk³ad jednego z takich po³o¿eñ stabil-

nych nieobci¹¿onego wirnika – dla zasila-

nia (+1,+2) – przedstawiono na rys. 6a. Na-

tomiast na rys. 6b przedstawiono wirnik

w identycznym po³o¿eniu stabilnym, lecz

przy zasilaniu (+1,-2). Co prawda drogi stru-

mienia magnetycznego s¹ inne, a dla rzeczy-

wistego silnika oznacza to nieznaczn¹ zmia-

nê wartoœci momentu elektromagnetyczne-

go, lecz po³o¿enia stabilne wirnika i wartoœæ

skoku pozostaj¹ takie same. Widaæ zatem, ¿e

mo¿liwe jest zasilanie pasm uzwojenia silni-

ka reluktancyjnego napiêciem o przemiennej

polaryzacji, jednak nie znajduje to uzasa-

dnienia ani teoretycznego, ani praktycznego.

Przy komutacji uzwojeñ parami w przypadku

silnika reluktancyjnego trójpasmowego nie

uzyskuje siê lepszego wykorzystania silnika;

moment elektromagnetyczny pozostaje teo-

retycznie niezmieniony.

Dla silnika o wirniku reluktancyjnym skok

wektora strumienia uzwojenia wynosi:  

skok mechaniczny wirnika wynosi: 

a liczba taktów komutacji symetrycznej: 

k = m gdzie: m oznacza liczbê pasm uzwo-

jenia, a Z

r

_  liczbê zêbów wirnika.

Na rys. 7 przedstawiono przyk³ad silnika

skokowego o wirniku reluktancyjnym i uzwo-

jeniu czterobiegunowym w po³o¿eniu równo-

wagi bez obci¹¿enia, przy zasilaniu pasma

1. Jest to ”podwojona” konstrukcja silnika

z rys.5, co oznacza, ¿e wirnik bêdzie mia³

drobniejszy skok : 2

π

/

24 rad (gdy¿ liczba zê-

bów wirnika wynosi:  Z

r

= 8), oraz ¿e silnik

bêdzie mia³ wiêkszy moment elektroma-

gnetyczny (teoretycznie dwukrotnie gdy¿ 

p = 2).

Silnik o wirniku hybrydowym

Na rys. 8 przedstawiono zasadê konstruk-

cji silnika skokowego o wirniku hybrydo-

wym.  W obu przypadkach jest to silnik

o uzwojeniu dwupasmowym: na rys. 8a uzwo-

jenie jest dwubiegunowe (p = 1), a na rys.

8b – czterobiegunowe (p = 2). Dla ka¿dego

z przyk³adów wirnik zbudowany jest iden-

tycznie: dwubiegunowy magnes cylindrycz-

ny namagnesowany osiowo zaopatrzony

.;

elektr

.

rad

m

2

e

π

=

α

Radioelektronik Audio-HiFi-Video  9/2003

r

SIÊGAMY 

DO PODSTAW

Rys. 5. Ilustracja zasady dzia³ania silnika skokowego o wirniku reluktancyjnym o czterech zêbach

a)

b)

c)

rad

m

Z

2

r

π

=

α

Rys. 6. Przyk³ady po³o¿eñ stabilnych

nieobci¹¿onego wirnika silnika reluktancyjnego

przy zasilaniu dwóch pasm

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

a)

b)

Firma Kingston Technology Company poin-

formowa³a o wprowadzeniu nowego modu-

³u DataTraveler typu flash o pojemnoœci 256

MB z magistral¹ USB. Obecnie dostêpne s¹

wersje o pojemnoœci 32, 64, 128 i 256 MB.

Niewielkie wymiary modu³u (7,3 x 2,4 cm)

i praca plug and play doskonale uzupe³nia-

j¹ du¿¹ pojemnoœæ i przep³ywnoœæ. Po do³¹-

czeniu do portu USB komputera modu³ jest

rozpoznawany jako kolejny dysk twardy. Da-

taTraveler jest wyposa¿ony w interfejs USB

w wersji 1.1 i wspó³pracuje z najnowszymi

systemami operacyjnymi. Jest objêty piê-

cioletni¹ gwarancj¹ i bezp³atn¹ pomoc¹ tech-

niczn¹. Wszystkie noœniki cyfrowe firmy

Kingston dostêpne s¹ za poœrednictwem

tradycyjnych kana³ów dystrybucji oraz przed-

stawicieli i sklepów internetowych. Wiêcej in-

PAMIÊÆ FLASH 256 MB Z MAGISTRAL¥ USB

formacji na temat noœników cyfrowych firmy

Kingston uzyskaæ mo¿na pod adresem:

www.kingston.com/flash.

(cr)

29

jest po obu koñcach w drobno uzêbione

wieñce ferromagnetyczne. Jeden wieniec

obrócony jest wzglêdem drugiego o po³owê

podzia³ki ¿³obkowej. Oznacza to, ¿e jeœli

przedni wieniec na rysunku ma umown¹

polaryzacjê N, to tylny wieniec (którego zê-

by widaæ w œwietle wyciêæ wieñca przednie-

go) ma polaryzacjê S. W obu przypadkach

wirniki zajmuj¹ po³o¿enie stabilne przy za-

silaniu pasma 1 umownie dodatnim napiê-

ciem i przy braku obci¹¿enia. Wy³¹czenie

zasilania pasma 1 i zasilenie pasma 2 spo-

woduje obrót wirnika o jedn¹ czwart¹ (dla

m = 2) podzia³ki ¿³obkowej, czyli o k¹t: 

Z

r

oznacza liczbê zêbów na jednym wieñ-

cu wirnika. 

Ruch wirnika zale¿y od polaryzacji napiêæ

zasilaj¹cych w taki sam sposób jak dla sil-

nika o wirniku z klasycznym magnesem

trwa³ym. Wielobiegunowe wykonanie uzwo-

jenia nie zmniejszy wartoœci skoku, ale

zwiêkszy wartoœæ momentu elektromagne-

tycznego. Dla  p = 1 liczba zêbów wieñca

wirnika bêdzie nieparzysta, a dla 

p = 2 – bêdzie parzysta.

Rodzaje pracy

Jeœli pr¹d pasma uzwojenia przyjmuje tylko

wartoœæ znamionow¹, a w ka¿dym takcie

bierze udzia³ taka sama liczba pasm, to jest

to  praca pe³noskokowa silnika. Skok jaki

wykonuje wirnik przy pracy pe³noskokowej

nosi nazwê skoku podstawowego. Wszyst-

kie opisane wy¿ej przyk³ady dotyczy³y pra-

cy pe³noskokowej. Pracê pe³noskokow¹

mo¿na zrealizowaæ np. przy komutacji i prze-

wodzeniu pasm pojedynczo lub parami. Ale

jeœli w jednym takcie bierze udzia³ inna licz-

ba pasm ni¿ w nastêpnym takcie, to jest to

komutacja niesymetryczna, a realizowana

praca nazywa siê prac¹ pó³skokow¹, gdy¿

pojedynczy skok jest dwukrotnie mniejszy

ni¿ przy pracy pe³noskokowej.

.

rad

m

Z

2

r

2

π

=

α

Radioelektronik Audio-HiFi-Video  9/2003

stawowy, a ci¹g³ym wirowaniem wektora

strumienia jak np. w klasycznym silniku syn-

chronicznym. Uzyskanie pracy miniskokowej

jest mo¿liwe przez dostarczenie do pasm

uzwojenia pr¹dów o wartoœciach wynika-

j¹cych ze skoñczonej dyskretyzacji prze-

biegów sinusoidalnych. Przyk³adowo dla

dwupasmowego silnika skokowego o wirni-

ku z magnesem trwa³ym, dla uzyskania

skoków o sta³ej wartoœci i przy sta³ej warto-

œci maksymalnej momentu elektromagne-

tycznego, pr¹dy w pasmach powinny przyj-

mowaæ wartoœci wg zale¿noœci:

przy czym c  oznacza liczbê miniskoków na

skok podstawowy, a n – numer minitaktu.

Ze wzglêdu na wystêpowanie zjawiska histe-

rezy, które mo¿e powodowaæ opuszczanie

skoku przy zbyt ma³ych zmianach wektora

strumienia magnetycznego, ogranicza siê licz-

bê miniskoków najczêœciej  do 16...64...128

miniskoków na skok podstawowy.

Praca miniskokowa zmniejsza pulsacje mo-

mentu elektromagnetycznego, ogranicza

mo¿liwoœæ wyst¹pienia rezonansu mecha-

nicznego, obni¿a poziom drgañ i ha³asu oraz

poprawia dok³adnoœæ pozycjonowania.

n

Andrzej Pochanke

(

)

(

)

,

c

n

sin

I

i

;

c

n

cos

I

i

n

n

2

1

2

1

2

1

π

−

⋅

=

π

−

⋅

=

.

rad

4

8

2

π

=

π

=

α

Przyk³adowo, dla silnika skokowego dwupa-

smowego o wirniku z magnesem trwa³ym

dwubiegunowym, zasilanego tak, ¿e w jed-

nym takcie przewodzi jedno pasmo a w na-

stêpnym dwa pasma, przy jednoczesnej

zmianie polaryzacji pr¹dów, otrzymuje siê

pracê pó³skokow¹. Cyklogram takiej komu-

tacji mo¿e byæ nastêpuj¹cy:  (+1), (+1,+2),

(+2), (-1,+2), (-1), (-1,-2), (-2), (+1,-2), (+1),...

Jest to cykl oœmiotaktowy w trakcie którego

wirnik wykonuje skoki o wartoœci 

α

= 

π

/4 rad,

co daje dwa skoki na skok podstawowy.

Niestety, dla co drugiego skoku wartoϾ

momentu elektromagnetycznego bêdzie

teoretycznie 

√

2 razy wiêksza, co mo¿e

powodowaæ gorsz¹ równomiernoœæ ruchu.

Dla wyrównania wartoœci momentu

nale¿a³oby, dla taktów w których przewodz¹

oba pasma, zmniejszyæ wartoœci pr¹dów w

pasmach  

√

2  razy.

Dla silnika skokowego trójpasmowego o

wirniku reluktancyjnym pracê pó³skokow¹

realizowaæ mo¿na np. wed³ug cyklogramu:

(+1), (+1,+2), (+2), (+2,+3), (+3), (+1,+3),

(+1),..., czyli w cyklu szeœciotaktowym przy

skoku wirnika o k¹t 

α

= 

π

/12 rad

.

Realizacja dalszego podzia³u skoku pod-

stawowego prowadzi do pracy miniskoko-

wej. Praca miniskokowa jest stanem po-

œrednim miêdzy dyskretnym przemieszcza-

niem siê wektora strumienia o skok pod-

Rys. 7. Silnik skokowy o wirniku 

reluktancyjnym i uzwojeniu

czterobiegunowym

Rys. 8. Zasady konstrukcji silnika skokowego o wirniku

hybrydowym

a)

b)

1

2

3

3

1

2

2

2

1

1

2

2

1