Классический двигатель постоянного тока (ДПТ), используемый в настоящее время в моторедукторах стеклоочистителей автомобилей, является коллекторной электрической машиной с явнополюсными статором и ротором и возбуждением от постоянных магнитов или реже от обмотки возбуждения. Коллектор в ДПТ служит не только для обеспечения питания обмоток якоря, но и для преобразования постоянного тока в переменный, являясь своеобразным механическим инвертором. Напряжение питания подается непосредственно на коллектор через щётки, а ступенчатое изменение скорости вращения вала производится включением в силовую цепь дополнительного сопротивления, либо установкой дополнительной щётки, изменяющей количество подключенных к цепи питания секций обмотки якоря. Механические и моментные характеристики ДПТ являются линейными и аналогичны характеристикам, они приведены на рисунке 1 и рисунке 2.
Рис. 2. Моментные характеристики двигателя постоянного тока.
ДПТ имеет следующие недостатки:
- износ щеток;
- коллекторный шум;
- наличие графитовой пыли;
- залипание щеток и их выкрашивание;
- подгорание коллекторных пластин и круговой огонь при значительных скоростях вращения;
- значительное падение напряжения на переходе «щетка-коллектор»;
- попадание под скользящий контакт «щетка-пластина» инородных тел;
- замыкание пластин коллектора и выход из строя двигателя при попадании на него влаги во время работы стеклоочистителя;
- необходимость в высокой точности обработки коллектора по окружности и т.д.
Исходя из недостатков ДПТ следует, что необходимость в применении других видов двигателей в моторедукторах стеклоочистителей автомобилей вполне актуальна. Были выделены 2 вида двигателей, способных заменить ДПТ в моторедукторах стеклоочистителей автомобилей: Вентильный синхронный двигатель и синхронный реактивный двигатель.
Вентильный электродвигатель (ВД) — это замкнутая электромеханическая система, состоящая из бесколлекторной машины постоянного тока, с трапецеидальным распределением магнитного поля в зазоре, датчика положения ротора, преобразователя координат и усилителя мощности.
Вентильный синхронный двигатель (ВСД), схема которого приведена на рисунке 3, относится к машинам переменного тока. Наибольшее применение получили трёхфазные ВСД, обмотки якоря 1 которых, расположены на статоре и коммутируются с помощью полупроводникового инвертора 2, управляемого драйвером 3, по сигналом с датчика 4 угла поворота ротора 5. В качестве возбуждённых полюсов ротора используются постоянные магниты 6.
Рис. 3. Схема вентильного синхронного трехфазного двигателя
Известны многочисленные примеры серийного выпуска ВСД в диапазоне рассматриваемых параметров, в том числе и для автомобильной промышленности (однофазные двигатели для вентиляторов и трёхфазные многополюсные в системах кондиционирования воздуха). На рисунке 4 приведены механическая и моментная характеристики ВСД, которые являются линейными.
Рис. 4. Механическая (а) и моментная (б) характеристики ВСД.
(МН – момент нагрузки; Д – частота вращения электродвигателя;
МД – электромагнитный момент двигателя; IЯ – ток в якоре электродвигателя).
Синхронный реактивный двигатель. Создание IGBT и MOSFET транзисторов и простых, относительно дешёвых электронных коммутаторов способствовало появлению в 80 годы XX века электрической машины с модуляцией магнитной проводимости. В качестве рабочего термина в большинстве случаев используется термин «синхронный реактивный двигатель», и также «вентильный реактивный двигатель» .
Рис.5. Схема синхронного реактивного двигателя
Синхронный реактивный двигатель (СРД) устроен проще, чем любая другая электрическая машина; он не имеет обмотки возбуждения или постоянных магнитов и коллектора. На рисунке 5 представлена схема СРД, имеющего явнополюсную шихтованную структуру с n полюсамина статоре 1, несущими сосредоточенные катушечные обмотки 2, и m невозбужденными полюсами на роторе 3, причём n ≠ m. Принцип действия машины состоит в притягивании ближайшего зубца ротора к возбуждённому в данный момент полюсу статора. Переключение катушек полюсов обеспечивается инвертором 4 и драйвером 5 по сигналам с датчика угла поворота ротора 6.
Механическая характеристика СРД (рис. 6, а) является нелинейной и подобна характеристике ДПТ с последовательным возбуждением. Моментная характеристика (рис. 6, б) представляет собой квадратичную зависимость, что является весьма ценным для обеспечения значительных пусковых моментов.
Рис. 6. Механическая (а) и моментная (б) характеристики СРД
Выполним сравнительную оценку рассматриваемых двигателей по различным техническим характеристикам и параметрам.
В таблице 1. содержатся технические характеристики и показатели двигателей, в том числе приведенные в технической литературе и рекламных материалах.
Таблица 1.
№ п/п |
Техническая характеристика, показатель |
Коллекторный ДПТ |
Вентильный синхронный двигатель (в т.ч. |
Синхронный (вентильный) реактивный двигатель (нереверсивный) |
|
с обмоткой возбуждения |
с постоянными магнитами |
||||
1 |
наличие постоянных магнитов |
- |
на статоре |
на роторе |
- |
2 |
обмотка |
на роторе распределенная с коллектором |
на статоре распределенная трехфазная |
на статоре сосредоточенная двухфазная |
|
3 |
ротор |
шихтованный |
шихтованный или литой |
шихтованный без заливки и без обмотки |
|
4 |
статор |
литой или шихтованный |
шихтованный (24 паза) |
шихтованный ; 4 паза) |
|
с сосредоточенной обмоткой |
|||||
5 |
коэффициент полезного действия, % |
70 |
76 |
78 |
86 |
6 |
удельные массо-габаритные показатели |
1,0 |
1,2 |
1,0 |
1,74 |
7 |
наличие датчика положения ротора |
- |
- |
3 |
1 |
8 |
количество полупроводниковых ключей в инверторе |
- |
- |
6 |
2 |
9 |
надежность (ограничение срока службы) |
щетки, коллекторные пластины, подшипники, стойкость изоляции |
стойкость изоляции, подшипники, размагничивание магнитов |
Стойкость изоляции, подшипники |
|
размагничивание магнитов |
|||||
10 |
средний уровень звука, ДБА |
60÷70 |
50÷60 |
45÷55 |
45÷55 |
11 |
вид механической характеристики |
тяговая |
линейная |
линейная |
тяговая |
12 |
относительная стоимость изготовления машины |
1,2 |
1 |
1,5 |
0,33 |
13 |
основные достоинства |
|
|
|
|
|
|||||
14 |
основные недостатки |
|
|
|
Перечень технических характеристик и показателей, приведенных в таблице 1 может быть расширен. Однако, применительно к объекту движения (стеклоочиститель автомобиля), данным перечнем можно ограничиться.
Из рассмотрения таблицы 1 следует, что применяемый в настоящее время в стеклоочистителях классический коллекторный ДПТ по многим показателям явно проигрывает вентильным двигателям и, в особенности, синхронному реактивному двигателю.
Можно утверждать, что применение классических ДПТ в новых разработках сегодня не перспективно.
Исходя из таблицы 1, литературных источников и мнений специалистов, а также опираясь на трехмерный показатель «технические характеристики – цена – простота изготовления», можно судить о перспективности использования в моторедукторах стеклоочистителей синхронных реактивных двигателей. Рассмотрим особенности этих двигателей более подробно.
Особенности синхронных реактивных двигателей.
В многочисленных работах, посвященных синхронным реактивным двигателям приводятся их достоинства в сравнении с любыми другими типами машин, в т.ч. с наиболее распространенными асинхронными машинами:
- предельная простота и технологичность конструкции при любом числе полюсов и фаз, отсутствие операции заливки беличьей клетки ротора или оснащения ротора дорогостоящими и нетехнологичными и постоянными магнитами;
- холодный ротор, не несущий обмоток, и как следствие, холодные подшипники; основные потери выделяются в катушках статора и легче отводятся;
- высокотехнологичные, изготавливаемые на станке катушки – обмотки статора; упрощение операции пропитки; пропитываются только катушки статора, а не весь статор как в асинхронных машинах;
- высокая ремонтопригодность - простая замена катушек;
- простая утилизация – разделение железа и меди;
- наконец, главное преимущество; стоимость производства примерно в три раза меньше, чем машин с постоянными магнитами, и в два раза меньше, чем асинхронных машин с короткозамкнутым ротором.
Коммутатор, переключающий обмотки статора, может быть реализован в различных конфигурациях. Он должен обеспечивать подачу на фазы двигателя однополярных импульсов, что позволяет выполнить его более надежным в сравнении с аналогичным преобразователем частоты для асинхронного электропривода – ликвидируется опасность сквозных коротких замыканий, упрощается защита. Среди большого числа исполнения коммутатора, разработанных для дискретного электропривода, удается найти варианты с наименьшим количеством дорогих ключей – транзисторов, снизив в итоге его стоимость. Для нереверсивного варианта двигателя достаточного для реверсивного привода стеклоочистителя коммутатор (инвертор) может содержать два транзистора и два диода на фазу.
Основная проблема создания вентильно-индукторного электропривода состоит в правильном управлении ключами коммутатора в различных режимах работы и формирования определенных фронтов импульса тока. Инвертор должен обеспечить нормальную работу двигателя минимальными пульсациями момента, хорошими энергетическими и акустическими показателями. Следует особо отметить, что СРД является специфической машиной, поэтому требует неклассического подхода к построению его управления.
На рисунках 7 и 8 приведены фотографии макета двигателя и коммутатора.
Рис 7. Макет синхронного реактивного двигателя. Рис. 8. Макет коммутатора.
На рисунках 9 – 11 представлены характеристики макета двигателя, снятые экспериментально или полученные с использованием расчетов.
Рис. 9. Графики изменения скорости в зависимости
от тока при различных напряжениях питания инвертора
Рис.10. Графики изменения к.п.д. инвертора, двигателя
и привода в функции тока
Рис. 11. График изменения момента в функции тока
Результаты макетирования указывают на принципиальную возможность создания моторедуктора на базе синхронного реактивного двигателя с соответствующими техническими характеристиками.
Библиографический список
Кацман М. М. Электрические машины: Учеб. для учащихся электротехн. спец. техникумов. / М. М. Кацман. – М.: Высш. шк., 1990. – 463 с. – ISBN 5-06-000120-2.
Китаев В. Е. Электротехника с основами промышленной электроники. Учеб. пособие для проф.-техн. училищ. / В. Е. Китаев – М.: Высш. школа, 1980. – 254 с. – ил. – (Профтехобразование. Электроника).
Шеховцов В.П. Электрическое и электромеханическое оборудование. / В.П. Шеховцов — М: ИНФРА-М., 2004. — 408 с. – ISBN 5-16-001891-3 — ил. — (Профессиональное образование).