Stejnosměrné motory v medicínských aplikacích
Požadavky na motory kladené Výkon ~ 1W manipulátory a nástroje pro operace ~ 10 W peristaltické pumpy, brusky, ~ 100 W pohony, trakce, vozíky Kroutící moment bývá 1-100 mNm, pomocí převodovky jej lze zvýšit Napětí 3 V - 48 V
Ampérův zákon celkového proudu U přímého vodiče H 2r = I
Lorentzova síla víme, že F = Q v x B, I dB r0 dl
F = Q v x B víme, že Q = I dt , v = dl/dt F = I dl x B Vodič v magnetickém poli - Lorentzova síla F = Q v x B víme, že Q = I dt , v = dl/dt F = I dl x B
F = Q v x B víme, že Q = I t , v = dl/dt F = I dl x B Vodič v magnetickém poli - Lorentzova síla F = Q v x B víme, že Q = I t , v = dl/dt F = I dl x B Biot-Savartův zákon
Náhradní schéma stejnosměrného motoru pro ustálený stav bez budicího obvodu Platí rovnice U = Ui + RaIa přičemž Ui = c1 Φ n M = c2 Φ Ia Ui – vnitřní indukované napětí Ra – odpor vinutí kotvy Ia – proud kotvou n – otáčky motoru M – kroutící moment motoru Φ – magnetický tok v budícím obvodu c1, c2 - konstanty závislé na uspořádání motoru
Trocha teorie
Trocha teorie
Rozdělení stejnosměrných motorů
Derivační motor Vinutí statoru připojeno paralelně ke kotvě. Často používaný pro své konstantní otáčky nezávislé na zatížení. U menších motorků je statorové vinutí nahrazeno trvalými magnety.
Seriový motor Použití v oblasti pohonů. Využívá se velkého momentu při záběru, tedy při nízkých otáčkách. Seriový motor nesmí být používán bez zatížení, otáčky by šly k nekonečnu a motor by se poškodil.
Kompaudní motor Jedná se o kombinaci sériového a derivačního motoru. Oproti derivačnímu motoru je strmější zatěžovací charakteristika, tedy vyšší momenty při záběru, oproti sériovému jsou limitovány max. otáčky. Použití rovněž v oblasti pohonů.
Možnosti napájení a regulace Lineární změna napětí Nevýhoda – ztráty na regulačním prvku Lineární změna proudu - seriové motory, trakce Pulzní řízení Vícefázové napájení u krokových motorů Nevýhoda – složitější elektronika
Možnosti napájení Lineární regulace Výhodou je plynulá regulace napětí na kotvě bez vzniku dodatečného rušení a zvlnění napětí. Nevýhodou velká výkonová ztráta na regulačním prvku - potenciometru. Příklad: Motor má Un= 10 V a In= 1 A. Je požadavek regulovat otáčky na 30 % maximální hodnoty. Regulovaný motor bude mít při nezměněném jmenovitém napájení V+=10 V napětí na kotvě Ua= 3 V a protékající proud celým obvodem bude přibližně Ia= 300 mA. Na potenciometru bude napětí 7 V při proudu Ia= 300 mA. Ze zdroje tedy bude odběr 3 W přičemž výkonová ztráta na potenciometru bude 2,1 W.
Možnosti napájení Pulzní řízení - jednokvadrantový pulzní měnič Změnou střední hodnoty napětí na kotvě dosáhneme stejného efektu jako lineární regulací. Je zde mnohem vyšší účinnost regulace a nižší výkonová zátěž regulačního prvku. Pulzně šířková modulace (PWM) průběh napětí na motoru
Jednokvadrantový pulzní měnič – průběhy napětí a proudu Poměrem mezi dobami T1 (sepnuto) a T2 (vypnuto) můžeme měnit otáčky motoru v rozsahu 0 -100 %. Průběh proudu je dán vysokou indukčností kotvy motoru. Máme-li opět regulovat motor na 30 % max. otáček, budou poměry následující: Po dobu T1 je na tranzistoru saturační napětí UCE= 0,15 V a protékající proud Ia= 1 A. Výkonová ztráta na tranzistoru bude tedy P1= 0,15 W. Po dobu T2 je tranzistor uzavřen, protéká jím pouze zbytkový proud cca. 0,1 μA. Na tranzistoru je plné napětí 10 V. Výkonová ztráta je tedy asi P2= 1 μW. Je-li poměr mezi dobami T1 a T roven 3:10, potom je střední výkonová ztráta na tranzistoru Ps= 45 mW.
Možnosti napájení Čtyřkvadrantový pulzní měnič – principielní schéma Umožňuje reverzovat směr pohybu a řídit rychlost pomocí čtyř spínacích prvků. Např. řízeným současným spínáním SW1 a SW4 regulujeme otáčky motoru v jednom směru. Pokud budeme současně spínat SW2 a SW3, regulujeme otáčky ve směru opačném.
Možnosti napájení Čtyřkvadrantový pulzní měnič – zapojení s tranzistory Spínací prvky jsou představovány tranzistory VT1 až VT4. Diody slouží jako ochrana proti přepětí.
Možnosti napájení Čtyřkvadrantový pulzní měnič – konkrétní zapojení
Uspořádání moderních motorků
Rozsah parametrů mikromotorků a převodovek fy. MINIMOTOR
Katalogový list typických mikromotorků
PŘÍKLAD Máte k dispozici následující katalogové údaje mikromotorku s permanentním magnetem. Jmenovité napájecí napětí Un= 4,5 V. Otáčky při chodu naprázdno jsou no= 16000 min-1 . Proud kotvou (rotorem) naprázdno Iao= 12 mA. Napěťová konstanta kE= 0,27 mV/min-1. Momentová konstanta kM=2,58 mNm/A. Motor napájíme ideálním zdrojem napětí. V konstantách je již obsažen i budící magnetický tok. a) Z uvedených údajů vypočtěte odpor kotvy Ra b) Motor nyní při jmenovitém napájecím napětí zatížíme tak, že otáčky klesnou na n1= 13000 min-1. Jaký proud v tomto režimu kotvou poteče a jakým kroutícím momentem bude motor pohánět zátěž? c) Jakým kroutícím momentem působí motor na brzdu, když jej při jmenovitém napájení zastavíme? __________________________________________________________________________________ a) Obecně platí , Pro chod naprázdno bude Vnitřní ind. napětí naprázdno Odpor kotvy
b) Vnitřní indukované napětí při otáčkách n1 Proud kotvou při této zátěži Kroutící moment M1 c) Proud protékající kotvou při stojícím motoru Kroutící moment M2
Krokový motor s pasivním rotorem Krokové motory Krokový motor s pasivním rotorem Cívky tvořící jednu fázi jsou spojeny do série Vybuzená fáze přitáhne vždy nejbližší zuby tak, aby magnetický obvod měl nejmenší magnetický odpor Budíme-li postupně fáze A-B-C-D-A, točí se rotor proti směru hodinových ručiček Pro otáčení ve směru hodinových ručiček budíme A-D-C-B-A Jeden cyklus A-B-C-D-A znamená pootočení rotoru o jednu zubovou rozteč
Krokový motor s aktivním rotorem Krokové motory Krokový motor s aktivním rotorem Rotor je zmagnetován a natáčí se dle magnetické polarity pólů statoru
Typy řízení krokových motorů A. Dle polarity - unipolární (jednodušší elektronika, nižší spotřeba) - bipolární (vyšší kroutící moment) B. Dle velikosti kroku - s plným krokem - s polovičním krokem (jemnější krok, náročnější na ovládání) C. Dle počtu aktivních fází - jednofázové (nižší spotřeba) - dvoufázové (vyšší kroutící moment) Označení cívek pro následující obrázky
Typy řízení krokových motorů Principelní schéma unipolárního řízení Principelní schéma bipolárního řízení
Bezkomutátorové (brushless) motory Ventilátor z PC
Zapojení elektroniky u PC ventilátorů