Sistemul de stergere a parbrizului folosind doua motoare de curent continuu actionate [604548]

Sistemul de stergere a parbrizului folosind doua motoare de curent continuu actionate
independent
Stergatorul de parbriz este un dispozitiv utilizat in conditii de ploaie,zapada,gheata sau diverse
resturi aflate pe suprafata parbrizului sau a lunetei,reducand vizibilitatea soferului,iar acest sistem este
prezent pe majoritatea vehiculelor,precum trenuri,barci,camioane,avioane,masini etc.
Acest sistem consta in general dintr-un brat de metal ce pivoteaza la un capat si care prezinta o
lamela de cauciuc folosita pentru steregerea parbrizului.Bratul este antrenat de un motor,de regula
motor electric de motor continuu,iar elementul de legatura dintre motor si bratul stergatorul este
reprezentat de un mecanism biela-manivela compus din 2 tije articulate.Viteza de functionare a
sistemului este reglata de catre sofer,folosind un comutator cu mai multe pozitii de functionare.
Din motive constructive,sistemul de stergere a suferit modificari majore odata cu evolutia
masinilor si a formelor acestora.Pentru a indeplini contidiile de aerodinamica si de incadrare in spatiul
limitat,un sistem compatibil este acela in care fiecare stergator este actionat individual de un motor
electric de curent continuu,fiind astfel eliminat mecanismul biela manivela necesar antrenarii celor
doua brate de stergator.
Lucrarea reprezinta studiul unui astfel de sistem de stergere a parbrizului.Montajul presupune
actionarea simultana a doua motoare de curent continuu cu ajutorul unei platforme de procesare,iar ca
si componente avem: doua motoare de curent continuu,o placa programabila Arduino si un driver
pentru actionarea simultana a celor doua motoare.Alimentarea montajului se va face cu ajutorul unei
baterii de noua volti.
In imaginea de mai jos este reprezentata schema montajului,realizata intr-un program de
simulare dedicat componentelor folosite.

Prezentarea in detaliu componentelor
Motorul de curent continuu
Caracteristici constructive
Motorul de curent continuu sau electromotorul este un convertor electromecanic care
transforma energia electrica primita la cele doua borne de alimentare in energie mecanica la ax.
In figura de mai jos este reprezentata schema in sectiune transversala a motorului de curent continuu
si sunt evidetiate componentele principale.
Componente:
1-carcasa (jug statoric);
2-polii de excitatie impreuna cu infasurarea de curent continuu;
3-polii de comutatie (auxiliari);
4-talpa de fixare;
5-rotor;
6-perie colectoare;
7-infasurare de excitatie;
8-infasurare de compensare;
9-infasurarea polului auxiliar;
10-pol auxiliar;
Motorul de curent continuu prezinta doua parti principale:statoul si rotoul.
Statorul reprezinta partea imobila a motorului,are rol de inductor si prezinta urmatoarele
componente:
Carcasa reprezinta partea fixa pe care se fixeaza polii comutatie precum si polii de
excitatie.La motoarele cu puteri mai mari de o suta de watti,jugul si carcasa constituie aceeasi piesa
din punct de vedere constructive.Jugul statoric are rolul unui drum de inchidere a fluxului magnetic
inductor,iar pentru a obtine o reluctanta a fluxului magnetic de valoare mai mica,acesta se fabrica din
fonta,otel turnat sau tabla groasa de otel.La motoarele de puteri mici,jugul statoric este fabricat din
tole de otel electrotehnic cu o grosime ce variaza intre 0.5 si 1 mm.Pentru a se realiza simultan si polii
de excitatie,tolele sunt stantate in forma adecvata inca din procesul fabricatiei.
Polii de excitatie sau polii principali se fabrica de asemenea din otel electrotehnic cu grosime
ce variza intre 0.5 si 1 mm.Aceste tole sunt stranse intr-un pachet cu ajutorul unor piese de strangere
numite buloane,iar acestea sunt de regula nituite sau cu surub.Polii principali mai poarta denumirea de
bobine de excitatie si sunt strabatute de curentul de excitatie.In partea dinspre motor,miezul polar se
termina cu piesa polara,aceasta avand rolul de a facilita trecerea fluxului magnetic prin intrefier.Din
punct de vedere mecanic,piesa polara sau talpa polului asigura pozitionarea bobinei pe miezul polului.
Bobinele de excitatie se fabrica din conductor de cupru,izolat,pentru a nu produce scurtcircuit
intre propriile spire.Acestea se conecteaza in serie sau in paralel si se alimenteaza de la bornele de
excitatie aflate in cutia de borne.Conectarea bobinelor se realizeaza in asa fel incat fluxul magnetic al

unui pol sa fie dirijat dinspre piesa polara spre rotor (pol Nord), iar fluxul unui pol vecin sa fie dirijat
dinspre rotor spre pol (pol Sud).
Polii de comutatie sau polii auxiliari reprezinta,din punct de vedere constructiv,un miez si o
bobina infasurata pe acel miez.Polii auxiliari sunt montati in axa de simetrie a polilor principali.
Rotorul reprezinta partea mobila a motorului,care joaca rol de indus,iar componentele sale
sunt:
Miezul rotoric este construit din tole de otel eletrotehnic avand forma circulara cu dinti si
crestaturi,izolate intre ele.
1-arbore;
2-miez rotoric;
3-crestaturi longitudinale;
4-capat de infasurare;
5-colector;
Arborele este plasat in mijlocul pachetului de tole ale miezului rotoric.Crestaturile
longitudinale se constituie in sediul infasurarii rotorice.
Colectorul este de forma cilindrica,iar de regula este construit din placute de cupru,numite
lamele.Acestea sunt izolate prin micanita intre ele dar sunt izolate si fata de suportul pe care sunt
fixate.Capetele sectiilor de infasurare ale rotorului sunt lipite in mod direct de aripioarele lamelelor cu
ajutorul unui aliaj de cositorit.Colecetorul se invarte simultan cu rotorul,iar pentru a realiza contactul
intre infasurarea rotorica mobila si bornele de alimentare imobile,pe colector freaca asa numitele
"perii colectoare" realizate din material conductor.Pentru a reduce uzura,periile se construiesc de
regula din grafit.Pentru a realiza un contact electric sub presiune constanta cu lamelele colectorului,se
mai folosesc portperiile ca piese intermediare de fixare.Periile sunt separate galvanic intre ele si sunt
socotite dupa paritate la periferie colectorului.Astfel,periile de numar impar se leaga la o borna a
motorului,iar periile de tip par la cealalta borna de alimentare.Distanta dintre perii este egala,iar
numarul de randuri de perii este egal cu numarul de poli de excitatie.
Principiul de functionare
Campul magnetic inductor este produs de polii de excitatie aflati pe stator.Permeabilitatea
foarte mare a materialului feromagnetic din care sunt construiti polii si rotului face ca liniile de camp
sa strabata intrefierul aproape radial.Astfel,liniile din camp ies din pol aproape in mod normal si intra
in rotor,de asemenea,in mod aproape normal.Intrefierul sub piesele polare se considera constant.
Totodata,campul magnetic inductor este uniform sub piesele polare si sub doil poli de nume
contrar,iar in axa de simetrie interpolara este nul.In exteriorul pieselor polare,valoarea campului
magnetic inductor scade brusc din cauza cresterii intrefierului.Astfel,campul magnetic de sub polul
nord se considera pozitiv,iar campul magnetic de sub polul sud se considera negativ.In figura de mai
jos sunt prezentate,liniile de camp intr-un motor electric de curent continuu cu doua perechi de poli.

Infasurarile rotorice de curent continuu sunt in doua variante constructive:
Infasurarea buclata se realizeaza in doua straturi,in ideea ca in aceeasi crestatura exista doua
laturi de sectie,una in partea superioara a crestaturii si una in partea inferioara.Infasurarea consta intr-
o succesiune de sectii identice, fiecare avand una sau mai multe spire,conectate in serie.
Capetele sectiilor au cate doua legaturi,fiind legate intre ele dar si la cate o lamela de
colector.Astfel,infasurarea de curent continuu este una inchisa,deoarece nu dispune de niciun capat
liber.In figura de mai jos este prezentata schema desfasurata a unei infasurari buclate,avand un numar
de 8 crestaturi si o pereche de poli.
Modul in care sunt plasate periipe pe colector si legaturile dintre ele si bobinele motorului
determina impartirea infasurarii in doua cai de curent,in ideea ca daca infasurarea ar fi alimentata de
la borne de un curent I,acesta s-ar imparti in doi curneti Ia.Astfel, sensul curentului prin laturile unor
sectii diferite este acelasi.
Caracteristica principala a infasurarii buclate este faptul ca numarul cailor de curent este egal
cu numarul de poli,iar de asemenea numarul de perii colectoare este egal cu numarul de poli.
Infasurarea ondulata este caracteristica prin faptul ca intre numarul de lamele colectoare si numarul
de perechi de poli exista o legatura foarte stransa prin relatia y=(k-m)/p, unde:

-y = pasul rezultant al infasurarii;
-k = numarul de lamele colectoare;
-p = numarul de perechi de poli de excitatie;
Regimurile energetice functionare a motorului de curnet continuu
Din punct de vedere al transformarii energetice,masina de curent continuu poate functiona in
trei regimuri:
-regim de generator electric;
-regim de motor electric;
-regim de frana electrica;
Regimul de generator presupune transformarea puterii mecanice primite la arbore de la un
motor de antrenare in energie electrica pe care masina o debiteaza la borne intr-o retea de curent
continuu.Pentru a putea detalia aceasta situatie,presupunem motorul de curent continuu este antrenat
de un motor primar ca in figura de mai jos.
Motorul primar dezvolta un cuplu primar Ma cu acelasi sens ca si viteza de rotatie.Infasurarea
de excitatie a motorului de curent continuu este asigurata de un curent Ic de la o sursa de curent
continuu oarecare (redresor, acumulator, generator de curent continuu) sau poate avea autoexcitatie.
Astfel, in sectiile infasurarilor rotorului infartite in campul magnetic de excitatie,se va induce
o tensiune electromotoare care poate fi regasita la bornele exterioare A1 si A2 sub forma unei tensiuni
de mers in gol, de aceeasi valoare cu tensiunea culeasa de perii.
Daca se conecteaza o rezistenta de sarcina Rs intre bornele A1 si A2, tensiunea electromotoare
va crea un curent I care va strabate infasurarea rotorica, in acelasi sens cu tensiunea electromotoare
care l-a produs.In figura de mai jos este prezentat bilantul de puteri al motorului de curent continuu in
regim de generator.

Regimul de motor presupune transformarea energiei electrice primite la bornele de alimentare
in energie mecanica disponibila la arbore,prin intermediul campului electromagnetic.Pentru a putea
face o mai buna caracterizare a acestui regim,presupunem o masina electrica de curent continuu
alimentata de la o retea de curent continuu cu o tensiune constanta U,direct la bornele de alimentare
A1 si A2 ca in figura de mai jos.
Astfel, masina absoare un curent I in infasurarea rotorica, a polilor de comutatie si in cea de
compensare.Infasurarea de excitatie este strabatuta de un curent Ic de la o sursa separata de tensiune
sau de la autoexcitatie,iar sensurile celor doi curenti se considera ca in figura.
Infasurarea rotorica fiind strabatuta de curent si aflandu-se in campul magnetic produs de polii
de excitatie, va fi solicitata de forte electromagnetice si astfel va da nastere unui cuplu mecanic
disponibil la arbore.Daca acest cuplu este mai mare decat cel opus la ax, atunci turatia rotorului creste
pana cand cele doua cupluri sunt egale.Bilantul de puteri al masinii de curent continuu in regim de
motor este prezentat in figura de mai jos.

Regimul de frana electrica reprezinta situatia in care masina electrica de curent continuu
primeste de la un motor de antrenare putere mecanica la arbore si putere electrica la borne de la o
retea de curent continuu.Puterea mecanica si cea electrica sunt transformate in mod ireversibil in
caldura sau pierderi Joule,rezultand un cuplu necesar pentru franarea unei instalatii mecanice.
Pentru a putea prezenta aceasta situatie, presupunem ca masina functioneaza initial in regim de
motor, dezvoltand un cuplu active de o anumita valoare la o viteza de rotatie de acelasi sens cu cel al
cuplului dezvoltat.Astfel, sensul tensiunii la bornele infasurarii rotorice se inverseaza, se adauga o
rezistenta suplimentara in serie cu infasurarea rotorica, iar sensul initial al curentului de excitatie
ramane acelasi.Cuplul electromagnetic dezolvotat de motor isi schimba sensul odata cu curentul de
excitatie si astfel se opune vitezei de rotatie asemenator unui cuplu de franare sau cuplu rezistent.
Bilantul puterilor masinii de curent continuu in regim de frana electrica este prezentat in figura de mai
jos.
Modalitati de excitare a masinii de curent continuu sunt de doua mari tipuri, cu diferite variante
de constructive:
1. excitatie derivatie:
1.1. fara compensare a reactiei indusului:
1.1.a. excitatie independenta;
1.1.b. excitatie derivatie
1.2cu excitatie serie de compensare a reactiei indusului:
1.2.a excitatie mixta independenta-serie;
1.2.b excitatie mixta derivatie-serie;
2. excitatie serie;
Masini electrice cu excitatie tip derivatie se folosesc atat in regim de generator cat si in regim
de motor.In acest caz,infasurarea de excitatie de pe polii de excitatie sunt dimensionati pentru aceeasi
tensiune nominala in infasurarea indusa.Prin urmare, poate fi alimentata la o aceeasi masina electrica
fie in derivatie fie seperat de rotor, functie de scopul utilizarii.
Curentul de excitatie are de regula o valoare mica, fiind aproximativ 5% din valoarea
curentului prin indus, iar din aceasta cauza conductorul infasurarii de excitatie este de valoare mica.
In figura de mai jos este prezentata schematic excitatia derivatie (paralela).

Excitatia independenta sau separata la masini electrice de curent continuu cu sau fara
compensare a reactiei indusului se foloseste la motoare in regim de generator la tensiuni de valoari
mici,foarte mari sau cu tensiuni reglabile.De asemenea, acest tip de excitatie se foloseste la motoare
cu reglarea vitezei prin modificarea tensiunii de alimentare a indusului.
In figura de mai jos este prezentata schematic excitatia independenta (separata).
Excitatia serie este montata pe polii de excitatie, fiind parcursa de curentul rotoric.Aceasta
creeaza un camp magnetic inductor la care se adauga campul de reactie al indusului,iar in acest fel
tensiunea electromotoare indusa depinde de sarcina.