5. Maszyny komutatorowe

      Maszyny komutatorowe prądu przemiennego są powszechnie stosowane jako silniki jednofazowe i trójfazowe w układach napędowych wymagających ciągłej regulacji prędkości obrotowej. Wymagania te spełniają obecnie stosowane, tańsze i mniej uciążliwe w użytkowaniu, maszyny prądu stałego i przemiennego zasilane z układów przekształtnikowych.

Silniki komutatorowe prądu przemiennego dzielą się na:

a) silniki szeregowe jednofazowe małej mocy i dużej mocy oraz trójfazowe,

b) silniki bocznikowe jednofazowe i trójfazowe,

c) silniki jednofazowe repulsyjne

5.1 Rodzaje silników komutatorowych jednofazowych:

a) silniki małej mocy,

b) silniki jednofazowe szeregowe dużej mocy,

c) silniki repulsyjne małej i średniej mocy,

d) silniki indukcyjne liniowe.

5.1.1 Silniki małej mocy ogólnego zastosowania, są produkowane masowo o mocy od kilku watów do 1,1 kW, wykorzystywane  rozpowszechnione do napędu różnych drobnych urządzeń jak np. zabawek, sprzętu gospodarstwa domowego, narzędziach ręcznych i urządzeń laboratoryjnych itp. Są to silniki jednofazowe prądu przemiennego lub prądu stałego różnego typu, o prędkościach obrotowych od 3000 obr./min. do 20 000 obr./min. i o różnych napięciach znamionowych.

      Silniki te zbudowane są podobnie jak silniki prądu stałego z tą różnicą, że ich obwód magnetyczny jest wykonany w całości z blachy prądnicowej. Jest to konieczne ze względu na zasilanie tych silników prądem przemiennym. Silniki mogą również pracować przy zasilaniu prądem stałym. W tym przypadku rozwijany moment obrotowy jest większy od średniego momentu powstającego przy zasilaniu prądem przemiennym.

5.2.2 Silniki jednofazowe szeregowe dużej mocy. Silniki te znalazły zastosowanie w trakcji elektrycznej przy zasilaniu z sieci o zmniejszonej częstotliwości. W Polsce nie są stosowane, gdyż trakcja jest zasilana prądem stałym.

5.2.3 Silniki repulsyjne

      Silnik repulsyjny jest to jednofazowy silnik komutatorowy, w którym uzwojenie stojana zasilane jest z sieci prądu przemiennego, a uzwojenie wirnika złączone jest z komutatorem i zwarte za pośrednictwem szczotek. Stojan i wirnik silnika repulsyjnego mają niezależne obwody elektryczne, a przenoszenie energii elektrycznej ze stojana do wirnika odbywa się drogą indukcji elektromagnetycznej. Silnik repulsyjny budową przypomina silnik komutatorowy jednofazowy o wzbudzeniu bocznikowym.

      Położenie szczotek na obwodzie komutatora określa się kątem α. Jest to kąt ustawienia szczotek względem obojętnej osi magnetycznej stojana. Rozruch i regulacja prędkości obrotowej silnika zależy od położenia szczotek. Przez zmianę kąta α położenia szczotek możemy również uzyskiwać zmianę kierunku wirowania silnika.

Rys. 6 Silnik repulsyjny

Oznaczenia: a) schemat obwodu elektromagnetycznego b) zasada działania

Istnieją następujące odmiany silników repulsyjnych:

1) silnik Thomsona o pojedynczym układzie szczotek,

2) silnik Deriego. Ma dwa układy szczotek - jeden na jarzmie ruchomym, drugi  - na jarzmie

    nieruchomym. Regulacja prędkości obrotowej jest bardzo płynna, a komutacja lepsza niż w silniku

    repulsyjnym zwykłym,

3) silniki repulsyjno - indukcyjne. Mają w wirniku dodatkowo klatkę (jak w silniku indukcyjnym

    klatkowym). Rozruch następuje przez bezpośrednie włączenie silnika do sieci zasilającej. Wybór

    kierunku wirowania uzyskuje się, odpowiednio przesuwając szczotki, które są następnie

    mocowane na stałe.

Właściwości:

a) duży moment rozruchowy: Mr = (3,5-5)M_zn

b) niewielki prąd rozruchowy: Ir = 3,5 I_zn

c) płynna regulacja prędkości obrotowej w dużych granicach

d) duże zmiany prędkości obrotowej przy zmianie obciążenia

 Zastosowanie:

      Silniki te stosuje się tam, gdzie rozruch odbywa się pod obciążeniem i  to przy znacznie obniżonym napięciu. – np. do pomp sterowanych automatycznie

5.2.4 Silniki trójfazowe szeregowe

      Budowa stojana silnika jest taka sama jak w maszynie indukcyjnej trójfazowej z tym, że początki uzwojeń fazowych są przyłączone do sieci, a końce do szczotek na komutatorze. Wirnik natomiast zbudowany jest, jak w maszynie prądu stałego. Na komutatorze są zabudowane trzy zespoły szczotek, odpowiednio dla każdej pary biegunów. Zespolony wspólny układ szczotek może być przesuwany po obwodzie komutatora.

Rys. 7 Układ połączeń silnika szeregowego trójfazowego

 Moment obrotowy, który powstaje przy kącie α wyrażony jest wzorem:

gdzie: Φ₁,Φ₂ - strumienie magnetyczne stojana i wirnika.

      Regulując kąt α w zakresie 0 < α <180^o, można dostosować moment obrotowy silnika przy wymaganej prędkości do określonego obciążenia. W skrajnym położeniu szczotek, gdy kąt α = 0 - bieg jałowy, przy kącie α = 180^o - stan zwarcia. W obu pozycjach moment obrotowy jest równy zeru.

      Przy małych obciążeniach silnik ma tendencję do rozbiegania się. Aby temu zapobiec, obniża się napięcie zasilania silnika, lub stosuje transformator oddzielający elektrycznie uzwojenie stojana od wirnika.

      Kierunek wirowania silnika zmienia się przez zmianę dowolnych dwóch przewodów zasilających oraz przesunięcie szczotek w przeciwnym kierunku. Rozruch polega na bezpośrednim włączeniu do sieci przy biegu jałowym.

      Silniki trójfazowe szeregowe były wykorzystywane  w układach napędowych o wymaganym dużym momencie rozruchowym początkowym. Stosowano je także w napędach wentylatorów, pomp, sprężarek i in.

5.2.5 Silniki trójfazowe bocznikowe

      Stojan silnika trójfazowego bocznikowego jest wykonany jak w silniku indukcyjnym trójfazowym, wirnik podobnie jak w maszynie prądu stałego. Znajdujący się na komutatorze układ trzech szczotek jest połączony z suwakiem transformatora regulacyjnego.

Rys. 8 Układ połączeń silnika komutatorowego trójfazowego

zasilanego od strony stojana, z autotransformatorem regulacyjnym.

      Regulację prędkości obrotowej uzyskuje się przez zmianę napięcia U_k zasilającego układ szczotkowy. Rozruch następuje przez bezpośrednie włączenie do sieci w położeniu najmniejszej prędkości obrotowej.

5.2.7 Silniki indukcyjne liniowe

      Jeśli zwykły wirujący silnik indukcyjny przetniemy półpłaszczyzną ograniczoną osią maszyny i rozwiniemy po obwodzie, to otrzymamy silnik liniowy płaski. Natomiast przez zwinięcie silnika liniowego płaskiego wzdłuż osi pokrywającej się z kierunkiem ruchu otrzymamy silnik liniowy tubowy. Część pierwotna silnika n osi nazwę induktora, a część wtórna bieżnika.

      Część pierwotna silnika zbudowana jest z pakietu blach w formie grzebienia, z uzwojeniem trójfazowym (rozwinięty stojan maszyny wirującej), natomiast część wtórną stanowi ferromagnetyczna warstwa przewodząca (z miedzi lub aluminium), spełniająca rolę klatki.

      Wynikiem przekształcenia silnika wirującego w liniowy jest przejście od pola magnetycznego wirującego do pola magnetycznego wędrującego wzdłuż induktora. Droga magnetyczna, wzdłuż której wiruje pole magnetyczne, jest w silniku wirującym zamknięta. Natomiast w silniku liniowym droga magnetyczna, wzdłuż której wędruje pole magnetyczne, ma swój początek, gdzie pole powstaje oraz i koniec, gdzie pole zanika. Daje to zamiast wirującego strumienia magnetycznego strumień magnetyczny wędrujący wzdłuż pakietu induktora. Jeżeli w wytworzonym strumieniu magnetycznym zostanie umieszczony bieżnik, to zaindukowane w nim prądy spowodują powstanie siły ciągu F, skierowanej w kierunku ruchu strumienia (wzdłuż pakietu induktora). Siła wytworzona w silniku liniowym jest wyrażona wzorem:

gdzie: c - stała konstrukcyjna,

          p - liczba par biegunów induktora,

        Φ₁ - strumień biegunów głównych, sprzęgający się z częścią wtórną silnika,

        ψ₂ - kąt fazowy między napięciem indukowanym w części wtórnej a prądem I₂ indukowanym w tej części.

      Następstwem działania tej siły jest może być ruch silnika względem bieżnika. Zmianę kierunku siły ciągu F uzyskuje się przez zmianę kolejności faz.

Prędkość liniowa (obwodowa) z jaką strumień magnetyczny biegnie wzdłuż pakietu, względem obwodu wewnętrznego wytoczenia stojana o średnicy D, wyrażona w m/s, wynika ze wzoru:

gdzie: f - częstotliwość napięcia zasilającego w Hz,

p - liczba par biegunów.

       T_p - podziałka biegunowa stojana (induktora) w cm,

      Silniki liniowe pracują na ogół przy prędkości wynoszącej zaledwie 10 - 15% prędkości synchronicznej. Prędkość silnika reguluje się zwykle przez zmianę wartości siły ciągu, uzyskaną przez zmianę wartości napięcia zasilania lub wielkości szczeliny powietrznej między silnikiem a bieżnią.

      Silniki liniowe przetwarzają, za pośrednictwem pola magnetycznego, energię elektryczną na energię mechaniczną przy ruchu postępowym. Podobnie jak silniki wirujące, silniki liniowe mogą być prądu stałego i prądu przemiennego. Ze względu na prostotę wykonania najchętniej są stosowane silniki liniowe indukcyjne.

1) Silniki liniowe indukcyjne płaskie

      Silnik liniowy płaski składa się z induktora i bieżnika, które są odpowiednikami stojana i wirnika silnika indukcyjnego wirującego, przekształconego przez przecięcie stojana i wirnika wzdłuż powierzchni bocznej walca  i rozwinięcie ich na płaszczyźnie. Częścią ruchomą silnika może być zarówno induktor, jak i bieżnik.

      Uzwojenie wielofazowe induktora, wytwarzające pole magnetyczne wędrujące, ułożone jest w płaskim pakiecie żłobków induktora.

Silniki liniowe płaskie mogą być budowane z  jednostronnym lub dwustronnym induktorem.

Rys. 9 Schemat budowy silnika indukcyjny liniowego:

a) płaskiego jednostronnego, b) płaskiego dwustronnego

Oznaczenie: 1 - induktor (rdzeń części pierwotnej), 2 - bieżnik (warstwa

przewodząca części wtórnej), 3 - rdzeń ferromagnetyczny części wtórnej

2) Silnik liniowy tubowy

      W silnikach tubowych część pierwotną i część wtórną stanowią cylindry ustawione względem siebie współosiowo. Część wtórna jest umieszczona wewnątrz części pierwotnej silnika.  Wytworzone w cylindrze części pierwotnej pole magnetyczne porusza się w kierunku osiowym, pociągając za sobą nieuzwojoną, ferromagnetyczną część wtórną. Zwiększenie siły ciągu F silnika tubowego można uzyskać przez pokrycie rdzenia części wtórnej warstwą  o dobrej przewodności elektrycznej.

Rys. 10 Zasada budowy silnika liniowego indukcyjnego tubowego

Oznaczenia: 1 - rura ferromagnetyczna, 2 - pierścieniowe cewki uzwojenia pierwotnego,

3 - pierścienie ferromagnetyczne, 4 - warstwa przewodząca części wtórnej,

5 - rdzeń ferromagnetyczny części wtórnej.

      Silniki indukcyjne liniowe stosuje się głównie w automatyce, w napędach maszyn specjalnych, w trakcji elektrycznej, do napędu: suwnic, drzwi przesuwnych, wyłączników, zaworów, maszyn i urządzeń w transporcie zakładowym  itp.