Чем интересен щеточный электродвигатель?

Содержание

• 1 Принцип действия вкратце
• 2   Устройство 
• 3 Типы щеточных моторов 
  • 3.1 С постоянными магнитами
  • 3.2 С обмотками возбуждения 
• 4 Особенности 
• 5 Схемы двигателей 
  • 5.1 Схема для переменного тока
• 6 Преимущества применения щеточных моторов
• 7 Недостатки 
• 8 Сферы использования 

На сегодняшний день рынок электрических двигателей включает огромное количество моделей, которые относятся к разным конструктивным типам. Сегодня в нашей статье мы рассмотрим щеточные модификации моторов, которые, несмотря на упрощенность конструкции, обладают высокой продуктивностью. 

 

Щеточный мотор

Щеточный двигатель — это простой в управлении и недорогой двигатель постоянного тока, часто приводимый в действие батареями. Электродвигатель использует щетки для подачи энергии на катушку якоря, расположенную между магнитами постоянного действия, которые собственно и генерируют магнитное поле. Ток через щетку к катушке приводит в движение ротор и используется для двигателей мощностью до нескольких тысяч ватт. Когда якорь вращается, то стационарные (неподвижные щетки) соприкасаются с разнотипными секциями вращающегося коллектора, что со временем приводит к изнашиванию деталей. 

Принцип действия вкратце

Силовые агрегаты коллекторного типа, как правило, функционируют на низких номинальных скоростях и с легкостью управляются обыкновенным контроллером ШИМ. Как следует из названия – агрегат отвечает за работу с широтно-импульсной модуляцией. Основная его задача – изменять показатели напряжения, которое поступает на двигатель, чтобы обеспечить эффективное регулирование скорости в одном заданном направлении. Еще одна немаловажная задача – обеспечение момента вращения для приводных механизмов электродвигателя. Если требуется двунаправленный моторный привод, например, для стеклоподъемника электромобиля или в качестве сервопривода в приложении промышленной автоматизации, вместе с ШИМ-контроллером можно использовать H-мост.  

Если мотор устанавливается в приложении с низким уровнем потребления электроэнергии, тогда в агрегат будет встроена возможность совместной работы со встроенными драйверами затвора, силовыми транзисторами, функциями защиты, датчиком тока и даже с преобразователями постоянного тока в постоянный (частотники типа DC/DC).

Для высокомощного оборудования применяются дискретные транзисторы полевого типа (МОП), или драйверы затворов, применяемые отдельно от самого двигателя. 

Из слабых сторон щеточных моторов стоит выделить наличие щетки, данная особенность сокращает рабочий ресурс агрегата и гибкость управляемости. 

  Устройство 

Давайте же более подробно рассмотрим особенности конструкции щеточного электродвигателя. Состоит он из таких важных компонентов:

• ротора;
• статора.

Конструкция щеточного электродвигателя

Первый элемент также нередко называется якорем, представляет собой подвижную часть мотора. В процессе работы он вращается внутри корпуса силового агрегата, тем самым, преобразовывая электрическую энергию, поступающую из сети, в механическое движение. На деталь нанесена медная проволока – обмотка, через которую проходит электрический ток и создается поле магнитного действия. Оно влияет на обороты агрегата.

Для того, чтобы передача напряжения осуществлялась прямиком на обмотки, в конструкцию электромотора добавляют специальные щетки. Именно они делают так, чтобы ток проходил через коллектор внутрь. 

Как правило, эти части изготавливают из графита, они на постоянной основе контактируют с коммутирующим устройством и отвечают за подачу электроэнергии на обмоточные катушки. Также в приборе присутствуют две щетки, каждая из которых подсоединяется к разному полюсу батареи питания. Данная особенность обеспечивает надежность вращения, гарантирует постоянную смену направления движения тока. Благодаря этому магнитное поле изменяется так, как этого требует технология, тем самым обеспечивая стабильность вращений ротора.  

А вот статор относится уже к стационарным деталям, в который и устанавливаются все вышеописанные компоненты. Дополнительно в нем могут размещаться проволочная катушка, или же магнит постоянного действия. Эти детали также генерируют магнитное поле, показатели которого обратны роторной полярности, что также способствует вращению. 

Конструкция позволяет моторам коллекторного типа работать также от напряжения переменного, ведь при изменениях полярности в катушках, ток в обмотках возбуждения и в роторе начинает двигаться реверсивно. Из-за этого момент вращения движется стабильно, без изменения направленности.  

Типы щеточных моторов 

Итак, как мы только что писали, в статоре могут устанавливаться на выбор две детали. Именно на основе этого, электромотор щеточной конструкции бывает с постоянными магнитами или же с реализованными обмотками возбуждения. 

Схема двигателя с постоянными магнитами

С постоянными магнитами

Среди всех видов силовых агрегатов постоянного тока, данная модификация является самой распространенной. В состав индуктора здесь входят магниты постоянного действия, с помощью которых получается создавать статорное магнитное поле. Свое применение такие моторы находят в простых задачах, решение которых не требует высоких мощностей. Такие приборы дешевле в реализации, по сравнению с другими. 

Одна из самых заметных особенностей – оперативная реакция на изменения напряжения. Постоянное статорное поле упрощает процесс регулирования рабочей скорости двигателя. В целом, конструкция мотора удобная, правда со временем магниты теряют свои качества, в результате чего снижает поле статора. 

Строение обмоток

С обмотками возбуждения 

Применяется в электрике сразу несколько вариантов исполнения данных моторов, которые отличаются между собой схемой подключения. Выделяют такие типы:

• с независимым возбуждением;
• с последовательным;
• с параллельным;
• с комбинированным (смешанным).  

Модели с независимым и параллельным возбуждением позволяют обеспечивать крутящий момент на низких вращениях практически всегда на стабильном уровне. Моторы также обладают хорошими регулировочными свойствами. Еще одна немаловажная сильная сторона – полное отсутствие магнетических потерь, даже при интенсивной эксплуатации. Объяснить это просто – в конструкции нет постоянных магнитов. 

Последовательные двигатели также демонстрируют высокий момент вращения на малых оборотах, а также обладает высокими пусковыми характеристиками. Последняя особенность обусловливается развитием большого магнетического момента. 

Щеточный мотор с независимым возбуждением

Машины смешанной компоновки имеют отличные свойства регулировки, высокий момент, удобство управления, без риска выхода из-под контроля.

Особенности 

Подшипники, устанавливаемые в моторы для бытового инструмента, в большинстве ситуаций не воспринимают боковые нагрузки. Если в процессе работы такие усилия все-таки прикладываются, то на механизм подшипника передаются биения вала. Это способствует созданию дополнительных люфтов шариков. 

Двигатели оборудуются системой охлаждения воздушного типа. крыльчатка, размещаемая на роторе, выводит воздух через реализованные в моторном кожухе щели и транспортирует его по всей оболочке, тем самым отводя лишнее тепло. 

Схемы двигателей 

Для того, чтобы восприятие схем щеточных двигателей было понятным и простым, представим две вариации: упрощенную и детальную.

Упрощенная схема дает возможность просто реализовывать подключения каждой намотки электродвигателя к схеме сети электрического питания. Выключатель функционирует, разрывая сразу два фазных потенциала, нулевого уровня или же одного из них. При помощи щеток и коллектора генерируется новая цепь тока, идущая по роторным обмоткам.  

Схема же принципиального типа подразумевает наличие вспомогательных отводов у статора и ротора, в зависимости от параметров исполнения деталей. Главная задача таких элементов – обеспечение питания разнотипного оборудования и средств автоматизации моторов.  

Схема подключения щеточного двигателя постоянного тока

Наличие температурной защиты полностью исключает возможность перегрева изоляции на катушках. Она снижает уровень тока при срабатывании индикаторов, прекращая обороты ротора и исполнительных машин. 

Тахогенератор дает возможность мониторить скорость работы роторного механизма. Отдельные вариации могут использовать датчик Холла. Для того, чтобы передавать сигналы к эти приборам, необходимо применять контакты от щеточных пластин.

Схема для переменного тока

Упрощенная схема присоединения щеточного двигателя переменного тока подразумевает возможность вывода максимум десяти контактов на соответствующей пленке. Ток, поступающий из фазы L идет к одной из щеток, далее передается на коллекторное устройство и роторную намотку. Следующий шаг – подача на вторую щетку и перемычку статорной обмотки. В самом конце ток попадает на нейтраль N.  

Реализация такого метода не подразумевает реверс мотора, что обусловливается наличием последовательного подключения обмоток. Оно в свою очередь приводит к параллельной замене полюсов у полей магнитного типа, что и обусловливает направление момента только в одну сторону — прямо.

Направленность оборотов можно поменять, но, для этого нужно изменить расположение выхода обмоток на планке контактов. Запуск силового агрегата напрямую осуществляется при наличии подключенных статорных и якорных выводов. Посредником в этом случае выступает  щеточно-коллекторный механизм.

Половинный вывод медной намотки применятся для запуска второй рабочей скорости. При наличии такого подключения, агрегат функционирует на максимальной мощности с самого момента включения. Исходя из этого, длительность эксплуатации допускается не более чем 15 секунд. 

Схема подключения щеточного двигателя переменного тока, пример

Преимущества применения щеточных моторов

Силовые агрегаты данного типа получили широкое распространение, как в бытовой, так и в промышленной среде, что обусловливается сильными сторонами мотора. Среди преимуществ, стоит выделить:

• сравнительно низкая стоимость, если выбирать между ними и бесщеточными версиями. Обусловливается это использованием более простых материалов и технически простых технологий;
• упрощенное конструктивное исполнение, что положительно влияет не только на процесс эксплуатации, но и на конечную стоимость ремонта;
• малый вес и общая компактность конструкции.

Недостатки 

Несмотря на довольно выгодные преимущества, конструкция щеточных электрических двигателей не лишена недостатков. К ним относят:

• увеличение трения щеток при работе мотора на высоких оборотах. Из-за этого они быстро изнашиваются, в частности – стираются. Это в свою очередь может привести к засорению коллектора стертым графитом;
• сравнительно низкие уровни мощности щеточного инструментария;
• возможное возникновение искрения при работе;
• КПД, в среднем составляет 60%, что ниже, чем у моделей с аналогичными мощностями, но бесщеточного типа.  

Сферы использования 

Как мы уже писали ранее – благодаря простоте конструкции  и относительной надежности, силовые агрегаты щеточной конструкции довольно часто встречаются в области человеческой деятельности. Недостатки перекрываются выгодами от эксплуатации и надежностью применения.

Такие моторы можно встретить в конструкциях:

• промышленного инструмента;
• бытовых электроприборов;
• в сфере автомобилестроения – в вентиляторах, доводчиках дверей, стеклоподъемниках и других элементах автоматики;
• в общественном транспорте и специальной технике – электро-подъемниках, трамваях, троллейбусах, кранах, транспортерах и др. Ключевой акцент здесь делается на высокие тягловые характеристики моторов. 

На рынке электрики представлено множество вариаций щеточных  силовых агрегатов, что может усложнять процесс выбора модели. Первое, на что стоит ориентироваться при покупке устройства – требуемая мощность, сфера применения и тип конструкции.

 

однофазные и трехфазные коллекторные электродвигатели

Машины коллекторного типа, работающие от сети переменного тока, используются в качестве двигателей, преобразующих электроэнергию в механическое действие.

Машины этого типа относительно похожи по устройству конструкции с электрическими машинами постоянного тока. В конструкции устройства используется ротор с петлевой (параллельной) или (симметричной) волновой обмоткой, присоединенной к коллектору. Статор, выполняющий важную основную функцию в устройстве машины, для которого используется переменное магнитное поле, набран из стальных электротехнических пластин.

К достоинствам коллекторных машин можно отнести возможность решения задач, зависящих от работы электропривода, для которого существует необходимость использования плавного регулирования скорости в энергосберегающем режиме с хорошим и качественным cosφ.

Недостаток этих машин, значительно влияющий на ширину их распространения, это:

1. Сложное производство.
2. Высокая стоимость.
3. Тщательность технического обслуживания коллектора и щеточного механизма.
4. Плохие токовые условия коммутации в якорной цепи.

Однофазные коллекторные двигатели

Устройство однофазного коллекторного двигателя состоит из обмоток. Первая выполняет функцию возбуждения, место ее размещения – электрические полюса, выполняющие основную функцию, вторая – используется в качестве компенсационной обмотки, она находится в роторных пазах и предназначена для компенсации отрицательного явления реакции якоря. Существует дополнительная обмотка, используемая для добавочных полюсов, она шунтируется при помощи активного сопротивления.

При взаимодействии магнитного поля при возбуждении основной обмотки и возникновении компенсационных токов, создается вращающийся момент. Направленное действие его характеризуется одним направлением, совпадающим с вращением магнитного поля. Можно изменить направление вращение при помощи переключения выводов возбуждающей обмотки.

Особенность двигателя однофазного тока заключается в использовании обмотки для компенсации, границы использования начинаются с 10 – 15 кВт. Обмотка предназначена для выполнения функции по компенсации процесса реакции якоря. Также она служит для выполнения ряда важных предназначений, это: уменьшение потокосцепления якорной обмотки, сопротивления индукции, повышения качества коэффициента мощности cosφ машины.

Использование в конструкции добавочных полюсов предназначено для повышения качества коммутации, которая отличается тяжелыми условиями и появлением в коммутируемой секции: ЭДС трех видов, это:  трансформаторная Етр, вращения и реактивная ЭДС.

Для компенсации трансформаторной и реактивной ЭДС используется ЭДС вращения, которая наводится в коммутируемой зоне за счет поля, сдвинутого по фазе, относительно тока ротора, это происходит при шунтировании добавочных обмоток и вспомогательных полюсов при помощи активного сопротивления.

При создании заданных токовых параметров в роторе машины и его скорости вращения, достигается взаимная компенсация ЭДС, отклонения от заданных величин, в случае использования других рабочих режимов, приводят к тяжелому пуску.

Для уменьшения недостатков выполняются компенсирующие их конструктивные особенности. Большие двигатели отличаются количеством витков с числом 1. Вследствие этого, увеличивают количество пластин в коллекторе, ввиду этого повышаются габаритные размеры двигателя. Для снижения трансформаторной ЭДС понижают частоту сетевого питающего тока в электрической сети напряжения. Скорость регулируется при использовании трансформатора с ответвлениями по вторичной обмотке. Трансформатор также служит для понижения напряжения питающей сети двигателя, вследствие чего на коллекторных щетках присутствует напряжение с небольшой величиной.

Наибольшее распространение имеют однофазные двигатели небольшой мощности — до 150 Вт. В их конструкции отсутствуют добавочные полюса и компенсирующая обмотка, это является следствием малого значения мощности и соответствия сети промышленной частоты 50 Гц, в этом случае коммутационные условия будут удовлетворять требованиям.

Однофазные двигатели коллекторного типа могут функционировать в сети как переменного, так и постоянного тока и признаются устройствами универсального типа.

Для значения мощности более 60 Вт от цепи возбуждения предусмотрен отвод, это способствует уменьшению количества витков, вследствие чего значение количества оборотов вала сохраняется неизменным и расширяет функциональные возможности двигательной машины.

Двигатель используется при конструировании электрического инструмента, может применяться в виде исполнительных машин в системах автоматики, и для создания устройств домашней бытовой техники.

Трехфазные коллекторные двигатели

Существующие асинхронные машины, имеющие в своей конструкции коллектор и работающие от трехфазной электрической сети, функционируют при условии существования магнитного поля, которое вращается с частотой, различной от частоты вращения самого поля. Для выполнения процесса возбуждения применяется обмотка возбуждения с качествами шунтового двигателя с обмотками соединенными параллельно, питающее напряжение для двигателя поставляется от ротора самой машины.

В конструкции машины присутствует роторная обмотка, выполняющая основную функцию, она подключена к сети переменного напряжения посредством щеточного механизма при использовании токосъемных контактных колец. Статорная обмотка соединяется всеми фазами с коллектором машины, она расположена в роторных пазах вместе с основной обмоткой. Для каждой конкретной фазы в статоре машины соответствуют определенные щетки, они имеют возможность сдвигаться и раздвигаться за счет использования подвижных траверс. Установка щеток на одни и те же пластины коллектора, делает двигатель способным выполнять работу в режиме асинхронного двигателя. Отличие его от настоящего действительного асинхронного двигателя заключается в том, что роторная обмотка используется в виде первичной обмотки, а статорная – выполняет функцию вторичной.

Раздвижение щеток в механизме создает ЭДС с частотой ЭДС статорной цепи, равной частоте скольжения. ЭДС в щетках является добавочной и вызывает во вторичной цепи двигателя, то есть в его статоре – ток, создающий и определяющий момент вращения машины. Увеличение скольжения также достигается за счет раздвижения щеток. Это диктует создание рабочего режима, зависящего от тока необходимого, при получении величины момента аналогичного моменту торможения машины. Большое раздвижение щеток увеличивает добавочную ЭДС и снижает число оборотов вала отличных от значения синхронной скорости.

Регулировка скорости происходит за счет введения отсутствующий мощности в коллекторную цепь, в этом случае происходит сдвиг по фазе относительно тока во вторичке и дополнительной ЭДС на угол более 90о. Мощность, которая берется от статора, приходит обратно в электрическую сеть посредством использования трансформаторной связи между обмотками. За счет этого эффекта достигается экономия регулирования количества оборотов вала машины при добавлении во вторичную цепь ЭДС.

Раздвигая щетки, осуществляется процесс регулировки скорости, при которой работает машина относительной синхронной частоты вращения, увеличивая ее или уменьшая.

Кроме вышеперечисленных преимуществ, двигатель дает возможность регулировать cosφ. Это достигается посредством смещения щеток соответствующих своим фазам, происходит изменение ЭДС по фазе. Повышение качества cosφ при значении скорости менее синхронной, происходит смещение щеток в сторону противоположную направлению движения ротора.

Использование двигателей этого типа, работающих от трехфазной сети, характерно для предприятий легкой, текстильной промышленности, для специальных прядильных станков. Также используется в приводе ротационных машин в полиграфии, в металлургической промышленности для операции по резке металлов.

Из-за плохих коммутационных условий, трехфазные машины не выполняют на значение мощности превышающей 250 кВт, так как с повышением мощности происходит увеличение магнитного потока, что затрудняет получение трансформаторной ЭДС. Добавочная ЭДС, которая находится во вторичной цепи и используется в качестве экономичного регулятора количества оборотов вала повышения и cosφ, получается за счет введения асинхронной машины каскадным способом наряду с двигателями коллекторного типа, что происходит чрезвычайно редко.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

заряженных электромобилей | Более пристальный взгляд на щеточные двигатели переменного тока в электромобилях

Заряженные электромобили | Более пристальный взгляд на щеточные двигатели переменного тока в электромобилях — Заряженные электромобили

Пристальный взгляд на щеточные двигатели переменного тока в электромобилях

Опубликовано 7 августа 2022 г. Джеффри Дженкинсом и размещено в разделе Особенности, Технические характеристики.

Все старое снова становится новым: BMW eDrive пятого поколения оснащен синхронным двигателем переменного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока (и универсальные двигатели переменного/постоянного тока) часто оклеветаны по ряду причин, но одна из главных — хотя, возможно, несколько преувеличенная — жалоб заключается в том, что графитовые щетки и сегментированный медный коллектор, на котором они вращаются, изнашиваются. со временем, все время производя невероятно мелкую — и потенциально опасную — проводящую углеродную и медную пыль в процессе. Таким образом, выбор BMW коллекторного двигателя для своей технологии eDrive 5-го поколения (которая дебютировала в таких автомобилях, как BMW iX M6 2022 года), может показаться шагом назад в технологическом прогрессе — и в некотором смысле так оно и есть. Но это коллекторный двигатель переменного тока, более формально известный как синхронный двигатель переменного тока с фазным ротором (или возбуждением), и здесь щеткам и токосъемным кольцам (не коллектору — об этом ниже) живется намного легче, чем в их щеточных двигателях. аналоги ДК. Это оказывает огромное влияние на ожидаемый срок службы двигателя, но также позволяет лучше контролировать скорость и крутящий момент двигателя во всех четырех квадрантах работы (т. е. двигатель и рекуперация как в прямом, так и в обратном направлении). Фактически синхронный двигатель переменного тока с возбуждением является прямым аналогом двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, и они ведут себя очень похоже как с точки зрения нагрузки, так и с точки зрения схемы управления верхнего уровня, несмотря на их совершенно разные физические конструкции.

Синхронный двигатель с фазным ротором (WRSM) использует радиальный массив катушек электромагнита в роторе для своего поля, а не постоянные магниты, которые либо размещены на поверхности, либо встроены в ротор синхронного двигателя с постоянными магнитами. (поверхностный и внутренний типы ПМСМ соответственно). PMSM на сегодняшний день является самым популярным типом тягового двигателя, который в настоящее время используется в электромобилях, поэтому обзор его характеристик будет полезен, чтобы лучше понять, почему OEM-производители, такие как BMW, могут вместо этого выбрать WRSM.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами, безусловно, является самым популярным типом тягового двигателя, который в настоящее время используется в электромобилях, так почему же такой OEM-производитель, как BMW, выбрал синхронный двигатель с фазным ротором?

Оба типа PMSM — внутренний и поверхностный — неизменно используют магниты из редкоземельных металлов для поля ротора, потому что они максимизируют два качества, которые важны в этом приложении: высокая напряженность поля (обычно в диапазоне от 0,9 до 1,2 Тесла) , и высокой коэрцитивной силой, или сопротивлением размагничиванию. Поскольку крутящий момент пропорционален напряженности магнитного поля, создаваемого полем двигателя, предпочтительны более сильные магниты (во всяком случае, в большинстве случаев), а поскольку магниты поля/ротора в двигателе подвергаются воздействию противоположных полей от якоря/статора, сопротивление к размагничиванию абсолютно критично. Однако какими бы хорошими ни были редкоземельные магниты, они никоим образом не совершенны, и одним из их главных недостатков является их дороговизна (слово «редкий» как бы выдает это). Другим серьезным недостатком редкоземельных магнитов является тот факт, что их сопротивление размагничиванию начинает падать при болезненно низкой температуре — фактически всего лишь при 80 ° C для неодимового типа — что может необоснованно ограничивать количество непрерывной мощности, которую может дать данный двигатель. могу доставить.

Высокоинтегрированный eDrive 5-го поколения BMW

С точки зрения эксплуатации поле PM — это одновременно и благословение, и проклятие (но в основном последнее). С положительной стороны, наличие полной напряженности поля в любое время облегчает для СДПМ обеспечение предсказуемого максимального крутящего момента, начиная с 0 об/мин, особенно по сравнению с асинхронным двигателем. С другой стороны, обратная ЭДС — или напряжение, генерируемое двигателем, противодействующее его питанию, — пропорционально напряженности поля и оборотам в минуту, поэтому максимальная скорость в СДПМ строго ограничена без использования ослабления поля или смехотворно высокого напряжения батареи. К сожалению, ослабление поля в СДПМ требует активного подавления поля от ФЭУ, что может привести к их размагничиванию (особенно при повышенных температурах). Кроме того, режим катастрофического отказа, называемый неуправляемой генерацией, может возникнуть, если ослабление поля резко прекращается, когда двигатель все еще вращается на высоких оборотах (например, из-за отказа инвертора или потери обратной связи по положению ротора и т. д.). Если это произойдет, BEMF внезапно поднимется до гораздо более высокого значения, которое значительно превысит напряжение батареи, если бы не тот факт, что батарея будет жестко ограничивать это напряжение. Таким образом, вместо этого огромное количество тока будет течь от СДПМ обратно к батарее через встречно-параллельные диоды на каждом мостовом переключателе в инверторе, разрушая их. Помимо режимов отказа, внутренний СДПМ обычно может выдерживать большее ослабление поля, чем поверхностный тип, потому что заглубление PM в ротор частично защищает их от размагничивания, а также позволяет использовать более высокие скорости вращения, не беспокоясь о том, что магниты внезапно отклеятся, чтобы пробить отверстие через статор. Тем не менее, ротор в IPMSM намного дороже в производстве — в конце концов, эти магниты не закапываются.

Другим двигателем, наиболее часто используемым в электромобилях (хотя и реже в наши дни), является асинхронный двигатель переменного тока, или ACIM. В некоторых отношениях он больше похож на WRSM, чем на PMSM, в том смысле, что полем можно управлять (хотя и косвенно), и нет риска неконтролируемой генерации. Тем не менее, циник во мне подозревает, что настоящая причина того, что ACIM так популярен (или был) в том, что это один из самых дешевых типов в производстве, поскольку он не очень хорошо подходит для тяговых приложений. Это связано с тем, что для обеспечения высокого пикового крутящего момента от 0 до низких оборотов требуются схемы управления с очень интенсивными вычислениями, и даже в этом случае трудно получить пиковый крутящий момент более чем в 3 раза больше номинального, независимо от того, какая черная магия. алгоритм инвертора может использовать. Кроме того, величина крутящего момента зависит от плохо контролируемых и/или трудно поддающихся оценке параметров, таких как сопротивление стержня ротора и индуктивность. Тем не менее, ACIM является одной из самых физически прочных конструкций двигателя, которая может выдерживать большое количество экологических (или эксплуатационных) нарушений, что, безусловно, является преимуществом для использования в автомобилях, даже если он не такой плотный, как двигатель. PMSM, или так же хорош для создания большого крутящего момента при полной остановке, как серийный двигатель постоянного тока.

Учитывая, что WRSM использует электромагниты для своего поля вместо постоянных магнитов, ясно, что два больших недостатка PMSM не будут рассматриваться. Но есть цена, которую нужно заплатить.

Учитывая, что WRSM использует электромагниты для своего поля вместо PM, ясно, что два больших недостатка PMSM, упомянутых выше, сразу же станут спорными. Плата заключается в том, что эти электромагниты возбуждения должны быть снабжены питанием, задача, которая ложится на пару щеток и токосъемных колец (хотя, конечно, на сам инвертор, в конечном счете). В то время как токосъемные кольца и коллекторы являются примерами свободно вращающегося электрического соединения, и оба используют угольные щетки в корпусе двигателя для подачи мощности на ротор, сходство на этом заканчивается. Коммутатор назван так потому, что он подает питание на каждую катушку якоря (машины постоянного тока) по мере вращения вала. Это тяжелая жизнь как для щеток, так и для коммутатора по нескольким причинам: (1) на якорь приходится большая часть мощности двигателя, поэтому щеткам и коммутатору приходится иметь дело с большими токами; (2) индуктивность каждой катушки якоря накапливает энергию (пропорциональную 0,5LI ² ), который вызывает дугу каждый раз, когда его пара сегментов коммутатора отсоединяется от щеток; (3) сегменты коллектора должны быть изолированы друг от друга, и образовавшиеся зазоры и изоляционный материал могут подвергать щетки ударным нагрузкам, если коллектор периодически не зачищать; (4) чтобы выдерживать высокие токи, сегменты коммутатора должны быть изготовлены из меди, но медь является относительно мягким металлом, поэтому она плохо изнашивается. Однако токосъемные кольца в WRSM снабжают поле относительно низкой мощности постоянным током, поэтому ни одна из четырех вышеперечисленных проблем не возникает. Фактически, скромный автомобильный генератор переменного тока представляет собой тип WRSM, и когда он выходит из строя, почти всегда виноваты электронные компоненты (выпрямительный мост или модуль регулятора поля), а не узел токосъемного кольца.

Статор BMW eDrive

Если поле в WRSM питается постоянным током, то он будет вести себя точно так же, как PMSM (конечно, за вычетом риска катастрофического размагничивания). Однако это довольно простая схема управления, и обычный подход заключается в изменении тока возбуждения при требуемом крутящем моменте ниже синхронной скорости, а затем уменьшении его максимального значения пропорционально скорости вращения выше синхронной скорости (т. е. области работы с ослабленным полем). Довольно недооцененное преимущество согласования возбуждения поля с требуемым крутящим моментом заключается в том, что WRSM будет представлять собой нагрузку с единичным коэффициентом мощности для инвертора. Это устраняет реактивный ток, который в противном случае колебался бы между индуктивностью обмоток двигателя и емкостью звена постоянного тока, не совершая при этом никакой полезной работы, но все же нагревая мостовые переключатели и встречно-параллельные диоды. Напротив, ACIM всегда имеет запаздывающий (индуктивный) коэффициент мощности, что приводит к высоким коммутационным потерям в мостовых переключателях при использовании IGBT (из-за их медленного выключения), тогда как PMSM обычно имеет опережающий (емкостный) коэффициент мощности (однако , см. ниже), что приводит к высоким потерям при переключении, если используются полевые МОП-транзисторы (из-за энергии, запасенной в емкости сток-исток). Поскольку полевые МОП-транзисторы почти полностью вытеснили IGBT в инверторах электромобилей, обычно опережающий коэффициент мощности PMSM является небольшим недостатком по сравнению с WRSM.

Другим потенциальным преимуществом WRSM по сравнению с PMSM является то, что электромагниты могут достигать более высокой напряженности поля, чем даже самые сильные ФЭУ из редкоземельных элементов (в основном в зависимости от предела насыщения конкретной марки электротехнической стали, используемой для изготовления ротора и статора), что может фактически уменьшить размер двигателя для данной выходной мощности. Например, чистое железо может выдерживать около 2,3 Тл до насыщения, в то время как типичные сорта кремнистой стали, используемые в трансформаторах и двигателях, могут выдерживать 2 Тл, что комфортно превышает 1,4 Тл или так, что самые сильные магниты Nd могут производить, гораздо меньше максимальное значение 1,2 Тл для магнитов Nd с достаточно высокой максимальной рабочей температурой, чтобы их можно было использовать в двигателе. Однако потери переменного тока чистого железа делают его плохим выбором для статора, и хотя ротор не испытывает таких потерь, он должен быть достаточно прочным, чтобы удерживать себя вместе, как от скручивающих сил, создающих крутящий момент, так и от центростремительная сила при высоких оборотах, а чистое железо имеет слишком низкую прочность на растяжение. Также обратите внимание, что пространство, требуемое медными обмотками для электромагнитов, может частично или даже полностью свести на нет преимущество 40 к 90% или около того более высокий предел насыщения.

В WRSM не используются редкоземельные магниты, поэтому он может выдерживать более высокие температуры и невосприимчив к размагничиванию. Его крутящий момент и скорость более управляемы, он не может превратиться в неуправляемый генератор и может работать с коэффициентом мощности, равным единице. Довольно убедительный список плюсов.

В заключение следует отметить, что в WRSM не используются дорогие и экологически небезопасные редкоземельные магниты, поэтому он может выдерживать более высокие температуры и невосприимчив к размагничиванию. По сравнению со своим аналогом PMSM, его крутящий момент и скорость более управляемы, он не может превратиться в неуправляемый генератор (пока питание возбуждения отключается в случае неисправности инвертора) и может работать с коэффициентом мощности, равным единице. . Это довольно убедительный список плюсов, так что, возможно, в будущем мы увидим их больше в электромобилях.

Эта статья была опубликована в выпуске 60 за апрель-июнь 2022 г. — Подпишитесь сейчас.

Теги: Электромобили BMW, EV Motors, Объяснение технологии электромобилей, Выпуск 60 — апрель-июнь 2022 г.

Вебинары и технические описания по электромобилям

Объяснение технологии EV

Все, что вам нужно знать о щеточных двигателях

Если вы когда-нибудь видели искры, исходящие из вентиляционных отверстий двигателя дрели, вы видели электрические щеточные двигатели в действии. Дугообразование возникает из-за того, что электричество передается от статора, который является невращающейся частью двигателя, к якорю, который является вращающейся частью. Щетки — это части статора электродвигателя, которые проводят ток к ротору.

Что такое коллекторный двигатель и как он работает?

Когда на электромагнит в якоре подается электричество, создается магнитное поле, которое притягивает и отталкивает магниты в статоре. Якорь вращается по кругу на 180 градусов. Чтобы электромагнит продолжал вращаться, необходимо поменять местами полюса. Щетки отвечают за смену полярности. Они контактируют с двумя вращающимися электродами якоря. Магнитная полярность электромагнита меняется на противоположную при его вращении.

Регулируя рабочее напряжение или напряженность магнитного поля, можно регулировать скорость и крутящий момент, чтобы получить постоянную скорость или скорость, обратно пропорциональную механической нагрузке. (Контроллер посылает импульсы тока на обмотки двигателя, которые регулируют скорость и крутящий момент двигателя.)

📌 Электрические двигатели, краны, бумагоделательные машины и сталепрокатные заводы используют щеточные двигатели. Коллекторные двигатели могут не работать, когда требуется большой крутящий момент. Трение щеток увеличивается с увеличением скорости, а реальный крутящий момент уменьшается.

Если вы хотите ознакомиться с полным ассортиментом электродвигателей, вы можете прочитать статью об электродвигателях, чтобы узнать больше об их типах и принципах работы электродвигателей.

Что такое угольная щетка?

Угольная щетка представляет собой скользящий контакт, используемый в щеточных двигателях и генераторах для передачи электрического тока от статической части к вращающейся, обеспечивая при этом безыскровую коммутацию.

Угольная щетка может быть любой из следующих: Она состоит из одного или нескольких атомов углерода. Включены один или несколько шунтов и клемм.

🔹 Кисти изготовлены из пяти различных семейств кистей. Каждый из них адаптирован к конкретным потребностям и имеет свой собственный метод производства.

Рабочие параметры

При эксплуатации электрических машин угольная щетка имеет решающее значение. Мы должны учитывать три типа параметров, чтобы он выполнял свою функцию:

• Механические
• Электрические
• Физические и химические

Бесщеточные моторные инструменты, такие как дрели, отбойные молотки, рубанки, кусторезы и шлифовальные машины, требуют им работать должным образом. Угольные щетки выбираются в зависимости от марки и типа инструмента. Их надевают на постоянную часть двигателя, чтобы гарантировать максимально эффективную передачу мощности на ротор (вращающаяся часть). Они позволяют переключаться без искры.

Эти компоненты, работающие в паре, являются изнашиваемыми деталями, склонными к трению. Токосъемные кольца постоянно соприкасаются с угольными щетками. Эти графитовые компоненты бывают разных форм и размеров. Они могут иметь пружину, соединение (провод с вилкой) или вообще не иметь щеткодержателя. Коллекторные двигатели бывают разных размеров и форм (часто квадратных и прямоугольных) и могут иметь канавки для облегчения направления.

Скорость сверла выражается в процентах от крутящего момента, который определяется интенсивностью магнитного поля. Угольные щетки подпружинены и прикреплены к пружине пластиной, что гарантирует плавную передачу мощности. При определенных обстоятельствах щетки удерживаются на месте щеткодержателем с пружиной, предназначенной для увеличения усилия.

Щетки-отбойники, с другой стороны, используются для остановки щеточного двигателя и, в конечном счете, сверла до полного износа графитового материала. Это делается для того, чтобы сохранить максимальную производительность.

Щетки, совместимые с портативными электроинструментами, такими как дрели, обычно продаются производителями. Толщина, глубина и ширина изделия измеряются в миллиметрах или дюймах соответственно. Однако эти характеристики могут отличаться от одного производителя к другому.

Компоненты двигателя угольной щетки

Процесс производства

• Комбинация элементов
• Добавление давления к комбинации
• Запускаются зеленые щетки.
• Оперативная поддержка

Что такое коллекторный двигатель постоянного тока?

Любой специалист по управлению движением должен уметь различать коллекторные и бесщеточные двигатели постоянного тока. Раньше щеточные двигатели были довольно распространены. Хотя бесщеточные двигатели постоянного тока полностью заменили их, правильный двигатель постоянного тока любого типа может значительно повысить эффективность проекта.

Ниже перечислены основные компоненты коллекторного двигателя постоянного тока:

• Статор — корпус с постоянными магнитами.
• Якорь представляет собой ротор с установленным на нем рядом электромагнитов. Внутри статора он вращается свободно.
• Коллектор — металлическое кольцо, прикрепленное к валу якоря, называется коллектором.
• Щетки — для обеспечения подачи электричества к обмоткам якоря угольные пластины остаются в контакте с коллектором.

Крупный план двигателя Carbon

В чем разница между бесщеточными и коллекторными двигателями постоянного тока?

Якорь, состоящий из намотанных проволочных катушек, действует как двухполюсный электромагнит в щеточном двигателе постоянного тока. Коммутатор, механический поворотный переключатель, дважды за цикл меняет направление тока. В результате полюса электромагнита тянут и толкают постоянные магниты вдоль внешней части двигателя, позволяя электричеству более свободно проходить через якорь. Когда полюса коммутатора пересекают полюса постоянных магнитов, полярность электромагнита якоря меняется на противоположную.

С другой стороны, бесщеточный двигатель имеет в качестве ротора постоянный магнит. В нем также используются три ступени приводных катушек, а также уникальный датчик, отслеживающий положение ротора. Датчик передает опорные сигналы контроллеру, отслеживая положение ротора. Затем катушки систематически активируются контроллером, одна фаза за другой.

Преимущества коллекторных двигателей постоянного тока

• Общие затраты на строительство низкие.
• Восстановление — распространенный способ продлить срок службы изделия.
• Простой и недорогой контроллер
• Для фиксированной скорости контроллер не требуется.
• Идеален для использования в суровых условиях эксплуатации

Недостатки щеточных двигателей постоянного тока

• Менее эффективен
• Электрические шумы: Коммутационные движения вызывают сильный электрический и электромагнитный шум, постоянно создавая и разрывая индуктивные соединения.
• Срок службы: Щетки и коллекторы изнашиваются из-за постоянного прямого контакта с валом.

Использование коллекторных двигателей постоянного тока

🔹 В бытовых товарах и автомобилях по-прежнему широко используются коллекторные двигатели постоянного тока. Они также имеют большое промышленное значение из-за возможности изменять отношение крутящего момента к скорости, что возможно только с щеточными двигателями.

Диаграмма, относящаяся к угольной щетке

Бесщеточный или щеточный двигатель: что лучше?

Как правило, бесщеточные двигатели превосходят щеточные. Пользователи могут извлечь выгоду из снижения затрат на техническое обслуживание, повышения эффективности, а также меньшего количества тепла и шума. Бесщеточные двигатели имеют один или несколько постоянных магнитов и являются синхронными. Электроинструменты с бесщеточным двигателем в настоящее время считаются предметами высокого класса.

Статор и ротор — два электрических компонента двигателя постоянного тока. Когда вы включаете двигатель, он создает магнитное соединение, которое толкает его вперед. Когда напряжение, управляющее двигателем, изменяется на противоположное, двигатель вращается в другом направлении.

Почему бесщеточные двигатели дороже, чем щеточные?

Ротор (вращающаяся часть машины) приводится в действие внутри статора в традиционном электродвигателе (неподвижная часть). Коллектор или коммутатор, который соприкасается с крошечными угольными щетками, соединяет их через электрическое соединение.

Ротор в бесщеточной технологии состоит из магнитов, тогда как статор состоит из катушек, которые попеременно заряжены положительно или отрицательно. В результате полюса притягиваются и отталкиваются друг от друга, позволяя двигателю вращаться. Преимущество заключается в том, что ротор и статор не имеют физического контакта. Электромагниты используют магнетизм для передачи энергии от одного к другому.

Двигатель питается от постоянного тока и работает от переменного тока, генерируемого электронной картой, которая преобразует постоянный ток в трехфазный переменный ток. В результате катушки питаются попеременно, что приводит к вращающемуся полю и, следовательно, к вращению. Электронный модуль, встроенный в двигатель или размещенный в корпусе, постоянно регулирует ток, чтобы двигатель работал с оптимальной эффективностью. В результате улучшается общая производительность, и вы получаете больше отдачи от затраченных средств.

Ссылка: https://www.linquip.com

---

Часто задаваемые вопросы ❓

Что такое щеточный двигатель постоянного тока?
Одной из самых основных форм двигателя постоянного тока является коллекторный двигатель постоянного тока. Механическая коммутация используется для передачи тока на обмотки двигателя через щетки.

Где используются щеточные двигатели постоянного тока?
Щеточные двигатели постоянного тока, с другой стороны, обеспечивают высокий пиковый крутящий момент и могут приводиться в действие простыми регуляторами скорости для широкого спектра применений. Они часто дешевле, чем альтернативные варианты, особенно в больших количествах. Также они могут иметь линейную связь крутящий момент-скорость, что упрощает управление.

Чем отличается щеточный двигатель от бесщеточного?
Бесщеточные двигатели имеют три провода, а щеточные — два. Бесщеточные двигатели не имеют щеток, а щеточные двигатели имеют. Вы также можете узнать, осмотрев двигатель.

Как работают коллекторные двигатели постоянного тока?
Механическое переключение используется в щеточных двигателях постоянного тока для изменения полярности тока в обмотках якоря (и обеспечения плавного вращения якоря). Коммутатор представляет собой механический коммутационный узел (обычно состоящий из меди). Щетка (из углерода, металла, графита или смеси материалов), шунт и пружина, а также устройство позиционирования щетки и соединения составляют щеточный узел, взаимодействующий с коллектором.

Заключение 📜

Что мы можем сказать о щетках вкратце сейчас, так это то, что щетка представляет собой электрический контакт, который передает электричество от неподвижных проводов к движущимся элементам, чаще всего на вращающемся валу. Электродвигатели, генераторы переменного тока и генераторы являются примерами типичного использования. Срок службы угольной щетки определяется тем, как часто используется двигатель и какая мощность прикладывается к нему. Угольные щетки являются одним из самых недорогих компонентов электродвигателя. С другой стороны, они часто являются критическим компонентом, обеспечивающим долговечность двигателя («жизнь») и производительность. Их производство требует высокого уровня контроля качества и контроля производственного процесса на всех стадиях технологического процесса.