около Дэн Монтоне, PITTMAN Motors/AMETEK Precision Motion Control, Харлисвилл, Пенсильвания

Характеристики двигателя меняются в зависимости от температуры. Понимание влияния перегрева и температурных изменений поможет выбрать двигатель, подходящий для конкретного применения.

Насколько сильно могут измениться двигательные характеристики при заданном наборе условий?

Здесь мы рассмотрим конкретный пример изменения двигательной активности с использованием определенного набора условий. Исходными данными являются:

Условия:

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

В приведенных ниже расчетах предполагается, что температуры постоянного магнита и обмотанного якоря одинаковы. Якорь двигателя, который является частью машины, по которой проходит электрический ток, всегда будет иметь более высокую температуру, чем постоянные магниты. На практике фактическое изменение K_T, К_E, и двигательная регуляция будет менее выраженной, чем то, что показано в следующем примере.

Расчетные характеристики двигателя при повышенной температуре 125°C

Повышенное сопротивление клемм
R_mt(f) = R_mt(i) x [1 + a_{проводник} (Ѳ_f – Ѳ_я)]
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 в единицах СИ)
K_(f) = K_(i) x [1 + a_магнит (Ѳ_f – Ѳ_я)]
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 блокировки ротора (зависания)
Я_lr = V_T / R_mt(f)
Я_lr = 24 В / 0,83 Ом
Я_lr = 28,92А

Уменьшенная блокировка ротора (остановка) Крутящий момент
T_lr = Я_lr x К_T(f)
T_lr = 28,92А х 0,057Нм/А
T_lr = 1,65Нм

Увеличенная скорость холостого хода
n₀ = 9,5493 x [(В_T – Я₀ x R_mt(f)) / К_{E (f)}]
n₀ = 9,5493 / (24 В-0,30 А / 0,83/) / 0,057 В / рад/с]
n₀ = 3979 оборотов В минуту

Улучшенная регулировка 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 определенном повышении температуры двигателя. Хотя анализ помогает понять это явление, он отнюдь не идеален. Следует иметь в виду несколько моментов. Например:

1) Мы предполагали, что температура всех компонентов двигателя будет стабильно повышаться на 100°C. На практике различные компоненты двигателя будут стабилизироваться при разных температурах, при этом температура обмотки якоря двигателя будет самой высокой.

2) Температурный коэффициент для магнитного материала был средним значением, используемым для этого материала. На самом деле, различные марки определенного класса материалов будут иметь значения, которые немного отличаются от среднего значения.

3) Истинная тепловая модель двигателя постоянного тока чрезвычайно сложна. Теоретически очень сложно получить точные значения, поскольку необходимо учитывать слишком много переменных.

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

Постоянные значения двигателя и максимальная выходная мощность
Редко, если вообще когда-либо, двигатель работает на максимальной мощности в течение длительного времени. За исключением небольших двигателей малой мощности, 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 x ом₀ x T_lr

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

Уравнения 6b и 6c иллюстрируют влияние сопротивления двигателя на выходную мощность машины. Хотя это и не совсем понятно из уравнения 6b, более высокое сопротивление обмотки при повышенной температуре является основной причиной снижения максимальной выходной мощности двигателя. Несмотря на уменьшение магнитного потока, это в равной степени компенсируется увеличением частоты вращения двигателя (за счет 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 низкая K_T) снижает крутящий момент заблокированного ротора гораздо сильнее, чем просто уменьшение плотности магнитного потока, что приводит к снижению максимальной выходной мощности.

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

Максимальная выходная мощность при температуре 125°C
P_{макс. (f)} = 0,25 x ом₀ x T_lr
P_{макс. (f)} = 0,25 x 417 рад/с x 1,65 Нм
P_{макс. (f)} = 172 Вт

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

Опубликованные данные – Двигательные кривые бывают разных видов
На большинстве графиков характеристик двигателей постоянного тока отображаются, по крайней мере, две кривые: зависимость частоты вращения от крутящего момента и тока от крутящего момента. Производители могут принять решение отображать информацию несколько иным образом, а также предоставлять другую информацию, такую как кривые выходной мощности и КПД.

Примерная кривая двигателя позволяет исключить все другие переменные и предполагает, что двигатель тестируется при фиксированном напряжении на клеммах с использованием источника питания с низким сопротивлением и постепенной нагрузке с помощью динамометра. Испытание проводится как можно быстрее, чтобы свести к минимуму повышение температуры двигателя. Если испытываемый двигатель имеет небольшую мощность, то динамометр может нагружать двигатель до тех пор, пока частота вращения вала не достигнет нуля или приблизится к нулю оборотов в минуту. В случае более крупных двигателей динамометр может быть настроен на постепенную нагрузку двигателя приблизительно до максимальной мощности. Затем можно экстраполировать оставшуюся часть кривой. Результирующие данные в любом случае представляют собой (теоретически) прямолинейные 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 использования постоянного тока, возможность использования пикового тока, ограничения мощности привода /усилителя, максимальное напряжение на шине постоянного тока, максимальная температура двигателя, насыщенность двигателя и механические ограничения скорости. Многие производители могут отображать крутящий момент двигателя по оси “Y” и частоту вращения по оси “X”. Примеры кривых 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 K_E имеют решающее значение для понимания истинных возможностей двигателя.

Еще одним фактором, который следует учитывать при оценке различных характеристик, является то, что фактические условия тестирования не всегда могут быть очевидными. Разные поставщики публикуют различную информацию. В случае, когда двигатели быстро тестируются на динамометре (чтобы свести к минимуму повышение температуры), этот метод, как правило, является очень последовательным и обеспечивает хорошую базовую оценку. Недостатком является то, что результаты не отражают наихудшие условия.

Если двигатели будут протестированы при максимальной номинальной температуре, пользователь сможет лучше понять возможности двигателя при использовании в тех случаях, когда температура двигателя стабилизируется на уровне, значительно превышающем комнатную температуру. Недостатком является то, что существует множество других переменных, которые могут исказить результаты тестирования, таких как метод измерения температуры, крепление двигателя (вызывающее эффект отвода тепла), поток воздуха вокруг двигателя и т.д. Некоторые производители двигателей проводят испытания своих двигателей в наихудших условиях: при полностью номинальной температуре двигателя, без отвода тепла или принудительного потока воздуха. Нет строгих рекомендаций, предписывающих производителю представлять данные о производительности. При оценке информации важно помнить о том, что нужно задавать правильные вопросы.

Общая конструкция двигателя и теплопередача
Механическая конструкция влияет на характеристики теплопередачи в двигателе. В двигателе постоянного тока с механическим коллектором и щетками медные обмотки намотаны в пазах вокруг якоря. Тепло, выделяемое медными обмотками якоря, будет передаваться через слои якоря на вал двигателя и подшипниковую систему. Благодаря конвекции тепло также будет передаваться через воздушный зазор к постоянным магнитам и корпусу, где оно в конечном итоге будет рассеиваться в окружающей среде. Хотя часть тепла передается непосредственно через слой ламината к подшипниковой системе и корпусу, большая часть выделяемого тепла будет поступать через воздушный зазор и магниты.

В случае бесщеточного двигателя постоянного тока медные обмотки намотаны в пазы (в бесщеточном двигателе с прорезями) или сформированы на магнитной подложке (в бесщеточном двигателе без прорезей) и выполнены как часть внутренней поверхности корпуса двигателя. Такая конструкция обеспечивает прямой канал теплопроводности от меди, выделяющей тепло, к корпусу двигателя, где оно будет рассеиваться в окружающую среду. Постоянные магниты в бесщеточном двигателе расположены 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 для щеточного и бесщеточного двигателей, при этом все остальные факторы останутся неизменными.

Ничто не заменит тестирование приложений
Цель предшествующего обсуждения и примеров расчетов состоит в том, чтобы лучше понять, как меняются характеристики двигателя 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 переменных и допущений. Однако приведенные в качестве примера расчеты могут служить первым приближением, позволяющим получить представление о величине возможных изменений.

Лучший способ понять работу двигателя в реальных условиях эксплуатации — это как можно точнее смоделировать процесс эксплуатации, одновременно собирая данные о температуре с течением времени с помощью системы сбора данных. Различные части двигателя должны контролироваться с помощью термопар, прикрепленных к подшипникам, концевым разъемам, 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 >>

Точное управление движением AMETEK
www.ametek.com