Laboration 1 Elektromekaniska omvandlingsprinciper

Laboration 1 Elektromekaniska omvandlingsprinciper 2013 1 Översikt Målsättning Tanken med laborationen är att öva förståelsen för grundläggande motorprinciper. Detta ska ske genom att konstruera och analysera en egentillverkad likströmsmotor. Man får möjlighet att prova de olika inkopplingarna seriemagnetiserad, separatmagnetiserad och shuntmagnetiserad likströmsmotor. Man får dessutom välja mellan att konstruera en motor med två eller fyra lindningar. Laborationen är uppdelad i en konstruktionsdel och en mätdel. Förberedelseuppgifter ska göras inför respektive del och en slutlig rapport ska skrivas. Rapporten ska besvara och diskutera förberedelseuppgifterna, frågorna under experimentdelen samt hemuppgifterna. Efterfrågade figurer ska finnas med och hänvisas till i texten. En viktig poäng med labben är att de reflektioner och slutsatser man drar dokumenteras så att resultatet kan diskuteras. 1.1 Uppdelning av laborationsmomenten Laborationstillfälle 1 är avsett för momentet Konstruktion och montering av likströmsmotor i Avsnitt 3 och hör ihop med förberedelseuppgifterna under Konstruktion och montering av likströmsmotor i Avsnitt 2.1. Laborationstillfälle 2 är avsett för momentet Mätning och analys av likströmsmotor i Avsnitt 4 och hör ihop med förberedelseuppgifterna under Mätning och analys av likströmsmotor i Avsnitt 2.2. 1

2 Förberedelseuppgifter Förberedelseuppgifterna syftar till att ge en grundläggande förståelse inför respektive laborationstillfälle. OBS: Förberedelserna ska utföras innan respektive labbtillfälle. 2.1 Konstruktion och montering av likströmsmotor 1. Rita en enkel skiss av stator och rotor och rita in spolar och strömriktning. Rita även in vinkeln θ, där θ = 0 motsvarar rotoron i vågrätt läge. Förklara vilket håll rotorn kommer rotera för de inritade strömriktningarna. Tips: Tänk igenom hur det magnetiska flödet går i kretsen och undvik att rita rotorn i helt vågrätt läge. 2. För konstruktionen ni ska göra på laborationen kommer luftgapet att variera. Ställ upp formeln för moment T (θ) = i2 dl ii 2 dθ +, samt redovisa uttryck för självinduktanserna och ömseinduktansen som tar hänsyn till det varierande luftgapet. 3. För er likströmsmotor kommer strömmen i rotorn att byta riktning två gånger per varv, hur påverkar det momentekvationen? 4. Plotta, utan skala på momentaxeln, det moment som erhålls från formeln för ett helt varv (inkludera effekten av den alternerande rotorströmen från föregående uppgift). 5. Till rotor och statorlindning kommer ni ha tillgång till totalt 60m koppartråd. Antag att ni vill få en så stark motor så möjligt, hur ska ni då fördela koppartråden? Motivera med beräkning. Tips: Beräkna medelmomentet över ett varv och försök att maximera detta. 2.2 Mätning och analys av likströmsmotor 1. Antag att lindningarna matas med I = 1 A. Ungeför hur stor blir den magnetiska flödestätheten (B-fältet) maximalt i respektive magnetisk krets i er motor? 2. Mättningsflödet i stator och rotor för denna motor är ca 2.15 T. Uppnås mättning i er motor? 3. Hur kan ni mäta varvtalet på motorn med hjälp av oscilloskopet? 2

3 Konstruktion och montering av likströmsmotor Här följer en monteringsanvisning. Det är tillåtet att hitta på egna lösningar men det är viktigt att utföra vissa av momenten i rätt ordning. Läs därför igenom hela anvisningen innan ni börjar. Det viktigaste att tänka på för att få en bra motorkonstruktion: Minimering av det totala luftgapet mellan stator och rotor En balanserad axel som snurrar lätt Bra kontakt och låg friktion i kommutatorn 3.1 Utrustning Den utrustning som finns tillgänglig för konstruktionsdelen är Verktyg Lödkolv Limpistol Tänger Multimeter Konstruktionsutrustning (Numrering enl. Figur 1) 1. MDF skiva till bottenplatta och axelhållare. 2. Aluminiumprofil till att hålla fast axelhållare. 3. Träpinne, 8mm, till motoraxel. 4. Kullager till motoraxel. 5. Skruv och mutter, 4mm, till rotor. 6. Kopplingstråd 0.8mm till kommutator och inkoppling. 7. Nit 50mm till kommutator. 8. Totalt 60m emaljerad koppartråd, 0.4mm, till stator och rotorlindning. 9. U-formad järnkärna till stator. 10. Kondensator, 1000µF, för stabilisering av spänning från spänningsaggregat. Denna kommer inte att monteras som i figuren utan finns tillgänglig på en separat platta som kopplas in mellan er elmotor och spänningsaggregatet. 11. Eltejp för att hålla fast kommutatortråden och skydda spolarna från vassa kanter. 3.2 Hållare till motoraxel De triangelformade MDF-bitarna kan användas som axelhållare. Se Figur 1 nr 1. 1. Limma fast varsitt vinkeljärn i aluminium på de båda hållarna. Notera att hålet sitter asymmetriskt på skivorna och ska vara uppåt. Detta för att rotoraxeln skall få rätt höjd. 3

8 6 10 5 9 7 3 4 2 1 Figur 1: Färdig motorkonstruktion. Notera att motorn på bilden även går att köra som permanentmagnetiserad. Notera även att motorn på bilden inte stämmer till 100% med konstruktionen som beskrivs. Det är främst kondensatorn som ser annorlunda ut, men också clipsen till kommutatorn och placeringen av kommutatorn är förändrat 3.3 Motoraxel 1. Börja med att sätta ihop motoraxeln genom att trä på kullager i de två ändarna. Se Figur 1 nr 4. Sitter kullagren lite löst kan man lägga en bit eltejp runt kullagren för att det ska sitta. Tips: Peta bort kullagerskydden som sitter för själva kulorna med en nål så att friktionen i kullagren minskas. På så sätt kan man också få in lite olja om det skulle behövas. 2. Skruva sedan i skruven som rotorlindningen skall lindas på. Doppa därefter änden på skruven i superlim eller häll lite superlim på den och skruva fast muttern. Försök centrera skruven. Det är viktigt att skruven hamnar i mitten så att det totala luftgapet kan minimeras. OBS: Nästa punkt är till för att kontrollera och justera uppställningen, du skall INTE limma ihop något än. 3. Tryck fast axeln i hållarna och ställ upp upp den på bottenplattan. Snurra runt axeln och se till att den roterar lätt utan att hamna i spänn. Kontrollera också att axeln är rak, några axlar har visat sig vara sneda. Ställ sedan över statorjärnet och kontrollera luftgapet mellan rotor och stator. För att få en bra motor bör detta vara så litet så möjligt utan att rotorn slår i statorn. Om rotorn slår i eller om luftgapet verkar för stort behöver ni böja till statorn. 3.4 Lindning av spolar 60m koppartråd är långt och det är lätt att det trasslar. Därför är det lämpligt att linda upp den längd man vill ha på en läskflaska eller dylikt. Använd t.ex. linjal för att mäta omkretsen för ett provvarv. Det är tillåtet att göra enkla geometriska approximationer som att läskflaskan har stor diameter och därför att första varvet är lika långt som sista. Liknande antagaden går att göra för att uppskatta antalet varv på stator- och rotorlindningarna. Där är dock diametern mindre i förhållande till tjockleken på lindningen och därför kan det vara lämpligt att anta en medelradie när man räknar ut antalet varv. 4

OBS: Vid uppmätning av koppartråd till rotorlindningen är det viktigt att markera ut var hälften är med en tejpbit så att man enkelt kan linda rätt. OBS: Tänk på att det är totalt 60m koppartråd ni har tillgängligt, ej 60m per spole. Tips: Lindning av stator och rotor kan göras parallellt för att spara tid. Fördela då upp koppartråden på två olika rullar innan ni börjar. 3.5 Stator och statorlindning 1. Använd det U-formade järnet som stator. Se Figur 1 nr 9. 2. Linda lite eltejp runt delen av statorn som skall lindas med koppartråd. Detta är till för att inte koppartråden skall skadas av vassa kanter eller liknande. 3. Linda, enligt förberedelseuppgiften, valt antal varv av era 60m koppartråd på den raka delen av statorjärnet. Se Figur 1 nr 8. För att slippa räkna antalet varv är det tillåtet att göra enkla geometriska antaganden enligt ovan. 4. Använd lödkolven för att förtenna ändarna på lindningen så att ni får bra kontakt vid inkoppling. OBS: Se till att lödningen smälter emaljen ordentligt, det är viktigt för att få bra kontakt. Fråga labbhandledaren om ni är osäkra. 3.6 Rotorlindning 1. Börja med att linda upp er resterande koppartråd på läskflaskan och markera var mitten är med en tejpbit så som beskrivs ovan. OBS: Kontrollera att rotorn är helt centrerad på motoraxeln innan ni börjar linda, det är viktigt för att kunna minimera det totala luftgapet 2. Linda lite eltejp runt rotorn för att skydda koppartråden på samma sätt som runt statorn. 3. Linda nu de båda rotorlindningshalvorna i samma riktning så att fälten förstärker varandra, börja och avsluta nära spolens centrum. OBS: Det är mycket viktigt att lindningarna går i samma riktning, annars kommer inte motorn att fungera som tänkt! Börja i mitten på rotorn och linda fram och tillbaka på ena sidan tills dess att ni lindat halva rotorlindningen (där ni bör ha en markering om ni följt instruktionen). Linda nu tråden diagonalt över motoraxeln och lindningsaxeln och fortsätt linda den andra sidan. Nedre pilen tillhörande nr 8 i Figur 1 pekar ut rotorlindningen. OBS: Linda så att början och avslutningen på spolen kommer nära axelns centrum, se dessutom till att spara några cm tråd för att ansluta till kommutatordelen. 4. För att konstruera kommutatorn skalas först 2 st ca 12cm långa bitar av den grövre kopplingstråden med skaltången. 5. Använd två av de fyra hålen på motoraxeln för att fästa en av kopplingstrådarna. Tråden bör böjas och klippas till så att den går från ett hål nära änden till ett annat (valfritt) hål nära rotorlindningen. Tråden skall nästan gå igenom hela hålet men får inte sticka ut på andra sidan. Se Figur 1 nr 6. 6. Kläm till tråden så att den sitter bra av sig självt. 7. Stick därefter in den ena tråden från rotorlindningen under den grövre kopplingstråden och vira några varv. 5

8. Löd ihop kopplingstråden med spoltråden på stället där ni virat. 9. Sätt en tejpbit några varv runt rotorn i vardera änden på kopplingstråden för att hindra tråden från att lossna när motorn roterar och förhindra kortslutning med den andra kopplingstråden. 10. Upprepa punkt 5-9 för den andra biten kopplingstråd. 11. Provmät era kopplingar med multimetern för att se till att ni inte har några kortslutningar eller avbrott på fel ställen. 3.7 Fixering av rotoraxel och stator 1. Pressa fast motoraxeln i de triangelformade hållarna av MDF som ni i tidigare moment har limmats ihop med vinkeljärnen. 2. Ställ nu den upphängda motoraxeln på bottenplattan och försök att få till en uppställning där inget sitter i spänn. Rotera rotorn, om hållarna wobblar så sitter inte axeln rakt vilket ger hög friktion, försök i så fall justera uppställningen. Se Figur 1 nr 10. 3. Rita ut var på plattan axelhållarna skall stå men limma inte fast den riktigt ännu. 4. Placera statorn stående över motoraxeln och böj eventuellt till den lite så att rotorn precis går fri när den roterar. Ju närmare statorn rotorn kommer när den står horisontellt desto mindre luftgap erhålls vilket är eftersträvansvärt. Tänk på att momentets upphov kommer från skillnaden i induktans över varvet. OBS: Det är viktigt att rotorn blir helt centrerad och att det totala luftgapet blir litet i minstaläget. 5. Märk ut var statorjärnet skall stå men vänta med att limma fast det i den positionen. 6. Limma sedan fast axelhållarna med smältlim. Tips: Arbeta skyndsamt så att smältlimmet fäster bra och se samtidigt till att slutplaceringen blir bra genom att eventuellt justera positionen medan limmet fortfarande är varmt. 7. Placera statorjärnet över rotorn på de utmärkta positionerna och limma sedan fast det. Kontrollera att monteringen blev bra så att rotorn roterar fritt och att luftgapet är litet. Tips: Detta är ett av de viktigare momenten för att få en bra motorkonstruktion så var noggranna. 3.8 Kommutator 1. Böj ut två nitar så att de bildar var sin 90 -vinkel. Se Figur 1 nr 7. 2. Löd fast en bit kopplingstråd i änden på nitarna. 3. Limma sedan fast nitarna på kopplingsplattan så att uppstickande delen hamnar någonstans mitt mellan tejpbitarna på var sida om axeln. Tanken med att placera kommutatorn mitt mellan tejpbitarna är att tejpen inte skall smälta av värmen som skapas vid kommuteringen/polvändningen. Tips: Försök limma niten så att den precis ligger an mot motoraxeln och placera limningen så nära 90 -vinkeln och motoraxeln så möjligt så får ni en styv kommutator som ger bra kontakt. 6

90 OBS: Det kan vara frestande att göra en böjd kommutator som har kontakt nästan halva varvet men då får man tänka på att det blir lite svårare att mäta på sin motor eftersom det blir mycket spikar om det skulle glappa lite. 4. Fäst kopplingstrådändar från kommutatorn så att det går att ansluta med krokodilklämmor från kondensatorplattan. 3.9 Testkörning Testkör motorn för att säkerställa att den fungerar. Snegla t.ex. på uppgifterna i Avsnitt 4.2. 4 Mätning och analys av likströmsmotor Den utrustning som finns tillgänglig för mätdelen är Oscilloskop Multimeter Spänningsaggregat (se Avsnitt 5) Kondensatorplatta 4.1 Kondensatorplattan För att jämna ut spikar i spänningen som uppstår vid kommuteringen ska en kondensator anslutas parallellt med rotorn. Detta görs genom rotorlindningen ansluts till spänningsaggregatet via kondensatorplattan. Det är viktigt att elektrolytkondensatorer ansluts med rätt polaritet, se därför till att koppla spänningsaggregatets positiva utgång till en röd kontakt på kondensatorplattan och den negativa till svart. OBS! Skulle kondensatorplattan kopplas in med fel polaritet kommer felkopplingslarmet på plattan att låta, se då till att genast stänga av och koppla rätt. Görs inte detta tar kondensatorn skada och går inom kort sönder, dvs den exploderar. 4.2 Experiment och frågeställningar Resultat och slutsatser av nedanstående frågor och experiment skall dokumenteras och diskuteras i den slutliga rapporten. 1. (a) Spänningssätt bara statorlindningen och känn på momentet som fås när kretsen försöker minimera reluktansen. Var försiktig så att statorn inte blir för varm. Vid 1A hettas tråden upp ganska fort och vid ca 300 C smälter emaljen på koppartråden. Undersök hur momentet varierar på rotorn för olika vinklar när bara statorn är inkopplad och jämför med er skiss från förberedelseuppgifterna. 7

Figur 2: Vänster: Kondensatorplattan. Höger: Polaritet hos elektrolytkondensator (b) Spänningssätt nu istället bara kommutatordelen till rotorlindningen, gärna med den oanvända utgången på spänningsaggregatet. Känn på samma sätt som förut på momentet för olika vinklar. Undersök hur momentet hos rotorn varierar för olika vinklar under den del av varvet när rotorn är inkopplad. Jämför även här med er skiss från förberedelseuppgifterna. (c) Spänningsätt nu båda lindningarna och känn på momentet och jämför med momentskissen. Här kommer ni behöva hålla fast rotorn för att den inte ska börja rotera. 2. Fundera igenom hur det totala momentet kommer se ut som funktion av vinkel när inverkan av kommutatorns in- och urkopplingar tas med. (a) Hur påverkas motorns prestanda av kommutatorns utseende? (b) Vid kommuteringen bryts strömmen i lindningarna i princip omedelbart och det kommer att slå gnistor om er motor. Hur kan man göra för att minska detta problem? 3. Koppla in motorn och provkör något inkopplingalternativ. Mät varvtalet på motorn enligt förberedelseuppgiften. (a) Skissa oscilloskopsignalen för en inkoppling och beskriv hur ni läser av motorvarvtalet. (b) Vad svarar topparna i spänningen mot? 4. Ni ska nu prova de olika inkopplingsalternativen: separat-, serie- och parallellmagnetiserad motor. För varje lindningsalternativ ska ström, spänning och effekt över respektive lindning, samt erhållet varvtal redovisas. Observera att det inte är säkert att ni kommer nå upp i den inställda strömbegränsningen för alla uppkopplingar. (a) Börja med att koppla motorn separatmagnetiserad. Ställ in strömbegränsningen till 1A på de båda lindningarna. Provkör (vrid upp spänningsbegränsningen till max). Vad blir varvalet? Hur mycket spänningen, ström och effekt fås över respektive lindning? (b) Koppla nu motorn seriemagnetiserad med 1 A strömbegränsning. Mät varvtalet, strömmen samt spänningen över lindningarna. Beräkna spänning och effekt över respektive lindning och jämför med den separatmagnetiserade. Tips: Mät resistansen i statorlindningen för att beräkna spänningen. (c) Koppla nu motorn parallellmagnetiserad med 2 A strömbegränsning. Mät ström och spänning över lindningarna samt varvtalet. Beräkna ström och effekt i respektive lindning och jämför med det separat och seriemagnetiserade fallet. 8

(d) Är det någon eller några av inkopplingarna som funkar sämre än övriga och i så fall varför? Hur skulle man i så fall kunna förbättra betendet för den/dessa uppkopplingar? 5. Koppla motorn separatmagnetiserad och justera ställ in stator strömmen till 1 A. Vrid rotorns strömbegränsning till max och justera med spänningsbegränsningen så att ni får ca 1 A rotorström. Det är viktigt rotorströmen ej begränsas av strömbegränsningen då ni ska titta på vad som händer med rotorströmmen. Bromsa motorn försiktig med handen. Vad händer med strömförbrukningen? Varför? I Ra Ia E U Figur 3: Skiss över motormodell. Den inducerade emk n är E = k 1 φn m, där φ är det magnetiska flödet, k 1 en konstant och n m är varvtalet på motorn 4.3 Hemuppgifter Följande frågor behöver inte behandlas innan labbtillfället men ska besvaras och vara med i rapporten. 1. Om man minskar arean på statorn där lindningen är lindad (obs: ej luftgapsarean, den är konstant) räcker en given längd koppartråd till fler varv. Antag att luftgapet står för den dominerande reluktansen i kretsen och att tjockleken på tråden i lindningen är liten i förhållande till omkretsen på statorn. (a) Vad händer med φ om mättning ej är uppnåd? (b) Vad händer med φ om mättning har uppnåtts? (c) Slutsats av ovan? Finns det en optimal area som maximerar φ? 2. Koppartråden som används i labben har en diameter på 0.4mm. Ett enkelt test visar att den snabbt blir varm vid strömmar över 1 A. Antag att ni ska konstruera spole och har tillgång till en given massa (eller volym) koppar. Om man väljer en mindre diameter på koppartråden minskar strömmen som krävs för att värma upp den och därmed den maximala strömen. Samtidigt räcker den givna mängden koppar till en längre tråd och alltså får spolen flera varv. (a) Finns det ett optimal diameter för koppartråden, det vill säga finns det en diameter som ger mer flöde än någon annan för en given mängd koppar, under förutsättning att uppvärmningen = effektutvecklingen = RI 2, i spolen är konstant? Undersök detta genom att ställa upp hur flödet varierar med valet av tråddiameter, (anta att trådens diameter är liten i förhållande omkretsen på spolen, d.v.s. att trådens diameter ej påverkar omkretsen). Tips: Resistansen för en metalltråd är proportionell mot längden och omvänt proportionell mot tvärsnittsarean på tråden. (b) Förändras förhållandet mellan resistansen R och induktansen L i spolen? (d.v.s förändras kvoten R/L?). Denna kvot är viktig då den säger hur mycket flöde man får ut i förhållande till den effekt man bränner i spolen. (c) Vilka andra avvägningar kan man tänkas behöva göra när man väljer diameter på koppartråden? 9

5 Spänningsaggregatet Det spänningsaggregat ni har tillgängligt har två utgångar för 0-30 V, 0-2 A med separat spännings och strömbegränsning, se Figur 4. Notera att spänningsaggregatet har både spännings- och ström-begränsning, samt att det finns grovrespektive fininställning för både ström och spänning. Indikatorlamporna cv och cc indikerar om det är spänning eller ström som är begränsande för respektive utgång i aktuellt driftsfall. För att veta om det är strömmen eller spänningen som hålls konstant kan man titta på de två indikatorerna och t.ex prova att ratta lite på rattarna för att se vad som händer. Figur 4: Spänningsaggregatet har två separata utgångar med respektive spännings- och strömbegränsning. Ett tips är att vara noga med att ställa in aggregatet så att ni vet om ni har konstant ström eller konstant spänning. Vid körning av likströmsmotor är det lätt att ställa in så att varken strömmen eller spänningen hålls konstant vilket kan göra det svårt att se vad som verkligen händer. 10