Przedmioty:
- Wprowadzenie
- Zasada działania silników elektrycznych
- Silnik elektryczny prądu stałego ze szczotkami węglowymi
- Silnik elektryczny prądu stałego bez szczotek węglowych
Przedmowa:
Silniki elektryczne spotykamy w coraz większej liczbie miejsc w samochodzie. W silniku elektrycznym prąd elektryczny przekształca się w ruch i ciepło. Silnik elektryczny znajdziemy w regulacji lusterka i fotela, ale także jako silnik wycieraczek na mechanizmie wycieraczek lub jako rozrusznik. Te silniki elektryczne działają przy napięciu od 12 do 14 woltów. Na tej stronie ograniczamy się do silników elektrycznych we wnętrzu i na zewnątrz.
Silniki elektryczne zapewniają również (częściowo) napęd elektryczny w pojazdach hybrydowych i w pełni elektrycznych. Ten typ silnika elektrycznego jest omówiony na stronie: Silniki elektryczne wysokiego napięcia.
Silniki elektryczne prądu stałego możemy podzielić na:
- Silnik elektryczny ze szczotkami węglowymi (pole elektromagnetyczne i twornik)
- Szeregowe silniki elektryczne;
- Równoległe silniki elektryczne;
- Bezszczotkowe silniki elektryczne.
Zasada działania silników elektrycznych:
W silniku elektrycznym prąd elektryczny przekształca się w ruch obrotowy. Ruch powodowany jest przez przyciąganie się lub odpychanie dwóch biegunów magnetycznych:
- Biegun północny i południowy przyciągają się;
- Dwa bieguny północne odpychają się;
- Dwa bieguny południowe odpychają się.
Magnes ma biegun północny i południowy o przeciwnych ładunkach. Kiedy ten magnes zostanie złamany na pół, nie otrzymasz nagle dwóch oddzielnych biegunów, ale dwa nowe magnesy, oba z biegunem północnym i południowym.
Do obudowy przymocowanych jest wiele biegunów magnetycznych (północny i południowy). Pomiędzy biegunem północnym i południowym istnieje pole magnetyczne. Wał wyjściowy (twornik) obraca się w wyniku zmian pola magnetycznego.
W silniku elektrycznym dwa bieguny o tej samej nazwie są stale umieszczone naprzeciw siebie za pomocą (zwykle) magnesów trwałych lub elektromagnesów. Ponieważ bieguny o tej samej nazwie odpychają się, powstaje ruch.
Silnik elektryczny prądu stałego ze szczotkami węglowymi:
Prawie wszystkie silniki elektryczne w technice samochodowej projektowane są jako silniki prądu stałego z magnesami trwałymi i szczotkami węglowymi. W tego typu silnikach elektrycznych spotykamy następujące magnesy:
- Magnesy trwałe (jeden biegun północny i jeden południowy): pomiędzy nimi znajduje się stacjonarne pole magnetyczne;
- Cewki: generowane jest w nich pole elektromagnetyczne. W cewkach generowane jest wirujące pole elektromagnetyczne.
Magnesy trwałe znajdują się po lewej i prawej stronie wirnika i składają się z jednego bieguna północnego i jednego południowego. Pomiędzy tym biegunem północnym i południowym znajduje się nieruchome pole magnetyczne, które nie zmienia się, gdy silnik elektryczny pracuje lub stoi w miejscu.
Gdy tylko przepływa przez nie prąd, w cewkach generowane jest wirujące pole elektromagnetyczne. Prąd jest dostarczany i odbierany przez szczotki węglowe poprzez komutator.
Odwrócenie kierunku prądu odbywa się poprzez komutację: dwie szczotki węglowe przeciągają się po komutatorze, który składa się ze strony dodatniej i ujemnej. Szczotka węglowa po stronie plusa przenosi prąd do przewodnika (zielone strzałki na rysunku). Prąd opuszcza przewodnik przez szczotkę węglową po stronie ujemnej. Prąd przepływający przez przewodnik wytwarza pole elektromagnetyczne.
Pomiędzy powstałym magnetyzmem w tworniku (przewodniku) a polem (magnesy trwałe) powstaje siła (czerwone strzałki na obrazku). Siła ta powoduje obrót twornika i komutatora wokół własnej osi. Następnie szczotki węglowe uderzają w drugą część komutatora, odwracając kierunek prądu w tworniku. Pole magnetyczne i siła powstają w tym samym kierunku, tak że twornik ponownie obraca się wokół własnej osi.
Kierunek obrotu silnika elektrycznego (czytaj: twornika) możemy zmienić poprzez odwrócenie plusa i minusa szczotek węglowych.
Zamiana plusa i minusa może zostać osiągnięta za pomocą mostka H.
- ECU (1) steruje jednocześnie dwoma z czterech tranzystorów lub tranzystorów FET (4);
- FET (2) dają silnikowi elektrycznemu (3) plus i masę. W zależności od tego, które dwa tranzystory FET są włączone, górna szczotka węglowa jest dodatnia, a dolna szlifowana lub odwrotnie;
- Potencjometr obok silnika elektrycznego rejestruje położenie i kierunek obrotów. Nie wszystkie silniki elektryczne są wyposażone w potencjometr.
Zobacz stronę Mostek H dla możliwych projektów i metod przełączania mostka H.
Silnik elektryczny prądu stałego bez szczotek węglowych:
Bezszczotkowy silnik prądu stałego (DC) jest silnikiem synchronicznym. Sterowanie elektryczne zastąpiło szczotki węglowe. Ten typ silnika elektrycznego jest bardzo podobny do synchronicznego silnika prądu przemiennego z magnesami trwałymi, stosowanego w układ napędowy pojazdów elektrycznych. Główną różnicą między tymi dwoma silnikami jest sterowanie: silnik prądu przemiennego jest sterowany modulowanym sinusoidalnym napięciem przemiennym, a silnik prądu stałego napięciem prostokątnym.
Stojan często zawiera trzy lub sześć cewek (U, V i W), a wirnik jest magnesem trwałym. Poniższy rysunek przedstawia schematyczną strukturę silnika prądu stałego z przebiegiem napięcia przez trzy cewki. W rzeczywistości między biegunami zainstalowanych jest kilka czujników Halla w celu określenia położenia wirnika.
Jednostka sterująca określa, które cewki powinna sterować w oparciu o położenie wirnika.
Na poniższym obrazku cewka U+ jest pod napięciem. Sposób, w jaki cewka jest owinięta wokół bieguna, określa, czy będzie to biegun północny, czy południowy. W tym przykładzie U+ to biegun północny, a U- to biegun południowy.
Wirnik zaprojektowano jako magnes trwały. Jak opisano w poprzednich akapitach, wirnik ustawia się lub obraca w wyniku zmieniającego się pola magnetycznego przepływającego przez cewki.
Aby obrócić wirnik w lewo od pozycji pokazanej na poprzednim rysunku, cewki typu V są zasilane.
V+ staje się biegunem północnym, V- biegunem południowym. Wirnik z magnesami trwałymi obraca się;
bieguny północny i południowy przyciągają się nawzajem, podobnie jak bieguny południowy i północny po drugiej stronie magnesu.
Teraz cewki W są zasilane energią, aby obrócić wirnik o kolejne 60 stopni.
Cewka W+ staje się biegunem północnym, a W- biegunem południowym. Wirnik obraca się i przyjmuje nowe położenie.
Wirnik na następnym zdjęciu obrócił się o 180 stopni od pierwszej sytuacji; na pierwszym zdjęciu biegun południowy był skierowany w górę; teraz to jest Biegun Północny.
Polaryzacja cewki U+ i cewki U- jest odwrócona, co powoduje przepływ prądu przez cewki w odwrotnym kierunku. To sprawia, że U+ jest biegunem południowym, a U- biegunem północnym.
Wirnik z magnesem trwałym obraca się dalej pod wpływem zmiany pola magnetycznego.
Aby ponownie obrócić wirnik o 60 stopni, V- staje się biegunem północnym, a V+ biegunem południowym. Wirnik przyjmuje nowe położenie.
Po raz kolejny wirnik obraca się o 60 stopni w wyniku zmiany pola magnetycznego w cewkach:
Cewka W- to biegun północny, a W+ to biegun południowy.
W sześciu opisanych powyżej sytuacjach dwie cewki są stale zasilane jednocześnie. Często spotykamy również bezszczotkowe silniki prądu stałego z trzema cewkami zamiast sześciu. W przypadku trzech cewek, cewki U, V i W są również zasilane jedna po drugiej, ale nie ma zmiany polaryzacji.
Bezszczotkowy silnik prądu stałego to mocny silnik odpowiedni do zastosowań, w których wymagany jest wysoki moment obrotowy zarówno przy rozruchu, przy średniej, jak i dużej prędkości. Bezszczotkowy silnik prądu stałego i silnik krokowy są często mylone. Nie jest to zaskakujące, gdyż działanie i sterowanie silników ma wiele podobieństw: oba silniki napędzane są poprzez wytworzenie pola magnetycznego pomiędzy cewkami a wirnikiem z magnesami trwałymi. Jednak oprócz terminologii oba silniki różnią się znacznie, głównie w zastosowaniu, a co za tym idzie, w doborze materiałów.
Silnik krokowy jest w zasadzie bezszczotkowym silnikiem prądu stałego, ale ma zastosowanie w innej dziedzinie. Podczas gdy silnik prądu stałego jest używany głównie do długotrwałej pracy z dużymi prędkościami, silnik krokowy widzimy w zastosowaniach, w których najważniejsza jest regulacja dokładnego położenia.
Pokazany silnik prądu stałego jest sterowany przy każdym obrocie wirnika o 60°. Można to ewentualnie zmniejszyć do 30°, jeśli zasilimy jednocześnie cztery cewki pomiędzy każdym sterowaniem, uzyskując w ten sposób położenie pośrednie. Jednakże silnik krokowy może regulować skoki od 1,8° do 0,9°. To dodatkowo pokazuje, że silnik krokowy nadaje się do bardzo dokładnych pozycji.
Różne wersje, metody sterowania przez ECU i aplikacje można znaleźć na stronie silnik krokowy.
