Silniki i Siłowniki

Silniki są po prostu urządzeniami, które przejmują władzę i generują ruch. Większość silników przetwarza energię na pole magnetyczne za pomocą cewek. Kilka silników nie używa cewek, a my omówimy je później. Moc dostarczana do cewek silnika może pochodzić z sieci prądu przemiennego, zasilaczy prądu stałego lub ze sterowników kontrolujących cewki w określonych celach. Silniki są podzielone na klasy w oparciu o rodzaj wykorzystywanej mocy.

Silniki prądu przemiennego

Większość obecnie używanych silników to silniki prądu zmiennego przeznaczone do pracy w średnich i ciężkich warunkach. Są one obecne w większości zmotoryzowanych urządzeń, które korzystają z zasilania prądem przemiennym. Są niedrogie, ponieważ nie wymagają skomplikowanej konstrukcji i dlatego, że są budowane w dużych ilościach. Silniki różnią się budową, kontrolą prędkości, metodami chłodzenia, systemami sterowania, wielkością i masą.

•  Silniki prądu przemiennego mają cewki wbudowane w obudowę zewnętrzną (stojan) i magnesy obracające się w środku (na wirniku).
•  Prędkość Liczba zwojów i częstotliwość zasilania podawanego cewkom określają prędkość silnika. Prędkość silników AC jest zasadniczo stała. Jako takie mogą nie być najlepsze dla robotów. Rozważmy tylko 50 Hz mocy dla tych przykładów. Jeśli tylko trzy zwoje tworzą pojedyncze pole wirujące (jeden biegun), silnik obraca się z prędkością 50 Hz lub 3000 obrotów na minutę (obr./min). Wraz z dodawaniem kolejnych trzech cewek, liczba biegunów spada do 2, a prędkości obrotowe do 1000. Poniższe równanie służy do określenia prędkości obrotowej, gdzie p jest liczbą trzech cewek uzwojenia (tyczek), f jest częstotliwością mocy, a s to prędkość silnika na 4 RPM:

s= 60 x f/p

•  Chłodzenie Uzwojenia znajdują się na obudowie zewnętrznej, gdzie mogą być chłodzone łatwiej. Ponadto, bez szczotek, obudowa może być szeroko otwarta, aby dopuścić powietrze do chłodzenia.
•  Sterowanie Silniki prądu przemiennego nie są łatwe do kontrolowania, zarówno z prędkością, jak i pozycją. Jest możliwe zbudowanie elektroniczny kontroler, aby skrócić prędkość i pobór mocy silnika prądu przemiennego, ale najlepiej go stosować w sytuacjach, w których wymagana jest tylko duża moc mechaniczna, szczególnie w zastosowaniach ze stałą prędkością.
•  Przenoszenie Z uwagi na to, że przenośny robot prawdopodobnie ucieka z baterii, silniki prądu przemiennego mogą nie być właściwym wyborem. Wraz z trudnościami w kontrolowaniu prędkości i położenia silnika prądu przemiennego można uznać, że mogą one nie być dobrym wyborem w robocie.

Silniki prądu stałego

Silniki DC występują w wielu różnych stylach. Silniki AC mają tylko mniej stylów, ponieważ ich architektura próbuje wykorzystać istniejący ruch (kształt fali) mocy AC. Podobnie jak większość silników, silniki prądu stałego generują ruch, tworząc pola magnetyczne wewnątrz silnika, które przyciągają się wzajemnie. Ogólnie rzecz biorąc, silniki prądu stałego mają magnesy stałe w stojanie, a wirnik ma cewki (odwrotność silników AC). Ponieważ jednak moc prądu stałego nie ma własnego ruchu (kształtu fali), elektronika silnika musi spowodować zmianę kształtu fali prądu stałego podczas obrotu silnika. Może się to zdarzyć na kilka sposobów.

SILNIKI PRADU STAŁEGO Z SZCZOTKAMI

•  Konstrukcja Wirnik przestałby się obracać, gdyby pole prądu stałego w cewkach wirnika nigdy się nie zmieniło. Zmieniając polaryzację napięcia DC na cewce podczas jej obracania, możemy ciągle sprawić, że jej pole przyciągnie kolejny magnes w stojanie. Gdy wirnik obraca się, zestaw zależnych od położenia przełączników w wirniku przełącza pole na cewkach wirnika. Przełączniki są realizowane za pomocą stacjonarnego, podzielonego pierścienia ślizgowego na łożysku wirnika (dla mocy wejściowej) i szczotek, które przeciągają się wokół pierścienia w celu zasilania cewek. Po wystarczającym obróceniu wirnika szczotki przesuwają się na drugą część pierścienia ślizgowego i odwracają polaryzację cewek. To trochę tak, jak trzymanie marchewki przed koniem. Ta struktura ma jednak pewne wyraźne wady:
•  Hałas elektryczny Szczotki wytwarzają iskry, które emitują dużo energii elektrycznej promieniowanie. Ponadto, ponieważ napięcia zmieniają się gwałtownie, hałas zasilacza może być poważny.
•  Zagrożenie pożarowe Iskry mogą dotknąć wybuchów.
•  Niezawodność Szczotki mogą się zużyć i zatkać brudem. Po pewnym czasie silniki mogą wymagać szczotek zastępczych.
•  Silniki prądu stałego są sterowane poprzez zmianę napięcia na zasilaniu DC. Silniki o wyższym napięciu są na ogół silniejsze.
•  Chłodzenie. Chłodzenie jest nieco większym problemem dla szczotkowanych silników prądu stałego, ponieważ cewki elektryczne znajdują się wewnątrz wirnika. Ponadto, ponieważ prędkość jest kontrolowana przez liniowe zmienianie mocy cewek, dyssypacja w zasilaniu może stać się problemem.
•  Sterowanie. Sterowanie napięciem i prądem przez cewki umożliwia sterowanie prędkością i momentem obrotowym. Ogólnie rzecz biorąc, większość kontrolerów silników DC wykorzystuje siekanie fali, aby kontrolować średnie napięcie DC (w przeciwieństwie do regulatora liniowego). Poprzez bardzo szybkie wyłączanie i włączanie napięcia cewki DC (do pełnego napięcia), średnie napięcie prądu stałego na cewce może być kontrolowane za pomocą cyklu roboczego. Takie napędy silnikowe są bardziej wydajne.
•  Przenośność Silniki prądu stałego mają więcej miejsca niż silniki prądu przemiennego o podobnej mocy ze względu na szczotki i cewki na wirniku. Ponadto, ponieważ cewki znajdują się na wirniku, mają one znaczny efekt żyroskopowy. Na wirniku jest dużo wirującej masy.

BEZSZCZOTKOWE SILNIKI PRADU STAŁEGO

•  Budowa Bezszczotkowe silniki prądu stałego mają taką samą konstrukcję jak silniki prądu przemiennego. Wirnik ma magnesy stałe, a cewki znajdują się na obudowie (stojanie). Zmieniając polaryzację napięcia prądu stałego na cewce stojana, gdy wirnik obraca się, możemy ciągle sprawić, że jego pole przyciągnie kolejny magnes w wirniku. Gdy rotor się obraca, elektryczne elementy sterujące przełączają pole na cewkach stojana. Ta struktura ma pewne wyraźne zalety:
•  Szum elektryczny Znacznie mniej zakłóceń elektrycznych niż w przypadku szczotkowanych silników prądu stałego.
•  Niebezpieczeństwo pożaru Nie powstają iskry.
•  Niezawodność Nie stosuje się szczotek, które mogłyby się zużyć. Ponadto na rotorze odbywa się znacznie mniejsza masa.
•  Silniki prądu stałego są sterowane poprzez zmianę napięcia na zasilaniu DC. Silniki o wyższym napięciu są na ogół silniejsze.
•  Chłodzenie. Chłodzenie jest łatwe, ponieważ cewki znajdują się na obudowie, ale ponieważ prędkość jest kontrolowana poprzez liniowe zmienianie mocy cewek, dyssypacja w zasilaniu może stać się problemem.
•  Sterowanie. Bezszczotkowe silniki prądu stałego mogą być sterowane za pomocą podobnego rodzaju regulacji kształtu fali, jaką wykorzystują szczotkowane silniki prądu stałego (w przypadku zakłóceń pochodzących od szczotek). Ponieważ nie są używane żadne szczotki, kontroler musi również wyczuć położenie silnika. To sprawia, że kontroler jest znacznie droższy.
•  Przenośność Bezszczotkowe silniki prądu stałego są dość lekkie, ale sterownik może być skomplikowany. Ponadto upewnij się, że silnik nie ma delikatnych przewodów pomiarowych (do wyczuwania położenia). Postaraj się, aby sterownik automatycznie wyczuwał pozycję silnika. To sprawia, że sterownik jest droższy, ale silnik będzie bardziej mechanicznie niezawodny.

SILNIKI KROKOWE PRĄDU STAŁEGO

•  Konstrukcja Silniki krokowe mają taką samą konstrukcję jak silniki prądu przemiennego i bezszczotkowe silniki prądu stałego. Wirnik ma magnesy stałe, a cewki znajdują się na obudowie (stojanie). Zmieniając polaryzację napięcia prądu stałego na cewce stojana, gdy wirnik obraca się, możemy ciągle sprawić, że jego pole przyciągnie kolejny magnes w wirniku. Gdy rotor się obraca, elektryczne elementy sterujące przełączają pole na cewkach stojana. Istnieją pewne wyraźne różnice między silnikami bezszczotkowymi i krokowymi:
•  Szybkość kroku Silniki krokowe są zaprojektowane z większą liczbą pozycji obrotowych i mają tendencję do szybszego przechodzenia od pozycji do położenia. Są bardziej jak system cyfrowy, a bezszczotkowe silniki DC są bardziej podobne do systemów analogowych.
•  Zatrzymanie Silniki krokowe są zaprojektowane tak, aby zatrzymać się na centymetrze i utrzymać ich pozycję. Z tego powodu mają mniejszą masę obrotową. Silniki prądu stałego mogą wykonywać ten sam atut, ale muszą mieć starannie zaprojektowane serwonapędy, aby wyczuć i utrzymać swoją pozycję. Silniki krokowe utrzymują pozycję zdefiniowaną przez geometrię silnika.
•  Prędkość. Silniki krokowe niekoniecznie są zaprojektowane do prędkości. Jeśli pójdą za szybko, mogą utracić swoją pozycję, przesuwając się o jeden za dużo biegunów. Muszą poruszać się celowo. Nie są również dobrze przystosowane do zmiany obciążeń; mogą stracić kontrolę nad swoją pozycją, jeśli ładunek zmienia się w sposób nagły.
•  Chłodzenie. Silniki krokowe mogą być dość otwarte i łatwe do schłodzenia. Jeśli przez jakiś czas pozostaną w bezruchu, prąd w cewce może zostać zmniejszony. Dobry kontroler zrobi to automatycznie.
•  Sterowanie. Silniki krokowe mają stosunkowo złożone sterowniki. Są na ogół skomputeryzowane, ponieważ komputer musi śledzić pozycję i pęd silnika. Bardziej skomplikowane sterowniki mają więcej niż tylko włączanie i wyłączanie cewki ,napięcia i prądu.
•  Przenośność Silniki krokowe są zwykle lekkie i dość mocne. Nie są szczególnie dobre przy dużych lub zmiennych obciążeniach, ale działają niezawodnie w większości aplikacji

SILNIKI EGZOTYCZNE.

SILNIKI PIEZO-ELEKTRYCZNE

Materiały piezoelektryczne są materiałami ceramicznymi, które zmieniają kształt, gdy pole elektryczne jest na nich nałożone. Uważaj na alarmy i dzwonki telefoniczne, które są najczęstszymi zastosowaniami takich materiałów. Nie poruszają się zbyt wiele, ale często mogą się poruszać. Są używane do małych ruchów, takich jak pełzanie i precyzyjne dopasowanie. Jeśli robot musi mieć bardzo dokładne, dokładne pozycjonowanie, piezoelektryki mogą zapewnić ruchy. Mogą przenosić duże ładunki, aczkolwiek powoli.

ORGANICZNE

Niektóre organiczne kryształy rozszerzają się i kurczą, gdy przepływa przez nie prąd. Nie ma prostszego silnika. Niestety, są one bardzo delikatne