О принципе работы электродвигателей с постоянными магнитами.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

О принципе работы электродвигателей с постоянными магнитами.

Сообщение T-Duke » 20 сен 2016, 09:22

Принцип действия двигателей с постоянными магнитами.

Довольно часто встречал неправильное понимание сути работы двигателей с магнитами, как ДПТ, так и бесколлекторных. Чтобы не распыляться в разных местах все время делая одно и то же, решил запилить эту тему.

Двигатели с постоянными магнитами на сегодняшний день имеют самые высокие эксплуатационные показатели и быстро набирают популярность в применениях где требуются высокие удельные характеристики. То есть там, где велико отношение номинальной мощности развиваемой двигателем к его массе и отношение крутящего момента создаваемого двигателем к его массе. Постараюсь простыми словами и минимумом формул, донести самую суть и возможно затем разные нюансы.

Первый принцип работы двигателя - сила Ампера.

Сила Ампера, является частным случаем силы Лоренца и возникает в электрических проводниках расположенных в магнитном поле, но только когда в этих проводниках протекает электрический ток. Сила Ампера - это векторная величина. То есть имеет направление действия. И действует она ортогонально линиям магнитного поля, пересекающего проводник с током.
Демонстрация силы Ампера.png


На рисунке, тоненькие желтые стрелки это силовые линии магнитного поля, зеленый вектор - направление электрического тока, черный вектор - сила Ампера.

Именно сила Ампера и ответственна, за создание крутящего момента двигателя. При чем, неважно находится ли проводник в свободном пространстве заполненном воздухом, вакуумом, или ферромагнитной средой. Сила ампера возникает всегда, если есть проводник, ток, и магнитное поле.

Таким образом зная длину рабочей части провода в двигателе, ток протекающий через обмотку двигателя и индукцию магнитного поля, можно определить силу Ампера, которая будет действовать на ротор двигателя. Например, если длина рабочей части провода 10м, сила протекающего тока 10А, индукция магнитного поля 1Тл, то сила ампера в этом случае составит величину 100Н.

То есть сила Ампера равна длине провода, умноженной на силу тока, протекающего через проводник, умноженной на индукцию магнитного поля.

Итак сила Ампера приводит ротор двигателя во вращение, создавая крутящий момент. Этот момент определяется силой Ампера, приложенной к радиусу ротора двигателя. Если сила Ампера 100Н, а радиус ротора 0.1м, то момент составит величину 100Н*0.1м=10Нм.

Второй принцип работы двигателя - закон электромагнитной индукции.

Этот закон гласит, что если на проводник расположенный в пространстве, действует изменяющееся магнитное поле, то в проводнике будет возникать электродвижущая сила. Именно это явление позволяет любому двигателю с постоянными магнитами выступать в роли генератора. То есть при вращении ротора, всегда возникает некая ЭДС. При чем не важно как движется ротор, или принудительно, или по инерции, или под действием силы Ампера.

Во вращающемся двигателе в обмотках всегда возникает ЭДС. Если принудительно приводить ротор двигателя во вращение, то двигатель становится генератором, и ЭДС которая появляется в обмотке, называется генераторной-ЭДС. Если обмотку такого генератора замкнуть на нагрузку, то через обмотку потечет ток, вызванный этой генераторной ЭДС.

Если рассматривать двигательный режим, то следует помнить, что ЭДС наводящаяся в обмотке двигателя по причине вращения ротора, направлена таким образом, чтобы противодействовать напряжению питания двигателя. Поэтому ее называют противо-ЭДС.

Третий принцип работы двигателя - разность между напряжением питания двигателя и противо-ЭДС.

Идеальный двигатель.
Для большей ясности, рассмотрим сначала идеальный двигатель, обмотка которого не имеет электрического сопротивления. Допустим, обмотка двигателя выполнена из сверхпроводника, рабочая длина которого 10м. Индукция магнитов ротора равна 1Тл. И допустим обмотка такого двигателя, не теряет сверхпроводящих свойств, при любых, даже гигантских значениях тока. Чтобы не усложнять все, предположим, что у нас щеточный двигатель, у которого так же отсутствуют сопротивление щеток и электрические потери в коллекторе. Ну и допустим у нас есть идеальный источник дающий любой ток на выходе, который затребует нагрузка. Это абстракция, двигатель и источник слишком идеальны, но она удобна для рассмотрения принципов работы двигателя.

Допустим ротор такого двигателя нагружен на большую инертную нагрузку, которая не дает ротору мгновенно ускориться.

Рассмотрим замедленный процесс работы двигателя:

    В начальный момент времени, ротор покоится. Поэтому величина противо-ЭДС в обмотках двигателя равна нулю.
    Дальше подаем напряжение на обмотку двигателя. Допустим величиной 1В. Так как противо-ЭДС равна нулю, то из напряжения питания двигателя вычитать нечего. Значит к обмотке будет приложено полное напряжение источника питания.
    Так как сопротивление обмотки двигателя равно нулю, то даже от напряжения 1В, в обмотке может протекать гигантский ток. Благо у каждой обмотки, даже у прямого провода есть индуктивность. Она будет сдерживать скорость нарастания тока. Но предел тока неограничен. За достаточный промежуток времени, ток может набрать любую заданную гигантскую величину. Например, если индуктивность обмотки двигателя равна 100мкГн, то скорость нарастания тока, при напряжении питания 1В, составит 10000А/с. То есть по сути с течением времени, ток наберет любую величину, достаточную для того, чтобы сдвинуть ротор, преодолевая инерцию нагрузки и саму нагрузку.

    Итак, мы подали напряжение 1В, ротор покоился, ток в обмотке начал резко нарастать, и в конце-концов, сила Ампера проводников обмотки, начинает превышать силу противодействия нагрузки и ее инерцию и ротор начинает свое вращение, какой бы ни была нагрузка. Например если ток через обмотку составит величину 1000А, то окружная сила ротора составит величину 10000Н, или 1000кгс, в общем одну тонну усилия. А ток в случае отсутствия сопротивления может быть сколь угодно большим. Поэтому какая бы ни была нагрузка на валу, двигатель все равно провернется, если прочность материала двигателя позволит это сделать.

    Но как только ротор приходит в движение, в обмотке двигателя начинает генерироваться противо-ЭДС, которая моментально начинает вычитаться из напряжения питания.
    Допустим немного разогнавшись, ротор приобрел окружную скорость движения 0.05м/с. При таком значении скорости, величина противо-ЭДС рассматриваемого двигателя, составит 0.5В и будет вычтена из напряжения питания. Таким образом, напряжение, которое "увидит" обмотка двигателя, уже уменьшится с 1 до 0.5В. Скорость нарастания тока, так же уменьшится до 5000А/с. Скорость ускорения ротора замедлится, но ток все равно будет нарастать, хоть и с меньшей величиной.

    Допустим через некоторое время, двигатель набрал окружную скорость 0.099м/с. Величина противо-ЭДС в обмотке ротора, составит величину 0.99В. Разница между напряжением питания и противо-ЭДС составит величину 0.01В. И это напряжение будет приложено к обмотке двигателя.
    Но даже это напряжение способно вызвать любой ток, при нулевом сопротивлении обмотки. К тому же, скорость нарастания тока, все равно будет значительная 100А/с И ток будет продолжать расти, увеличивая силу Ампера, крутящий момент и разгоняя ротор с нагрузкой.
    И вот когда ротор полностью разгонится до такой скорости, при которой противо-ЭДС станет равной 1В, тогда разница между противо-ЭДС и напряжением питания станет нулевой и только в этом случае, нарастание тока в обмотке двигателя прекратится.

Ну а дальше ротор проскочит точку равновесия и двигатель превратися в генератор, начиная тормозить разогнанную массу. И в конце концов, все устаканится на таких оборотах, когда ток, протекающий через обмотки, будет покрывать потери на трение и сопротивление вращению нагрузки.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

О принципе работы электродвигателей с постоянными магнитами.

Сообщение T-Duke » 22 сен 2016, 08:51

Реальный двигатель.
В отличие от идеального двигателя, у реального, есть оммическое сопротивление обмотки и другие паразитные электрические сопротивления, например сопротивление щеток, контактное сопротивление щеток и ламелей коллектора, сопротивление подводящих проводов и т.д.
Это омическое сопротивление в отличие от сверхпроводящей обмотки, ограничивает ток, на уровне определяемым законом Ома, для электрической цепи.

Сопротивление обмотки довольно важная характеристика. Она определяет так называемую жесткость нагрузочной характеристики двигателя, ну и разумеется величину Джоулевых потерь в обмотке двигателя. Паразитное сопротивление обмотки в эквивалентной схеме обмотки двигателя включено последовательно с индуктивностью:

Эквивалентная схема.png


То есть на эквивалентной схеме ток который течет через обмотку двигателя, обязательно протекает через сопротивление, а потом уже собственно через катушку (индуктивность) обмотки. Это эквивалентно разделению двигателя на идеальный двигатель, с нулевым сопротивлением обмотки и дополнительное сопротивление которое представляет собой параметры реального двигателя. Если рассмотреть ситуацию внимательнее, то можно увидеть, что ведение дополнительного сопротивления, оказывает влияние на работу двигателя. Действительно, теперь ток который протекает через двигатель, должен преодолевать паразитное сопротивление. Когда ток преодолевает сопротивление, на сопротивлении наблюдается падение напряжения. Например если паразитное сопротивление имеет величину 1Ом, а протекающий ток имеет величину 10А, но на сопротивлении будет падать 10В.

Для того чтобы оценить введение сопротивления в эквивалентную схему двигателя, воспользуемся методом пределов, который любят применять физики при анализе явлений. Сначала представим что величина дополнительного сопротивления очень мала, например одна миллионная ома. Такое маленькое сопротивление, практически не будет сказываться на работе двигателя. Например при токе двигателя 100А, на паразитном сопротивлении падает всего одна десятитысячная вольта. И почти все напряжение приложенное к двигателю будет "достигать" обмотки. Даже если увеличим ток через двигатель до большой величины в 1000А, падение напряжения составить одну тысячную вольта. То есть видим, что паразитное сопротивление малой величины, практически не оказывает влияния на работу двигателя.

А теперь увеличим паразитное сопротивление обмотки двигателя в десять миллионов раз - до величины 10 Ом. Теперь резко все поменялось. Если мы хотим, чтобы через двигатель протекал ток величиной скажем 10А, то к обмотке двигателя нужно приложить минимум 100В напряжения, которое полностью будет потрачено, на продвижение тока через паразитное сопротивление. При чем энергия которая требуется для продвижения тока через сопротивление не выполняет полезной работы. Она только вызывает нагрев двигателя.

Таким образом, если обратиться к пределам, то можно видеть, что чем меньше паразитное сопротивление обмотки двигателя, тем больше двигатель приближается к идеальному и в пределе, когда сопротивление становится нулевым, двигатель становится идеальным. Если же сопротивление обмотки увеличивать, то двигатель все больше удаляется от идеального и все больше энергии теряется на сопротивлении впустую. И в пределе если увеличить сопротивление до бесконечности, двигатель вообще перестает быть двигателем, так как гигантское сопротивление просто не пропустит какой-нибудь существенный ток в обмотку двигателя.

Поведение идеального и реального двигателя под нагрузкой.

Проще всего определить реакцию на нагрузку для идеального двигателя. Так как сопротивление обмотки отсутствует, то двигатель будет очень жестко реагировать на любую нагрузку, которая приложена к его ротору. Например двигатель вращается равномерно в установившемся режиме с окружной скоростью ротора равной 1м/с. Напряжение питания двигателя и противо-ЭДС обмотки почти полностью равны друг другу то есть напряжение питания равно 10В, а противо-ЭДС допустим равна 0.9999999999В и через двигатель протекает ровно такой ток, который нужен для покрытия потерь на трение.

Допустим линейная скорость движения ротора двигателя из раннего примера уменьшилась всего на 0.1%, то есть с 1м/с до 0.999м/с. Величина противо-ЭДС уменьшилась до 0.999В. Разница между напряжением питания и противо-ЭДС, составит всего одну тысячную вольта. Но для двигателя с нулевым сопротивлением обмотки, это очень много. Одна тысячная вольта, приложенная к нулевому сопротивлению обмотки, может создать любой, в пределе бесконечный ток через обмотку. То есть небольшое изменение скорости ротора идеального двигателя, приводит к резким и очень мощным изменениям тока через обмотку, что приводит к жесткой компенсации причины. вызвавшей замедление ротора.

То есть ротор, сверхжестко реагирует на нагрузку, сохраняя скорость своего вращения неизменной. Только индуктивность обмотки несколько смягчает этот процесс, растягивая его во времени. Но ротор идеального двигателя, через некоторый промежуток времени обязательно выровняет свою скорость до той, которая была до приложения нагрузки.

Таким образом, идеальный двигатель, если не рассматривать переходных процессов возникающих из-за индуктивности обмотки, не изменяет своих оборотов под нагрузкой, какой бы нагрузка ни была.

А вот в случае реального двигателя, его характеристика смягчается, в зависимости от величины паразитного сопротивления. И чем выше оммическое сопротивление обмотки двигателя, тем мягче его характеристика, при прочих равных условиях.

Допустим мы последовательно с обмоткой идеального двигателя, включили сопротивление величиной 1 Ом. Это эквивалентно реальному двигателю со сопротивлением меди в один Ом.

Эквивалентная схема.png


В этом случае ток протекающий через двигатель протекает и через резистор, следовательно часть напряжения питания, будет обязательно теряться на резисторе. При чем чем больше ток через двигатель, тем больше напряжения падает на резисторе и тем меньшее напряжение видит собственно двигатель.

Напомню параметры двигателя. Длина обмотки 10м, индукция магнитного поля 1Тл, сопротивление обмотки 1 Ом. Двигатель мы запитали от источника напряжением 10В. Разогнавшись, двигатель установится в равномерное вращение с окружной скоростью 1м/с. Ток через двигатель будет маленьким, необходимым для покрытия потерь, которые примем очень малыми. Например ротор двигателя вращается в магнитных подшипниках, магнитопровод двигателя изготовлен из аморфного железа с малыми потерями. То есть потерями будем пренебрегать.

Так вот, двигатель, при поданном напряжении на него величиной 10В, вращается с окружной скоростью 1м/с. Допустим мы приложили ко двигателю нагрузку, величиной 20Н на радиусе ротора. Чтобы скомпенсировать влияние этой нагрузки, в обмотках должна возникнуть сила Ампера величиной 20Н. Такая сила возникнет в двигателе с приведенными выше параметрами, когда через обмотку будет протекать ток величиной 2А. Именно ток в 2А, создаст в обмотке двигателя с рабочей длиной 10м, силу в 20Н, при индукции поля магнитов в 1Тл.

Теперь учтем влияние сопротивления обмотки. При токе величиной 2А, на сопротивлении 1 Ом, будет падать 2А * 1 Ом = 2В напряжения. То есть из 10В напряжения источника питания, 2В будут бесполезно тратиться на сопротивлении. До обмотки двигателя дойдет уже 10В-2В=8В. Так как напряжение, которое "видит" обмотка двигателя уменьшилось, то и соответственно уменьшится окружная скорость ротора, с 1м/с, до 0.8м/с.

Видим, что обороты ротора двигателя под нагрузкой просели. И всему виной, активное сопротивление обмотки двигателя. При сопротивлении обмотки 1Ом и напряжении питания 10В, при приложении к ротору двигателя окружной нагрузки величиной 20Н, обороты падают на 20%. Если улучшить качество двигателя, то есть уменьшить сопротивление обмотки двигателя скажем до 0.1 Ом, то при прикладывании той же нагрузки, обороты ротора просядут значительно меньше, всего на 2%.

Такой двигатель значительно жестче реагирует на нагрузку, пытаясь сохранить скорость вращения. Таким образом видно, что чем ближе двигатель к идеальному, тем меньше у него сопротивление обмотки и тем жестче он реагирует на нагрузку на валу.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

О принципе работы электродвигателей с постоянными магнитами.

Сообщение T-Duke » 22 сен 2016, 10:00

Природа силы Ампера.

Сила Ампера очень полезная в электротехнике сила. Она используется во всех магнитоэлектрических приборах, в которых есть магнит и обмотка с проводом. Для чуть более глубокого понимания возникновения силы Ампера, нужно немного углубиться в суть процессов возникающих в проводниках с током в свободном пространстве, так и помещенных во внешнее магнитное поле. Чуть более глубокое понимание - это значит на один уровень дальше. Полное понимание сути мироздания не возможно, можно разойтись на сотню страниц, опуститься до уровня субатомных взаимодействий и все равно до конца не постичь природу силовых взаимодействий. Для обычного уровня понимания хватит пойти чуток дальше и рассмотреть силовые линии магнитного поля и взаимодействие полей.

Для того, чтобы более наглядно представлять нужные концепции, я решил применить программу математического моделирования магнитных цепей. В этой программе можно производить расчет магнитных полей произвольных и сложных конфигураций и наглядно наблюдать результаты расчета на экране.

Как известно из курса физики, каждый проводник по которому протекает электрический ток, создает вокруг себя круговое магнитное поле состоящее из концентрических силовых магнитных линий. Сила поля, зависит от величины тока протекающего через проводник, и расстояния от оси проводника, до точки в которой мы измеряем интенсивность поля. С помощью аналитических выкладок, или программ моделирования магнитных цепей, можно определять индукцию поля в любой точке пространства около проводника. Чтобы не залазить в дебри вычисления индукции магнитных полей, я решил просто создать анимацию изменения индукции магнитного поля проводника с током, в зависимости от протекающего через него тока.

На анимации показано поперечное сечение проводника затем пространство заполненное воздухом и затем внешняя граничная окружность, сужающая задачу с бесконечной размерности до приемлемой. Известно что силовые линии магнитного поля уходят в бесконечность. Ясно что моделирование такого случая невозможно. поэтому приходится сужать размеры пространства моделирования, до приемлемых размеров. Радиус граничной окружности примерно в двадцать раз больше радиуса проводника.
В ходе развития анимации, хорошо заметно изменение силы магнитного поля, при увеличении тока через проводник с 0 до 5000А:

Поле проводника с током.gif


Как видим силовые линии располагаются концентрично вокруг оси проводника и плотность магнитного потока нарастает с ростом тока через проводник. Кстати буржуи индукцию магнитного поля называют немного иначе - flux density, или плотность магнитного потока. Я считаю, что этот термин несколько более удачный чем слово индукция. Просто слово индукция короче. Но я буду иногда индукцию, называть здесь так же плотностью поля, так как этот термин более интуитивно понятен.

Взаимодействие магнитного поля магнитов и поля созданного проводником.

С полем проводника с током мы разобрались. А что же будет если проводник с током, поместить во внешнее магнитное поле? Тогда поля начнут взаимодействовать, распределение силовых линий в пространстве вокруг проводника изменится. С одной стороны, плотность распределения силовых линий будет увеличиваться, с другой уменьшаться. Именно эта ассимметрия силовых линий поля и вызывает возникновение силы Ампера.

Для наглядности процесса взаимодействия, мной создана анимация процесса изменения плотности поля при увеличении тока через проводник. Проводник помещен в сильное поле постоянных магнитов и ток через проводник увеличивается от 0 до 8000А. На анимации хорошо видно изменение распределения силовых линий.
Сила Ампера, будет направлена в сторону увеличенной плотности магнитных линий:

Взаимодействие поля проводника с полем магнитов.gif


Видим что проводник с током, как бы перекачивает силовые линии с одной стороны в другую, уменьшая их плотность с одной стороны и увеличивая с другой. Это и приводит к возникновению силы Ампера, которая используется в электроприводе.

Взаимодействие полей во ферромагнитных средах.

Однажды я встретил интересное заблуждение относительно возникновения вращающего момента в электродвигателях со стальным статором. Как оказалось силу Ампера часто почему-то рассматривают как взаимодействие проводника с током и магнитного поля магнитов, но только в воздухе. Как только мы вводим железо, начинаются всякие заблуждения о том, что это уже не сила Ампера, а взаимодействие магнитов.
Дело в том, что сила Ампера и есть взаимодействие магнитных полей. Если сказать упрощенно - взаимодействие двух магнитов, один из которых представляет собой проводник с током. Вот и все. Нет разницы, в какой среде расположен проводник. Во вакууме, в воде, в воздухе, в ферромагнитной среде. Взаимодействовать магнитные поля будут по прежним законам, но с количественными отличиями для ферромагнитных сред.

Известно, что ферромагнетики являют собой очень хорошие магнитные проводники. Магнитное поле очень охотно устремляется в ферромагнитные вещества. Чтобы описать почему это так, нужно сильно отвлечься, чем я не хочу заниматься здесь. Просто следует помнить, что если есть магнитомягкий ферромагнитный материал и есть два пути распространения поля - по воздуху и по ферромагнетику (например чистое железо), то магнитное поле очень охотно распространяется во ферромагнетике и очень неохотно проходит через воздух.

Кроме того, для создания одной и той же плотности поля во воздухе и в железе, в последнем, нужно прикладывать значительно меньшие токи к проводникам обмотки. Но характер взаимодействия полей что во воздухе, что в железе остается одинаковым. И сила Ампера действует и там и там.

В качестве примера, была разработана модель проводника помещенного в сплошной брусок железа, который в свою очередь помещен в поле постоянных магнитов. По проводнику пропускался значительно меньший ток - от 0 до 5А. Как можно видеть из моделирования, поле во ферромагнетике концентрируется в меньшем объеме пространства, силовые линии гуще, плотность поля высока и железо довольно сильно насыщено при токе 5А:

Взаимодействе поля проводника с током в ферромагнитной среде.gif


Но сам характер взаимодействия полей не изменился. Плотность поля с одной стороны проводника увеличивается, с другой уменьшаются. Силовые линии как бы перекачиваются проводником из одной области в другую. Как видим сила Ампера это результат взаимодействия поля создаваемого проводником и поля создаваемого постоянными магнитами. А вот среда в которой происходит взаимодействие может быть разной, и в некоторых средах высокой проницаемости, взаимодействие полей в тысячи раз (при малых токах) интенсивнее.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

О принципе работы электродвигателей с постоянными магнитами.

Сообщение T-Duke » 22 сен 2016, 15:06

Создание вращающегося магнитного поля.

Для того, чтобы электродвигатель с постоянными магнитами мог работать, или в роторе, или в статоре двигателя, в зависимости от его конструкции, необходимо создать вращающееся магнитное поле. При чем это магнитное поле, должно быть жестко синхронизировано с положением ротора. Синхронизация осуществляется или механически, посредством механизма коллектора. состоящего из щеток и ламелей, или с помощью электроники и датчиков в бесколлекторных двигателях.

Но для начала нужно выяснить как же создать вращающееся магнитное поле? Простейший способ - распределить по окружности двигателя обмотки и по мере вращения ротора, переключать ток по разным обмоткам. Подобным образом создается вращающееся поле как в коллекторных ДПТ, так и во вентильных бесколлекторных двигателях BLDC. недостаток такого способа - повышенная неравномерность вращения ротора и коммутационные проблемы при больших значения тока и больших скоростях вращения.

Почти таким же образом можно создать плавно вращающееся поле, если запитать обмотки двигателя синусоидальным током. Для создания вращающего момента при синусоидальном питании необходим как минимум двухфазный двигатель. со смещением обмоток на 90 градусов и питании двухфазным переменным током, со сдвигом фаз 90 градусов. Но наибольшее распространение получили трехфазные двигатели, из-за более высоких характеристик, при незначительном усложнении конструкции.

У трехфазного двигателя, обмотки расположены на статоре с пространственным сдвигом 120 градусов между фазными обмотками. А сами обмотки питаются трехфазным током со сдвигом фаз 120 градусов.
3ph.png

Для моделирования чистого вращающегося поля, использовал модель 4-х полюсного двигателя с магнитами, у которого ротор с магнитами заменен сплошным стальным ротором.
На приведенной анимации видно, как плотность поля перемещается по статору трехфазного двигателя.
Вращающееся поле двигателя.gif

Аналогичная картина наблюдается в двигателях с другим числом полюсов. Таким образом, вращающееся поле, взаимодействуя с полем магнитов ротора, создает крутящий момент двигателя. Но вместе с тем, переменный магнитный поток в стальных магнитопроводах, создает и потери на перемагничивание стали магнитопровода и вихревые токи в листах электротехнической стали. Есть общая тенденция, которой подчиняются все электрические машины - увеличение числа полюсов, увеличивает крутящий момент машины, но при этом сильно растут электрические потери в магнитопроводе машины, при тех же оборотах ротора. Многополюсные машины более тихоходны и обладают более узким диапазоном оборотов, но дают повышенный крутящий момент. И наоборот, машины с малым числом полюсов дают меньший крутящий момент, но имеют увеличенный диапазон оборотов. В любом случае проектирование электропривода, по сути своей, это нахождение компромисса между требованиями к удельным характеристикам двигателя и допустимым потерям в двигателе, то есть вопрос получения нужных параметров при заданном КПД двигателя.

Отличия двигателей с механическим коллектором, от двигателей с электронным коллектором.

Так как вращающееся поле можно создать или переключая обмотки вдоль окружности вращения или питая сдвинутые в пространстве обмотки мультифазным синусоидальным током, то требуется каким-то образом переключать обмотки двигателя, или питать их синусоидальными токами.

При питании двигателя от источника постоянного тока, понятно, что синусоидальные токи взять не от куда, без генератора синусоидального напряжения. Поэтому в ДПТ применяется механический узел, переключающий ток обмоток, посредством скользящих контактов щеток и ламелей коллектора. Этот механический коммутатор, жестко связывается с ротором и при вращении ротора, ток постоянно переключается с одной обмотки, на другую, таким образом, чтобы в катушках в которых протекает ток, сила Ампера была направлена под оптимальным углом к полю магнитов. Таким образом, двигатель с механическим коллектором является самодостаточной системой, для работы которой, достаточно подать напряжение на двигатель. Дальнейшая работа двигателя автономна и не требует никаких других электронных устройств, для обеспечения вращения ротора.

Но механический коллектор являет собой довольно серьезную проблему, с точки зрения эффективности двигателя:

    В механическом коллекторе существует трение щеток о ламели коллектора. Это добавляет механические потери на вращение ротора.
    Как сами щетки, так и контактный переход между щетками и ламелями, имеют электрическое сопротивление, на котором теряется часть энергии подводимой ко двигателю.
    Механические трущиеся узлы подвержены износу и загрязнению продуктами износа, требуется периодическое обслуживание узла коллектора и профилактический ремонт.
    Механический коллектор, является источником электромагнитных помех в момент коммутации обмоток.
    При работе коллекторной машины, неизбежно появляется искрообразование. Хотя специальными мерами его можно сильно уменьшить, но полностью нельзя устранить. По этой причине коллекторные машины следует с особой осторожностью применять в условиях взрывоопасных сред, или полностью исключить применение коллекторного привода.

Для полного нивелирования некоторых недостатков и существенного ослабления других, механический коммутатор обмоток, был заменен на электронный и такие двигатели стали называть бесколлекторными, или вентильными двигателями. Преимущества перехода на электронную коммутацию следующие:

    Мы полностью избавляемся от механического трения в узле коммутатора.
    Исчезает проблема механического износа коллекторного узла, загрязнения внутреннего пространства двигателя продуктами износа, и необходимость периодического обслуживания коллекторного узла во виде щамены щеток, проточки коллектора, притирания щеток ко коллектору.
    Исчезает проблема работы во взрывоопасных средах из-за отсутствия искрообразования в зоне контакта щеток с ламелями коллектора.
    Значительно уменьшаются потери в узле коммутации обмоток, особенно при значительных плотностях тока.
    При правильном проектировании электронного коммутатора, можно значительно снизить уровень электромагнитных помех по сравнению с мощными коллекторными машинами.
    Электронный коллектор, позволяет просто компенсировать реакцию обмотки, алгоритмическими методами. В случае механического коллектора, для этого требуется, или наличие компенсационных обмоток на статоре, или механическое смещение щеточного узла относительно линии нейтрали


Отказ от механического коллектора, позволил поднять КПД привода на десятки процентов. В мощных бесколлекторных двигателях, можно достичь значений КПД на уровне 96-99%
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.


Вернуться в «Электропривод»