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 szerego

we 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 k

omutatorowy, 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  en

ergii  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 pojedyńczym 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 

 

    repu

lsyjnym 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

 

    

kierunk u w irowania 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: Φ

1

,Φ

2

 - 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  przes

unięcie 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  obwodzi

e,  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 wy

rażona wzorem:

 

  

 

gdzie: c - 

stała konstrukcyjna, 

 

          p - 

liczba par biegunów induktora,

 

        

Φ

1

 - 

strumień biegunów głównych, sprzęgający się z częścią wtórną silnika,

 

        

ψ

2 

- 

kąt fazowy między napięciem indukowanym w części wtórnej a prądem I

2

 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 

 

p

rzewodząca 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.