Коэффициент мощности двигателя помогает при выборе двигателей постоянного тока для систем управления движением. Щеточные и бесщеточные двигатели постоянного тока являются хорошим выбором для применений, чувствительных к мощности или требующих высокой эффективности.

Зачастую в технических характеристиках двигателя постоянного тока или генератора указывается постоянная двигателя Km, которая представляет собой чувствительность к крутящему моменту, деленную на квадратный корень из сопротивления обмотки. Большинство разработчиков рассматривают это внутреннее свойство двигателя как эзотерический показатель качества, полезный только для конструктора двигателя и не имеющий практической ценности при выборе двигателей постоянного тока.

Однако коэффициент Km может помочь сократить итеративный процесс выбора двигателя постоянного тока, поскольку он, как правило, не зависит от обмотки в конкретном корпусе или типоразмере двигателя. Даже в безжелезных двигателях постоянного тока, где Km зависит от обмотки (из-за изменений коэффициента заполнения медью), он остается надежным инструментом в процессе выбора.

Поскольку коэффициент Km не учитывает потери в электромеханическом устройстве во всех случаях, минимальное значение Km должно быть больше, чем рассчитанное для учета этих потерь. Этот метод также является хорошей проверкой на практике, поскольку заставляет пользователя вычислять как входную, так и выходную мощность.

Постоянная двигателя отражает фундаментальную электромеханическую природу двигателя или генератора. Выбор подходящей обмотки упрощается после определения достаточно мощного корпуса или типоразмера.

Моторная константа Km определяется следующим образом:

Км = КТ/R0.5

В случае применения двигателя постоянного тока с ограниченной доступной мощностью и известным требуемым крутящим моментом на валу двигателя, будет установлено минимальное значение Km.

Для данного типа двигателя минимальное значение в км составит:

Km = T / (PIN – POUT)0.5

Мощность, подаваемая на двигатель, будет положительной. PIN — это просто произведение тока и напряжения, при условии отсутствия фазового сдвига между ними.

ПИН = VXI

Мощность, вырабатываемая двигателем, будет положительной, поскольку она обеспечивает механическую мощность и представляет собой просто произведение скорости вращения и крутящего момента.

POUT = ω XT

Пример системы управления движением включает в себя портальный приводной механизм. В нем используется бесщеточный двигатель постоянного тока диаметром 38 мм. Было принято решение удвоить скорость поворота без изменения усилителя. Существующая рабочая точка составляет 33,9 мН·м (4,8 унции·дюйм) и 2000 об/мин (209,44 рад/сек), а входное напряжение составляет 24 В при 1 А. Кроме того, увеличение размеров двигателя недопустимо.

Новая рабочая точка будет соответствовать удвоенной скорости и тому же крутящему моменту. Время разгона составляет незначительный процент от времени перемещения, а критическим параметром является скорость поворота.

Расчет минимального километража

Km = T / (PIN – POUT)0.5

Км = 33,9 × 10⁻³ Нм / (24 В × 1 А)

418,88 рад/сек × 33,9 × 10⁻³ Нм) 0,5

Км = 33,9 × 10⁻³ Нм / (24 Вт – 14,2 Вт) 0,5

Км = 10,83 × 10⁻³ Нм/√Вт

Учитывайте допуски постоянной момента и сопротивления обмотки. Например, если постоянная момента и сопротивление обмотки имеют допуски ±12%, то в наихудшем случае Km будет:

KMWC = 0,88 KT/√(RX 1,12) = 0,832 км

или почти на 17% ниже номинальных значений при холодной обмотке.

Нагрев обмотки дополнительно снизит значение Km, поскольку удельное сопротивление меди возрастает почти на 0,4%/°C. Кроме того, проблема усугубляется тем, что магнитное поле ослабевает с повышением температуры. В зависимости от материала постоянного магнита, это ослабление может достигать 20% при повышении температуры на 100°C. 20% ослабление при повышении температуры магнита на 100°C наблюдается у ферритовых магнитов. У неодим-бор-железа этот показатель составляет 11%, а у самариевого кобальта — около 4%.

Интересно, что при той же механической входной мощности, если целевая эффективность составляет 88%, то минимальное значение Km увеличится с 1,863 Нм/√Вт до 2,406 Нм/√Вт. Это эквивалентно тому, что сопротивление обмотки одинаково, но постоянная крутящего момента на 29% больше. Чем выше желаемая эффективность, тем выше требуемое значение Km.

Если в случае применения электродвигателя известны максимально доступный ток и наихудший момент нагрузки, вычислите наименьшую допустимую постоянную момента, используя...

КТ = Т/И

После выбора семейства двигателей с достаточным значением Km, подберите обмотку, постоянная крутящего момента которой немного превышает минимальное значение. Затем приступайте к определению того, будет ли обмотка удовлетворительно работать во всех случаях допусков и ограничений применения.

Очевидно, что выбор двигателя или генератора с предварительным определением минимального значения Km в условиях, когда мощность двигателя и эффективность генератора имеют первостепенное значение, может ускорить процесс выбора. Следующим шагом будет выбор подходящей обмотки и обеспечение приемлемости всех параметров применения и ограничений двигателя/генератора, включая допуски обмотки.

Из-за производственных допусков, тепловых эффектов и внутренних потерь всегда следует выбирать значение Km несколько больше, чем требуется для конкретного применения. Необходима определенная погрешность, поскольку с практической точки зрения не существует бесконечного числа вариантов обмоток. Чем больше значение Km, тем более гибким оно является в плане соответствия требованиям конкретного применения.

В целом, практическая эффективность выше 90% может быть практически недостижима. Более крупные двигатели и генераторы имеют большие механические потери. Это связано с потерями в подшипниках, сопротивлением воздуха и электромеханическими потерями, такими как гистерезис и вихревые токи. В двигателях с щетками также есть потери из-за механической системы коммутации. В случае коммутации с использованием драгоценных металлов, распространенной в бесколлекторных двигателях, потери могут быть чрезвычайно малыми, меньше потерь в подшипниках.

В бесщеточных двигателях постоянного тока и генераторах практически отсутствуют потери на гистерезис и вихревые токи в варианте с щетками. В бесщеточных версиях эти потери, хотя и невелики, все же присутствуют. Это связано с тем, что магнит обычно вращается относительно задней части магнитной цепи. Это вызывает потери на вихревые токи и гистерезис. Однако существуют бесщеточные версии двигателей постоянного тока, в которых магнит и задняя часть магнитной цепи движутся синхронно. В этих случаях потери обычно невелики.