P O L I T EC H N I K A C Z Ę S T O C H O W S K A

WY D Z I A Ł E L E K T R Y C Z N Y

Kierunek Elektrotechnika Przemysłowa i Informatyka

Silnik z przełączaną reluktancją

Wykonali:

Tracz Marcin

Oziębała Adam

Walkowiak Stanisław

1. Budowa silnika krokowego, zasada działania

Silnik krokowy jest urządzeniem elektromechanicznym, które przekształca impulsy elektryczne w dyskretne ruchy mechaniczne. Os silnika krokowego obraca sie o niewielkie przyrosty kata pod wpływem impulsów elektrycznych, podawanych w odpowiedniej kolejności. Obroty silnika są zwiazane bezpośrednio z podawanymi impulsami na kilka sposobów. Kierunek obrotów osi jest ściśle związany z sekwencja podawanych impulsów, prędkość obrotów zależy od częstotliwości tych impulsów, a kat obrotu - od ich ilości.

2. Zalety i wady silników krokowych

Zalety:

• Kat obrotu silnika jest proporcjonalny do ilości impulsów wejściowych.

• Silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku (o ile uzwojenia sa zasilane).

• Precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu - dobre silniki krokowe maja dokładność ok. 3-5% kroku i błąd ten nie kumuluje sie z kroku na krok

• Możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku..Niezawodne - ze względu na brak szczotek. Żywotność silnika zależy zatem tylko od żywotności łożysk.

• Zależność obrotów silnika od dyskretnych impulsów umożliwia sterowanie w pętli otwartej, przez co silnik krokowy jest łatwiejszy i tańszy w sterowaniu.

• Możliwość osiągnięcia bardzo niskich prędkości synchronicznych bezpośrednio na osi.

• .Szeroki zakres prędkości obrotowych uzyskiwany dzięki temu, ze prędkość jest proporcjonalna do częstotliwości impulsów wejściowych

Wady:

• Rezonanse mechaniczne pojawiające sie przy niewłaściwym sterowaniu.

• Trudności przy pracy z bardzo dużymi prędkościami.

• W praktyce małe maksymalne obroty: rzędu kilku-kilkuset obrotów na minutę.

• Występuje zjawisko gubienia kroków

• Duży pobór prądu

• Duża emisja ciepła

3. Rodzaje silników krokowych

1. Silnik z magnesem trwałym PM (Permanent Magnet)

Silnik ten często zwany silnikiem kubkowym, jest tani, charakteryzuje sie niska rozdzielczością (48-24 kroków na obrót). Jak nazwa wskazuje, silniki z magnesem trwałym maja w swej strukturze magnesy trwale. Inaczej niż w silnikach o zmiennej reluktancji, rotor nie posiada zębów, lecz jest namagnesowany naprzemiennie biegunami N i S tak, iż bieguny te są usytuowane w linii prostej, równoległej do osi rotora. Namagnesowane bieguny rotora wpływają na zwiększenie indukcji magnetycznej, dlatego silniki z magnesem trwałym w porównaniu z silnikami o zmiennej reluktancji maja lepsza charakterystykę momentowa.

2. Silnik hybrydowy HB (HyBrid)

Silnik hybrydowy jest bardziej kosztowny niż silnik z magnesem trwałym, ale ma lepsze parametry jeśli chodzi o rozdzielczość, moment i szybkość. Typowa rozdzielczość 100-400 kroków na obrót. Silnik hybrydowy łączy w sobie zalety silnika ze zmienna reluktancja i silnika z magnesem trwałym. Rotor ma wiele zębów jak w silnikach VR i posiada osiowo namagnesowane magnesy umieszczone koncentrycznie wokół osi. Zęby rotora zapewniają lepsza lepszą drogę przepływowi magnetycznemu, co dalej polepsza charakterystyki momentu spoczynkowego i dynamicznego w porównaniu z silnikami VR i PM.

3. Silnik bipolarny

Silnik bipolarny poznaje sie po tym, iż ma 4 przewody wyjściowe. Cykl składa sie z 4 kroków po czym sekwencja jest powtarzana. W silnikach bipolarnych należy zwrocie uwagę na to, ze występują stany zabronione, np. gdy pracuj T1 i T3, w tym wypadku jest duże prawdopodobieństwo, iż zostanie uszkodzone sterowanie

Aby silnik obracał sie w jednym kierunku należy zastosować kroki w kolejności 1,2,3,4 i następnie powtarzać ta kolejność, aby silnik obracał sie w stronę przeciwna, należy podawać kroki w odwrotnej kolejności czyli 4,3,2,1

Tranzystor	T2 i T3	T1 i T4	T6 i T7	T5 i T8
Krok 1	1	0	1	0
Krok 2	0	1	1	0
Krok 3	0	1	0	1
Krok 4	1	0	0	1

4. Silnik unipolarny

Silnik unipolarny poznaje sie po tym, iż ma 6 przewodów wyjściowych. Zdarza sie ze silnik unipolarny ma 5 przewodów, spowodowane to jest tym, ze przewody zasilające są połączone. Sterowanie silnikiem unipolarnym jest prostsze niż silnikiem bipolarnym, ale w zamian za to silnik unipolarny ma mniejszy moment obrotowy. Występuje sterowanie pół krokowe, co dwukrotnie zwiększa rozdzielczość silnika, ale zmniejsza moment obrotowy.

Sekwencja sterująca jest identyczna jak w silniku bipolarnym.

5. Silnik o zmiennej reluktancji VR (Variable Reluctance)

Ten typ silnika był przez długi czas bardzo popularny. Jest on chyba najprostszy ze strukturalnego punktu widzenia. Silnik taki składa sie z rotora o wielu zębach wykonanego z miękkiej stali i uzwojonego stojana. Kiedy uzwojenia stojana są zasilane prądem stałym, bieguny namagnesowują się. Ruch pojawia sie na skutek przyciągania zębów rotora przez zasilane bieguny stojana.

Rys 1 Stojan i wirnik silnika krokowego VR z jednym biegunem wirnika na jeden biegun stojana

W silniku przedstawionym na rysunku podziałki zębowe stojana i wirnika są takie same. Gdy kilka zębów wirnika przypada na jeden biegun stojana, to podziałki maja różne wartości. W przedstawionym rysunku uzwojenie dwu przeciwległych biegunów tworzy pasmo, układ taki nazywa się symetrycznym. Możliwe jest też rozwiązanie niesymetryczne wtedy całe uzwojenie jednego pasma jest umieszczone w jednym biegunie. Wadą tego rozwiązania jest nadmierne zużywanie się łożysk i hałaśliwa praca. Rozpatrywany silnik jest silnikiem jedno magnesowym. Istnieją konstrukcje wielomagnesowe o wiele lepszych właściwościach budowę takiego rozwiązania prezentuje rysunek poniżej.

wirnik silnika krokowego VR 3- segmentowego

silnik tego typu posiada trzy pakiety stojana przesunięte względem siebie. Istnieją konstrukcje o znacznie większej liczbie segmentów stojana, co umożliwia przy kolejnym zasilaniu impulsami segmentów dużej liczby kroków o małym kącie.

Wirnik i stojan 3 segmentowego silnika krokowego VR

Silniki VR posiadają długość kąta 0,45°-1,5° lecz można je wysterować dużą częstotliwością dochodząca do 100 kHz a nawet więcej. Wirnik taki wykonany jest z miękkiej magnetycznej stali dzięki czemu nie posiada momentu trzymającego, jeśli w uzwojeniu stojana nie płynie prąd. Pozwala to w łatwy sposób rozróżnić silnik VR od silników PM czy HB gdyż wirnik obraca się swobodnie przy braku zasilania

6. Silnik tarczowy

Istnieją jeszcze inne typy silników krokowych. Jednym z nich jest silnik tarczowy. Rotor takiego silnika ma kształt dysku z naniesionymi nań magnesami z metali ziem rzadkich. Silnik tarczowy ma pewne zalety, takie jak bardzo mała bezwładność i optymalny obwód magnetyczny bez wzajemnego wpływu uzwojeń stojana. W pewnych zastosowaniach cechy te są niezbędne.

4. Reluktancja

Reluktancja (rezystancja magnetyczna) obwodu magnetycznego - jest stosunkiem siły magnetomotorycznej przyłożonej do obwodu do całkowitego strumienia magnetycznego w obwodzie; odwrotność permeancji. Jednostką w układzie SI jest henr

Reluktancja jest to mówiąc prosto oporność magnetyczna. Analogicznie do oporności elektrycznej jednostki A/Vs.

Wówczas:

Strumień natężenia poloa magnetycznego napięcie

Strumień indukcji pola magnetycznego

Strumień w obwodzie magnetycznym jest funkcja przepływu ( I*z) oraz reluktancji (oporu magnetycznego) R_m tym mniejszej im mniejszy jest kąt β czyli kąt wychylenia się wirnika do stanu równowagi

gdzie : I - prąd płynący w uzwojeniu

z- liczba zwojów

R_m - opór magnetyczny

W opisany sposób powstaje momęt reluktancyjny do ustawienia wirnika w pozycji β=0

5. Zastosowanie silników krokowych.

Użycie silnika krokowego może być trafnym wyborem, kiedy tylko wymagany jest kontrolowany ruch. Mogą być one użyte tam, gdzie trzeba sterować kątem, prędkością, pozycją lub synchronizmem. Z powodu wcześniej wymienionych zalet silniki krokowe znalazły wiele zastosowań np. w drukarkach, ploterach, sprzęcie biurowym, napędach dysków, sprzęcie medycznym, faksach, napędzie przemysłowym i wielu innych.

---