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.

Насколько могут измениться характеристики двигателя при заданном наборе условий?

Здесь мы рассмотрим конкретный пример изменения двигательных характеристик при использовании определенного набора условий. Исходными данными являются:

Условия:

При стабилизированном повышении температуры якоря на 100°C сопротивление клемм будет выше, а плотность магнитного потока ниже по сравнению с начальной температурой двигателя 25°C. Это приведет к изменению R_мт, К_T и К_E.

Приведенные ниже расчеты предполагают, что температуры постоянного магнита и намотанного якоря идентичны. Якорь двигателя, который является частью машины, пропускающей электрический ток, всегда будет иметь более высокую температуру, чем постоянные магниты. На практике фактическое изменение в K_T, К_E, и двигательная регуляция будет менее выраженной, чем то, что продемонстрировано в следующем примере.

Расчетные характеристики двигателя при повышенной температуре 125°C

Увеличенное сопротивление клемм
R_mt(f) = R_mt(i) x [1 + α_{проводник} (Ѳ_f – Ѳ_i)]
R_mt(f) = 0,59Ом x [1 + 0,0040 (125°C – 25°C)]
R_mt(f) = 0.83 Ω

Уменьшенный крутящий момент и постоянное напряжение (K используется для обоих K_E и К_T предполагая единицы СИ)
K_(f) = K_(i) x [1 + α_магнит (Ѳ_f – Ѳ_i)]
K_(f) = 0,071 В/рад/с x [1 + (-0,0020)(125°C – 25°C)]
K_(f) = 0,057 В/рад/с или Нм/А

Уменьшенный ток заблокированного ротора (остановки)
Я_lr = V_T / R_mt(f)
Я_lr = 24 В / 0,83 Ом
Я_lr = 28,92А

Уменьшена блокировка ротора (заглохание) Крутящий момент
T_lr = Я_lr x K_T(f)
T_lr = 28,92А х 0,057Нм/А
T_lr = 1,65Нм

Увеличенная скорость холостого хода
n₀ = 9,5493 x [(V_T – Я₀ x R_mt(f)) / К_E(f)]
n₀ = 9,5493 персонала [(24 В-0,30 а персонала 0,83 персонала) / 0,057 В / рад/ с]
n₀ = 3979 об/мин

Улучшенная регуляция двигателя
R_m = n₀ / Т_lr
R_m = 3979 об /мин / 1,65 Нм
R_m = 2412 об/мин / Нм

Интересно отметить, насколько сильно меняется производительность при заданном повышении температуры двигателя. Хотя анализ полезен для понимания феномена, он ни в коем случае не идеален. Есть несколько вещей, которые следует иметь в виду. Например:

1) Мы предполагали стабильное повышение температуры на 100°C для всех компонентов двигателя. На практике различные компоненты двигателя стабилизируются при разных температурах, причем намотанный якорь двигателя является самым высоким.

2) Температурный коэффициент для магнитного материала был средним значением, используемым для этого материала. В действительности различные сорта определенного класса материалов будут иметь значения, которые немного отклоняются от среднего.

3) Истинная тепловая модель двигателя постоянного тока чрезвычайно сложна. Теоретически очень трудно получить точные значения, так как существует слишком много переменных, которые необходимо учитывать.

Однако анализ в первом приближении очень полезен при применении двигателя и понимании его ограничений в конкретном приложении.

Константы двигателя и максимальная выходная мощность
Редко, если вообще когда-либо, двигатель работает на максимальной мощности в течение длительного времени. За исключением небольших маломощных двигателей, большинство из них не могут непрерывно работать на максимальной мощности без превышения номинальной температуры. Приведенные ниже уравнения можно использовать для определения мощности в любой точке кривой двигателя и максимальной выходной мощности.

Уравнение 6а – Выходная мощность двигателя (в любой точке)
P_из = ω x T

Уравнение 6b – Максимальная выходная мощность
P_{максимум} = 0,25 х ом₀ x T_lr

Уравнение 6c – Максимальная выходная мощность (теоретическая)
P_{максимум} = 0,25 х (В_T² / R_мт)

Уравнения 6b и 6c иллюстрируют влияние сопротивления двигателя на выходную мощность машины. Хотя это и не интуитивно понятно из уравнения 6b, более высокое сопротивление обмотки при повышенной температуре является основной причиной снижения максимальной выходной мощности двигателя. Несмотря на то, что магнитный поток уменьшается, это в равной степени компенсируется увеличением частоты вращения двигателя (из-за уменьшения K_E). Если сопротивление осталось прежним, то даже уменьшение плотности магнитного потока существенно не изменит максимальную выходную мощность машины. В действительности, чем выше сопротивление (R_мт) в сочетании с уменьшенной плотностью магнитного потока (более низкий K_T) уменьшает крутящий момент заблокированного ротора гораздо больше, чем просто уменьшение плотности магнитного потока, что приводит к снижению максимальной выходной мощности.

Максимальная выходная мощность при 25°C
P_макс(i) = 0,25 х ом₀ x T_lr
P_макс(i) = 0,25 х 331 рад/с х 2,88 Нм
P_макс(i) = 238 Вт

Максимальная выходная мощность при 125°C
P_макс(f) = 0,25 х ом₀ x T_lr
P_макс(f) = 0,25 х 417 рад/с х 1,65 Нм
P_макс(f) = 172 Вт

Максимальная мощность при повышенной температуре составляет примерно 70% от максимальной мощности при комнатной температуре. Это значительное изменение, и оно является прямым следствием возросшего сопротивления двигателя. Уравнение 6c даст результаты, которые находятся в пределах 1 или 2% от приведенных выше чисел. Это уравнение полезно для быстрой оценки максимальной мощности любого двигателя постоянного тока.

Опубликованные данные – Моторные кривые бывают самых разных видов
Большинство диаграмм производительности двигателей постоянного тока показывают по крайней мере две кривые: зависимость скорости от крутящего момента и тока от крутящего момента. Производители могут решить отображать информацию несколько иными способами, а также предоставлять другую информацию, такую как кривые выходной мощности и КПД.

Примерная кривая двигателя исключает все другие переменные и предполагает, что двигатель тестируется с фиксированным напряжением на клеммах с использованием источника питания с низким импедансом и постепенно нагружается динамометром. Испытание проводится как можно быстрее, чтобы свести к минимуму повышение температуры двигателя. Если испытываемый двигатель является двигателем малой мощности, динамометр может нагружать двигатель до тех пор, пока частота вращения вала не достигнет нуля или близка к нулю оборотов в минуту. В случае двигателей большего размера динамометр может быть настроен на постепенную загрузку двигателя примерно до максимальной мощности. Затем остальная часть кривой может быть экстраполирована. Результирующие данные в любом случае представляют собой (теоретически) прямолинейные кривые зависимости скорости от крутящего момента и тока от крутящего момента.

Некоторые производители, в частности те, которые поставляют комплектные сервосистемы, могут представлять кривые производительности в виде “смеси” информации, включающей ограничения системного уровня. Рассматриваемые ограничения могут включать в себя множество факторов, таких как возможность постоянного тока, возможность пикового тока, ограничения мощности привода / усилителя, максимальное напряжение шины постоянного тока, максимальные значения температуры двигателя, насыщенность двигателя и механические ограничения скорости. Многие производители могут проиллюстрировать крутящий момент двигателя по оси “Y” и скорость по оси “X”. Примерные кривые на рисунке 4 иллюстрируют, как могут выглядеть данные, если учитывать такие факторы, как максимальная частота вращения, максимальное повышение температуры и пиковый ток привода. Независимо от того, как публикуются данные или какие другие системные факторы учитываются, параметры двигателя R_мт, К_T, и К_E имеют решающее значение для понимания истинных возможностей двигателя.

Еще один фактор, который следует иметь в виду при оценке различных кривых производительности, заключается в том, что фактические условия тестирования не всегда могут быть очевидными. Разные поставщики будут публиковать разную информацию. В случае, когда двигатели быстро тестируются на динамометре (чтобы свести к минимуму повышение температуры), этот метод, как правило, очень последователен и обеспечивает хорошую исходную точку. Недостатком является то, что результаты не отражают наихудшие условия.

Если двигатели тестируются при максимальной номинальной температуре, пользователь лучше поймет возможности двигателя при использовании в приложениях, где температура двигателя стабилизируется на значениях, значительно превышающих комнатную температуру. Недостатком является то, что существует множество других переменных, которые могут исказить результаты испытаний, таких как метод измерения температуры, монтаж двигателя (вызывающий эффект поглощения тепла), поток воздуха вокруг двигателя и т.д. Некоторые производители двигателей тестируют свои двигатели в наихудшем случае; двигатель, стабилизированный до полной номинальной температуры без отвода тепла или принудительного потока воздуха. Не существует строгих рекомендаций, диктующих, как производитель должен представлять данные о производительности. Важная вещь, которую следует помнить при оценке информации, — это задавать правильные вопросы.

Общая конструкция двигателя и теплопередача
Механическая структура влияет на характеристики теплопередачи в двигателе. В двигателе постоянного тока с механическим коллектором и щетками медные обмотки намотаны в пазы вокруг якоря. Тепло, выделяемое медными обмотками на якоре, будет проходить через слои якоря к валу двигателя и подшипниковой системе. Благодаря конвекции тепло также будет мигрировать через воздушный зазор к постоянным магнитам и корпусу, где оно в конечном итоге будет рассеиваться в окружающую среду. Хотя часть теплопередачи происходит с использованием прямой проводимости через пакет слоистых материалов к подшипниковой системе и корпусу, большая часть выделяемого тепла будет проходить через воздушный зазор и через магниты.

В случае бесщеточного двигателя постоянного тока медные обмотки намотаны в пазы (в бесщеточном двигателе с прорезями) или сформированы на магнитной обратной стороне железа (в бесщеточном двигателе без прорезей) и выполнены как часть внутренней поверхности корпуса двигателя. Такая конструкция обеспечивает прямой теплопроводящий путь от выделяющей тепло меди к корпусу двигателя, где оно будет рассеиваться в окружающую среду. Постоянные магниты в бесщеточном двигателе находятся на вращающейся части машины.

В любом случае, будет трудно, если не невозможно, предсказать повышение температуры отдельных компонентов без эмпирического тестирования, но одно можно сказать наверняка: повышение температуры отдельных компонентов (горячих точек внутри двигателя) будет различным у щеточного и бесщеточного двигателей, все остальные факторы остаются равными.

Ничто не заменит тестирование приложений
Цель предыдущего обсуждения и примеров расчета состоит в том, чтобы лучше понять, как производительность двигателя меняется в зависимости от температуры. Ничто не может заменить тестирование и валидацию двигателя в условиях эксплуатации. Надлежащая теоретическая обработка была бы невозможна из-за большого количества задействованных переменных и допущений. Однако приведенные в примере расчеты могут служить первым приближением для получения представления о величине возможного изменения.

Лучший способ понять производительность двигателя в реальных условиях эксплуатации — это максимально точно смоделировать приложение, одновременно собирая данные о температуре с течением времени с помощью системы сбора данных. Различные части двигателя следует контролировать с помощью термопар, прикрепленных к подшипникам, концевым раструбам, обмоткам (в случае бесщеточного двигателя), магнитам (в случае щеточного двигателя) и корпусу двигателя. И не забывайте всегда обсуждать критерии проектирования с инженером-прикладником.

Информация о перепечатке >>

Прецизионное управление движением AMETEK
www.ametek.com