str. 1

Temat: Maszyny specjalne prądu stałego – ich właściwości ruchowe i zastosowanie.
1. Do maszyn specjalnych można zakwalifikować:
a) wzbudnice maszyn synchronicznych – o szczególnym ukształtowaniu obwodu
magnetycznego
b) silniki trakcyjne – dostosowane do podwieszania pod pojazdem
c) prądnice do oświetlania wagonów, prądnice unipolarne – prądnice spawalnicze
d) maszyny wysokonapięciowe (do 30 kV) – o odmiennym układzie izolacyjnym
e) maszyny z magnesami trwałymi
f) małe maszyny stosowane w układach automatycznego sterowania i regulacji – tzw.
silniki wykonawcze oraz prądnice tachometryczne
g) wzmacniacze elektromaszynowe
2. Prądnica unipolarna.
Prądnica unipolarna (homopolarna) jest maszyną prądu stałego bez komutatora.
ZASADA DZIAŁANIA
Elementy uzwojenia twornika, w których indukują się napięcia, poruszają się w polu o takiej
samej biegunowości. Cewki magnesów wzbudzenia są wykonane w formie pierścieni
(rys. 8.69) i umieszczone na wewnętrznym obwodzie stojana.
Prąd płynący w uzwojeniu wzbudzającym wytwarza strumień magnetyczny, który zamyka się
w obwodzie jak na rysunku. Pierścień magnetyczny w stojanie tworzy biegun N, a twornik
biegun S. Gdyby w tworniku zostały umieszczone pręty uzwojenia, w każdym z nich
indukowałaby się siła elektromotoryczna E=Blv o takim samym kierunku w każdym pręcie.
W tej sytuacji szczotka A1, przy kierunku wirowania zaznaczonym na rysunku, ma zawsze
biegunowość dodatnią.
Prądnice unipolarne umożliwiają uzyskanie prądu o wartości dziesiątek kiloamperów przy
bardzo niskim napięciu (20-30 V). Z tego względu znalazły one zastosowanie jako źródła
niskiego napięcia, a jednocześnie dużego prądu do zasilania urządzeń elektrolizy.
3. Prądnica tachometryczna.
Prądnice tachometryczne prądu stałego są to maszyny małej mocy z magnesami trwałymi
lub obcowzbudne. Konstrukcja ich jest podobna do konstrukcji dużych maszyn prądu
stałego, powinna jednak zapewniać zmniejszenie pulsacji napięcia spowodowanej istnieniem
żłobków i komutatora. Prądnice te mają moce 10-50 W i służą w układach regulacji jako
przetworniki prędkości kątowej na sygnał elektryczny – napięcie.
str.1 Prądnice tachometryczne z magnesami trwałymi są mało czułe na zmiany temperatury,
wrażliwe na wstrząsy, ich magnesy trwałe podlegają procesowi starzenia, a ponadto nie ma
możliwości regulacji nachylenia charakterystyki.
W celu zmniejszenia pulsacji napięcia stosuje się często konstrukcje bezżłobkowe prądnic
tachometrycznych, o odpowiednio dużej liczbie wycinków komutatora.
4. Maszyny wzbudzane magnesami trwałymi.
W maszynach prądu stałego małej mocy, do ok. 100 W, do wytworzenia głównego pola
magnetycznego powszechnie są stosowane magnesy trwałe. Typowym przykładem takiego
rozwiązania są silniki prądu stałego zasilane z baterii: silniki do zabawek, silniki napędzające
wycieraczki szyb samochodowych, silniki magnetofonów kasetowych i inne.
Najczęściej stosowane w tych silnikach materiały magnetyczne to materiały proszkowe
z ferrytów baru lub magnesy lane ze stopów alnico.
Najprostsze rozwiązanie konstrukcyjne takiego silnika przedstawiono na rys. 8.70.
Silnik taki można traktować jak silnik z trzema żłobkami oraz trzema wycinkami komutatora.
Zęby takiego wirnika są jednocześnie biegunami. Bieguny wzbudzenia (w stojanie) są
rozmieszczone symetrycznie – kat między ich osiami wynosi 180o. Bieguny twornika
(wirnika) natomiast są rozmieszczone niesymetrycznie – kąt między nimi wynosi 120o, ale w
każdej chwili tylko dwa uzwojenia są zasilane.
Podczas obrotu wirnika szczotka A2 poprzez komutator wyłącza zasilanie uzwojenia 2,
włącza w obwód uzwojenie 3. Po obrocie wirnika o 60o szczotka A1 zachowuje się podobnie,
wyłącza prąd w uzwojeniu 1, a włącza w obwód uzwojenie 2. W ten sposób, przez cykliczne
przełączanie uzwojeń, każdy z biegunów wirnika znajdujący się na dole ma biegunowość N,
a na górze biegunowość S, co powoduje, że moment obrotowy wirnika ma zawsze ten sam
kierunek. Zmianę kierunku wirowania uzyskuje się przez zmianę biegunowości szczotek A1
i A2.
5. Silniki z wirnikiem drukowanym.
Wśród licznych rozwiązań konstrukcyjnych silników prądu stałego ze względu na właściwości
na szczególną uwagę zasługuje silnik tarczowy.
Jak widać na rys. 8.71 silnik tarczowy składa się z dwóch płyt (talerzy) krańcowych, do
których są przymocowane magnesy trwałe (wzbudzenie magnetoelektryczne) lub
elektromagnesy (wzbudzenie elektromagnetyczne).
str.2 Po zmontowaniu między magnesami pozostaje płaska szczelina powietrzna, w której obraca
się płaski wirnik (rys. 8.72).
Magnesy są najczęściej odlane ze stopów zapewniających stabilny strumień w szczelinie lub
z ferrytów, które jednak wytwarzają pole o mniejszym natężeniu.
Silniki tarczowe mają następujące zalety:








bardzo mały moment bezwładności wirnika (ok. 25 razy mniejszy niż w silnikach
tradycyjnych), małe mechaniczne stałe czasowe wynoszące 3÷10 ms (w silnikach
tradycyjnych 4÷150 ms),
znacznie korzystniejszy przebieg komutacji niż w silniku tradycyjnym,
prostoliniową charakterystykę mechaniczną,
stały moment w całym zakresie prędkości (od 0 do prędkości znamionowej),
duży zakres regulacji prędkości obrotowej 1÷3000 obr/min,
możliwość uzyskania idealnie liniowej zależności siły elektromotorycznej od
prędkości,
moment impulsowy 4÷9 razy większy niż znamionowy,
małe wymiary całkowite i mały ciężar w porównaniu z silnikami tradycyjnymi.
Wady silników tarczowych to:


str.3 duży koszt wytwarzania,
mniejsza trwałość niż silników konwencjonalnych, zwłaszcza przy większych mocach.
Wymienione cechy silników tarczowych zadecydowały, że są one stosowane jako silniki
wykonawcze w układach sterowania i automatyki, a szczególnie do sterowania obrabiarek
(frezarek, szlifierek i tokarek), do napędu pamięci w maszynach cyfrowych, w zgrzewarkach,
pojazdach mechanicznych i urządzeniach radiolokacyjnych.
Silniki tarczowe są wykonywane o mocach od kilkunastu watów do ok. 10 kW. Wartość
graniczna mocy wzrasta wraz z poprawą jakości stosowanych materiałów, które często są
drogie i niekiedy trudno dostępne.
Silniki tarczowe są zaliczane do grupy silników z drukowanym uzwojeniem wirnika. Oprócz
silników tarczowych stosuje się także inne konstrukcje wirników z uzwojeniami drukowanymi,
są to:


wirniki kubkowe z uzwojeniami drukowanymi,
wirniki kokonowe
Silniki z takimi wirnikami mają jeszcze mniejszy moment bezwładności i są zaliczane do
małoinercyjnych i szybkodziałających.
6. Silniki wykonawcze.
Silniki wykonawcze prądu stałego są to silniki stosowane w układach automatycznego
sterowania i regulacji, a zadaniem ich jest przekształcenie sygnału elektrycznego (napięcia
sterującego) na przemieszczenie mechaniczne (prędkość obrotową lub położenie kątowe).
Silniki wykonawcze prądu stałego są to silniki małej mocy bez biegunów pomocniczych, przy
czym uzwojenie biegunów i obwód wirnika są zasilane z oddzielnych źródeł.
Jeden obwód nazywamy obwodem wzbudzenia i jest on zasilany z sieci ostałym napięciu Uf,
drugi nazywamy obwodem sterowania i jest on zasilany tylko wówczas, gdy silnik ma
wykonać konkretne zadanie.
Wymagania, które musi spełnić silnik wykonawczy to:





liniowość charakterystyk mechanicznych,
stabilność charakterystyk mechanicznych,
samohamowność,
małe wymiary,
szybka odpowiedź
Do silników wykonawczych prądu stałego zalicza się silniki:
a) obcowzbudne
Silniki wykonawcze prądu stałego są zbudowane podobnie do normalnych obcowzbudnych
maszyn prądu stałego. Często zamiast elektromagnesów stosuje się w nich wzbudzenie
magnesami trwałymi. Zasadniczą cechą tych silników jest precyzja wykonania, zapewniająca
uzyskanie małych błędów. Silniki wykonawcze prądu stałego są najczęściej
dwubiegunowymi maszynami małej mocy (5÷10 W), a ich sprawność wynosi 25÷30 %.
Regulować prędkość obrotową silnika prądu stałego, czyli sterować silnikiem prądu stałego,
można dwoma sposobami.
Pierwszy sposób polega na regulacji strumienia magnetycznego, drugi na regulacji siły
elektromotorycznej przez zmianę napięcia na zaciskach twornika.
str.4 Najczęściej silnikami wykonawczymi steruje się przez zmianę napięcia twornika
(tzw. sterowanie napięciem twornika), mimo że sterowanie przez zmianę prądu wzbudzenia
(tzw. sterowanie napięciem magnesów) jest tańsze i wymaga mniejszej mocy sterującej.
Sterowanie napięciem twornika odbywa się przy stałym strumieniu magnesów, natomiast
sterowanie przez zmianę strumienia przy stałej wartości napięcia twornika.
Sterowanie napięciem wzbudzenia może być realizowane tylko w silnikach o wzbudzeniu
elektromagnetycznym. Sterowanie to nie znajduje jednak szerszego zastosowania ze
względu na nieliniowość charakterystyki regulacyjnej oraz dużą elektromagnetyczną stałą
czasową uzwojenia wzbudzającego, mimo istotnej zalety jaką jest mała moc źródła
sterującego.
b) krokowe (skokowe)
Silniki krokowe są elementami wykonawczymi przetwarzającymi impulsy elektryczne na
przesunięcia kątowe lub liniowe, nazywane krokami lub skokami.
Najprostszą konstrukcję silnika krokowego przedstawiono na rys. 8.74.
Uzwojenie stojana jest zasilane impulsowo prądem stałym. W stojanie znajduje się dużo
biegunów magnetycznych i aby uzyskać dużą liczbę skoków mogą być zasilane kolejno
uzwojenia poszczególnych biegunów lub odpowiednich biegunów połączonych w układy.
Aby osiągnąć określoną częstotliwość skoków, impulsy zasilające muszą się zmieniać
w czasie. Koszt silnika i układu sterującego jest tym większy, im większa jest częstotliwość
impulsów i mniejsze skoki. W celu uzyskania małych skoków buduje się tzw. silniki
wielostojanowe, w których w jednej osi maszyny znajduje się kilka rzędów układów
biegunów, przy czym osie tych biegunów są przesunięte w przestrzeni.
Silniki krokowe w porównaniu z innymi silnikami wykonawczymi wykazują cenne zalety,
między innymi:



wpływają na zmniejszenie liczby elementów i uproszczenia systemu sterowania,
charakteryzują się dużą dokładnością,
ograniczają lub eliminują całkowicie sprzężenie zwrotne i układy prądnic
tachometrycznych.
7. Wzmacniacze elektromaszynowe.
str.5 Wzmacniaczami elektromaszynowymi nazywa się grupę specjalnych maszyn elektrycznych
prądu stałego, których zadaniem jest wzmocnienie elektrycznego sygnału, prądu napięcia
lub mocy elektrycznej.
Właściwości ruchowe wzmacniacza określa się podając jego charakterystyki statyczne
i dynamiczne:
a) Charakterystyki statyczne określają zależność przy ustalonych wartościach wielkości
wejściowych i wyjściowych. Podstawowe charakterystyki statyczne to:
 charakterystyka sterowania będąca zależnością wielkości wyjściowej od wielkości
wejściowej przy stałej rezystancji obciążenia,
 charakterystyka zewnętrzna będąca zależnością wielkości wyjściowej od obciążenia
przy stałej wartości wielkości wejściowej.
b) Charakterystyki dynamiczne określa się wyznaczając operatorową transmitancję
wzmacniacza, która informuje o przebiegach w stanach nieustalonych.
Wielkościami charakteryzującymi wzmacniacz są:



współczynnik wzmocnienia (mocy, napięcia lub prądu),
stała czasowa,
współczynnik dobroci określany jako iloraz współczynnika wzmocnienia i stałej
czasowej
PRĄDNICA OBCOWZBUDNA JAKO WZMACNIACZ
Zwykła prądnica obcowzbudna prądy stałego może być traktowana jako wzmacniacz prądu
lub mocy. Wejściem jest w niej obwód wzbudzenia, a wyjściem obwód obciążenia (rys. 8.75).
Współczynnik wzmocnienia mocy zależy od kwadratu prędkości obrotowej i kwadratu
permeancji (przewodności magnetycznej). W celu uzyskania dużego współczynnika
wzmocnienia mocy należałoby zbudować maszynę o dużej prędkości obrotowej z bardzo
małą szczeliną powietrzną.
Prądnica obcowzbudna może pracować jako wzmacniacz, ale ponieważ jej współczynnik
wzmocnienia jest mały (wynosi 20÷100) nie znajduje one praktycznego zastosowania.
Powiększenie współczynnika wzmocnienia można uzyskać stosując kaskadowe łączenie
dwóch lub więcej prądnic.
AMPLIDYNA
Amplidyna jest najbardziej rozpowszechnionym elektromaszynowym wzmacniaczem
dwustopniowym z polem poprzecznym. Obwód magnetyczny i schemat połączeń amplidyny
przedstawiono na rys. 8.76.
str.6 Amplidyna jest maszyną prądu stałego, w której przepływ oddziaływania twornika
wykorzystano do dalszego wzbudzenia maszyny. Maszynę przedstawioną na rys. 8.76
należy traktować jako dwubiegunową o rozdzielonych biegunach.
Amplidyny znalazły szerokie zastosowanie w elektromaszynowych układach regulacji, jako
wzbudnice prądnic sterujących układu Leonarda (układ regulacji prędkości obrotowej
silników prądu stałego największych mocy).
str.7