Момент инерции ротора двигателя

Содержание

Основные параметры электродвигателя

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

где P – мощность, Вт,
A – работа, Дж,
t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы.

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

где θ – угол, рад

где ω – углавая частота, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Частота вращения

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

где ε – угловое ускорение, с -2

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

где η – коэффициент полезного действия электродвигателя,
P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
P₂ — полезная мощность (механическая), Вт

При этом

потери в электродвигатели

электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики.

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

где – постоянная времени, с

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

где M – вращающий момент, Нм;
F – сила, Н;
r – радиус-вектор, м

где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
n_ном — номинальная частота вращения, мин -1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии.

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

Вращающийся электродвигатель
Само коммутируемый			Внешне коммутируемый
С механической коммутацией (коллекторный)		С электронной коммутацией 1 (вентильный 2, 3 )	Асинхронный электродвигатель	Синхронный электродвигатель
Переменного тока	Постоянного тока	Переменного тока 4	Переменного тока
Универсальный Репульсионный	КДПТ с обмоткой возбуждения Включение обмотки Независимое Последовательное возбуждения Параллельное Комбинированное КДПТ с постоянными магнитами	БДПТ (Бесколлекторный двигатель + ЭП \|+ ДПР) ВРД (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП \|+ ДПР)	Трехфазный (многофазный) АДКР АДФР Двухфазный (конденсаторный) Однофазный с пусковой обмоткой с экранированными полюсами с асимметричным магнитопроводом	СДОВ (с контактными кольцами и щетками) —> СДПМ 5 —> СДПМВ СДПМП Гибридный СРД Гистерезисный Индукторный Гибридный СРД-ПМ Реактивно-гистерезисный Шаговый 5
Простая электроника	Выпрямители, транзисторы	Более сложная электроника	Сложная электроника (ЧП)

Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
ЭП — электрический преобразователь
ДПР — датчик положения ротора
ВРД — вентильный реактивный двигатель
АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

где M – вращающий момент, Нм,
F – сила, Н,
r – радиус-вектор, м

где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
n_ном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

где P – мощность, Вт,
A – работа, Дж,
t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

Для вращательного движения

где – угол, рад,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
P₂ — полезная мощность (механическая), Вт

потери в электродвигатели

электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Частота вращения

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

где – угловое ускорение, с -2 [2]

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Параметр	АДКР	СДПМП	СДПМВ	СРД-ПМ	СДОВ
Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей
Момент к току статора
Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне	АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором СДПМП — синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами СРД-ПМ — синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (синхронный гибридный двигатель) СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7]. Области применения электродвигателей Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6]. Не всегда значение маховых моментов или моментов инерции роторов или якорей электрических машин можно найти в каталогах электрооборудования. Также в данный момент на предприятиях эксплуатируется большое количество электрических машин, данные на которые могут потеряться в ходе эксплуатации. Если данные о маховом моменте электрической машины отсутствуют, то их можно определить экспериментально с помощью методов: Крутильных колебаний; Маятниковых колебаний; Падающего груза; Свободного выбега; Метод крутильных колебаний Суть данной методики заключается в следующем: ротор электромашины подвешивают на стальной проволоке за конец вала. Второй конец проволоки жестко закрепляют на опоре, как показано на рисунке ниже (а): При таком определении момента инерции нужно строго обеспечить вертикальность оси вала ротора. После чего ротор, подвешенный на проволоке, закручивают на определенный угол и подсчитывают количество полных колебаний z, которые ротор совершит за какой – то промежуток времени t. Период полного колебания, если пренебречь затуханием, можно представить: Где k – направляющий момент проволоки (момент, вызывающий закручивание проволоки на 1 радиан). Если мы знаем k, то момент инерции ротора можно определить из следующего выражения: k можно определить исходя из размеров проволоки: Где Е – модуль кручения для материала проволоки в кГ/см 2 ; r и l – радиус и длина проволоки в см соответственно. Так как формула не дает точного значения k, более точно можно определить его из опыта. Для этого нужно измерять вращающий момент М, необходимый для закручивания проволоки на угол α. Тогда: Но еще проще произвести определение момента инерции на основе двух опытов крутильных колебаний ротора. Для этого измеряют продолжительность полного колебания как указано выше. Второе измерение периода колебания ротора производят с прикрепленным к нему телом, момент инерции которого известен J_доб. Как вариант, это может быть диск с известными геометрическими размерами и весом или рычаг с грузами на концах (рис. выше б). если Т – период колебаний одного ротора, а Т / — с добавочным грузом, тогда получим выражение: Благодаря пропорциональности между углом отклонения и направляющим моментом угол первоначального закручивания может быть взят произвольным. Метод маятниковых колебаний Ротор машины крепят проволокой к куску угловой стали так, чтоб вершину уголка можно было использовать в качестве призмы, относительно которой ротор электромашины смог бы выполнять колебания. После чего оба конца полученного таким образом маятника опирают на металлические горизонтальные опоры так, чтоб ротор мог относительно точек опоры совершать колебания. Момент его инерции относительно оси, совпадающей с вершиной уголка, при пренебрежении инерцией последнего будет равен: Где: G – это вес ротора машины в кг; е – расстояние между осью ротора и осью качания, измеряется в м; Т – период одного колебания в сек. Зная J_N, определяют по общему правилу инерцию ротора относительно оси, проходящей через центр тяжести: Метод падающего груза Самым главным недостатком методик, описанных выше, является то, что для определения инерции необходима разборка электромашины. Метод падающего груза позволит определить момент инерции электродвигателя без разборки последнего. На конец вала или шкив, сидящий на валу, навивают несколько витков шнура. К другому концу шнура прикрепляют груз и опускают его через направляющие блоки, либо непосредственно, как показано ниже: При опускании груз поворачивает ротор, преодолевая трение в подшипниках электромашины, при этом измеряют время t, за которое груз опустится на величину h. В таком случае инерция ротора может быть вычислена по формуле: Где: m – масса груза r – радиус вала или шкива, на который навивается шнур; t и h – время, и соответственно высота опускания груза; g – ускорение свободного падения равное 9,81; Метод свободного выбега Перечисленные выше методы определения инерции электрической машины больше подходят к электрическим машинам относительно малой мощности. При значительных габаритных и массовых показателей машин большой мощности определение инерции методами маятниковых колебаний и падающего груза становятся практически не пригодными, и тем более не пригодны в системе электродвигатель – рабочий орган. Поэтому зачастую применяют метод свободного выбега. Когда двигатель отключают от сети, то за счет накопленной кинетической энергии, двигатель и соединенный с ним рабочий орган будет вращаться замедляясь постепенно. Чем больше тормозящее усилие сил трения и чем меньше запас кинетической энергии, тем быстрее будет замедлятся система. Имея кривую самоторможения, показанную ниже, которая представляет собой график зависимости скорости от времени. По данной кривой можно сделать вывод о величине тормозных усилий. Мощность торможения в данном случае будет равна уменьшению кинетической энергии во времени: Подставив в формулу значение кинетической энергии , которая представлена в джоулях, тогда получим: Из данного выражения можно определить момент инерции: Величину поднормали определяют из кривой торможения для точки, в которой известны потери энергии при торможении. Если масштабы выбраны, то для построения кривой самоторможения: µ_n = об/мин/см – скорость, µ_t = сек/см – времени. В таком случае масштаб поднормали будет равен: , то есть , где СВ выражена в см.

Параметр

АДКР

СДПМП

СДПМВ

СРД-ПМ

СДОВ

Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей

Момент к току статора

Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне

АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
СДПМП — синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами

СРД-ПМ — синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (синхронный гибридный двигатель)
СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7].

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6].

Не всегда значение маховых моментов или моментов инерции роторов или якорей электрических машин можно найти в каталогах электрооборудования. Также в данный момент на предприятиях эксплуатируется большое количество электрических машин, данные на которые могут потеряться в ходе эксплуатации. Если данные о маховом моменте электрической машины отсутствуют, то их можно определить экспериментально с помощью методов:

Крутильных колебаний;
Маятниковых колебаний;
Падающего груза;
Свободного выбега;

Метод крутильных колебаний

Суть данной методики заключается в следующем: ротор электромашины подвешивают на стальной проволоке за конец вала. Второй конец проволоки жестко закрепляют на опоре, как показано на рисунке ниже (а):

При таком определении момента инерции нужно строго обеспечить вертикальность оси вала ротора. После чего ротор, подвешенный на проволоке, закручивают на определенный угол и подсчитывают количество полных колебаний z, которые ротор совершит за какой – то промежуток времени t. Период полного колебания, если пренебречь затуханием, можно представить:

Где k – направляющий момент проволоки (момент, вызывающий закручивание проволоки на 1 радиан). Если мы знаем k, то момент инерции ротора можно определить из следующего выражения:

k можно определить исходя из размеров проволоки:

Где Е – модуль кручения для материала проволоки в кГ/см 2 ;

r и l – радиус и длина проволоки в см соответственно.

Так как формула не дает точного значения k, более точно можно определить его из опыта. Для этого нужно измерять вращающий момент М, необходимый для закручивания проволоки на угол α. Тогда:

Но еще проще произвести определение момента инерции на основе двух опытов крутильных колебаний ротора. Для этого измеряют продолжительность полного колебания как указано выше. Второе измерение периода колебания ротора производят с прикрепленным к нему телом, момент инерции которого известен J_доб. Как вариант, это может быть диск с известными геометрическими размерами и весом или рычаг с грузами на концах (рис. выше б). если Т – период колебаний одного ротора, а Т / — с добавочным грузом, тогда получим выражение:

Благодаря пропорциональности между углом отклонения и направляющим моментом угол первоначального закручивания может быть взят произвольным.

Метод маятниковых колебаний

Ротор машины крепят проволокой к куску угловой стали так, чтоб вершину уголка можно было использовать в качестве призмы, относительно которой ротор электромашины смог бы выполнять колебания. После чего оба конца полученного таким образом маятника опирают на металлические горизонтальные опоры так, чтоб ротор мог относительно точек опоры совершать колебания. Момент его инерции относительно оси, совпадающей с вершиной уголка, при пренебрежении инерцией последнего будет равен:

Где: G – это вес ротора машины в кг;

е – расстояние между осью ротора и осью качания, измеряется в м;

Т – период одного колебания в сек.

Зная J_N, определяют по общему правилу инерцию ротора относительно оси, проходящей через центр тяжести:

Метод падающего груза

Самым главным недостатком методик, описанных выше, является то, что для определения инерции необходима разборка электромашины. Метод падающего груза позволит определить момент инерции электродвигателя без разборки последнего.

На конец вала или шкив, сидящий на валу, навивают несколько витков шнура. К другому концу шнура прикрепляют груз и опускают его через направляющие блоки, либо непосредственно, как показано ниже:

При опускании груз поворачивает ротор, преодолевая трение в подшипниках электромашины, при этом измеряют время t, за которое груз опустится на величину h.

В таком случае инерция ротора может быть вычислена по формуле:

Где: m – масса груза

r – радиус вала или шкива, на который навивается шнур;

t и h – время, и соответственно высота опускания груза;

g – ускорение свободного падения равное 9,81;

Метод свободного выбега

Перечисленные выше методы определения инерции электрической машины больше подходят к электрическим машинам относительно малой мощности. При значительных габаритных и массовых показателей машин большой мощности определение инерции методами маятниковых колебаний и падающего груза становятся практически не пригодными, и тем более не пригодны в системе электродвигатель – рабочий орган. Поэтому зачастую применяют метод свободного выбега.

Когда двигатель отключают от сети, то за счет накопленной кинетической энергии, двигатель и соединенный с ним рабочий орган будет вращаться замедляясь постепенно. Чем больше тормозящее усилие сил трения и чем меньше запас кинетической энергии, тем быстрее будет замедлятся система. Имея кривую самоторможения, показанную ниже, которая представляет собой график зависимости скорости от времени.

По данной кривой можно сделать вывод о величине тормозных усилий. Мощность торможения в данном случае будет равна уменьшению кинетической энергии во времени:

Подставив в формулу значение кинетической энергии , которая представлена в джоулях, тогда получим:

Из данного выражения можно определить момент инерции:

Величину поднормали определяют из кривой торможения для точки, в которой известны потери энергии при торможении. Если масштабы выбраны, то для построения кривой самоторможения: µ_n = об/мин/см – скорость, µ_t = сек/см – времени. В таком случае масштаб поднормали будет равен: , то есть , где СВ выражена в см.