Асинхронный двигатель с внешним ротором

Электродвигатели с постоянным возбуждением основаны на постоянных магнитах в связи с их функцией. Особенно сильные магниты могут быть произведены в процессе спекания из соединений с редкоземельными материалами, такими, как кобальт и самарий или неодим, железо и бор. После искусственного дефицита этих материалов и, в результате, резкого роста затрат, цены сейчас снова падают. Однако, так как в настоящее время по-прежнему Китай контролирует большую часть поставляемого количества, необходимо продолжать считаться с резкими колебаниями цены. Кроме того, их наличие не гарантируется.

При этом, в будущем, затраты на редкоземельные магниты будут пустяковыми, но трудными для расчета производителями электродвигателей. Поэтому электродвигатели с постоянным возбуждением, которые являются особенно энергосберегающими, часто рассматриваются как дорогие в пользовательских кругах. Это не обязательно так, однако, каждый электрический привод с высокой эффективностью действительно зависит от мощных редкоземельных магнитов. ЕС-моторы с внешним ротором, например, которые используются в энергосберегающих вентиляторах, обходятся «простыми», экономически эффективными и, прежде всего, легко доступными ферритовыми магнитами, и они делают это с эффективностью более 90% в некоторых случаях.

Что такое ЕС мотор?
Поскольку термины в приводной технике не обязательно всегда используются с ясными и недвусмысленными определениям, имеет смысл во-первых выяснить, какие двигатели на самом деле имеются в виду в связи с обсуждением редких земель. Будь это бесщёточный привод постоянного тока (BLDC двигатель), BLPM двигатель или EC двигатель, это всегда означает, что это синхронный двигатель с постоянным возбуждением, который работает с силовой электроникой — питаемой от бытовой электросети или с источником питания постоянного тока. Так называемые BLDC/BLPM двигатели обычно работают с прямоугольными токами (блочная коммутация). ЕС-моторы могут работать с прямоугольными токами, а также с синусоидальными токами (синусоидальная коммутация). В последнем случае достигается значительное снижение уровня шума по сравнению с блочной коммутацией. Конструкция с синусоидальными токами соответствует классическому синхронному двигателю. Основные функции ЕС мотора легко понятны (рис. 1):

Ротор с постоянными магнитами вращается синхронно с вращающимся полем статора. В отличие от питающегося от сети асинхронного двигателя, частота вращения ротора не связана автоматически с частотой напряжения питания, но предопределена тем, что называется электронной коммутацией. Поэтому работа EC двигателя всегда требует дополнительной электроники. Именно она определяет угловую скорость вращающегося магнитного поля, в котором синхронно с ним вращается ротор. Корреляция между напряжением и скоростью, а также между током и моментом в основном линейная. Следовательно, в отношении его характеристики крутящий момент/скорость, двигатель работает как двигатель с параллельным возбуждением (DC shunt motor). Для определения положения ротора, либо в мотор встраиваются датчики положения ротора, либо электронный коммутатор измеряет положение ротора без датчиков через его параметры — напряжение на роторе или ток двигателя. Холостой ход зависит от приложенного напряжения и числа витков обмотки статора.

Таким образом, в пределах, которые определяются физическими параметрами (например, выходная мощность, крутящий момент, температура и т.д.), может быть реализована без проскальзывания почти произвольная рабочая скорость (синхронная с вращающимся магнитным полем статора), которая даже может быть выше частоты сети, в отличие от асинхронного двигателя.
Например, если работает вентилятор с EC двигателем, скорость может быть всегда адаптирована в соответствии с требованиями системы вентиляции или процесса. Следовательно, при частичной нагрузке потребление энергии может быть значительно уменьшено, потому что требуемая мощность вентилятора изменяется как третья степень от скорости. Помимо этого, ЕС двигатели имеют существенно более высокую эффективность (рис. 2), чем двигатели переменного тока, как при частичной, так и при полной нагрузках, и они обычно имеют меньшие размеры. Причиной этого является то, что EC двигатели не требуют тока намагничивания, текущие потери тепла ротора исчезают, и возможно реализовать специальную компоновку обмотки (single-tooth winding / toothcoil winding). Даже если обсуждение редкоземельных магнитов не в пользу этих двигателей, они просто лучший выбор с точки зрения энергоэффективности.

Динамические требования определяют выбор магнитов
С ЕС-моторами вас не вынуждают полагаться на мощные редкоземельные магниты, потому что их превосходные магнитные качества действительно необходимы только для очень динамичных сервоприводов, таких, как те, которые используются в робототехнике. С одной стороны, здесь необходимы компактные размеры, с другой стороны, однако, чтобы минимизировать момент инерции, требуется минимально возможная масса ротора. Эти требования могут быть достигнуты только с высокой остаточной намагниченностью и высокой коэрцитивностью редкоземельных магнитов. Поэтому сегодня производители таких сервоприводов в первую очередь сосредоточили внимание на сокращении необходимой массы и высоты магнита с помощью сложных оптимизаций, и они уже достигли здесь очень значительной экономии.

Специалисты по двигателям и вентиляторам компании ebm-papst Mulfingen со своими вентиляторами, которые оснащены энергосберегающими GreenTech EC двигателями, даже не сталкивались с этой проблемой. Несмотря на свою высокую эффективность, эти приводы сделаны без редкоземельных магнитов. Ключевым для этого является принцип двигателя с внешним ротором:

Ротор находится на внешней стороне

Здесь часть двигателя находится в покое, статор расположен внутри и окружен частью, которая движется, ротором (рис.3). Расположенный снаружи ротор вращается вокруг внутреннего статора. При таком расположении, мотор с внешним ротором может достичь более высокого крутящего момента, чем с внутренним ротором при той же длине модуля, той же самой магнитной системе и той же толщине магнита. При удачном использовании степеней свободы в области вентилятора, двигатель с внешним ротором с использованием магнитотвердых ферритовых магнитов может достичь крутящего момента и эффективности, которых двигатель с внутренним ротором может добиться только с редкоземельными магнитами с ограниченными степенями свободы (объём, масса). В отличие от сервоприводов, вентиляторы не требуют высокой динамики. Совсем наоборот; определенный момент инерции очень желателен для вентиляторов, чтобы иметь плавный запуск и определённую динамику. Поэтому можно без дальнейшей суеты отказаться от редкоземельных магнитов и использовать ферритовые магниты, которые не только значительно более рентабельным, но и имеют стабильные цены на рынке из-за их доступности.

Конструкция двигателя с внешним ротором является выгодной для вентиляторов также и в другом отношении, а именно, осевые или центробежные колёса могут быть установлены на вращающихся роторах, непосредственно на «корпусе» двигателя (рис. 4). Компактные размеры, особенно в осевом направлении, являются следствием этого и охлаждение становится проще, когда двигатель может использовать воздух, вытесняемый вентилятором, для собственного охлаждения. Конструкция с синусоидальной коммутацией также обеспечивает особенно низкий уровень шума. Следовательно, энергоэффективные GreenTech ЕС-вентиляторы совершенно не зависят от рыночной тенденции редкоземельных магнитов.

• Асинхронные электродвигатели с внешним ротором
• Ассортимент продукции включает 9 типовых размеров в диапазоне мощности от 0,1 до 7 кВт и 2 конструктивных исполнения для фланцевого или осевого крепления
• Входное напряжение: 1

230 В/400 В D/Y 50 Гц, специальные напряжения и 60 Гц на заказ

Помехоэмиссия IP44, IP54

Качества и особенности:

• Компактная и занимающая небольшое пространство при установке модель с внешней конструкцией ротора
• Проверенная концепция привода — износостойкий электрический двигатель с короткозамкнутым ротором
• 100 % контроль скорости с преобразователем частоты (рекомендация: ZA Fcontrol)

для настоящих автомобилистов

Электродвигатели, работающие на том же законе, что и электромеханический преобразователь Якоби, тем не менее существенно от него отличаются. Электродвигатели разных типов обладают отличительными свойствами, которые обуславливают их область применения, в которой они наиболее полезны. Электрические двигатели становятся мощнее и компактнее, к тому же, их КПД значительно вырос. Так коэффициент полезного действия современного тягового электродвигателя может составлять 85-95 % в то время как максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания без вспомогательных систем едва дотягивает 45 %. Вот о том, какими бывают асинхронный и синхронный электродвигатели в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

Асинхронный электродвигатель

Асинхронный электродвигатель — основной привод, используемый в промышленности. К примеру, в автомобилестроении он исполь­зуется в электроусилителях рулевого управ­ления и в гибридных автомобилях. В следую­щем разделе представлена концепция работы асинхронного двигателя как индукционной машины. Приведен также энергетический анализ асинхронного двигателя в силу его явного преобладания среди приводов.

Устройство асинхронного электродвигателя

Различают двигатели с внешним ротором и внутренним ротором. У двигателей с внеш­ним ротором статор находится внутри ро­тора, у двигателей с внутренним ротором наоборот — ротор находится внутри статора. На принципиальной схеме (рис. «Принцип работы асинхронного двигателя» ) показана принципиальная схема асинхронного двига­теля с внутренним ротором.

Ротор состоит из короткозамкнутого кар­каса с пакетом пластин (рис. «Короткозамкнутая клетка асинхронного электродвигателя» ), в качестве примера с четырьмя короткозамкнутыми стержнями). Пакет пластин полностью за­полняет пространство короткозамкнутого каркаса (на рис. не показано). Он состоит из отдельных стальных листов, изолированных друг от друга, чтобы свести к минимуму по­тери вихревых токов.

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя

Обмотка статора создает вращающееся поле с трехфазным переменным током. Между скоростью вращающегося поля и скоростью ротора возникает разница, создающая индук­цию магнитно-эффективного тока в роторе, которая в свою очередь способствует созда­нию крутящего момента.

Физический принцип работы основан на законе магнитной индукции. На рис. «Двухполосный короткозамкнутый ротор» изо­бражен ротор в виде упрощенного проводя­щего контура на вращающихся креплениях. Относительное перемещение между стато­ром и ротором описывает угловая частота (o_s. Магнитное поле В_Е с угловой частотой, окру­жающее контур ротора, наводит напряжение в короткозамкнутом роторе в соответствии со вторым уравнением Максвелла:

ΦEds = -d/dt ∫∫ B_EdA (уравнение 12)

На основании этого уравнения и конструк­тивных переменных двигателя (см. рис. 13) получаем:

Е = I · А_nom /к (к — удельная электро­проводность), напряжение создает магнитно­эффективную мощность

в проводящем контуре, магнитное поле ко­торого

и плотность потока (магнитная индукция)

ослабляет исходное вращающееся поле В_Е (индуктивное сопротивление). Нижеследую­щее уравнение применимо для получения результирующей магнитной индукции:

B_R = B_E-B_ind

В уравнении Максвелла (уравнение 13) вме­сто В_Е остается результирующая магнитная индукция B_R. На проводящий контур воздей­ствует тангенциальная сила F_t:

F_t = i l B_R sin(ω_st) (уравнение 15)

(сила Лоренца). Она используется для вычис­ления крутящего момента. Для уравнений 14 и 15 справедливо следующее:

На рис. «Распределение крутящего момента асинхронного двигателя» показаны две характеристические кривые. Одна из них отображает крутящий момент под влиянием индуктивного сопротивления. На него может повлиять геометрия вала ротора и выбор материалов. Другая кривая отображает крутящий момент без влияния индуктивного сопротивления. Это ограниченный случай для технической реа­лизации.

При увеличении угловой частоты индук­тивное сопротивление сначала приводит к увеличению крутящего момента вплоть до достижения переломного момента. Это максимально возможный крутящий момент двигателя. Впоследствии он падает из-за увеличивающегося влияния индуктивного сопротивления. Рассеяние мощности Р_v, воз­никающее в проводящем контуре, вычисля­ется на основе сопротивления проводящего контура R_s и тока, наведенного в контуре i_s:

Таким образом, рассеяние мощности растет пропорционально квадрату наведенного тока.

Классы эффективности двигателей

СЕМЕР Европейский Комитет изготовителей электродвигателей и силовой электроники) ввел классификацию эффективности на базе трех классов (EFF1, EFF2 и EFF3). Классы эф­фективности применяются к трехфазным асинхронным двигателям с двумя и четырьмя полюсами, а также с выходной мощностью от 1,1 до 90 кВт (рис. «Эффективность и выходная мощность» ).

Синхронный электродвигатель

Синхронные электродвигатели используются, в основном, в качестве генераторов пере­менного тока с клювообразными полюсами. В качестве электродвигателей они использу­ются, например, в электроусилителях руля, в электроприводах гибридных автомобилей и в электроприводах турбонагнетателей.

Устройство синхронного электродвигателя

В отличие от асинхронного двигателя, в син­хронном ротор вращается синхронно с по­лем возбуждения с угловой скоростью ω_ΦS. Магнитный поток Ф_R, создаваемый обмот­кой ротора, и магнитный поток статора Ф_S накладываются друг на друга относительно результирующего магнитного потока Ф_RS (рис. «Базовая конструкция синхронного двигателя» ):

Поскольку ротор и статор работают на­много ниже уровня магнитного насыщения (μ_r—> ∞), воздушный зазор δ между ротором и статором, а также угол а определяют сопро­тивление магнитной цепи R_m.

R_m = 2δ/μ A_r = 2d/μ A_r cosa (уравнение 16).

Коэффициент 2 используется потому, что между ротором и статором имеются два за­зора. Если электродвигатель выдает крутя­щий момент, то ротор вращается с углом а из положения холостого хода (рис. «Силы на роторе» ).

Результирующий магнитный поток Ф_RS рассчитывается по формуле:

При R_m из уравнения 16 имеем:

При Θ_er = NI_er получаем:

Ф_RS = N I_er μ A_r cosa+2d Ф_S /2d (Уравнение 17).

Θ_er — это магнитное «захлебывание» ротора, а I_еr — ток возбуждения, подаваемый на ро­тор через контактные кольца. Влияющая на крутящий момент тангенциальная сила F_t вычисляется по формуле полюсной силы Максвелла:

Тангенциальная сила используется для вычисления крутящего момента двига­теля М_M:

M_M = 2F_t r (уравнение 19).

Уравнение 17 вставляется в уравнение 18 и результат в уравнении 19 дает следующую зависимость:

М м =-(r sin а/ μ 0 A r d 2 )· [ (N I er μ 0 A r cosa) 2 +4 N I er μ 0 A r d Ф S cosa + 4 d 2 Ф _S 2 ]

Первый член зависит только от тока воз­буждения I _er и соответствует моменту от зубцовых гармонических помех поля. Второй член создает момент двигателя в решающей степени. Здесь можно увидеть линейную за­висимость «захлебывания» ротора Θ = I_erN и магнитного потока статора Ф_s. Третий член также создает крутящий момент и зависит лишь от магнитного потока статора.

Рост внешнего нагружающего момента приводит к увеличению угла нагрузки а и, стало быть, к изменению момента двига­теля М_м (рис. «Кривая момента и угла отклонения» ). Максимальный создавае­мый двигателем момент обозначается как М_к в положении а_к. При превышении а_к электро­двигатель «буксует».

Рабочие характеристики синхронного электродвигателя

Схема синхронного двигателя может быть выполнена в виде однофазной эквивалент­ной электрической схемы, где источником напряжения считается напряжение, инду­цируемое ротором в статоре (напряжение на полюсном колесе U_p, а остаточные ин­дуктивные сопротивления складываются, образуя синхронное сопротивление Х_S (рис. «Однофазная эквивалентная электрическая схема синхронного электродвигателя» ). Напряжение сверх синхронного сопро­тивления обозначается как U_s, а напряжение на клеммах — U. Направление тока указыва­ется в соответствии с системой стрелок для устройств-потребителей. В то время как при работе двигателя ток течет к потребителям, при работе генератора он течет от генератора. Составив сеточное уравнение, получаем ток I

На напряжение на полюсном колесе влияет ток возбуждения. Формулы выводятся ниже. Имеем:

При косинусоидальном магнитном потоке Ф_R и

включая его временное дифференцирова­ние, получаем:

Интенсивность создаваемого в роторе маг­нитного поля описывается законом Ампера. Напряжение на полюсном колесе:

в этом случае будет линейно зависимым от тока возбуждения I_{er .} Временно изменяемое напряжение на полюсном колесе преобразуется в эффективное по формуле:

На базе сеточного уравнения (уравнение 20) можно вывести три рабочих со ия син­хронного двигателя в зависимости от напря­жения на полюсном колесе (рис. «Рабочее состояние синхронного двигателя» ):

Первый случай имеет место, пока U_P U приводит к третьему случаю (из­быточное возбуждение).

Все три случая относятся к работе двига­теля и генератора. Для однофазной эквива­лентной электрической схемы напряжение и ток обозначаются стрелками. Кроме того, определяется нагрузочный угол β между на­пряжениями U и U_s. Для работы двигателя нагрузочный угол β а = 2π n/m

Задача обмоток — создание вращающегося поля. Асинхронные двигатели имеют такую же конструкцию статора. В воздушном за­зоре должно создаваться магнитное поле с постоянной амплитудой, вращающееся с по­стоянной угловой скоростью. Чтобы создать это поле, временные положения фаз токов должны совпадать с пространственными по­ложениями соответствующих ветвей. У про­стой симметричной системы (п = 1) с т = 3 три ветви (обозначаемые как U, V и W) и, следовательно, обмотки должны быть равно­мерно распределены по окружности. На рис. «Обмотка двухполюсного двигателя с одной парой полюсов на каждую ветвь» показано расположение обмотки с тремя ветвями, с одной катушкой на каждую пару полюсов и ветвь. Схемы соединений фаз регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8.

Создание вращающегося поля

Чтобы создать вращающееся поле в случае с простой симметричной системой (п = 1) с ко­личеством ветвей т = 3, ветви должны быть геометрически смещены на электрически эф­фективный угол:

При одной катушке на каждую пару полюсов и ветвь создаваемое магнитное поле враща­ется против часовой стрелки, при этом «ин­дикаторная полоска», смещающаяся вправо на рисунке а, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» (при а = 90°), показывает ток фазы в каждой из ветвей на рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» в на­правлении магнитного потока. Расположение образует пару полюсов. Соответствующие магнитные потоки проходят вертикально к плоскости ветвей обмотки (рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»).

Поток Ф_Res (рис. с, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»), получаемый из трех ветвей, а также его направление достигаются геометрическим сложением трех отдельных потоков Ф_U, Ф_V И Ф_W.

Продвижение индикаторной полоски на угол а = 180° приводит к реверсированию на­правления тока в ветви W и, следовательно, к дальнейшему повороту созданного поля Ф_Res вправо (рис. «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь 2»).

При использовании двух катушек на одну ветвь расположение проводников «удваива­ется». Если обмотка должна образовывать две пары полюсов (р = 2), то обмотки необ­ходимо делить на группы (рис. «Обмотка с двумя парами полюсов на каждую ветвь» ). При этом устанавливается механически эффективный угол:

Электрически эффективный угол остается без изменения. В случае как двухполюсного, так и четырехполюсного расположения поле вращается против часовой стрелки (рис. «Создание вращающегося поля с двумя катушками на ветвь» ). Чаcтоту вращения поля:

можно вычислить на основании частоты в линии f_n и количества пар полюсов р. При р = 1 частота вращения поля равна частоте в линии (табл. «Частота вращающихся полей» ).

Вместе с количеством пар полюсов можно вычислить межполюсное расстояние:

как долю окружности статора, где d_si — вну­тренний диаметр статора. Он соответствует длине синусоидальной полуволны, которая соответствует распределению индукции поля ротора. В случае с двухполюсным двигате­лем (р = 1), межполюсное расстояние всегда равно a_ei = 180° (электрический угол) и со­впадает с механическим углом a_m. Взаимо­зависимость этих двух углов показывает угол a_ei=p—a_m. Чтобы в обмотках наводилось одинаковое напряжение, ветви обмотки должны быть смещены относительно друг друга на угол a_ei = 120° или 2 τ_p / 3, а структура и количество катушек должны быть одина­ковыми. На каждую ветвь приходится одна треть межполюсного расстояния.