Silnik z komutatorem elektronicznym
ĆWICZENIE 3  SILNIK Z KOMUTATOREM ELEKTRONICZNYM
Wprowadzenie
Wady komutatora mechanicznego zadecydowały o rozwoju silników z komutato-
rem elektronicznym. Silniki tego typu są obecnie powszechnie stosowane w napędach
wymagających stabilizacji bądz
regulacji prędkości obrotowej, takich jak: urządzenia
komputerowe, sprzęt wideofoniczny, samochodowe urządzenia elektromechaniczne,
sprzęt gospodarstwa domowego, urządzenia przemysłowe, w robotyce i
manipulatorach do napędu wind, pojazdów transportowych i innych. Silnik z
komutatorem elektronicznym mo\
e zastąpić ka\
dą dotychczas stosowaną maszynę
elektryczną, stąd uwa\
any jest za napęd przyszłościowy.
Silnik z komutacją elektroniczną ma budowę odwróconą w stosunku do silnika
prądu stałego. Na wirniku są umieszczone magnesy trwałe, a na stojanie uzwojenie
twornika, które mo\
e być skupione lub rozło\
one w \
łobkach na wewnętrznej
powierzchni cylindra stojana. W typowych rozwiązaniach wirnik z magnesami
trwałymi jest elementem wewnętrznym. Zdarzają się jednak maszyny o budowie
odwróconej, co wynika najczęściej z mechanicznego scalenia silnika z urządzeniem
napędzanym. Budowę taką mają m.in. mikrosilniki wentylatorów. Umieszczenie
magnesu trwałego na piaście wentylatora pozwala scalić konstrukcję silnika z
wentylatorem.
Uzwojenie skupione stosuje się zwykle w silnikach małej mocy. Wyró\
nić tu
mo\
na dwa typy uzwojenia:
- uzwojenie trójpasmowe,
- uzwojenie dwupasmowe.
Uzwojenia te pod względem elektromagnetycznym są sobie równowa\
ne, gdy\

mo\
na wzbudzić w szczelinie silnika sinusoidalny bądz
trapezowy rozkład pola
magnetycznego za pomocą tak trój-, jak i dwupasmowego uzwojenia.
W zakresie większych mocy standardowe jest uzwojenie trójpasmowe. Budowa
silnika z uzwojeniem trójpasmowym jest pod względem magnetycznym identyczna jak
20
Silnik z komutatorem elektronicznym
silnika prądu stałego o trzech działkach komutatora (K = 3), natomiast konstrukcyjnie
wirnik i stojan są ze sobą zamienione.
Silniki najmniejszej mocy wykonuje się z dwupasmowym uzwojeniem twornika
A,B. Są one stosowane w napędach nie wymagających precyzyjnej regulacji prędkości
obrotowej bądz
poło\
enia, jak np. napęd wentylatorów w urządzeniach komputero-
wych i elektronicznych.
Komutacja elektroniczna polega na zastąpieniu komutatora mechanicznego i
szczotek układem energoelektronicznym. Budowa silnika z komutacją elektroniczną o
trzech pasmach uzwojenia o liczbie biegunów 2p = 2 jest pokazana na rys. 3.1, zaś
sposoby sterowania komutatorem elektronicznym silnika bezszczotkowego prądu stałe-
go mo\
na zilustrować w oparciu o obwód elektromagnetyczny tego\
silnika (rys. 3.2).
Celem sterowania komutatorem elektronicznym jest utrzymanie kąta
Ą
ą = między strumieniem wzbudzenia Śf i sumarycznym przepływem twornika Śa :
2
Ą
ą = "(Śf ,Śa)= (3.1)
2
2 5 1 2 4 3
1
4
3
Rys. 3.1. Silnik z komutacją elektroniczną o trzech zębach twornika: 1  korpus, 2  jarzmo twornika,
3  magnes trwały, 4  uzwojenie, 5  czujnik halotronowy
21
Silnik z komutatorem elektronicznym
oś N-S
oś pasma
"A"
A
iA
f
m
iB
a
B
C
iC
Rys. 3.2. Obwód elektromagnetyczny silnika bezszczotkowego prądu stałego
Ą
Tylko przy ą = mo\
na mówić o silniku bezszczotkowym prądu stałego, gdy\

2
tylko wówczas stan elektromagnetyczny silnika jest identyczny jak w silniku
komutatorowym prądu stałego. Wektor strumienia wzbudzenia Śf wiruje z prędkością
kątową �, zatem z taką samą prędkością kątową powinien wirować wektor przepływu
Ą
twornika Śa . Utrzymywanie kąta ą = między wektorami Śf i Śa jest zadaniem
2
komutatora elektronicznego (rys.3.3). Komutator elektroniczny realizuje to zadanie
poprzez regulację prądu w pasmach uzwojenia stojana A,B i C. Jak wiadomo w teorii
pola wirującego poło\
enie osi przepływu wypadkowego Śa zale\
y od wartości
chwilowych prądu w pasmach uzwojenia ia, ib i ic. Odwracając tę zasadę oznacza to, \
e
jeśli wiemy, jakie ma być poło\
enie wektora Śa (a narzuca je poło\
enie wektora Śf ),
to komutator elektroniczny musi dopasować do tego poło\
enia wartości chwilowe
prądów ia, ib i ic. Zatem warunkiem koniecznym poprawnego sterowania komutatorem
elektronicznym jest ciągła obserwacja poło\
enia wektora Śf . Zadanie to realizowane
jest przez enkodery.
22
Silnik z komutatorem elektronicznym
+
M
U
Enkoder
-
Rys. 3.3. Komutator elektroniczny  trójfazowy mostek tranzystorowy do zasilania bezszczotkowego
silnika prądu stałego
Sterowanie komutatorem elektronicznym
Stosowane są dwa sposoby sterowania komutatorem elektronicznym:
- sterowanie trapezowe,
- sterowanie sinusoidalne.
Sterowanie trapezowe
Sterowanie trapezowe polega na tym, \
e przy pasmach uzwojenia połączonych w
gwiazdę, prąd płynie tylko w dwóch pasmach uzwojenia, w trzecim prąd jest równy
zero (rys. 3.4).
+
A
B
U
C
-
23
Silnik z komutatorem elektronicznym
Rys. 3.4. Sterowanie trapezowe komutatorem elektronicznym; A,B,C  trójpasmowe uzwojenie silnika
Zasilanie poszczególnych pasm jest sekwencyjnie przełączane zgodnie z
wirowaniem wektora Śf . Taki sposób sterowania powoduje, \
e prąd płynie tylko w
dwóch pasmach uzwojenia. Przy przełączeniu prądu z jednego pasma na drugie
następuje zmiana poło\
enia wektora przepływu Śa . Tak więc kąt ą zmienia się w
czasie tak jak to pokazano na rys.3.5.
Ą
2
t
0
tk tk+1
Rys. 3.5. Kąt ą między wektorami i przy sterowaniu trapezowym
Śf Śa
Funkcję zmiany kąta w czasie mo\
na tak\
e zapisać analitycznie
2 1 t - tk
ą(t) = Ą - Ą dla tk < t < tk +1. (3.2)
3 3 tk +1 - tk
Wartość średnia kąta ą(t)
tk+1
1 Ą
ą(t) = ąav = ą(t)dt = . (3.3)
+"
tk +1 - tk tk 2
Sterowanie trapezowe utrzymuje więc wartość średnią kąta między wektorami
Ą
Śa i Śf równą . Prostota tego sterowania polega na tym, \
e enkoder sterujący pracą
2
komutatora elektronicznego wskazuje chwilę, kiedy na dane pasmo uzwojenia nale\
y
24
Silnik z komutatorem elektronicznym
załączyć napięcie. Wyłączenie napięcia następuje w chwili załączenia napięcia na
kolejne pasmo. Enkoder pracuje więc jak przekaz
nik (zero, jeden). Przykład takiego
sterowania pokazano na rys. 3.6. Jako enkodery zastosowano halotrony.
Klucze elektroniczne są sterowane sygnałem napięciowym z sensora halotrono-
wego H umieszczonego na stojanie w pobli\
u wirującego magnesu trwałego wirnika
N-S. Gdy koniec nabiegający bieguna N magnesu trwałego pokryje się z osią poło\
enia
halotronu HA, wówczas sensor halotronowy przeka\
e sygnał do załączenia kluczy V1,
V3. Jest to oś załączenia napięcia na pasmo A uzwojenia. Wyłączenie występuje, gdy
kraniec zbiegający bieguna N magnesu trwałego przekroczy oś halotronu HA.
Załączanie i wyłącznie kluczy V2, V4 odbywa się podobnie.
a)
V1
V2
V3
A
V4
N
S
oś załączania
HA m
i wyłączania
B
pasma A
N
S
HB
V5 V7 V8
V6
+ -
U
25
Silnik z komutatorem elektronicznym
b)
1
2
0 Ą Ą
Kąt obrotu
1
2
0 Ą Ą
Kąt obrotu
1
2
0 Ą Ą
Kąt obrotu
1
2
0 Ą Ą
Kąt obrotu
Rys. 3.6. Silnik dwufazowy z komutatorem elektronicznym: a) schemat elektryczny, b) histogram
załączania kluczy elektronicznych
Sterowanie sinusoidalne
Sterowanie sinusoidalne polega na tym, \
e kąt między wektorami Śf i Śa ma
Ą
wartość stałą równą . Aby takie sterowanie mo\
na było realizować, nale\
y śledzić w
2
sposób ciągły poło\
enie wektora Śf . Chwilowa wartość prądu w poszczególnych
pasmach uzwojenia musi być tak regulowana, aby uzyskiwać po\
ądane poło\
enie
wektora Śa . Enkoder realizujący to zadanie jest układem bardziej zło\
onym,
a komutator elektroniczny musi realizować kluczowanie tranzystorów w systemie
modulacji szerokości impulsów, aby np. przy stałej prędkości wirowania wirnika
(�m = const) wartości średnie prądów w pasmach uzwojenia zmieniały się
sinusoidalnie.
26
V1;V3
V2;V4
V5;V7
V6;V8
Silnik z komutatorem elektronicznym
Enkodery
Do sterowania komutatorem elektronicznym stosowane są trzy typy enkoderów:
halotronowe, optoelektroniczne i elektromagnetyczne. Enkoder elektroniczny działa na
zasadzie wirującej tarczy z elementami bądz
to przepuszczającymi światło (jedno
rozwiązanie), bądz
je odbijającymi. Światło to wysterowuje następnie fototranzystor.
Światło generowane jest np. przez fotodiodę. Enkoder elektromagnetyczny to np.
resolwer. Najprostszym enkoderem jest enkoder halotronowy omówiony poni\
ej.
Enkoder halotronowy
Składa się z nieruchomej tarczy, na której przymocowane są halotrony. Liczba
halotronów jest równa liczbie pasm uzwojenia. Halotrony są rozmieszczone
symetrycznie na obwodzie na średnicy magnesów trwałych, kąt między halotronami
2Ą
wynosi . Tarcza halotronowa jest umieszczona w pobli\
u wirnika tak, aby pole
3p
magnetyczne rozproszenia magnesów trwałych przenikało przez halotrony. Pole to
wysterowuje halotron, który przekazuje sygnał do połączonego z nim klucza
energoelektronicznego. Jest to najprostszy typ enkodera pracującego w systemie (0;1),
który realizuje sterowanie trapezowe komutatora elektronicznego. W silnikach małej
mocy stosowany jest powszechnie. W silnikach większej mocy pracujących przy
du\
ych przecią\
eniach prądowych staje się zawodny, gdy\
jego pracę zakłóca pole
magnetyczne rozproszenia generowane przez czoła uzwojenia stojana. Konsekwencją
tego mo\
e być błędne wysterowanie zaworów energoelektronicznych i zwarcia w
układzie.
Modyfikację tego rozwiązania mo\
na zrealizować poprzez ekranowanie
halotronów od pola rozproszenia czół uzwojenia stojana. Innym rozwiązaniem jest
wzbudzenie halotronów z dodatkowych magnesów trwałych o liczbie biegunów
równej liczbie biegunów silnika.
27
Silnik z komutatorem elektronicznym
Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko laboratoryjne składa się z silnika z komutatorem elektronicznym z
wbudowanym bocznikiem i układem obcią\
ającym (rys. 3.7).
W ćwiczeniu wykorzystano silnik wentylatora typu KDE1209PTs1-6 o danych
znamionowych:
UN = 12 V, PN = 2,8 W, (MN H" 7 mN�m, IN H" 260 mA, nN H" 3600 obr/min), z halotrono-
wym czujnikiem poło\
enia wirnika.
Schemat poglądowy stanowiska przedstawiono na rys. 3.7.
Silnik zasilany jest z zasilacza prądu stałego o regulowanym napięciu
wyjściowym. Rezystor Rb w obwodzie badanego silnika słu\
y do rejestracji
oscylograficznej prądu silnika. Prędkość obrotową mierzy się stroboskopem lub
oblicza, mierząc czas, przez który jest zasilane pojedyncze uzwojenie silnika (uwaga:
nale\
y uprzednio sprawdzić liczbę biegunów magnesu za pomocą folii magnetycznej).
Na osi silnika (1) umocowana jest lekka aluminiowa tarcza (2). Zewnętrzne obcią\
enie
stanowi uło\
yskowana tarcza z magnesu trwałego (3) z przymocowanymi do niej
dwoma cię\
arkami (5) i wskazówką (4). Obracająca się wraz z silnikiem tarcza
aluminiowa przecina linie sił pola magnetycznego pochodzącego od magnesu
trwałego, przy czym natę\
enie pola magnetycznego zmienia się, oddalając lub
przybli\
ając magnes. W tarczy indukują się prądy wirowe, stanowiące z
ródło momentu
hamującego silnik. Jeden z cię\
arków (5) mo\
na przesuwać w osi prostopadłej do osi
obrotu tarczy (6). Jeśli beleczka z cię\
arkami będzie znajdować się w poło\
eniu
równowagi, to wychodząc z równania równowagi momentów mo\
na obliczyć moment
obcią\
enia silnika.
Masa cię\
arka wynosi 17 g.
28
Silnik z komutatorem elektronicznym
Obcią\
enie
Osc
2
3
1
5
4
A
Rb
M
U
V
n
5
6
Rys. 3.7. Układ do pomiaru charakterystyk elektromechanicznych silnika z komutatorem elektronicz-
nym: 1  wałek, 2  tarcza aluminiowa, 3  tarcza z magnesu trwałego, 4  wskazówka,
5 - cię\
arki, 6  oś obrotu
Program ćwiczenia
1) Oględziny silnika
Przeprowadza się oględziny kilku silników z komutatorem elektronicznym.
2) Pomiar charakterystyk biegu jałowego P0, I0, n = f(U).
Zmieniając napięcie zasilania od 0 do UN co 2 V, nale\
y zmierzyć:
- prąd pobierany przez silnik,
- prędkość obrotową silnika.
Obliczyć moc pobieraną przez silnik.
3) Pomiar charakterystyk mechanicznych silnika
Obcią\
ając silnik hamulcem z magnesem trwałym mierzy się charakterystykę
I, M = f(n) dla kilku ró\
nych napięć zasilania.
4) Oscylogramowanie prądu twornika
Nale\
y obejrzeć na oscyloskopie i zarejestrować na papierze przebieg czasowy
prądu twornika:
- w stanie ustalonym,
- przy pobudzeniu silnika jednostkowym skokiem napięcia,
29
Silnik z komutatorem elektronicznym
- przy nagłej zmianie obcią\
enia.
Ocenić jakość komutacji.
5) Oscylogramowanie napięcia na pojedynczym uzwojeniu
Zasilić silnik napięciem znamionowym, obejrzeć na oscyloskopie i zarejestrować
przebieg napięcia na uzwojeniu.
30