Шаговый двигатель от видеомагнитофона как генератор

Двигатели видеомагнитофонов

В статье рассматривается принцип работы и схемы управления двигателями заправки, ведущего вала и блока вращающихся головок

Драйверы коллекторных двигателей

В видеомагнитофонах (ВМ) применяются два типа двигателей постоянного тока — коллекторные и прямоприводные. Двигатели первого типа предназначены для приведе­ния в действие механизмов загрузи кассеты, заправки-расправки магнитной ленты в лентопротяжный механизм (ЛПМ) и осуществления переключения ЛПМ в различные режимы работы. Прямоприводные двигатели применяются в качестве приводов веду­щего вала (ВВ) и блока вращающихся головок (БВГ). В некоторых моделях ВМ выпол-нение функций коллекторньк. двигателей возложено на двигатель ведущего вала.

Структурная схема драйвера коллекторного двигателя постоянного тока: 1 — логическая схема; 2,3 — усилители мощности; 4 — двигатель

Управление этими двигателями осуществляется специальными схемами (как правило, в интегральном исполнении) — драйверами по командам с процессора системного контроля (ПСК) и системы серворегулирования видеомагнитофона. Драйверы коллекторных двигателей постоянного тока представляют собой обычный мостовой усилитель мощности со специальной логической схемой, управляющей транзисторными ключами этого усилителя по командам с ПСК. Кроме того, в состав этих драйверов входят схемы термической и токовой защиты, предохраняющие интегральную схему от выхода из строя в случае межвиткового замыкания в обмотках двигателя и нарушения термического режима микросхемы.

Драйверы прямоприводных двигателей

Практически во всех современных бытовых видеомагнитофонах применяются прямоприводные электродвигатели постоянного тока, которые называются также бесколлекторными, вентильными или электронными двигателями, поскольку коммутация катушек обмотки статора у них осуществляется электронным способом по сигналам датчика положения ротора (ДПР). Эти двигатели при использовании в видеомагнитофонах должны удовлетворять следующим требованиям: малая неравномерность мгновенной скорости вращения; низкий уровень акустических шумов; небольшие габариты, масса и потребляемая мощность; высокая надежность и низкая стоимость.

Типичной конструкцией прямоприводного электродвигателя постоянного тока (ПДПТ), позволяющей уменьшить габариты двигателя и сделать его плоским, является конструкция с осевым рабочим зазором. Особенностями такого двигателя являются наличие магнитной системы торцевого типа с магнитным потоком, направленным вдоль оси вращения двигателя, и плоских катушек статора, расположенных между магнитом ротора и ярмом статора.

Вращающий момент в двигателе создается в результате взаимодействия магнитного потока в промежутке между полюсами магнита ротора и основанием статора с проводниками обмотки, по которым протекает электрический ток. Управление коммутацией катушек обмотки статора в зависимости от положения полюсов магнита ротора осуществляется специальной схемой (драйвером) по сигналам датчиков положения ротора.

На практике нашли применение двух- и трехфазные двигатели. В таких двигателях магнит ротора имеет, как правило, шесть-восемь полюсов. Сам магнит изготавливают из магнитотвердых материалов на основе порошка ферpнтa различных металлов. Катушки каждой фазы имеют многослойную намотку одним или двумя проводами с числом витков 60. 100. Катушки статора после намотки пропитывают лаком, получая монолитную бескаркасную обмотку, и приклеивают ее к печатной плате расположенной на основании двигателя.

Большое число катушек статора, как и полюсов магнита ротора способствует равномерности скорости вращения. Однако, широкое распространение получили ПДПТ с небольшим числом катушек, так как увеличение их числа приводит к усложнению конструкции самой катушки, статора и схемы драйвера, а, следовательно, — к удорожанию узла в целом.

Конструкция двигателя ведущего вала

Датчик частоты вращения представляет собой устройство, преобразующее механическое вращение вала двигателя в сигнал, пропорциональный скорости вращения ротора. По принципу действия эти датчики можно разделить: на индукционные, основанные на индуцировании электрического сигнала в обмотке изменяющимся магнитным потоком (аналог — магнитная головка); гальваномагнитные, основанные на использовании чувствительных элементов, реагирующих на изменение нaпpяжeннocти мaгнитнoгo пoля; оптические, основанные на принципе модуляции светового потока. Все три типа датчиков применяются в ПДПТ.

Наибольшее распространение получили гальваномагннтные и индукщюнные датчики. Примером датчика первого типа служит датчик скорости вращения двигателя ведущего вала (ВВ). Модулирующим элементом здесь является многополюсный магнит кольцевой формы, расположенный на роторе двигателя, а чувствительным элементом является датчик Холла, мимо которого вращается модулирующий элемент. При вращении двигателя создается переменный магнитный поток, под действием которого на выходе датчика Холла возникает синусоидальный сигнал, пропорциональный скорости вращения вала двигателя. Для достижения приемлемой амплитуды сигнала зазор между магнитной системой и рабочей поверхностью датчика устанавливается очень малым (десятые доли миллиметра).

Примером датчика индукционного типа служит датчик положения двигателя блока вращающихся головок (БВГ). Модулирующим элементом этого датчика является постоянный магнит, укрепленный на наружной поверхности ротора, а чувствительным элементом является магнитная головка, закрепленная на неподвижном основании двигателя БВГ.
Конструкция индукционного датчика скорости вращения двигателя ВВ отличается от применяемых в двигателях БВГ.

Статор двигателя ведущего вала с датчиком скорости вращения индукционного типа

Примером таких датчиков служат датчики с меандровой обмоткой, нашедшие широкое применение в видеомагнитофонах фирмы Hitachi. Здесь модулирующим элементом является кольцевой многополюсный магнит, установленный на роторе двигателя ВВ, а чувствительным элементом — обмотка в виде меандра, нанесенная печатным способом на плату и расположенная под модулирующим элементом. Кроме датчика на плате крепятся обмотки статора двигателя и устанавливается драйвер (ИМС). Принцип действия датчика скорости вращения индукционного типа двигателя ВВ такой же, как у гальванометрического, рассмотренного ранее.

Датчики положения ротора (ДПР) служат для создания сигналов, несущих информацию о положении ротора относительно обмоток статора. В зависимости от конструкции двигателя количество ДПР может меняться с 2-х до 3-х. По сигналам этих датчиков коммутатор драйвера двигателя вырабатывает сигналы управления, поступающие в обмотку статора. По принципу действия и конструктивному исполнению ДПР похожи на датчики частоты вращения. Наибольшее распространение в настоящее время получили ДПР на основе преобразователей Холла. ДПР располагаются в непосредственной близости от магнита ротора, часто прямо внутри катушек статора.

Структурная схема драйвера прямоприводного двигателя постоянного тока: 1 — усилитель сигнала датчика скорости вращения, 2 — электронный коммутатор и логическая схема; 3, 4, 5 — датчики положения ротора (датчики Холла); 6, 7, 8 — усилители сигналов датчиков положения ротора, 9, 10, 11 — выходные усилители мощности; 12 — усилитель сигнала управления от системы автоматического управления

Основными функциями электронного коммутатора являются следующие:

усиление и обработка сигналов, поступающих с ДПР и датчика скорости вращения;
коммутация по сигналам ДПР и сигналам управления с выхода системы автоматического регулирования и процессора системного контроля видеомагнитофона токов в обмотках статора в заданные моменты времени и в заданной последовательности.

Кроме электронного коммутатора в состав драйверов ПДПТ входят усилители сигналов датчиков положения ротора, усилитель-формирователь сигнала датчика скорости вращения ротора, а также логическая схема, которая управляет режимами работы электронного коммутатора по сигналу управления системы автоматического регулирования (САР) и командам с выхода ПСК видеомагнитофона.

Ультразвуковой двигатель

Ультразвуково́й дви́гатель (Ультразвуковой мотор, Пьезодвигатель, Пьезомагнитный двигатель, Пьезоэлектрический двигатель), (англ. USM — Ultra Sonic Motor, SWM — Silent Wave Motor, HSM — Hyper Sonic Motor, SDM — Supersonic Direct-drive Motor и др.) — двигатель, в котором рабочим элементом является пьезоэлектрическая керамика, благодаря которой он способен преобразовать электрическую энергию в механическую с очень большим КПД, превышающим у отдельных видов 90 %. Это позволяет получать уникальные приборы, в которых электрические колебания прямо преобразуются во вращательное движение ротора, при этом крутящий момент, развиваемый на валу такого двигателя столь велик, что исключает необходимость применения какого-либо механического редуктора для повышения крутящего момента. Также данный двигатель обладает выпрямительными свойствами гладкого фрикционного контакта. Эти свойства проявляются и на звуковых частотах. Такой контакт является аналогом электрического выпрямительного диода. Поэтому ультразвуковой двигатель можно отнести к фрикционным электромоторам.

Содержание

• 1 История создания и применения
• 2 Конструкция
• 3 Принцип работы линейного пьезодвигателя, работающего на периодическом зацеплении
• 4 Принцип работы пьезодвигателя вращения, работающего на трении
• 5 Преимущества пьезодвигателей
• 6 Применение
• 7 См. также
• 8 Литература
• 9 Ссылки
• 10 Примечания

История создания и применения [ править | править код ]

В 1947 году были получены первые керамические образцы титаната бария и, уже с этого времени производство пьезоэлектрических моторов стало теоретически возможным. Но первый такой мотор появился лишь спустя 20 лет. Изучая пьезоэлектрические трансформаторы в силовых режимах, сотрудник Киевского политехнического института В. В. Лавриненко обнаружил вращение одного из них в держателе. Разобравшись в причине этого явления, он в 1964 году создаёт первый пьезоэлектрический мотор вращения, а вслед за ним и линейный мотор для привода реле [1] [2] . За первым мотором с прямым фрикционным контактом он создаёт группы нереверсивных моторов [3] с механической связью пьезоэлемента с ротором через толкатели. На этой основе он предлагает десятки конструкций нереверсивных моторов, перекрывающих диапазон скоростей от 0 до 10 000 об/мин и диапазон моментов вращения от 0 до 100 Нм. Используя два нереверсивных мотора, Лавриненко оригинально решает проблему реверса. Интегрально на валу одного мотора он устанавливает второй мотор. Проблему ресурса мотора он решает, возбуждая крутильные колебания в пьезоэлементе.

На десятилетия опережая подобные работы в стране и за рубежом, Лавриненко разработал практически все основные принципы построения пьезоэлектрических моторов, не исключив при этом возможность работы их в режиме генераторов электрической энергии.

Учитывая перспективность разработки, Лавриненко совместно с соавторами, помогавшими ему реализовать его предложения, он защищает многочисленными авторскими свидетельствами и патентами. В Киевском Политехническом институте создаётся отраслевая лаборатория пьезоэлектрических моторов под руководством Лавриненко, организуется первое в мире серийное производство пьезомоторов для видеомагнитофона «Электроника-552». В последующем, серийно производятся моторы для диапроекторов «Днепр-2», кинокамер, приводов шаровых кранов и др. В 1980 году издательство «Энергия» печатает первую книгу по пьезоэлектрическим моторам [4] , к ним появляется интерес. Начинаются активные разработки пьезомоторов в Каунасском политехническом институте под руководством проф. Рагульскиса К. М. [5] . Вишневский В. С., в прошлом аспирант Лавриненко, выезжает в Германию, где продолжает работу по внедрению линейных пьезоэлектрических моторов на фирме PHyzical Instryment. Постепенное изучение и разработка пьезоэлектрических моторов выходит за пределы СССР [6] . В Японии и Китае активно разрабатываются и внедряются волновые двигатели, в Америке — сверхминиатюрные двигатели вращения.

Конструкция [ править | править код ]

Ультразвуковой двигатель имеет значительно меньшие габариты и массу по сравнению с аналогичным по силовым характеристикам электромагнитным двигателем. Отсутствие обмоток, пропитанных склеивающими составами, делает его пригодным для использования в условиях вакуума. Ультразвуковой двигатель обладает значительным моментом самоторможения (до 50 % от величины максимального крутящего момента) при отсутствии питающего напряжения за счёт своих конструктивных особенностей. Это позволяет обеспечивать очень малые дискретные угловые перемещения (от единиц угловых секунд) без применения каких-либо специальных мер. Это свойство связано с квазинепрерывным характером работы пьезодвигателя. Действительно, пьезоэлемент, который преобразует электрические колебания в механические питается не постоянным, а переменным напряжением резонансной частоты. При подаче одного или двух импульсов можно получить очень маленькое угловое перемещение ротора. Например, некоторые образцы ультразвуковых двигателей, имеющие резонансную частоту 2 МГц и рабочую частоту вращения 0,2-6 об/сек, при подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента дадут в идеальном случае угловое перемещение ротора в 1/9.900.000-1/330.000 от величины окружности, то есть 0,13-3,9 угловых секунд. [7]

Одним из серьёзных недостатков такого двигателя является значительная чувствительность к попаданию в него твёрдых веществ (например песка). С другой стороны, пьезодвигатели могут работать в жидкой среде, например в воде или в масле.

Принцип работы линейного пьезодвигателя, работающего на периодическом зацеплении [ править | править код ]

На «гибкий» статор (тонкая биморфная пластина, чем тоньше пластина, тем больше амплитуда колебаний и тем ниже частота резонанса) «подаётся» переменное напряжение высокой частоты, которое вынуждает его производить ультразвуковые колебания, формирующие механическую бегущую волну, которая и толкает (зацепляет) расположенный рядом ротор. При движении влево толкатель — расклинивает, при движении вправо — заклинивает. На этом принципе работают все пьезоэлектрические моторы с толкателями. Увеличивая число толкателей можно создавать моторы с огромными пусковыми моментами.

Но если обычный электродвигатель можно сделать практически «на коленке», ультразвуковой двигатель с высоким КПД 80-90% без сложного оборудования создать нельзя. Всё же сделать ультразвуковой двигатель в домашних условиях возможно, но КПД не будет превышать 60%, для этого в качестве ротора можно взять шарикоподшипник и прижать к нему пьезопластину с согласованными размерами.

Декоративный ветряк с трещоткой

Крутящий момент у ветряка неплохой, он довольно чувствительный без трещотки. При вращении пробовал пальцем тормозить диск, ну трет так прилично, маленький генератор из моторчика он бы потянул. Лопасти, конечно узковатые, но профиль вполне нормальный. Перейдем к изготовлению!

Материалы и инструменты:

Список материалов:
— кусок сантехнической трубы (у меня на 50 мм);
— жесткий диск от компа (шикарная ось);
— брусок;
— кусок металла или СД-диски для хвоста;
— краска или пропитка для дерева;
— колесная ступица от велосипеда;
— саморезы по металлу (у меня гипсокартонные).

Шаг первый. Ось
Подготавливаем ось, я использовал старый жесткий диск, размечаем все маркером и далее вырезаем болгаркой часть корпуса, шлифуем, получается готовый кронштейн под моторчик. Также сверлим отверстия под саморезы, как итог, кронштейн можно легко прикрутить к бруску.

Шаг третий. Лопасти
Лопасти вырезал из куска трубы на 50 мм, трубу просто чертим на две равные части и режем болгаркой, ну а далее срезаем наплавления канцелярским ножом.

Лопасти прикручиваем к диску саморезами по металлу, диск алюминиевый и саморезы туда заворачиваются отверткой, держится все довольно прочно.

Диск разметил на 4 части и прикрутил параллельно линиям лопасти. Крутить нужно только края лопастей, чтобы получить нужный профиль, смотрите на фото. Торчащие части саморезов спиливаем болгаркой, чтобы не цеплялись за корпус.

Шаг четвертый. Вертикальная ось и хвост
Для того чтобы ветряк поворачивался по ветру, сделал ось из колесной ступицы. Тут лучше крепить ось так, чтобы хвостовая часть была как можно длиннее, так ветряку будет повернуть легче.

Хвост сперва сделал из дисков, работали нормально, но вот чего-то они мне не понравились, сделал в итоге из металла.

Шаг пятый. Трещотка и установка
Трещотку сделал из бутылки, тональность можно настроить длиной пластины, которая цепляется за ветряк.
Крепим ветряк на мачту и можно испытывать. Трещит достаточно громко, особенно во дворе, получается эхо.
Дальше уже буду мудрить что-то с генератором, но трубу надо потолще, быть может, в ход пущу на 110 или подобную.

Шаговый двигатель от видеомагнитофона как генератор

4. Преобразование энергии ветра в электричество.

4.3.1 Ветрогенератор «с нуля».

Не знаю как Вы, а я делаю ветро генераторы, точнее их модели или прототипы. Не так что бы это было «по работе» или хобби. Это интересно. Они разные, и как правило, не самые эффективные. Но они работают, и некоторые из них – годами. Единственное, чего я не делаю, это ветроустановки с вертикальным ротором. Будучи в 8-м классе, я сделал модель такого ротора из картона, чертежной бумаги и клея ПВА, повесил на нитках в проеме окна, устроил сквозняк и . Нет. Не так что бы он вообще не вращался. Но старый вентилятор, (были такие, с резиновыми лопастями), вращался значительно бодрее.
Я не против установок с вертикальным ротором. Даже с учетом того, что работает только половина ротора, а оставшаяся вносит двойные потери от трения о воздух. Но что бы применять такую конструкцию нужно иметь очень веские причины и много. Поэтому – только с горизонтальным ротором.

«Прикидываем» размеры ветроколеса.

Сделать ветрогенератор – не проблема. Схема такая.
1. Измеряем, с помощью анемометра скорость ветра (в течении недели) и, параллельно ищем какой–нибудь генератор ( генератор от автомобиля, двигатель постоянного тока от плеера, видеомагнитофона, из компрессора для подкачки шин, шаговый двигатель от флоппи диска и так далее).
2. Крутим предполагаемый генератор с помощью электродрели, или чего ни будь еще, и выясняем какую мощность от него можно получить и при каких оборотах. Допустим это 50 Ватт, при 2000 об/мин (33 об/сек).
3. Ветроколесо делает около 5 оборотов в секунду. Поэтому придется позаботится о редукторе 5/33 или 1 : 6,6 .
4. Мощность и скорость ветра дадут нам диаметр ветроколеса. Допустим, средний ветер 10 м/с. Он переносит 615 Ватт на метр квадратный, на 10% из которых, мы можем рассчитывать (61,5 Ватт на метр площади ветроколеса).
5. Мощность, которую мы можем получить с генератора – 50 Ватт. Значит потребуется ветроколесо с площадью 50 Ватт / 61,5 Ватт/м.кв. = 0,81 м.кв. (около 1-го метра в диаметре).

Это была «стартовая идея». Дальше начинаем пересчитывать на меньшую / большую мощность, на большую / меньшую площадь ротора, или для более слабого ветра, который бывает чаше. К примеру, для 5 м/с (76,9 Ватт на метр квадратный потока) площадь ветроколеса должна быть уже 6,5 метров квадратных (2,9 метра в диаметре).

Упрощаем. Используем аксиому: Мощность ветрового потока, которую можно конвертировать в электроэнергию – около 10 процентов. Средняя угловая скорость ветроколеса, нагруженного генератором – 3-5 оборотов в секунду.

Теория – это всегда хорошо. Но практика, в данном случае, значительно важнее. Поэтому придется сделать простой ветрогенератор.

На фото – простейший ветрогенератор для экспериментов, в котором утилизирован хлам, валяющийся по дому. От него, уже сейчас, можно заряжать мобильный телефон, но посмотрим из чего он состоит.

1.Генератор (шаговый двигатель от дисковода 5,25).
2.Воздушный винт диаметром 0,8 м. (см. фото ниже)
3.Деревянная планка 1*1см.
4.Узел поворота (двигатель от дисковода 3,5).
5.Выпрямитель из 4 диодов и конденсатора.
6.Штатив для фотоаппарата.
7.Задний стабилизатор.

Не надо делать все «очень надежно», собирать на болтах, и рассчитывать на скорости ветра до 100 км/час. Вся эта конструкция ДОЛЖНА развалится на части, раз 10, за время экспериментов. Причины самые разные, но результат именно таков. Но мы отвлеклись.
Время изготовить простой воздушный винт. В данном случае, в качестве материалов выбраны планка от воздушного змея и кусок пластикового жалюзи, которое обычно на окнах. Склеив это вместе, с помощью термоклея, должно получиться что то подобное.

Угол наклона лопасти к плоскости вращения от 30 до 45 градусов. Он одинаков по всей длине лопасти. И самое главное. Вес этого винта – 30 грамм. (при диаметре 0,8 метра!). То есть, тщательной балансировкой можете не заниматься.

Дальше проще. Необходимо сделать лопасть, соединить все вместе и наблюдать за тем, как это работает, в реальных условиях. Вы будете удивлены, но это работает не так как Вы думаете.

Прежде всего лопасти.

Крепление на термоклее имеет огромное преимущество. После 90 градусов Цельсия этот клей размягчается и Вы можете легко поменять угол наклона лопасти. При желании можно сделать лопасть с переменным углом атаки. В этом случае, ближе к центру он будет больше (20 – 60 град), а на окончании лопасти меньше (около 5 град.). Лопасти с переменным углом (от радиуса) предпочтительнее. Они меньше шумят и скорее крутятся.

Возможно, Вы сделаете следующие выводы.
*Первый вывод, который Вы сделаете. Скорость вращения ветроколеса мало засвистит от качества изготовления лопастей. В большей степени она зависит от скорости ветра и диаметра ветроколеса («ометаемой» площади).
*Второй вывод. Лопасти с переменным углом атаки работают лучше.
*Третий вывод. Объемные лопасти (с сечением «типа» самолетного крыла), работают лучше, чем тонкие (плоские или выгнутые).
*Четвертый вывод – центральная часть ветроколеса (0,1 – 0.2 м от центра) вообще не работает. Ни при каких режимах. Она практически не участвует в пусковом моменте.

Кориолисов(о) ускорение или гироскопический эффект.

Понаблюдав за ветроколесом, Вы сделаете неожиданный вывод. Когда хвостовой стабилизатор поворачивает ветрогенератор на новое направление ветра, с воздушным винтом начинают происходить непонятные вещи. Он изгибается в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения. При чем, если верхняя часть винта отклоняется в сторону откуда дует ветер, то нижняя – в противоположную сторону (в сторону мачты). И наоборот. Зависит от направления, в котором поворачивается ось ветроколеса и от направления вращения самого ветроколеса.

С этим эффектом у меня связана одна старая история. Очень давно, мы сделали флюгирующий ветряк с двумя соосными колесами, вращающимися в разные стороны. Не так, что бы это было сильно необходимо или выгодно с точки зрения аэродинамики. Просто решили поэкспериментировать. Положительная сторона заключалась в том, что вал генератора можно раскрутить до скорости в 1,2 раза большей, чем с одним колесом. Два ветроколеса диаметром около метра с расстоянии около 30 см, продули в аэродинамической щели, регулярно возникающей в промежутке между двумя учебными корпусами и поехали устанавливать. В общем, при реальном ветре, все это проработало не больше минуты. Я еще не успел спуститься, а сверху что то сделало «чмяк» и лопасти, как кусочки бумаги, уже летели по ветру. Конечно, понятно почему. Ветровые колеса, вращающиеся в разные стороны изгибаются гироскопическим моментом, в разные стороны. При резком изменении ветра, ветряк повернулся и ветровые колеса быстро «выбрали» разделяющие 30 см. Было не смешно, но очень поучительно.

Последнее, совсем не означает, что ветрогенератор с соосными колесами невозможен. Он очень даже хорошо работает, и имеет преимущества, которые нельзя получить в других схемах. Только конструкция должна быть немного другая. Фотографии рабочей модели такого ветряка будут показаны на следующих страницах.

Гироскопический момент есть всегда. Он может быть больше или меньше и зависит от того, как быстро мы поворачиваем ось вращения ветроколеса. Силы, которые при этом возникают очень внушительные. Школьный эксперимент с вращающимся велосипедным колесом – тому подтверждение. При повороте что то должно изгибаться. К примеру лопасти винта. Если их сделать очень жесткими, то будет изгибаться вал, на котором вращается ветроколесо. Если и его сделать очень жестким, то будет изгибаться мачта, на которой установлен ветряк. Последнее, часто можно наблюдать в жизни, когда мачта угрожающе «кивает» вперед и назад, даже при слабом ветре.