Меню

Электродвигатель со встроенным электромагнитным тормозом принцип работы

Мотор в качестве электромагнитного тормоза

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

Преимущества и варианты использования

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

  • Быстрый режим включения/выключения и выставления тормозного момента.
  • Широкий диапазон рабочих оборотов. Возможно сделать и сверх оборотистый тормоз ( до 100 000 rpm), так наоборот и очень медленный.
  • Плавная установка нагрузки, отсутствие возможности случайной блокировки вала.
  • Отсутствие пыли и отработанных материалов от тормоза. Можно использовать в помещении или замкнутом объёме.
  • Можно использовать в качестве генератора.

Недостатки:

  • Ограничения по рабочей температуре до 150, 200 градусов. Немного поднять температуру возможно, но при этом цена изделия возрастает очень сильно.
  • Обычный тормоз из диска и колодок в тех же габаритах будет эффективнее.
  • Сильные ограничения по моменту на низких оборотах и невозможность полностью заблокировать вал. Данное ограничение можно обойти с применением контроллера с внешним питанием.
  • Постоянное наличие небольшого тормозного момента.

Благодаря своей скорости, точности и чистоте, такой тормоз незаменим в лабораториях и закрытых приборах. Близким аналогом мотора-тормоза, является порошковый тормоз. Он такой же быстрый, не создаёт пыль, но он не может работать на высоких оборотах и большинство существующих моделей и вовсе ограниченны 1500-3000rpm. Обычный дисковый тормоз не способен обеспечить такую же точность и стабильность работы.

Режимы работы

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

  1. Режим замыкания и выделения тепла непосредственно в моторе.
  2. Выделение тепла на внешней нагрузке, сопротивлении или биполярном транзисторе.
  3. Рекуперация и зарядка аккумулятора.

Далее я подробнее расскажу об этих режимах для моторов синхронного типа с постоянными магнитами BLDC, также это применимо и к обычным DC.

1. Режим замыкания

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

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

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

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

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

2. С внешней нагрузкой

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

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

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

Читайте также:  Регулировка стояночного тормоза фиат гранде пунто

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

3. Рекуперация

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

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

Источник

Двигатели со встроенным электромагнитным тормозом

Электродвигатель со встроенным элекромагнитным тормозом

Электродвигатель с электромагнитным тормозом – это асинхронный электрический двигатель с дополнительным устройством, способным мгновенно замедлить его вращение. У «СЛЭМЗ» можно купить электродвигатель с тормозом мощностью от 0,75 до 30 кВт. Наши специалисты комплектуют магнитным тормозом общепромышленные, взрывозащищенные, крановые, лифтовые двигатели. А также предложат купить электромагнитный тормоз (ЭМТ) отдельно.
В зависимости от питания, в Украине можно купить электродвигатель с тормозом двух типов:


Одним из важных конструктивных элементов электродвигателя является тормоз. Он позволяет обеспечить максимально быструю остановку электродвигателя, что необходимо при многих технологических процессах. Электродвигатели с тормозом устанавливаются на деревообрабатывающих и металлорежущих станках, талях и крановых установках, на упаковочных линиях, эскалаторах, лифтах и на других механизмах, требующих практически мгновенного останова за регламентированное время. Электродвигатели с тормозом бывают общего назначения. В маркировке таких двигателей после числа, обозначающего количество полюсов, ставится буква «Е», Некоторые агрегаты могут быть укомплектованы тормозом с ручным растормаживанием. В маркировке такой конструктивный элемент обозначается буквенно-числовым индексом «Е2».

Задачи, выполняемые электромагнитным тормозом

Электродвигатели с электромагнитным тормозом устанавливаются на самом разном оборудовании. Тормоз призван выполнять следующие задачи:

  • остановка приводимых в движение исполнительных механизмов при их позиционировании;
  • аварийная остановка в случае угрозы выхода из строя привода;
  • аварийная остановка для обеспечения безопасного использования привода;
  • блокировка механизмов при отключении питания;
  • сокращение времени выбега привода при циклической работе.

Наиболее распространенной задачей является остановка привода на требуемое время или в определенном положении, в соответствии с технологическим процессом. В зависимости от типа напряжения, подаваемого на катушки электромагнитов, тормоза бывают постоянного или переменного тока. Питание тормоза может быть общим или независимым, в последнем случае в маркировке рядом с буквой «Е» указывается буква «Н».

Особенности конструкции электромагнитного тормоза и принцип действия

Электродвигатели с встроенным тормозом, вне зависимости от типа напряжения имеют одинаковую конструкцию. Конструктивно тормоз состоит из трех основных элементов:

  • электромагнит, представляющий собой стальной корпус, в котором размещена одна или несколько катушек;
  • якорь с антифрикционной поверхностью, с которой контактирует тормозной диск. Он выполняет функцию исполнительного элемента электромагнитного тормоза;
  • тормозной диск, являющийся рабочей частью тормоза и оснащенный безасбестовыми фрикционными накладками и. Он перемещается по зубчатой втулке, которая крепится на заторможенном приводе или валу двигателя.

Принцип действия

В выключенном или остановленном состоянии электродвигатель всегда является заторможенным. Это обеспечивается нажимом тарельчатых пружин на якорь, который воздействует непосредственно на тормозной диск. При этом создается рассчитанный тормозной момент, определяемый, обычно, силой прижатия накладок и их площадью. В результате вал двигателя останавливается. В момент подачи тока на катушку электромагнита, она генерирует магнитное поле, притягивающее к себе якорь. Он, в свою очередь, отпускает тормозной диск, и вал электродвигателя начинает вращаться. Если с задачей динамического торможения лучше всего справляются сложные электронные устройства, то для работы двигателя в режиме частых пусков остановов лучше всего использовать электромеханические тормозные устройства с ручным растормаживанием. На что обратить внимание при выборе электромагнитного тормоза. Двигатели могут комплектоваться различными по характеристикам электромагнитными тормозами. Если есть возможность выбрать параметры, то в первую очередь стоит обратить внимание на статический и динамический тормозной момент, а также на время срабатывания. Последний из этих параметров наиболее важен в момент аварийного срабатывания или для расчета тормозного пути. Также стоит поинтересоваться ресурсом тормозных накладок, особенно в том случае, если пуск и останов двигателя происходит регулярно.

Читайте также:  Тормоз газ ручного управления для инвалидов

Электродвигатель с тормозом

ООО «СОПТЕХ» производит по заказу трехфазные асинхронные электродвигатели с электромагнитными тормозами различных типов многочисленных разнообразных модификаций и всевозможных специализированных исполнений под требования Заказчика, применяемых для:

  • комплектных регулируемых и нерегулируемых электроприводов;
  • крановых механизмов подъема и передвижения (перемещения);
  • привода механизмов, требующих быстрого, точного и фиксированного останова в течение регламентированного времени при отключении их от питающей сети;
  • обрабатывающих станков и центров;
  • конвейеров и автоматических линий;
  • автоматизированных транспортно-складских систем;
  • и т.д.

Электродвигатели производятся на базе двигателей основного исполнения серий АИР, А, 5АМХ, 5АМ, 6АМ, AIS и др. высотой оси вращения от 56 мм и выше. Номинальный режим работы электродвигателей с электромагнитным тормозом — повторно-кратковременный S4 с продолжительностью включения ПВ40 с числом включений в час 240, 120 и 60 в зависимости от исполнения. Электродвигатели могут оснащаться энкодером и узлом независимой вентиляции.

Асинхронный двигатель и его работа

Очевидно, что режимы функционирования электродвигателей асинхронного типа напрямую зависят от их конструкции и общих принципов работы. Этот силовой агрегат совмещает в себе два ключевых компонента:

  1. Неподвижный статор. Пластинчатый цилиндр, в продольные пазы на внутренней поверхности которого укладывается проволочная обмотка,
  2. Вращающийся ротор. Совмещенный с валом сердечник (магнитопровод), который содержит прутковую обмотку на внешней стороне.

За счет различных частот вращения статора и ротора между ними возникает ЭДС, которая приводит вал в движение. Стандартное значение этого параметра может достигать 3000 об/мин, что требует определенного усилия для ее остановки. Из логических соображений можно заключить, что раз стартует двигатель за счет ЭДС, то и останавливать его тоже нужно электродинамическим путем.

Что такое динамическое торможение?

На этом месте может возникнуть закономерный вопрос: зачем что-то придумывать, если можно отключить двигатель от электросети, и он сам остановится? Это бесспорно так, но учитывая высокую частоту вращения и массо-центровочные характеристики, пройдет некоторое время до того момента, когда ротор полностью остановится. Этот период называется свободным выбегом и каждый в детстве его наблюдал, запуская простую юлу. Тем не менее, если работа оборудования предполагает частое использование пускателей, то такой режим приводит к очевидной потере времени.

Для быстрой остановки используются режимы торможения, которые предполагают трансформацию механической (в данном случае – кинетической) энергии искусственным путем. Все выделяют два основных вида торможения, которые подразделяются затем на подвиды:

  1. Механическое. Вал двигателя сообщается физически с тормозными колодками, вследствие чего возникает трение, быстрая остановка и выделение теплоты,
  2. Электрическое. Асинхронный двигатель останавливается за счет преобразования цепи подключения, вследствие чего механическая энергия трансформируется сперва в электрическую. Далее возможны два варианта ее израсходования, зависящие от схемы: либо избыток электричества выбрасывается в резервную цепь сети, либо трансформируется в тепло, за счет нагрева обмоток и сопротивления.

Динамическое торможение асинхронного двигателя относится к электрическому типу, так как в процессе обмотка статора отключается от сети с переменным током (две из трех фаз) и переводится в замкнутую цепь постоянного тока. При этом магнитное поле в статоре преобразуется из вращающегося в неподвижное. В роторе по-прежнему будет наводиться ЭДС, но момент будет направлен в обратную сторону, что приводит к торможению.

Главным преимуществом такого способа торможения является возможность плавно контролировать тормозящий момент (за счет изменения напряжения или сопротивления) и осуществлять точную остановку.

Маркировка двигателей для заказа

Двигатели с электромагнитным тормозом маркируются буквой «Е» либо «Е2» (с ручным растормаживанием) в обозначении двигателя после указания:

· серии (АИР, АИРМ, 5АМ, 6АМ, AIS и др.);

· габарита (высоты оси вращения в мм);

· варианта установочных размеров по длине станины (S, M, L, N) либо по длине сердечника (А, В, С);

Например: АИР100L6ЕУ3 , где У3 – климатическое исполнение.

Основные параметры необходимые для заказа электродвигателей с электромагнитным тормозом следующие:

3. Скорость вращения, об/мин;

4. Монтажное исполнение, IM…;

5. Климатическое исполнение, У, УХЛ, Т и др.;

7. Номинальное напряжение, В;

8. Специальные дополнительные требования, предъявляемые:

  • к электродвигателям;
  • к тормозам (например, тормозной момент, габаритные размеры и пр.).

Заявки высылать на электронную почту info @ sopteh . ru

Электроприводы промышленных установок, станочного оборудования, подъемных механизмов комплектуются двигателями значительной мощности. Движущиеся детали устройства обладают значительной инерцией, обусловленной существенной частотой вращения. Быстро остановить вал двигателя в таких условиях не представляется возможным по ряду технических причин. В результате снижается безопасность эксплуатации и нарушается технологический цикл работы оборудования. Решение этой проблемы заключается в применении электродвигателей с тормозными устройствами.

Читайте также:  Почему человека называют тормозом

Основные виды динамического торможения

Организация принудительной остановки асинхронного двигателя по электрическому принципу может быть осуществлена несколькими способами:

  1. Электродинамическим. Это классический вариант, при котором две фазы нужно закоротить и перевести на питания от цепи постоянного тока,
  2. Рекуперативным (генераторным). Характеризуется возвратом лишней электроэнергии в сеть,
  3. Противовключением. Этот вариант реализуется по схеме реверса, то есть с подключением фаз через пару магнитных пускателей,
  4. Самовозбуждением. Подключением к обмоткам статора батареи конденсаторов.

Классическое динамическое торможение

Эффективность такого режима работы зависит от расчета и значения следующих параметров:

  1. Величина тока, который подается через параллельную цепь на обмотки статора. Чем выше этот показатель, тем больше момент торможения,
  2. Величина сопротивления, которое вводится в цепь ротора. Чем выше по расчету сопротивление, тем быстрее тормозится двигатель,
  3. Величина магнитной движущей силы (МДС). Иногда ее называют ампер витками, поскольку расчет ведется по формуле F = I×W, где I – величина тока, а W – количество витков.

Обмотка статора при этом может подключаться как минимум пятью разными способами:

  1. Треугольником,
  2. Треугольником с закороченными фазами,
  3. Звездой,
  4. Звездой с закороченным нулем,
  5. Звездой с закороченными двумя фазами.

В каждом случае на основании векторной диаграммы ведется расчет МДС, тормозного сопротивления и напряжения цепи.

Рекуперативное торможение

Режим рекуперативного торможения

Поскольку избыток электроэнергии, который высвобождается в процессе торможения, направляется обратно в сеть через мост/батарею конденсаторов, то этот режим работы считается наиболее экономичным. Наиболее часто этот способ применяется в подъемно-транспортной технике и оборудовании, которое работает на перемещение грузов или собственного веса под уклон. Классический пример – лифт, где рекуперативное торможение приводного двигателя используется для начального подтормаживания. Также подобная схема широко используется в электрифицированном транспорте, например, в трамваях, троллейбусах, электричках. Применяют ее и в специальной технике, например, экскаваторах, широко используемых на строительстве мостов, дорог, зданий и т. п.

Особенности асинхронных двигателей с тормозом

Электроприводы, для которых важна возможность оперативной остановки, комплектуются асинхронными двигателями со встроенным электромагнитным тормозом. Такие электрические можно отличить визуальна, у них увеличен кожух в стороне, противоположной выходу рабочего вала.

В корпусе размещены все основные узлы тормозного устройства. Такая компоновка позволяет рассеивать выделяющееся в процессе торможения тепло непосредственно на тормозном диске. При этом не происходит перегрева обмоток статораи ротора, что существенно продлевает рабочий ресурс электрической машины.

На практике применяют электродвигатели с ручным и электрическим растормаживанием. Первый тип устройств позволяет освободить рабочий вал при необходимости его проворачивания, например, при техническом обслуживании.

Торможение противовключением

Схема торможения противовключением

На практике режим противовключения может быть организован несколькими разными способами. Классическим является использование пары магнитных пускателей, подключенных по реверсной схеме. В этом случае, быстрая остановка агрегата осуществляется за счет изменения положения фаз (противовключение).

Основной пускатель КМ2 производит отключение двигателя М от сети. После этого параллельный пускатель КМ1 опять включает двигатель, меняя при это крайние фазы местами, то есть заставляя его вращаться в обратную сторону. Чтобы не допустить чрезмерного перегрева в цепь может быть введено дополнительное сопротивление. Также схема противовключения может быть реализована, если двигатель использовать в качестве тормоза для груза.

Торможение самовозбуждением

Схема торможения самовозбуждением

Этот вариант реализуется за счет подключения обмоток статора к параллельной конденсаторной батарее или мосту (расчет емкости придется вести). Когда двигатель отключается от сети и должен наступить режим выбега, угасающее магнитное поле начинает питать конденсаторы, а через них возвращается обратно в обмотку, создавая тормозной момент.

Как можно видеть, на практике используется целая гамма специфических режимов работы асинхронных двигателей, которыми можно добиться быстрой и точной его остановки. При частых пусках и остановках динамическое, рекуперативное, реверсное (на пускателях) или конденсаторное торможение (через расчет моста или батареи) могут повысить эффективность работ оборудования и снизить потери времени.

Обслуживание электромеханического тормоза

Поскольку тормоз является электромеханическим устройством, подверженным износу, он нуждается в регулярном техническом обслуживании. Необходимо регулярно проверять тормозной зазор, который должен иметь значение, рекомендованное производителем. Зазор может уменьшаться или увеличиваться, а также иметь перекосы из-за износа тормозных колодок либо пружин, нарушения крепежа.

Поскольку при работе двигателя тормоз подвергается ударам и вибрации, необходимо тщательно следить за фиксацией крепежных гаек и шпилек. Такеж рекомендуется использовать фиксатор резьбы.

Для ремонта и технического обслуживания оборудования обычно предусматривается возможность ручного растормаживания при помощи специального рычага. Эту функцию нужно использовать осторожно во избежание порчи оборудования и травм персонала.

Тормозной момент электромагнитного тормоза может быть отрегулирован в некоторых пределах.

Источник

Adblock
detector