Мотор в качестве электромагнитного тормоза

Я занимаюсь разработкой бесколлекторных моторов в компании Impulsor. В последнее время к нам часто обращаются для разработки мотора/генератора, который будет выступать в качестве тормоза. В данной статье я расскажу об особенностях такого применения моторов, какие при этом преимущества и недостатки, и как реализовать такой режим работы.

Преимущества и варианты использования

Использование мотора в качестве тормоза даёт ряд преимуществ и параметров, которых не достичь, используя другие, доступные на данный момент, виды тормозов. Однако у данного подхода есть и недостатки.

Режимы работы

Для электромагнитного тормоза доступны 3 режима торможения, они различаются тем, куда идёт энергия от торможения:

1. Режим замыкания

Это самый простой режим. В нём контакты мотора просто замыкаются, и тормозная мощность выделяется на сопротивлении обмотки мотора. Моторы изначально спроектированы с уклоном на охлаждение и к тому же они обладают достаточно большой массой и теплоёмкостью. Это позволяет достаточно интенсивно использовать такой режим без доработок мотора/генератора.

Для реализации данного режимы достаточно диодного моста и механического (кнопки, рубильника или реле) или электронного ключа (MOSFET, IGBT). Для корректировки тормозного усилия применяется ШИМ, который задаёт скважность открытия ключа. Схема подключения выглядит следующим образом:

Данный режим имеет интересную особенность. С ростом оборотов максимальный тормозной момент будет падать. Это связанно с тем, что обмотка мотора имеет значительную индуктивность и с ростом оборотов, растёт и частота токов. В результате реактивное сопротивление обмотки превысит активное и мощность потерь будет ниже максимально возможной для этого мотора. Характерная зависимость максимального тормозного момента от оборотов показана на графике ниже:

Несмотря на то, что любой готовый мотор можно сразу использовать в таком режиме, такой режим не позволит раскрыть весь потенциал изделия. Однако характеристики работы тормоза в таком режиме можно значительно повысить, есть его изначально проектировать как тормоз.

У этого режима есть ещё один важный недостаток. Из-за быстрого и резкого замыкания и размыкания обмоток будут возникать сильные электромагнитные помехи. Также диодный мост должен быть рассчитан на большие импульсные токи.

2. С внешней нагрузкой

В данном режиме основным источником выделения тепла от торможения служит внешнее сопротивление. Этот режим гораздо более эффективный, так как тормозная мощность более не ограниченна теплоотводом тепла мотора, а радиатор на сопротивлении можно сделать сколь угодно большим. Кроме того, если правильно подстраивать величину сопротивления, то максимальный тормозной момент будет выше, чем просто при замыкании и чем выше обороты, тем существеннее это будет проявляться.

Для реализации данного режима также необходим диодный мост, но после него включается либо механический реостат, либо биполярный транзистор со схемой контроля тока, либо сопротивления (схема электронной нагрузки). Схема подключения выглядит следующим образом:

При малой величине внешнего сопротивления относительно сопротивления мотора, характер тормозного момента будет близок к первому режиму. При увеличении сопротивления точка пикового момента будет смещаться к большим оборотам, и максимальная тормозная мощность будет расти. Динамика изменения тормозного момента с ростом сопротивления нагрузки показана на графике ниже:

Данный режим позволяет получить на нужном диапазоне рабочих оборотов участок, на котором тормозной момент возрастает с ростом оборотов. Этот режим работы крайне удачный, так как он позволяет стабилизировать обороты или ограничить их. Образуется стабильная система с обратной связью.

3. Рекуперация

Данный режим самый сложный в реализации. Он требует контроллера (ESC) наподобие тех, что применяется для управления бесколлекторными моторами BLDC. Но при этом данный режим и самый эффективный. Он способен устранить большинство недостатков тормоза такого типа. Так, например, контроллер позволит полностью блокировать вал мотора, он позволит использовать тормоз одновременно в режиме генерации и контролируемого торможения и в данном режиме можно достигнуть тормозных моментов значительно выше, чем в предыдущих 2х.

В данной статье я не буду подробно описывать устройство контроллера и алгоритмы его работы, т.к. эта тема для отдельной статьи, а возможно и не одной. Для желающих разобраться в данном вопросе можно изучить принцип работы контроллера в электротранспорте (велосипедах, самокатах) и то как в них реализованы алгоритмы торможения и рекуперации.

Источник

Электромагнитные тормозные устройства

В некоторых устройствах, с целью торможения вращающихся элементов машины, применяется электромагнитный дисковый тормоз электродвигателя. Электромагнитное тормозное устройство монтируется прямо в двигателе или на двигателе, и по сути представляет собой вспомогательный двигатель или приводной узел, отвечающий всем требованиям касательно как позиционирования агрегата, так и с точки зрения безопасной его эксплуатации. Он включается пружинами и отпускается с помощью электромагнита.

Данное решение позволяет не только обеспечить безопасное торможение двигателя в случае аварии или позиционировать исполнительный орган машины во время ее функционирования, но и просто сокращает время работы машины во время ее торможения.

Существуют два типа дисковых электромагнитных тормозных устройств: дисковый тормоз переменного тока и дисковый тормоз постоянного тока (в зависимости от формы тока, которым питается данный тормоз). Для варианта тормоза, питаемого постоянным током, вместе с двигателем поставляется также и выпрямитель, при помощи которого постоянный ток получается из переменного, которым питается сам двигатель.

Конструкция тормозного устройства включает в себя: электромагнит, якорь и диск. Электромагнит изготовлен в виде набора катушек, расположенных в специальном корпусе. Якорь служит исполнительным элементом тормоза, и представляет собой антифрикционную поверхность, которая взаимодействует с тормозным диском.

Сам диск, с нанесенным на него фрикционным материалом, перемещается по зубцам втулки на валу двигателя. Когда в катушки тормозного устройства подано напряжение, якорь оттянут, и вал двигателя может свободно вращаться вместе с тормозным диском.

Затормаживание обеспечивается в свободном состоянии, когда пружины нажимают на якорь, и он воздействует на тормозной диск, вызывая тем самым остановку вала.

Тормоза такого типа находят обширное применение в системах с электрическим приводом. На случай аварийного отсутствия питания тормозного устройства, может быть предусмотрена возможность снять тормоз вручную.

В подъемно-транспортных машинах используется колодочный электромагнитный тормоз (ТКГ), удерживающий вал в заторможенном состоянии когда машина выключена.

ТКП — тормоз постоянного тока серии МП. ТКГ — тормоз электрогидравлический с толкателем серии ТЭ. Электромагнит тормоза ТКГ включает в себя привод и механическую часть, которая в свою очередь включает: подставку, пружины, систему рычагов и тормозные колодки.

Тормозное устройство устанавливается вертикально, причем тормозной шкив имеет горизонтальное положение. Механические части тормозных устройств питаемых переменным или постоянным током для шкивов одного и того же диаметра одинаковы.

Обычно такие устройства имеют буквенное обозначение ТК и число, обозначающее диаметр шкива для торможения. В момент включения питания рычаги нейтрализуют действие пружин и освобождают шкив для обеспечения ему возможности свободного вращения.

Электромагнитные тормоза находят применение в:

блокировке подъемных кранов, лифтов, укладочных машин и т. д. в выключенном состоянии; в механизмах остановки конвейеров, намоточных и ткацких станков, задвижек, прокатного оборудования и т. д.;

для сокращения выбега (времени холостого хода во время остановки) машин;

в системах аварийной остановки эскалаторов, мешалок и т. д.;

для остановки с позиционированием в точном положении в определенный момент времени.

В буровых установках применяется индукционное торможение, основанное на взаимодействии магнитных полей индуктора, в роли которого выступает электромагнит, и якоря, в обмотке которого наводятся токи, магнитные поля которых тормозят «причину их вызывающую» (см. Закон Ленца), создавая тем самым необходимый тормозящий момент ротору.

Рассмотрим это явление на рисунке. Когда в обмотке статора включается ток, его магнитное поле индуцирует вихревой ток в роторе. На вихревой ток в роторе действует сила Ампера, момент которой и является в данном случае тормозящим.

Как известно, в тормозном режиме способны работать асинхронные и синхронные машины переменного тока, а также машины постоянного тока, когда вал движется относительно статора. Если вал неподвижен (относительное перемещение отсутствует), то тормозящего действия не будет.

Таким образом, тормоза на основе электродвигателей применяются для затормаживания движущихся валов, а не для удержания их в состоянии остановки. При этом интенсивность замедления движения механизма можно в таких случаях плавно регулировать, что иногда удобно.

На следующем рисунке приведена схема работы гистерезисного тормоза. Когда в обмотку статора подается ток, на ротор действует вращающий момент, в данном случае он тормозящий, и возникает здесь из-за явления гистерезиса от перемагничивания монолитного ротора.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Остановка по требованию. В чем особенности тормозов для электромобилей?

Электромобили постепенно, но неуклонно входят в нашу жизнь. Энтузиасты с нетерпением ждут светлого электромобильного будущего. Тем временем автоконцерны и производители комплектующих решают достаточно нетривиальные технические задачи, которые ставит перед ними специфика электрического автотранспорта. С этим сталкивается и компания Nisshinbo, разработчик и производитель оригинальных тормозных колодок для большинства японских автоконцернов. В ассортименте Nisshinbo для афтермаркета также представлены тормозные колодки для электромобилей – таких как Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV, KIA Niro EV и даже Tesla.

У электромобилей есть два преимущества с точки зрения пользователя – почти бесшумная езда и «топливная» экономичность. Однако именно эти качества ведут к тому, что работа тормозных системы электрокаров отличается некоторой специфичностью. Это заставляет инженеров по-другому подходить к проектирование тормозных колодок.

Двигатель электрокара работает практически бесшумно. Поэтому шум работы других элементов в машине, включая, конечно, тормоза и колеса, должен этому уровню соответствовать. Любой производитель тормозных колодок вам скажет, что хорошо тормозящая колодка, как правило, и более «шумная». Чтобы снизить уровень шума, приходится особенно тщательно подбирать состав фрикционной смеси – чтобы колодка и тормозила хорошо, и не шумела при этом.

Дальше. Экономия энергии в электромобилях достигается во многом благодаря технологии рекуперативного торможения. Это когда при нажатии на педаль тормоза машина замедляется не только за счет тормозов, но и с помощью силовой установки – мотор-генератора. Задача генератора – преобразовывать кинетическую энергию при торможении в электрическую, подзаряжая батарею, чтобы машина могла проехать дольше.

Получается, что с тормозных колодок снимается значительная часть задачи по остановке машины. Благодаря этому эффекту у автопроизводителя появляется возможность делать размер тормозов для электромобилей меньше. Это позволяет дополнительно снизить вес машины и неподрессоренных масс, увеличив общую экономичность и управляемость автомобиля. Однако приходится учитывать один важный момент. Более «компактных» тормозов достаточно, чтобы комфортно чувствовать себя в городе в штатных дорожных ситуациях. Но в реальных условиях электромобилю рано или поздно придется экстренно тормозить с высокой скорости для предотвращения ДТП. В этом случае помощи со стороны рекуперативного торможения может не хватить и «отдуваться» придется тормозным колодкам и дискам. Тут перед производителями электромобилей и тормозов встает вопрос: как сделать такие тормозные механизмы, чтобы они не были избыточно мощными для спокойной городской езды и одновременно эффективны при экстренном торможении? Да еще с учетом того, что фрикционные материалы приходится применять, как уже говорилось, малошумные.

Специфичность колодок для электромобилей объясняется еще тем, что при спокойной езде в городе для плавных остановок рекуперативное торможение чуть ли не заменяет работу традиционной тормозной системы, которая становится своего рода «резервной опцией». Это чревато развитием коррозии бездействующих тормозных дисков, несмотря на то что машина интенсивно эксплуатируется. При этом и колодки находятся постоянно в холодном состоянии. А между тем для эффективного торможения большинству колодок желателен небольшой предварительный прогрев (до порядка 100°С). На «обычных» автомобилей это происходит довольно быстро после начала движения, а вот электромобиль может всю поездку проездить на холодных тормозах.

На примере специфики тормозов электромобилей мы видим, что даже при небольшом изменении условий эксплуатации любая система автомобиля ведет себя совершенно иначе, заставляя разработчиков ломать голову над техническими задачами с порой взаимоисключающими условиями.

Источник

Что такое магнитные тормоза?

Автор перевода: И.А. Лысяк

Аннотация

Eddy Current, Что такое магнитные тормоза?

Магнитные тормоза это устройство, которое использует сильные магнитные силы, чтобы замедлить автомобиль вниз. Существуют различные типы магнитных тормозных систем, в том числе те, которые используют электромагниты для приведения в действие традиционные фрикционные накладки, и те, что использовать сам магнитного отталкивания для обеспечения устойчивости. Их можно найти на различных транспортных средств, от поездов к горок.

Наиболее распространенный тип магнитного тормоза электромагнитный тормоз, в котором электрический ток пропускают через магнитов, прикрепленных к паре тормозных колодок. Поскольку они притягиваются друг к другу, магниты зажим тормоза через тормозной диск, который генерирует трение, чтобы обеспечить тормозное усилие. Есть несколько вариаций на эту дизайна, в том числе так называемых отказоустойчивых тормозов, на которых работают очень сильные постоянные магниты, которые привлекают по умолчанию. Только противоположной электромагнита активно поддерживая их друг от друга они остаются открытыми, поэтому в отключении электроэнергии или других чрезвычайных ситуаций, они автоматически участвовать.

При увеличении или уменьшении количества электрического тока, тормозная способность к текущей тормоза Eddy может быть соответственно ослабляются вверх или вниз. Вместо того, чтобы колодки нажатием все труднее на роторе, резистивный магнитная сила усиливается. Хотя нет никакого физического контакта, процесс по-прежнему генерирует повышенное замедление, наряду с высокой температурой, в результате сопротивления. Вихретоковые тормозные системы в основном используются в больших транспортных средств, как поезда.

Подтип текущего тормоза Эдди известен как линейного индукционного тормоза. Вместо нормального круговой дизайн, магнитные катушки намотаны вокруг прямой железной дороге.Катушки чередуются между положительным и отрицательным магнитного заряда, так что при приведении генерировать сопротивление и замедление действие. Такая конструкция менее широко используется, чем традиционные электромагнитных тормозов на железнодорожных систем, но, в таких местах, как Европы, становится все более распространенным на высокоскоростных железнодорожных систем.

Источник

И электромагнитные тормоза, и вихретоковые тормоза используют электромагнитную силу, но электромагнитные тормоза в конечном итоге зависят от трения, тогда как вихретоковые тормоза напрямую используют магнитную силу.

СОДЕРЖАНИЕ

Приложения

В локомотивах механическая связь передает крутящий момент на компонент электромагнитного торможения.

Электродвигатели в промышленных и робототехнических установках также используют электромагнитные тормоза.

Последние конструкторские новшества привели к применению электромагнитных тормозов в самолетах. В этом приложении комбинированный двигатель / генератор используется сначала в качестве двигателя для раскрутки шин до скорости до приземления, тем самым уменьшая износ шин, а затем в качестве генератора для обеспечения рекуперативного торможения.

Тормоз с одним торцом

Тормоз с фрикционным диском использует единственную поверхность трения, чтобы зацепить входной и выходной элементы сцепления. Односторонние электромагнитные тормоза составляют примерно 80% всех тормозных систем с механическим приводом.

Выключите тормоз

Оба тормоза с отключенным питанием считаются включенными, если на них не подается питание. Обычно от них требуется удерживать или останавливаться в одиночку в случае потери мощности или когда мощность недоступна в цепи машины. Тормоза с постоянными магнитами обладают очень высоким крутящим моментом для своего размера, но также требуют контроля постоянного тока для компенсации постоянного магнитного поля. Пружинные тормоза не требуют постоянного контроля тока, они могут использовать простой выпрямитель, но имеют больший диаметр или для увеличения крутящего момента потребуются установленные друг на друга фрикционные диски.

Тормоз твердых частиц

Тормоза с магнитными частицами по своей конструкции отличаются от других электромеханических тормозов благодаря широкому диапазону рабочего крутящего момента. Как и в электромеханическом тормозе, крутящий момент по отношению к напряжению почти линейный; однако в тормозе с магнитными частицами крутящий момент можно контролировать очень точно (в пределах рабочего диапазона оборотов устройства). Это делает эти устройства идеально подходящими для приложений контроля натяжения, таких как намотка проволоки, фольга, пленка и контроль натяжения ленты. Благодаря быстрому реагированию они также могут использоваться в приложениях с большим циклом, таких как считыватели магнитных карт, сортировочные машины и этикетировочное оборудование.

Магнитные частицы (очень похожие на железные опилки) находятся в полости для порошка. Когда на катушку подается электричество, возникающий магнитный поток пытается связать частицы вместе, почти как слякоть магнитных частиц. По мере увеличения электрического тока связь частиц усиливается. Тормозной ротор проходит через эти связанные частицы. Вывод корпуса жестко прикреплен к какой-то части машины. Когда частицы начинают связываться друг с другом, на роторе создается сила сопротивления, которая замедляет и в конечном итоге останавливает выходной вал.

Гистерезисный силовой тормоз

Блоки с электрическим гистерезисом имеют чрезвычайно широкий диапазон крутящего момента. Поскольку этими блоками можно управлять дистанционно, они идеально подходят для испытательных стендов, где требуется переменный крутящий момент. Поскольку крутящий момент сопротивления минимален, эти устройства предлагают самый широкий доступный диапазон крутящего момента из всех продуктов с гистерезисом. Большинство применений, связанных с устройствами гистерезиса с электроприводом, требуют испытательных стендов.

Когда к полю приложено электричество, он создает внутренний магнитный поток. Затем этот поток передается на гистерезисный диск (который может быть изготовлен из сплава AlNiCo ), проходящий через поле. Диск гистерезиса прикреплен к тормозному валу. Магнитное сопротивление гистерезисного диска обеспечивает постоянное сопротивление или возможную остановку выходного вала.

Многодисковый тормоз

Многодисковые тормоза используются для обеспечения чрезвычайно высокого крутящего момента на небольшом пространстве. Эти тормоза можно использовать как мокрые, так и сухие, что делает их идеальными для работы в многоскоростных коробках передач, станках или внедорожном оборудовании.

Электромеханические дисковые тормоза работают от электрического привода, но передают крутящий момент механически. Когда на катушку электромагнита подается электричество, магнитный поток притягивает якорь к торцу тормоза. При этом он сжимает вместе внутренний и внешний фрикционные диски. Ступица обычно устанавливается на вращающийся вал. Корпус тормоза прочно прикреплен к раме машины. Когда диски сжимаются, крутящий момент передается от ступицы на раму машины, останавливая и удерживая вал.

Когда электричество снимается с тормоза, якорь может свободно вращаться вместе с валом. Пружины удерживают фрикционный диск и якорь на расстоянии друг от друга. Нет контакта между тормозными поверхностями и минимальное сопротивление.

Источник