Použití kartáčovaných stejnosměrných motorů jako generátorů – 17DCT, 16C18

Konstruktéři vědí, že jak kartáčované, tak i bezkomutátorové stejnosměrné motory mohou fungovat jako generátory, ale mnozí se snaží vyhnout použití kartáčovaných motorů tímto způsobem, protože to považují za neefektivní. Bohužel tím, že nepoužívají stejnosměrné motory jako generátory, přicházejí inženýři o několik významných výhod.

Například kartáčované stejnosměrné motory jsou levnější než miniaturní generátory, i když oba plní stejnou funkci. Kartáčované stejnosměrné motory také nabízejí širokou škálu možností, aby vyhovovaly konkrétním aplikacím. Tyto motory jsou zvláště vhodné pro aplikace, které využívají napětí jako vstupní signál, ale samy nemají zdroj energie, jako jsou dveřní zámky a malá zařízení na sběr energie. Pokud se vezmou v úvahu tyto výhody a na řešení se uplatní určité technické koncepty, může být použití kartáčovaných stejnosměrných motorů jako generátorů atraktivní a efektivní.

Níže je uveden přehled základních vztahů mezi rychlostí, napětím, kroutícím momentem a proudem při použití kartáčovaných stejnosměrných motorů jako generátorů.

Základy

Když se rotor motoru otáčí v magnetickém poli, elektromotorická síla indukuje napětí na vinutí rotoru. Toto se nazývá „zpětné EMF“ a konstantní zpětné EMF motoru je K_E (udává se v mV/ot./min.) naleznete v jeho specifikacích. Zpět EMF (U_I) je přímo úměrná úhlové rychlosti otáčení hřídele motoru ω a vypočítá se podle vzorce:

Když motor pracuje jako generátor, hřídel je mechanicky spojena s externím zdrojem, který jím otáčí, což způsobuje, že se segmenty vinutí rotoru otáčí v sinusově se měnícím magnetickém toku ve vzduchové mezeře. Při každém otočení vinutí rotoru se indukuje sinusové napětí, jehož velikost je určena rychlostí otáčení a vazbou toku. Pokud se například vinutí rotoru skládá z jedné otáčky, pak má indukované EMF tvar sinusoidy s periodou rovnou jednomu elektrickému cyklu.

Rotory kartáčovaných stejnosměrných motorů jsou navinuty v lichém počtu segmentů (3, 5, 7 atd.) a napájejí vinutí přes dvojici kartáčů. Když se hřídel otáčí v generujícím režimu, generované zpětné EMF napětí se měří na výstupních svorkách. V závislosti na charakteristikách motoru, včetně počtu segmentů vinutí, je zvlnění napětí obvykle menší než 5 % výstupního napětí.

Výstupní napětí je funkcí rychlosti hřídele, takže při výběru motorů pro použití jako generátory je konstantní zpětný EMF K_E musí splňovat vzorec (1). Bez zohlednění zatížení musí být konstantní zpětná EMF vinutí větší než ωU_I. Pokud dosažitelné otáčky hřídele neumožňují získat dostatečné zpětné EMF, lze přidat vhodný redukční převod pro zvýšení otáček hřídele motoru, pokud nejsou překročeny maximální přípustné parametry otáček motoru.

Svorkové napětí, maximální proud a zátěžový odpor

Obrázek 1 ukazuje, že napětí U_T, který se objevuje na svorkách motoru, je přímo úměrný úhlové rychlosti rotoru při zatížení R_ZATÍŽENÍ není připojen ke kolíkům. V tomto stavu je proud procházející motorem nulový. Při připojení zátěže teče proud a napětí klesá v závislosti na celkovém odporu zátěže. S připojenou zátěží a procházejícím proudem I_ZATÍŽENÍ napětí U_T na kolících je definován jako:

Jak se zatěžovací proud zvyšuje při pevné úhlové rychlosti hřídele motoru, napětí na jeho svorkách klesá. Když se zadní EMF rovná poklesu odporového napětí na svorkách, napětí na nich bude nulové.

Obrázek 2 ukazuje zátěžový proud versus svorkové napětí ideálního kartáčovaného stejnosměrného motoru použitého jako generátor. Když nejsou svorky motoru připojeny, napětí U_T a U_I jsou stejné a vinutím rotoru neprotéká žádný proud. Pokud jsou svorky zkratovány, obvodem protéká maximální proud a napětí U_T se rovná nule.

Maximální proud obvodu lze vypočítat takto:

Jak se zvyšuje úhlová rychlost hřídele motoru, přičemž všechny ostatní parametry zůstávají nezměněny, graf se posouvá doprava a udržuje sklon s rostoucími hodnotami jako U_Ia já_MAX. Ve výše uvedeném vzorci (5) je vlastní odpor vinutí motoru R_ROTOR je faktor omezující maximální proud pro režim generátoru. Pokud odpor R_ROTOR je vysoká, zvyšuje se citlivost generátoru a změny výsledného napětí v závislosti na odebíraném proudu způsobují nestabilitu systému. Motor s vyšším konstantním zpětným EMF a nižším odporem však poskytuje stabilní provoz.

Rovnováha točivého momentu a výkonu hřídele

Když motor pracuje jako generátor s otevřeným okruhem, neteče obvodem žádný proud a mechanické tření vytváří ztráty v pohonné jednotce. Tento stav je podobný motoru běžícímu bez zatížení.

Vzorec pro točivý moment (M) pro motor je:

K_T – konstanta točivého momentu (N•m/A),
I – proud motoru naprázdno (A).

Generátor musí být poháněn zařízením s kroutícím momentem schopným produkovat požadovaný proud vinutím se svorkami připojenými k zatěžovacímu odporu R_ZATÍŽENÍ. Volba motoru je omezena maximálním točivým momentem, který může být aplikován na hřídel v režimu generátoru. Provozní režim kartáčovaného stejnosměrného motoru je omezen maximálním trvalým momentem (tepelným a mechanickým) a maximálními trvalými otáčkami (mechanickými a elektrickými). Výběr motoru generátoru, který zvládne točivý moment hřídele a zvládne maximální proud ve svém obvodu, je podobný procesu výběru motorů na základě požadovaných bodů zatížení.

V ustáleném stavu může být mechanický příkon generátoru reprezentován jako

Výstupní elektrický výkon pro libovolné hodnoty zatěžovacího proudu a napětí na svorkách může být reprezentován plochou obdélníku pod nakloněnou čarou, jak je znázorněno na obrázku 2:

Výstupní výkon dosáhne svého maxima, když napětí U_T je polovina U_I. V tomto okamžiku je zatěžovací proud I_ZATÍŽENÍ rovná polovině maximálního proudu I_MAX, proto,

Výběr motoru pro generátor by neměl být založen pouze na hlediscích výkonu. Ideálně P_MAX musí být vždy větší než požadovaný elektrický výstupní výkon generátoru. V závislosti na velikosti výstupního proudu se může bod zatížení na obrázku 2 pohybovat podél osy x. Tedy skutečný výstupní výkon P_AKTUÁLNÍ může být menší než P_MAX. Při výběru motoru pro použití jako generátor je třeba vzít v úvahu výkon P_AKTUÁLNÍ, ne P_MAX. To může vyžadovat výběr motoru s vyšším jmenovitým výkonem.

Účinnost generátoru lze určit jako

Výběr motoru pro použití jako generátor

Příklad 1:

Tato případová studie zkoumá výběr kartáčovaného stejnosměrného motoru řady Portescap Athlonix pro aplikaci generátoru. Zadní EMF konstanta motoru Athlonix řady 17 DCT s vinutím 209P je 1.17 mV/ot./min. Charakteristiky motoru jsou znázorněny na obrázku 3. Pokud je tento motor použit jako generátor s otáčkami hřídele 5,000 1 ot./min., výstupní zpětné emf podle vzorce (5.85) bude XNUMX V.

Maximální zatěžovací proud protékající obvodem při zkratu bude

Tato hodnota I_MAX překračuje maximální povolený trvalý proud motoru (0.55 A). To může být přijatelné pro přerušovaný provoz s ohledem na tepelnou časovou konstantu motoru a očekávaný pracovní cyklus. Pro nepřetržitý provoz generátoru se však doporučuje použít zatěžovací odpor R_ZATÍŽENÍ, vybrané na základě vzorce

I_KONT – maximální trvalý proud motoru,
R_ROTOR – vlastní odpor vinutí motoru.

Pokud tedy generátor používá zátěž, jejíž odpor přesahuje 3 ohmy, je vinutí 209P vhodné pro vstupní otáčky do 5,000 ot./min. Pokud nelze použít zátěžový odpor z důvodu mechanických nebo technických omezení nebo pokud jsou vstupní otáčky vyšší než 5,000 211 ot./min., je třeba zvolit jiné vinutí. Například XNUMXP vinutí může být pro tento požadavek lepší volbou.

Příklad 2:

Konstantní zpětná EMF motoru Portescap 16C18 s vinutím 205P je 0.70 mV/ot./min. Při volnoběžných otáčkách při 10,000 7.0 ot./min je výstupní napětí na svorkách motoru XNUMX V.

Při zkratu je maximální proud, který může protékat vinutím,

což je menší než maximální trvalý proud motoru I_KONT. Proto je použití tohoto motoru jako generátoru při otáčkách hřídele 10,000 XNUMX ot/min přípustné bez zohlednění odporu vnější zátěže.

Výstupní charakteristiky motoru 16C18 při různých otáčkách hřídele jsou znázorněny na obrázku 4.

Vyplněný obdélník na grafu označuje oblast nepřetržitého provozu. Při přerušovaném provozu je třeba vzít v úvahu maximální teplotu přehřátí, maximální otáčky hřídele, mechanická omezení motoru a životnost generátoru.

Grafy na obrázcích 5 a 6 ukazují, že účinnost motoru 16C18 je relativně vyšší při nižším proudu generátoru. Při maximálním výstupním výkonu se účinnost blíží 50 %. V ideálním případě byste měli vybrat generátor s provozním bodem blízkým bodu maximální účinnosti. To minimalizuje systémové ztráty a snižuje mechanický vstupní výkon potřebný k dosažení požadovaných výstupních napěťových a proudových charakteristik.

Mnoho lidí věří, že kartáčovaný stejnosměrný motor fungující jako generátor není tak účinný jako při provozu jako motor. Použití vhodného motoru při volbě vhodné zátěže a provozní rychlosti však zajistí dostatečně vysokou účinnost. Při určování pracovních bodů je třeba vždy vzít v úvahu elektrické a mechanické faktory.

Slovníček pojmů

I_KONT – maximální trvalý proud motoru
I_ZATÍŽENÍ – zatěžovací proud
I_MAX – maximální proud
I – proud motoru naprázdno
K_E – konstantní zpětné EMF motoru
K_T – konstantní točivý moment
M – točivý moment motoru
P_AKTUÁLNÍ – skutečný výstupní výkon
P_ELEC – elektrický výstupní výkon
P_MECH – vstupní mechanický výkon
P_MAX – maximální výstupní výkon
R_ROTOR – vlastní odpor vinutí motoru
R_ZATÍŽENÍ – odolnost proti zatížení
R_DOHROMADY – celkový odpor, součet odporu rotoru a jeho zatížení.

Související materiály

1. Datasheet Portescap 17DCT Athlonix
2. Datový list Portescap 16C18

Překlad: AlexAAN na objednávku RadioLotsman

Při výběru elektrického nářadí je velmi důležité pochopit, jaký typ motoru se uvnitř zařízení používá. Kartáčované a bezkomutátorové motory jsou dvě hlavní možnosti, z nichž každá má své výhody a nevýhody. Co je lepší pro vaše úkoly? Pojďme na to přijít.

<img src=”https://e-ukrservice.com/image/catalog/riznytsja-mizh-shchitkovym-i-bezshchitkovym-dvygunom.jpg” />Princip fungování: co je uvnitř?

Kartáčové motory

Kartáčovaný motor je tradiční typ elektromotoru, který využívá kartáče a komutátor k přenosu elektrického proudu do vinutí rotoru. Kartáče, obvykle vyrobené z uhlíku, se posouvají po rotujícím komutátoru a poskytují proud. To vytváří magnetické pole, které interaguje s polem statoru a způsobuje pohyb rotoru.
Výhody:

• Jednoduchá konstrukce.
• Nízké výrobní náklady.
• Snadnost oprav a údržby.
• Vysoký rozběhový moment.

Nevýhody:

• Kartáče se časem opotřebovávají a vyžadují výměnu.

Bezkomutátorové motory
Bezkomutátorový stejnosměrný motor neboli BLDC je modernější typ elektromotoru, který nemá kartáče a komutátor jako u tradičních motorů. Místo toho se řízení provádí pomocí elektronického ovladače, který spíná proud ve vinutí statoru a vytváří rotující magnetické pole. Toto pole uvádí do pohybu rotor, na kterém jsou instalovány permanentní magnety.
Hlavní předností bezkomutátorových motorů je vysoká účinnost, spolehlivost a životnost. Absence kartáčů eliminuje tření a opotřebení, což snižuje náklady na údržbu a motor je tišší a energeticky účinnější. Navíc jsou kompaktní, odolné proti přehřátí a poskytují vysoký točivý moment v malé velikosti.

Bezkomutátorové rotory motorů používají různé typy magnetů, z nichž každý má jedinečné vlastnosti. Výběr konkrétního magnetu je dán požadavky motoru, včetně výkonu, rychlosti, teplotních podmínek a velikosti.
Neodymové magnety (NdFeB) mají nejvyšší magnetickou energii ze všech permanentních magnetů, díky čemuž jsou ideální pro vytváření kompaktních a výkonných motorů. Poskytují vysokou zbytkovou indukci a donucovací sílu. Tyto magnety jsou však citlivé na zvýšené teploty, které mohou způsobit demagnetizaci.
Samarium kobaltové magnety (SmCo) jsou známé svou tepelnou stabilitou a schopností zachovat si magnetické vlastnosti při vysokých teplotách. Mají vysokou odolnost proti demagnetizaci díky své značné koercitivní síle. Takové magnety jsou však dražší než neodymové a mají menší magnetickou energii. Často se používají v motorech pracujících za extrémních teplotních podmínek.
Feritové magnety jsou nejdostupnější možností, vyznačující se nízkou cenou a vysokou odolností proti korozi. Mají však nízkou magnetickou energii a zbytkovou indukci, což omezuje jejich použití v motorech s vysokými nároky na výkon. Tyto magnety se používají v zařízeních s nízkým výkonem, kde napájení není prioritou.
Výhody:

• Odolnost díky absenci nošení kartáčů.
• Vysoká účinnost a úspora energie.
• Tichá práce.
• Kompaktní a lehký.
• Méně tepla

Nevýhody:

Kde se tyto motory používají?

• Štětec. Nejčastěji se vyskytuje v levných modelech elektrického nářadí, kde není vyžadován vysoký výkon.
• Bezkartáčový. Nástroje vybavené takovým motorem jsou obvykle dražší a jsou oblíbené v profesionální oblasti.

Jak vybrat motor pro vaše potřeby?

Pokud vybíráte zařízení pro domácí použití nebo drobné úkoly, kartáčovaný motor může být díky nízké ceně skvělou volbou. Pokud však potřebujete nástroj pro těžkou práci, je lepší investovat do bezkomutátorové technologie, která déle vydrží a poskytne lepší výkon.

Příklad výběru elektrického nářadí

Představte si, že vybíráte šroubovák. Pokud potřebujete zašroubovat pár šroubů k opravě nábytku, ideální bude levný model s kartáčovaným motorem. Ale pro profesionální stavbu nebo dlouhodobé používání je bezkomutátorový motor nutností.

Výsledky: co si vybrat?

Rozdíl mezi kartáčovanými a bezkomutátorovými motory je tedy významný. Výběr závisí na vašich potřebách a rozpočtu:

• Kartáčovaný motor. Cenově výhodné, snadno opravitelné, vhodné pro krátkodobé použití.
• Bezkartáčový motor. Odolný, energeticky účinný, ideální pro intenzivní používání.

Srovnávací tabulka kartáčovaných a střídavých motorů

Začněte hned!

Rozhodněte se, jaké úkoly potřebujete vyřešit, a vyberte si zařízení s vhodným motorem. Jste připraveni posunout svou efektivitu a spolehlivost na další úroveň? V internetovém obchodě TD Ukrservis naleznete široký sortiment elektrického nářadí, které splňuje nejvyšší standardy kvality. V našem internetovém obchodě si můžete zakoupit bezkartáčové vrtačky a šroubováky, úhlové brusky, příklepové vrtačky, příklepové vrtačky, přímočaré pily, přímočaré pily, brusky a stavební vysavače a také si vybrat tradičnější modely s kartáčovými (sběrnými) motory. Nabízíme loajální cenovou politiku, profesionální odborné poradenství, rychlé zpracování a doručení objednávek po celé Ukrajině pohodlnými přepravními společnostmi a také možnost vlastního vyzvednutí na našich odběrných místech ve Vinnici a Kyjevě.