Je développe des moteurs brushless chez Impulsor. Récemment, nous sommes souvent contactés pour développer un moteur / générateur qui servira de frein. Dans cet article, je parlerai des caractéristiques de cette application des moteurs, quels sont les avantages et les inconvénients, et comment mettre en œuvre un tel mode de fonctionnement.
Avantages et utilisations
L'utilisation du moteur comme frein offre un certain nombre d'avantages et de paramètres qui ne peuvent être atteints en utilisant d'autres types de freins actuellement disponibles. Cependant, cette approche présente également des inconvénients.
Avantages:
- Réglage rapide du couple marche / arrêt et de freinage.
- Large gamme de révolutions de travail. Il est possible de faire un frein à surrégime (jusqu'à 100 000 tr / min), et vice versa c'est très lent.
- Installation en douceur de la charge, absence de possibilité de blocage accidentel de l'arbre.
- Manque de poussière et de déchets du frein. Il peut être utilisé à l'intérieur ou dans un espace confiné.
- Peut être utilisé comme générateur.
Inconvénients:
- Limitations de la température de fonctionnement jusqu'à 150, 200 degrés. Il est possible d'élever un peu la température, mais en même temps le prix du produit augmente beaucoup.
- Un frein ordinaire à partir d'un disque et de plaquettes de mêmes dimensions sera plus efficace.
- De fortes limites de couple à bas régime et l'impossibilité de bloquer complètement l'arbre. Cette limitation peut être contournée en utilisant un contrôleur d'alimentation externe.
- La présence constante d'un petit couple de freinage.
De par sa rapidité, sa précision et sa propreté, un tel frein est indispensable dans les laboratoires et appareils d'intérieur. Un analogue proche du frein moteur est un frein à poudre. Il est tout aussi rapide, ne crée pas de poussière, mais il ne peut pas fonctionner à des vitesses élevées et la plupart des modèles existants sont complètement limités à 1500-3000 tr / min. Un frein à disque conventionnel n'est pas en mesure de fournir la même précision et stabilité.
Modes de fonctionnement
Il y a 3 modes de freinage disponibles pour le frein électromagnétique, ils diffèrent par où va l'énergie du freinage:
- Circuit et mode de dégagement de chaleur directement dans le moteur.
- Génération de chaleur sur une charge externe, une résistance ou un transistor bipolaire.
- Récupération et chargement de la batterie.
Ensuite, je parlerai davantage de ces modes pour les moteurs synchrones à aimants permanents BLDC, cela s'applique également au courant continu ordinaire.
1. Mode circuit
C'est le mode le plus simple. Dans ce document, les contacts du moteur se ferment tout simplement et la puissance de freinage est affectée à la résistance de l'enroulement du moteur. Les moteurs ont été initialement conçus avec une pente pour le refroidissement et, en outre, ils ont une masse et une capacité thermique suffisamment grandes. Cela vous permet d'utiliser ce mode de manière assez intensive sans modification du moteur / générateur.
Pour mettre en œuvre ce mode, un pont de diodes et une clé mécanique (bouton, interrupteur à couteau ou relais) ou électronique (MOSFET, IGBT) suffisent. Pour régler la force de freinage, un PWM est utilisé, qui définit le rapport cyclique de l'ouverture de la clé. Le schéma de connexion est le suivant:
Ce mode a une fonctionnalité intéressante. Lorsque la vitesse augmente, le couple de freinage maximal diminue. Cela est dû au fait que l'enroulement du moteur a une inductance importante, et avec l'augmentation de la vitesse, la fréquence des courants augmente également. En conséquence, la réactance de l'enroulement dépassera l'actif et la perte de puissance sera inférieure au maximum possible pour ce moteur. La dépendance caractéristique du couple de freinage maximal sur les révolutions est illustrée dans le graphique ci-dessous:
Malgré le fait que tout moteur prêt à l'emploi puisse être immédiatement utilisé dans ce mode, ce mode ne permettra pas de révéler tout le potentiel du produit. Cependant, les performances du frein dans ce mode peuvent être considérablement augmentées, il est à l'origine conçu comme un frein.
Ce mode présente un autre inconvénient important. En raison de la fermeture et de l'ouverture rapides et soudaines des enroulements, de fortes interférences électromagnétiques se produiront. De plus, le pont de diodes doit être conçu pour des courants pulsés importants.
2. Avec charge externe
Dans ce mode, la principale source de chaleur du freinage est la résistance externe. Ce mode est beaucoup plus efficace, car la puissance de freinage n'est plus limitée par le dissipateur thermique de la chaleur du moteur, et le radiateur à résistance peut être rendu arbitrairement grand. De plus, si la valeur de résistance est correctement ajustée, le couple de freinage maximal sera plus élevé qu'à la fermeture et plus la vitesse sera élevée, plus cela se manifestera.
Pour mettre en œuvre ce mode, un pont de diodes est également nécessaire, mais après cela, un rhéostat mécanique ou un transistor bipolaire avec un circuit de commande de courant ou de résistance est activé (circuit de charge électronique). Le schéma de connexion est le suivant:
Avec une petite résistance externe par rapport à la résistance du moteur, la nature du couple de freinage sera proche du premier mode. Avec une résistance croissante, le point de couple maximal passera à des régimes élevés et la puissance de freinage maximale augmentera. La dynamique du couple de freinage avec l'augmentation de la résistance de charge est illustrée dans le graphique ci-dessous:
Ce mode vous permet d'obtenir sur la plage souhaitée de tours de fonctionnement la zone sur laquelle le couple de freinage augmente avec l'augmentation des tours. Ce mode de fonctionnement est extrêmement réussi, car il permet de stabiliser ou de limiter la vitesse. Un système de rétroaction stable est formé.
3. Récupération
Ce mode est le plus difficile à implémenter. Il nécessite un contrôleur (ESC) similaire à ceux utilisés pour contrôler les moteurs sans balais BLDC. Mais en même temps, ce mode est le plus efficace. Il est capable d'éliminer la plupart des inconvénients de ce type de frein. Ainsi, par exemple, le contrôleur vous permettra de bloquer complètement l'arbre du moteur, il vous permettra d'utiliser le frein simultanément dans le mode de génération et de freinage contrôlé, et dans ce mode, vous pouvez obtenir des moments de freinage nettement plus élevés que dans les 2x précédents.
Dans cet article, je ne décrirai pas en détail le dispositif contrôleur et ses algorithmes de fonctionnement, comme ce sujet est pour un article séparé, et peut-être pas un. Pour ceux qui veulent comprendre ce problème, vous pouvez étudier le principe du contrôleur dans les véhicules électriques (vélos, scooters) et comment ils mettent en œuvre les algorithmes de freinage et de récupération.
Conclusion
Le moteur et les générateurs sont des options simples et peu coûteuses pour un frein électrique avec des paramètres uniques. Un tel frein n'est pas universel et ne permettra pas de remplacer les freins à disque classiques, mais pour certaines tâches, il est au-delà de la concurrence.