פרויקט בהינע חשמלי - בניית מנוע DC

עידו פנג בנטוב	ניר קרל
CLASSIFIED	CLASSIFIED
CLASSIFIED	CLASSIFIED

יובל הנדל
CLASSIFIED
CLASSIFIED

לינק לשרטוטים והדגמות:
https://technionmail-my.sharepoint.com/:f:/g/personal/nir_karl_campus_technion_ac_il/EoOWrQhI8vREjDW4Mvu9MecBS3_6YRl7TiD-0QNPSKCTMw?e=na4YV3

---

---

מבוא

בפרויקט זה תכננו, בנינו וניתחנו מנוע זרם ישר (DC) עם מברשות במסגרת קורס הנע חשמלי (034034). מטרת הפרויקט היא לחבר בין התיאוריה הנלמדת בכיתה לבין היישום המעשי שלה בעולם הפיזי.

המנוע מורכב מסטטור חיצוני ונייח בו מותקנים מגנטים קבועים, ורוטור פנימי עם סלילי נחושת. המנוע מייצר מומנט סיבוב בעזרת האינטראקציה בין השדה המגנטי של המגנטים הקבועים והזרם החשמלי הזורם בסלילי הרוטור דרך מערכת הקומוטטור והמברשות.

עקרון הפעולה:
הזרם החשמלי עובר מהמקור דרך המברשות אל הקומוטטור ומשם לסלילי הרוטור. הזרם הזורם בסלילים ביחד עם השדה המגנטי של המגנטים הקבועים יוצר כוח אלקטרומכני הפועל על הרוטור וגורם לו להסתובב. מערכת הקומוטטור דואגת להיפוך כיוון הזרם בזמן המתאים כדי לשמור על כיוון הסיבוב.

איור P1.1: דיאגרמה כללית של מערכת המנוע הנבנה.

רשימת חומרים (Bill of Materials)

פריט	כמות	חומר	הערות
מחזיק צירים	2	PLA	הדפסת תלת ממד
מעמד סטטור/מגנטים	2	PLA	הדפסת תלת ממד
בסיס	1	PLA	הדפסת תלת ממד
רוטור	1	PLA	הדפסת תלת ממד
קומוטטור (גוף)	1	PLA	הדפסת תלת ממד
סלילים	3	נחושת	חוט מגנטי, ליפופים לכל סליל
מגנטים	8	ניאודיניום
ברגים	3	Stainless Steel	M3
מיסבים כדוריים	2	מתכת	623 ZZ,
מברשות	2	נחושת
ציר מנוע	1	ציר מתכתי	קוטר
רצועות קומוטטור	3	נחושת	רצועות מוליכות דביקות

שינויים עיקריים בין התכן הראשוני לתכן הסופי

סטטור:

1. הגדלת הרדיוס הפנימי של הסטטור – בוצעה על מנת להגדיל את המרווח בין הרוטור למגנטים שבסטטור, בעקבות כשל במודל הראשוני שנבע ממרווח קטן מדי.

2. הארכת גוף הסטטור – נועדה לפנות מקום נוסף לרוטור, עקב העובי שנוצר מחוטי הנחושת המלופפים, שלא נלקח בחשבון בתכן הראשוני.

3. שינוי מיקום הפתחים בסטטור – בוצע כדי לאפשר גישה נוחה יותר של חוטי הנחושת (מברשות) אל הקומוטטור.

4. הרחבת חורי הברגים בגוף הסטטור – בוצעה כדי לאפשר שימוש בברגי M3 הזמינים והנפוצים יותר.

קומוטטור:
הגדלת הקומוטטור (בקוטר ובאורך) – התבצעה כדי להקל על חיבור חוטי הנחושת המלופפים לקומוטטור.

תוספות ותמיכה:
תכנון וייצור מעמד למנוע – בוצע על מנת לאפשר בדיקה נוחה, יציבה ומדויקת של המנוע לאחר ההרכבה.

דיאגרמה חשמלית

איור P1.2: דיאגרמה חשמלית של המעגל הפנימי של המנוע.

הסטטור מספק את השדה המגנטי החיצוני ומורכב ממגנטי ניאודיניום קבועים. הרוטור מורכב מ- סלילים של ליפופים כל אחד, המחוברים לקומוטטור דרך מגעי נחושת. המברשות מזינות זרם ממקור המתח לקומוטטור המסתובב.

---

---

ניתוח אנליטי

הנחות התכן

• מצב מתמיד
• השטף המגנטי קבוע ורק כיוונו משתנה
• התנגדות המברשות זניחה
• הפסדי הספק זניחים (מנוע אידיאלי)
• החומרים הומוגנים בתחום המגנטיות הלינארי
• השדה המגנטי בעל כיוון וגודל קבועים
• אין זליגות שטף מגנטי

חישובים תיאורטיים

מעגל חשמלי

המעגל החשמלי של הרוטור על פי קירכהוף:

תחת הנחת מצב מתמיד, זרם קבוע ובהעדר מפל מתח על המברשות:

כאשר:

• - מקור מתח
• - כא”מ מושרה
• - התנגדות מעגל הרוטור
• - זרם על מעגל הרוטור

קשרים אלקטרומכניים

הקשר הלינארי של כא”מ מושרה:

הקשר הלינארי בין מומנט המנוע לקבוע המומנט:

כאשר:

• - קבוע כא”מ
• - קבוע המומנט
• - שטף מגנטי
• - מהירות זוויתית
• - מומנט המנוע

מהירות הסיבוב

ממשוואות (P1.2) ו-(P1.3) ניתן לקבל ביטוי למהירות סיבוב הרוטור:

משוואת התנועה

משוואת התנועה של המערכת:

כאשר:

• - מומנט המנוע
• - מומנט האינרציה של הרוטור
• - מקדם החיכוך
• - מומנט העומס

חישוב התנגדות הסלילים

התנגדות הסלילים ברוטור:

כאשר:

• - ההתנגדות הסגולית של נחושת =
• - אורך התיל הכולל
• - שטח החתך של החוט

עבור קוטר חוט:

אורך התיל:

ההתנגדות הכוללת:

חישוב השראות

השראות הסלילים:

כאשר:

• - פרמביליות האוויר
• - מספר הליפופים לכל סליל
• - שטח חתך האוויר
• - אורך מרווח אוויר

עבור הערכת הפרמטרים:

• קוטר פנימי רוטור:
• מרווח אוויר:
• שטח חתך אפקטיבי: לכן:

ניסוי מהירות ריקם

תיאור הניסוי: הפעלת המנוע ללא עומס על הציר ומדידת מהירות הסיבוב.

תנאי הניסוי:

• מתח הספקה:

תוצאות:

• מהירות ריקם: או
• זרם ריקם: ב-

---

---

ניסוי עצירה

תיאור הניסוי: מציאת העומס המינימלי שמונע מהמנוע להסתובב ומדידת הזרם באותו עומס.

שיטת המדידה: הוספת משקולות הדרגתית על חבל שקשור לגלילה על הציר עד לעצירה מלאה

תוצאות מדידה:

• מסה שעצרה את המנוע:
• זרם עצירה:
• מתח עצירה:

חישוב מומנט עצירה:

חישוב קבוע המנוע: מהקשר :

לכן:

התנגדות נמדדת:

חישוב קבוע כא”מ מניסוי ריקם

מנתוני ניסוי העבודה (קירוב לריקם): , ,

לפיכך:

---

הערה: עדיף לקנות מנוע.

ביבליוגרפיה

1. הנחיות פרויקט הנע חשמלי 034034, טכניון, אביב תשפ”ה