Budapest Műszaki Főiskola Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Kar Mechatronikai és Autotechnikai Intézet
Elektrotechnika Különleges motorok
Összeállította:
Lukács Attila PhD hallgató (BME MOGI) és Langer Ingrid főisk. adjunktus
Egyenáramú szervomotorok A műszertechnikában legelterjedtebb motorok. Kedvező tulajdonságok: •analóg mozgás •jó szabályozhatóság A legfontosabb ismérv: az állórész állandó mágnest tartalmaz, áramot csak a forgórészbe vezetünk a keféken és kommutátoron keresztül. A motorok konstrukciója kétféle lehet: — vasmagos — légréstekercses
BGK MEI 2008.
2
Az egyenáramú szervomotorok legfontosabb tulajdonságai Feszültségegyenlet és helyettesítő kép
U Ra i U kefe U i Ra i U i
szénkefe: ΔUkefe=1…2 V
A tekercsekben indukált feszültség:
nemesfém kefe: ΔUkefe=0,1…0,2 V
U i kM
Ug
A külső gerjesztésű motor származtatása és helyettesítő képe:
D
Ig=áll.
M
M kM i
A nyomaték: Indítási áram:
U i0 Ra
Az ideális üresjárási fordulatszám:
Uk
Ra
Indítási (maximális) nyomaték:
M
Uk
kMU M0 Ra
U 0 kM
BGK MEI 2008.
É
La0
Ukefe
Uk Ui
3
Az egyenáramú szervomotor jelleggörbéi A szögsebesség és a motoráram Minden motornak a saját forgásban tartásához szükséges egy nyomaték: ez a veszteségi nyomaték, MR A maximális teljesítmény és a maximális hatásfok egyenáramú motoroknál nem esik egybe
P M
M ( Pmax )
M0 2
M ( max ) M R M 0 BGK MEI 2008.
4
Az egyenáramú szervomotor vezérlési lehetőségei A kapocsfeszü kapocsfeszültsé ltség vá változtatá ltoztatása
A kapocsfeszültség változtatásával a jelleggörbék önmagukkal párhuzamosan tolódnak el, a merevség nem változik. Ez az ajánlható megoldás.
Elő Előtétellená tellenállá llás alkalmazá alkalmazása Előtétellenállás bekapcsolásánál a jelleggörbék az ideális üresjárási fordulatszám mint forgáspont körül fordulnak el, a merevség csökken. Rossz megoldás.
BGK MEI 2008.
5
A légréstekercses motorok jellegzetes konstrukciói Radiális fluxusú konstrukció
A radiális fluxusú motor forgórésze serleg alakú
Axiális fluxusú konstrukció
Az axiális fluxusú motor forgórésze tárcsa alakú Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek, MK 1990 BGK MEI 2008.
6
Állórész és forgórész elrendezések
Külső forgórész
Belső forgórész
Köztes állórész
Köztes forgórész BGK MEI 2008.
7
Egyenáramú szervomotorok konstrukciói: a mágneskörök kialakítása A gerjesztést állandó mágnessel hozzuk létre, amelynek nagy előnye, hogy nem igényel teljesítményfelhasználást szemben az elektromágnessel előállított gerjesztéssel.
A mágnesanyag háromféle lehet: ― öntött, köszörült Alnico, ― szinterelt kerámia, ― ritka földfém (NdFeB) BGK MEI 2008.
8
A mágnesanyagok fejlődése
Az egyenáramú szervomotoroknál a nyomaték az átfolyó áramon kívül a kM motorállandótól is függ, amely viszont a fluxustól, a fluxus a méreteken kívül a mágnes által létrehozott indukciótól függ. Ezért fontos, hogy milyen mágnesanyagot használunk.
Forrás:Vakumschelze GmBH BGK MEI 2008.
9
Faulhaber gyártmányú DC szervomotor konstrukciója
Az állandó mágnes két pólusú, és radiális (átmérő) irányban van felmágnesezve.
A forgórész öntartó, az axiális erőkomponensek kiegyenlítik egymást.
BGK MEI 2008.
10
A Faulhaber típusú tekercselés
A serleges forgórész képe
BGK MEI 2008.
11
Radiális fluxusú DC szervomotorok robbantott képei kefepajzs ház
serleges forgórész
állandó mágnes a csapágyakkal
A kisebb teljesítményű motorok nemesfém kefékkel, a nagyobb teljesítményűek grafit kefékkel készülnek. Forrás: Faulhaber BGK MEI 2008.
12
A tárcsás forgórész
BGK MEI 2008.
13
Léptetőmotorok A léptetőmotorok a kívülről adott digitális vezérlőimpulzusokat pontosan meghatározott szögelfordulásokká („lépésekké”) alakítják. Az elfordulás szöge az impulzusok számával, a forgórész sebessége pedig az impulzusok frekvenciájával arányos.
A legfontosabb ismérvek: a forgórész fogazott lágyvas, vagy állandó mágnes, árambevezetés a forgórészbe nincs. az állórész az óramotorok kivételével többfázisú tekercseléssel rendelkezik.
BGK MEI 2008.
14
A léptetőmotorok típusai
Változó ltozó reluktanciá reluktanciájú léptető ptetőmotorok A forgórész fogazott, mágnesesen lágy anyag. Az állórész és a forgórész fogszáma különböző, Az állórész gerjesztésekor a mágneses erővonalak energiaminimumra törekszenek, amit a mágneses ellenállás minimumánál érnek el, tehát a forgórész fogát a legközelebbi helyzetbe húzza. A minimumra való törekvéskor fellépő nyomatékot nevezik reluktancia-nyomatéknak, innen ered a típus elnevezése. Mivel a rotor nem állandó mágnes, a motornak nincs tartónyomatéka a tekercsek gerjesztetlen állapotában.
Állandó llandómágneses léptető ptetőmotorok
Hibrid lé léptető ptetőmotorok
A forgórész radiálisan mágnesezett permanens mágnesből készül, állórésze pedig hasonló a változó reluktanciájú motoréhoz. Az állandómágnes miatt a tekercsek gerjesztetlen állapotában is van tartó nyomaték. A tekercsek gerjesztésekor a kialakult mágneskör energiaminimumra törekszik, amit a legrövidebb mágneses erővonalakkal ér el, ezért a tekercs a polaritásával ellentétes fogat vonzani fogja, létrehozva így a rotor elfordulását.
A legelterjedtebb típusú léptetőmotorok. Elterjedésüket kedvező paramétereik indokolják. A hibrid motorok ötvözik a reluktancia és az állandómágneses motorok előnyeit. Az állórész is és a forgórész is fogazott, mint a reluktancia motornál, azzal a különbséggel, hogy a forgórész állandómágnest tartalmaz. Egyesíteni tudja a változó reluktanciájú motorok nagy működési sebességét és kis lépésszögét az állandómágneses motorok nagyobb nyomatékával
BGK MEI 2008.
15
Többosztatú változó reluktanciájú léptetőmotorok
A
B
C
A fázisok sorban egymás után kapják a gerjesztést. Az éppen gerjesztett fázis körül kialakuló mágneses tér a forgórészt úgy állítja be, hogy a mágneses ellenállás, tehát a légrés az álló és a forgórész között a legkisebb legyen. Ez akkor következik be, amikor a gerjesztett fázis és a forgórész fogai teljesen illeszkednek egymáshoz. Ekkor azonban a két nem gerjesztett fázis fogai nem illeszkednek a forgórész fogaihoz. Óramutató járásával megegyező forgásirány A-B-C-A-B-C-... sorrendű gerjesztéssel lehet elérni. A lépéshossz: α=360°/Np (ahol N fázisok szám, p a fogak száma) BGK MEI 2008.
Többosztatú, változó reluktanciájú motor axiális irányban egymástól mágnesesen elszigetelt részekre van osztva, melyek mindegyike tekercseket tartalmaz. Ezek a tekercseknek részenként egy fázist alkotnak, vagyis ahány osztatú a motor, annyi fázisúnak is tekinthető. A forgórész egyetlen egységet alkot, amely mindkét végén csapágyazva van. Az állórész minden egysége több pólust tartalmaz, a tekercsek a pólusok körül helyezkednek el, a kialakuló mágneses tér radiális irányú lesz. A szomszédos pólusok tekercselése ellentétes értelmű, így a szomszédos pólusok körül kialakuló mágneses tér is ellentétes irányú lesz. Pl. négypólusú kialakítás esetén a 2. ábrán látható négy fő fluxusirány alakul ki. 16
Egyosztatú változó reluktanciájú motor Az állórész fog az álló és forgórész közötti légréstől a vastestig terjed. Minden foghoz külön tekercs tartozik, amely egyenáramú gerjesztés hatására radiális irányú mágneses teret hoz létre. Az ábrán hat állórész fog látható, az egymással szemben lévő fogakhoz tartozó tekercsek alkotnak egy fázist. Így a motor háromfázisú, ez a minimális fázisszám ahhoz, hogy a motor mindkét irányban forogni tudjon. Az egymással szemben lévő fogak tekercsei ellentétes értelműek, így pl. az A fázis gerjesztésével az ábrán látható fluxus jön létre. Az is látható
A forgórész fogszáma nem egyezik meg az állórész fogszámával. Egy fázis gerjesztése esetén a főfluxus két forgórész fogon halad keresztül, és a két másik fog a nem gerjesztett pólusok közelében helyezkedik el. Ha a fázisok gerjesztése megváltozik, ez a két másik fog az, amelyik befordul az újonnan gerjesztett állórész fog irányába. Az ábrán az az állapot látható, amikor az A pólus kap gerjesztést, a forgórész olyan helyzetet vesz fel, amelyben a mágneses ellenállás minimális lesz. Ha a gerjesztés megváltozik B fázisra, a forgórész egy lépésnyit elfordul óramutató járásával ellentétes irányban mialatt a másik forgórész fogpár befordul a gerjesztett pólus irányába. A C fázis gerjesztése egy újabb, óramutató járásával ellentétes lépést eredményez. Így a folyamatos óramutató járásával ellentétes forgás A, B, C, A, B, C, A, ... gerjesztési sorrenddel, míg az óramutató járásával megegyező irányú forgás A, C, B, A, C, B, A, ... gerjesztési sorrenddel érhető el. Az ábrán megfigyelhető, hogy az állórész mágneses terének mozgása ellentétes a forgásiránnyal. A lépésszög kiszámítása a többosztatú motorokéval hasonló módon történik: α=360°/Np BGK MEI 2008.
17
Hibrid léptetőmotor állórész tekercs forgórész fluxus állandó mágnes
A hibrid léptetőmotorokban a forgórész egy állandó mágnest tartalmaz. A kialakuló mágneses tér a tengellyel párhuzamosan É-D irányú. Az állórész pólusokon helyezkednek el a tekercsek és minden pólus általában 2-6 fogra van osztva. Az ábrán négy tekercs alkot egy fázist. Az „A” fázishoz az 1, 3, 5, 7, a „B” fázishoz a 2, 4, 6, 8 pólustekercsek tartoznak. Mindegyik fázis 1 8 2 egymást követő tekercsei ellentétes értelműek, azaz „A” fázis pozitív áramirányú gerjesztésekor a kialakuló mágneses tér a 3 és 7 pólusokban É D 7 3 radiális irányban kifelé, 1 és 5 pólusokon radiális irányban befelé mutat. A gerjesztés hatását a kialakuló fluxusra a 6.b ábrából lehet megérteni, ami az 6 4 „A” fázis gerjesztésekor kialakuló állapotot mutatja. Az X metszetben a 5 fluxusnak sugárirányban kifelé kell mutatni, mivel a forgórész É pólusú, ezért a fluxus legnagyobb része a 3 és 7 pólusokon keresztül fog haladni. Az Y metszetben, ahol a forgórész D pólusú, pont ellentétes a helyzet, mivel a fluxusnak radiálisan befelé kell mutatni, ezért legnagyobb része az 1 és 5 póluson keresztül fog haladni. A forgórész olyan helyzetbe áll be, amelyben a mágneses ellenállás a legkisebb értékű, vagyis úgy, hogy a légrés a fő fluxus irányában a legkisebb legyen, ami a forgórész fogaknak a gerjesztett pólus fogainak irányába fordulását jelenti. Folyamatos forgás a fázistekercsek egymás utáni gerjesztésével érhető el. Óramutató járásával megegyező forgásnál A+, B+, A-, B-, A+, B+, óramutató járásával ellentétes forgásnál A+, B-, A-, B+, A+, B- a gerjesztési sorrend. (A + / - jelölés az áram irányát jelenti) A lépésszög a csak forgórész fogszámától függ. A gerjesztési állapot négy lépésenként ismétlődik, négy lépés jelent egy fognyi elfordulást, ezért a hibrid léptetőmotor lépésszöge:α=90°/p BGK MEI 2008.
18
Az állandó mágneses léptetőmotor Az állandó mágneses léptetőmotor felépítése hasonlít az egyosztatú változó reluktanciájú motoréhoz, de a forgórész nem fogazott és az anyaga állandó mágnes. Az ábrán látható motor forgórészének két mágneses pólusa van, amely a gerjesztésnek megfelelően az állórész két pólusának irányába áll. Ha a két fázis gerjesztését megváltoztatjuk, a forgórész 90°-kal elfordul. Az gerjesztő áram iránya meghatározza a forgásirányt.
Különböző állandó mágneses konstrukciók BGK MEI 2008.
19
A statikus jelleggörbe M()=0
e
Mhajtó Kmágn( e)
Mhajtó MB MJ Mt (t) M()=0
A léptetőmotorok egyik legfontosabb jellemzője a statikus nyomatékgörbe. Ha a motor álló (egyensúlyi) helyzetéből kiindulva a tengelyre terhelőnyomatékot működtetünk a tengely egy adott szöggel elfordul. A külső nyomaték és a szögelfordulás közötti összefüggést mutatja a statikus jelleggörbe A görbe maximális értékét tartónyomatéknak hívják. Ha a szögelfordulás nagyobb, mint ΘM, a nyomaték nem az eredeti egyensúlyi állapot irányában, hanem a következő egyensúlyi állapot felé mozdítja a tengelyt. Tartónyomaték : A maximális statikus nyomaték, amit egy gerjesztett motor tengelyére működtethetünk anélkül, hogy a folyamatos mozgás jöjjön létre.
BGK MEI 2008.
20
Léptető motorok nyomaték-lépésfrekvencia jelleggörbéi (dinamikus jelleggörbe) a. Indítási tartomány A dinamikus jelleggörbe azon tartományát jelenti, ahol a motor lépésvesztés nélkül el tud indulni és meg tud állni.
b.Üzemi határfrekvencia Miután a motor elindult és a vezérlőfrekvenciát fokozatosan nőveljük, a motor egy bizonyos frekvenciánál kiesik a szinkronból és nem képes követni a vezérlő impulzusokat. A maximális vezérlőfrekvencia, amelyet a motor adott terhelésnél lépésvesztés nélkül képes követni, az üzemi határfrekvencia
c. Maximális indítási frekvencia Az a maximális vezérlőfrekvencia, amelynek rákapcsolásakor a motor üresjárásban lépésvesztés nélkül el tud indulni.
d. Maximális indító nyomaték Az a legnagyobb nyomaték, amellyel terhelve a motor lépéshiba nélkül el tud indulni.
BGK MEI 2008.
21
A léptetőmotorok vezérlése A léptetőmotorokat vezérlési szempontból két csoportra lehet osztani: — unipoláris és — bipoláris vezérlésűekre.
Az unipoláris motorok jellemzője, hogy a tekercsek középleágazással rendelkeznek. A tekercsek középleágazásai jellemzően a pozitív tápfeszültségre vannak kötve, a tekercsek kivezetéseit tranzisztorok felváltva a földre kapcsolják. Az unipoláris vezérlés előnye, hogy a vezérlő áramkörnek összesen két tranzisztort kell tartalmaznia fázisonként. Hátránya viszont, hogy a beépített rézmennyiségnek csak a fele vesz részt a mágneses tér létrehozásában, ezért a teljesítménye kissé csökken. A léptetés sebessége növelhető a T=L/R időállandó csökkentésével.
A bipoláris motorok tekercselése egyszerűbb, minden motorfázis csak egy tekercselést tartalmaz, nem található rajtuk középleágazás. Így a motor egyszerűbbé válik, viszont a motor vezérlőáramköre lesz bonyolultabb, mivel rá hárul a tekercsekben az áramirány megváltoztatásának feladata. A bipoláris vezérlés létrehozásához motorfázisonként négy tranzisztorra van szükség, viszont a teljes beépített rézmennyiség részt vesz a mágneses tér felépítésében, ezért helykihasználásuk nagyobb az unipoláris motorokénál.
BGK MEI 2008.
22
Elektronikusan kommutált motorok Az egyenáramú motoroknak alapvető jellemzője a mechanikus kommutáció. Egyúttal ez, tehát a kefék, a kommutátor, és különösképpen a kettő kapcsolata a legproblematikusabb része az egyenáramú motoroknak. Leginkább a kefék, de legtöbbször a kommutátor is kopnak, a motor élettartama során elhasználódnak. Mivel a működéshez az áramot a forgásban lévő forgórész tekercseibe kell vezetni, ez csak kisebb-nagyobb szikrázások árán lehetséges, amely viszont zavarforrást jelent minden elektronikus készülék számára. Az egyenáramú motorok hátrányos tulajdonságai jórészt a kefe-kommutátor kapcsolat tökéletlenségeiből következnek. Ezek: ― ― ― ―
érintkezési bizonytalanság korlátozott élettartam elektromágneses és akusztikus zajok súrlódási veszteségek
Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek BGK MEI 2008.
23
Elektronikusan kommutált motorok A mechanikus kommutáló berendezést, tehát a keféket és a kommutátort elektronikus berendezéssel kiváltva megtarthatóak az egyenáramú gépek kedvező tulajdonságai, és ezzel az előbbi hátrányok megszüntethetőek. Hogyan lehet ezt a célt elérni? Mivel a tekercsek kapcsolgatása csak álló rendszerben lehet problémamentes, az elektronikus kommutátorú motorban az állórész és a forgórész szerepe felcserélődik. Ezeknél a motoroknál a forgórész tartalmazza az állandó mágnest (ebbe így nyilvánvalóan nem kell áramot vezetni), a tekercselés pedig áll, ez képezi az állórészt, amelynek tekercseiben folyó áramot azonban kommutálni kell, méghozzá elektronikus eszközökkel, (ezek gyakorlatilag kapcsoló tranzisztorok). Ahhoz, hogy az állórész tekercseit megfelelően kapcsolni tudjuk, a forgórész szöghelyzetét a motornak magának ismernie kell. Ehhez különféle érzékelőket és vezérléseket használnak: ― ― ― ―
Hall generátoros, optoelektronikai, csatolótranszformátoros, indukált feszültséges vezérléseket. Forrás: Rajki I: Törpe és automatikai villamos gépek BGK MEI 2008.
24
Légréstekercses kommutátoros motor
Külső forgórészű elektronikusan kommutált motor állórész
I
I
B
U
B F
F
U
forgórész A mágneses térben elhelyezett vezetékben áram folyik, ez hozza létre az erőt (Lorentz törvény)
f i ds B
akció = reakció
l BGK MEI 2008.
25 Forrás: TU Ilmenau
Hallelemek
Háromfázisú elektronikusan kommutált motor rajza és fényképe
állandó mágnesek
forgórész forgórész
forgórész
tekercsek
állórész vasmagos tekercsek Hallszenzor
N
S állandó mágnesek
Tárcsás (axiális fluxusú) motor BGK MEI 2008.
26
Az egyenáramú szervo, a léptető, és az elektronikusan kommutált motorok jellemzőinek összehasonlítása
DC Hatásfok Fajlagos teljesítmény Élettartam Vezérelhetőség Irányváltás Zavarforrás Számítógép kompatibilitás Hajtómű igény Szögsebesség folytonosság Nyílthurkú vezérlés
legjobb legjobb rövid nagyon jó pólusváltás szélessávú DA, PWM van van alkalmatlan
BGK MEI 2008.
Léptető
EC
rossz jó legrosszabb rosszabb hosszú hosszú korlátlan, de lépked korlátozott fázissorrend fázissorrend meghatározott fr. meghatározott fr. végfok DA nincs van nincs van alkalmas alkalmatlan
27
