Я разрабатываю бесщеточные двигатели в Impulsor. В последнее время к нам часто обращались с просьбой разработать двигатель/генератор, который будет действовать как тормоз.
В этой статье я расскажу об особенностях такого использования моторов, в чем преимущества и недостатки, а также о том, как реализовать такой режим работы.
Преимущества и варианты использования
Использование двигателя в качестве тормоза обеспечивает ряд преимуществ и параметров, которых невозможно достичь при использовании других существующих в настоящее время типов тормозов.Однако этот подход также имеет недостатки.
Преимущества:
- Режим быстрого включения/выключения и настройка тормозного момента.
- Широкий диапазон рабочих скоростей.
Можно сделать сверхоборотный тормоз (до 100 000 об/мин), но, наоборот, очень медленно.
- Плавная регулировка нагрузки, отсутствие возможности случайной блокировки вала.
- Никакой пыли и отходов от тормоза.
Может использоваться внутри помещений или в ограниченном пространстве.
- Может использоваться как генератор.
- Ограничения по рабочей температуре до 150, 200 градусов.
Можно немного повысить температуру, но цена продукта сильно возрастает.
- Обычный тормоз, изготовленный из диска и колодок одинаковых размеров, будет более эффективным.
- Сильные ограничения крутящего момента на низких скоростях и невозможность полной блокировки вала.
Это ограничение можно обойти, используя контроллер с внешним источником питания.
- Постоянное наличие небольшого тормозного момента.
Близким аналогом моторного тормоза является порошковый тормоз.
Он такой же быстрый, не создает пыли, но не может работать на высоких оборотах и большинство существующих моделей полностью ограничиваются 1500-3000 об/мин.
Обычный дисковый тормоз не может обеспечить такую же точность и стабильность.
Режимы работы
Для электромагнитного тормоза доступны 3 режима торможения, они отличаются тем, куда уходит энергия торможения:- Режим закрытия и выделение тепла непосредственно в двигателе.
- Выделение тепла на внешней нагрузке, сопротивлении или биполярном транзисторе.
- Восстановление и зарядка аккумулятора.
1. Режим закрытия
Это самый простой режим.В нем контакты двигателя просто замыкаются, а тормозная мощность высвобождается через сопротивление обмотки двигателя.
Двигатели изначально проектировались с упором на охлаждение и, кроме того, имеют достаточно большую массу и теплоемкость.
Это позволяет достаточно интенсивно использовать этот режим без доработок двигателя/генератора.
Для реализации этого режима достаточно диодного моста и механического (кнопка, переключатель или реле) или электронного переключателя (MOSFET, IGBT).
Для регулировки силы торможения используется ШИМ, задающий рабочий цикл открытия ключа.
Схема подключения выглядит следующим образом: 
У этого режима есть интересная особенность.
По мере увеличения скорости максимальный тормозной момент будет уменьшаться.
Это связано с тем, что обмотка двигателя имеет значительную индуктивность и с увеличением скорости увеличивается и частота токов.
В результате реактивное сопротивление обмотки превысит активное и потери мощности будут ниже максимально возможных для данного двигателя.
Характерная зависимость максимального тормозного момента от оборотов представлена на графике ниже: 
Несмотря на то, что в этом режиме можно сразу использовать любой готовый мотор, этот режим не позволит раскрыть весь потенциал изделия.
Однако характеристики работы тормоза в этом режиме можно существенно улучшить, если он изначально спроектирован как тормоз.
У этого режима есть еще один важный недостаток.
Из-за быстрого и резкого замыкания и размыкания обмоток возникнут сильные электромагнитные помехи.
Также диодный мост должен быть рассчитан на большие импульсные токи.
2. С внешней нагрузкой
В этом режиме основным источником тепла, выделяющегося при торможении, является внешнее сопротивление.Этот режим гораздо эффективнее, так как мощность торможения больше не ограничивается тепловыделением двигателя, а радиатор на сопротивлении можно сделать сколь угодно большим.
Кроме того, если правильно настроить величину сопротивления, максимальный тормозной момент будет выше, чем просто при закрытии, и чем выше скорость, тем значительнее это будет проявляться.
Для реализации этого режима также необходим диодный мост, но после него включается либо механический реостат, либо биполярный транзистор со схемой регулирования тока или сопротивления (цепь электронной нагрузки).
Схема подключения выглядит следующим образом: 
Если внешнее сопротивление мало по отношению к сопротивлению двигателя, то характер тормозного момента будет близок к первому режиму.
По мере увеличения сопротивления точка пикового крутящего момента будет перемещаться в сторону более высоких оборотов, а максимальная тормозная мощность увеличится.
Динамика изменения тормозного момента при увеличении сопротивления нагрузки представлена на графике ниже: 
Этот режим позволяет получить в желаемом диапазоне рабочих скоростей участок, на котором тормозной момент увеличивается с увеличением скорости.
Этот режим работы чрезвычайно удачен, так как позволяет стабилизировать скорость или ограничить ее.
Формируется устойчивая система с обратной связью.
3. Восстановление
Этот режим является самым сложным в реализации.Для этого требуется контроллер (ESC), подобный тем, которые используются для управления двигателями BLDC. Но в то же время этот режим является наиболее эффективным.
Он способен устранить большинство недостатков этого типа тормозов.
Так, например, контроллер позволит полностью заблокировать вал двигателя, позволит использовать тормоз одновременно в генераторном и управляемом режимах торможения, причем в этом режиме можно добиться значительно более высоких тормозных моментов, чем в предыдущем 2х.
В этой статье я не буду подробно описывать конструкцию контроллера и алгоритмы его работы, потому что.
Эта тема для отдельной статьи, а возможно и не одной.
Для желающих разобраться в этом вопросе можно изучить принцип работы контроллера в электромобилях (велосипедах, скутерах) и то, как в них реализованы алгоритмы торможения и восстановления.
Заключение
Двигатель и генераторы – это недорогие и простые варианты электрических тормозов с уникальными параметрами.Этот тормоз не универсален и не заменит классические дисковые тормоза, но для некоторых задач ему нет равных.
Теги: #Научно-популярный #Сделай сам или сделай сам #Транспорт #генератор #электродвигатель #электротранспорт #мотор #BLDC #электротормоз
-
Жирафа
19 Oct, 24 -
Один День Из Жизни Технической Поддержки
19 Oct, 24 -
Веб 2.0 В Разработке
19 Oct, 24
