
около Дэн Монтон, PITTMAN Motors/AMETEK Precision Motion Control, Харлейсвилл, Пенсильвания
Производительность двигателя меняется в зависимости от температуры. Понимание воздействия тепла и перепадов температур поможет в выборе правильного двигателя для конкретного применения.
При применении двигателей постоянного тока для любого типа применения необходимо учитывать температурные эффекты, чтобы правильно использовать двигатель. Производительность будет меняться по мере повышения температуры двигателя. При просмотре кривых двигателя постоянного тока пользователю необходимо задать вопрос: “Отражают ли эти кривые производительность двигателя при комнатной температуре или эти кривые иллюстрируют производительность при максимальной номинальной температуре?” В зависимости от температуры и требуемой рабочей точки на кривой двигателя разница в производительности между “холодными” и “горячими” условиями может быть значительной.
Как только конструкция двигателя завершена, включая размеры двигателя, магнитную цепь и конфигурацию обмотки двигателя, несколько характеристик, определяющих производительность двигателя, становятся “теоретически” фиксированными; постоянный крутящий момент (KT), постоянное напряжение (КE), и сопротивление клеммы двигателя (Rмт). Эти три значения будут определять выходной крутящий момент, частоту вращения двигателя и результирующую выходную мощность в любой точке кривой двигателя при заданном напряжении на клеммах, а также общий наклон кривой двигателя.
Таблица 1 — Условные обозначения и единицы измерения
символ
описание
единицы
a
температурный коэффициент
/°C
Я
Текущий
A
Я0
Ток холостого хода
A
Яlr
Ток заблокированного ротора
A
KE
Постоянное напряжение
В/(рад/с)
KT
Постоянный крутящий момент
Нм/А
K(i)
KT или КE (начальный “холодный”)
Нм/А или В/(рад/с)
K(f)
KT или КE (финальный “горячий”)
Нм/А или В/(рад/с)
n
Скорость
оборотов в минуту
n0
Скорость холостого хода
оборотов в минуту
P
Сила
W
Pиз
Выходная мощность
W
Pмаксимум
Максимальная мощность
W
Pмакс(i)
Максимальная мощность (начальная “холодная”)
W
Pмакс. (f)
Максимальная мощность (конечная “горячая”)
W
Pпотеря
Рассеянная мощность
W
T
Крутящий момент двигателя
Нм
Tlr
Крутящий момент заблокированного ротора
Нм
Rm
Регулирование двигателя
ОБ/мин/Нм
Rмт
Сопротивление клеммы двигателя
Ах
Rmt(i)
Сопротивление клеммы двигателя (начальный “холодный”)
Ах
Rmt(f)
Сопротивление клеммы двигателя (конечное “горячее”)
Ах
Ѳi
Температура двигателя (начальный “холодный”)
°C
Ѳf
Температура двигателя (конечная “горячая”)
°C
Ѳr
Повышение температуры двигателя
°C
VT
Напряжение на клеммах двигателя
V
ах
Угловая скорость
рад/с
ах0
Угловая скорость без нагрузки
рад/с
Двигательные Константы на самом деле не являются постоянными
Постоянные крутящий момент и напряжение определяются на этапе проектирования и зависят от общей конструкции магнитопровода. Они всегда равны при использовании единиц СИ. Например, если двигатель KT = 0,1 Нм/А, тогда двигатель KE = 0,1 В /(рад/с) при условии, что Нм и В/ (рад/с) являются используемыми единицами измерения. Сопротивление клемм двигателя также определяется на этапе проектирования количеством катушек, числом витков катушки и диаметром магнитного провода. Эти принципы применимы как к щеточным, так и к бесщеточным двигателям постоянного тока.
Однако словосочетание “двигательные константы” несколько неверно. Сопротивление обмотки и плотность потока постоянного магнита будут меняться при изменении температуры. По мере повышения температуры двигателя сопротивление обмотки будет увеличиваться в зависимости от температурного коэффициента меди. Плотность потока постоянных магнитов также будет уменьшаться в зависимости от температуры. Изменения в этих двух ключевых компонентах двигателя приведут к увеличению частоты вращения двигателя без нагрузки и уменьшению крутящего момента заблокированного ротора двигателя, что изменит общий наклон кривой двигателя. Как только пользователь поймет эту концепцию, станет ясно, что производительность двигателя, определенная с помощью экспресс-динамометрического теста с двигателем при комнатной температуре, значительно отличается от производительности двигателя при максимальной температуре под нагрузкой.
Кривая двигателя постоянного тока
Кривые производительности двигателя постоянного тока могут быть получены при различных условиях. Например, кривая двигателя, показанная на рисунке 1, была создана с помощью экспресс-теста на динамометре двигателя. Тест проводился путем быстрой загрузки двигателя с холостого хода на заблокированный ротор (остановка) с использованием фиксированного напряжения на клеммах от источника питания с низким выходным сопротивлением. Подобный тест проводится для получения “базового” показателя производительности двигателя при комнатной температуре. Частота вращения вала двигателя и ток отображаются в зависимости от крутящего момента двигателя. На основании этого теста и нескольких показаний сопротивления можно определить значения постоянного крутящего момента, постоянного напряжения и сопротивления клемм. Эта информация очень полезна для определения базовых характеристик двигателя и может быть достаточной для применения, требующего прерывистой работы с длительным периодом отдыха между каждым рабочим циклом.
В таких приложениях, как повторяющиеся перемещения из точки в точку, приложения, требующие частого запуска и остановки при высокой инерционной нагрузке, или приложения, требующие перемещения двигателя в течение длительных периодов времени (например, использование вентилятора), данные двигателя, иллюстрирующие производительность при комнатной температуре, являются неадекватными и могут привести к неправильное применение двигателя или превышение максимальной номинальной температуры двигателя.
По мере повышения температуры двигателя сопротивление будет увеличиваться, а постоянный крутящий момент и постоянное напряжение будут уменьшаться. Это приводит к увеличению скорости холостого хода и уменьшению крутящего момента заблокированного ротора. На рисунке 2 показан пример как “холодного”, так и “горячего” режимов работы одного и того же двигателя постоянного тока. Кривая “горячего” двигателя показывает, насколько сильно может измениться производительность при работе двигателя при повышенной температуре.
Температурные эффекты сопротивления обмотки двигателя
Сопротивление обмотки двигателя (Rмт) является основной причиной тепловыделения внутри двигателя. Для того чтобы любой электродвигатель генерировал крутящий момент, через обмотки двигателя необходимо пропускать ток. Медь — отличный проводник, однако она не идеальна; физика материала и примеси заставляют атомы вибрировать с большей скоростью по мере увеличения тока. Результатом является постоянное повышение температуры в обмотках двигателя. Все металлические проводники имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Это означает, что с повышением температуры сопротивление материала также увеличивается в зависимости от типа используемого проводника. В электродвигателях обычно используется медный проводящий материал, за исключением особых случаев. Во многих короткозамкнутых роторах асинхронных двигателей для простоты изготовления используется литой алюминий, но в подавляющем большинстве двигателей используется медная магнитная проволока. В таблице 2 приведены примеры распространенных металлов, используемых в электрических и электронных устройствах, и их соответствующие температурные коэффициенты (α).
Таблица 2 — Температурные коэффициенты для различных проводящих материалов
Материал проводника
aпроводник (/°C)
Серебро
0.0038
Золото
0.0037
Медь
0.0040
Алюминий
0.0043
Уравнения 1 и 2 иллюстрируют взаимосвязь между температурой обмотки, сопротивлением обмотки и рассеиваемыми ваттами.
Уравнение 1 – Изменение сопротивления обмотки
Rмт(f) = Rмт(i) x [1 + α (ϴf — Яi)]
Уравнение 2 – Потери Ватт из-за Сопротивления обмотки
Pпотеря = Я2 x Rмт
Влияние температуры на Плотность Магнитного потока
Постоянный крутящий момент двигателя (КT) и постоянное напряжение (КE) напрямую связаны с плотностью магнитного потока (Br) постоянных магнитов. В зависимости от физических свойств используемого материала магнита общая плотность потока будет изменяться на определенный процент с увеличением температуры магнита. По мере повышения температуры материала колебания атомов приводят к “рандомизации” некогда выровненных магнитных моментов, что приводит к уменьшению плотности магнитного потока. Предполагая, что двигатель работает в пределах предусмотренного проектного окна, снижение плотности потока является временным и начнет восстанавливаться по мере охлаждения магнита. Однако, если максимальная номинальная температура магнитов будет превышена, произойдет частичное размагничивание и безвозвратно изменит производительность двигателя.
Таблица 3 — Температурные коэффициенты для различных материалов с постоянными магнитами
Магнитный материал
aмагнит (/ °C)
Tмаксимум (°C)
Керамический
-0,0020 / °C
300 °C
Кобальт самария (SmCo)
-0.0004 / °C
300 °C
Алюминий Никель кобальт (AlNiCo)
-0.0002 / °C
540 °C
Неодим Железо Бор (NdFeB)
-0,0012 / °C
150 °C
Значения в таблице 3 представляют собой средние показатели для классов материалов. Конкретные марки магнитов в пределах класса материалов будут отличаться от значений, приведенных ниже. Например, некоторые марки неодимовых магнитов могут превышать указанную рабочую температуру в 150°C. Таблица иллюстрирует относительные различия между температурными характеристиками различных материалов. Если требуются точные значения, рекомендуется проконсультироваться с инженером-технологом производителя двигателя для получения конкретной информации.
Уравнение 3 – Изменение KT и КE (КT=KE при использовании единиц СИ)
K(f) = K(i) x [1 + αмагнит (Яf — Яi)]
Вопрос, который часто задают пользователи, — это взаимосвязь между KT и КE при повышенной температуре. В случае использования единиц СИ одна всегда будет равна другой; однако обе будут одинаково меняться в зависимости от температуры. В случае использования английских единиц, KT и КE выражаются в унциях-дюймах/А (фунт-дюйм/А, фунт-фут/А и т.д.) и В/крпм. Одно не равно другому при использовании этих единиц измерения, но оба количества будут уменьшаться в одинаковой пропорции при повышении температуры.
Как это влияет на общую производительность двигателя?
При повышенной температуре двигателя наклон кривой двигателя постоянного тока увеличивается в результате увеличения скорости холостого хода и уменьшения крутящего момента заблокированного ротора (иногда называемого моментом остановки). Рисунок 3 иллюстрирует общую площадь под конкретной кривой двигателя, которую можно рассматривать как диапазон постоянной производительности между комнатной температурой и максимальной номинальной температурой двигателя.
Другим термином, обозначающим наклон кривой двигателя постоянного тока, является “регулирование”. Регулирование двигателя описывает, насколько изменится частота вращения вала при заданном изменении нагрузки на вал при подаче фиксированного напряжения на клеммы двигателя (работающего как система с разомкнутым контуром). Более плоская кривая зависимости скорости от крутящего момента приведет к меньшему изменению частоты вращения вала при увеличении нагрузки. По мере повышения температуры двигателя и крутизны кривой скорость вращения вала будет падать больше при том же увеличении нагрузки.
Уравнение 4а – Теоретическое регулирование двигателя с использованием констант
Rm = 9,5493 x [Rмт / (КT x KE)]
Уравнение 4b – Регулирование Двигателя с Использованием Кривой Производительности
Rm = n0 / Тlr
Уравнения 4 и 5 могут быть использованы для иллюстрации значительного влияния на производительность двигателя в результате уменьшения магнитного потока и увеличения сопротивления обмотки. Несмотря на увеличение скорости холостого хода двигателя, а также уменьшение крутящего момента заблокированного ротора, разница в крутящем моменте “холодного” и “горячего” заблокированного ротора больше по сравнению с разницей в скорости “холодного” и “горячего” холостого хода.
Крутящий момент заблокированного ротора сильно зависит как от сопротивления (Rмт) и постоянный крутящий момент (KT). Хотя на скорость холостого хода также влияет более высокое сопротивление при повышенной температуре, коэффициент сопротивления оказывает гораздо меньшее влияние на скорость холостого хода, поскольку он умножается на ток холостого хода (I0), относительно небольшое число (сравните уравнения 5b и 5c).
Уравнение 5а – Ток заблокированного ротора двигателя (остановка)
Яlr = VT / Rмт
Уравнение 5b – Заблокированный ротор двигателя (остановка) Крутящий момент
Tlr = Яlr x KT = (ВT / Rмт) x KT
Уравнение 5c – Скорость холостого хода двигателя
n0 = 9,5493 x [(VT – Я0 x Rмт) / КE]
Пользователь должен быть осторожен при проектировании системы, чтобы гарантировать, что частота вращения вала соответствует минимальным техническим требованиям при заданной нагрузке при повышенной температуре двигателя. В более сложной системе перемещения, использующей контроллер с замкнутым контуром, скорость вращения вала может регулироваться в заданном диапазоне, чтобы оставаться “фиксированной” при изменении требований к нагрузке. В следующем примере предполагается, что двигатель работает в разомкнутом контуре с регулируемым напряжением на клеммах постоянного тока.
Этот фильм является первой частью серии из двух частей. Часть II появится в декабрьском номере.
Прецизионное управление движением AMETEK
www.ametek.com
Свежие комментарии