Рабочие характеристики промышленных электроинструментов отличаются от характеристик большинства других устройств с механическим приводом. Вот почему двигатели, используемые в этих инструментах, требуют специальной конструкции.
Около Томас Бейл, Менеджер по развитию бизнеса | Выход из порта
Ступень скорости работы электроинструмента: Поначалу (когда инструмент вставляет крепежную деталь на место или губки режущего или захватного инструмента приближаются к заготовке) сопротивление незначительно.
Электроинструмент ступень крутящего момента: Затем, когда инструмент выполняет более интенсивную работу по затягиванию, резке или захвату, возникает внезапная потребность в крутящем моменте.
Эти циклы чередования частоты вращения и крутящего момента постоянно повторяются в промышленных электроинструментах, даже когда требуются разные частоты вращения и крутящий момент на различную продолжительность. Вот почему такие инструменты, особенно работающие от аккумулятора, то есть от низкого напряжения и ограниченной мощности, имеют преимущества благодаря специальной конструкции двигателя, которая сводит к минимуму потери.
Как мы увидим, двигатели, которые также работают на более высоких скоростях холостого хода на этапе увеличения скорости, могут сократить время цикла для повышения производительности, а двигатели, которые обеспечивают высокий пиковый крутящий момент на этапе увеличения крутящего момента, могут выполнять более широкий спектр сложных работ без чрезмерного нагрева.
Рассмотрим основные варианты портативных промышленных электроинструментов — электродвигатели постоянного тока с щетками и бесщеточные электродвигатели постоянного тока. Промышленные электроинструменты с батарейным питанием работают от низкого напряжения от 12 до 60 В, поэтому электродвигатели постоянного тока с щетками, как правило, экономичны, но имеют ограниченный срок службы. Щетки подвержены износу из-за электрических воздействий (от тока, связанного с крутящим моментом) и механических воздействий (из-за трения, связанного со скоростью вращения).
Бесщеточные двигатели постоянного тока более надежны в электроинструменте, так как они менее подвержены механическому износу (отсутствие трения щеток) и могут выдерживать высокий пиковый ток (без щеток) на этапе затяжки, что значительно увеличивает срок службы ручного инструмента. Бесщеточные двигатели постоянного тока лучше подходят для промышленного электроинструмента, поскольку они требуют высокой частоты вращения и высокого пикового тока, чем двигатели постоянного тока с щеткой.
Бесщеточные двигатели постоянного тока для электроинструмента обычно имеют одну из двух конфигураций:
Обычные конфигурации двигателя inrunner включают постоянные магниты на роторе с тремя обмотками статора вокруг ротора.
В конфигурациях опережающего двигателя (внешний ротор) все наоборот — катушки расположены внутри статора, а магниты — снаружи. Другими словами, катушки статора образуют центр двигателя, в то время как постоянные магниты на внутренней поверхности ротора вращаются внутри нависающего ротора, окружающего этот сердечник.
Конфигурации двигателей Inrunner превосходны в портативных промышленных электроинструментах, поскольку они обладают меньшей инерцией, меньшим весом и меньшими потерями. Их большая длина и меньший диаметр также улучшают эргономику портативных устройств. Кроме того, меньшая инерция ротора обеспечивает лучший контроль затяжки и захвата.
Бесщеточные обмотки постоянного тока могут быть сконструированы в различных физических конфигурациях:
Двигатели со статорами с прорезями: В данном случае катушки наматываются через прорези вокруг статора. Магнитная индукция в пластинах высока, поскольку воздушный зазор между пластинами (статором) и магнитом невелик. Таким образом, в двигателях допускается небольшой диаметр магнита. Объем медной обмотки ограничен пространством паза и сложностью намотки внутри паза. Расположение катушки внутри пазов статора выгодно тем, что снижает тепловое сопротивление узла обмотка-статор.
При отсутствии тока магнит ротора предпочтительно располагается перед пластиной. Это означает, что двигатель подвержен возникновению крутящего момента зацепления или фиксации. Один из способов уменьшить момент фиксации — наклонить пластину.
Но опять же, двигатели с прорезями по своей сути надежны, поскольку катушка находится в слоистом корпусе.
Двигатель со статорами без щелей: В двигателях без прорезей катушки наматываются в специальном режиме. Эта катушка устанавливается в воздушный зазор двигателя во время сборки двигателя. Магнитная индукция в катушке ниже, чем в двигателях с прорезями, поскольку воздушный зазор больше. Таким образом, диаметр двигателя обычно оптимизирован для магнитной индукции при заданном объеме меди.
На самом деле, индукция в бесщелевых двигателях обычно меньше, чем в бесщелевых бесщеточных двигателях. Поэтому для компенсации потери индукции обычно используются магниты большего размера. Одним из недостатков этого решения является то, что оно может увеличить инерцию ротора.
Но удельная мощность бесщелевого двигателя — это его преимущество. Соотношение R/K2 — способность поддерживать скорость под нагрузкой при более низких значениях — у бесщелевых двигателей низкое, поскольку индукция для данного объема меди оптимизирована, о чем свидетельствует наклонная кривая. Без циркулирующего тока ротор постоянно вращается. Это означает, что в двигателях без пазов отсутствует момент заклинивания или стопорения. Потери железа при высокой частоте вращения в двигателях без пазов также намного меньше, чем в аналогичных конструкциях.
Есть еще один нюанс: двигатели с прорезями могут выдерживать более высокие температуры, чем двигатели без прорезей, — даже до 200 °C по сравнению со 150 °C, для сравнения. Это, в свою очередь, позволяет генерировать больший крутящий момент. Тем не менее, для электроинструментов обычно ограничивающим фактором является максимальная температура с течением времени — в среднем не более 47 °C — или около того, чтобы обеспечить комфорт для обычного пользователя ручного инструмента. При превышении этого значения нагрев может стать неудобным для оператора, держащего инструмент. Правила техники безопасности также требуют, чтобы максимальная температура поддерживалась на более низком уровне.
Максимальная скорость превышает 100 оборотов в минуту
Полностью настроенные двигатели
Мощность Hipot (до 2500 В)
Крутящий момент
Небольшие потери железа при высокой скорости вращения, низкой рабочей температуре и простоте управления
Низкий уровень шума и вибрации
Гибкость намотки
Нет стандартных продуктов
Высокая термостойкость
Конечно, электрические характеристики двигателя определяются магнитной цепью. Магнит имеет фиксированное значение, но второй компонент (медная обмотка) может быть легко изменен. Изменяя диаметр провода и количество витков, постоянный крутящий момент двигателя kt а сопротивление R можно точно настроить в зависимости от крутящего момента и частоты вращения. Рассмотрим режимы работы промышленного электроинструмента:
На этапе увеличения скорости двигатель должен работать на высоких оборотах с небольшим сопротивлением:
ω = (U – R · I ) / kt
Где ω = Скорость в рад.сек-1 и U = Напряжение; R = Сопротивление в омах и I = Ток в амперах; и kt = Постоянный крутящий момент в Нм/А. Поскольку постоянный крутящий момент находится в знаменателе при расчете, меньшее kt значения обеспечивают более высокие обороты. Это позволяет выполнять больше операций за один и тот же период времени, что повышает производительность.
Теперь рассмотрим стадию крутящего момента электроинструмента, когда двигатель должен обеспечивать максимальный крутящий момент на низких оборотах. Крутящий момент — это произведение постоянного крутящего момента и текущего:
C = kt · Я
Где C = крутящий момент в Нм, а I = Ток в Амперах. Большее значение kt приведенные здесь значения обеспечивают более высокий выходной крутящий момент при заданном токе. Таким образом, регулируя k обмотки двигателяt инженеры-конструкторы могут оптимизировать либо скорость, либо выходной крутящий момент, чтобы сбалансировать оптимизацию крутящего момента с оптимизацией скорости работы и сократить общее время рабочего цикла. Уникального решения не существует: kt должен быть выбран как наилучший компромисс для различных рабочих профилей. Специалисты по проектированию двигателей могут оказать поддержку в процессе проектирования катушки, основываясь на моделировании и опыте.
Рассмотрим потери при типичном цикле работы промышленного электроинструмента. Существует взаимосвязь между потерями в меди и крутящим моментом. Поэтому инженер-конструктор может выбрать двигатель с низким кпд.t значение для увеличения скорости и последующей компенсации низкого kt при большем токе (I) достигается требуемый выходной крутящий момент. Но при большем токе увеличиваются потери в меди:
Потери меди = R · I2
Таким образом, при более высоком токе происходит более быстрый нагрев двигателя и электроинструмента, что ограничивает максимально возможный крутящий момент. Вот почему двигатели электроинструмента должны быть спроектированы таким образом, чтобы потреблять как можно меньший ток, чтобы ограничить рассеивание тепла (и поддерживать температуру инструмента, достаточную для работы с ним) и продлить срок службы батареи.
Теперь рассмотрим потери в железе и их связь с частотой вращения. Потери на вихревые токи возрастают пропорционально квадрату частоты вращения, что приводит к нагреву бесщеточного двигателя, даже если он просто вращается в режиме холостого хода. Вот почему для высокоскоростных двигателей требуются специальные конструктивные особенности, ограничивающие нагрев от вихревых токов.
При увеличении частоты вращения электроинструмента потери железа быстро превышают потери меди. Поэтому обмотки двигателя следует настраивать для каждого рабочего цикла, чтобы свести потери к минимуму. Технология намотки Ultra EC значительно снижает потери железа и меди, что, в свою очередь, обеспечивает инженерам—конструкторам большую гибкость.
Более конкретно, некоторые новые бесщеточные двигатели с электронной коммутацией (EC), представленные на рынке, основаны на конструкции двигателя без щелей и специальной технологии катушек. Это снижает потери в меди, поскольку, в отличие от бесщелевых двигателей с перекошенными обмотками, их обмотки расположены параллельно оси двигателя, что обеспечивает максимальную магнитную силу и мощность. Кроме того, они снижают потери в железе при высокой скорости вращения. Помимо других преимуществ, эти двигатели оптимизируют скорость и крутящий момент для самых сложных применений, включая электроинструменты, которые используются в виде крепежных деталей, захватов и режущих инструментов.
Предположим, что для одной конструкции мы имеем средний рабочий цикл, включающий две секунды на умеренной скорости вращения — как у секатора, гайковерта, захватного устройства или степлера. Скорость составляет 20 000 оборотов в минуту, а за 2 секунды требуемый крутящий момент достигает 0,84 Нм.
Предположим, что для другой конструкции мы имеем рабочий цикл, включающий три секунды на очень высокой скорости вращения — как в автомобильной гайковертной машине, оптимизированной для повышения производительности. Здесь скорость составляет 40 000 оборотов в минуту, а за 3 секунды требуемый крутящий момент достигает 0,69 Нм.
Для первого дизайна:
Здесь двигатели EC Ultra с прямой обмоткой более эффективны (имеют меньшие потери), чем двигатели с косой обмоткой или с прорезями.
Для второго дизайна:
При этом потери железа выше, чем при стандартной конструкции, поскольку скорость увеличивается вдвое. Несмотря на это, двигатели EC Ultra с прямой обмоткой по-прежнему более эффективны, чем двигатели с косой обмоткой или с прорезями.
Выход из порта | www.portescap.com
Уже более 25 лет ведущие производители полагаются на продукцию, опыт и поддержку Portescap при разработке инструментов с проводным и аккумуляторным питанием, улучшая контроль качества и гибкость. Инновации Portescap помогли перейти от пневматических инструментов к электрическим и одновременно повысить стандарты производительности промышленных электроинструментов. В 2013 году компания Portescap запатентовала первую бесщелевую конструкцию двигателя с катушкой Ultra EC.
Большинство конструкций, приводимых в движение электродвигателями, требуют крутящего момента для обеспечения полного хода. В отличие от этого, электроинструменты для крепления, захвата и резки имеют двухступенчатый режим движения.
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии