lekcija4

Lekcija 4Istosmjerni motori s permanentnim magnetima

Doc.dr.sc. Jasmin VelagiElektrotehniki fakultet SarajevoKolegij: Aktuatori

Prednosti permanentnih magneta imaju u zadnjih nekoliko godina znaajan utjecaj na razvoj elektrikih strojeva.

Ove prednosti su: eliminiranje gubitaka u bakru, visoka gustoa energije i efikasnost, malen moment inercije rotora, mogui vei zrani raspor zbog vee koercitivne sile.

Nedostaci permenentnih magneta: gubitak fleksibilnosti upravljanja magnetskim tokom, trokovi visoke gustoe toka permanentnih magneta su visoki, magnetske karakteristike se mijenjaju s vremenom, gubitak magnetskih svojstava (magnetiziranja) iznad Curie-

jeve temperature.

4.1. Svojstva permanentnih magneta2/48

Permanentni magnetski materijali imaju specijalne karakteristike koje se moraju uzeti u obzir pri dizajnu stroja.

Na primjer, najbolje performanse se postiu s lomljivom keramikom, neki materijali su hemijski osjetljivi, svi su temperaturno osjetljivi i veina ima osjetljivost na razmagnetizirajua polja.

Odgovarajui dizajn zahtijeva dobro razumijevanje materijala.

Svojstva permanentnih magneta3/48

Tipina B-H petlja za permanentni magnet je prikazana na slijedeoj slici.

Dio krivulje zbog koje se permanentni magneti koriste u dizajniranju motora je gornji lijevi kvadrant.

Ovaj segment se naziva krivulja razmagnetiziranja i prikazana je na slijedeem slajdu.

B-H petlja4/48

Krivulja razmagnetiziranja

Najloiji sluaj razmagnetiziranja

Puno optereenjeBez optereenja

Linijatereta

- Remanentna indukcijaBr

Recoil line

HcKoercitivna sila H (Oersted)

B

(

G

a

u

s

s

)

0

D'C' B'

A'

AC

5/48

Gustoa remanentnog (zaostalog) toka Br bit e raspoloiva ako je magnet kratko spojen.

Meutim, sa zranim rasporom razmagnetiziranje e rezultirati radnom takom bez optereenja (tereta), B.

Nagib linije bez optereenja je manji sa veim zranim rasporom. S protokom struje kroz stator, nastaje slijedee razmagnetiziranje

permanentnog magneta koje uzrokuje pomicanje radne take prema C, koja predstavlja puno optereenje.

Tranzijenti ili kvarovi stroja mogu dovesti do najloijeg sluaja razmagnetiziranja koji vodi ka ukupnom razmagnetiziranju permanentnog magneta.

Recoil line slijedi tranzijent koji pokazuje smanjenje gustoe magnetskog toka u usporedbi s originalnom linijom.

Potpuno je jasna vanost upravljanja radom magneta kako bi se zadrala radna taka van uvjeta najloijeg sluaja razmagnetiziranja.

Krivulja razmagnetiziranja6/48

Permanentni magnet se moe djelimino ili potpuno razmagnetizirati djelovanjem suprotnog magnetskog polja.

U sluaju motora s permanentnim magnetima suprotno magnetsko polje predstavlja reakciju armature, koju proizvode strujom protjecani armaturni namoti.

Zbog toga dolazi do smanjenja pobudnog polja, koje je, meutim, do izvjesne mjere reverzibilno, tj. nestankom struje armature permanentni magneti se vraaju u svoje prvobitno stanje.

Ako jakost struje toliko poraste da komponenta jakosti magnetskog polja armaturne reakcije, koja djeluje na magnet, postane vea od vlastite koercitivne sile magneta, opadanje pobudnog polja postaje ireverzibilno.

Proces razmagnetiziranja funkcija je armaturne struje. Struja razmagnetiziranja predstavlja struju koja

razmagnetiziranjem permanentnih magneta smanjuje magnetsku konstantu motora za 5 %.

Razmagnetiziranje magneta motora7/48

Da bi se smanjila opasnost razmagnetiziranja, konvencionalno je usvojeno da se u motore ugrauju takvi magneti koji e bez tekoe izdrati struju barem sedam puta jau od nazivne.

Jedan od naina da se motor zatiti od razmagnetiziranja jest da se predvidi napajanje strujnim graninikom.

Drugi nain je da se na elo kuita montira polni nastavak od mekog eljeza kroz koji e se, zbog smanjenja reluktancije, zatvoriti silnice reakcije armature, pa e permanentni magnet ostati poteen od njihova djelovanja.

Razmagnetiziranje magneta motora8/48

Prema tome, permanentni magneti koji se ugrauju u istosmjerne motore moraju imati: to vei remanentni magnetizam radi stvaranja

jakog magnetskog polja, to veu koercitivnu silu radi suprostavljanja

utjecajima razmagnetiziranja, to vei elektriki otpor radi sprjeavanja

vrtlonih struja, to manji toplinski koeficijent kako bi magnetski

tok bio to manje ovisan o temperaturnim promjenama.

Permanentnomagnetski materijali9/48

Alnico dobra svojstva ali premalena koercitivna sila i prevelika povrina B-H petlje => lahko dolazi do permanentnog razmagnetiziranja.

Feriti (Barij & Stroncij) niska cijena, umjereno visoka radna temperatura (400C), i pravolinijska krivulja razmagnetiziranja. Meutim, Br je mali => volumen i veliina stroja trebaju biti vee.

Samarijum-Kobalt (Sm-Co) veoma dobra svojstva ali jako skup (budui da je Samarijum rijedak).

Neodymium-eljezo-Bor (Nd-Fe-B) veoma dobra svojstva osim to je Curie-jeva temperatura samo 150C.

Permanentnomagnetski materijali10/48

Permanentnomagnetski materijali

Dijagram razmagnetiziranja

11/48

Cilj: proizvesti motore sa to veim zakretnim momentom i to manjim momentom inercije.

Istosmjerni motori omoguuju kvalitetnu regulaciju brzine i momenta promjenom napona, odnosno struje motora.

Od motora se trai da troi to je mogue manje energije, da zauzima to manji prostor i ima to manju teinu.

Pronalazak snanih permanentnih magneta omoguio je osjetno poboljanje navedenih svojstava.

To se u prvom redu odnosi na veu linearnost brzinsko-momentne karakteristike koja predstavlja ovisnost brzine motora o opteretnom momentu.

Kod izvedbi s elektromotorom pri veim vrijednostima opteretnog momenta pojavljuje se njezino znatno zakrivljenje.

Kod izvedbi sa permanentnim magnetima linearnost karakteristike ostaje u cijelom podruju.

4.2. Istosmjerni motori s permanentnim magnetima12/48

DC motor s uzbudnim namotom(elektromotor)

Momentno-brzinske karakteristike

Moment

120

100

80

60

40

20

0400300200100

0

40

20

02001000

120

100

80

60

400300

DC motor s permanentnim magnetom

Permanentni magnetSa uzbudom

B

r

z

i

n

a

B

r

z

i

n

a

Moment

13/48

Uzrok ouvanja linearnosti karakteristike je meudjelovanje statorskog i armaturnog (rotorskog) magnetskog polja.

Kod motora sa permanentnim magnetima magnetski polovi statora su realizirani keramikim nastavcima.

Njihova permeabilnost gotovo je jednaka permeabilnosti zraka. Tako se magnetske silnice rotora nemaju razloga kroz njih zatvarati, pa nema deformiranja magnetskih tokova ni pojave nelinearnosti na brzinsko-magnetskoj karakteristici, pa ni komutacijskih potekoa s time u vezi (to je sluaj s elektromagnetima).

Osim tog poboljanja, izvedbe motora s keramikim permanentnim magnetima ne trebaju energijsko napajanjeelektromagnetskog svitka, kao ni sam svitak.

Posljedica toga je manji obujam i teina za jednaku izlaznu snagu u usporedbi s motorima sa elektromagnetima.

Istosmjerni motori s permanentnim magnetima14/48

Kod motora s elektromagnetskim polovima na statoru silnice armaturnog magnetskog polja, idui linijom manjeg magnetskog otpora, savijaju se prema polnim nastavcima statora.

Zbog toga na jednoj strani polnog nastavka nastaje zbrajanje, a na drugoj odbijanje magnetskih silnica statorskog i rotorskog polja, a time i pojaavanje magnetskog toka statora na jednoj strani polnog nastavka, i slabljenje na drugoj strani.

Posljedica toga je ugaoni pomak vektora statorskog magnetskog toka za odreeni ugao u smjeru suprotnome okretanju rotora, u odnosu prema njegovom osnovnom poloaju u stanju mirovanja.

Posljedica ovoga je jednak ugaoni pomak tzv. neutralne osi rotora, koja je po definiciji uvijek okomita na os rotacije i navektor statorskog polja.


Umjesto uzbudnih namota na statoru koriste se permanentni magneti.

Problemi s permanentnim magnetima: Razliitosti u motorima dolaze iz varijacija magnetskih materijala koji

mogu biti razmagnetizirani prekomjernim temperaturama, naponima i magnetskim poljima.

Brzina vrtnje istosmjernog motora ovisi o kombinaciji napona i struje koji teku kroz armaturu, te o optereenju. Brzina motora proporcionalna je naponu, dok je moment proporcionalan struji. Upravo zbog ovih svojstava se istosmjerni motor vrlo esto koristi u elektromotornim pogonima koji zahtijevaju upravljanje brzinom (zahvaljujui razvoju energetske elektronike pojednostavilo se upravljanje brzinom i ostalih vrsta elektromotora).

Brzina motora se moe mijenjati promjenom otpora armature, koje se izvodi dodavanjem vanjskog promjenjivog otpora spojenog u seriju s izvorom, ili koritenjem promjenjivog naponskog izvora.


Za motor s nazivnim podacima:

otpor armature: Ra=0.6 ,nazivna struja armature: Ian=6.5 A,nazivna naponska konstanta: Kv=0.4 Vs/rad.

Potrebno je:

a) Nai maksimalni napon za pokretanje motora iz stanja mirovanja;

b) Izraunati maksimalni napon zaustavljanja s brzine od 50 rad/s, a da se motor ne izloi opasnostima razmagnetiziranja.

Primjer 1 17/48

Primjer 1Rjeenje:Doputena struja iznosi sedmostrukoj nazivnoj struji:

A. 5.455.677 === and II

.V 3.275.456.0max === daa IRU

U stanju mirovanja struja je ograniena jedino otporom armature, pa bi maksimalni napon mogao biti:

V. 2424.627.30.90.9Uamax ===aURadi sigurnosti razumno je upotrijebiti deset posto manji napon, koji izlazi:

Pri zaustavljanju valja uzeti u obzir da se prikljueni napon zaustavljanja u djelovanju zbraja s protuelektromotornom silom, kako je prikazano na slijedeoj slici.

18/48

Primjer 1

V. 20504.0 === KE v

Najvea protuelektromotorna sila pojavljuje se pri najveoj brzini, tj. u trenutku poetka zaustavljanja, a vrijednost joj je:

Uap

Ia> 0

Ra

E=Ke Uaz

Ia< 0

Ra

E=Ke

Motor u stanju pokretanja Motor u stanju zaustavljanja

Budui da je vrijednost doputene struje, smanjena 10 % radi sigurnosti, iznosi 45.50.9=41 A, napon zaustavljanja e biti:

V. 6.420)41(6.0 =+=+= EIRU aaaz

19/48

Primjeri DC motora sa etkicama20/48

Nadomjesna shema motora za potrebe izvoenja matematikog modela za DC motor s permanentnim magnetom prikazana je na slijedeoj slici.

4.3. Matematiki model motora

_

+

au

aR

aL

m ,

ai

e

21/48

Krug armature moe se opisati slijedeom naponskom jednadbom:

Matematiki model motora

).()(

)()( tedttdi

LtiRtu aaaaa ++=

gdje je: Ra - ukupni otpor armaturnog kruga, [], La - ukupni induktivitet armaturnog kruga, [H],ia - vrijednost struje armature, [A],ua - vrijednost napona armature, [V],e - protuelektromotorna sila, [V].

Prema tome, napon ua pokriva padove napona na induktivitetu i otporu armature kao i protuelektromotorne sile e.

22/48

Protuelektromotorna sila, koja se inducira u namotu armature zbog vrtnje osovine motora proporcionalna je naponskoj konstanti i brzini vrtnje osovine motora:


).()( tKte v=gdje je: Kv naponska konstanta, [Vs],

ugaona brzina vrtnje, odnosno mehanika brzina vrtnje, [1/s].

Naponska konstanta Kv ovisi o konstrukcijskim detaljima motora i magnetskom toku namota. Izraz za Kv je

nev KK =gdje je n nazivna vrijednost glavnog magnetskog toka po polu, [Vs].

23/48

Mehanika i elektrika brzina vrtnje e meusobno su povezane relacijom:


gdje je: pm broj pari polova

Primjenom Laplaceove transformacije na izraze dobivaju se naponske jednadbe elektrinog kruga armature u domenikompleksne varijable s (pretpostavlja se kod primjeneLaplaceove transformacije da su poetni uvjeti jednaki nuli. ):

)()( tpt me =

)()()()( sEsIsLRsU aaaa ++=

)()( sKsE v=

24/48

Magnetski tok i struja armature prouzrokuju zakretni moment na armaturi motora (moment motora) m, koji je dan slijedeimizrazom:


gdje je: Kt momentna konstanta motora. Za opis mehanikog modela polazi se od DAlebertova principa

da je suma svih sila koje djeluju na tijela jednaka sili inercije (dinamika ravnotea momenata):

atm iK=

tmm BdtdJ ++=

gdje je: m moment motora, [kgm s-2],t moment tereta, [kgm s-2],Jm moment inercije motora, [kgm2],B moment viskoznog trenja, [kgm s-2].

25/48

Prelazom u frekvencijsko podruje dobivaju se momentne jednadbe:


Dobivene jednadbe motora mogu se napisati na slijedei nain:

)()(])([)( sMsBssJsM tmm ++=)()( sIKsM atm =

).()(

)],()([1)(

),()(

)],()([1

)]()([1

1

)]()([1)(

sIKsM

sMsMBsJ

s

sKsE

sEsUsTK

sEsU

RLs

RsEsU

sLRsI

atm

tmm

v

aa

aa

a

a

aa

aaa

=+=

=

+=+=+=

26/48

U gornjim jednadbama su:Ka=1/Ra - koeficijent pojaanja armaturnog kruga, [A/V],Ta = La/Ra - vremenska konstanta armaturnog kruga, [s].


Na temelju jednadbi motora dobiva se shema kao na slici.

_

++ _

a

a

sTK+1 tK msJB +

1

vK

tM

aU aI mM

E

27/48

Ovisnosti promjene brzine brzine vrtnje o promjeni napona armature i momenta tereta mogu se izraziti slijedeim prijenosnim funkcijama:


Elektromehanika vremenska konstanta Tm=Jm/(KaKtKv+B) ovisio momentu inercije.

21

1)( s

BKKKJT

sBKKK

BTJBKKKKK

sU(s)

vta

ma

vta

amvta

ta

a

++++++

=

21

11)( s

BKKKJT

sBKKK

BTJsT

BKKKsM(s)

vta

ma

vta

am

a

vtat

+++++

++=

28/48

Budui da kod istosmjernih motora s permanentnim magnetima vrijedi da je armaturna vremenska konstanta znatno manja od elektromehanike vremenske konstante motora (Ta

Takoer, budui da je koeficijent viskoznog mehanikog trenja Bredovno mnogo manji od koeficijenta viskoznog elektrikog trenja KvKt/Ra (B >=

tj. B se moe zanemariti u gornjim izrazima, pa se dobiva:

sTK

sU(s)

ma +=

1)(1

sTK

sM(s)

mt +=

1)(2

).(,/1

,1

2

1

vtamm

vta

v

KKKJTKKKK

KK

===

30/48

Uzimajui u obzir navedena zanemarenja, dobiva se pojednostavljena strukturna shema istosmjernog motoraprikazana na slijedeoj slici.


_

++ _

a

tat R

KKK =

sJ m1

vK

tM

aU mM

E

31/48

Ogranienja motora s etkicama: Elektrina veza izmeu rotora i izvora istosmjerne struje se ostvaruje

tako da se izvor istosmjerne struje spoji na grafitne etkice koje kliu po komutatoru. Prilikom prelaska etkice s jedne na drugu lamelu komutatora postoji trenutak kada se izvor nalazi u kratkom spojuuslijed ega dolazi do iskrenja etkica.

Iskrenje etkica dovodi do polaganog unitavanja grafitnih etkica, ali i do oksidacije i troenja komutatora, pa je to glavni nedostatak ove vrste motora.

Iskrenje se pojaava ukoliko se poveava: brzina vrtnje motora (pri velikim brzinama teko odravati kontakt etkica s komutatorom), napon, optereenje, odnosno struja kao posljedica poveanja napona ili optereenja.

Iskrenje osim samog unitavanja komutatora i etkica za posljedicu ima i stvaranje ujnog i elektrikog uma.

Kod velikih strojeva komutator je skup i zahtijeva preciznu ugradnju mnogih dijelova.

4.4. DC motor bez etkica32/48

Na rotoru su smjeteni permanentni magneti, a stator se sastoji od namota. predstavlja oblik AC motora s elektrikom

komutacijom. Motori ne sadre etkice ili komutator mnogo efikasniji, manje trenje. mogu se pogoniti veim brzinama bez rizika oteenja etkica, to nije sluaj sa DC motorom s etkicama.

Kroz statorske namote se proputa struja koja dovodi do zakretanja rotora.

Strujom koja prolazi kroz statorske namote se upravlja izvana elektronikom sklopom, tzv. elektronikim komutatorom, koji zamjenjuje klasini komutator.

DC motor bez etkica33/48

Uloga komutatora: promjena polariteta u vodiima ovisno o njihovom poloaju u odnosu na uzbudno polje.

Presjek DC motora bez etkica


Mehaniki raspored dijelova motoraDC motor bez etkica

Rotor od permanentnog magneta

Prekapajui statorski polovi

Svjetlosni tit

Ugraene foto diode

Ugraene volframskelampe

35/48

Da bi se moglo ispravno odrediti kroz koji namot e elektroniki komutator poslati struju, i struju kojeg smjera, takav motor mora imati senzor poloaja rotora na osnovu ega se upravlja radom samog komutatora (zahtijeva se dodatna elektronika i senzori poloaja).

Ovaj senzor koristi Hall-ov efekat. Brz odziv brzine vrtnje. Efikasnost istosmjernog motora bez etkica je 85-90%,

dok je istosmjernog motora s etkicama 75-80%. Dodatni energetski prekidai u pojaalu zahtijevaju

znatne dodatne trokove. Koriste se u aplikacijama gdje se zahtijevaju velika

podruja brzina.


DC motor s permanentnim magnetom i s etkicama

Permanentni magneti na statoru.

Umjesto uzbudnih namota na statoru, uzbudu predstavljaju permanentni magneti na statoru.

DC motor bez etkica DC motor s permanentnim magnetom

bez etkica: Permanentni (trajni) magneti na rotoru,

koji predstavljaju uzbudu. Statorski napon polifazan. Vea efikasnost, manje trenje, manji

elektriki um, zahtijeva elektroniki pogon.

37/48

Primjer DC motora bez etkica

Proizvoa Micromo: DC motor bez etkica:

dimenzije 16mm x 28mm

Brzina 65,000 rpm(obrtaja u minuti)

Moment: 50 mNm Snaga: 11 W Napon: 12 V

38/48

Specifikacije DC motora bez etkica39/48

Primjene DC motor bez etkica

Medicina: centrifuge, ortoskopski hirurki alati, respiratori, stomatoloki hirurki alati, transportni pumpni sistemi (npr. ubrizgavanje inzulina).

Modeli aviona, automobila, brodova, helikoptera.

Mikroskopi. CD, DVD i kasetni pogoni. Umjetno srce.

40/48

Primjene DC motor bez etkica

12 stupnjeva slobode28 kg(62 lbs)0.97 m(38 in) duljina noge

41/48

Primjene DC motor bez etkica42/48

Ukupna ulazna struja jest istosmjerna.

Napajanje DC motora bez etkica.

4.5. Upravljanje DC motorom bez etkica

i1

i2

i3

B

A

C

NS

I

45/48

Blok shema upravljakog kruga DC motora bez etkica.

Upravljaka struktura

G4 G5 G6

G1 G2 G3

I

I

Upravljaka logika

i1

i2

i3

Es ifN

S

Pozicijarotora

46/48

Pretvaraki sklop je prikazan na slijedeoj slici.

Pretvaraki sklop

Q4

D4

Q1

D1

Q3

D3

Q6

D6

Q2

D2

Q5

D5

iA iB iC

A B C

1 2 3

i1 i2 i3

Vs

0

47/48

Oblici faznih struja u ovisnosti od poloaja rotora (uzbudnog toka).

Oblici faznih struja

A B C A B C A B C A B C A B C A B C

Q5Q6

Q1Q2

Q3Q4

Q5

iC

iB

iAiSP elek

-30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

48/48

lekcija4

Documents