Motor als elektromagnetische Bremse

Bei Impulsor entwickle ich bürstenlose Motoren. In letzter Zeit werden wir häufig kontaktiert, um einen Motor / Generator zu entwickeln, der als Bremse fungiert. In diesem Artikel werde ich über die Merkmale dieser Anwendung von Motoren sprechen, welche Vor- und Nachteile bestehen und wie eine solche Betriebsart implementiert werden kann.

Nutzen und Nutzen

Die Verwendung des Motors als Bremse bietet eine Reihe von Vorteilen und Parametern, die mit anderen derzeit erhältlichen Bremsentypen nicht erreicht werden können. Dieser Ansatz hat jedoch auch Nachteile.

Vorteile:

• Schnelles Ein- und Ausschalten und Einstellen des Bremsmoments.
• Breites Drehzahlspektrum. Es ist möglich, eine überdrehende Bremse (bis zu 100.000 U / min) herzustellen, und umgekehrt ist sie sehr langsam.
• Reibungslose Installation der Last, das Fehlen der Möglichkeit eines versehentlichen Blockierens der Welle.
• Mangel an Staub und Abfallstoffen von der Bremse. Es kann in Innenräumen oder auf engstem Raum eingesetzt werden.
• Kann als Generator verwendet werden.

Nachteile:

• Einschränkungen der Betriebstemperatur bis zu 150, 200 Grad. Es ist möglich, die Temperatur ein wenig zu erhöhen, aber gleichzeitig steigt der Preis des Produkts sehr stark an.
• Eine normale Bremse aus einer Scheibe und Belägen mit den gleichen Abmessungen ist effektiver.
• Starke Drehmomentgrenzen bei niedrigen Drehzahlen und die Unfähigkeit, die Welle vollständig zu blockieren. Diese Einschränkung kann durch die Verwendung eines externen Leistungsreglers umgangen werden.
• Das ständige Vorhandensein eines kleinen Bremsmoments.

Aufgrund seiner Geschwindigkeit, Genauigkeit und Sauberkeit ist eine solche Bremse in Laboratorien und Innengeräten unverzichtbar. Ein nahes Analogon der Motorbremse ist eine Pulverbremse. Es ist genauso schnell, erzeugt keinen Staub, kann jedoch nicht mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten, und die meisten vorhandenen Modelle sind vollständig auf 1500 bis 3000 U / min begrenzt. Eine herkömmliche Scheibenbremse kann nicht die gleiche Genauigkeit und Stabilität bieten.

Betriebsarten

Für die elektromagnetische Bremse stehen 3 Bremsmodi zur Verfügung, die sich darin unterscheiden, wohin die Bremsenergie fließt:

1. Kreislauf- und Wärmeabgabemodus direkt im Motor.
2. Wärmeerzeugung an einer externen Last, einem Widerstand oder einem Bipolartransistor.
3. Akku wiederherstellen und aufladen.

Als nächstes werde ich mehr über diese Modi für Synchronmotoren mit Permanentmagneten BLDC sprechen, dies gilt auch für gewöhnliche Gleichstrom.

1. Schaltungsmodus

Dies ist der einfachste Modus. Dabei schließen die Motorkontakte einfach und die Bremsleistung wird dem Widerstand der Motorwicklung zugeordnet. Motoren wurden ursprünglich mit einer Neigung zum Kühlen entworfen und haben außerdem eine ausreichend große Masse- und Wärmekapazität. Auf diese Weise können Sie diesen Modus sehr intensiv nutzen, ohne Änderungen am Motor / Generator vornehmen zu müssen.

Zur Realisierung dieses Modus reichen eine Diodenbrücke und ein mechanischer (Taster, Messerschalter oder Relais) oder elektronischer Schlüssel (MOSFET, IGBT) aus. Zur Einstellung der Bremskraft wird eine PWM verwendet, die das Tastverhältnis der Schlüsselöffnung einstellt. Das Anschlussschema sieht wie folgt aus:



Dieser Modus hat eine interessante Funktion. Mit zunehmender Geschwindigkeit sinkt das maximale Bremsmoment. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Motorwicklung eine erhebliche Induktivität aufweist und mit zunehmender Geschwindigkeit auch die Frequenz der Ströme zunimmt. Infolgedessen übersteigt die Reaktanz der Wicklung den aktiven Wert und die Verlustleistung liegt unter dem für diesen Motor maximal möglichen Wert. Die charakteristische Abhängigkeit des maximalen Bremsmoments von den Umdrehungen ist in der folgenden Grafik dargestellt:



Trotz der Tatsache, dass ein gebrauchsfertiger Motor in diesem Modus sofort verwendet werden kann, kann in diesem Modus nicht das gesamte Potenzial des Produkts ausgeschöpft werden. Die Leistung der Bremse kann in diesem Modus jedoch erheblich gesteigert werden, sie ist ursprünglich als Bremse ausgeführt.

Dieser Modus hat einen weiteren wichtigen Nachteil. Aufgrund des schnellen und plötzlichen Schließens und Öffnens der Wicklungen treten starke elektromagnetische Störungen auf. Auch die Diodenbrücke muss für große gepulste Ströme ausgelegt sein.

2. Mit externer Last

In diesem Modus ist der externe Widerstand die Hauptwärmequelle beim Bremsen. Dieser Modus ist wesentlich effektiver, da die Bremsleistung nicht mehr durch den Kühlkörper der Motorwärme begrenzt ist und der Widerstandskühler beliebig groß ausgelegt werden kann. Wenn der Widerstandswert richtig eingestellt ist, ist das maximale Bremsmoment höher als nur beim Schließen, und je höher die Geschwindigkeit, desto deutlicher wird dies.

Zur Realisierung dieser Betriebsart wird ebenfalls eine Diodenbrücke benötigt, nach der jedoch entweder ein mechanischer Rheostat oder ein Bipolartransistor mit Strom- oder Widerstandsregelkreis eingeschaltet wird (elektronischer Lastkreis). Das Anschlussschema sieht wie folgt aus:



Mit einem geringen externen Widerstand im Verhältnis zum Motorwiderstand liegt die Art des Bremsmoments in der Nähe des ersten Modus. Mit zunehmendem Widerstand verschiebt sich der Spitzendrehmomentpunkt auf hohe Drehzahlen und die maximale Bremsleistung nimmt zu. Die Dynamik des Bremsmoments mit zunehmendem Lastwiderstand ist in der folgenden Grafik dargestellt:



In diesem Modus können Sie in den gewünschten Bereich der Betriebsumdrehungen den Bereich einstellen, in dem das Bremsmoment mit zunehmender Umdrehung zunimmt. Diese Betriebsart ist äußerst erfolgreich, da Sie damit die Geschwindigkeit stabilisieren oder begrenzen können. Ein stabiles Rückkopplungssystem wird gebildet.

3. Wiederherstellung

Dieser Modus ist am schwierigsten zu implementieren. Hierfür ist eine Steuerung (ESC) erforderlich, die der Steuerung bürstenloser BLDC-Motoren ähnelt. Gleichzeitig ist dieser Modus der effektivste. Es ist in der Lage, die meisten Nachteile dieser Art von Bremse zu beseitigen. So können Sie zum Beispiel mit der Steuerung die Motorwelle vollständig blockieren, gleichzeitig die Bremse im Modus der Erzeugung und des kontrollierten Bremsens verwenden und in diesem Modus Bremsmomente erzielen, die erheblich höher sind als beim vorherigen 2x.

In diesem Artikel werde ich das Steuergerät und seine Betriebsalgorithmen nicht detailliert beschreiben Dieses Thema ist für einen separaten Artikel bestimmt und möglicherweise nicht für einen. Für diejenigen, die dieses Problem verstehen möchten, können Sie das Prinzip der Steuerung in Elektrofahrzeugen (Fahrrädern, Rollern) und die Implementierung der Brems- und Wiederherstellungsalgorithmen untersuchen.

Fazit

Motor und Generatoren sind kostengünstige und einfache Optionen für eine elektrische Bremse mit einzigartigen Parametern. Eine solche Bremse ist nicht universell einsetzbar und kann klassische Scheibenbremsen nicht ersetzen, ist jedoch für einige Aufgaben konkurrenzlos.