НПФ ВЕКТОР
Компания
37,68
рейтинг
8 февраля в 17:34

Электродвигатели: какие они бывают

В прошлых статьях был рассмотрен принцип работы синхронного и асинхронного электродвигателей, а также рассказано, как ими управлять. Но видов электродвигателей существует гораздо больше! И у каждого из них свои свойства, область применения и особенности. В этой статье будет небольшой обзор по разным типам электродвигателей с фотографиями и примерами применений. Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?
Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести пару типов, довести их до совершенства и ставить их и только их во все применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей, а в конце обсудим, зачем же их столько и какой двигатель «самый лучший».


Двигатель постоянного тока (ДПТ)



С этим двигателем все должны быть знакомы с детства, потому что именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты и звук знакомого жужжания, вдохновляющего на дальнейшие конструкторские подвиги. Все ведь так делали? Надеюсь. Иначе эта статья, скорее всего, не будет вам интересна. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора. Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент. Кстати, не уходя далеко, всех ведь, наверное, интересовало – что за желтые штучки стояли на некоторых ДПТ из игрушек, прямо на контактах (как на фото сверху)? Это конденсаторы – при работе коллектора из-за коммутаций потребление тока импульсное, напряжение может также меняться скачками, из-за чего двигатель создает много помех. Они особенно мешают, если ДПТ установлен в радиоуправляемой игрушке. Конденсаторы как раз гасят такие высокочастотные пульсации и, соответственно, убирают помехи.

Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.

Почему ДПТ не делают мощнее? Главная проблема всех ДПТ, а в особенности ДПТ большой мощности – это коллекторный узел. Скользящий контакт сам по себе является не очень хорошей затеей, а скользящий контакт на киловольты и килоамперы – и подавно. Поэтому конструирование коллекторного узла для мощных ДПТ – целое искусство, а на мощности выше мегаватта сделать надежный коллектор становится слишком сложно (рекорд — 12,5МВт).
В потребительском качестве ДПТ хорош своей простотой с точки зрения управляемости. Его момент прямо пропорционален току якоря, а частота вращения (по крайней мере холостой ход) прямо пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому до наступления эры микроконтроллеров, силовой электроники и частотного регулируемого привода переменного тока именно ДПТ был самым популярным электродвигателем для задач, где требуется регулировать частоту вращения или момент.

Также нужно упомянуть, как именно в ДПТ формируется магнитный поток возбуждения, с которым взаимодействует якорь (ротор) и за счет этого возникает вращающий момент. Этот поток может делаться двумя способами: постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. В небольших двигателях чаще всего ставят постоянные магниты, в больших – обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения – это еще один канал регулирования. При увеличении тока обмотки возбуждения увеличивается её магнитный поток. Этот магнитный поток входит как в формулу момента двигателя, так и в формулу ЭДС. Чем выше магнитный поток возбуждения, тем выше развиваемый момент при том же токе якоря. Но тем выше и ЭДС машины, а значит при том же самом напряжении питания частота вращения холостого хода двигателя будет ниже. Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень советую изучить уравнения ДПТ – они простые, линейные, но их можно распространить на все электродвигатели – процессы везде схожие.

Универсальный коллекторный двигатель



Как ни странно, это самый распространенный в быту электродвигатель, название которого наименее известно. Почему так получилось? Его конструкция и характеристики такие же, как у двигателя постоянного тока, поэтому упоминание о нем в учебниках по приводу обычно помещается в самый конец главы про ДПТ. При этом ассоциация коллектор = ДПТ так прочно заседает в голове, что не всем приходит на ум, что двигатель постоянного тока, в названии которого присутствует «постоянный ток», теоретически можно включать в сеть переменного тока. Давайте разберемся.

Как изменить направление вращения двигателя постоянного тока? Это знают все, надо сменить полярность питания якоря. А ещё? А еще можно сменить полярность питания обмотки возбуждения, если возбуждение сделано обмоткой, а не магнитами. А если полярность сменить и у якоря, и у обмотки возбуждения? Правильно, направление вращения не изменится. Так что же мы ждем? Соединяем обмотки якоря и возбуждения последовательно или параллельно, чтобы полярность изменялась одинаково и там и там, после чего вставляем в однофазную сеть переменного тока! Готово, двигатель будет крутиться. Есть один только маленький штрих, который надо сделать: так как по обмотке возбуждения протекает переменный ток, её магнитопровод, в отличие от истинного ДПТ, надо изготовить шихтованным, чтобы снизить потери от вихревых токов. И вот мы и получили так называемый «универсальный коллекторный двигатель», который по конструкции является подвидом ДПТ, но… прекрасно работает как от переменного, так и от постоянного тока.

Этот тип двигателей наиболее широко распространен в бытовой технике, где требуется регулировать частоту вращения: дрели, стиральные машины (не с «прямым приводом»), пылесосы и т.п. Почему именно он так популярен? Из-за простоты регулирования. Как и в ДПТ, его можно регулировать уровнем напряжения, что для сети переменного тока делается симистором (двунаправленным тиристором). Схема регулирования может быть так проста, что помещается, например, прямо в «курке» электроинструмента и не требует ни микроконтроллера, ни ШИМ, ни датчика положения ротора.

Асинхронный электродвигатель


Еще более распространенным, чем коллекторные двигатели, является асинхронный двигатель. Только распространен он в основном в промышленности – где присутствует трехфазная сеть. Про принцип его работы написана отдельная статья. Если кратко, то его статор – это распределенная двухфазная или трехфазная (реже многофазная) обмотка. Она подключается к источнику переменного напряжения и создает вращающееся магнитное поле. Ротор можно представлять себе в виде медного или алюминиевого цилиндра, внутри которого находится железо магнитопровода. К ротору в явном виде напряжение не подводится, но оно индуцируется там за счет переменного поля статора (поэтому двигатель на английском языке называют индукционным). Возникающие вихревые токи в короткозамкнутом роторе взаимодействуют с полем статора, в результате чего образуется вращающий момент.

Почему асинхронный двигатель так популярен? У него нет скользящего контакта, как у коллекторного двигателя, а поэтому он более надежен и требует меньше обслуживания. Кроме того, такой двигатель может пускаться от сети переменного тока «прямым пуском» – его можно включить коммутатором «на сеть», в результате чего двигатель запустится (с большим пусковым током 5-7 крат, но допустимым). ДПТ относительно большой мощности так включать нельзя, от пускового тока погорит коллектор. Также асинхронные привода, в отличие от ДПТ, можно делать гораздо большей мощности – десятки мегаватт, тоже благодаря отсутствию коллектора. При этом асинхронный двигатель относительно прост и дешев.

Асинхронный двигатель применяется и в быту: в тех устройствах, где не нужно регулировать частоту вращения. Чаще всего это так называемые «конденсаторные» двигатели, или, что тоже самое, «однофазные» асинхронники. Хотя на самом деле с точки зрения электродвигателя правильнее говорить «двухфазные», просто одна фаза двигателя подключается в сеть напрямую, а вторая через конденсатор. Конденсатор делает фазовый сдвиг напряжения во второй обмотке, что позволяет создать вращающееся эллиптическое магнитное поле. Обычно такие двигатели применяются в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.

Минус асинхронного двигателя по сравнению с ДПТ в том, что его сложно регулировать. Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока. Если асинхронному двигателю просто понизить напряжение, не понизив частоту, то он несколько снизит скорость, да. Но у него увеличится так называемое скольжение (отставание частоты вращения от частоты поля статора), увеличатся потери в роторе, из-за чего он может перегреться и сгореть. Можно представлять это себе как регулирование скорости движения легкового автомобиля исключительно сцеплением, подав полный газ и включив четвертую передачу. Чтобы правильно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя нужно пропорционально регулировать и частоту, и напряжение. А лучше и вовсе организовать векторное управление, как более подробно было описано в прошлой статье. Но для этого нужен преобразователь частоты – целый прибор с инвертором, микроконтроллером, датчиками и т.п. До эры силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной техники (в прошлом веке) регулирование частотой было экзотикой – его не на чем было делать. Но сегодня регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователя частоты – это уже стандарт-де-факто.

Синхронный электродвигатель


Про принцип работы синхронного двигателя также была отдельная статья. Синхронных приводов бывает несколько подвидов – с магнитами (PMSM) и без (с обмоткой возбуждения и контактными кольцами), с синусоидальной ЭДС или с трапецеидальной (бесколлекторные двигатели постоянного тока, BLDC). Сюда же можно отнести некоторые шаговые двигатели. До эры силовой полупроводниковой электроники уделом синхронных машин было применение в качестве генераторов (почти все генераторы всех электростанций – синхронные машины), а также в качестве мощных приводов для какой-либо серьезной нагрузки в промышленности.

Все эти машины выполнялись с контактными кольцами (можно увидеть на фото), о возбуждении от постоянных магнитов при таких мощностях речи, конечно же, не идет. При этом у синхронного двигателя, в отличие от асинхронного, большие проблемы с пуском. Если включить мощную синхронную машину напрямую на трехфазную сеть, то всё будет плохо. Так как машина синхронная, она должна вращаться строго с частотой сети. Но за время 1/50 секунды ротор, конечно же, разогнаться с нуля до частоты сети не успеет, а поэтому он будет просто дергаться туда-сюда, так как момент получится знакопеременный. Это называется «синхронный двигатель не вошел в синхронизм». Поэтому в реальных синхронных машинах применяют асинхронный пуск – делают внутри синхронной машины небольшую асинхронную пусковую обмотку и закорачивают обмотку возбуждения, имитируя «беличью клетку» асинхронника, чтобы разогнать машину до частоты, примерно равной частоте вращения поля, а уже после этого включается возбуждение постоянным током и машина втягивается в синхронизм.
И если у асинхронного двигателя регулировать частоту ротора без изменения частоты поля хоть как-то можно, то у синхронного двигателя нельзя никак. Он или крутится с частой поля, или выпадает из синхронизма и с отвратительными переходными процессами останавливается. Кроме того, у синхронного двигателя без магнитов есть контактные кольца – скользящий контакт, чтобы передавать энергию на обмотку возбуждения в роторе. С точки зрения сложности, это, конечно, не коллектор ДПТ, но всё равно лучше бы было без скользящего контакта. Именно поэтому в промышленности для нерегулируемой нагрузки применяют в основном менее капризные асинхронные привода.

Но все изменилось с появлением силовой полупроводниковой электроники и микроконтроллеров. Они позволили сформировать для синхронной машины любую нужную частоту поля, привязанную через датчик положения к ротору двигателя: организовать вентильный режим работы двигателя (автокоммутацию) или векторное управление. При этом характеристики привода целиком (синхронная машина + инвертор) получились такими, какими они получаются у двигателя постоянного тока: синхронные двигатели заиграли совсем другими красками. Поэтому начиная где-то с 2000 года начался «бум» синхронных двигателей с постоянными магнитами. Сначала они робко вылезали в вентиляторах кулеров как маленькие BLDC двигатели, потом добрались до авиамоделей, потом забрались в стиральные машины как прямой привод, в электротягу (сегвей, Тойота приус и т.п.), всё больше вытесняя классический в таких задачах коллекторный двигатель. Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами захватывают всё больше применений и идут семимильными шагами. И все это – благодаря электронике. Но чем же лучше синхронный двигатель асинхронного, если сравнивать комплект преобразователь+двигатель? И чем хуже? Этот вопрос будет рассматриваться в конце статьи, а сейчас давайте пройдемся еще по нескольким типам электродвигателей.

Вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (ВИД СВ, SRM)



У него много названий. Обычно его коротко называют вентильно-индукторный двигатель (ВИД) или вентильно-индукторная машина (ВИМ) или привод (ВИП). В английской терминологии это switched reluctance drive (SRD) или motor (SRM), что переводится как машина с переключаемым магнитным сопротивлением. Но чуть ниже будет рассматриваться другой подвид этого двигателя, отличающийся по принципу действия. Чтобы не путать их друг с другом, «обычный» ВИД, который рассмотрен в этом разделе, мы на кафедре электропривода в МЭИ, а также на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» называем «вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением» или коротко ВИД СВ, что подчеркивает принцип возбуждения и отличает его от машины, рассмотренной далее. Но другие исследователи его также называют ВИД с самоподмагничиванием, иногда реактивный ВИД (что отражает суть образования вращающего момента).

Конструктивно это самый простой двигатель и по принципу действия похож на некоторые шаговые двигатели. Ротор – зубчатая железка. Статор – тоже зубчатый, но с другим числом зубцов. Проще всего принцип работы поясняет вот эта анимация:

Подавая постоянный ток в фазы в соответствии с текущим положением ротора можно заставить двигатель вращаться. Фаз может быть разное количество. Форма тока реального привода для трех фаз показа на рисунке (токоограничение 600А):

Однако за простоту двигателя приходится платить. Так как двигатель питается однополярными импульсами тока, напрямую «на сеть» его включать нельзя. Обязательно требуется преобразователь и датчик положения ротора. Причем преобразователь не классический (типа шестиключевой инвертор): для каждой фазы у преобразователя для SRD должны быть полумосты, как на фото в начале этого раздела. Проблема в том, что для удешевления комплектующих и улучшения компоновки преобразователей силовые ключи и диоды часто не изготавливаются отдельно: обычно применяются готовые модули, содержащие одновременно два ключа и два диода – так называемые стойки. И именно их чаще всего и приходится ставить в преобразователь для ВИД СВ, половину силовых ключей просто оставляя незадействованной: получается избыточный преобразователь. Хотя в последние годы некоторые производители IGBT модулей выпустили изделия, предназначенные именно для SRD.

Следующая проблема – это пульсации вращающего момента. В силу зубчатой структуры и импульсного тока момент редко получается стабильным – чаще всего он пульсирует. Это несколько ограничивает применимость двигателей для транспорта – кому хочется иметь пульсирующий момент на колесах? Кроме того, от таких импульсов тянущего усилия не очень хорошо себя чувствуют подшипники двигателя. Проблема несколько решается специальным профилированием формы тока фазы, а также увеличением количества фаз.

Однако даже при этих недостатках двигатели остаются перспективными в качестве регулируемого привода. Благодаря их простоте сам двигатель получается дешевле классического асинхронного двигателя. Кроме того, двигатель легко сделать многофазным и многосекционным, разделив управление одним двигателем на несколько независимых преобразователей, которые работают параллельно. Это позволяет повысить надежность привода – отключение, скажем, одного из четырех преобразователей не приведет к остановке привода в целом – трое соседей будут какое-то время работать с небольшой перегрузкой. Для асинхронного двигателя такой фокус выполнить так просто не получается, так как невозможно сделать несвязанные друг с другом фазы статора, которые бы управлялись отдельным преобразователем полностью независимо от других. Кроме того, ВИД очень хорошо регулируются «вверх» от основной частоты. Железку ротора можно раскручивать без проблем до очень высоких частот.
Мы на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» выполнили несколько проектов на базе этого двигателя. Например, делали небольшой привод для насосов горячего водоснабжения, а также недавно закончили разработку и отладку системы управления для мощных (1,6 МВт) многофазных резервируемых приводов для обогатительных фабрик АК «АЛРОСА». Вот машинка на 1,25 МВт:

Вся система управления, контроллеры и алгоритмы были сделаны у нас в ООО «НПФ ВЕКТОР», силовые преобразователи спроектировала и изготовила фирма ООО «НПП «ЦИКЛ+». Заказчиком работы и проектировщиком самих двигателей являлась фирма ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ)


Это совсем другой тип двигателя, отличающийся по принципу действия от обычного ВИД. Исторически известны и широко используются вентильно-индукторные генераторы такого типа, применяемые на самолетах, кораблях, железнодорожном транспорте, а вот именно двигателями такого типа почему-то занимаются мало.

На рисунке схематично показана геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения, а также изображено взаимодействие магнитных потоков статора и ротора, при этом ротор на рисунке установлен в согласованное положение (момент равен нулю).

Ротор собран из двух пакетов (из двух половинок), между которыми установлена обмотка возбуждения (на рисунке показана как четыре витка медного провода). Несмотря на то, что обмотка висит «посередине» между половинками ротора, крепится она к статору и не вращается. Ротор и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Обмотка статора распределенная трехфазная – как у обычного асинхронного или синхронного двигателя. Хотя существуют варианты такого типа машин с сосредоточенной обмоткой: зубцами на статоре, как у SRD или BLDC двигателя. Витки обмотки статора охватывают сразу оба пакета ротора.

Упрощенно принцип работы можно описать следующим образом: ротор стремится повернуться в такое положение, при котором направления магнитного потока в статоре (от токов статора) и роторе (от тока возбуждения) совпадут. При этом половина электромагнитного момента образуется в одном пакете, а половина – в другом. Со стороны статора машина подразумевает разнополярное синусоидальное питание (ЭДС синусоидальна), электромагнитный момент активный (полярность зависит от знака тока) и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданного обмотками статора. По принципу работы эта машина отлична от классических шаговых и SRD двигателей, в которых момент реактивный (когда металлическая болванка притягивается к электромагниту и знак усилия не зависит от знака тока электромагнита).

С точки зрения управления ВИД НВ оказывается эквивалентен синхронной машине с контактными кольцами. То есть, если вы не знаете конструкцию этой машины и используете её как «черный ящик», то она ведет себя практически неотличимо от синхронной машины с обмоткой возбуждения. Можно сделать векторное управление или автокоммутацию, можно ослаблять поток возбуждения для повышения частоты вращения, можно усиливать его для создания большего момента – всё так, как будто это классическая синхронная машина с регулируемым возбуждением. Только ВИД НВ не имеет скользящего контакта. И не имеет магнитов. И ротор в виде дешевой железной болванки. И момент не пульсирует, в отличие от SRD. Вот, например, синусоидальные токи ВИД НВ при работе векторного управления:

Кроме того, ВИД НВ можно создавать многофазным и многосекционным, аналогично тому, как это делается в ВИД СВ. При этом фазы оказываются несвязанными друг с другом магнитными потоками и могут работать независимо. Т.е. получается как будто бы несколько трехфазных машин в одной, к каждой из которых присоединяется свой независимый инвертор с векторным управлением, а результирующая мощность просто суммируется. Координации между преобразователями при этом не требуется никакой – только общее задание частоты вращения.
Минусы этого двигателя тоже есть: напрямую от сети он крутиться не может, так как, в отличие от классических синхронных машин, ВИД НВ не имеет асинхронной пусковой обмотки на роторе. Кроме того, он сложнее по конструкции, чем обычный ВИД СВ (SRD).

На основе данного двигателя мы также сделали несколько успешных проектов. Например, один из них – это серия приводов насосов и вентиляторов для районных теплостанций г. Москвы мощностью 315-1200кВт (ссылка на проект). Это низковольтные (380В) ВИД НВ с резервированием, где одна машина «разбита» на 2, 4 или 6 независимых трехфазных секций. На каждую секцию ставится свой однотипный преобразователь с векторным бездатчиковым управлением. Таким образом можно легко наращивать мощность на базе однотипной конструкции преобразователя и двигателя. При этом часть преобразователей подключено к одному вводу питания районной теплостанции, а часть к другому. Поэтому если происходит «моргушка питания» по одному из вводов питания, то привод не встает: половина секций кратковременно работают в перегрузке, пока питание не восстановится. Как только оно восстанавливается, на ходу в работу автоматически вводятся отдыхавшие секции. Вообще, наверное, этот проект заслуживал бы отдельной статьи, поэтому пока про него закончу, вставив фото двигателя и преобразователей:


Заключение: какой же электродвигатель самый лучший?


К сожалению, двумя словами здесь не обойтись. И общими выводами про то, что у каждого двигателя свои достоинства и недостатки – тоже. Потому что не рассмотрены самые главные качества – массогабаритные показатели каждого и типов машин, цена, а также их механические характеристики и перегрузочная способность. Оставим нерегулируемый асинхронный привод крутить свои насосы напрямую от сети, тут ему конкурентов нет. Оставим коллекторные машины крутить дрели и пылесосы, тут с ними в простоте регулирования тоже потягаться сложно.

Давайте рассмотрим регулируемый электропривод, режим работы которого – длительный. Коллекторные машины здесь сразу исключаются из конкуренции по причине ненадежности коллекторного узла. Но остались еще четыре – синхронный, асинхронный, и два типа вентильно-индукторных. Если мы говорим о приводе насоса, вентилятора и чего-то похожего, что используется в промышленности и где масса и габариты особо не важны, то здесь из конкуренции выпадают синхронные машины. Для обмотки возбуждения требуются контактные кольца, что является капризным элементом, а постоянные магниты очень дороги. Конкурирующими вариантами остаются асинхронный привод и вентильно-индукторные двигатели обоих типов.

Как показывает опыт, все три типа машин успешно применяются. Но – асинхронный привод невозможно (или очень сложно) секционировать, т.е. разбить мощную машину на несколько маломощных. Поэтому для обеспечения большой мощности асинхронного преобразователя требуется делать его высоковольтным: ведь мощность – это, если грубо, произведение напряжения на ток. Если для секционируемого привода мы можем взять низковольтный преобразователь и наставить их несколько, каждый на небольшой ток, то для асинхронного привода преобразователь должен быть один. Но не делать же преобразователь на 500В и ток 3 килоампера? Это провода нужны с руку толщиной. Поэтому для увеличения мощности повышают напряжение и снижают ток. А высоковольтный преобразователь – это совсем другой класс задачи. Нельзя просто так взять силовые ключи на 10кВ и сделать из них классический инвертор на 6 ключей, как раньше: и нет таких ключей, а если есть, они очень дороги. Инвертор делают многоуровневым, на низковольтных ключах, соединенных последовательно в сложных комбинациях. Такой инвертор иногда тянет за собой специализированный трансформатор, оптические каналы управления ключами, сложную распределенную систему управления, работающую как одно целое… В общем, сложно всё у мощного асинхронного привода. При этом вентильно-индукторный привод за счет секционирования может «отсрочить» переход на высоковольтный инвертор, позволяя сделать привода до единиц мегаватт от низковольтного питания, выполненные по классической схеме. В этом плане ВИПы становятся интереснее асинхронного привода, да еще и обеспечивают резервирование. С другой стороны, асинхронные привода работают уже сотни лет, двигатели доказали свою надежность. ВИПы же только пробивают себе дорогу. Так что здесь надо взвесить много факторов, чтобы выбрать для конкретной задачи наиболее оптимальный привод.

Но всё становится еще интереснее, когда речь заходит о транспорте или о малогабаритных устройствах. Там уже нельзя беспечно относиться к массе и габаритам электропривода. И вот там уже нужно смотреть на синхронные машины с постоянными магнитами. Если посмотреть только на параметр мощности деленной на массу (или размер), то синхронные машины с постоянными магнитами вне конкуренции. Отдельные экземпляры могут быть в разы меньше и легче, чем любой другой «безмагнитный» привод переменного тока. Но здесь есть одно опасное заблуждение, которое я сейчас постараюсь развеять.

Если синхронная машина в три раза меньше и легче – это не значит, что для электротяги она подходит лучше. Всё дело в отсутствии регулировки потока постоянных магнитов. Поток магнитов определяет ЭДС машины. На определенной частоте вращения ЭДС машины достигает напряжения питания инвертора и дальнейшее повышение частоты вращения становится затруднительно. Тоже самое касается и повышения момента. Если нужно реализовать больший момент, в синхронной машине нужно повышать ток статора – момент возрастет пропорционально. Но более эффективно было бы повысить и поток возбуждения – тогда и магнитное насыщение железа было бы более гармоничным, а потери были бы ниже. Но опять же поток магнитов повышать мы не можем. Более того, в некоторых конструкциях синхронных машин и ток статора нельзя повышать сверх определенной величины – магниты могут размагнититься. Что же получается? Синхронная машина хороша, но только лишь в одной единственной точке – в номинальной. С номинальной частотой вращения и номинальным моментом. Выше и ниже – всё плохо. Если это нарисовать, то получится вот такая характеристика частоты от момента (красным):

На рисунке по горизонтальной оси отложен момент двигателя, по вертикальной – частота вращения. Звездочкой отмечена точка номинального режима, например, пусть это будет 60кВт. Заштрихованный прямоугольник – это диапазон, где возможно регулирование синхронной машины без проблем – т.е. «вниз» по моменту и «вниз» по частоте от номинала. Красной линией отмечено, что можно выжать из синхронной машины сверх номинала – небольшое повышение частоты вращения за счет так называемого ослабления поля (на самом деле это создание лишнего реактивного тока по оси d двигателя в векторном управлении), а также показана некоторая возможная форсировка по моменту, чтобы было безопасно для магнитов. Всё. А теперь давайте поставим эту машину в легковое транспортное средство без коробки передач, где батарея рассчитана на отдачу 60кВт. Желаемая тяговая характеристика изображена синим. Т.е. начиная с самой низкой скорости, скажем, с 10км/ч привод должен развивать свои 60кВт и продолжать их развивать вплоть до максимальной скорости, скажем 150км/ч. Синхронная машина и близко не лежала: её момента не хватит даже чтобы заехать на бордюр у подъезда (или на поребрик у парадной, для полит. корректности), а разогнаться машина сможет лишь до 50-60км/ч.
Что же это значит? Синхронная машина не подходит для электротяги без коробки передач? Подходит, конечно же, просто надо по-другому её выбрать. Вот так:

Надо выбрать такую синхронную машину, чтобы требуемый тяговый диапазон регулирования был весь внутри её механической характеристики. Т.е. чтобы машина одновременно могла развить и большой момент, и работать на большой частоте вращения. Как вы видите из рисунка… установленная мощность такой машины будет уже не 60кВт, а 540кВт (можно посчитать по делениям). Т.е. в электромобиль с батареей на 60кВт придется установить синхронную машину и инвертор на 540кВт, просто чтобы «пройти» по требуемому моменту и частоте вращения.

Конечно же, так как описано, никто не делает. Никто не ставит машину на 540кВт вместо 60кВт. Синхронную машину модернизируют, пытаясь «размазать» её механическую характеристику из оптимума в одной точке вверх по скорости и вниз по моменту. Например, прячут магниты в железо ротора (делают инкорпорированными), это позволяет не бояться размагнитить магниты и ослаблять поле смелее, а также перегружать по току побольше. Но от таких модификаций синхронная машина набирает вес, габариты и становится уже не такой легкой и красивой, какой она была раньше. Появляются новые проблемы, такие как «что делать, если в режиме ослабления поля инвертор отключился». ЭДС машины может «накачать» звено постоянного тока инвертора и выжечь всё. Или что делать, если инвертор на ходу пробился — синхронная машина замкнется и может токами короткого замыкания убить и себя, и водителя, и всю оставшуюся живой электронику — нужны схемы защиты и т.п.

Поэтому синхронная машина хороша там, где большого диапазона регулирования не требуется. Например, в сегвее, где скорость с точки зрения безопасности может быть ограничена на 30км/ч (или сколько там у него?). А еще синхронная машина идеальна для вентиляторов: у вентилятора сравнительно мало изменяется частота вращения, от силы раза в два – больше особо нет смысла, так как воздушный поток ослабевает пропорционально квадрату скорости (примерно). Поэтому для небольших пропеллеров и вентиляторов синхронная машина – это то, что нужно. И как раз она туда, собственно, успешно ставится.

Тяговую кривую, изображенную на рисунке синим цветом, испокон веков реализуют двигатели постоянного тока с регулируемым возбуждением: когда ток обмотки возбуждения изменяют в зависимости от тока статора и частоты вращения. При увеличении частоты вращения уменьшается и ток возбуждения, позволяя машине разгоняться выше и выше. Поэтому ДПТ с независимым (или смешанным) управлением возбуждением классически стоял и до сих пор стоит в большинстве тяговых применений (метро, трамваи и т.п.). Какая же электрическая машина переменного тока может с ним поспорить?

К такой характеристике (постоянства мощности) могут лучше приблизиться двигатели, у которых регулируется возбуждение. Это асинхронный двигатель и оба типа ВИПов. Но у асинхронного двигателя есть две проблемы: во-первых, его естественная механическая характеристика – это не кривая постоянства мощности. Потому что возбуждение асинхронного двигателя осуществляется через статор. А поэтому в зоне ослабления поля при постоянстве напряжения (когда на инверторе оно закончилось) подъем частоты в два раза приводит к падению тока возбуждения в два раза и моментоообразующего тока тоже в два раза. А так как момент на двигателе – это произведение тока на поток, то момент падает в 4 раза, а мощность, соответственно, в два. Вторая проблема – это потери в роторе при перегрузке с большим моментом. В асинхронном двигателе половина потерь выделяется в роторе, половина в статоре. Для уменьшения массогабаритных показателей на транспорте часто применяется жидкостное охлаждение. Но водяная рубашка эффективно охладит лишь статор, за счет явления теплопроводности. От вращающегося ротора тепло отвести значительно сложнее – путь отвода тепла через «теплопроводность» отрезан, ротор не касается статора (подшипники не в счет). Остается воздушное охлаждение путем перемешивая воздуха внутри пространства двигателя или излучение тепла ротором. Поэтому ротор асинхронного двигателя получается своеобразным «термосом» — единожды перегрузив его (сделав динамичный разгон на машине), требуется долгое время ждать остывания ротора. А ведь его температуру еще и не измерить… приходится только предсказывать по модели.

Здесь нужно отметить, как мастерски обе проблемы асинхронного двигателя обошли в Тесла в своей Model S. Проблему с отводом тепла из ротора они решили… заведя во вращающийся ротор жидкость (у них есть соответствующий патент, где вал ротора полый и он омывается внутри жидкостью, но достоверно я не знаю, применяют ли они это). А вторую проблему с резким уменьшением момента при ослаблении поля… они не решали. Они поставили двигатель с тяговой характеристикой, почти как у меня нарисована для «избыточного» синхронного двигателя на рисунке выше, только у них не 540кВт, а 300кВт. Зона ослабления поля в тесле очень маленькая, где-то два крата. Т.е. они поставили «избыточный» для легкового автомобиля двигатель, сделав вместо бюджетного седана по сути спорт-кар с огромной мощностью. Недостаток асинхронного двигателя обратили в достоинство. Но если бы они попытались сделать менее «производительный» седан, мощностью 100кВт или меньше, то асинхронный двигатель, скорее всего, был бы точно таким же (на 300кВт), просто его искусственно задушили электроникой бы под возможности батареи.

А теперь ВИПы. Что могут они? Какая тяговая характеристика у них? Про ВИД СВ я точно сказать не могу – это по своему принципу работы нелинейный двигатель, и от проекта к проекту его механическая характеристика может сильно меняться. Но в целом он скорее всего лучше асинхронного двигателя в плане приближения к желаемой тяговой характеристике с постоянством мощности. А вот про ВИД НВ я могу сказать подробнее, так как мы на фирме им очень плотно занимаемся. Видите вон ту желаемую тяговую характеристику на рисунке выше, которая нарисована синим цветом, к которой мы хотим стремиться? Это на самом деле не просто желаемая характеристика. Это реальная тяговая характеристика, которую мы по точкам по датчику момента сняли для одного из ВИД НВ. Так как ВИД НВ имеет независимое внешнее возбуждение, то его качества наиболее приближены к ДПТ НВ, который тоже может сформировать такую тяговую характеристику за счет регулирования возбуждения.

Так что же? ВИД НВ – идеальная машина для тяги без единой проблемы? На самом деле нет. Проблем у него тоже куча. Например, его обмотка возбуждения, которая «висит» между пакетами статора. Хоть она и не вращается, от неё тоже сложно отводить тепло – получается ситуация почти как ротором асинхронника, лишь немного получше. Можно, в случае надобности, «кинуть» трубку охлаждения со статора. Вторая проблема – это завышенные массогабаритные показатели. Глядя на рисунок ротора ВИД НВ, можно видеть, что пространство внутри двигателя используется не очень эффективно – «работают» только начало и конец ротора, а середина занята обмоткой возбуждения. В асинхронном двигателе, например, вся длина ротора, всё железо «работает». Сложность сборки – засунуть обмотку возбуждения внутрь пакетов ротора надо еще суметь (ротор делается разборным, соответственно, есть проблемы с балансировкой). Ну и просто массогабаритные характеристики пока получаются не очень-то выдающимися по сравнению с теми же асинхронными двигателями Тесла, если накладывать тяговые характеристики друг на друга.
А также есть еще общая проблема обоих типов ВИД. Их ротор – пароходное колесо. И на высоких частотах вращения (а высокая частота нужна, так высокочастотные машины при той же мощности меньше тихоходных) потери от перемешивания воздуха внутри становятся очень значительными. Если до 5000-7000 об/мин ВИД еще можно сделать, то на 20000 об/мин это получится большой миксер. А вот асинхронный двигатель на такие частоты и гораздо выше сделать вполне можно за счет гладкого статора.

Так что же лучше всего в итоге для электротяги? Какой двигатель самый лучший?
Понятия не имею. Все плохие. Надо изобретать дальше. Но мораль статьи такова – если вы хотите сравнить между собой разные типы регулируемого электропривода, то нужно сравнивать на конкретной задаче с конкретной требуемой механической характеристикой по всем-всем параметрам, а не просто по мощности. Также в этой статье не рассмотрены еще куча нюансов сравнения. Например, такой параметр как длительность работы в каждой из точек механической характеристики. На максимальном моменте обычно ни одна машина не может работать долго – это режим перегрузки, а на максимальной скорости очень плохо себя чувствуют синхронные машины с магнитами – там у них огромные потери в стали. А еще интересный параметр для электротяги – потери при движении выбегом, когда водитель отпустил газ. Если ВИПы и асинхронные двигатели будут крутиться как болванки, то у синхронной машины с постоянными магнитами останутся почти номинальные потери в стали из-за магнитов. И так далее, и так далее…
Поэтому нельзя вот так просто взять и выбрать лучший электропривод.

UPD:
Обобщая замечания в комментариях, необходимо дополнить некоторые важные, как оказалось, вещи, которые я изначально опустил как маловажные.
1. Асинхронные двигатели до эры преобразователей частоты регулировали за счет применения так называемого фазного ротора — когда ротор делался в виде обмотки, а не беличьей клетки, а через контактные кольца (как у синхронной машины) фазы ротора выводились наружу. Включая в цепь ротора резисторы можно было мягко пускать АД и безопасно регулировать частоту вращения, изменяя сопротивление. Проблема в том, что очень много энергии при этом терялось в резисторах — иногда до половины от подводимой к приводу мощности.

2. В статье не упомянуты синхронные реактивные машины и их совмещение с синхронными машинами с постоянными магнитами. Если сделать ротор синхронной машины с магнитами явнополюсным — например таким, как нарисован ротор SRD двигателя на gif анимации, то развиваемый момент может быть не только активным, но и реактивным — как у SRD. Подбирая оптимальное сочетание активного и реактивного момента можно частично исключить проблемы классической синхронной машины с магнитами, значительно расширив диапазон работы с постоянством мощности. Получается некий гибрид реактивной машины и синхронной с магнитами.

3. Шаговые двигатели не рассмотрены, потому что по принципу действия они в первом приближении схожи либо с синхронными машинами с постоянными магнитами, либо с SRD двигателями — зависит от конкретного типа шаговика. Только шаговые двигатели, в отличие от «силовых» приводов, имеют гораздо большее количество пар полюсов (зубцов) для увеличения коэффициента электрической редукции: чтобы одному периоду тока соответствовало меньшее угловое перемещение вала. Управление шаговиками обычно тривиальное — последовательный перебор фаз друг за другом (шаги). Более продвинутые системы дробят шаг, подавая в двигатель «микрошаги» — по сути приближая управление к синусоидальному. Еще более продвинутые используют датчик положения ротора и применяют полноценное векторное управление. Но в таком случае и машину нужно делать более качественную, а называться в сумме это будет уже настоящим сервоприводом.
Автор: @BelerafonL
НПФ ВЕКТОР
рейтинг 37,68
Компания прекратила активность на сайте

Комментарии (176)

  • 0
    В школьные годы мечтал пойти учиться на электропривод, но отговорили, в результате пошёл на «электрические станции». Однако предмет «Электрические машины» так и был самым любимым. Хотя помню, на дни открытых дверей в МЭИ показывали микроконтроллер, программу на ассемблере, управляющая двигателем. Тогда казалось магией. Ныне, конечно всё проще, но тем не менее до сих пор интересно. Это прекрасно, что тут затрагиваются такие темы.
    • +2
      Мои коллеги подсказывают, что они выставляли в те годы в МЭИ стенд с синхронной машиной, к которой был приделан циферблат со стрелочкой — MSK240 kit на базе микроконтроллера TMS320F240 Texas Instruments. Возможно, вы видели именно это. Вот фото того кита, но без циферблата.
      • +1
        Да, оно. Но на сколько не изменяет память, там были мотороловские чипы. Тогда пугали ассемблером, говорили, вот мол студенты пишут! Казалось просто чудом из чудес. Кто ж знал, что через пару лет сам начну писать на ассемблере, и без всяких институтов :))))
  • 0
    Для приводов больших мельниц, шахтных вентиляторов, подъемно-транспортного оборудования и еще много чего используют асинхронный двигатель с фазным ротором. Его основное преимущество в простой регулировке скорости\момента — введением сопротивления в роторную обмотку.
    • 0
      Да, есть такой старый добрый способ регулирования. Я уж не стал его рассматривать. Есть еще двухскоростные АД, в лифты часто ставят.
  • +1
    Спасибо за статью! Можно еще вспомнить и об экзотике: линейные двигатели, дугостаторные двигатели, двигатели с катящимся ротором.
    • +4
      Да, а еще пьезодвигатели, электростатические, двигатель Фарадея, асинхронные для перекачки магнитной жидкости и еще много, много всего!
    • 0
      Напомнили мне, тоже как то изобретал себе ЭД высокомоментный, на 20 Н*м на валу. В процессе испытаний вдруг понял, что он работает не так как я задумывал, а как то иначе! Стал разбираться и оказалось, что ротор катится по статору. Решил, что изобрел новый тип ЭД, но через неделю прочитал, что есть такие. Причем в бумажной книжечке, случайно, а не во всемогущем интернете. У него был большой недостаток. После попадания масла между ротором и статором момент почти пропадал. Но через два года я полностью решил эту проблему.

      • 0
        "Все новое — хорошо забытое старое!" главное — все покрепче забыть… :) А еще есть орбитальные электромеханические системы: когда ротор представляет собой ряд составных цилиндров (вписанных в окружность внутренней части статора) — которые могут вращаться и сцеплены зубчатой передачей. [Литвиненко А.М. Разработка и исследование орбитальных электромеханических машин. Дисс. д.т.н., 2000] — так можно более эффективно создать малоскоростные, высокомоментные машины.
        • 0
          Подождите, так это же выходит просто планетарная передача, интегрированная в ротор? Я правильно понимаю?
          • 0
            Ну да, только зацепление с одной стороны — через магнитное поле. Было бы интересно посмотреть как это на практике работает.
            • 0
              Да, я бы тоже не отказался посмотреть на это.
              • 0
                Нечто подобное у немцев есть http://www.youtube.com/watch?v=TK1Nl2qe-zM — но у них механика и кажется цели другие: нужна точность, а не силовой момент.
                • 0
                  Интересная конструкция, я только значительно проще видел ранее. Но таки интересно именно с магнитным зацеплением посмотреть.

                • 0
                  На видео скорее волновая передача, а не планетарная.
                  • 0
                    Согласен
  • +1
    Их ротор – пароходное колесо
    А если пространство между зубьев заполнить магнито-инертным легким и прочным материалом? Или на таких оборотах материал начнет отрываться от ротора?
    • +1
      Конечно можно заполнить. И иногда так и делают. И, конечно, будут проблемы на высокой частоте вращения с механической прочностью конструкции. Так или иначе, от простоты, технологичности и дешевизны ротора ВИП здесь уже мало что останется.
      • 0
        По аналогии с лопатками турбин/компрессоров в турбореактивных движках можно сделать «спиливаемый» заполнитель, который поначалу касается статора. Потом притирка — и поехали. Кроме устранения воздушных потерь, будет ещё и предохранение от вибраций при небалансе.
        Вряд ли всё так просто — но звучит красиво :-)
      • 0
        А если вместо заполнения наоборот откачать воздух? Конечно, остается порблема охлаждения, с обмотками статора проще, но вот с ОВ… Если, например, использовать полую трубку с охлаждающей жидклстью как основу для ОВ?
        • 0
          Прошу прощения, не дочитал комментарии до конца…
  • +2
    Шикарная статья!
    Ну, в общем да — «электропривод» — отдельные наука и отрасль по сути.
    И — «запасные/резервные» — если бы нефти на планете бы не оказалось вообще — вполне бы хватило электричества для развития цивилизации практически в нынешнем виде… разве что с авиацией попозже бы вышло…
    Что прикольно — асинхронник с КЗ ротором изобретён Доливо-Добровольским в 1889году в Берлине, а Дизель создал «дизеля» в 1897 в Аугсбурге… От нас сейчас это события практически в одной точке пространства-времени.
    • +3
      Без нефти весь мир вокруг нас выглядел бы по-другому. Это ведь не только топливо. Столько всего вокруг делается из нефтепродуктов.
      • 0
        кстати, какие есть мысли в умах ученых на скорое наступление «безнефтевой» жизни? заменитель уже придумали?
        • 0
          Это не сюда, хаб научной фантастики дальше по коридору.
        • 0
          Такой задачи никто в серьез не рассматривает — т.к. ее по сути и не стоит (не для ныне живущих поколений по крайней мере).
          С учетом того, что порядка 80% нефти и нефтепродуктов используются лишь как источники энергии (подавляющая часть на транспорте разных видов) и только немногим более 20% на все остальные ее применения вместе взятые. Причем довольно существенная часть этих ~20% это разные виды смазок необходимые для разных видов ДВС работающих на нефтепродуктах(для самого двигателя, сцепления, коробок передач) — с отказом от ДВС и упадет не только потребление топлива, но нетопливный расход нефти.
          Так что достаточно "всего лишь" перестать ее жечь как топливо — и уже известных запасов хватит минимум на сотню-другую лет.
          Поэтому пока все усилия направлены на поиск замены как энергоносителя и замену на альтернативы ДВС на транспорте в частности.
  • +1
    По правде говоря, ВИД НВ не очень понятно нарисован. С ротором всё понятно, а как выглядят катушки/сердечники у статора? Я так понял, что они должны идти от «переднего» конца к «заднему».

    > засунуть обмотку возбуждения внутрь пакетов ротора надо еще суметь

    Ежели я правильно понял (см. выше), то напрашивается два пути решения оной проблемы. Во-первых, можно «задний» конец сделать вовсе без выпуклостей, чтобы он чисто служил магнитопроводом. А во-вторых, можно ротор сделать в виде диска, «передний» конец будет «большим», задний — маленьким, между ними канавка, в которой обмотка возбуждения, а статор «сзади». Помнится, где-то я подобное видел на electrotransport.ru, только забыл, как называется, и это был не ВИД, а «обычный» двигатель.

    > Их ротор – пароходное колесо

    А что мешает все пустоты чем-то заполнить?
    • 0
      Статор такой же, как на синхронной или асинхронной машине. Да, обмотка идет от переднего конца к заднему, по всей длине. Первые версии этого типа машин и генераторов как раз и были «односторонними», например вот такими. У них со сборкой, действительно, проблем нет. Но и использование габаритов машины при этом не очень рациональное. Вместо того, чтобы получить удвоение момента, используя обе стороны ротора, оба воздушных зазора, где поток возбуждения переходит в статор, они получают момент лишь с одной стороны. Кроме того, в такой схеме магнитный поток частично идет через подшипник, от чего он не очень хорошо себя со временем начинает чувствовать. Проблему одевания обмотки возбуждения (ОВ) решают проще — поднимают её выше зубзов ротора — на статор. Вот как в этой диссертации на рисунке 1. Ведь ротор остается точно также охвачен контуром ОВ — именно так сделано, например, в приведенном проекте мощных ВИП для теплостанций. Только радиус витка обмотки при этом увеличивается, а соответственно и потери в ОВ. И машина становится немного более габаритной. Конструкции так и различают — ВИД НВ с «поднятой» ОВ и с «опущенной» ОВ (как на рисунке в статье). Опущенная ОВ дает более высокую компактность машины ценой неудобства сборки — но для тяговых приводов на это приходится идти.

      Что касается заполнения пустот, то, как я отвечал в комментарии выше, заполнить их, конечно же, можно. Только будут проблемы с механической прочностью на высоких частотах вращения, балансировкой этого «заполнителя», повысится цена изделия и т.п.
  • +1
    А почему бы не сделать в ВИД заглушки на роторе, например, пустотелые, чтобы его ротор стал круглой болванкой? =) Вот и не будет «пароходного колеса» — одной проблемой меньше. Какой-нибудь стекло/угле/кевларо-пластик, например будет и достаточно лёгким и достаточно прочным и достаточно тонким, чтобы не увеличивать сильно зазор между ротором и статором.

    Также, обмотку подмагничивания ВИД НВ можно очень просто охлаждать — надо сделать её из медной трубки, как делают индукторы для индукционного нагрева, и пропускать через неё жидкость. Минус ещё одна проблема.

    С балансировкой тоже не должно быть проблем, если собирать пакеты ротора на валу со шлицами, например. Т.е. динамически балансировать снаружи в том же положении половинок на нём же.

    Ну и да, а что лучше для небольших электрических транспортных средств, типа тех же велосипедов?
    Насколько сложен алгоритм управления ВИД НВ относительно асинхронного или синхронного двигателя на постоянных магнитах?
    И какой из перечисленных в статье двигателей наиболее энерго эффективен?
    Последний вопрос, кстати, наиболее важен, пока ёмкость аккумуляторов является наиболее слабым местом электротранспорта. Может коробка передач с механическими потерями, в итоге меньшее зло? =)
    • +1
      Про заглушки на роторе я ответил в комментрациях выше, посмотрите, пожалуйста.
      Обмотку возбуждения нельзя выполнить "медной трубкой" — там нужно много витков для получения большого потока и небольших потерь. А вот пропустить небольшую трубочку охлаждения можно.

      Про балансировку: не поверите, шлицы есть, не помогает :) На заводе… балансируют роторы, разбирают, привозят на сборку машин, а там рабочие потом иногда перепутывают от какого ротора начало, от какого конец. Нужно делать ставку на то, где машины собирают. Две запчасти — это уже не шутки! :)
      А если серьезно, то шлиц может допускать небольшие допуски при соединении, а при балансировке это очень может сильно влиять на конечный результат.

      Для велосипедов, наверное, лучше синхронная машина с магнитами пока что. Там диапазон регулирования не очень велик — 150км/ч там ехать не надо (надеюсь), а также на бордюры с места заезжать не надо — если что, «водитель» ногами поможет.

      Алгоритм управления ВИД НВ ничем не отличается от управления обычной синхронной машиной, как и сказано в статье. Вы даже не отличите, что это не синхронная машина, если будете управлять. Тоже самое векторное управление в классическом варианте (датчиковое, бездатчиковое) или автокоммутация. Дополните только его управлением контуром возбуждения, сделав ослабление поля, там где надо.

      Про энергоэффективность в статье сказано в выводе — надо брать конкретную задачу, диаграмму нагрузки и считать для каждого типа двигателя, чтобы узнать результат — какой подходит лучше. Нет «лучшего во всех планах» электродвигателя.

      На машинах Formula E стоит пятиступенчатая коробка передач и синхронный электродвигатель. Как по мне — с коробкой передач для электродвигателя становится всё гораздо проще и легче. На элекромомобилях я бы лично делал две передачи — обычную и «пониженную». На обычной можно кататься «каждый день», а пониженную использовать для въезда в гору из подземной парковки, заезда на бордюр и так далее. Это было бы для бюджетного электромобиля, наверное, пока оптимально. Только неправильно говорить, что в механической коробке передач — потери. Они там есть, но и точно также есть и в обычном редукторе. А редуктор, какой-никакой, всё равно на электромобиль ставить надо. И потери в нем будут. Вопрос только — одноступенчатый или переключаемый.
      • +2
        Может, вместо заглушек между зубьями надевать на ротор тонкостенную пластиковую трубу с крышками с торцов?
        Имхо — просто, прочно, разбирать легко.
        • +5
          Никак нет. Самый главный параметр любого электродвигателя, за который борются его конструкторы — это величина воздушного зазора между железом статора и ротора. Чем он больше, тем хуже получается электродвигатель в электрическом плане — увеличивается магнитное сопротивление, что требует большего тока для создания того же магнитного потока. Если же уменьшать воздушный зазор, то это уже вызывает проблемы с механической стороны — зазор может получиться неравномерным, из-за чего параметры двигателя на обороте будут меняться. Еще хуже — задевание ротора за статор. В электродвигателях средней мощности воздушный зазор составляет, например, 1мм. Если вы поставите еще пластиковую трубу толщиной 1мм, то зазор между ротором и статором увеличится в два раза, что очень сильно ухудшит характеристики двигателя.
          • +2
            Спасибо за ответ (и за интересную статью!). Я подозревал, что величина зазора между ротором и статором очень важна (поэтому и написал, что тонкостенной трубой), просто надеялся, что есть окно параметров, при которых полезный эффект от устранения «воздушного миксера» преобладает над вредными эффектами от увеличения зазора/усложнения конструкции.

            Вот и предложил, на мой взгляд, самое простое решение в лоб — не прокатило.
      • 0
        1. А чем плоха прочность композитной оболочки? Внутри двигателя на сдавливание-то нагрузок нет больших, а разорвать её не разорвёт — прочность на разрыв высока, и вес мал. Ну в конечном итоге можно сделать и ячеистую структуру/ферму внутри.

        2. Ну ключ в конце концов можно сделать. =) А допуски да, есть, но тут тоже больше к культуре и качеству производства, на самом деле вопрос…

        4. Т.е. добавляется только уменьшение тока подмагничивания при достижении определённой скорости, и возможно, увеличение на старте, никаких больших хитростей нет?
        5. Ну это всё же дополнительные потери, как никак — чем больше пар шестерней и вращающихся масс, тем больше. Редуктор-то и с коробкой понадобится и без, да и дифференциал, если не использовать мотор-колёса.
        P.S. И спасибо за интересные статьи!
        • 0
          1. Ну наверное, наверное можно разработать приемлемое покрытие для ротора. Я не спорю. Просто этот вопрос нужно решать, а в асинхроннике и неявнополюсной синхронной машине он решен сам собой. Лишь это я хотел подчеркнуть.

          4. Хитростей никаких. Примерно так и надо, да. Для улучшения КПД можно ещё попробовать поиграть соотношением тока статора/возбуждения в интересующих точках, чтобы найти оптимум и заложить результаты в таблицу в привод, по которым он будет регулировать.

          5. Потери там не сильно больше, а вот механизм переключения делать, синхронизатор (чтобы на ходу переключать), датчик частоты вращения до и после редуктора, чтобы тяговым двигателем переключать на ходу и «попадать» в нужную частоту вращения, концевые выключатели, чтобы знать, когда передача включилась… Это да, это всё усложняет дело с коробкой передач по сравнению с обычным редуктором.
      • 0
        А «мотор колесо Дуюнова» что скажете?
      • 0
        Вместо механической передачи можно менять число полюсов и/или схемы включения перекомутацией обмоток.
        • 0
          Да, можно. Но это потребует вывода из двигателя большего числа концов обмоток, а также применения контакторной аппаратуры, что для транспортного применения не всегда удобно. Кроме того, при перекоммутациях электрическая машина часто теряет в КПД или мощности, так как не получается оптимально её рассчитать и на тот и на другой режим одновременно. Например, если используется переключение на половину длины обмотки вместо полной, то это значит, что половина машины занята медью просто так и не участвует в работе. Хотя проблему нехватки напряжения в синхронной машине с магнитами это частично решает.
    • 0
      в идеале вариатор и общую систему управления, двигатель вообще может работать при оптимальных оборотах, а изменяя момент
      двигателя и в то же время передаточное число вариатора обеспечивать оптимальную динамику. еще важно помимо динамических характеристик двигателя, возможность использования в генераторном режиме и рекуперации энергии торможения
      • 0
        Для самого электродвигателя — да, вариатор это было бы очень хорошо. Но это было бы слишком «щедрым» для него подарком. Уж не такой электродвигатель и беспомощный, чтобы совсем уж не менять частоты вращения и момента. А вариатор — иногда довольно большая и капризная штука и не всегда с хорошим КПД.
  • 0
    Подскажите, как я понимаю асинхронные двигатели такого принципа на автомобиле не возможны и подобные видео просто фейк? youtu.be/kObWDnmFCvM
    • +4
      Почему же? Какого «такого» типа? Асинхронник как асинхронник. Вполне себе годен как альтернативный вариант для мотор-колеса велосипеда вместо синхронной машины. Работать будет вполне себе. Вы посмотрите, какой он здоровый — неудивительно, что у него с таким радиусом будет большой момент на низах. Но самое главное-то — это тяговая характеристика. Не мощность, не момент, а именно кривая зависимости момента от скорости в полном диапазоне с указанием, где двигатель может работать длительно, а где кратковременно (и сколько). А лучше две характеристики — длительную (проходящую по теплу) и предельную кратковременную. Вот тогда можно было бы сравнивать. А в самом видео движущегося электровелосипеда на асинхроннике ничего удивительного нет.

      Что же касается обмотки «славянка» — то это, скорее всего, маркетинговый ход. С такой обмоткой есть в интернете еще немало видео, которые уже смахивают на фейк. С такой обмоткой якобы «серийно» перематываются обычные промышленные асинхронники и якобы с такой обмоткой они становятся чем-то там лучше. Но когда дело доходит до предоставления конкретных характеристик конкретного асинхронника — перемотанного и не перемотанного, то оказывается, что или таких характеристик на сайте «перемотчика» нет, или они совпадают почти полностью с неперемотанным оригиналом (КПД, критический момент, номинальный ток, косинус фи и т.п.). Мы на фирме хотели было как-то приобрести асинхронник со «славянкой» и точно такой же оригинальный не перемотанный, установить в нашу лабораторию с датчиком момента и прокрутить, сделав эксперимент на тепло, измерение КПД и на снятие механической и элекромеханической характеристик. Но что-то нам его не продали на эти цели… Если кто-то готов предоставить двигатель со «славянкой» на такой эксперимент — мы бы испытали ради всеобщего интереса с публикацией результатов.
  • 0
    Пользуясь случаем задам вопрос в тему электродвигателей. Есть лабораторная центрифуга 60х годов. Она имеет переключатель скорости и может разгоняться до 9 тыс об/ мин. В то же время асинхронная машина быстрее 3000 об/мин в сети 50 Гц вращаться не сможет. Вопрос — какой двигатель в центрифуге? шума коллектора нет, ротор вращается очень легко, как у асинхронной машины. Выбег ротора такой что коллектора наверное там нет — трение щеток не дало бы так долго вращаться. Какая либо умная начинка отметается — центрифуга старая. Какой двигатель может дать 9000 об/мин в сети 50 Гц?
    • 0
      Судя по раскопкам на форуме медиков, которые работают с такими центрифугами, при неисправности первым делом они советуют проверять и менять щетки. А это значит, что там просто качественный коллекторный двигатель. Щетки бывают очень неплохо сделаны. Двигатель там маломощный, а если у центрифуги приличный момент инерции, то вращаться будет очень-очень долго.
    • +1
      В аппарате ОПн-8-У4.2 (1979 г.) стоит обычный коллекторный двигатель 180Вт 8000 об./мин. Варвары хотели на мусорку выбросить пришлось забрать. Ну а так коллекторники везде используют, например в фрезерах по дереву или «дремелях» так там до 30000-35000 об./мин. обычное дело.
  • 0
    Спасибо за статью!
    Коль скоро здесь специалисты наверное есть, хочу спросить: где можно качественно порезать электротехническую сталь, желательно в Москве? От обычной лазерной резки остается существенный гарт по краям и сталь потом плотно не упаковывается. На работе экспериментирую с изготовлением BLDC, хочу сделать небольшую машину на несколько киловатт со сверхпроводниковыми обмотками, но обрабатывать сталь напильником уже надоело.
    • 0
      Да обработка не проблема! давайте я вам надфилем настругаю магнитопровод, в обмен на ~60-80 сверхпроводящего провода?
      Мне много не надо, 0.5 мм2…

      Причина редактирования — очепятка
      • 0
        тогда уж и обжечь то что получится не забудьте! Иначе теряются магнитные свойства после мех.обработки.
  • 0
    А как работают трёхфазные, но двухполюсные двигатели?
    • 0
      Да также, как и любые многополюсные. Просто на одном механическом обороте сменяется несколько «электрических» оборотов: напряжение и ток успевают несколько раз поменять свой знак, пока проедут один механический оборот. Посмотрите, например, рисунок 2.6 по этой ссылке или посмотрите на гифку в википедии — там четырехполюсный двигатель.
      • 0
        Во всех справочниках приводится подключение двигателей с четырьмя полюсами и более, даже в вики. Но как запихнуть три синусоиды переменного тока в два полюса асинхронного двигателя?
        • +1
          Количество фаз двигателя вообще никак не связано с количеством пар его полюсов. Это разные параметры, каждый из которых сам по себе. Можно сделать десятифазный двигатель с одной парой полюсов, а можно двухфазный с сотней пар полюсов. Количество пар полюсов — это то, сколько раз на окружности статора повторены все фазы двигателя. ABC,ABC,ABC,ABC — четыре пары полюсов и три фазы, как на википедии в анимации (там фазы разного цвета). Если просто «ABC» по всей окружности под 120 градусов между фазами — одна пара полюсов. Вы запихиваете фазы в полюса, а надо умножать эти значения, чтобы представить, на что похож статор.
    • 0
      обычно «двухполюсные» — это слова в табличках справочников экономят во фразе «количество ПАР полюсов» — типа всем и так ясно что полюса — парные.
  • 0
    Как я понимаю, у коллекторных двигателей есть большой недостаток, — шум. Особенно раздражает высокочастотная составляющая. Как-то заинтересовался, существуют ли пылесосы и прочие шумные бытовые приборы с бесколлекторными двигателями, и ничего не нашёл. Неужели перспектива заявить «Наш пылесос на 40дБ* тише обычного** пылесоса» никого не заинтересовала? Или недостатки бесколлекторных двигателей в этом случае слишком велики?
    • +1
      Там еще надо разбираться в каждом отдельном случае, что шумит — двигатель, его вентилятор охлаждения, редуктор (в дрели, болгарке) или еще что-то. А бесколлекторные двигатели небольшой мощности не так и просто запитать от сети. Там все дело в преобразователе. Одно дело был бы это аккумулятор на 12В — там все понятно, полевые транзисторы и поехали. А когда здесь сеть на 220В… то уже всё сложно, или понижать надо, или ключи ставить на 311В звена постоянного тока, конденсаторы, микроконтроллер, а это уже недешевая такая штука в сумме и немаленькая по размеру получается.
      • 0
        я давно ищу вентилятор вытяжки в ванной на бесколлекторном двигателе, уже просто мечта.
        у меня в квартире две вытяжки в противоположных углах (туалет-кухня) и если включить вентилятор туалета, кухня засасывает свежий воздух и хороший приток кислорода
        но звук…

        собственно даже вопрос цены в разумных пределах уже не стоит, почему их не производят?
        • 0
          По той же причине, которая озвучена выше — сложность с инвертором. Поставьте бесколлекторный вентилятор от компьютера и небольшой блок питания на 9-12В. И мечта будет осуществлена.
        • +1
          Кроме того, собственно, в вытяжке стоит асинхронник (скорее всего), а он и так бесколлекторный. Чем он так не устраивает? Нужно регулировать? Шум двигателя большой? Или воздух шумит? Может быть, поставить однофазный частник? Или, на худой конец, диммер… авось не сгорит, у вентилятора нагрузка небольшая внизу.
        • 0
          Странная вытяжка. Ни разу не видел вытяжных вентиляторов на коллекторных двигателях как в пылесосах. Недавно чистил вытяжку, там стоит обычный асинхронный двигатель. Если снять лопасти то он очень тихо едва уловимо урчит. звук производят в основном только лопасти, причём балансировка помогает не сильно…
    • +1
      В пылесосе почти весь шум — аэродинамический. Даже просто замена шланга — гофры на гладкий — его наблюдаемо понижает. Но неудобно. Мотор отдельно шумит конечно, но надев на вал импеллер сразу понимашь разницу
  • +2
    Мне ВИД показался похожим на пачку двигателей на одном валу. Почему бы не собрать пяток асинхронных 300 кВт машин с контроллерами — это уже полтора мегаватта дешевой управляемой мощности?
    • 0
      В ВИД наращивание мощности может идти не вдоль, а по радиусу. По радиусу добавляются новые фазы, новые триады, не связанные электрически и магнитно друг с другом. В асинхронном двигателе если вы на статор намотаете еще обмотку, она будет иметь «трансформаторную» связь с другими обмотками через ротор, из-за чего будет очень сложно синхронизировать системы управления разных контроллеров друг с другом — это должен быть один контроллер и один преобразователь. Асинхронный двигатель можно «набрать» из полностью независимых частей только вдоль, получив сосику длиной во весь цех. А у ВИПов мощность можно наращивать и в длину и в ширину, сохраняя машину пропорциональной. Например, как это делается для ВИД НВ показано на первых слайдах этой презентации.
  • 0
    спасибо. побольше бы таких статей где всё разжёвано.
  • +1
    Эх, ваши бы статьи да 12 лет назад, как раз к курсу Электрических машин бы к месту были. А так, спасибо — очень интересное чтиво.
  • +1
    Очень интересная статья, спасибо.
    Скажите, а будет продолжение про управляемые моторы — типа шаговых и сервоприводов?
    • 0
      А что именно вы бы хотели узнать? Про синхронные двигатели и векторное управление для них уже была статья, до «сервоприводов» оттуда рукой подать — ставите регулятор положения и готово.
  • 0
    Тоже занимаюсь электроприводом, в основном короткозамкнутые асинхронные и асинхронные с фазным ротором, всё это для подъемно-транспортного оборудования.
    Хотелось бы увидеть статью обзор, глобальный такой «по верхам» где какие типы и мощности применяются. С удовольствием добавлю в комментариях то, что знаю в своей сфере.
    • 0
      Обзор электродвигателей именно в сфере подъемно-транспортного оборудования? Думаю, это получится очень специфическая тема для общеобразовательной статьи. Кроме того, честно признаюсь, я в такой узкой области даже не знаю, что написать — это как раз Вы могли бы сделать такую статью, раз работаете в этой области. Я больше по насосам, да немного по электротяге.
      • 0
        Нет, просто обзор всех типов по применению, эту информацию очень сложно найти просто так, каждый знает в своей сфере.
        Про статью от меня — я обязательно подумаю.
  • +2
    Кстати, об бытовой технике. Вот здесь люди заменяют мотор в шуруповёрте на авиамодельный синхронный и авиамодельный же регулятор. http://roboforum.ru/forum61/topic12163-30.html#p282229 Вроде как по всем характеристикам выигрывает, ещё и защита от дурака появляется (на коллекторнике что-либо спалить — как два пальца об асфальт), а по деньгам получается чуть ли не дешевле, нежели новый родной мотор. Что вы на эту тему думаете? Нет ли здесь подводных камней?
  • 0
    Есть подводные камни. Там ставят бесколлекторный моторчик, рассчитанный на обильное воздушное охлаждение (от пропеллера авиамоделек), но ставят в закрытый корпус. Посмотрите — коллекторник на фото больше как раз на размер воздушной крыльчатки — не просто так она там стоит. Поэтому житься такому синхронному моторчику внутри шуруповерта будет очень нелегко — может перегреться.

    И самое главное — туда люди ставят регулятор с бездатчиковым управлением. Что для шуруповерта неприемлемо. Он будет крутиться хорошо, пока крутится. Но если его остановить — момент при трогании под нагрузкой у него будет никакой, шуруповерт будет дергаться во все стороны, момент будет пульсировать и менять знак. Т.е. при закручивании, собственно, шурупов всё будет очень неудобно. Сверлить еще сойдет.

    Туда нужен бесколлекторник с датчиками Холла. И соответствующий регулятор. Не от авиамодели, а от автомодели, в общем. Тогда будет годно.
    • 0
      Спасибо!
  • 0
    Меня интересует чисто гипотетическая задача. Прямого ответа так и не нашёл. Поэтому, пользуюсь случаем, хочу спросить у профессионала. Допустим у нас машина переменного тока (пускай 2-х фазная). Есть датчик положения, который выдаёт синус с косинусом. Усиливаем сигналы с ДПР и питаем машину в зависимости от положения ротора — то есть, если можно так назвать «идеальная автокоммутация». Теперь если управлять напряжение на звене постоянного тока, как это делается для систем подчинённого регулирования для ДПТ, получим ли мы в этом случае аналог ДПТ, но без коллектора? Будут ли рабочие характеристики при таком способе управления отличаться от векторного, при условии, что мы работаем в «1ой зоне» регулирования?
    Я понимаю, что такой вариант менее эффективен, если вообще возможен. Мне интересно чисто с точки зрения теории.

    И более общий вопрос — можно ли ДПТ использовать для задач «удержания»?
    • 0
      1. Если я правильно понял суть того, как вы хотите сделать, то это получится некий непрерывный, аналоговый вариант «автокоммутации». Работать будет, но тут надо не абы какую машину переменного тока, а именно синхронную. Асинхронник так не поедет. Проблема тут в том, что вы подадите на двигатель именно напряжение в соответствии с датчиком положения, а не ток. В векторном управлении по оси двигателя q должен быть именно ток. Если вы подаете напряжение прямо по сигналу с датчика, без всякой обработки, то на небольших частотах вращения фаза напряжения и тока будет почти совпадать. По мере разгона ток будет все сильнее отставать от напряжения, ток будет всё более реактивным и бесполезным. Поэтому в обычной автокоммутации применяют опережение коммутации — время, насколько раньше надо на данной частоте вращения подавать на двигатель напряжение, чтобы ток в итоге получился вдоль оси момента q. У вас же получится вариант, как рассмотрен в статье с синхронной машиной на рисунке 4.

      2. ДПТ совершенно прекрасно используется в сервоприводах с датчиком положения ротора. Вы делаете контур тока (по датчику тока), и контур скорости, положения (по энкодеру, например). Задаете регулятору положения нужное задание, где вам там нужно удерживать — и все. В зависимости от быстродействия системы управления и качества датчика положения получаете те или иные характеристики качества удержания. Точно также делается и система на серводвигателе переменного тока, а конечные потребительские свойства получаются примерно такие же, как и на ДПТ (только нет износа коллектора). Если же без датчика положения, то с ДПТ ничего не выйдет.
      • 0
        Спасибо, теперь стало понятно!
        Вспомнил ещё один момент. Всем известно, что в 3х фазной сети синусоиды сдвинуты на 120 эл.градусов. Двигатели также питаются напряжением с таким же сдвигом фаз. Но я пару раз натыкался на статьи где используется сдвиг фаз на 180 градусов, якобы для повышения момента. Меня вот интересует на сколько такой режим питания эффективен и безопасен для движков.
        Ссылки на статьи к сожалению не приведу, но есть драйвер для BLDC/SMPM — MTD6501, в его datasheet как раз сказано, что используется 180 гр.
        • 0
          Может какая-то опечатка? Со сдвигом в 180 градусов получается только две фазы, и если их подать на трёхфазную обмотку поле внутри двигателя будет очень интересным и кривым.
          • +1
            Нет. Это они "там" так называют интервал проводимости и, соответственно, тип коммутации обмоток. 120 градусов и 180 градусов это не сдвиг фаз друг относительно друга. Это интервал проводимости — сколько градусов от полного периода 360 градусов фаза включена. Его можно было бы измерять с тем же успехом и в процентах, но в градусах понятнее. У нас, на Руси, издревле это обычно называли по-другому: симметричная и несимметричная коммутация. Вот тут есть графики, как работают фазы трехфазной машины при симметричной и несимметричной коммутации. При симметричной коммутации в единый момент времени работают только две фазы, а третья отключена. И интервал работы фазы составляет 120 градусов. Именно благодаря такой схеме коммутации и есть возможность в третьей, отключенной фазе измерять ЭДС машины и делать простейший бездатчиковый режим работы, что активно используется в регуляторах авиамоделек. Ниже представлен вариант несимметричной коммутации, когда интервал проводимости фазы составляет 180 градусов, а «свободные» фазы при работе отсутствуют — надо использовать датчик или математику. Следующим «улучшением» является не просто включение фаз с токоограничением, а формирование синуса с помощью ШИМ, а там уже это плавно превращается в векторное управление (только кому оно надо для BLDC машины с трапецеидальной ЭДС и изначально предназначенной для симметричной коммутации?).
  • +5
    Хорошая статья, несмотря на неполноту, добавлю пару уточнений (раз уж я зарегистрировался):
    ДПТ делают на очень большие мощности, вплоть до десятков мегаватт — мощные шахтные подъемники все с ДПТ от 630 до 6300 кВт (да, их масса достигает 200 т), привода гребных винтов судов тоже.

    АД прекрасно секционируются как по длине, так и по высоте — путем повышения фазности, каждая тройка которых питается от своей секции ПЧ.
    Кроме того, как известно, на сегодняшний день наиболее мощные и распространенные (в мире) тяговые привода — с асинхронными двигателями: начиная с той же Тесла, далее трамвай/троллейбус/электробус (180-240 кВт), метро, и заканчивая электровозами (1200-1500 кВт).

    Если же говорить о PMSM, то их использование в чистом виде для тяги (ну, может за исключением велосипедов и прочей экзотики типа сегвеев) закончилось в прошлом веке. Уже с 1999 г. Toyota и Honda, а с 2005 г. BMW и другие ведущие производители гибридов и электрокаров внедряют т.н. гибридные синхронные машины, и стремятся снизить вклад магнитов в суммарную тягу, заменяя его реактивной составляющей момента. Это позволяет расширить выходную характеристику 6-8-полюсных машин до 10-12 тыс. оборотов с приемлемыми показателями тяги и потерь.

    И очень странно, что Вы не упомянули чистые синхронно-реактивные машины, хотя они были изобретены в 1923 г., и их массовый выпуск (да, от единиц Вт до единиц кВт) был как в СССР, так и в мире, и которые сейчас переживают наибольший расцвет в странах, в которых считают энергоэффективность…
    Но в целом очень неплохо…
    • +2
      Спасибо за профессиональный комментарий.
      Про ДПТ такой мощности, честно говоря, я не в курсе. В живую не видел, а в некоторых учебниках по приводу пишут про ограничение в единицы мегаватт. Было бы интересно узнать, как там сделан коллектор. Наверное, при желании всё сделать можно, вопрос в целесообразности и надежности.

      В АД фазность увеличивать можно, но вы же не будете отрицать, что фазы получаются связанными? И чтобы управлять таким АД, нужно либо синхронизировать трехфазные секции по времени с точностью до процентов периода ШИМ, если синусный фильтр на выходе преобразователя не используется, или с точностью до периода основной гармоники, если синусный фильтр стоит. Переходные процессы в одной секции будут неизбежно влиять на переходные процессы в другой: система управления должна быть централизованной.

      Асинхронный привод используется в тяге очень активно, я не спорю. Да и ДПТ все еще по-старинке ставят, да и другие типы двигателей. Вопрос, какое же решение все-таки лучше.

      Гибридная синхронная машина — это по сути та же синхронная машина с искусственно увеличенной явнополюсностью. Примерно это я имел ввиду под небрежной фразой «размазывать механическую характеристику» синхронной машины в статье. Вклад от активного момента там снижают, а вклад от реактивного прибавляют, из-за чего машина получает более широкую механическую характеристику. Возможно, это стоило бы написать более подробно, Вы правы.

      Но от такой машины недалеко до чисто синхронно-реактивной машины (без магнитов), а от неё до SRD. По-сути, ведь нет особого отличия, как сделан статор — зубцами или гладкий (с точки зрения принципа работы). Я рассмотрел SRD, а реактивную машину и промежуточные варианты с магнитами опустил — это уже достаточно глубокие для общеобразовательной статьи вещи — как именно совместить активный и реактивный момент, чтобы получить оптимум для определенных требований.
      • 0
        «Серийно» выпускаются ДПТ серии П2 и П2Ш от 630 до 12500 кВт (это с одним якорем). Я участвовал в наладке 5 электроприводов с такими машинами. К слову: там же, на наладке, был разработан «монитор» для микроконтроллера ADMC и, позже TMS320х, о своей реализации которых Вы писали несколько дней назад. Как без него можно вообще что-то наладить с числом состояний более одного — правда не понятно.

        Если говорить о судовых электроприводах — то по фразе «электродвигательный агрегат 100 МВт» гугл даст много интересных статей и картинок ;)

        По гибридным машинам — от увеличения числа полюсов PMSM отнюдь не станет PMA-SynRM…
        Т.н. «гибридизация» (вообще-то «глупый» маркетинг-термин, введенный в оборот BMW в рекламе своих i3-i8) достигается изменением геометрии магнитов, геометрии «пустот» в роторе, и расположением магнитов в пустотах.
        • 0
          Поискал. Нашел, например, это.
          агрегата, состоящего из че­тырех двухъякорных электродвигателей посто­янного тока такого типа с трехходовыми обмот­ками, соединенными на валу последовательно, что позволило получить мощность 100 МВт
          . Это сосиска из ДПТ, да и еще и двухъякорных. Получается, что предельная мощность ДПТ на один якорь — примерно 10МВт, да и это уже является единичным достижением. Да, возможно, в статье надо исправить единицы мегаватт на десяток, но никак не на десятки и сотни.

          PMSM: Не числа же пар полюсов, ну что Вы. Я же не так написал. Увеличение явнополюсности. Явнополюсность — это когда делают явновыраженные полюса, чтобы достичь большего уровня реактивного момента синхронной машины. Вот, какой-нибудь классический учебник — там используется такой термин. Можно это же самое достигать за счет изменения магнитной проводимости ротора более хитрыми способами, но смысл один.
          • 0
            Да, Вы правы — я не дочитал про явнополюсность…
            Про «сосиску» тоже было весело…
  • 0
    Удовлетворите любопытство чайника — какова долговечность электродвигателей?
    40 лет непрерывно без остановки, со смазкой подшипников раз пару лет — ходят?
    Ресурс дизей примерно представляю — неск тысяч моточасов с регулярным ТО тюненые недогруженные до переборки… А электро? Да хоть тех же эскалаторов/лифтов/насосов водопровода/прокатных станов…
    Ну плюс-минус лапоть, навскидку по памяти, не столь мне это важно, что б в справочники вас просить лезть…
    • 0
      Электровозы (и поезда метро) ходят десятки лет точно. Генераторы элекростанций (которые те же моторы, но наоборот) служат по много десятков лет, приближаясь к сотне.
      • 0
        Я совершенно не представляю себе переодичности вывода всего этого на профилактику/ремонт или вообще замену… А то вон с авиадвигателями — вроде сейчас ресурс без снятия у современного движка просто огромен, но пишут — нередки случаи, когда с гарантийного/ регламентного осмотра в сервис-центре — прилетает домой, а там половина деталей новые. С т.з. потребителя/пользователя — да и ладно, даже хорошо, с т.з. объективного технического, а не юридическог знания — получается.просто игра словами… Потому и вопросил.
        • 0
          Если двигатель работает в тепличных условиях — без перегрузки, от синусоидального хорошего напряжения, без частых пусков-остановов, а его конструкция отработана годами (это не сырое изделие) — то электродвигатели вечны. Особенно асинхронники. Уже весь корпус будет в коррозии, шильдик зарастет пылью, краска будет сползать клочьями, а он все еще будет работать — на автопилоте, почти без обслуживания. Часто двигатели меняют на новые, снимая и выбрасывая отлично работающие. Просто потому, что они не регулируемые или великоваты/шумноваты и т.п.

          Но вот на нефтянке «загоняют» движки гораздо быстрее. Их опускают на глубину, где большая температура, работают они от частотника с ШИМ, который стоит наверху, вглубь скважины идет кабель, на котором из-за большой длины и ШИМ образуется стоячая волна и перенапряжения… Нагрузка всё время разная, еще им 60Гц «подкручивают», чтобы побыстрее и больше качали. В общем, изоляция не выдерживает и они пробиваются лет за 10, а то и быстрее.
          • 0
            ага, спасибо. примерно так себе это и предствалял, но всё всегда лучше спросить у спеца если они есть в доступности.

            Заодно это нам ответ на идею коробки передач — они явно такой надёжностью не обладают.

            Наблюдал много раз замену старого движка на новый, гораздо худшего качества из совершенно всевозможных чаще всего бредовейших соображений. Но было всё на уровне ощущений.
            • 0
              Механические коробки передач тоже почти вечны :) Если хорошие. Там синхронизаторы снашиваются в основном, что в случае электродвигателя может быть компенсировано электронной синхронизацией частот вращения, а также значительно более редким переключением.
              • 0
                Гидромеханические планетарные коробки тоже очень отработаны. Хотя механика надежная тоже. Часть проблем у нее от ДВС (то же сцепление — расходник, так как ДВС нельзя легко остановить и запустить). Но КПП и электрический двигатель — это нонсенс. Кто машины с ДВС переделывает на электро обычно оставляет коробки, но ездят на 2 или 3 передаче (в зависимости от тяжести условий). То есть, почти как с редуктором.

                Спасибо за статью. Немного пролила свет на конструкции двигателей, хотя я не совсем врубился с работой синхронных машин. И что у электромоторов тоже есть проблемы с диапазоном частот и крутящего момента (традиционно у ДВС такие проблемы, что без КПП в авто их нельзя использовать. когда как электродвигатели с редуктором вполне, но тоже есть проблемы. до этого казалось проблема лишь как дешево и компактно накапливать и отдавать энергию с большими токами).
                • 0
                  Не нонсенс. Посмотрите на Formula E. Посмотрите, где стоят электродвигатели в большинстве гибридов — перед коробкой или вариатором. Да и те, кто ездит на самоделках на 3й передаче, уверен, при выезде с подземной парковки включают первую — иначе там и останутся. Я и писал выше — оптимум для электрики это две передачи. «Обычная» — на каждый день; и пониженная — для очень крутых горок и бордюров. Конечно, можно делать и без коробки передач. Но есть сложности — с ней было бы проще.

                  А про принцип работы синхронных машин посмотрите прошлую статью.
                  • 0
                    Эх, долго еще мы не избавимся от коробки передач. Автоматические трансмиссии считаю очень хорошей вещью, ну в частности для ДВС — это необходимый костыль. Но получается и для электродвигателей тоже нужны костыли (ну странно было бы на тесле сидеть и работать рычагом на жигулях. знаю, что роботизация есть, есть и упомянутые мной традиционные гидромеханические. но ведь хочется поставить мотор, опционально редуктор, «частотник» и педалькой им рулишь без лишних механизмов).

                    А тут прям переизобретение понижающей передачи (встречается она обычно на машинах с ДВС только на всяких внедорожниках или грузовиках, когда как на электро, походу, будет обычным делом. если что, первую передачу за пониженную не считаю, так как с нее предполагается почти что всегда начинать движение. когда как грузовики могут трогаться с нее только при наличии груза или внедорожники на внедорожье включать понижайку дополнительно к основным передачам).

                    Смотрел статью, но перед прочтением надо бы вспомнить физические аспекты. Так как на базовом уровне ясно, а хочется чуть глубже, но пока не вкуриваю (здесь уже надо вспомнить курс электричества и магнетизма).
                    • 0
                      Я думаю, на электрику все будут ставить просто завышенные по мощности электродвигатели, как у теслы, или вариатор, или ограничивать максимальную скорость. Но коробку передач не поставят — засмеют :) Хотя технически она просится.
                      • 0
                        Главное, чтобы КПД был хороший :). А так это будет новый виток тюнинга. Уже сейчас производители ограничивают давление наддува ДВС, чтобы крутящий момент был ровный (собственно, с помощью наддува они и пытаются размазать этот пик равномерно по всей области). А люди чипуют и снимают ограничение, но тогда движок хоть и становится злее, но крутящий момент опять имеет горку. Скорость снять не проблема, но придется силовую часть переделывать, так как никто не будет рассчитывать питать двигатель на номинальную мощность.
                      • 0
                        Насколько я помню, у Теслы S две передачи =) Вторая включается на скоростях выше 100 км/ч (точное значение не помню). Ну там, не классическая коробка передач, а редуктор с блокировкой, но все же… =)
                        • 0
                          Это очень интересно. И важно. А где вы про это читали? Я такой информации нигде не видел.
                          • 0
                            Попутал немного. Год назад объявили, что начали работу над 2-х скоростной коробкой. Не могу никак найти ссылку на ту новость. Вот только это нашел на русском и это на английском
                            • 0
                              И у родстера Теслы нет такого редуктора… Вот ведь память подвела, я был уверен, что у Теслы!
                              • 0
                                И на том спасибо, интересные ссылки. Раз даже ZF задумывается о двух- или трех-скоростной коробке для электродвигателя, то это подкрепляет выводы в моей статье о проблемах с диапазоном регулирования у электродвигателей применительно к транспорту.
                                • 0
                                  Обратите внимание на трансмиссию автомобиля Toyota Prius. В ней нет коробки передач в привычном понимании этого слова (клиноременного вариатора или набора шестерён). Так же нет гидротрансформатора или сцепления. ДВС и два электромотора соединены в одну планетарку. И всё.
                                  • +2
                                    Для своей ниши там элегантно сделано, но на самом деле это тот еще тяни-толкай. Целых три энергоагрегата — ДВС и две синхронных электромашины, работающих постоянно в разных режимах. При этом чаще всего одна электрическая машина мощность забирает, а другая в это же время отдает — выделяя потери на КПД сначала одной машины и инвертора, потом на другой. И всё это чтобы не делать вариатор или коробку передач. При этом чисто электрические качества трансмиссии тоже ограничены: с выключенным ДВС ходовые качества приуса так себе, хотя здесь это больше вызвано ограничениями батареи. Так что перенести решения приуса на чисто электрический автомобиль не видится рациональным.
    • 0
      Кроме подшипников в двигателе без коллектора изнашиваться нечему.
      • 0
        Изоляция. Еще стареет изоляция. И она очень не любит ШИМ.
        • 0
          Это понятно. Усталость конструкционных материалов тоже рано или поздно наступает. Но там было сравнение с дизелем, который принципиально не может обойтись без пар трения, подверженных износу.
      • 0
        и кроме изоляции — железо магнитопроводов перекристаллизовывается (от температрурных качек и вибрации)… мееедленно, но домены растут, «мягкость» его магнитности падает, растёт гистерезис (потери, нагрев, падает момент)…
        С изоляцией забавно — напр в советские времена ввиду большой любви населения к «ворошиловке» («ворованному шилу» т.е. техническому спирту) — была директивно-принудительно введена пропитка обмоток эпокситкой разведённой на ацетоне (весь мир спиртом разводит). который растворяет лак проводов. Да ещё, высыхая, «ацетоновая» эпоксидка сильно хрупче будет чем спирторазведённая. В итоге даже если обомотка была выполнена качественным проводом — на выходе сразу с производства двигатель мог иметь места где всё держалось на честном слове от межвиткового замыкания.
        Поэтому именно интересует реальная статистика практиков — фирма-поставщик может оценить — сколько движков идёт на новые объекты, а сколько на замену старых и какой давности те старые.
  • 0
    Прошлой зимой наткнулся на видео про обмотку «славянку», где авторы говорят о разных преимуществах.

    Мне интересно услышать мнение других специалистов об этом.
    • 0
      Выше в комментариях обсуждалось.
      • 0
        Спасибо, как-то пропустил.
  • +1
    Спасибо за статью!
    Скажите, пожалуйста, применяется ли в каких-либо двигателях магнитная сборка Халбаха для обмоток статора либо ротора?
    Предположительно, она позволит сосредоточить всё магнитное поле в пространстве между статором и ротором, что может повысить эффективность.
    • 0
      И Вам спасибо, узнал для себя про сборку Халбаха! Как пишут на англоязычной википедии, то она как раз в синхронных машинах с постоянными магнитами иногда и применяется. И статей всяких исследовательских тоже много.
  • 0
    Отличная статья, спасибо!
    Могли бы Вы рассказать про авиадвигатель Siemens, упоминался здесь
    Какого типа? За счет чего достигнуты подобные характеристики?
    • 0
    • 0
      Если вы про это, то, скорее всего, это синхронная машина с магнитами, как в небольших авиамодельках.
      В авиамодельках, если посчитать, тоже характеристики этих моторчиков поразительные. С кулак размером они уже имеют мощность в киловатт, а то и больше. А промышленными асинхронниками на киловатт можно держать оборону крепости, сбрасывая вниз. Вот именно такое уменьшение габаритов и дает применение постоянных магнитов. А у сименса там еще, судя по фото, интересная система воздушно-водяного охлаждения — и шланги подводятся, и крыльчатка, и полый ротор.
      • 0
        Как Вы счиатете, это наиболее перспективная веть развития электрических двигателей для авиации, или есть что-то более подходящее? (не в смысле сегодняшних результатов, а имеющее бОльший потенциал)
        • 0
          Я считаю, что для пропеллеров синхронные машины идеальны. И они уже в этой задаче развиты практически до своего предела — если, конечно, вдруг не появятся еще более легкие и сильные магниты.
          • 0
            Для авиации был проект со сверхпроводящими обмотками, но я давно о нем не слышал, похоже заглох.
      • 0
        … редкоземельных постоянных магнитов (у них против магнитов полувековой давности порядка на два характеристики)
  • 0
    Почему про шаговые только вскользь?
    • 0
      Хотел написать в ответе, но получилось много и написал в итоге в конец статьи. Спасибо.
  • 0
    На каком двигателе можно получить самый «гладкий» момент (с минимальными изменениями момента от угла поворота)?

    Например стоит задача на очень точный угол (или заданную скорость) вращать камеру на скоростях 0-180 град/с, мощность менее 300Вт, минимальный вес. Какой бы тип двигателя с вашей точки зрения оптимальный под данную задачу?
    • 0
      Самый гладкий момент будет у качественного серводвигателя на постоянных магнитах (PMSM). Они для этого и делаются. ДПТ для серво тоже неплохие есть, без пульсаций почти. Но вес там будет хороший. Еще можно поставить какой угодно двигатель, но качественный датчик положения и сервопривод с контуром положения и векторным управлением. Он сможет сгладить многие огрехи двигателя. Вам летать? Или для чего? Задача не очень точно описана.
      • 0
        Ну например подвес узкопольной камеры на модель-вертолёт. Тоесть необходимо вращать и удерживать камеру с точностью допустим 0.001 градуса, отрабатывать угловые вибрации. Редуктора в этом случае не подходят из за люфтов, а вот вариант прямого привода выглядит заманчиво. Встречал варианты исполнения синхронных двигателей на постоянных магнитах в которых обмотки соседних полюсов частично пересекаются, как я понимаю как раз для более гладкого момента. Или допустим количество пар полюсов на статоре и роторе отличается на 1. Интересно какой из этих приёмов эффективнее и лучше для данной задачи.
        • 0
          Для такой задачи подойдет любой прямой привод с хорошим энкодером и соответствующей системой управления. Но отрабатывать все угловые вибрации привод не сможет. Особенно если это вибрации винтов. Их как-то механически надо к камере не пускать. От ветра или от колебаний корпуса мягких — может быть привод спасет.
          Все промышленные сервопривода будут больших габаритов и веса, чтобы собирать это из отдельных блоков. Но задача должна быть достаточно популярная. Я думаю, она уже должна быть решена и должны быть готовые устройства стабилизации на рынке в продаже. Посмотрите просто как сделано там. Двигатель в этой задаче — одна из самых простых вещей. А вот механика, датчики и ПО стабилизации — это вот да.
          • 0
            Ах, 0.001 градус… И прямой привод? И легкий, на вертолет? Нет, это фантастика. Таких и датчиков-то нет.
            • 0
              Датчики есть, например www.renishaw.ru/ru/resolute-absolute-optical-linear-and-absolute-optical-rotary-angle-encoder-system--10852
              Вес тоже величина относительная, два кг на движок вполне нормальный вес под мою задачу
              • 0
                Чем выше точность датчика по угловому разрешению, тем больше его радиус по вполне понятным физическим законам. Для обеспечения нужной вам точности радиус был бы немаленьким для вашей задачи. Был бы. До того, как я прочитал, что два кг на двигатель только одной оси для вас не проблема. И это не считая системы управления и самой камеры… Это что же за вертолет у вас такой? И задача, судя по всему, у вас серьезная, раз вы готовы ставить самые дорогие энкодеры, находящиеся на пике достижений науки.
                Ну хорошо, даже представим, что на сам подвес камеры вы поставили сверхточные датчики положения и обеспечили 0.001 градус. Что на этот сервопривод вы будете задавать, чтобы компенсировать отклонения? Вам же нужно, видимо, прицеливать камеру ровно в одну точку. Чтобы это делать, нужно при изменении наклона вертолета на 1 градус давать соответствующую коррекцию на сервопривод камеры на 1 градус. А это значит что нужно и угловое положение вертолета в воздухе измерять с точностью 0.001 градус, что практически невозможно. Либо обеспечивать прицеливание средствами картинки самой камеры, что еще тянет за собой всякие алгоритмы обработки картинки на лету и выделение перемещения картинки.
                Не проще поставить в подвес камеры вместо сервопривода на 2кг старый добрый гироскоп? И раскрутить его посильнее…
                • 0
                  Угловое положение измерить не проблема, сейчас это делается ещё точнее.
                  Механический гироскоп поставить можно, что конечно сильно увеличит габариты изделия. Но проблема в том что система обзорная, то есть в процессе полёта оператор с джойстика меняет положение камеры как ему хочется.
                • 0
                  >Либо обеспечивать прицеливание средствами картинки самой камеры, что еще тянет за собой всякие алгоритмы обработки картинки на лету и выделение перемещения картинки.

                  Я развлекался похожими задачами на телефонах.

                  Обеспечить на тряской камере и плохом датчике стабильное «нацеливание» картинки. Задача вполне решается алгоритмически, тем более для целей авиации, когда реальная угловая скорость картинки мала.
                  Широкоугольная камера обеспечивает детекцию фич на земле. Зная скорость и высоту можно дать поправку на перемещение аппарата. Далее учитывая эту поправку, делается поправка на тряску. Я так понимаю, что с массой проблем нет, т.е. можно прицепить полноценный комп с GPU, а этого хватит чтобы вычислять в реалтайме.

                  Ну и на конец — введение поправки либо на управление сервами, либо на алгоритм выдачи картинки. Или на то и другое.

                  Сложность всего этого конечно высокая, надо не одного человека, да и математика там серьезная. Но для коллектива с финансированием посильно.
          • 0
            Механика, датчики и ПО совсем не проблема. Пока проблема в том, что если построить график момента от угла поворота то получится что-то типа синуса. У полюсов момент максимальный, между полюсов момент минимальный. Из за этого и двигатель приходится использовать значительно более мощный чем необходимо, и алгоритм управления критически усложняется.

            Обычно в подобных штуках применяются моментные двигатели, которые в статье к сожалению не рассмотрены.
            • 0
              График момента от угла поворота при каком управлении двигателем? При подаче постоянного тока в фазы? Или векторном управлении при задании постоянства момента? Мне кажется, вы имеете ввиду управление двигателем в разомкнутом режиме и позиционирование в режиме «удержания» на его естественной угловой характеристике. Или я снова что-то недопонял?
              • 0
                Я думаю вы правильно поняли. Есть векторное асинхронное управление. Поворачиваем вектор на дельта Х градусов, двигатель находится в режиме «удержания», мерим момент, снова поворачиваем на дельта Х, мерим и так далее, потом строим график.
                Или например, в векторном синхронном режиме задаём вектор на 90 градусов больше текущего положения, при этом ожидаем что двигатель будет равномерно вращаться с максимальной скоростью, но продифференцировав данные от энкодера видим что скорость меняется по синусоиде, причём если привязать эти данные к углу поворота, получим что максимальная скорость примерно в тех местах где полюс статора напротив полюса ротора, а минимальный там где полюс статора находится между полюсов ротора.
                • 0
                  Ну да, это так и должно быть, у синхронной машины момент изменяется по знаку синуса при постоянства тока в фазе, как и нарисовано в моей статье про векторное управление. Вопрос в том, зачем вы применяете разомкнутое по положению управление вектором тока (векторное асинхронное управление в вашей терминологии), а не классическое векторное управление по датчику положения, сделав контур тока (момента), скорости, положения? В таком случае за счет работы регулятора положения вал двигателя будет стоять как заклинивший, пока усилие нагрузки на валу не превысит максимальный момент двигателя. Хотя при этом в разомкнутом режиме «удержания током», то есть как вы управляете, вал можно даже рукой прокручивать градусов на 20 (для небольшого двигателя с одной парой полюсов) — никакой точности поддержания угла.
                  • 0
                    Систему управления я в предыдущем сообщении специально не затрагивал. Раз уж про неё зашёл разговор, то она сама собой есть, классический ПИД регулятор, который лично мне не нравится по ряду причин. Да и не получается его настроить как вы описали. Например если удерживаемое положение 5 градусов то условно от 4.9 до 5.1 градусов момент очень слабый, можно раскачать рукой очень легко. Если эти границы уменьшить то двигатель будет самовозбуждаться, гудеть и потреблять лишнее электричество. Может быть это из за того что в системе управления отсутствуют датчики тока, но я в этом не уверен.

                    Я же хочу попробовать реализовать точную систему управления. Например надо повернуться на 15 градусов, значит до Х гардусов мы подаём максимальный момент, а потом начинаем тормозить максимальным отрицательным моментом, в точке 15 градусов если всё рассчитано правильно скорость у нас 0, момент выключаем. Быстродействия ПЛИС вполне будет достаточно для необходимых расчётов. Но неравномерность момента от угла значительно усложняет задачу.
                    • 0
                      А вы ПИД регулятор поставили управляя чем? Что задает выход регулятора? Положение вектора напряжения?
                      Судя по всему, если у вас нет датчиков тока, это не векторное управление, а непонятно что. Должен быть полноценный сервопривод с тремя контурами: тока (момента), скорости, положения. Три ПИД регулятора, а не один. И все будет работать с точностью датчика положения ротора, «качаясь» максимум на одну метку датчика. Руками вы там ничего не повернёте. Будет стоять как скала. Особенно с таким датчиком положения, как вы написали — 0.001 градус или сколько там вы хотите. Вот, возьмите, например, наш сервоусилитель, в котором это реализовано, включите, поиграйте.
                      А еще изучите статью про векторное управление, там написано, как нужно это всё делать в теории. Не поставить датчики тока и пытаться качественно регулировать положение — это вы интересно придумали.
                      • 0
                        Сейчас реализовано так: есть центральный вычислитель, который по данным гироскопа, джойстика и т.п. высчитывает целеуказание для двигателя. Данное ЦУ с частотой килогерц поступает соответственно на ПИД регулятор, который и формирует ШИМ. Соответственно по разнице между ЦУ и энкодором формируется пропорциональная составляющая и т.д. Придумано и сделано это ещё до меня, подозреваю что не совсем правильно, вот и начинаю изучать теорию управления, в том числе и ваши статьи. Ваш сервоусилитель не подойдёт по той причине что двигатель сейчас двухфазный (на выходе 4 провода).
                        • +1
                          Подойдет. Два провода объединяете и подключаете к одной из фаз. Также выбираете другой тип ШИМ в настройках (для двухфазного двигателя). При этом снизится запас по напряжению, но работать всё будет.

                          То, как вы написали — сделано неправильно от слова совсем. Переходные процессы в двигателе между подачей напряжения и возникновением момента на валу пущены на самотек. А они долгие — есть же индуктивность. Отсюда и медленная реакция на возмущение, колебания при повышении коэффициента регулятора и т.п. Ставьте или готовый трехконтурный сервопривод, или делайте свой. Читайте статью про векторное управление и всё получится (с хорошим датчиком положения и токов).
                          • 0
                            Сейчас прочитал Вашу статью про векторное управление. По сути у нас реализовано тоже самое но с двумя контурами: по положению и скорости и в каждом контуре по сути только пропорциональная составляющая. Буду пробовать сделать классическое векторное управление. Но возникло два вопроса:
                            1) Какие хорошие датчики тока вы используете? Если у нас частота шима 20кГц, то как я понимаю датчик должен выдавать данные не реже?
                            2) Есть ли какая-нибудь методика по настройке П и И коэффициентов каждого контура?
                            • +1
                              Частота ШИМа напрямую к полосе пропускания датчиков тока не привязана. Она привязана к частоте обсчета контура тока в приводе — должна быть на порядок выше. К частоте ШИМ полоса пропускания датчиков имеет косвенное отношение. Всё зависит от индуктивности двигателя. Если индуктивность мала, то ток на периоде ШИМ прыгает сильно, а для контура тока нужно использовать его среднее значение на периоде ШИМ. Можно получать это среднее значение цифровым путем, измеряя на периоде ШИМ ток несколько раз и усредняя в конце по нескольким точкам, можно измерять один раз, но в нужный момент времени, там, где ток проходит через среднюю точку (обычно это верхушка таймера, генерирующего ШИМ), а можно усреднять сигнал аналоговым способом. А если индуктивность фазы сравнительно большая, то такой проблемы нет.
                              Датчики тока используют или компенсационого типа на эффекте Холла (фирма LEM делает неплохие), а можно ставить шунтовые датчики токов. Мы в Servo2 используем шунтовые. В общем, с наскоку тут не сделать, конечно, объем знаний и опыта, чтобы сделать хорошо, нужен большой.

                              Вы бы взяли бы хотя бы один готовый фирменный сервопривод и запустили, чтобы знать хотя бы к чему стремиться самим. А то сделаете сейчас как-то неправильно, не понравится, и потом будете думать, что трехконтурное управление это все ерунда и не работает.

                              2. Методик настройки ПИД регуляторов миллион и она штука. В основном — смотрите на графики переходные процессов и настраиваете, начиная с самого нижнего контура итерационно поднимая коэффициенты. Переходной процесс специфически изменяется от П и И. Здесь вам понадобится система осциллографирования, подобная той, которая описывалась у нас в первой статье. Вот на этой странице у нас во втором и третьем видео показано кое-что про настройку регуляторов.

                              Думаю, вопрос создания качественного сервопривода — это не тот вопрос, который можно обсудить в паре-тройке комментариев к статье :)
                              • 0
                                Неправильно выразился в первом предложении: частота пропускания датчиков тока должна быть выше частоты обсчета контура тока.
        • +1
          Если не надо 360 градусов, то линейный двигатель + сервопривод, как в приводе головок в hdd. За счёт длинны рычагов можно будет разумного размера/разрешения энкодер использовать при обеспечении приличной точности, и управлять не так сложно.
          Но 0.001 градус — получится очень громоздкий энкодер, либо какое-то бешеное разрешение у него должно быть + акселерометров, наверняка, настолько чувствительных не найдётся — а как иначе отслеживать угловые ускорения. Ну и очень жёсткий рычаг, да и вся конструкция в принципе — крепление камеры на такой угол, скорее всего просто лёгким ветром согнёт, да что там крепление, даже корпус может…

          Вообще сложно представить, зачем такая точность нужна — может хотя бы пара нулей лишняя? =)
          • 0
            Нет, необходимо именно 360 градусов. Пример компактного энкодера указал выше. Акселерометры тоже не нужны, линейное смещение без данных о дальности компенсировать не возможно, да и не нужно. А вот хорошие гироскопы действительно нужны, но найти ВОГ отечественного производства с полосой в 1кГц не проблема.
            По поводу точности: Поле зрения узкопольной камеры 1.5 градуса, разрешение FullHD. Итого цена зрения одного пикселя = 0,0013(8) градуса, отсюда и требуемая точность. А как показывает практика, хочешь сделать точность n, закладывай компоненты с точностью на порядок лучше.
            • 0
              Под вашу камеру есть объективы с оптической стабилизацией? Сдвиги в несколько пикселей можно убрать стабилизатором (а то и вообще программно), тогда требования к моторам можно уменьшить на порядок-другой. Им останется компенсировать только большие по амплитуде и сравнительно низкочастотные отклонения.
              • 0
                К сожалению нет возможности поставить стабилизированную оптику. Да и кроме камеры на подвесе стоит другое оборудование которое тоже необходимо стабилизировать. Программная стабилизация работает до тех пор пока достаточное освещение и соответственно короткие экспозиции, а в тёмное время появляются «смазы».
                • 0
                  А почему бы не разделить стабилизацию на две части — грубую при помощи двигателей с точностью 0.1 градус и точную на электромагнитах до +-0.1 градус с собственным гироскопом, как это сделано для линзы в CD-приводах. Это сильно понизит требования к механической части стабилизатора.
        • 0
          > Редуктора в этом случае не подходят из за люфтов

          Бывают же безлюфтовые редукторы. Самая простая безлюфтовая зубчатая передача, которую можно сделать буквально на коленке — шестерёнка, зацепленная с парой зубчатых колёс, находящихся на одной оси и взаимно-подпружиненных так, чтобы выбрать люфт в зацеплении.
          • 0
            Действительно такие бывают. Или например использовать два редуктора, которые будут с разным моментом тянуть в разные стороны. Но у всех подобных конструкций одна большая проблема — высокий износ и малая надёжность.
            • 0
              Вы же не собираетесь камеру крутить в режиме 365/24/7, в пыли и песке? С надёжностью там всё нормально — такие редукторы я видел на военных приборах.
  • 0
    Вы знаете, у меня тут созрел «насущный» вопрос. Ммм… А, собственно, производится ли проектирование хотя бы каких-то, возможно нишевых, электродвигателей с использованием аппарата системного анализа? Нужно это щас хоть кому-то? Или уже вся необходимая удовлетворяющая теория готова и особо заморачиваться над какими-нить новыми схемами регуляторов для исключительно точной отработки траектории никому не хочется? Вообще, какова вовлечённость теории при работе с подобными механизмами?
    • 0
      А какими именно механизмами? Можно чуть конкретнее? Или пример приведите, а то очень общий вопрос. Нишевые электродвигатели, отработка траектории, регуляторы… я не очень понял.
  • 0
    было бы интересно услышать комментарий о двигателе Дуюнова:
    www.youtube.com/watch?v=NssutPllu34
    • 0
      обсуждалось сверху
  • 0
    Такую же бы статью по генераторам тока :-)
    • 0
      А в чем проблема? Все перечисленные в статье электромашины могут работать и в генераторном режиме. С любого можно снимать энергию. Принцип работы машины от этого не изменяется.
      • 0
        В эффективности, в мощности, при малом крутящем моменте. Тут вот, уже упоминали сборку Халбаха (первый раз слышу, хочется почитать на русском). Что бы на малых оборотах эффективно генерировать ток, посмотрите доработку Теслы генератора тока (не напряжения, как это ни парадоксально звучит) teslatech.com.ua/index.php?id=47&Itemid=48&option=com_content&view=article, да и чего только не придумают — конические катушки matri-x.ru/energy/alternator.shtml, статор без разрывов — волной vk.com/vetroturbina?z=photo-47288421_368686087%2Falbum-47288421_00%2Frev, есть какие-то эффекты защёлкивания и размагничивания, генераторы статического электричества и т.п. видимо на это есть причины, и потянет на большую статью?!
        • 0
          http://gif3.mycdn.me/image?t=45&bid=815460450134&id=815460450134&plc=WEB&tkn=*eKaUT2OuyjAB5hAfZbu2QcHutOY
  • +1
    а может ли как-то улучшить ВИД НВ применение ВТСП?
  • 0
    Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень советую изучить уравнения ДПТ – они простые, линейные, но их можно распространить на все электродвигатели – процессы везде схожие.

    Как-то звучит это явно неправильно. Формальная то логика есть — из теоретической формулы если ее в отрыве от всего остального рассматривать такое действительно следует.
    Но на практике при магнитном потоке обмотки возбуждения стремящемся к нулю она перестает быть магнитом и превращается просто в моток проводов, а двигатель в целом перестает быть двигателем вообще(становится просто греющимся сопротивлением) — частота холостого хода стремится не к бесконечности, а совсем наоборот — к нулю!
    Что в общем-то в теоретических формулах тоже есть — при магнитном потоке ==> 0, момент двигателя также ==> 0. Но еще до этого на каком-то этапе момент падает ниже собственных механических потерь (трения) в двигателе и он просто останавливается.

    Как понимаю совместный учет обоих зависимостей даже в теории(не говоря уже о практике) не дает частоты вращения стремящейся к бесконечности: по мере снижения магнитного потока обмотки возбуждения частота вращения холостого хода сначала будет возрастать (но до какого-то вполне конечного и не слишком большого значения), а потом начинает убывать — вплоть до полной остановки двигателя.
    • 0
      Ну конечно же, конечно в реальном мире никаких бесконечностей не бывает: не только в электродвигателях, но и вообще ни в чём. Конечно же, на каком-то этапе потери в двигателе сравняются с развиваемым моментом, и при дальнейшем ослаблении поля частота вращения будет только уменьшаться. Только на практике эта точка так далеко, что можно к ней относиться как к "бесконечности". По дороге к ней или развалятся подшипники, или коллектор, или ротор, или ещё что-нибудь.
      • 0
        Насколько далеко? Не меньше чем на порядок от номинала, что двигатель быстрее механически развалится на холостом ходу ее не достигнув?
        • 0
          Да. Для ДПТ этот аварийный режим называется "уйти в разнос". Вот, почитайте, например, на этом форуме. В начале темы перечислены случаи, когда и где это бывает на практике и что ломается.
  • 0
    Немного запоздал с комментарием, но всё же. Задался я вопросом почему более распространены 3-х фазные машины. Я имею ввиду не обычные асинхронники и синхронники — там всё понято, чисто исторически так сложилось. Интересуют именно сервопривода на базе СД с ПМ с векторным управлением.Ведь одна из операций векторного управления — это преобразование 3-х фазной машины в эквивалентную двухфазную. Почему же сразу не использовать 2-хфазную машину? Я конечно подозреваю что дело в моменте двигателя. Например есть у нас два одинаковых бесколлекторных двигателя с сосредоточенной обмоткой. То есть число полюсов ротора одинаковое и число статорных зубцов тоже одинаково, отличаются намотки — 3-х фазная и 2-х фазная. Подозреваю что в случае 3-х фазной обмотки момент будет чуть больше чем у 2-х фазной, при прочих равных условиях и векторном управлении.
    Также, причиной может быть, что для двухфазного двигателя необходимо на одну стойку ключей больше, чем для трехфазника.
    Скажите, мои мысли верны или я глубоко заблуждаюсь и существуют другие причины, почему 3 фазы лучше двух?
    • 0
      Да, всё дело в количестве ключей и числе проводов. Для трехфазной всего нужно меньше. Хотя для сервопривода очень много и двухфазных машинок, их тоже активно применяют.
  • 0
    Как я вовремя наткнулся на вашу статью! Жалко, уже нельзя плюс поставить :(

    Дело в следующем. На днях, вынося мусор, я очень удачно схабарил выброшенный пылесос с живым 1600 Вт коллекторником. Почитав форумы, выяснил, что пылесосные движки «как есть» использовать для чего-либо кроме вентиляции проблематично. Однако, можно ли сделать из него конфетку, если разъединить ротор со статором и питать раздельно?

    Правильно ли я понял из статьи, что ток ротор+статор у ДПТ — это как у ДВС газ, а соотношение токов ротор/статор — как коробка передач: больше на ротор — быстрее, больше на статор — тяговитее? То есть, если взять трансформатор с большим количеством отводов вторички или делитель на мощном реостате, можно получить клёвый гибко управляемый привод, верно? И заодно, питая напряжением ниже 220 В, вывести из режима работы на пределе перегорания, в котором пылесосные движки работают штатно.
    • +2
      больше на ротор — быстрее, больше на статор — тяговитее?
      Примерно так, только ничего сильно лучше чем то, что дает уже готовый двигатель, получить скорее всего не выйдет. Он рассчитан на свой режим работы и на одинаковый ток по ротору и статору. Ничего принципиального нового получить нельзя.
      Частоту вращения выше нельзя, так как на это не рассчитаны подшипники, ток по возбуждению выше нельзя, так как перегреется обмотка, ток по якорю больше нельзя, так как не выдержит коллектор. «из режима работы на пределе перегорания» можно вывести, только понизив мощность. Что, собственно, и делает тиристорный регулятор скорости пылесоса (если пылесос с ним). Так что регулировать «вниз» двигатель можно, а «вверх», выше того, что он уже может, нельзя. Так что на Марс полететь на пылесосном движке, увы, не выйдет :)
      • 0
        Спасибо! Ну мне полтора киловатта и не нужно, в принципе, а вот движок ватт на 500, который при этом сможет длительно работать и при этом регулируется — вещь!

        И еще спрошу один вопрос: вот, допустим, я хочу использовать его в качестве генератора. Нагрузку к ротору, статор через реостат туда же в параллель для отбора на подмагничивание, это понятно. Однако как запускать остановленный генератор? В нём же нет магнитного поля, следовательно просто крутить бесполезно. Подать «затравку» на статор — очевидно, но нужен еще один источник питания. Прицепить к статору неодимчики от жестких дисков, чтобы было небольшое затравочное магнитное поле — подойдет?
        • 0
          Подойдет скорее всего.
          • 0
            Круто. На выходных поковыряюсь с ним тогда.
        • 0
          А скорее всего остаточного магнитного поля хватит, только раскачиваться относительно долго будет. т.е. нельзя будет давать ему полную нагрузку сразу на старте.
        • –1
          Кстати, а где конкретно в диске эти магнитики про которые часто говорят? Когда-то давно разбирал диск и что-то не помню там сильных магнитов — головки помню, отполированные до сверкания «блины» помню, «рамку» для парковки помню, а магниты как-то не заметил вообще…

          А то валяется пару старых дисков без дела, выкинуть вроде жалко но и пользы нет.
          • +1
            А вы откройте диск и бросьте туда гайку. Где будет аномалия, там и магниты…
            А вообще они в хвосте головок стоят, головки от них катушками отталкиваются.
          • +2
            image
            Магниты в обведенной скобе
            image
            • 0
              Ага, спасибо. Даже с картинками, очень наглядно. Пробное извлечение прошло успешно :)
              Самое сложно было найти подходящую «филипс» (звездочка) отвертку. Ну и сообразить как 2 эти части рамки/скобки с магнитом скреплены вместе (ответ — вообще никак, все держится вместе за счет на удивление сильного магнитного поле для такого небольшого магнита, что даже казалось что они на клею сидят или приклепаны пока не применил метод грубой силы).

              Раз уж мы в теме по двигатели, может кто подскажет что за двигатели в обычных HDD используются? Я думал это обычный двигатель постоянного тока на 12В. Но при подаче постоянного тока, он просто беспорядочно дергается то в одну, то в другую сторону.
              3 вывода, обозначение Sankyo SL74 10MYC. Видимо ввиду древности гугл о таком не ведает.
              • +1
                Это 3-х фазные бесколлекторные двигатели (BLDC). Хотя если у них форма ЭДС синусоидальная, а не в форме трапеции то их можно назвать синхронным двигателями с постоянными магнитами (PMSM).

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

Самое читаемое