Promlebedka.ru

Авто ДРайв
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое система возбуждения двигателя от постоянных магнитов

Разработка электродвигателей и генераторов с помощью COMSOL®

В этой статье нашего корпоративного блога мы рассмотрим электрическую машину на постоянных магнитах (PM), содержащую 12 пазов и 10 полюсов и смоделированную в программном обеспечении COMSOL Multiphysics® с помощью инструментов модуля AC/DC. Такая конструкция вращающегося механизма является достаточно типовой и репрезентативной примером. Её размеры — наружный диаметр 35 мм и осевая длина 80 мм. При небольших изменениях условий на входе одна и та же модель может стать либо двигателем, либо генератором. В будущих статьях мы подробнее остановимся на каждом из аспектов разработки, обсуждаемых в данной заметке.

Это первая часть серии блогов. В ней сформулированы общие положения о некоторых аспектах проектирования вращающихся машин с использованием численного моделирования и постобработки в программе COMSOL Multiphysics®.

Разработка электродвигателей и генераторов: общая конфигурация модели

В двигателе на постоянных магнитах магнитные поля роторной части вращаются синхронно с магнитными полями, генерируемыми токами на статоре. Взаимодействие магнитных полей ротора и статора создает суммарный крутящий момент, который и обеспечивает преобразование тока обмоток в механическую мощность электродвигателя. Как следствие синхронного характера возбуждения, в двигателе на постоянных магнитах мгновенный крутящий момент сильно зависит от углового положения ротора — поскольку положение синхронизировано с токами статора. Отличная картина наблюдается в асинхронных машинах, где обмотки статора индуцируют магнитные поля ротора, которые зависят от запаздывания скорости между ротором и статором (отсюда популярное название этой группы устройств в англоязычной литературе — индукционная машина).

Схема машины на постоянных магнитах.

Возбуждающий обмотки ток задается как: I = I_m cos(kappa alpha + phi) , где I_m – амплитуда тока (peak-to-peak), kappa – коэффициент, зависящий от числа полюсов, alpha – угол поворота ротора, а phi – фазовый угол. В данном примере возбуждение для каждой из трех фаз определяется по формулам: I_a = I_m cos(kappa alpha) , I_b = I_m cos(kappa alpha – <120>^circ>) , и I_c = I_m cos(kappa alpha – <240>^circ>) , соответственно.

Для обеспечения того, чтобы силы притяжения и отталкивания между полюсами статора и ротора создавали однонаправленный крутящий момент, коэффициент kappa должен быть таким, чтобы поля от обмоток статора меняли направление при перемещении ротора на угловой размах одного магнита ротора (магниты имеют переменную полярность). Выражение для него следующее: kappa = frac<180^circ> <360^circ/N_p>, где N_p – количество полюсов ротора. Знаменатель определяет угловой размах одного полюса ротора.

Исследование и оптимизация распределения магнитного поля

Распределение магнитного поля или индукции является очень важным фактором при проектировании электрических машин. В синхронных вращающихся машинах ключевым параметром для исследования индуцированных напряжений является пространственное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре (между ротором и статором). Фазное напряжение на статоре будет синусоидальным только в том случае, если радиальная компонента магнитной индукции имеет синусоидальное распределение по периферии ротора. Эта пространственная волновая мода в литературе иногда называется волной магнитодвижущей силы в воздушном зазоре. Если такая волна несинусоидальна, в индуцированном напряжении существуют гармоники более высокого порядка.

В рассматриваемой модели для оценки волны магнитодвижущей силы, мы проанализируем радиальную составляющую магнитной индукции вдоль центра зазора (в геометрии это граница тождественной пары, на которую накладывается условие непрерывности). В постобработке мы можем пронаблюдать как по мере вращения ротора осциллирует волна магнитодвижущей силы. Простой визуальной оценки достаточно для понимая того, что наведенное напряжение не будет идеально синусоидальным. В одной из следующих статей этой серии мы объясним, как провести пространственно-временные Фурье-преобразования магнитной индукции в зазоре и как связать их с оценкой потокосцепления и гармонических искажений напряжения.

Слева: Изменение магнитной индукции при вращении ротора. Справа: Динамика волны магнитодвижущей силы в воздушном зазоре при вращении ротора.

Исследование и оптимизация механического крутящего момента

Существует несколько способов актуации обмоток статора для конкретной конфигурации пазы/полюса двигателя на постоянных магнитах. Вариант, показанный на схеме типовой модели машины (первый рисунок в блогпосте), является одним из способов управления электродвигателем, содержащим 12 пазов и 10 полюссов. Возбуждение обмоток статора (или начальное положение ротора) необходимо отрегулировать таким образом, чтобы к ротору прилагался максимальный крутящий момент. В численной модели для подбора оптимальных условий на роторе задается начальное угловое смещение. Угол alpha изменяется в диапазоне углового промежутка (размаха) для одного магнита ротора, а на выходе рассчитывается средний крутящий момент. В качестве итогового начального положения ротора выбирается значение начального углового перемещения, соответствующее максимальному среднему крутящему моменту. После проведения параметрического свипа становится легче определить и визуализировать, какое относительное положение статора и ротора создает максимальный крутящий момент.

В представленном здесь случае наблюдаются два максимума:

  1. Положительный максимум, который будет соответствовать вращению против часовой стрелки – при условии, что будет применена правильная последовательность фаз.
  2. Отрицательный максимум, который приведет к вращению по часовой стрелке (также после точной настройки последовательности фаз)

Форма сигнала крутящего момента ротора, приведенная в следующем разделе, соответствует запуску с положительного максимума, определенного по рассчитанной кривой среднего крутящего момента ротора. В будущем мы более подробно рассмотрим методологию анализа и расчета крутящего момента, такие как метод Арккио (Arkkio’s method) и принцип виртуальной работы (virtual work principle).


Средний крутящий момента ротора при изменении начального угла поворота ротора в диапазоне между двух полюсов ротора ( 2 times frac<360^circ> = 72^circ ).

Исследование и оптимизация использования железа и э/м потерь

Проанализируем теперь график распределения магнитной индукции в железном ярме машины. Некоторые части геометрии ярма могут оказаться слишком узкими, и в них магнитная индукция может уходить в насыщение (по кривой B-H). В других случаях они могут оказаться достаточно широкими, при этом появится область с низкой интенсивностью поля, что является неэффективным для процесса получения крутящего момента. Если часть очень узкая, то её, вероятно, следует расширить (и наоборот).

В приведенном примере радиальный размер железного ярма ротора и статора был проварьирован в рамках параметрического исследования для анализа его влияния на крутящий момент ротора. Для получения максимального крутящего момента начальный угол поворота ротора устанавливается равным 20^circ> , что соответствует данным анализа кривой среднего крутящего момента в предыдущем разделе. Как вы можете видеть из графиков и кривой крутящего момента ниже, использование железа оптимально, когда радиальный размер железа составляет около 2 мм: использование менее 2 мм окажет негативное влияние на крутящий момент, а увеличение добавит ненужный материал — и, следовательно, увеличит вес и стоимость — для двигателя.

Распределение магнитной индукции для различных значений радиального размера железа. Слева: 1 мм. В центре: 2 мм. Справа: 3 мм.

Изменение формы волны крутящего момента ротора в зависимости от радиального размера железных компонентов.

Однако это еще не итоговый результат: при определении характерного размера железа необходимо учитывать дополнительные факторы, такие как механическая прочность, резистивные и магнитные потери. При исследовании магнитной индукции и крутящего момента также можно оценить влияние переменного размера железа на э/м потери в нём. Начиная с версии 5.6 COMSOL Multiphysics, доступен встроенный инструмент Loss Calculation. Он позволяет легко оценивать потери в меди и железе с использованием либо формулы по Штайнмецу (Steinmetz), либо формулировки по Бертотти (Bertotti), либо пользовательского критерия. В следующих частях серии мы продолжим обсуждение мультифизических аспектов моделирования вращающихся машин, таких как расчет эффективности, оценка нагрева, анализ вибраций и акустического шума.

Распределение потерь железа при различных значениях характерного размера железных компонентов. Слева: 1 мм. В центре: 2 мм. Справа: 3 мм.

Резюме

Мы обсудили использование некоторых функциональных возможностей, предоставляемых COMSOL Multiphysics и модулем AC/DC, а вы получили представление о некоторых аспектах проектирования вращающихся машин. Мы увидели, как линейный график магнитной индукции в воздушном зазоре машины показывает, будет ли индуцированное напряжение синусоидальным. Используя Parametric Sweep в COMSOL Multiphysics, можно определить начальный угол ориентации ротора, который обеспечит максимальный крутящий момент. Анализ графиков распределения магнитной индукции позволяет визуально определить, является ли использование железа оптимальным для эффективного вырабатывания крутящего момента. С использованием встроенных инструментов COMSOL Multiphysics можно также определить э/м потери в железных компонентах и влияние на них характерного радиального размера ротора и статора.

Это первая статья серии блогпостов иллюстрирует, как мощные возможности моделирования и постобработки COMSOL Multiphysics могут быть использованы для получения ценной информации о конструкции вращающихся электрических машин. В следующих частях будут подробно обсуждаться методы расчета крутящего момента, расчет эффективности, анализ потерь в железе и тепловых характеристик, а также принцип исследования вибраций и шума от двигателя. Следите за анонсами и новостями!

Материалы для самостоятельного разбора

Попробуйте смоделировать электродвигатель, описанный здесь. Все файлы и материалы доступны по ссылке:

Высокое напряжение

Перспективный привод Porsche Taycan является продолжением новаторских традиций Цуффенхаузена. Работа электродвигателей в деталях: как это выглядит.

Откиньтесь на спинку сидения. У того, кто до упора жмет на педаль газа в Porsche Taycan Turbo S, есть 12 000 причин усесться поплотнее. У водителя и пассажиров перехватывает дыхание, когда их буквально вдавливает в сидения этой топовой модели электрического спорткара при одновременном задействовании всех 12 000 ньютон-метров крутящего момента на всех четырех колесах (Taycan Turbo S: Потребление электроэнергии смешанный цикл: 28,5 кВт·ч/100 км; выброс CO2 смешанный цикл: 0 г/км (по состоянию на 03/2021) ). Вся мощь без промедления вырывается на волю, и сила тяги обоих электродвигателей передней и задней оси практически не меняется до достижения максимальной скорости. Эта доза адреналина является активным компонентом технологии двигателя Porsche. Не случайно авторитетный Центр управления автомобильным транспортом (CAM) назвал Taycan самой инновационной моделью 2020 года в мире. Инновации в Porsche всегда означают доведение технологий до совершенства. В данном случае это не что иное, как использование потенциала электропривода таким образом, как это до сих пор никому не удавалось.

Силовой агрегат:

Эта концепция Porsche возникла не вчера. И даже не позавчера, а более 120 лет тому назад. В то время молодой Фердинанд Порше разрабатывал свои первые электромобили с управляемыми мотор-колесами — мировая новинка. Возможности электромобильности стимулировали спортивные амбиции. Его гоночный автомобиль с четырьмя электрическими мотор-колесами, стал первым полноприводным легковым автомобилем в мире.

Простые электродвигатели постоянного тока того времени давно заменены современными. Однако основной физический принцип остался прежним: магнетизм. У магнита всегда есть северный и южный полюса. Разные притягиваются, одинаковые отталкиваются. С одной стороны, существуют постоянные магниты, которые основываются на действии элементарных частиц. С другой стороны, магнитные поля также возникают при каждом движении электрического заряда. Для усиления электромагнетизма в электрическом двигателе размещают намотанный в катушку проводник под током. Электромагниты — в зависимости от конструкции двигателя также постоянные магниты — размещены на двух компонентах. Неподвижная часть называется статор, вращающаяся — ротор. В результате периодического включения и выключения электрического напряжения возникает сила притяжения и отталкивания, создающая вращение ротора.

Центральный элемент:

Больше меди в статоре благодаря технологии «шпильки для волос»

Статор окружен очень стабильной рубашкой охлаждения. Температура постоянно отслеживается и регулируется.

Медный провод, намотанный на катушки, производит магнитные поля при прохождении через него тока.

Отдельные провода в форме шпилек для волос последовательно спаяны лазером на концах в катушки и изолированы.

Не каждый тип электромотора подходит для привода автомобиля. Porsche делает ставку на синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (PSM). В отличие от преимущественно используемой конструкции менее затратного асинхронного двигателя у PSM бóльшая эксплуатационная мощность вследствие менее быстрого перегрева и, следовательно, отсутствия необходимости уменьшения мощности. PSM от Porsche обеспечиваются и управляются силовыми электронными устройствами с трехфазным переменным напряжением. Частота колебания напряжения через нулевую точку от плюса к минусу определяет число оборотов двигателя. Импульсный инвертор задает двигателям Taycan частоту вращающегося магнитного поля в статоре и, таким образом, регулирует число оборотов ротора. Высококачественные постоянные магниты ротора со сплавами из неодима, железа и бора намагничиваются на длительное время с помощью сильного направленного магнитного поля. Магниты обеспечивают очень сильный возврат энергии через рекуперацию при торможении. В режиме принудительного холостого хода электромотор переходит в режим генератора и дает возможность магнитам индуцировать напряжение и ток в обмотку статора. Мощность рекуперации электродвигателя Porsche самая высокая среди конкурентов.

Компактность:

Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов для длительной мощности

Силовые электронные устройства находятся непосредственно на приводе. Так быстро, эффективно и с экономией веса достигается соединение двигателя и датчиков.

Планетарная передача переднего привода оснащена ступенью передачи в соотношении 1:8. Таким образом, крутящий момент колеса достигает 3 000 ньютон-метров.

Статор электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов состоит из активных электромагнитов, крутящегося ротора, пассивных постоянных магнитов. Это оптимальный принцип для коробки передач спорткара.

Технология, доведенная до совершенства: этот ген Porsche проявляется в особенности двигателей Taycan, так называемой обмотке Hairpin. Катушки статора в нем состоят не из круглой, а из прямоугольной проволоки. В отличие от классических способов обмотки, в которых медный провод покрывает катушку из бесконечного барабана, технология Hairpin является так называемым формовальным способом монтажа. Это означает, что прямоугольный медный провод делится на отдельные отрезки и сгибается латинской буквой «u», напоминая шпильку для волос (англ. Hairpin). Эти отдельные скобы вставляются в стальные листы статора, где размещена обмотка, так, что поверхности прямоугольного профиля провода лежат друг на друге. В этом состоит главное преимущество технологии Hairpin. Она дает возможность запаковать провод плотнее и поместить больше меди в статор. Если обычные способы обмотки имеют около 50 % так называемого коэффициента заполнения медью, то в технологии Porsche он составляет почти 70 %. Так увеличивается мощность и крутящий момент при одинаковом монтажном пространстве. Концы проволочных скоб запаиваются лазером: возникает катушка. Следующим важным преимуществом является улучшение теплопередачи через однородный контакт соседних проводов, а статор Hairpin может охлаждаться существенно эффективнее. Хотя более чем 90 % даваемой электродвигателями энергии идет на поступательное движение, как и в двигателе внутреннего сгорания, потери энергии превращаются в тепло, которое необходимо отвести. Для этого двигатели оснащены рубашкой охлаждения.

Инерционная масса:

Для точной настройки синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов силовые электронные устройства должны знать точное положение угла ротора. Для этого служит решающее устройство. Оно состоит из металлического роторного диска, который проводит магнитное поле, обмотки возбуждения, а также двух приемных катушек. Катушка обмотки возбуждения производит магнитное поле, которое передается на приемные обмотки через датчик вращения. Таким образом, в приемных катушках индуцируется напряжение, чье положение по фазе смещено пропорционально положению ротора. Из этой информации система управления может точно рассчитать угловое положение ротора. В этой системе управления, т. н. импульсном инверторе, сконцентрировано всё ноу-хау Porsche. Инвертор отвечает за преобразование постоянного тока батареи с напряжением 800 вольт в переменный ток и его подачу на оба электродвигателя. Porsche был первым производителем, который реализовал уровень напряжения 800 вольт. Когда-то это была разработка для гоночного Porsche 919 Hybrid. Сегодня, в серийном производстве, это решение уменьшает вес и монтажное пространство благодаря гибкому кабелю и дает возможность более быстрой зарядки.

Сеть Taycan

Задний привод с двухступенчатой коробкой передач

Передний привод и вспомогательные агрегаты

Связка проводов для привода передней оси находится над аккумулятором большой мощности

Электродвигатели достигают 16 000 оборотов в минуту. Для оптимального использования такого интервала частоты вращения в типичном для Porsche диапазоне регулирования динамики, эффективности и максимальной скорости передние и задние блоки привода оснащены отдельными коробками передач. Taycan вообще является первым среди электрических спорткаров, у которого на задней оси коробка с двумя переключаемыми передачами, первая из них очень понижена. Одноступенчатая планетарная передача на передней оси посылает силу на колеса.

С помощью такой комбинации Taycan Turbo S развивает свою потрясающую мощность. Ступень передачи на передней оси преобразовывает 440 ньютон-метров электродвигателя в почти 3 000 ньютон-метров на колесах. 610 ньютон-метров электродвигателя заднего моста увеличиваются на первой передаче до 9 000 ньютон-метров тяги. Задачей дольше переключаемой второй передачи является обеспечение эффективности и резерва мощности на высокой скорости.

Высокие технологии будущего в мельчайших деталях — так Porsche продолжает свои традиции новаторства в эпоху электрического привода.

Частотный преобразователь для электродвигателя с постоянными магнитами. Основные принципы частотного регулирования синхронных двигателей

Как следует из названия, в данном типе двигателей (PM motor) для создания поля возбуждения используются магнитный материалы. При взаимодействии постоянного магнитного поля в роторе с вращающимся полем статора и создается электромагнитный момент. Асинхронные двигатели (IM) отличаются тем, что в них для создания поля возбуждения требуется ток намагничивания (составляющяя часть тока статора). Это фундаментальное отличие и дает основные преимущества двигателям с постоянными магнитами с точки зрения упрощения конструкции, снижения потерь и уменьшения размеров.

Благодаря использованию редкоземельных магнитов, синхронные двигатели обладают повышенной удельной мощностью (отношение выходной мощности двигателя к его массе) по отношению к эквивалентным асинхронным моторам.

Потери в синхронном двигателе обычно составляют 50%

70% от типового асинхронного двигателя той же мощности, что обуславливает более высокий КПД синхронных машин. Благодаря этому, PM технология удовлетворяет самым строгим стандартам энергоэффективности (IE3 и IE4+).

Типы двигателей с постоянными магнитами

PM машины можно разделить на 2 основные группы в зависимости от характеристик их возбуждения: 1) синхронные двигатели переменного тока (PMAC или СДПТ) с синусоидальным распределением магнитного потока и 2) бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC или БДПТ) с трапециевидным распределением потока. Разница в возбуждении является результатом различного расположения обмоток статора: в PMAC — обмотка распределенная, а в BLDC — концентрированная.

БДПТ дешевле, менее сложны в изготовлении и имеют несколько более высокую удельную мощность, чем СДПТ. Однако, у них есть пульсации момента в отличие от синхронных двигателей. Это одна из основных причин, почему СДПТ, как правило, предпочтительнее для высокопроизводительных применений.

Синхронные двигатели с дополнительной короткозамкнутой обмоткой ротора (LSPM) — по сути сочетание технологии синхронного и асинхронного двигателя. Такая конструкция позволяет LSPM двигателям запускаться в асинхронном режиме при питании напрямую от сети без частотного преобразователя и датчика положения/скорости. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм. LSPM машины часто встречаются в текстильной промышленности, где требуется синхронность работы ряда машин. Они также находят применение в отраслях, где требуется прямой пуск и высокоэффективная работа двигателя.

Основные требования к управлению

За исключением LSPM двигателей, которые могут быть подключен непосредственно к трехфазной электрической сети, для PMAC и BLDC двигателей требуется преобразователь частоты с достаточно сложным алгоритмом управления скоростью и моментом двигателя.

Управление синхронным двигателем более сложная задача, чем у асинхронного в связи с тем, что фактическое положение ротора должно непрерывно измеряться (или рассчитываться), чтобы двигатель не выпадал из синхронизма. Это можно сделать с помощью таких датчиков, как энкодер, резольвер, датчик Холла (BLDC), а также с помощью передовых методов бездатчикового векторного управления.

Новейшие технологии бездатчикового управления

В течение последних нескольких лет наблюдается повышенный интерес к исследованиям и разработке алгоритмов, устраняющих необходимость использования физического датчика положения/скорости при управлении синхронным двигателем. Сниженные затраты на установку и повышенная надежность являются основными преимуществами, связанными с отказом от этого датчика.

В большинстве современных бездатчиковых технологий управления двигателем в качестве обратной связи по положению ротора используется обратная или противо- ЭДС (back-emf), позволяя синхронному двигателю динамично и точно работать на средних и высоких оборотах (обычно > 2,5% от номинальных). Основным требованием для такого подхода является то, что напряжение, генерируемое постоянными магнитами, должно быть достаточно высоко, чтобы быть обнаруженным частотным преобразователем с необходимым разрешением. Проблемой такого метода является невозможность работы привода на скоростях, близких к нулю, так как противо-ЭДС не дает в этом случае требуемого сигнала.

Для преодоления данного ограничения был разработан метод инжекции сигналов — трансформации синхронного двигателя в резольвер, определяющий положение ротора. Эти сигналы накладываются на сигнал ШИМ преобразователя частоты. Для извлечение необходимой информации из полученного композитного сигнала требуется достаточно сложная система управления, способная эффективно отделить эти две различных составляющих сигнала.

В случае с синхронными двигателями для метода инжекции сигналов конструктивно предпочтительнее использовать двигатели со встроенными магнитами (Permanent Magnet Motors — IPM) в отличие от двигателей с поверхностным расположением магнитов (SPM). В IPM двигателях магниты располагаются внутри ротора, и пространственное изменение сопротивление ротора достаточно велико, чтобы надежно определять его положение. SPM двигатели также могут управляться методом инжекции, но из-за низкого дифференциально-пространственного импеданса определение текущего положения ротора усложнено.

Благодаря новейшим разработкам, используемым в частотных преобразователях Optidrive P2, компания Invertek Drives занимает лидирующие позиции в технологии надежного высококачественного бездатчикового управления синхронными двигателями на очень низких скоростях, что подтверждено рядом реальных практических применений.

Типовые области применения двигателей с постоянными магнитами

СДПТ в сочетании с резольверами или энкодерами де-факто уже являются стандартом для сервосистем, применяемых для высокопроизводительного управления движением, благодаря низкой собственной инерции ротора, позволяющей им обеспечивать высокую точность и динамику позиционирования. В то-же время бесщеточные двигатели (BLDC) широко применяются в системах вентиляции, отопления, кондиционирования (HVAC), где не требуется высокого крутящего момента на низкой скорости, но используются высокоскоростные операции.

В настоящее время имеет место тенденция замены асинхронных двигателей на двигатели с постоянными магнитами в приложениях, где имеет важное значение энергоэффективность работы; а также в приложениях, где требуемое отношение мощности к крутящему моменту на единицу массы не позволяет использовать асинхронные двигатели.

Использование частотного преобразователя Optidrive P2 для управления синхронными двигателями

Новая серия Optidrive P2 частотных преобразователей компании Invertek Drives предоставляет простую в использовании, новейшую технологию бездатчикового управления синхронными двигателями, обеспечивающую высокую точность управления скоростью в широком диапазоне, включая нулевую. Для настройки привода пользователю необходимо ввести только информацию с паспортной таблички двигателя, которая требуется для проведения статического автотестирования двигателя, чтобы получить превосходное качество управления скоростью и моментом.

Статья Дэвида Джонса, R&D директора Invertek Drives. Октябрь 2011г. Перевод ООО «Интехникс»

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

ПРЕИМУЩЕСТВА:

Высокая надежность

Высокий коэффициент мощности

Отсутствие коллекторно-щеточной системы и соответствующего обслуживания

Более высокие скорости и ускорения

Меньшая инерция, вес, габариты

Упрощение систем охлаждения

Меньшая индуктивность

НЕДОСТАТКИ:

Стоимость магнитови управляющей электроники, которые приводят к высокой стоимости готового продукта (которая, однако, снижается день ото дня все больше и больше).

Критичность процесса изготовления двигателя на разных этапах ручной сборки.

Критические моменты, которые необходимо учитывать в процессе создания двигателя:

Определение подходящих решений для монтажа магнитов на ротор, способных обеспечить механическую надёжность, необходимую для окончательного использования самого двигателя.

Сложность в обращении с предварительно намагниченными магнитами и связанные с этим риски для безопасности операторов.

Чтобы решить эти и другие критические моменты, рекомендуется работать с проверенными партнерами в области автоматизации процессов, начиная с самого определения производственного процесса, который вы собираетесь внедрить для собственного производства магнитных двигателей.

Медный довод: создан уникальный двигатель для электромобилей

В России разработан мотор для электромобилей, обладающий рядом преимуществ перед зарубежными аналогами. Чтобы создать магнитное поле, необходимое для движения колес, в нем применяют обычную медную катушку. Двигатель увеличивает время пробега машины без подзарядки на 15% и исключает внезапную остановку из-за перегрева. При этом цена отечественного мотора в 3–4 раза ниже, чем у зарубежного. Разработчик планирует выпустить собственную линейку беспилотных грузовиков, оборудованных такими двигателями. Подобные машины уже тестируются иностранными компаниями, которые занимаются грузоперевозками.

Железо, медь и математика

Чаще всего в электромобилях используют моторы на постоянных магнитах. Однако такие двигатели имеют ряд существенных недостатков.

В постоянном магнитном поле проводник (рамка, по которой протекает ток) начинает двигаться. Движение передается на колеса машины, и она едет. Но когда проводник смещается в магнитном поле, по законам физики в нем возникает противоположно направленная сила (противо-ЭДС). Она уменьшает силу тока в проводнике, и в итоге автомобиль не может развить скорость более 60 км/ч. Чтобы ее увеличить, нужно уменьшить поле постоянного магнита — это снизит противо-ЭДС. Но чтобы сделать это, нужно потратить электроэнергию. В результате коэффициент полезного действия (КПД) двигателя падает, следовательно, аккумулятор быстрее разряжается.

–– Наш мотор, образно говоря, состоит из железа, меди и математики, –– рассказал технический директор компании «Электротранспортные технологии» Илья Федичев. –– Мы создаем магнитное поле с помощью медной катушки, через которую проходит ток. И поэтому можем спокойно им управлять: увеличивать для большей мощности и уменьшать для скоростного разгона авто без снижения КПД. По нашим расчетам, на российском моторе машина проедет примерно на 15% дольше –– конечно, при условии, что скорость и качество дороги будут такими же, как для авто с зарубежным двигателем.

Магнитные катушки с пропускаемым через них током известны в качестве источников магнитного поля с XIX века. Однако задействовать поле в работе электродвигателя –– очень непросто. Инженеры говорят, что их главное достижение — создание особой конструкции двигателя, которая и позволила обойтись без постоянных магнитов, заменив их на медную катушку — она создает магнитное поле с нужным направлением и интенсивностью.

Перегрев не страшен

Еще один недостаток действующих электромоторов –– размагничивание постоянного магнита из-за нагрева двигателя. Дело в том, что для каждого магнита есть точка Кюри –– температура, при которой он теряет свои свойства. Когда электромобиль внезапно начинает терять скорость, это значит, что магнит просто перегрелся. Он больше не создает поле для движения рамки, и автоматика принудительно уменьшает мощность мотора. Конечно, ситуация, при которой машина долго едет на максимальной скорости, встречается нечасто, однако способствовать перегреву может и жара.

Российский электромотор не имеет постоянного магнита, поэтому внезапное отключение ему не грозит. Также ему не нужны сложные, громоздкие и дорогостоящие системы охлаждения, как машинам на электродвигателях с постоянными магнитами. Инженеры провели эксперимент, нагревая мотор собственной разработки и зарубежные аналоги. Оказалось, что отечественный двигатель сохраняет характеристики при температуре до 150 ºС, в то время как иностранные модели перестают работать уже при 100 ºС.

Тем не менее большинство специалистов в мире всё же отдают предпочтение двигателям с постоянными магнитами, сообщил заведующий кафедрой электротехники и промышленной электротехники МГТУ им. Н.Э. Баумана Александр Красовский.

–– Следует учесть, что применяемая дополнительная «обмотка возбуждения», то есть та самая медная обмотка, потребляет дополнительную электрическую энергию аккумулятора, что несколько снижает КПД созданного двигателя, –– рассказал эксперт. –– Наличие обмотки ведет еще и к некоторому увеличению массы и габаритов двигателя. Зато к преимуществам предложенного российскими учеными аналога относится выгодная цена –– двигатели с постоянными магнитами имеют более сложную конструкцию, поэтому и стоят дороже.

Российский двигатель такой же мощности, как и зарубежный, дешевле не только благодаря простоте конструкции, но и применяемым материалам. Ведь 90% рынка постоянных магнитов занято Китаем, и производители диктуют цену на товар по своему усмотрению. Монополия может привести к внезапному скачку цен на постоянные магниты, а следовательно, и на электромоторы. Да и сегодня произведенный в Китае мотор стоит около 300 тыс. рублей, еще около 100 тыс. рублей уйдет на перевозку и налоги. Стоимость отечественного мотора при серийном производстве составит около 80 тыс. рублей.

Будущее за электромобилями

Электрические машины не наносят вреда экологии, поэтому власти Москвы планируют всячески поощрять их применение. На данный момент все электрокары имеют право на бесплатную парковку в любой точке столицы, сообщалось на конференции Forbes «Как заработать с помощью искусственного интеллекта в России». Также руководители мэрии предложили проекты по удешевлению оформления ОСАГО для электромобилей и предоставлению льгот для проезда по платным трассам. Некоторые компании, имеющие отношение к разработке транспортных средств, увидели и техническое преимущество электромобилей перед машинами на двигателях внутреннего сгорания.

–– Появление таких моторов –– значимое событие для машиностроения, особенно для формируемого рынка беспилотных транспортных средств, –– отметил эксперт в области робототехники и систем автоматизации транспорта Виталий Савельев. — Неприхотливость подобного мотора и высокий ресурс работы без обслуживания дают возможность эксплуатировать технику на его базе более эффективно. Развитие двигателей такого типа позволяет получить высокие тяговые характеристики одновременно с низким энергопотреблением, что увеличивает запас хода электромобиля. В перспективе электромоторы могут использоваться и на водных видах транспорта –– с их помощью можно создать практически бесшумные и энергоэффективные яхты и катера.

Разработчик отечественного двигателя в скором времени планирует выпустить линейку беспилотных грузовиков, которые могут быть востребованы, например, в компаниях, связанных с грузоперевозками, почтовой и курьерской доставкой.

При этом некоторые крупные зарубежные автоконцерны совместно с логистическими компаниями уже тестируют тягачи, рассчитанные на эксплуатацию без водителей.

Через несколько лет электромобили вытеснят с рынка машины с двигателями внутреннего сгорания, предполагают в компании-разработчике. Когда цена на литиевые батареи, используемые в электрокарах, упадет, ездить на них станет гораздо выгоднее. По информации зарубежных экспертов, стоимость батарей в последнее время быстро снижается. Так, в 2016 году цена литиевых аккумуляторов составляла $400–600 на киловатт-час емкости, а год назад — уже $250–300.

Рекомендации

Выбор рассматриваемого электродвигателя следует проводить с учетом следующих особенностей:

  1. Мощность – основной показатель, который влияет на срок службы. При возникновении нагрузки, которая превосходит возможности электродвигателя, он начинает перегреваться. При сильной нагрузке, возможно искривление вала и нарушение целостности других компонентов системы. Поэтому следует помнить о том, что диаметр вала и другие показатели выбираются в зависимости от мощности двигателя.
  2. Наличие системы охлаждения. Обычно особого внимания на то, как проводится охлаждение, никто не уделяет. Однако при постоянной работе оборудования, к примеру под солнцем, следует задуматься о том, что модель должна быть предназначена для продолжительной работы под нагрузкой при тяжелых условиях.
  3. Целостность корпуса и его вид,год выпуска – основные моменты, на которые уделяют внимание при покупке двигателя бывшего употребления. Если имеются дефекты корпуса, велика вероятность того, что конструкция имеет повреждения и внутри. Также, не стоит забывать о том, что подобное оборудование с годами теряет свой КПД.
  4. Особое внимание нужно уделятькорпусу, так как в некоторых случаях можно провести крепление только в определенном положении. Самостоятельно создать посадочные отверстия, приварить уши для крепления практически невозможно, так как нарушение целостности корпуса не допускается.
  5. Вся информация об электродвигателе находится на пластине, которая прикрепляется к корпусу. В некоторых случаях, есть только маркировка, по расшифровке которой можно узнать основные показатели работы.

В заключение отметим, что многие двигатели, которые были произведены несколько десятилетий назад, зачастую проходили восстановительные работы. От качества проведенной восстановительной работы зависят показатели электродвигателя.

Читать еще:  Что за двигателя ставят на фольксваген поло седан
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector