Двигатель постоянного тока, который работает рядом с номинальным крутящим моментом может быть очень жарко. При непрерывной работе обмотка достигает температуры до 155 ° C, что приводит к температуре корпуса в диапазоне 120 ° C. В хирургических переносных устройствах двигатели постоянного тока не должны нагреваться. Что нам следует сделать? Если вы пренебрегаете трением, есть два основных источника потерь, которые нагревают двигатель: потери тепла от электричества и потери железа.
Когда двигатели постоянного тока становятся слишком горячими
Эти тепловые потери электроэнергии требуются с пропорционально электроэнергии
Картинная галерея
Картинная галерея с 7 картинками
До этого момента соображения основаны на непрерывной работе, при которой максимальные температуры достигаются только примерно через десять минут. Однако в портативных устройствах вы обычно имеете дело с прерывистой работой, которая может занять до 30 минут и более. Это означает: анализ непрерывной работы также должен использоваться здесь, однако с эффективным значением (RMS) тока нагрузки (квадратичное усреднение по всему циклу нагрузки). Среднее нагревание соответствует непрерывной работе с среднеквадратичным моментом нагрузки.
Двигатель постоянного тока нагревается даже без нагрузки
Эти потери железа связаны со скоростью. Потери на вихревые токи увеличиваются в квадрате со скоростью и нагревают двигатель при вращении - даже без нагрузки. В портативных устройствах это может быть проблемой для измельчителей и резаков, которые работают со скоростью десятки тысяч оборотов в минуту.
Электродвигатели
Так выглядит технология привода будущего
Такие высокооборотные двигатели требуют специальной конструкции, чтобы сохранить низкие потери на вихревые токи. Обычно они имеют небольшое количество магнитных полюсов, обмотку без железа и сверхтонкие железные листы с глубоким гистерезисом в заключении. Maxon ECX Speed сочетает в себе эти особенности. Бесщеточные двигатели постоянного тока с их длинной конструкцией и диаметром от 16 мм до 22 мм идеально подходят для портативных устройств, работающих на высоких скоростях, составляющих несколько десятков тысяч оборотов в минуту.
ШИМ-контроль и индуктивность
Однако выясняется, что прогрев двигателя - это не просто вопрос крутящего момента, скорости и дизайна. Это также зависит от конструкции управления ШИМ и настройки параметров управления. Недавно клиент Maxon Motor пожаловался на его горячий двигатель (80 ° C и более) даже на холостом ходу. Более детальный анализ показал, что контроль и напряжение питания оказали значительное влияние.
Железные обмотки имеют очень низкую индуктивность, что приводит к небольшой электрической постоянной времени. Соответственно, ток очень быстро реагирует на изменения напряжения; это хорошо для динамического поведения двигателя. Однако, если двигатель управляется с помощью выходного каскада с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (что делают большинство контроллеров), ток двигателя следует за быстрыми изменениями напряжения - что может привести к большой пульсации тока. В то время как напряжение ШИМ и пульсации тока не влияют на механическое поведение двигателя - двигатель по существу «видит» среднее значение тока и напряжения - пики тока пульсации нагревают двигатель. Аналогично, жесткие контуры управления приводят к сильным и быстрым реакциям тока с соответствующим нагревом.
Как работает двигатель постоянного тока:
Советы, чтобы сохранить текущую пульсацию небольшой
Меры противодействия текущей пульсации малы:
- Уменьшите напряжение питания выходного каскада ШИМ в тех случаях, когда это возможно из-за требований к скорости применения.
- Увеличьте частоту ШИМ, чтобы дать текущей пульсации меньше времени на тренировку.
- Установите дополнительный индуктор (дроссель двигателя) последовательно с соединениями двигателя. Это увеличивает электрическую постоянную времени и ослабляет реакцию тока. Эта последняя мера не очень привлекательна. Потому что это увеличивает затраты и требует дополнительного места.
- Выберите параметры управления, которые являются максимально мягкими.
Контроллеры Maxon учитывают глубокую индуктивность двигателей постоянного тока Maxon. Они работают на высоких частотах ШИМ от 50 кГц до 100 кГц и оснащены достаточной дополнительной индуктивностью для большинства двигателей и ситуаций.
Книга «Практическое руководство по проектированию привода» помогает в выборе основных компонентов систем электропривода: двигателя, коробки передач, привода, сетевого питания и их дополнительных компонентов. Расчет также ведется интенсивно.
Проблема с температурой клиента была быстро решена: этого было достаточно, чтобы заменить его негабаритный контроллер на контроллер Escon от Maxon. Решение Escon обладает меньшей, но достаточной мощностью. Он работает с более высокой частотой ШИМ, чем существующий контроллер, и содержит больший встроенный дроссель двигателя. Это само по себе сделало бы многое. Но температуру можно было бы снизить еще больше: для этого напряжение питания было снижено почти до абсолютно необходимого минимума.
Электрический двигатель
Мир двигателей постоянного тока
Высокие требования к двигателям постоянного тока для хирургических электроинструментов
Когда хирурги выполняют операции в операционной, они используют инструменты с батарейным питанием. Они должны быть точными и надежными и выдерживать более тысячи циклов стерилизации. Это также предъявляет высокие требования к микромоторам. Ручные хирургические устройства визуально очень похожи на машины от мастеров, но должны соответствовать гораздо более высоким требованиям в отношении точности, тепловыделения и вибрации. Надежность также является важным моментом. То же самое относится и к двигателям постоянного тока, которые приводят в действие электроинструменты. Поэтому безщеточные приводы постоянного тока особенно подходят, поскольку они характеризуются длительным сроком службы и высокими скоростями.
«Рабочие условия для двигателей в хирургических ручных инструментах являются жестокими», - говорит Энтони Майр, старший руководитель проекта Maxon Motor. Приводы должны выдерживать очень сильные вибрации. Также существуют высокие температуры в условиях перегрузки (крутящий момент или скорость), а также контакт с влагой и щелочными растворами из-за строгих требований к стерилизации и очистке. Майр объясняет: «Двигатели постоянного тока и коробки передач Maxon работают при всех этих условиях». Этому также способствовали обширные разработки и испытания в собственной лаборатории Maxon.
Двигатель постоянного тока
Четыре совета по выбору двигателя постоянного тока или BLDC
Крутящий момент двигателя
Моментные двигатели - сильные стороны, области применения и типичные критерии оптимизации
Воздушно-поршневой двигатель
Как двигатель приводится в действие сжатым воздухом вместо бензина, дизеля, газа или электричества
Мехатронный привод
От двигателя до системы привода
* Доктор научный сотрудник Урс Кафадер - менеджер по обучению в Maxon Motor Ag.